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

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты динамического моделирования подтвердили близкую к 100 % степень гарантированность электропитания для всех трех выбранных вариантов конфигурации системы. Следует отметить, что в модели накопителя энергии учитывалась лишь его эффективная энергоемкость. Разряд ниже допустимой глубины для каждого типа аккумуляторов был запрещен условиями модели, что позволяло не учитывать потери их ресурсных характеристик по сравнению с паспортными данными при дальнейших экономических оценках. Характерные результаты динамического моделирования для одного из рассмотренных вариантов системы приведены на рис. 1 - 3.

Рис. 1. Приход солнечной радиации в течение типичного метеогода

Рис. 2. Состояние аккумуляторной батареи в течение типичного метеогода (под «нулевым» значением подразумевается уровень энергии, соответствующий допустимой глубине разряда). Максимальный уровень - полная энергоемкость батареи

Расчеты проводились для климатических условий г. Москвы с сильной изменчивостью дневного поступления солнечного излучения на плоскость ФЭМ, особенно сезонной, иллюстрируемой рис. 1. На рис. 2 представлено изменение уровня заряда аккумуляторной батареи в течение года, из которого видно, что при выбранном составе системы аккумуляторная батарея находится вблизи максимального уровня заряда в период с марта по октябрь. Поздней осенью и в зимний период поступление солнечной энергии существенно снижается, и аккумуляторная батарея в некоторые дни особенно в феврале разряжается до предельно допустимого уровня. Рис. 3 иллюстрирует тот факт, что в январе и в феврале имеются периоды, когда АКБ разряжается ниже заданного предельного уровня. Вместе с тем для выбранных вариантов степень гарантированности электропитания устройства оказалась не ниже 97,7 %, что соответствует времени разряда аккумулятора ниже предельного уровня не более 200 часов за год (преимущественно в январе).

Рис.3. Гарантированность электропитания нагрузки в течение типичного метеогода

Разработанная инженерная методика расчета состава автономного фотоэлектрического светосигнального устройства позволяет рассчитывать технико-экономические параметры различных вариантов изделия. Варьируемыми параметрами при этом являются типы ключевых компонентов с достаточно широким набором параметров (пиковые мощности, емкости, стоимость, ресурсные и массогабаритные характеристики), задаваемая степень гарантированности питания, режим работы устройства. Оценка затрат на рассмотренные варианты системы электропитания приведены в табл. 3.

Данные по массогабаритным характеристикам аккумуляторного блока (как наиболее критичного с точки зрения габаритов, в то время как фотоэлектрические модули для всех трех вариантов имеют близкие массогабаритные характеристики) представлены в табл. 4.

Низкие показатели свинцово-кислотных аккумуляторов обусловлены низкой допустимой глубиной разряда. Попытка использования аккумуляторов с более высокой допустимой глубиной разряда (гелевые типа OpzV) только усугубляет ситуацию из-за необходимости термостатирования системы, исходя из паспортных характеристик аккумуляторов, и существенного роста стоимости самой батареи.

Наилучшие массогабаритные характеристики обеспечиваются при использовании литий-ионных батарей с нанотитанатным анодом. Несмотря на отсутствие выдающихся удельных характеристик у самих аккумуляторов этого типа, преимущества по массогабаритным параметрам обеспечиваются за счет большой допустимой глубины разряда.

Таблица 3. Затраты на системы электропитания

С учетом того, что одним из существенных недостатков СКА является малый срок службы, целесообразно оценить затраты на замены аккумуляторов в течение, например, 20 лет - такой срок службы фотоэлектрического модуля заявляется большинством производителей. При этом предполагается, что стоимость заменяемых аккумуляторов увеличивается на 20 % за счет затрат на их доставку и собственно замену. Результаты расчетов приведены в табл. 4. Так как оценка ресурса аккумулятора при переменной глубине циклов заряда-разряда без проведения длительных и дорогостоящих экспериментов практически невозможна, то рассматривался пессимистичный сценарий - за год происходит 365 разрядов до допустимой глубины. При этих допущениях применение литий-ионных аккумуляторов (на основе литированного фосфата железа) становится наиболее выгодным. Существенные капитальные затраты на применение титанатных аккумуляторов не обеспечивают им преимущества по сравнению с альтернативными решениями даже с учетом выдающихся ресурсных параметров.

Таблица 4. Массогабаритные параметры накопительного блока для базовых вариантов устройства

Таблица 5. Оценка влияния эксплуатационных затрат для разных типов аккумуляторов, применяемых в составе устройства

Основными проблемами на пути применения литий-ионных аккумуляторов любых типов в солнечных энергоустановках на сегодняшний день представляются следующие:

- разработка контроллера заряда, адаптированного для работы с литий-ионными аккумуляторами, учитывающего напряжения заряда и разряда литий-ионных аккумуляторов;

- разработка активной системы выравнивания напряжений на ЛИА.

Первая проблема обусловлена особенностями вольт-амперной характеристики фотоэлектрического модуля (рис. 4).

Очевидно, что подключение произвольной нагрузки к модулю, скорее всего, приведет к неоптимальному отбору мощности, так как существует зона значений силы тока, где напряжение на модуле претерпевает существенное падение. Такой нагрузкой может быть, к примеру, глубоко разряженный аккумулятор. Для предотвращения неоптимального отбора мощности используются приборы, называемые контроллерами заряда. Они выпускаются целым рядом компаний и могут использоваться как для поддержания оптимальных режимов отбора мощности с солнечных батарей, так и для заряда аккумуляторов. Контроллер заряда также необходим для поддержания безопасного тока заряда и разряда аккумуляторной батареи во избежание ее перегрева и разложения электролита, а также для ограничения глубины разряда во избежание существенного снижения срока службы. Большинство присутствующих на рынке решений по управлению мощностью фотоэлектрических модулей адаптированы к работе с СКА.

Рис. 4. Типичная вольтамперная харак-теристика фотоэлектрического модуля (модель RZMP-130-T. Стандартные условия тестирования (STC)

В этой связи в ОИВТ РАН совместно с ООО «НТЦ «ЭНЕРГИЯ» начата проработка активной системы выравнивания напряжений для батареи ЛИА (экспериментальный образец на испытаниях в составе 6-элементной батареи на основе литий-железофосфатных аккумуляторов энергоемкостью 90 А·ч приведен на рис. 5) и контроллера заряда с алгоритмом отслеживания точки максимальной мощности фотоэлектрического модуля, адаптированного под работу с ЛИА (рис. 6).

Контроль точки максимальной мощности осуществляется посредством алгоритма P&O (perturb and observe): контроллер увеличивает ток, отбираемый от ФЭМ, и отслеживает изменение напряжения. Если напряжение падает, то возвращается прежнее значение тока, в противном случае ФЭМ переводится в новую точку вольтамперной характеристики.

Контроллер солнечной батареи представляет собой мощный понижающий DC-DC преобразователь на основе контроллера c широтно-импульсной модуляцией LTC1339.

Рис. 5. Экспериментальный образец активной системы выравнивания напряжений

Рис. 6. Экспериментальный образец контроллера заряда

Выводы

1. Применение литий-ионных аккумуляторов в системах с возобновляемыми источниками энергии позволяет в ряде случаев обеспечить снижение капитальных и эксплуатациионных затрат по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами.

2. Наиболее перспективными для применения в системах с возобновляемыми источниками энергии представляются литий-ионные аккумуляторы с анодом на основе литированного оксида титана, однако на сегодняшний день их стоимость достаточно велика для широкого применения. Альтернативной в этом случае видятся аккумуляторы с катодом на основе литированного фосфата железа и анодом из литированного углерода.

3. Для интеграции литий-ионных аккумуляторов важно решить задачи построения надежной системы управления батареей аккумуляторов и солнечной батареей.

Литература

1. Тарасенко А.Б. Накопители электрической энергии для систем на основе ВИЭ: современное состояние и перспективы развития // Материалы восьмой всероссийской научной молодежной школы с международным участием. М.: Университетская книга, 2012, стр. 148 - 185.

2. John Baker. New technology and possible advances in energy storage//Energy Policy 36 (2008) 4368 - 4373.

3. Рыкованов А. Системы баланса литий-ионных батарей//Силовая электроника, № 1 (2009). С. 52 - 55.

4. Попель О.С., Фрид С.Е., Киселева С.В., Коломиец Ю.Г., Лисицкая Н.В. Климатические данные для возобновляемой энергетики (база климатических данных). 7. Учебное пособие. М.: ОИВТ РАН, 2010. 56 С.

5. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В., Терехова Е.Н. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. М.: ОИВТ РАН, 2010. 84 С.

6. Хлебникова Е.И. Численные стохастические модели временных метеорологических рядов и их прикладные возможности // Труды ГГО. 2008. Вып. 557. С. 36 - 54.

7. Попель О.С., Тарасенко А.Б., Фрид С.Е. Анализ эффективности использования автономных фотоэлектрических систем наружного освещения в климатических условиях Москвы и юга России // Теплоэнергетика № 11, 2012, с. 19-25.