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

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

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.

Размещено на Allbest.ru