W systemach OZE magazyny energii w postaci baterii akumulatorów są nieodłącznie kojarzone w zasilaniem wydzielonych grup odbiorów w tzw. instalacjach wyspowych (tzw. off-grid) chociaż stosowane są również w instalacjach podłączonych bezpośrednio do sieci energetycznej (tzw. on-grid). Podstawowe zalety stosowania magazynu energii:
W systemach UPS baterie są nieodłączną częścią urządzenia gwarantującego ciągłość zasilania. W UPS typu on-line przejście z zasilania z sieci na zasilanie z baterii następuje bez jakiejkolwiek przerwy w zasilaniu odbiorów. Metodologia doboru baterii w obydwu systemach (OZE i UPS) ma pewne cechy wspólne. Prawidłowy proces doboru baterii powinien uwzględniać następujące etapy:
Poniżej zostaną opisane zasady doboru baterii ołowiowo-kwasowych.
Istnieją ogólne zalecenia projektowe, które pozwalają prawidłowo zwymiarować baterie w OZE:
Baterie ołowiowo-kwasowe są nadal powszechnie stosowane pomimo niewątpliwej przewagi parametrów użytkowych innych konkurencyjnych technologii. Szczególnie jest to widoczne w urządzeniach UPS. Różnice w budowie akumulatorów dotyczą konstrukcji elektrod oraz stanu elektrolitu pojedynczych ogniw 2 V. Zestaw ogniw w jednej obudowie nazywamy blokiem baterii np. blok 12 V. Zmontowane w miejscu docelowym i połączone w jeden system zestaw ogniw lub bloków nazywamy baterią. Warto przyjrzeć się konstrukcji ogniw ołowiowo-kwasowych, ponieważ dostępne typy różnią się znacząco parametrami użytkowymi. We wszystkich typach zasada działania jest ta sama. Elektrody zawierające ołów i dwutlenek ołowiu są naprzemiennie łączone w pakiety i zanurzane w rozcieńczonym kwasie siarkowym. W procesie wyładowania energia wiązań chemicznych zamieniana jest na energię elektryczną. Na obydwu elektrodach powstaje ten sam związek chemiczny – siarczan ołowiu, który w procesie ładowania z powrotem zamienia się w metaliczny ołów i dwutlenek ołowiu. Podział ze względu na stan elektrolitu:
Podział ze względu na konstrukcję elektrody dodatniej:
Analizując podział konstrukcji baterii
przedstawiony na rysunku 2, warto zwrócić
uwagę, że baterie żelowe występują
z dwoma rodzajami elektrod dodatnich.
Wybierając baterię żelową, warto się upewnić,
że zbudowana jest z elektrodą rurkową,
ponieważ zapewnia ona ponad dwukrotnie
większą żywotność cykliczną w stosunku
do elektrody kratkowej.
Do zastosowań w OZE rekomendowane
jest stosowanie AGM z płytą kratkową oraz
klasyczne i żelowe z płytą rurkową. Do zastosowań
w UPS najlepiej nadają się typy
z płytą kratkową.
Podstawową zasadą jest unikanie głębokiego
wyładowania oraz bezwzględne zapewnienie
odpowiedniej nadwyżki energii
przeznaczonej do ładowania nad ilością
energii pobieranej przez odbiory. We wszelkich
układach Odnawialnych Źródeł Energii
magazynujących energię, dobór akumulatorów
musi być przeprowadzany na podstawie
wyliczeń energii odbiorów w jednym cyklu.
Dane o mocach osiągalnych modułów fotowoltaicznych
lub mocy odbiorów nie mają
zastosowania przy doborze akumulatorów
w typowych instalacjach.
Dobór wielkości ogniw uwzględnia oczywiście
napięcie pracy projektowanej baterii.
Przy doborze trzeba korzystać w tabel rozładowań
producenta lub dodatkowych charakterystyk
rozładowania.
W przypadku odbiorów o stałej mocy należy korzystać z tabel rozładowania stałomocowych dla danej baterii. Należy wcześniej wyliczyć wydatek mocy przypadający na jedno ogniwo baterii, a następnie odczytać wartość mocy dla danej głębokości rozładowania oraz czasu.
Przykład:
Zamierzamy rozładowywać baterię o napięciu
znamionowym 48 V mocą 4,5 kW
w czasie 4 H. Bateria zbudowana z jednego
łańcucha posiada 24 ogniwa połączone
szeregowo. Stąd obciążenie jednego ogniwa
wynosi: 4500 W/24 = 187 W/ogniwo. Zakładamy
bezpieczny poziom rozładowania
1,85 V/ogniwo oraz temperaturę pracy
20oC. Maksymalny prąd rozładowania wynosi:
187 W/1,85 V = 101 A. Dobór ogniwa
pokazany jest na rysunku 3. Wybieramy
pierwszą wartość ogniwa spełniającego
warunek prądowy. Nasza bateria będzie
zbudowana z 24 ogniw typu 7OPzV.solar.
power.620.
Jeżeli zostanie określona pojemność danego ogniwa, zapewniająca energię odbiorów dla jednego cyklu pracy, to należy ją pomnożyć przez następujące przykładowe współczynniki:
Przy powyższych założeniach pojemność początkową należałoby zwiększyć ok. 8 razy. Podany powyższy sposób wykorzystania współczynników projektowych oraz doboru wielkości ogniw na podstawie maksymalnego prądu rozładowania zawiera pewne uproszczenia. Dlatego bardzo dokładne wymiarowanie należy powierzyć np. producentowi baterii. Niedowymiarowanie baterii, np. przez zwiększenie głębokości rozładowania w jednym cyklu, zmniejszy koszty jej zakupu przy jednoczesnym skróceniu okresu użytkowania.
W uproszczeniu dobór baterii rozpoczyna
się od wyliczenia maksymalnej mocy pobieranej z baterii przy 100% obciążenia UPS.
Należy w obliczeniach uwzględnić współczynnik
mocy wyjściowej odbiorów oraz
sprawność falownika.
Dla przykładu: przy mocy 80 kVA, wsp.
mocy 0,8 i sprawności 95% uzyskujemy
80’000W*0,8/0,95 = 67’370W.
Następnie trzeba wyliczyć liczbę wszystkich
ogniw w baterii uwzględniając liczbę
ogniw w jednym łańcuchu oraz liczbę łańcuchów.
Dzieląc przez siebie obydwie wielkości
uzyskujemy obciążenie mocą jednego
ogniwa. W kolejnym kroku należy przyjąć:
Odpowiednią wielkość baterii znajdujemy w stałomocowej tabeli rozładowań podanej dla powyższych założeń. Jest wiele innych aspektów doboru baterii, które nie mogą być tutaj omówione. Najbardziej rekomendowanym podejściem jest przerzucenie odpowiedzialności za prawidłowy dobór baterii na dostawcę.
Bardzo częstym spotykanym błędem jest
poleganie na podawanych w kartach katalogowych
pojemnościach ogniw, podczas
gdy nie ma jednej normy definiującej pojemność
ogniw. Dlatego to samo ogniwo
będzie miało różne wartości pojemności
w zależności od sposobu pomiaru wynikającego
z jego przeznaczenia. Ogniwo
nigdy nie pracuje w warunkach znamionowych,
Należy dobrać wielkość ogniw
dla założonych parametrów pracy. Bardzo
dobrym przykładem błędnego określenia
wielkości baterii dla UPS jest wymaganie
konkretnej wielkości pojemności znamionowej
podanej w Ah. Te pojemności są
określane dla czasów rozładowań 10 lub
20 godzin, podczas gdy czas pracy baterii
w UPS zazwyczaj zamyka się w czasach
do 30 minut.
Drugim częstym błędem jest niewiedza
o zakresie wielkości dostępnych na rynku
ogniw. Skutkuje to próbą budowania większej
pojemności przez wielokrotne łączenie
równoległe bloków baterii np. 12 V/200 Ah.
Znakomita większość producentów zaleca,
aby nie łączyć więcej niż 4 łańcuchów
baterii równolegle. Wymaganą pojemność
w praktyce zawsze daje się zbudować z 1
lub 2 łańcuchów. Warto wiedzieć, że dostępne
na rynku pojedyncze ogniwa o napięciu
2 V sięgają pojemnością 12000 Ah.
Podstawowe trzy wytyczne doboru baterii dla danego zastosowania:
Należy zapewnić dodatni bilans energii ze strony źródła z uwzględnieniem strat przetwarzania energii i strat ładowania w bateri:.
dr inż. Sławomir Kanoza
Dyrektor Oddziału w Warszawie
Hoppecke Baterie Polska Sp. z o.o.