Szigetüzemű napelem rendszer akkumulátor ismeretek

Miért van szükség energiatároló egységre?

A háztartások tipikusan reggel és este fogyasztanak többet, amikor a napelemes rendszer nem termel. Akkumulátorokkal megoldhatóvá válik a napelemek által termelt, de fel nem használt energia késleltetett, éjszakai vagy a fogyasztási csúcsidőszakokban történő használása.

Akkumulátor típusok

Sokféle akkumulátortechnológia létezik, mindegyiknek megvannak a saját egyedi előnyei és korlátai. Ebben a cikkben azokra az akkumulátor típusokra fogunk fókuszálni,  amelyek a szigetüzemű / hibrid napelemes rendszerekhez ideálisak. 

Minden projekt esetén egyedi mérlegelést igényel az akkumulátor típusának kiválasztása. Számos tényezőt figyelembe kell venni, mint például a felhasználási mód, a rendszer igényei, tárolási hely vagy a rendelkezésre álló költségvetés. Ezt követően lehet meghatározni a megfelelő akkumulátor típust, amely a lehető legjobban illeszkedik az adott rendszerhez és egyéb igényekhez.

A járművekben használt indító akkumulátorok széles körben elérhetőek és relatíve olcsók, de ha napelemes rendszerrel használják őket, 3-12 hónapon belül tönkre mehetnek. Az indító akkumulátorok használata NEM ajánlott napelemes rendszerekhez.

Ezek az akkumulátorok úgy lettek tervezve, hogy rövid idő alatt nagy mennyiségű energiát adjanak le és szinte mindig közel 100%-os töltöttségűek legyenek.

A napelem rendszerhez úgynevezett “mély-ciklusú”  akkumulátorra van szükségünk. Ezek a típusú akkumulátorokat képesek kapacitásuk jelentős részét felhasználni. Az indító akkumulátorok túl gyakori mélykisütése súlyosan károsítja a benne található vékony lemezeket és ezáltal az akkumulátor élettartamát, míg a mély-ciklusú akkumulátorokat vastagabb lemezekből és más kémiai összetevőkből állítják elő, hogy ezáltal képesek legyenek mélyebb töltési ciklusokat is kezelni.

Most, hogy tudod, hogy mély-ciklusú akkumulátort kell keresned, melyiket válaszd?

Amennyiben gondozásmentes rendszert szeretnél összeállítani, akkor egy zárt rendszerű akkumulátor a legjobb választás.

A zárt kialakítás legjelentősebb előnye, hogy nincs szükség időszakos karbantartásra, kivéve az akkumulátor tisztántartását és teljes feltöltését.

Az alábbi típusú zárt akkumulátorok a leggyakoribbak:

Ólom-savas akkumulátorok,

Lítium akkumulátorok.

Fontos: Amikor az akkumulátorokat összekapcsoljuk, NE keverjük össze különböző típusú, modellű vagy korú akkumulátorokat!

Group-85

Zárt rendszerű ólom-savas akkumulátorok

Két fő típusú “zárt” ólom-savas akkumulátor típusról érdemes említést tenni: Zselés és AGM.

Az AGM akkumulátorokban a savas elektrolit folyadék abszorbens anyaggal van átitatva, amelyet egy vékony szövet tart össze. Ez a szövet nem engedi, hogy az elektrolit folyadék kifolyjon az akkumulátorból, és a szövet szerepe miatt nincs szükség folyadéktöltésre. Az AGM akkumulátorok rendkívül alacsony ellenállással rendelkeznek, amely különösen alkalmassá teszi őket olyan alkalmazásokhoz, ahol a kisütés nagy áramerősséggel történik. Általában könnyebbek és olcsóbbak a zselés akkumulátorokhoz képest.

A zárt zselés akkumulátorokban a savas elektrolit gél állagú anyaggal van keverve. az ólom-savas akkumulátorok közül a zselés akkumulátorok nyújtják a legjobb mélykisütés-tűrést és a leghosszabb élettartamot.  A zselés akkumulátorok általában jobban teljesítenek magas hőmérsékleten, de lassabban kell őket tölteni. A zselés akkumulátorok emellett hasznosak olyan felhasználásnál, ahol jelentős rezgés van, mivel a zselé megakadályozza az elektrolit mozgását. (Pl. lakókocsiban)

Fontos: A zárt ólom-sav akkumulátorok bármilyen pozícióban beszerelhetőek a felhasználáls helyén. Ugyanakkor minden ólom-savas akkumulátor megfelelő szellőzést igényel, még akkor is, ha “zárt” akkumulátornak vannak címkézve.

Lítium-ion akkumulátorok

Az ólom-savas akkumulátorok évtizedek óta a legnépszerűbb választást jelentették a szigetüzemű és hibrid napelemes rendszerekhez. Azonban az elektromos járművek térhódítása felgyorsította az akkumulátortechnológia fejlődését, és ennek következtében a lítium-ion (Li-ion) akkumulátorok is elérhetővé váltak modern alternatívaként a szigetüzemű napelemes rendszerekhez.

Azáltal, hogy jelentősen nagyobb energiasűrűséggel, hosszabb élettartammal és könnyebb szállíthatósággal rendelkeznek, a lítium akkumulátorok egyre népszerűbbek a szigetüzemű napelemes rendszerekben.

Az ólom-savas akkumulátorokkal összehasonlítva a lítium-ion akkumulátorok ellenállóbbak a mélykisülés okozta károsodásokkal szemben, nem szükséges őket minden ciklusban teljesen feltölteni és jobban bírják a szélsőséges éghajlati körülményeket is.

A lítium-ion akkumulátorok belső kémiai összetétele lehetővé teszi, hogy szinte minden körülmények között hosszabb élettartammal rendelkezzenek, mint az ólom-savas akkumulátorok. Például ha egy lítium akkumulátort minden nap 50%-ig merítünk le, majd 100%-ra töltjük, akkor legalább háromszor tovább bírja, mint egy azonos kapacitású ólom-savas akkumulátor. A legtöbb lítium-ion akkumulátor akár 90%-ig is lemeríthető anélkül, hogy jelentősen károsítaná a kapacitást, míg az ólom-savas akkumulátorok általában nem meríthetők le 50%-nál mélyebbre a kapacitásból anélkül, hogy drasztikusan csökkenne az élettartamuk.

A lítium-ion akkumulátorok egyetlen hátránya a magas beruházási költség, az ólom-savas és zselés akkumulátorokéhoz képest. Ugyanakkor a kezdeti beruházás hosszú távon vizsgálva a fent említett előnyökből adódóan megtérül.

A legtöbb lítium-ion akkumulátor rendelkezik valamilyen beépített Akkumulátorkezelő Rendszerrel (BMS). A BMS bármikor leválasztja az akkumulátorról a terhelést, ha hőmérsékleti problémát, áramerősség túlterhelést vagy feszültség ingadozást észlel. 

Az akkumulátor élettartamát meghatározó tényezők

Számos olyan tényező van, amely csökkentheti egy akkumulátor várható élettartamát. Mindegyik akkumulátortípusnak megvan a maga gyengesége. Ez a fejezet az alábbi főbb tényezőkre fog kitérni:

  • Kisütési mélység (DOD)
  • Merítési sebesség (ROD)
  • Töltöttségi szint (SOC)
  • Akkumulátor állapota (SOH)

Az első lépés az, hogy tisztában legyünk azokkal a tényezőkkel, amelyek károsíthatják az akkumulátorokat. Például a legtöbb ólom-savas akkumulátor élettartamát drasztikusan károsítja, ha a töltöttségi szintet 40%-a alá merítjük. Amikor az akkumulátor “károsodik”, akkor az akkumulátor állapota (SOH) csökken, amely azt jelenti, hogy az akkumulátor teljes kapacitása csökkent.

Az akkumulátor állapota (SOH) az akkumulátor jelenlegi energia tároló képessége az eredeti kapacitáshoz képest. A 100% SOH azt jelenti, hogy az akkumulátor új, míg a gyártók általában 70-80% SOH-nál javasolják az akkumulátor nyugdíjba vonulását és cseréjét.

Az akkumulátor töltésének és merítésének megértéséhez képzeljük el, mintha  az akkumulátor egy lufi lenne. Ha a lufit többször maximális méretre fújjuk fel, majd teljesen kiengedjük, a lufi anyaga minden felfújással veszít a rugalmasságából, és előbb-utóbb tönkremegy. Képzeld el, hogy van egy másik lufid, amit csak félig fújsz fel. Ebben az esetben a lufi anyagát kevesebb stresszt éri, így tovább fog tartani, mint az előző lufi. Hasonlóképpen, ha az akkumulátorunkat túl sokszor töltjük fel és merítjük le teljesen, az állandó stressz a cellákban idővel károsodást okoz, ami csökkenti az akkumulátor élettartamát. Ezért fontos, hogy ügyeljünk az akkumulátorunk állapotára, és kerüljük a túlzott merítést és töltést. Ebben az példában a lítium-ion akkumulátorok egyszerűen jobb, erősebb lufi anyagból készülnek, mint a hagyományos ólom-savas akkumulátorok.

 Példaképpen, egy 10% SOC ugyanaz, mint a 90% DOD.

Hőmérséklet

A lítiumionos akkumulátorok általánosságban jobban viselik a szélsőséges hőmérsékletet mint a ólom-savasak. Melegebb éghajlatokon, ahol az átlaghőmérséklet gyakran eléri a 30 °C-ot vagy annál magasabbat, az ólom-savas akkumulátorok élettartama kb. 50%-kal csökken a 22 °C-os átlag hőmérsékleten működő akkumulátorokhoz képest. A lítiumionos akkumulátorok élettartama azonban csak 45 °C feletti hőmérsékleteknél csökken drasztikusan.

Nagyon hideg környezetben az ólom-savas akkumulátorok elektrolitja annál valószínűbb, hogy befagy, minél mélyebb a kisülés. 0 °C alatti fagyponti hőmérsékleten a lítiumionos akkumulátorokat nagyon lassan lehet tölteni. Ebből adódóan elérhetőek önfűtő funkcióval rendelkező típusok is.

Az alábbi ábra példát mutat arra, hogyan működnek a különböző akkumulátortípusok magas és alacsony hőmérsékleten. Az “Csúcsteljesítmény” tartományban a termékismertetőben leírtaknak megfelelően működik az akkumulátor, a “Kevésbé” teljesítmény tartományban azonban az akkumulátor működik, de a “Csúcs” teljesítmény tartományhoz képest csökkent hatékonysággal. Ajánlott sosem használni az akkumulátort a “Specifikációon Kívüli” tartományban, különösen a magas hőmérsékleti tartományban, mivel ez veszélyesen közelít a hőmérsékleti futásveszélyhez.

Group-83

Merítési sebesség

Az akkumulátor töltésének vagy merítésének sebessége kihatással van az akkumulátor kapacitására. Gyorsabb merítésnél a belső ellennálás nő és minél gyorsabban merítjük az akkumulátort, annál alacsonyabb lesz a hasznos kapacitása. Ezt nevezik Peukert-hatásnak.

A Peukert-hatás mértéke eltérő minden akkumulátortípus esetében, de minden akkumulátortípus esetében ez a hatás egyre nő az idő elteltével. A zárt ólom-savas akkumulátorok több belső ellenállással rendelkeznek mint a lítium-ion akkumulátorok.

Az alábbi táblázat mutatja a kapacitás változását, ha 20 órás merítést 8 óra csökkentünk különböző típusú akkumulátorokat.

Akkumulátor típus

Kapacitás csökkenés 8 óránál 20 órás merítéshez képest

Zselés, zárt ólom-savas

9%

AGM, zárt ólom-savas

7%

Lítium-ion

kevesebb mint 1%

Töltőáram limitálás

C-arány a töltés vagy kisütés sebességét jelenti az akkumulátor maximális kapacitásához képest. A gyors töltés vagy merítés károsíthatja az akkumulátort.

1C esetén az akkumulátor egy óra alatt teljesen lemerül. Tehát egy 100 Ah kapacitású akkumulátor 1C arány mellett óránként 100 Ah-al merül.

Savas akkumulátorokat 0,1C-vel szabad tölteni, tehát: 10A
LiFePO4 akkumulátorokat 0,5C-vel ajánlott max tölteni, tehát: 50A

Töltöttségi szint (SOC):

A Töltöttségi szint (SOC) az akkumulátorban jelenleg rendelkezésre álló energia becsült százalékos aránya, hasonlóan az autó benzintartályának mutatójához. 

Az alábbi táblázat négy állapotát mutatja a különböző akkumulátorokakkumulátorok állapotának példájaként. A legjobb, ha a jó tartományban maradunk, és ritkán merülünk a nem biztonságos tartományba. Ha az akkumulátort túl gyakran merítik le 50% alá, az jelentősen csökkenti az élettartamot.

Screenshot-2023-03-19-at-19.06.39

Kisütési mélység (DOD)

Mélykisütési (DOD) az eredeti kapacitáshoz képest felhasznált energia százalékos aránya. Az akkumulátor töltöttségi szintjének megfordítása. Az akkumulátorok élettartama nagyban függ a kisütés mélységétől, azaz hogy a napi használat során mennyi a használt akkumulátor kapacitásának aránya. Például, ha egy teljesen feltöltött akkumulátor felére lemerül, akkor az 50%-os kisütési mélységnek felel meg.

Ha a kisütés mélysége minimális, akkor az akkumulátor több töltési-/kisütési ciklusra lesz képes.

A következő grafikon az életciklus és a kisütési mélység közötti fordított összefüggést mutatja be, és bemutatja, hogy az várható átlagos ciklusszám exponenciálisan csökken, ahogy a kisütési mélység növekszik. Nagyon hideg éghajlati viszonyok között ez még fontosabb, mivel minél mélyebb a kisütés, annál valószínűbb, hogy az akkumulátor befagy. A lítium-ion akkumulátorok is negatívan érintik a nagyon mély kisütés, de hatásuk kevésbé káros az akkumulátor hosszú távú egészségére, mint az ólom-savas akkumulátoroknál.

Group-84

Várható élettartam:

Akkumulátor típus

Várható élettartam

Indító akkumulátor (Autókban használt)

3-12 hónap

Zselés, ólom-savas

3-8 év

AGM, ólom-savas

3-8 év

Lítium-ion

8-15 év

Akkumulátorkezelő Rendszer (BMS) működése

A lítium-ion akkumulátorok biztonsági okokból mindig szükséges, hogy tartalmazzanak valamilyen elektronikát, amely védi a cellákat az extrém feszültség, hőmérséklet vagy zárlat ellen. Általában egy beépített akkumulátor-kezelő rendszer (BMS) tartozik az akkumulátor-csomaghoz, amely kiegyenlíti és védi az egyes akkumulátorcellákat. 

A BMS (akkumulátor-kezelő rendszer) minden egyes cellát monitoroz, annak érdekében azok biztonságos feszültségtartományban maradjanak.  Tévhit, hogy a biztonságos működés érdekében elegendő az akkumulátor csomag összfeszültségét határértéken belül tartani, figyelmen kívül hagyva az egyes cellák feszültségét. Ez a megközelítés azt feltételezi, hogy az összes cella teljesen kiegyensúlyozott, ami a valóságban nem így van. Az akkumulátorcellák ugyanis egyedileg változhatnak, és a belső jellemzők miatt ritkán tartják fenn ugyanazt a feszültséget. Ennek eredményeként az egyes cellák különböző mennyiségű energiát tárolnak és szabadítanak fel, vagyis amikor az akkumulátor csomagot többször feltöltik és lemerítik, az egyes cellák egyensúlya felborulhat.

Ha például egy 8 soros cellából álló csomag feszültsége 28,8 V, akkor az egy cellára jutó átlagos feszültséget 3,6 V-nak gondolhatnánk, ha a cellák feszültségét az összfeszültség átlagával számoljuk ki. (28,8 V / 8 cella = 3,6 V/cella átlagosan). Azonban minden cella eltérően működik. Minden akkumulátorcella (lítium, ólom-sav stb.) egyedi jellemzőkkel rendelkezik, beleértve a kapacitását, a belső ellenállás jellemzőit és az öregedési mintázatát is. A BMS előnye abban rejlik, hogy segíti kiegyenlíteni a cellák közötti eltéréseket. Képes aktívan újra kiegyensúlyozni az eltérő feszültségű cellákat, hogy az átlagos cellafeszültség és az egyes cella feszültségek közelítsék egymást. Továbbá, ha bármelyik cella veszélyes állapotba kerül, a BMS képes felismerni és leválasztani az akkumulátor csomagot a rendszerről.

Kiegyensúlyozattlan pack (V)

Teljesen kiegyensúlyozott pack (V)

Cella 1

3.603.60

Cella 2

3.533.60

Cella 3

3.573.60

Cella 4

3.503.60

Cella 5

4.03

3.60

Cella 6

3.493.60

Cella 7

3.543.60

Cella 8

3.543.60

Pack Feszültség

28.8028.80

A BMS-ben található különböző szenzorok lehetővé teszik az akkumulátor töltöttségi szintjének (SOC) és  állapotának (SOH) meghatározásához szükséges paraméterek mérését és rögzítését.

• Feszültség: Cella feszültség, maximális és minimális feszültség, valamint csomagfeszültség.

• Áramerősség: Az akkumulátorban található és az akkumulátorból áramló amper, csúcsáram és a maximális impulzusáram mérése.

• Hőmérséklet: Legalább egy hőmérsékletérzékelő a legforróbb akkumulátorrész közelében.

A BMS mérei az egyes cellák feszültségét, valamint. aki és beáramló áramot. A mérések alapján becsléseket ad az akkumulátor töltöttségi szintjére. Mivel ez csak egy megközelítő becslés, a BMS időnként jelentősen más SOC szintre “ugorhat” az adatok alapján.

Az akkumulátor kapacitása általában lineárisan csökken az idő és a használat során, így néhány év után már előre jelezhető, hogy várhatóan mikor kell lecserélni az akkumulátort. Viszont fontos azzal is számolni, hogy a legtöbb akkumulátor SOH értéke lineárisan csökken a tervezett élettartam közepéig, majd ezt követően meredek csökkenésbe kezd. Nehéz megjósolni, hogy mikor fog bekövetkezni ez a gyors csökkenés, mert számos tényezőtől függ. Az akkumulátor gyártók által reklámozott élettartamot fenntartásokkal kell kezelni, és érdemes a részletes leírásban található értéket venni az akkumulátor élettartamának becsléséhez.

A BMS egyszerűbb verziója lehet a PCM vagy PCB (Védelmi áramkör modul vagy panel). A PCM egy analóg eszköz, amely nem tárol vagy szolgáltat adatot. Az egyetlen célja, hogy védelmet nyújtson az akkumulátor celláknak . Ezek jelentősen olcsóbbak lehetnek, és gyakran integrálásra kerülnek a lítiumion akkumulátorokba. Ha magas/alacsony feszültség, magas/alacsony áramerősség vagy magas/alacsony hőmérséklet érzékelhető, akkor a PCM/PCB leválasztja az akkumulátort a terheléstől. PCM/PCB képes kiváltani egy BMS-t, viszont a legnagyobb hátránya, hogy a mérések hiányában nem lehet pontosan meghatározni az akkumulátor állapotát (SOC-t). Emellett, ha a PCM veszélyes állapotot érzékel, azonnal leválasztja a rendszert anélkül, hogy bármilyen indikációt adna arra, hogy azt milyen okból tette. A legtöbb PCM olcsó és általában rossz minőségű, beszerelésük szakértelmet igényel. A PCM használata költséghatékony megoldás lehet, azonban a fent említett hátrányokat szem előtt kell tartani a rendszer összeállítása során. 

Attól függően, hogy milyen kritériumok mentén állítjuk össze a rendszerünket, radikálisan eltérő következtetésekre juthatunk arról, hogy melyik akkumulátor-technológia a legideálisabb számunkra. Az akkumulátor kezdeti költsége fontos tényező lehet a rendszer költségvetésének tervezésekor, de rövidlátó lehet csak arra összpontosítani, hogy a kezdeti költséget alacsonyan tartsuk, amikor a drágább akkumulátor hosszú távon pénzt (vagy kellemetlenséget) takaríthat meg számunkra. A fenti összes tényező figyelembevételével a lítium-ion akkumulátorok képesek a legjobb és legmodernebb megoldást nyújtani a szigetüzemű napelemes energiarendszerek számára.

Összefoglalás

Akkumulátor típus

Savas akkumulátor

Lítium-vasfosfát akkumulátor

Kezdeti költség

Alacsony

Magas

Élettartam

3-8 év

10-15 év

Súly

2X nehezebbek a lítium-vasfoszfát akkumulátorokhoz képest

1/2 súly

BMS

Nincs

BMS-el ellátva Túltöltés, túlmerítés,túláram és rövidzárlat elleni védelem

Energy Density (Wh/kg) 40 120 - 150

Karbantartás szükséglet

Nincs

Nincs

ciklusok száma

800-1500 ciklus 50%-os kisütés esetén

4000-15000 ciklus. 95%-nál is 4000+

Max kisülési mélység (DOD)

50%

95%

Magas hőmérséklet-érzékenység

25°C-ig

45°C-ig

Gyors töltési idő (óra)

4 – 8

1 – 4, magasabb töltőáram lehetőség

Garancia

átlag 2 év

átlagosan 5-10 év garancia

Tetszett a cikk? Oszd meg az ismerőseiddel:

iGreen akkumulátorok

Tekintsd meg szigetüzemű akkumulátor kínálatunkat!