Οι μπαταρίες του φωτοβολταϊκού

Οι μπαταρίες του φωτοβολταϊκού


Το κεφάλαιο αυτό απευθύνεται σε όποιον θέλει να εμβαθύνει λίγο περισσότερο στο θέμα των μπαταριών και να μάθει πώς περίπου λειτουργούν, τι τύποι υπάρχουν και πώς επιλέγονται, τι επηρεάζει τη διάρκεια ζωής, τη χωρητικότητά τους κ.λ.π. Η γνώση αυτή, θα βοηθήσει στην κατανόηση του σωστού τρόπου λειτουργίας και της συντήρησης που χρειάζονται, ώστε να εξαντλήσουν με ασφάλεια, τη διάρκεια ζωής που περιμένουμε από αυτές.


Οι μπαταρίες είναι βασικό μέρος ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος, αφού η παραγωγή ενέργειας δεν ταυτίζεται με την κατανάλωση. Είναι συνεπώς αναγκαίο, η πλεονάζουσα ενέργεια να μπορεί να αποθηκευτεί. Μοναδική ίσως εξαίρεση είναι τα συστήματα άρδευσης, όπου οι αντλίες λειτουργούν μόνο με ηλιοφάνεια.


Οι μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα, πρέπει να αντέχουν σε βαθειές εκφορτίσεις και μάλιστα συστηματικά. Αντίθετα, οι μπαταρίες εκκίνησης (οχημάτων) δεν είναι κατασκευασμένες γι αυτόν τον σκοπό και εάν χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές φωτοβολταϊκών, θα αχρηστευθούν γρήγορα.


Στα φωτοβολταϊκά χρησιμοποιούνται συνήθως μπαταρίες μολύβδου-οξέος, βαθιάς εκφόρτισης, οι οποίες προσφέρουν γενικά και την καλύτερη σχέση απόδοσης προς τιμή. Άλλοι πιο εξελιγμένοι τύποι, όπως Νικελίου-Καδμίου ή Ιόντων Λιθίου, έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, σε βαθύτερες εκφορτίσεις, αλλά είναι ακόμη ακριβοί και δεν χρησιμοποιούνται τόσο συχνά.


Πώς λειτουργούν οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος


Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος αποτελούνται από ξεχωριστές κυψέλες, κάθε μία από τις οποίες έχει τάση περίπου 2V. Οι κυψέλες διατίθενται ξεχωριστά ή σε μπλοκ με κοινό περίβλημα, των 3, 4 ή 6 τεμαχίων (6, 8 ή 12V).


Κάθε κυψέλη είναι ένα δοχείο γεμάτο με αραιό διάλυμα θειϊκού οξέος (H2SO4) ως ηλεκτρολύτη, στο οποίο έχουν βυθιστεί δύο πλάκες με διαφορετική πολικότητα (ηλεκτρόδια). Οι δύο πλάκες αποτελούνται από πλέγμα μολύβδου (ως φορέα) και πορώδες ενεργό υλικό σε μορφή πάστας, με αρκετά μεγάλη επιφάνεια, για την πραγματοποίηση των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Σε κατάσταση φόρτισης, το ενεργό υλικό στο αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι μόλυβδος (Pb) και στον θετικό διοξείδιο του μολύβδου (PbO2).




Όταν η μπαταρία λειτουργεί, ηλεκτρόνια διοχετεύονται από τον αρνητικό στον θετικό πόλο, μέσω του εξωτερικού κυκλώματος (φορτίων), προκαλώντας χημική αντίδραση μεταξύ των ηλεκτροδίων και του θειϊκού οξέος του διαλύματος. Ως αποτέλεσμα αυτής της αντίδρασης, σχηματίζεται θειϊκός μόλυβδος (PbSO4) και στα δύο ηλεκτρόδια, ενώ ταυτόχρονα (όσο εκφορτίζεται η μπαταρία) μειώνεται η συγκέντρωση του θειϊκού οξέος (H2SO4) στο διάλυμα, άρα και η πυκνότητά του.


Αντίθετα, όταν η μπαταρία φορτίζεται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, με την εφαρμογή τάσης υψηλότερης από τη δική της, οι χημικές αντιδράσεις αντιστρέφονται. Το φαινόμενο δεν είναι όμως 100% αναστρέψιμο και συνεπώς κάποιες μικρές ποσότητες θειϊκού μολύβδου δεν διαλύονται πάλι, αλλά παραμένουν επάνω στα ηλεκτρόδια, μειώνοντας, αργά αλλά σταδιακά, τη χωρητικότητα της μπαταρίας. Όσο βαθύτερη είναι η εκφόρτιση της μπαταρίας, τόσο μεγαλύτερη και η μείωση της χωρητικότητάς της. Γι αυτό και αν ο βαθμός εκφόρτισης των μπαταριών είναι μικρός κατά τη λειτουργία τους, οι μπαταρίες ζουν περισσότερο (μεγαλύτερος αριθμός κύκλων).


Διάρκεια ζωής των μπαταριών


Η διάρκεια ζωής των μπαταριών εκφράζεται σε κύκλους λειτουργίας (φόρτιση-εκφόρτιση), για δεδομένο βάθος εκφόρτισης (Depth of Discharge ή DoD), που στην πράξη συνήθως θεωρείται 50%. Μετά το τέλος της "χρήσιμης ζωής" τους, οι μπαταρίες συνεχίζουν να λειτουργούν, η χωρητικότητά τους όμως μειώνεται συνεχώς και τελικά υπάρχει κίνδυνος ξαφνικής αστοχίας, λόγω βραχυκυκλώματος.


Στο διάγραμμα (πηγή: Sunlight, για μπαταρίες τύπου SOPzS) φαίνεται ότι εάν για παράδειγμα, η διάρκεια ζωής μια μπαταρίας για βάθος εκφόρτισης 50% είναι 2.500 κύκλοι (στους 20°C), με 80% εκφόρτιση θα ήταν 1.600 κύκλοι, ενώ με 20% εκφόρτιση 6.000 κύκλοι!


Επίσης, από το ίδιο διάγραμμα προκύπτει ότι η θερμοκρασία μιας μπαταρίας, επηρεάζει σημαντικά τη διάρκεια της ζωής της. Έτσι, εάν μια μπαταρία με εκφόρτιση 50%, έχει διάρκεια ζωής 2.500 κύκλους στους 20°C, στους 50°C η ζωή της θα πέσει περίπου στο ¼ (600 κύκλοι)! Γι αυτό και οι μπαταρίες πρέπει να βρίσκονται σε χώρο σχετικά δροσερό (20-25°C).


Χωρητικότητα των μπαταριών


Η χωρητικότητα μετριέται σε αμπερώρια (Ah) και εκφράζει τη συνολική ενέργεια που έχει αποθηκευτεί, όταν μια μπαταρία εκφορτίζεται με συγκεκριμένο ρεύμα (A) και για συγκεκριμένη ώρα (h).


Η χωρητικότητα εξαρτάται από τη θερμοκρασία, αλλά κυρίως από το ρεύμα (ή ρυθμό) εκφόρτισης: σε χαμηλό ρυθμό εκφόρτισης (χαμηλό ρεύμα), η απόθεση του θειϊκού μολύβδου στις πλάκες, μπορεί να πραγματοποιηθεί σε μεγαλύτερο βάθος, οι πλάκες χρησιμοποιούνται δηλαδή συνολικά καλύτερα και η χωρητικότητα των μπαταριών είναι μεγαλύτερη. Άρα, όσο χαμηλότερη η ένταση του ρεύματος εκφόρτισης, τόσο μεγαλύτερη η χωρητικότητα μιας μπαταρίας.


Για το λόγο αυτό, η τιμή της χωρητικότητας που δίνουν οι κατασκευαστές, είναι συνδεδεμένη με το ρυθμό εκφόρτισης. Έτσι C10 σημαίνει ότι μια μπαταρία εκφορτίζεται σε 10 ώρες, C100 σε 100 ώρες κ.ο.κ. Για την ίδια λοιπόν μπαταρία, ισχύει ότι: C10<C20<C100<C120.


Στο παρακάτω διάγραμμα, φαίνεται η σχέση της τιμής της χωρητικότητας μιας μπαταρίας, προς τον χρόνο εκφόρτισής της.


Η χωρητικότητα μιας μπαταρίας επηρεάζεται επίσης από τη θερμοκρασία, αφού αυξάνει σε μεγαλύτερες και μειώνεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες.


Επειδή όμως η θερμοκρασία έχει αντίθετο αποτέλεσμα στη διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας (μειώνεται με αύξηση της θερμοκρασίας), οι μπαταρίες πρέπει να βρίσκονται σε μια μέση θερμοκρασία, περίπου 25°C.


Στο παρακάτω διάγραμμα, φαίνεται η επίδραση της θερμοκρασίας στη χωρητικότητα μιας μπαταρίας (πηγή: Sunlight). Από το διάγραμμα αυτό προκύπτει ότι εάν μια μπαταρία έχει χωρητικότητα 100Ah στους 20°C, στους 35°C αυτή (η χωρητικότητα) είναι αυξημένη κατά 5%, ενώ στους 5°C μειωμένη κατά 8% περίπου.


Στην πράξη αυτό σημαίνει ότι, κατά τον υπολογισμό της αναγκαίας χωρητικότητας των μπαταριών ενός συστήματος, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη και η πτώση της χωρητικότητας της μπαταρίας σε χαμηλές θερμοκρασίες.


Συνδεσμολογία


Οι μπαταρίες επιλέγονται με συγκεκριμένη χωρητικότητα (π.χ. 500Ah) και τάση (π.χ. 2V).


Εάν η τάση της μπαταρίας είναι ίδια με την τάση του συστήματος (π.χ. 12V), τότε μια μπαταρία θα μπορούσε να λειτουργήσει και μόνη της. Εάν όμως η τάση του συστήματος είναι υψηλότερη από την τάση της μπαταρίας (π.χ. 24V και 2V αντίστοιχα), τότε θα πρέπει να συνδεθούν σε σειρά, όσες (όμοιες) μπαταρίες απαιτούνται, ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή συνολική τάση (π.χ. 12 μπαταρίες των 2V συνδέονται σε σειρά, σε σύστημα 24V). Η χωρητικότητα του συστήματος θα είναι τότε επίσης 500Ah (όσο και κάθε μπαταρίας), αλλά με τάση 24V. (Χωρητικότητα = 500Ah x 24V = 12.000Wh).


Εάν τώρα έχοντας, με τη συγκεκριμένη σειρά, επιτύχει την τάση του συστήματος, η συνολική χωρητικότητα δεν επαρκεί, μπορούμε να συνδέσουμε παράλληλα, μία ή περισσότερες όμοιες σειρές και να πολλαπλασιάσουμε τη συνολική χωρητικότητα της συστοιχίας. Εάν δηλαδή στο προηγούμενο παράδειγμα έχουμε σε σειρά 12 μπαταρίες με χωρητικότητα 500Ah/2V, ενώ χρειαζόμαστε 1.000Ah(/24V), θα πρέπει να συνδεθεί παράλληλα μία ακόμη όμοια σειρά 12 μπαταριών. Συνολικά, θα έχουμε δηλαδή 2x12=24 μπαταρίες των 2V, με συνολική χωρητικότητα 2x500=1.000Ah/24V.


Παράδειγμα:






Share :