Od slnka po zásuvku IV

Všetko o batériových úložiskách.

V predchádzajúcich dieloch Od slnka po zásuvku I a II a III sme si predstavili všetky druhy fotovoltických systémov. Zároveň sme spomenuli, že k hybridným sa pripájajú batériové úložiská, ktoré si v tomto článku rozoberieme „od podlahy“.

Batérie – najviac používané chémie

V batériách sa používa:

• NMC (Nickel Manganese Cobalt): životnosť 1 000 cyklov – elektromobily – 3,7 V/xxAh
• LFP (Lithium Ferrophosphate): životnosť 2 500 cyklov – úložiská energie – 3,2 V/xxAh
• LTO (Lithium Titanate Oxid): životnosť 25 000 cyklov – „boostery“ a úložiská energie – 2,3 V/xxAh

Podľa obr. 1 vidíme, že každá chémia má svoje výhody aj nevýhody a každá je vhodná na iné použitie. Napríklad batéria NMC s tisíckou cyklov v elektromobiloch znamená v prepočte prejdených viac ako 500 000 km, kým sa zníži jej kapacita (degraduje) na 70 %.
To znamená, že ani po 500 000 km nie je na zahodenie, len sa zmenší dojazd elektromobilu.

Dôležité údaje pri batériových článkoch

State Of Charge (SOC)/Depth Of Discharge (DOD)

Tieto údaje sa uvádzajú na batériových článkoch alebo moduloch, aby zákazník vedel, ako má nabité „baterky“, alebo ako hĺbkovo ich môže vybíjať, aby sa zachovala ich životnosť (obr. 2). Batérie nevybíjame zo 100 % na 0 %, preto sa väčšinou uvádza počet cyklov, napríklad pri DOD 80 % má baterka LFP 6 000 cyklov.

Kapacita článku Ah

Tento údaj ukazuje, koľko Ah môžeme mať v batériovom článku.

xC nabíjací prúd/xC vybíjací prúd

Tento údaj je dôležitý, lebo výrobca článkov stanovuje, aký prúd je maximálny a pri akom prúde a akej teplote sa udáva počet cyklov batérie. Teda ak niekto povie, že nabíja a vybíja batériu pri 1 C (napr. 100 Ah je 100 A), pričom výrobca článku udáva počet cyklov pri 0,3 C (30 A) a teplote 25 °C, tak asi ťažko dosiahne životnosť v cykloch podľa výrobcu článku. Životnosť batériového modulu je výrazne nižšia pri 1 C ako pri 0,3 C, preto je dobré vedieť, koľko majú Ah použité batériové články v batériovom module/úložisku.

Nabíjacia krivka článku

Ako sme už uviedli, batérie nevybíjame zo 100 % na 0 %, preto sa väčšinou uvádza počet cyklov, napr. pri DOD 80 %. Keď sa pozrieme na krivku na obr. 3, je zrejmé, že pod 10 % a nad 90 % nemá veľký význam nabíjať, resp. vybíjať batériový článok, lebo v týchto častiach sa prudko menia aj podmienky, preto je vhodné využívať len „lineárnu“ časť krivky. Takto batériu šetríme a dosiahneme aj zvýšený počet nabíjacích cyklov, napríklad pri LFP 6 000 cyklov pri DOD 80 %.

Vnútorný odpor článku

Ide o veľmi dôležitý údaj pri spájaní batériových článkov do batériových modulov. Vnútorný odpor článku sa výrazne podieľa na celkovej kapacite batériového modulu/batériových úložísk.

Batériové moduly

Moduly sa skladajú z batériových článkov pre dosiahnutie väčšej kapacity a väčšieho výkonu. Je pritom veľmi dôležité splniť parametre uvedené ďalej.

Vyrovnané nabitie/vybitie každého článku

Udáva sa State Of Charge (SOC), ale reálne je to v Ah. Aby sme dosiahli maximálnu kapacitu, musíme mať tento parameter rovnaký.

Rovnaká kapacita článkov v Ah

Predstavuje jedinú možnosť pri spájaní batériových článkov.

Rovnaký vnútorný odpor článkov

Pri nabíjaní a vybíjaní sa celý modul nabíja/vybíja rovnakým prúdom, pričom platí Kirchhoffov zákon. Prúd sa rozdelí podľa vnútorných odporov jednotlivých batériových článkov, takže pri menšom odpore sa článok rýchlejšie nabíja a zároveň aj rýchlejšie vybíja (obr. 4). Preto ak nemáme rovnakú kapacitu, rovnaký vnútorný odpor a rovnakú chémiu článkov, výrazne sa zníži kapacita batériového modulu/úložiska.

Skladba batériového modulu

Moduly sa skladajú z batériových článkov s príslušnou elektronikou a mechanikou.
Batériové články (Battery Cell) musia mať všetky rovnaké parametre. Na uchytenie modulov, ktoré nie je možné skrutkovať dokopy, slúži držiak batériových článkov.
Dôležitou súčasťou ochrany batériových článkov je elektronika pre kontrolu článkov. Meria ich napätie, vyrovnáva ich kapacitu, teplotu a posiela tieto údaje do systému BMS, ktorý tieto údaje vyhodnocuje v reálnom čase.

Battery Management System

Battery Management System (BMS) má hlavnú úlohu vzhľadom na funkčnosť batériových úložísk. Slúži najmä na:

• ochranu batérií – v prípade mimo rozsahov definovaného stavu odpája batériové úložisko od meniča.
• komunikáciu s meničom/systémom – riadi menič, akým prúdom sa môže úložisko nabíjať/vybíjať.
• meranie SOC – aktívne meria, koľko energie sa nabilo a vybilo z úložiska.
• meranie napätia článkov – tento údaj je dôležitý pre ochranu batériových článkov. Žiadny batériový článok v úložisku nesmie byť „podbitý“ ani „prebitý“, pretože by došlo k jeho poškodeniu; meria sa teda každý článok samostatne.
• meranie teploty článkov – tento údaj je dôležitý pre ochranu batériových článkov. V prípade potreby sa vyradia z činnosti pri nabíjaní/vybíjaní, alebo sa spustia ich chladenie a ohrievanie tak, aby boli splnené všetky podmienky fungovania článkov a tak bola zabezpečená ich životnosť.
• pasívne/aktívne vyrovnávanie článkov – slúži na dosiahnutie celkovej kapacity úložísk. Nikdy nebudú všetky články „ideálne“ rovnaké a ich vyrovnávanie zabezpečí minimálne rozdiely v ich kapacite.

Spojením batériového modulu a BMS do zostavy vznikne ucelený blok energetického úložiska, ktorý sa následne pripája na hybridný menič, alebo pri výkonnejších systémoch na obojsmerný menič (nabíjač/vybíjač), ktorí tvorí samostatný energetický zdroj.

Takto vnikne zostava energetického bloku. Tie sa následne spájajú do energetických systémov od niekoľkých desiatok kW výkonu/kWh úložiska až po MW výkonu/MWh úložiska.

Riešenia pre priemysel a energetiku

Riešenia pre priemysel a energetiku sa navrhujú podľa požiadaviek prevádzky, umiestnenia, využitia, životnosti a iných parametrov. Ako príklad uvádzame charakteristiku 20” kontajnerového batériového úložiska:

• Kapacita batériového úložiska:
  924 kWh
• Celkový výkon: 600 kW AC
  3x 400 V/960 A
• Vykurovanie a chladenie celého systému: tepelným čerpadlom
• Zabezpečenie požiarnej bezpečnosti: zabudovaný inovatívny automatický požiarny systém
• Napájanie: z vlastného solárneho zdroja

Záver

Batériové úložiská/energetické bloky môžeme za určitých podmienok pripojiť na elektrickú sieť kdekoľvek – či už bez akéhokoľvek zdroja elektrickej energie (slnko, vietor, voda), alebo už aj do jestvujúcich systémov a takto manažovať ich využitie pre naše potreby. Vždy však musíme mať na pamäti, že spájanie článkov má svoje pravidlá a celkovo ide o veľmi komplexnú činnosť s potrebnými skúsenosťami, znalosťami, kvalifikáciou a oprávneniami.

Viac info na www.led.sk, www.ev-gp.sk.

Zdroj: PR článok LED.sk