Бачи Алекс. Малая солнечная энергетика

Малая солнечная энергетика - теория и практика

Тема автономного электроснабжения загородного дома фотоэлектрическими панелями в последние годы обрела столько явных поклонников и энтузиастов, что мне тоже захотелось поучаствовать в этом "празднике жизни", даже несмотря на понимание того, что солнечная энергия только в рекламных буклетах выглядит манной небесной, падающей на землю абсолютно даром. Очевидно, что плавающая в реке рыба - это ещё не уха, а пасущийся на лугу барашек - вовсе не шуба. Та же история и с "условно бесплатной" энергией Солнца, превращение которой в электричество требует не только финансовых вложений, но и чёткого понимания, что именно мы хотим построить, максимально эффективно потратив "свои кровные", далеко не лишние.

Казалось бы, что может быть проще - нужно только купить солнечные панели, прикрутить к крыше дома, сориентировав на юг, воткнуть в коробку подходящей мощности, снаружи которой висит розетка на 220 вольт, и готово! Собственно, в максимально упрощённом виде это действительно так. Следовательно, сочинять статьи на подобные темы, когда информации по солнечной энергетике воз и телега - пустая трата времени. Склонен согласиться...

И всё же, хочется верить, что кому-то будет интересно разобраться в этой теме чуть глубже, чтобы самостоятельно подобрать оптимальную конфигурацию, а не полагаться на "экспертное мнение" опытного менеджера по продаже соответствующего оборудования, цели и задачи которого очевидны.

Для правильного выбора "архитектуры" будущей СЭС (солнечной электростанции), наиболее подходящей для конкретного домовладения, следует обсудить некоторые специфические особенности используемого оборудования, его технические характеристики, и как следствие - применимость для конкретно нашего случая.

Начинаем!

Солнечные панели

Несмотря на внешнее сходство, фотоэлектрические панели разных производителей довольно сильно отличаются друг от друга не только по размерам, но и по мощности, напряжению, току и другим специфическим признакам. Общее для них - материал, из которого изготовлены фотоэлектрические ячейки - во всех случаях это кремний, но его агрегатное состояние разное. В одном варианте - это аморфный кремний, в другом - поликристаллический, в третьем - монокристаллический.

Панели из аморфного кремния лёгкие, гибкие и довольно дёшевы, но эффективность выработки электричества с квадратного метра площади у них самая низкая. Соответственно, оптимальное применение для них - различные мобильные системы - это "дома на колёсах" (трейлеры и кемперы), катера, яхты, а также автомобильный, велосипедный, и даже пеший туризм. Достаточно тонкие листы пластика можно сложить стопкой, и они займут мало места в багажном отсеке автомобиля, а по прибытии на место - просто разложить на крыше/траве/песке и соединить в батарею нужной мощности. Для зарядки телефона, ноутбука и яркого фонаря в палатку достаточно одного такого листа, который потом сворачивается в трубу и цепляется за рюкзак.

С учётом вышеизложенного, можно сделать однозначный вывод:

Для стационарной установки - Плохой вариант!

И это будет ошибкой, поскольку у аморфного кремния имеется весьма уникальная способность работы в среднем диапазоне освещённости с незначительным снижением тока отдачи, тогда как у его "продвинутых родственников" вольт-амперная характеристика практически линейно зависит от яркости попадаемого на фотоэлектрические ячейки излучения. Другими словами, панели из аморфного кремния заметно выигрывают в неприхотливости, как по количеству света, так и в позиционировании, не требуя высокой точности азимута и угла наклона. И в тот момент, когда бегущие по небу облака будут периодически прикрывать солнце, ток в системе изменится не столь значительно, как с использованием более дорогих собратьев, что позволит сэкономить и на ёмкости аккумуляторов в том числе.

Соответственно, исключать вариант стационарной установки панелей из аморфного кремния не станем, ведь на их покупке можно серьёзно сэкономить, а если погода в конкретном регионе не слишком балует солнечными днями, то и получить электричество даже в пасмурную погоду, когда дорогие панели едва ли способны что-то выработать.

Если дачный домик не приспособлен для круглогодичного проживания и используется лишь в садово-огородный сезон, то панели из аморфного кремния - наилучший вариант, ведь их можно не крепить намертво, а привязать к крыше или к забору прочной верёвкой на случай сильного ветра. При определённой сноровке такая система монтируется за полчаса-час и так же быстро разбирается, учитывая низкий вес и гибкость каждой отдельной панели.

И всё же, для стационарной установки лучше подходят панели из поликристаллического или монокристаллического кремния, поскольку имеют прочную алюминиевую раму и достаточно твёрдое покрытие, защищающее фотоэлектрические ячейки от механического воздействия. В зависимости от используемой технологии эффективность выработки электричества у них отличается, но не так значительно, как цена - монокристаллические заметно дороже поликристаллических. Долговечность и деградация (естественное снижение мощности с течением времени) тоже примерно одинаковые. Другими словами, монокристаллические панели актуально покупать лишь в случае жёстких ограничений по площади крыши дома или участка. Когда подобных лимитов нет, экономическая целесообразность указывает на панели из поликристаллического кремния, пребывающих в среднем ценовом сегменте, где конкуренция не только производителей, но и продавцов бывших в употреблении панелей, наиболее жёсткая. А значит, можно не только выбрать подходящий для себя вариант, но и поторговаться, к примеру, взяв "бонус-скидку" не деньгами, а дополнительными панелями.

Далее обсудим основные технические характеристики фотоэлектрических панелей:

Мощность

Для примерного расчёта производительности наиболее удобный параметр - максимальная (пиковая) мощность, которая всегда указывается на обратной стороне панели наряду с другими характеристиками. Она представляет собой "идеальный случай", замеренный на специальном стенде и в реальности недостижимый.

Тут действуют несколько объективных факторов, не позволяющих панели реализовать свой потенциал на 100%. Это не только географическое расположение объекта, но и изменение плотности солнечного потока в зависимости от сезона и времени суток, разное содержание в воздухе водяного пара, препятствующего прохождению солнечных лучей сквозь атмосферу, наличие или отсутствие облаков.

Важный параметр - температура фотоэлектрических ячеек. При нагреве свыше 50 градусов Цельсия эффективность выработки электричества у них снижается, иногда весьма значительно. И если зимой панели охлаждаются естественным образом, то летом при заметно большей освещённости они могут работать хуже по причине банального перегрева.

Отсюда рекомендация по монтажу панелей - необходимо предусмотреть достаточный зазор с крышей, оставляя возможность их естественной вентиляции. Также отметим естественные ограничения на установку панелей в реальном домовладении - это угол наклона, целиком зависящий от конструкции крыши, позиционирование по сторонам света и другие специфические, индивидуальные для каждого конкретного объекта, к примеру, наличие стоящих неподалёку высоких деревьев и т.п.

Суммируем вышеизложенное:

Заявленная производителем мощность в реальных условиях недостижима по множеству вполне объективных причин, поэтому при проектировании домашней СЭС следует закладывать определённый запас мощности, двукратный или даже трёхкратный, чтобы получить необходимое количество электрической энергии. Это важно, если загородный дом не подключен к электрической сети и полностью автономен. Также неплохо иметь какую-то альтернативу солнцу на случай затянувшихся дождей и пасмурной погоды. Электрогенератор и запас бензина вполне справляются с подобного рода трудностями.

Напряжение и ток

Очевидно, что в отличие от мощности - более или менее стабильной величины, ток и напряжение всего массива панелей могут претерпевать значительные изменения при работе с конкретным оборудованием. К примеру, подключенный MPPT-контроллер будет "двигать" ток и напряжение таким образом, чтобы достичь "точки максимальной мощности", следуя собственному алгоритму, известному лишь производителю.

Не будем забывать, что ток и напряжение - вовсе не синонимы, означающие одно и то же и "называющие" электричество по-разному. Если для MPPT-контроллера рабочее напряжение массива панелей в зависимости от освещённости может колебаться в диапазоне нескольких сотен вольт, грубо от 100 до 1000, то для аккумулятора превышение напряжения даже на 5 вольт может оказаться фатальным, а снижение всего на 3 вольта не позволит ему зарядиться полностью. Соответственно, рабочее напряжение и максимальный ток, приходящий с панелей будет целиком зависеть от конфигурации подключенного к ним оборудования - инвертора, аккумулятора, а также различных контроллеров и конвертеров.

Соединительные провода

Из школьного курса физики мы что-то помним про закон Ома, описывающий зависимость тока от напряжения через сопротивление, а также формулу мощности как их произведение. Для определения сечения используемых проводов этой информации вполне достаточно. То есть, для построения низковольтной системы (20-100 вольт) мы берём толстые провода, такие, что используются в автомобильной проводке, где нормальные рабочие токи находятся в диапазоне 10-100 Ампер, а высоковольтной (100-900 вольт) - обычные, рассчитанные на токи до 10 Ампер, то есть, не толще кабеля питания телевизора.

Угол наклона и азимут

Очевидно, что при отсутствии механической системы слежения за положением солнца стационарный массив панелей должен устанавливаться соответствующим образом. С азимутом предельно просто - местонахождение солнца в точке, где ток панелей максимальный. В большинстве случаев это промежуток с 11 до 14 часов, а значит, большая удача, если крыша дома, куда планируется установить солнечные панели, изначально проектировалась с учётом сторон света. Также мы помним, что в зависимости от сезона солнце по небосклону ходит на разной высоте - летом вблизи зенита, зимой ближе к горизонту. Соответственно, угол наклона панелей по отношению к земле выбирается исходя из некоего среднеарифметического значения, либо весь массив делится пополам и часть его "глядит вдаль", а другая "на небо". Это крайне удобно, если к дому пристроена веранда или стоянка для автомобиля, крыши которых состоят из солнечных панелей, ведь металлочерепица и любые подобные материалы в нынешние времена стоят немногим дешевле фотоэлектрических панелей. В этом случае можно сэкономить немного денег, чтобы потратить их с большей пользой на что-то действительно нужное и полезное.

Следующий шаг - выбор подходящего преобразователя постоянного тока в переменный 220 вольт.

Инвертор

Для солнечной энергетики современный рынок предлагает широчайший ассортимент приборов преобразования постоянного тока в переменный, и на первый взгляд все они похожи друг на друга, отличие лишь в мощности. В реальности существует лишь два типа инверторов - сетевые и автономные, принцип работы которых различается фундаментально.

Что называется - Не родственники и даже не однофамильцы!

Гибридный инвертор по своей "архитектуре" может оказаться, как сетевым инвертором (On-Greed), так и достаточно "продвинутой" версией автономного инвертора (On/Off-Greed), где отдельные устройства - MPPT либо PWM-контроллер, преобразователь постоянного напряжения в переменный ток, зарядное устройство для аккумулятора, панель индикации, различные измерительные приборы, кнопки, переключатели и реле интегрируются в единое устройство, позволяя всю систему сделать более компактной, удобной для установки и управления. Соответственно, рассматривать "Гибрид" в качестве какого-то самостоятельного типа инверторов бессмысленно, поскольку под этим словом понимается лишь мультифункциональность устройства без какой-либо конкретики.

Начнём с первого типа:

Сетевой инвертор

Судя по названию, этот тип преобразователей энергии специально предназначен для работы с существующей электрической сетью (по международной классификации - On-Greed).

Вполне естественно, при отключении электричества по каким-то причинам природного или технологического свойства, вы тоже останетесь без света, независимо от того, на улице яркий солнечный день или тёмная ночь. Такое поведение сетевого инвертора ни в коем случае не является конструктивной недоработкой или недостатком. Причина иная - законодательно установленная норма для всех сетевых инверторов - принудительное отключение в случае аварии на электросетях. Требование вполне разумное, ведь ремонтная бригада состоит из живых людей, и получить удар током от обесточенного провода - тот ещё сюрприз, не правда ли?

В максимально простом изложении работа сетевого инвертора заключается в "накидывании дополнительного электричества" на уже существующую сеть таким образом, чтобы заставить электросчётчик крутиться в обратном направлении. Особо отметим, что независимо от "года рождения" и применяемой технологии все существующие электросчётчики "видят" направление движения электрического тока. Если он электромеханический, то алюминиевый диск начнёт "сматывать киловатты" в обратную сторону, а электронный не только покажет направление движения переменного тока, но и посчитает, какое количество киловатт сетевая компания должна вычесть из вашего счёта на оплату электроэнергии. Конечно, при наличии соответствующих договорных отношений.

И это действительно самая дешёвая и простая конфигурация домашней СЭС, не требующая никаких специальных знаний и иных затрат, кроме установки панелей и подключения инвертора к однофазной, двух- или трёхфазной сети без необходимости согласования по частоте и фазе.

Акцентируем этот момент:

Сетевой инвертор сам по себе не формирует синусоидальный переменный ток, он лишь добавляет мощности для каждой фазы сети, немного повышая амплитуду при активной нагрузке, либо выравнивая фазовый сдвиг (cos Ф, PF) для реактивной нагрузки.

Соответственно, в случае необходимости увеличения мощности, новый массив панелей подключаем к следующему инвертору, фазные выходы которого соединяем с уже существующей сетью в произвольном порядке - не нужно ничего согласовывать, измерять, выравнивать, выпрямлять-формировать и регулировать - сетевой инвертор всё сделает сам. Очень удобно!

Более того - имеющийся внутри любого сетевого инвертора MPPT-контроллер постарается выжать из панелей максимум мощности, чтобы отдать сетевой компании. Единственный способ не позволить счётчику крутиться в обратную сторону - постараться потратить как можно больше электричества самостоятельно, установив дополнительные кондиционеры, водогрейные котлы, электронасосы и лампочки.

Ещё раз максимально простым языком:

У нас имеется постоянное напряжение с панелей - подключаем его на вход инвертора с одной стороны к соответствующим клеммам. Переменное напряжение с электросети подаём на другой вход. Если все компоненты исправны и подключены правильно, инвертор начнёт работать в штатном режиме, не забывая собирать необходимую статистику по всем отслеживаемым им параметрам.

Всё предельно просто и понятно!

В том случае, если вы не готовы делиться собственными киловаттами с энергетической компанией, и так весьма неплохо зарабатывающей на потребителях электроэнергии, существует альтернатива:

Автономный инвертор

Как любое устройство преобразования постоянного тока в переменный, автономный инвертор может иметь различную "архитектуру", позволяя работать как с высоковольтным, так и с низковольтным массивом панелей. Каждый тип подключения имеет свои достоинства и недостатки, и только производитель конкретного изделия может принять решение, на какой из параметров он сделает ставку, чтобы получить дополнительные бонусы - повышенную мощность, надёжность отдельных элементов конструкции, быстродействие, низкий уровень шума либо конкурентную цену изделия.

Типичный пример такого "компромиссного решения":

Практически все гибридные инверторы с высоковольтным подключением дают высокую мощность переменного тока при работе от солнечных панелей и довольно низкую, когда инвертор переходит на аккумуляторное питание. Здесь работает простое правило - чем выше напряжение питания инвертора, тем больше мощности он способен отдать в нагрузку. И если напряжение даже небольшого количества фотоэлектрических панелей путём последовательного подключения можно довести до 200-500 вольт, то значительно поднять напряжение аккумулятора мы вряд ли сможем, поскольку даже 48-вольтовая АКБ ёмкостью порядка 100 А/час - уже довольно дорогое удовольствие. Соответственно, дальнейшее увеличение напряжения батареи могло бы заметно увеличить выходную мощность инвертора, но в этом случае цена киловатта "условно бесплатной" солнечной энергии рискует стать дороже тарифа на электроэнергию, что не лучшим образом скажется на окупаемости всей системы.

Теперь рассмотрим другой вариант компоновки - низковольтное подключение панелей.

Такое техническое решение наиболее жёстким способом связывает инвертор с аккумулятором, тем самым превращая контроллер панелей в зарядное устройство, что заметно удешевляет стоимость всей системы, поскольку в этом случае нам не требуется высокое напряжение. И даже ток, ведь для зарядки обычных кислотных аккумуляторов достаточно 1:10 от номинала, что годится и для литиевых, несмотря на то, что они способны заряжаться очень высокими токами. Правда, максимальная мощность низковольтной системы (24-48 вольт) едва ли достигнет 3 kW, а каждый последующий киловатт мощности инвертора потребует повышения напряжения батарей и будет обходиться заметно дороже предыдущего. Таким образом, конечная стоимость инвертора на 5-6 кВатт реальной, а не пиковой мощности, может оказаться запредельно дорогой.

Вот и получается, что СЭС высокой мощности - сплошное поле компромиссов - либо мы покупаем больше аккумуляторов в батарею, либо более дорогое оборудование преобразования, либо рационализируем единовременное потребление электричества на уровне не более 2500-3000 Ватт/час, учитывая, что домашняя техника лишь в редких случаях потребляет больше.

К примеру, максимальное потребление в Ваттах для наиболее "прожорливых" бытовых приборов:

Электрочайник - 1500-2200, стиральная машина - 2500, микроволновка - 800-1200, электродуховка - 800-2500, кондиционер или накопительный водонагреватель - 800-2000. Если не включать такие устройства одновременно, то все остальные - холодильник, телевизор, компьютер и различные осветительные приборы можно использовать без каких-либо ограничений, ведь их суммарная потребляемая мощность едва ли превысит 300-400 Ватт.

Впору вспомнить шутливое выражение:

Наша компания предлагает высокое качество, короткие сроки и низкие цены, но в связи с загруженностью персонала мы можем исполнить лишь два условия из трёх.

Далее несколько слов о форме переменного тока в розетке. Что такое "чистый синус" и каковы его отличия от других "видов синуса"?

COS Ф (косинус фи)

Современный человек, хотя бы немного интересующийся электротехникой прекрасно знает, что переменный ток в розетке обычно имеет напряжение 220-230 Вольт и частоту 50 Герц. Связанные с энергетикой и электромоторами специалисты прекрасно знают о существовании ещё одного важного параметра, называемого "косинусом фи" (cos Ф), в технической документации также именуемым PF (Power Factor) либо "коэффициент нелинейных искажений" в русскоязычной интерпретации. Поскольку форма переменного тока важна лишь для приборов, имеющих в своём составе индуктивные силовые элементы - катушки, трансформаторы и дросселя, потребляющие т.н. реактивную составляющую переменного тока, информация о косинусе фи не является предметом первой необходимости. Особенно сейчас, когда тяжёлые железные трансформаторы и электромоторы активно вытесняются более лёгкими импульсными аналогами, для которых форма переменного тока в розетке вообще не играет никакой роли. Просто потому, что современным блокам питания, индукционным плитам, инверторным холодильникам и стиральным машинам вообще не нужен переменный ток, так как на первом же каскаде он выпрямляется в постоянный, и с помощью импульсных схем преобразуется тем или иным образом.

Тем не менее, существует значительное количество бытовой техники, верой и правдой служащей по сей день - газовые котлы, холодильники и другие бытовые приборы, где есть катушки, трансформаторы, электромоторы, для которых форма переменного тока важна. Именно поэтому, наряду с простыми преобразователями постоянного тока в переменный, производители предлагают более современные "инверторы чистого синуса", форма переменного тока которых максимально похожа на ту, что присутствует в бытовой электрической розетке.

Ещё лет 20-30 назад "проблема чистого синуса" решалась с помощью тяжёлых железных трансформаторов и довольно хилых магниторезонансных стабилизаторов тока, но активный выход на рынок мощных полевых транзисторов MOSFET и IGBT-модулей решил эту проблему кардинальным образом. Теперь даже сварочные аппараты делаются по инверторной технологии, что в разы снизило их вес и значительно улучшило потребительские свойства.

Следовательно, при выборе оборудования, преобразующего постоянный ток фотоэлектрических панелей в переменный 220 вольт, следует обращать внимание и на этот параметр. Если вся техника в доме достаточно современна и не предъявляет высоких требований к форме электрического тока, то о косинусе фи можно даже не вспоминать. В случае, когда вы не планируете менять любимый газовый котёл или холодильник, хранящий не только продукты, но и приятные воспоминания о беззаботной молодости, следует отдать предпочтение инвертору с "чистым синусом", PF которого равен единице.

Пожалуй, последняя тема, требующая внимания в теоретической части данного обзора - выбор устройства хранения электричества. А именно:

Аккумулятор

Как уже сказано выше по тексту, использование сетевого инвертора не подразумевает хранения электрического тока внутри дома, как и подобной ему разновидности гибридного инвертора, экономящего расходы на электричество в те дни, когда светит солнце, а ночью и в пасмурную погоду использующего внешний источник. В случае, когда фотоэлектрические панели подключены к автономной системе электроснабжения, использование аккумуляторных батарей обязательно.

Далее небольшой обзор ситуации на этом рынке:

Ещё сравнительно недавно автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор являлся основным устройством хранения электричества, поскольку его производство обходилось заметно дешевле других типов аккумуляторов, используемых в бытовой, промышленной и военной технике. Добыть что-то кроме него для обычного человека, далёкого от заводских и военных складов, считалось настоящим чудом.

Несмотря на то, что с момента изобретения первого никель-кадмиевого NiCd аккумулятора прошло уже более 100 лет, за всё это время аккумуляторы на основе никеля каких-то особых изменений не претерпели, и лишь в самом конце прошлого столетия обрели новое дыхание, став тем, что сейчас мы понимаем под NiCd и NiMH аккумуляторами. Но разработчики вдруг вспомнили о чудесных свойствах лития, столь же долго используемого для производства различных одноразовых элементов питания (в просторечии "батареек"), и "пальму первенства" перехватили различные литиевые технологии, почти мгновенно завоевав не только рынки, но и сердца благодарных пользователей телефонов, мощных фонариков и различного электроинструмента.

Но прогресс не стоит на месте, и буквально за каких-то пару-тройку лет на рынок вышел новый "зверь" - технология LiFePO4 (LFP, лифер, лифепошка), заставившая удивиться даже самых ярых литий-скептиков. Не исключено, что через пять-десять лет мы будем с ностальгией вспоминать "любимые сердцу лифепошки - старомодные, громоздкие, но такие родные". Кто знает...

Сейчас это передний край аккумуляторных технологий, поэтому свойства LiFePO4 рассмотрим чуть внимательнее в финале обзора.

Ситуация с аккумуляторными батареями различных типов применительно к СЭС выглядит примерно следующим образом:

Автомобильные свинцово-кислотные

Количество зарядно-разрядных циклов в зависимости от глубины разряда и различных природных факторов колеблется от 50 до 500, что для использования в системах автономного электропитания, как минимум, нерационально. К тому же, конструктивно они вообще не рассчитаны на работу в буферном режиме, поскольку их основная задача дать максимальный ток лишь в момент старта двигателя, а потом он долго и сурово заряжается в процессе езды. Циклический заряд-разряд его попросту разрушает, что ограничивает срок эксплуатации такого АКБ до года и даже меньше. Пара-тройка глубоких разрядов (менее 2 вольт на банку) способна его "убить" в течении нескольких дней после покупки.

Вполне ожидаемый вывод:

Автомобильный кислотный аккумулятор для СЭС принципиально непригоден.

Свинцово-кислотные тяговые (классические)

Они заметно дороже автомобильных, так как свинцовые пластины внутри их более толстые, а значит, при тех же габаритах, что и автомобильные, они будут иметь больший вес и меньшую ёмкость в ампер/часах. При этом количество зарядно-разрядных циклов в зависимости от режима использования колеблется от 200 до 1200, что заметно лучше, но далеко не замечательно. Глубокий разряд на них действует столь же разрушительно, как и на автомобильные, поэтому суммарная мощность таких аккумуляторов намеренно завышается, что естественным образом сказывается на цене и весе всего комплекта. Другими словами - довольно дорогое удовольствие.

Для использования в СЭС пригоден лишь в случае, если достался даром. Что называется - жалко выбросить.

Свинцово-кислотные "нового поколения" такие как AGM и GEL

Это если не революция, то некоторое продвижение в светлое завтра, но всё равно "на старых дрожжах". Дело в том, что сама по себе обратимая электрохимическая реакция сульфатации с последующим восстановлением молекулярного свинца в циклах заряд-разряд - довольно старое изобретение, которому, как и NiCd уже больше 100 лет. Поэтому придумать что-то прорывное на его основе непросто. Тем не менее, лучшие образцы подобных АКБ способны честно работать до 20 лет, поскольку могут выдержать до 3-5 тысяч зарядно-разрядных циклов. Правда, лишь в наиболее мягком режиме использования. И цена у них, прямо скажем, далеко не бюджетная.

Наш вердикт:

Если торгующая такими АКБ фирма устроит распродажу с большими скидками, стоит присмотреться к столь заманчивому предложению.

Li-ion и Li-polуmer

Отличие одного от другого лишь в форме упаковки - первый скручивается в рулон и вставляется в железную трубку, второй выпускается в виде плоских прямоугольных пластин разной длины/ширины/толщины.

Как уже отмечено выше, литий в качестве электролита для одноразовых батареек - мощных, долговечных и очень компактных (к примеру, весьма популярные плоские "таблетки" серии CR) - используется не первое десятилетие, но аккумуляторы на его основе на широкий рынок вышли не так, чтобы очень давно. И это несмотря на то, что обратимая окислительно-восстановительная реакция с участием лития известна любому студенту-химику. Виной тому, особая "капризность" буквально ко всему - глубокому разряду, перезаряду, жаре, холоду, механическому воздействию и т.д. И если бы не феноменальная ёмкость литиевого аккумулятора и его способность быстро брать и отдавать заряд на токах, близких к токам короткого замыкания, возможно, мы так и пользовались кислотными и никелевыми АКБ, как нам предки завещали.

Но рынок требовал новых типов аккумуляторов - более мощных и компактных, и компромиссное решение было найдено - "плохой характер" литиевых аккумуляторов компенсировали обязательным использованием BMS-контроллера, неусыпно следящего за поведением непоседы - своеобразный "строгий ошейник", не допускающий глубокого разряда, перезаряда и значительного изменения температуры в различных режимах использования.

Следует признать, что несмотря на массу недостатков, аккумуляторы Li-ion и Li-polуmer на данный момент не имеют себе равных ни по ёмкости на единицу веса, ни по токам заряд-разряд, да и цена у них более чем конкурентная.

LiFePO4

Этот тип аккумуляторов сравнительно недавно вышел на широкий рынок и законно обрёл сторонников и почитателей. По-сути, это всё та же литиевая технология, но лишённая главного недостатка своих "старших братьев" - Li-ion и Li-polуmer - он взрывобезопасный, за что пришлось заплатить некоторой потерей ёмкости на вес, чуть более скромными токами заряд-разряд и заметным повышением цены.

Применение BMS-контроллера для этого типа аккумулятора не является обязательной опцией и он вполне может обходиться без "строгого ошейника", поскольку взрыв ему не грозит. Но будучи улучшенной версией всё той же литиевой технологии, "Лифер" будет отдавать максимум своих способностей лишь при строгом соблюдении режимов зарядки и разрядки. Подключенный к батарее BMS-контроллер не позволит каждому из элементов разрядиться ниже 2.5 и зарядиться выше 3.65 вольт, что позволит достичь безусловно феноменальных показателей по количеству циклов заряд-разряд - 4000-6000, что в полтора-два раза выше, чем у ближайших родственников Li-ion и Li-polуmer (примерно 3000 циклов).

Форм-фактор может быть какой угодно - призма или цилиндрический стакан типоразмеров 18650, 32700 и др.

Насколько заявленные производителем характеристики соответствуют действительности - покажет время.

Несколько слов об измерении ёмкости литиевых аккумуляторов

Степень заряда свинцово-кислотных и никелевых аккумуляторов неплохо определялась по напряжению под некоторой стандартной нагрузкой, что позволяло использовать простые методы измерения ёмкости. С литиевыми аккумуляторами этот метод уже не работает, поскольку требует иных методик, нежели по напряжению и току. Контроллеры заряда для Литий-ионных аккумуляторов должны учитывать не только моментальный ток потребления, но и крутизну снижения напряжения, а также, время заряда-разряда, что требует применения собственных контроллеров для каждого конкретного устройства, будь то телефон, шуруповёрт или инвертор для СЭС.

Тем не менее, существует довольно простой способ оценки доступной для использования ёмкости для любого литиевого аккумулятора - использование современных измерителей мощности, считающих не только моментальное потребление, но и собирающих долговременную статистику работы аккумулятора. Наиболее продвинутые приборы видят движение тока в обоих направлениях, суммируя количество Ватт, поступивших в аккумулятор в процессе заряда, а на цикле разряда, вычитая из полученной цифры количество потраченной энергии. Таким образом, сбросив счётчик на нулевые значения в момент, когда BMS-контроллер отключил аккумулятор от нагрузки по причине полного разряда, мы узнаем, какова величина хранящейся в аккумуляторе энергии на момент, когда ток заряда станет нулевым по окончании зарядки. В этом случае мы будем точно знать реальную ёмкость в Ваттах, готовых к использованию.

Пожалуй, на этом теоретическую часть обзора можно закончить. Практические результаты использования домашней СЭС планирую выложить несколько позже, когда будет собрана некоторая статистика не только по дневной выработке, но и годовой посезонно, на что потребуется время.

С пожеланиями успехов во всех начинаниях,

Алекс Бачи.

Оставить комментарий © Copyright Бачи Алекс Размещен: 07/09/2024, изменен: 03/10/2024. 33k. Статистика. Статья: Естествознание, Изобретательство Скачать FB2		Ваша оценка:
Аннотация: Практическое пособие для тех, кто задумался о постройке домашней солнечной электростанции. Без картинок, но достаточно подробно.

Бачи Алекс : другие произведения.

Малая солнечная энергетика - теория и практика