Свинцовые аккумуляторы для солнечных электростанций. Гелевые и AGM

Для автономной работы солнечной электростанции требуется аккумулятор. Солнечные панели вырабатывают электрическую энергию, которая запасается в накопителях - аккумуляторах и может быть израсходована при ее недостатке. В настоящее время в солнечной энергетике широкое распространение получили:

- свинцовые аккумуляторы;

- никель-металлгибридные аккумуляторы;

- литий-ионные аккумуляторы.

Свинцовые аккумуляторы обладают минимальной удельной ценой. Они получили широкое распространение благодаря использованию в автомобилях. Производители свинцовых аккумуляторов постоянно совершенствуют их конструкцию. Так появились гелевые и AGM аккумуляторы. Для понимания хороших и плохих сторон этих аккумуляторов рассмотрим принцип их работы.

Расчет емкости свинцового аккумулятора.

Напряжение элементарной свинцовой ячейки аккумулятора 2 В. Так для аккумулятора 12 В используется 6 элементарных ячеек, соединенных последовательно. На рисунках показаны циклы заряда и разряда свинцовой аккумуляторной ячейки.

В качестве положительного электрода используется оксид свинца PbO₂, отрицательного электрода свинец Pb, а в качестве электролита серная кислота H₂SO₄. В результате разряда происходит сульфатация свинца с выделением 2-х электронов. При зарядке аккумулятора сульфат свинца превращается в свинец и оксид свинца.

Или для теоретической удельной энергии, который способен накопить свинцовый аккумулятор

В реальности достичь теоретической аккумулирующей способности невозможно, т.к.

35% - тратится на неполное использование активной массы;

14% - тратится на разбавление используемой серной кислоты;

13% - тратится на неполное использование кислоты в процессе;

14% - тратится на конструкционные и соединительные части;

6% - тратится на оболочку аккумулятора.

Таким образом фактически используетс 18% от теоретической аккумулирующей способности или 30 Вт часов на 1 кг.

Кроме того, аккумулирующая способность сильно зависит от количества циклов заряда разряда, так для 2000 циклов аккумулирующая способность или удельная энергия 3-5 Вт ч/кг, а для 500 циклов 15-20 Вт ч/кг.

По аккумулирующей способности или реальной удельной энергии свинцовые аккумуляторы разделяются условно на 3 категории по назначению:

• 1. Стартерные батареи с низкой глубиной разряда DOD, где высокая мощность достигается за счет большого числа тонких пластинок с губчатой поверхностью. Используются в автомобилях, там где необходим стартовый высокий ток.
• 2. Батареи глубокого заряда с высокой глубиной разряда DOD, где используются гораздо более толстые твёрдые пластинки (не губчатые). Используются как накопители энергии с большим числом циклов заряда/разряда.
• 3. Гибридные аккумуляторы. Промежуточные между стартерными и аккумуляторами глубокого разряда.

Надо учитывать саморазряд свинцовых аккумуляторов на 0,5-1% от первоначального заряда в день.

Рассмотрим кривые заряда и разряда аккумулятора.

При использовании следует избегать: перезаряда > 2.4 В для одного свинцового элемента. При перезаряде происходит электролиз воды, выделяется водород что приводит к необратимым потерям или воспламенению, взрыву электролита.

Также необходимо избегать сильного разряда < 1,8 В для одного свинцового элемента. Проблема в том, что сульфат свинца образующийся на электродах, имеет плохую проводимость и существует его критическое значение, выше которого электроду невозможно вернуть работоспособность.

Перспективные свинцово-кислотные батареи, используемые в солнечной энергетике:

• Гелевый электролит (GEL) - кислота “желируется” при добавлении силикагеля. Она не может вытечь. Но аккумулятор хуже переносит перезарядку и имеет меньшее напряжение заряда.

• Absorbent Glass Mat (AGM) - абсорбирующие стекольные прокладки. Электролит не может вытечь и меньше нагревается под действием сильного заряда. Кроме того, O2 и H2 рекомбинируются внутри батареи. Так же обладают низким саморазрядом (1÷3% в месяц)

• Свинцово-углеродный композит - улучшенная проводимость и большая площадь поверхности, пониженное образование газа, рекомбинация водорода.