Избор на батерии за фотоволтаични инсталации

• На пазара се предлага все по-богат асортимент от батерии за соларни централи, които се различават помежду си по технология, капацитет и други технически характеристики
  
  
• LiFePO4 акумулаторите са сред най-атрактивните опции за ВЕИ сектора, тъй като осигуряват множество предимства в сравнение с останалите типове батерии
  
  
• Литиево-йонните батерии също са отличен вариант за PV системи поради високата си енергийна плътност

Възможностите за съхранение на енергия са ключов приоритет за все повече битови и индустриални консуматори, които инвестират във възобновяеми енергийни източници. Функционалността на една соларна инсталация може да бъде съществено разширена чрез добавянето на батерийна система, която да съхранява излишъците от произведената енергия и да ги подава обратно към мрежата или към консуматорите през нощта или в периоди без интензивно слънцегреене. На пазара се предлага все по-богат асортимент от батерии за фотоволтаични централи, които се различават помежду си по технология, капацитет и други технически характеристики, а основните съображения при избора на решение за конкретно приложение ще разгледаме в настоящия материал.

Основни функции и характеристики

Соларните батерии, популярни още като системи за съхранение на соларна енергия, са предназначени за акумулиране на генерираната електроенергия от фотоволтаичните модули в жилищни, търговски, промишлени и комунални приложения, за да е на разположение за използване в по-късен или по-подходящ момент.

Батерийните решения осигуряват резервно захранване при прекъсване на основното и намаляват зависимостта на потребителите от достъп до електроразпределителната мрежа. Това ги прави отлично решение както за конвенционални, така и за хибридни и off-grid инсталации. Срещу известно допълнително капиталовложение в батерия с подходящ капацитет собствениците и операторите на соларни централи могат драстично да съкратят периода за възвръщаемост на основната инвестиция в съоръжение за добив на слънчева енергия, независимо дали се касае за малка покривна система или за мащабен наземен масив.

Други съществени ползи, особено за бизнеса, са възможностите за внедряване на алтернативен на изкопаемите горива източник на енергия, който позволява сериозно намаляване на въглеродния отпечатък. Чрез соларни батерии могат да бъдат надеждно обезпечавани потребностите от енергия на едно предприятие за захранване на машини и технологично оборудване, осветление, сградни системи, електрически превозни средства и др.

Ключова характеристика на соларните акумулатори е капацитетът за съхранение, който се измерва в киловатчасове (kWh). При максимален заряд една стандартна батерия с капацитет 20 kWh би могла да осигури 2 kW мощност за период от десет часа. Специалистите препоръчват да се избягва пълно разреждане на батериите за съхранение на соларна енергия поради рисковете от скъсяване на жизнения им цикъл. За литиево-йонните системи максималният препоръчителен праг е изчерпване на до 90% от заряда или т. нар. “използваем капацитет”. Недостатъчното зареждане е друга практика, която влошава състоянието на батериите. Ето защо при избора на конкретен модел не е добре да се “преоразмерява” или да се залага на твърде голям капацитет, който би бил ненужен и непълноценно използван.

Важен параметър е и мощността на батерията, измервана в киловати (kW), която реално определя колко бързо може да се достави съхранената електроенергия. Пиковата мощност трябва да надвишава номиналната работна мощност, необходима за конкретното приложение. Сред останалите характеристики на соларните акумулатори, които е добре да бъдат отчетени при избор на решение, са броят цикли (при съответната дълбочина на разряд, DoD), проектният живот, монтажните изисквания (стенен, подов, свободностоящ, в стелаж и т. н.)

Видове соларни батерии

Основно подразделение в сегмента се прави въз основа на технологията, на която е базирана батерийната система. В практиката се използват широко следните типове: оловно-киселинни акумулатори (с течен електролит и/или запечатани), LiFePO4 (с литиево-железен фосфат), литиево-йонни, никел-кадмиеви и поточни/редукционни (с два течни електролита).

Оловно-киселинните батерии традиционно са бюджетно решение, което ги прави и особено популярни в разнообразни системи за съхранение на енергия. Модификациите с течен електролит (flooded) са презареждаеми и често предпочитани за акумулиране на соларна енергия. Т. нар. запечатани оловно-киселинни акумулатори (SLA) са неразливаеми, фабрично активирани и необслужваеми. Предлагат се запечатани модели и с електролит под формата на гел – иновация на пазара, считана за една от най-стабилните системи от този тип.

Оловно-киселинните батерии са достъпни и надеждни, познати като технология и рециклируеми, а също и приложими при широк диапазон от температури на работната среда, което ги превръща в популярен избор за редица комерсиални и индустриални приложения, особено в малки и средни предприятия. Макар моделите с течен електролит да са уязвими на пробиви, тези с гел се смятат за безопасни и стават все по-търсени от бизнеса. Техни недостатъци са сравнително краткият сервизен живот (от порядъка на 3 – 5 години), необходимостта от регулярна поддръжка, бавното зареждане и разреждане и неприложимостта в олекотени и компактни системи.

LiFePO4 акумулаторите са сред най-атрактивните опции за ВЕИ сектора, тъй като осигуряват множество предимства в сравнение с останалите технологии – висока енергийна плътност, дълъг жизнен цикъл, висока температурна устойчивост, висока степен на безопасност, топлинна и пожароустойчивост (стабилен химичен състав и невъзпламеняеми електролити), бързо и ефективно зареждане и др. Подходящи са и за компактни и олекотени системи.

Тези преимущества типично идват с по-висока цена и по-ниско напрежение, като последното често налага използването на повече на брой батерии. LiFePO4 акумулаторите се използват широко в соларни централи, преносими соларни системи, решения за резервно захранване, електрически превозни средства и т. н.
Литиево-йонните батерии също са отличен вариант за соларни системи, включително за такива с ограничения в пространството, поради високата си енергийна плътност. Те се характеризират с дълъг сервизен живот от над 10 години и бърз заряд, което е особено ценно във фотоволтаични централи. Друго съществено предимство пред аналогични технологии е елиминираната необходимост от пълен разряд преди зареждане наново.

Основните минуси на тези системи традиционно са свързани със съображенията за безопасност. Ако не се използват и/или съхраняват правилно, ако претърпят пробив или повреда, литиево-йонните акумулатори могат да се запалят или да експлодират. Тези батерии са и сравнително чувствителни на температурни промени, като екстремните студове или горещини могат да влошат работата им или да им причинят щети. Друг недостатък е трудното или нерентабилно рециклиране, което компрометира екологичната им пригодност. Компактните и олекотени корпуси на литиево-йонните акумулатори ги правят предпочитан избор за мобилни приложения.

Никел-кадмиевите (Ni-Cd) батерии са презареждаеми и могат да работят в широк температурен диапазон, което разширява приложимостта им в индустрията и при различни климати. Отличават се с голям брой цикли и високи темпове на разряд. Това ги прави подходящи за системи и товари, които изискват висока мощност за захранване. Друго предимство е изключително ниският собствен разряд или способността им дълго да задържат заряда си, когато не се използват.

Ключов недостатък на тези системи е съдържанието на токсични химикали, което носи рискове за общественото здраве и околната среда при неправилна употреба или съхранение. Сред минусите им са голямото тегло и габарити, високите изисквания за поддръжка, както и по-ниската енергийна плътност в сравнение с останалите популярни типове батерии.

Проточните редукционни акумулатори (flow/redox flow) също са добро решение за съхранение на соларна енергия благодарение на дългия си сервизен живот, възможностите за лесна подмяна на течния електролит, високата ефективност и безопасност (не съдържат токсични или възпламеними химикали). Сред съображенията против акумулаторите от този тип са по-високата цена, ограничената енергийна плътност и сравнително по-големите тегло и размери. Това ги прави неподходящи за високомощни приложения, електрически превозни средства или on-grid (присъединени към мрежата) системи за съхранение на енергия.

Ключови съображения при селекцията

От първостепенно значение при избора на конкретен модел батерия за дадена соларна система е провеждане на детайлен анализ на изискванията на приложението. С експлоатационните условия (с какъв монтаж, на открито или закрито, при какви температури и пространствени ограничения ще се ползва батерията, какво ще захранва и т. н.) е важно да бъдат съобразени размерите и капацитетът на акумулатора, както и типът на технологията.

Макар цената да е основен фактор при селектирането на продукт за повечето потребители, стойността й не бива да се разглежда самостоятелно. Важно е да се изчислят общите разходи за притежание, включително жизненият цикъл/проектният живот, ефективността, изискванията за поддръжка, възможностите за реализиране на икономии и т. н. Една изискваща по-висока първоначална инвестиция батерия може да се окаже значително по-рентабилна в дългосрочен план от евтин акумулатор, който в рамките на сервизния си живот ще създаде повече разходи отколкото ползи.

Основна стъпка при избора на батерия за съхранение на соларна енергия е да се проучат опциите по отношение на капацитета – системи, подходящи за битови потребители, често се оказват недостатъчни за индустриални и бизнес ползватели и обратното. Както недостатъчният, така и свръхкапацитетът са непрепоръчителни. В този контекст е добре да се проучи и документира потреблението на енергия на целия обект, който ще се захранва, както и на всички консуматори в него.

Т. нар. off-grid обекти (обикновено индустриални), които не са свързани с електроразпределителната мрежа, изискват батерии с достатъчно голям капацитет, които да осигуряват стабилно, надеждно и непрекъсваемо захранване, когато моментното производство на енергия от слънцето е значително по-ниско от търсенето.

От сериозно значение е да се заложи на надеждна система с достатъчно голям брой цикли, която не би изисквала подмяна (дълго време или много пъти) преди да е изтекъл проектният живот на самата соларна инсталация. Един оловно-киселинен акумулатор типично издържа на между 200 и 1000 цикъла на зареждане и разряд, преди експлоатационните му характеристики значително да се влошат (в зависимост от типа и модела на използване). Една литиево-йонна батерия, от друга страна, би служила на системата няколко хиляди цикъла, което я превръща в по-ефективно, рентабилно и устойчиво решение.

Експертите препоръчват при селектиране на модел задължително да се обърне внимание на ефективността (в проценти) – съотношение между количеството енергия, което би могло да бъде акумулирано в батерията, и това, което реално е съхранено. При подаване например на 100 Wh енергия към акумулатор, от които само 80 Wh могат да бъдат съхранени, ефективността е 80%. Колкото по-висок е този показател, толкова повече от генерираната от соларните панели електроенергия се оползотворява чрез съхранение.

От ключово значение при планирането на инвестиция в батерийна система за соларна енергия е да се съобразят максималната и постоянната й номинална мощност (във W или kW) с конкретното приложение, т. е. колко енергия би могла да достави за даден товар или съоръжение – максимум за кратък период от време или постоянно за продължителен период. Ако ще се захранват едновременно голям брой или големи по капацитет консуматори, типично е необходим акумулатор с по-висока мощност.