Статья: Проблемы и перспективы применения литий-ионных аккумуляторов в наземных энергоустановках на основе ВИЭ

Проблемы и перспективы применения литий-ионных аккумуляторов в наземных энергоустановках на основе ВИЭ

А.А. Васин1, С.В. Михайлин1,2, О.С. Попель1, д.т.н., А.Б. Тарасенко1,2, В.Ф. Титов2, С.Е. Фрид1

1Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), г. Москва

2Общество с ограниченной ответственностью «Научно-Технический Центр «ЭНЕРГИЯ», г. Якутск.

Введение

литий ионный аккумулятор энергия

Неравномерность генерации энергии энергоустановками на возобновляемых источниках (прежде всего, использующих солнечную и ветровую энергию), как правило, приводит к необходимости резервирования питания потребителей от сети или от дизель-генератора. В случае автономных (не подключенных к сети) энергосистем в их состав обычно включаются аккумуляторные батареи. Солнечная или ветровая энергоустановка при наличии достаточно интенсивных потоков солнечной или ветровой энергии питает потребителя и обеспечивает заряд батарей, а при их отсутствии или недостаточности питание осуществляется от накопителя. Наиболее распространенное решение по аккумулированию электроэнергии в системах с ВИЭ на сегодняшний день - применение свинцово-кислотных аккумуляторов. Никель-кадмиевые батареи применяются существенно реже [1]. Следует отметить, что в последние годы в разработке новых типов свинцово-кислотных аккумуляторов (СКА) достигнут значительный прогресс: разработаны специальные аккумуляторы для применений в источниках бесперебойного питания с электролитом, инкапсу-лированным в полимерной матрице, для использования в солнечных энергосистемах - созданы СКА с гелевым электролитом и пластинчатыми либо тубулярными электродами. Эти нововведения во многом направлены на преодоление основных недостатков, присущих свинцово-кислотным аккумуляторам: низкая допустимая глубина разряда и весьма ограниченное количество циклов «заряд-разряд». При этом следует отметить, что инновации ведут, как правило, к увеличению стоимости свинцовых аккумуляторов, причем она тем выше, чем выше ресурсные показатели [2].

Большинство литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) характеризуются меньшими проблемами с ресурсом и глубиной разряда, чем СКА. Кроме того, они имеют более высокие удельные энергетические характеристики, что потенциально позволяет снизить габариты накопителей и затраты на создание установок. При создании энергоустановок в отдаленных районах страны существенным может оказаться и снижение транспортной составляющей стоимости, обусловленной необходимостью перевозки меньшего объема/веса компонентов на большие расстояния. Тем не менее, СКА по экономическим показателям остаются пока основным конкурентом в стационарных применениях для ЛИА. Следует иметь в виду, что при относительно высокой удельной стоимости самих литий-ионных аккумуляторов, как правило, требуются дополнительные затраты на более сложные и дорогие, чем у СКА, системы контроля и балансировки, обеспечивающие их безопасную эксплуатацию в составе батарей [3].

В ряде случаев принципиальным преимуществом ЛИА является возможность использования некоторых типов литий-ионных аккумуляторов при отрицательных температурах. Это особенно важно для малых солнечных установок, работающих вне обогреваемых помещений и питающих, например, дорожные знаки, бакены, осветительные устройства, которые находят в последнее время все более широкое применение в различных регионах России.

Как свинцово-кислотные, так и литий-ионные аккумуляторы имеют несколько разновидностей. Существенное влияние на свойства аккумулятора оказывают применяемые катодные и, в меньшей степени, анодные материалы. В качестве катодных материалов широко используются литированные оксиды марганца, никеля/кобальта/алюминия (сложные оксиды), кобальта, а также литированный фосфат железа. Основным анодным материалом остается литированный углерод, но ряд компаний предлагает аккумуляторы на основе нанотитаната лития, отличающиеся рекордными ресурсными показателями, но и высокой стоимостью. Некоторые характеристики различных литий-ионных электрохимических систем представлены в табл. 1.

Таблица 1. Оценки параметров ЛИА с различными электрохимическими системами [4]

Ниже, на основание выполненных ОИВТ РАН совместно с НТЦ «Энергия» разработок, в качестве примера представлены результаты сравнительных оценок нескольких вариантов фотоэлектрического светодиодного сигнального устройства с различными типами аккумуляторов, характеризующегося средней потребляемой мощностью 4 Вт и пиковой мощностью до 25 Вт, предназначенного для кругло-суточного обозначения пешеходных переходов в климатических условиях г. Москвы. Выбор данного объекта для разработки обусловлен резко возросшим интересом городских властей и дорожных служб к широкому использованию таких устройств в дорожном хозяйстве. Только в Москве за последние 2 - 3 года было установлено несколько тысяч автономных фотоэлектрических светосигнальных устройств на улицах города. Установка аналогичных устройств активно ведется и в других городах и регионах страны. Выбранный объект представляется весьма показательным для демонстрации возможностей автономного использования фотоэлектрических источников энергии, а вследствие малой мощности и соответственно небольшой стоимости удобным для отработки и экспериментальной проверки различных технических решений, в том числе по выбору накопителей энергии с учетом климатических условий эксплуатации, существенно влияющих на оптимальный состав и стоимость устройства.

При этом следует отметить, что попытка ряда исполнителей, участвовавших в установке данных устройств в г. Москве, использовать готовые изделия, импортируемые в основном из Китая, в условиях Москвы оказалась неудачной. Большая часть светосигнальных устройств оказалась неработоспособной в зимнее время вследствие того, что местные климатические условия ни по поступлению солнечной радиации, ни по продолжительности бессолнечных дней, ни по уровню температур эксплуатации не были учтены должным образом.

РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ

Рассматриваемая система электропитания светосигнального устройства включает в себя следующие основные и наиболее дорогие компоненты: фотоэлектрический преобразователь, аккумуляторная батарея, и контроллер, управляющий работой системы. Одной из главных задач разработки является обоснованный выбор оптимального состава системы электропитания, прежде всего, мощности (площади) фотоэлектрического модуля (ФЭМ) и емкости аккумуляторной батареи при условии обеспечения гарантированности электропитания нагрузки в течение всего года при заданных климатических условиях места эксплуатации устройства. Критерием оптимальности является минимальная стоимость системы электропитания, скомпонованной из имеющегося в распоряжении разработчика широкого набора различных типов ФЭМ и аккумуляторных батарей.

Ясно, что исходя из габаритных ограничений, характерных для рассматрива-емых автономных светосигнальных устройств малой мощности уличного размещения, наиболее подходящими являются ФЭМ из моно- или поликристаллического кремния, имеющие среди широко доступных на рынке фотопреобразователей наибольшие КПД с примерно одинаковыми для разных производителей технико-экономическими характеристиками. Задача выбора типа накопителя энергии не имеет столь же однозначного решения и требует более детального рассмотрения.

Оценка показателя гарантированности электропитания устройства является довольно сложной проблемой в условиях отсутствия надежной актинометрической информации от наземных метеорологических станций. В настоящее время наиболее доступным и достоверным источником климатических и актинометрических данных можно считать лишь базу данных NASA SSE [5, 6, 7]. Погрешность месячных сумм солнечного излучения, приведенных в этой базе, оценивается на уровне 10…15 %, что подтверждается и нами на основе результатов верификации с доступными данными более 50 российских метеостанций в разных районах страны [6, 7].

Помимо среднемесячных сумм солнечной радиации база данных NASA SSE содержит также полезную информацию о повторяемости дней с различным уровнем поступления солнечной радиации в различные месяцы года, в том числе подряд бессолнечных. Ясно, что для выбора емкости накопителя энергии такая информация является важной и может быть положена в основу приближенных инженерных методов оценки. Вместе с тем упрощенные инженерные методы расчета, по нашему мнению, должны подтверждаться более детальным динамическим моделированием работы разрабатываемых установок.

Исследования, проведенные рядом зарубежных научных центров и направ-ленные на определение оптимальной степени детализации исходных климатических данных (шага интегрирования) при динамическом моделировании работы солнечных установок, показали, что их адекватное описание с приемлемой погрешностью предсказания интегральных энергетических показателей обеспечивается при часовых интервалах представления солнечной радиации. Более мелкие шаги интегрирования не приводят к существенному повышению точности результатов, но ведут к резкому увеличению продолжительности расчетов. Увеличение шага интегрирования более 1 часа ведет к существенному росту погрешности расчетов. При моделировании работы автономных светосигнальных устройств с питанием от ФЭМ в качестве исходных данных использовалась детальная актинометрическая и метеорологическая информация в формате «типичного метеогода» - TMY [8] (годовые часовые последовательности потоков солнечной радиации, скорости ветра и температуры атмосферного воздуха), подготовленного для г. Москвы с помощью специальных процедур обработки среднемесячных климатических многолетних данных [9] специалистами Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова.

Динамическое моделирование рассматриваемых автономных светосигнальных устройств с питанием от ФЭМ осуществлялось с применением системы моделирования TRNSYS, используемой в мире в качестве основного программного средства динамического моделирования солнечных и других установок на ВИЭ. Подходы к разработанным нами инженерным методикам расчета и динамическому моделированию более подробно описаны в [10, 11].

Рассматривались три варианта системы. Один включает в себя традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы типа AGM (Absorbed Glass Mate - на основе жидкого электролита, инкапсулированного в стекловолоконную пористую матрицу). Данное обстоятельство несколько противоречит основным принципам проектирования солнечных энергосистем, требующим применять гелевые свинцово-кислотные аккумуляторы в подобных системах [12]. Однако следует иметь в виду тот факт, что сопротивление аккумулятора с гелевым электролитом при низких температурах резко возрастает, что практически исключает возможность его заряда при отрицательных температурах.

Для выбранного варианта с СКА предполагалось использование контроллера заряда EPSolar Tracer MPPT 1210. Это - относительно дешевый контроллер, допускающий работу потребителя как в течение всей ночи, так и в задаваемые интервалы времени, а также реализующий алгоритм контроля точки максимальной мощности (ТММ), что позволяет увеличить выработку энергии в пасмурную погоду, в утренние и вечерние часы [13].

Варианты с литий-ионными аккумуляторами включают в себя систему с литий-железофосфатными аккумуляторами компании Winston Battery [14], как наиболее дешевый вариант среди доступных литий-ионных аккумуляторов, обладающий к тому же достаточно широким диапазоном рабочих температур, и аккумуляторы с анодом на основе нанотитаната лития [15], которые, несмотря на свою дороговизну и относительно низкие удельные характеристики, обладают целым рядом достоинств, ценных для выбранной ниши применения. К таким достоинствам можно прежде всего отнести расширенный до - 50° С диапазон рабочих температур и высокие ресурсные показатели при глубине разряда 90 % (до 20000 циклов).

Параметры трех вариантов состава системы электропитания, выбранных исходя из обеспечения близкой к 100 % гарантированности электроснабжения рассматриваемого светосигнального устройства на основе инженерных расчетов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Параметры элементов выбранных конфигураций автономного светосигнального устройства

* с учетом допустимой глубины разряда,

** по допустимой мощности контроллера 180 Вт.

Проверка достижимости высокой степени гарантированности электропитания, как отмечалось выше, осуществлялась на основе динамического моделирования системы.