ELEKTROHEMIJSKI SISTEMI ZA SKLADIŠTENJE ENERGIJE

Παρουσίαση με θέμα: "ELEKTROHEMIJSKI SISTEMI ZA SKLADIŠTENJE ENERGIJE"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ELEKTROHEMIJSKI SISTEMI ZA SKLADIŠTENJE ENERGIJE
- AKUMULATORSKE BATERIJE -

2 Uvod Elektrohemijski sistemi za skladištenje energije (Electrochemical Energy Storage Systems) se dele u tri grupe: - primarne baterije - sekundarne baterije - gorivne ćelije Zajednička karakteristika ovih uređaja: skladištenu hemijsku energiju pretvaraju u električnu Primarne i sekundarne baterije koriste ugrađene hemijske komponente, gorivne ćelije transformišu hemijsku energiju iz sintetičkih goriva (vodonik, metanol, hidrazin N2H4) Za razliku od sekundarnih baterija, primarne baterije ne mogu da se pune, zbog toga se termin “akumulatorske baterije” odnosi na sekundarne baterije Efikasnost elektrohemijskih sistema za skladištenje energije nije ograničena Karnoovim ciklusom, kao u slučaju termičkog skladištenja energije

3 Akumulatorske baterije
Najstariji uređaji za skladištenje energije u EES-u, prvu bateriju je izumeo Alessandro Volta godine, a prvu olovnu akumulatorsku bateriju Gaston Plante godine Primena akumulatorskih baterija počinje početkom prošlog veka u lokalnim DC EES-ima: - dizel agregati se koriste za generisanje električne energije danju, a noću se koriste akumulatorske baterije koje su napunjene tokom dana - za napajanje električnih uličnih vozila DC strujom u vreme saobraćajnog špica Sa razvojem velikih AC EES-a sa centralizovanom proizvodnjom područje primene baterija je svedeno na sisteme za rezervno napajanje Tipovi akumulatorskih baterija: - olovne (Pb) akumulatorske baterije - nikl-kadmijumske (Ni-Cd) akumulatorske baterije - nove tehnologije akumulatorskih baterija: nikl-metal-hidridne (NiMH), nikl-cinkne (Ni-Zn), bakar-cinkne (Cu-Zn), litijum-jonske (Li-ion), natrijum-sulfidne (NaS) i vanadijum redoks (VRB) baterije

4 Olovna akumulatorska baterije
Sastoji se iz niza ćelija čiji su osnovni elementi: - pozitivna elektroda (olovo peroksid, PbO2) - negativna elektroda (olovo, Pb) - elektrolit (sumporna kiselina H2SO4 razređena destilovanom vodom H2O) Negativna elektroda (Pb): šalje pozitivne jone u rastvor i predstavlja izvor elektrona za spoljašnje kolo Pozitivna elektroda (PbO2): troši elektrone iz spoljašnjeg kola i pozitivne jone iz unutrašnjeg kola (e- ne prolaze kroz elektrolit već kroz potrošać) Slika 4.1: Princip rada olovne akumulatorske baterije

5 Elektrohemijske reakcije
Hemijske reakcije pri pražnjenu baterije: - na negativnoj elektrodi (anoda - oksidaciona elektroda): - na pozitivnoj elektrodi (katodi): - ukupna reakcija pri pražnjenju baterije: Ukupna reakcija pri punjenju baterije

6 Kada se ćelija prazni, molekuli H2SO4 u elektrolitu se dele na pozitivne H+ i negativne HSO4- jone:
- pozitivni H+ joni reaguju sa kiseonikom nastalim na pozitivnoj ploči i proizvode vodu koja razblažuje kiselinu u elektrolitu. - negativni HSO4- joni reaguju sa olovom obe ploče, i formira se olovo sulfat Pri pražnjenju baterije izvlači se kiselina iz elektrolita i proizvode se olovo sulfat i voda, što je proces pražnjenja duži to je gustina elektrolita manja zbog manje koncetracije kiseline i veće koncetracije vode Kada se ćelija puni reakcije su obrnute: olovo sulfat sa pozitivne i negativne ploče se konvertuje u olovo peroksid i olovo, a kiselina iz sulfatiranog aktivnog materijala se vraća u elektrolit i povećava njegovu gustinu U potpuno napunjenoj bateriji, aktivni materijal pozitivne ploče je olovo peroksid, a negativne olovo, gustina elektrolita je na maksimumu, energija pri daljem punjenju se koristi za razdvajanje vode iz elektrolita na vodonik i kiseonik koji se iz ćelije oslobađaju u vidu gasa (gasiranje) Jedan deo sulfata ipak ostaje na elektrodama pri svakom ciklusu punjenja i pražnjenja, što predstavlja glavni uzrok starenje baterija, zato ih treba održavati što punijim

7 Kapacitet olovne akumulatorske baterije
Kapacitet akumulatorske baterije predstavlja sposobnost baterije da isporuči električnu energiju i izražava se u Ah, odnosno kao proizvod struje pražnjenja u amperima i određenog broja sati pražnjenja Proizvođač obično ocenjuje bateriju po stopi od 20 časova, npr. baterija od 200 Ah može isporučiti 10 A za 20 časova, ova ocena je namenjena kao sredstvo poređenja različitih baterija na isti standard (C/20) Za svaki uklonjen Ah iz baterije, potrebno je upumpati nazad 1.1 Ah kako bi se baterija vratila u isto stanje pre pražnjenja, ova cifra varira sa temperaturom, tipom i starošću baterije Slika 4.2: Zavisnost kapaciteta baterije C/8 od vremena (stope) i struje pražnjenja

8 Glavni faktori koji utiču na kapacitet baterije su:
- stopa pražnjenja, izražava se vremenom pražnjenja, kraće vreme pražnjenja od deklarisanog utiče na smanjenje kapaciteta zbog slabijeg prodora elektrolita u pore elektroda i zbog pada napona - specifična težina elektrolita, izražava se u odnosu na vodu, manje kiseline u elektrolitu smanjuje intenzitet hemijskih reakcija, smanjenje specifične težine za 0,025 prouzrokuje smanjenje kapaciteta za 8-10% - temperatura, sa povećanjem temperature iznad 25 0C povećava kapacitet zbog toga što se ubrzavaju hemijske reakcije, smanjuje viskoznost i otpornost elektrolita - završni napon, označava minimalno koristan i prihvatljiv napon pri različitim stopama pražnjenja (vrednost pri kojoj se može dobiti maksimalan broj amper-časova, pre nego što napon ćelije počne naglo da opada kako se ćelija približava tački iscrpljenosti) Povećan kapacitet olovnih baterija na višim temperaturama ne znači da one pogoduju njihovom radu, naprotiv, životni vek baterija skraćuje se za 50% na svakih 10 oC iznad 25 oC, koliko iznosi optimalna temperatura za njihov rad

9 Sa smanjenjem temperature ispod 25 0C smanjuje se kapacitet baterije: npr. pri -30 0C baterija sa stopom pražnjenja C/20 raspolagaće sa samo polovinom svog naznačenoga kapaciteta Hladnoća utiče kombinovano na bateriju – smanjuje joj kapacitet i izlazni napon, a povećava ranjivost na smrzavanje pri pražnjenju Slika 4.3: Zavisnost kapaciteta olovnih baterija od gradijenta pražnjenja i temperature, referentna vrednost se ima za naznačeni kapacitet pri C/20 i 25 oC

10 Napon baterije Elektromotorna sila VB baterije je napon idealne baterije ili napon otvorenog kola baterije Napon V na priključcima baterije pri pražnjenju je jednak razlici emc baterije VB i pada napona na unutrašnjem otporu baterije Ri: V=VB-Ri·I Pri punjenju baterije je V>VB , odnosno: V=VB+Ri·I Slika 4.4: Tevenenov ekvivalent akumulatorske baterije pri punjenju i pražnjenju

11 Od svih komercijalnih tipova ćelija, ćelija olovnog akumulatora sa sumpornom kiselinom ima najviši napon, nominalne vrednosti 2 V Napon otvornog kola ćelije je funkcija specifične težine elektrolita: gde SG predstavlja specifičnu težinu elektrolita u odnosu na vodu, na primer za SG=1.21 dobija se VB=2.05 V Elektromotorna sila VB baterije (napon otvorenog kola) i unutrašnji otpor Ri zavise od stanja napunjenosti baterije i temperature Pri pražnjenju ćelije, postoji pad napona zbog unutrašnjeg otpora ćelije (koji je veći ako je veća struja pražnjenja), takođe, zbog pražnjenja, napon postepeno postaje manji jer pražnjenje ćelije napreduje tj. ćelija se približava iscrpljenosti Napon pri pražnjenju zavisi od stope pražnjenja, a napon pri punjenu od stope punjenja Sa stopom punjenja C20, napon će porasti za nekoliko minuta do 2.10 V (12.6 V za bateriju), zatim postepeno raste da bi pri kraju procesa punjenja ponovo bio oštriji porast do 2.6 V (15.6 V za bateriju) kada je ćelija potpuno napunjena (zbog oslobađanja H2 i O2)

12 Minimizacija “gasiranja” i gubitaka pri punjenju se vrši pomoću regulatora koji usporava punjenje blizu stanja potpune napunjenosti Slika 4.5: Napon baterije u funkciji napunjenosti baterije (meren sat vremena nakon punjenja ili pražnjenja), pri različitim strujama (stopama) punjenja i pražnjenja

13 Karakteristika pražnjenja
Baterija može da se isprazni bez štete po bilo kojoj stopi pražnjenja, ali pražnjenje ne bi trebalo da bude nastavljeno ispod tačke gde se ćelija približava iscrpljenosti ili gde napon padne ispod upotrebne vrednosti Slika 4.6: Efekat praženja akumulatorske baterije pri različitim strujama pražnjenja

14 Karakteristika punjenja
Olovne akumulatorske baterije se mogu puniti različitim jačinama struje pri čemu napon po ćeliji ne sme da bude veći od 2.4 V, jer iznad tog napona dolazi do elektrolize vode (do početka “gasiranje”). Kod olovnih akumulatora problem “gasiranje” i mogućeg oštećenja baterije rešen upotrebom sigurnosnog ventila Olovne akumulatorske baterije se obično pune naponom od oko 2.25 V po ćeliji (13.5V za bateriju), a ako se želi ubrzano punjenje upotrebljava se napon od oko 2.4 V po ćeliji (14.4V za bateriju) nekoliko sati (napon punjenja), a zatim se održava napon od 2.25 V (napon održavanja) Slika 4.7: Punjenje baterije konstantnim naponom i strujno zavisnim naponom

15 Specifična težina Specifična težina elektrolita zavisi od stvarne količine sumporne kiseline u elektrolitu i pokazatelj je stanja napunjenosti baterije Sa isparavanjem vode specifična težina se povećava Za datu primenu, specifična težina mora da ima dovoljno veliku vrednost da bi se odvijale hemijske reakcije u ćeliji, međutim prevelika vrednost može imati direktan hemijski efekat na pojedine delove ćelije Sa pražnjenjem baterije napon ćelije se smanjuje, unutrašnji otpor raste a specifična težina elektrolita u bateriji opada Ispražnjena baterija podložnija je smrzavanju; npr. sasvim ispražnjena olovna baterija mrzne se na oko -8 oC, dok se puna ne mrzne dok temperatura elektrolita u njoj ne padne na -57 oC Prilikom punjenja baterije napon baterije i specifična težina elektrolita rastu, dok opadaju temperatura smrzavanja i vrednost unutrašnjeg otpora U stanju između napunjenosti i delimične ispražnjenosti, napon baterije i specifična težina elektrolita se menjaju tako da je izračunavanje napona na osnovu specifične težine približno:

16 Slika 4.8: Najveća dozvoljena dubina pražnenja baterije da bi se izbeglo smrzavanje
Slika 4.9: Napon i specifična težina elektrolita u funkciji napunjenosti baterije

17 Efikasnost olovne akumulatorske baterije
Efikasnost baterije se lakše izražava preko strujne efikanosti nego preko energetske efikasnosti zbog napona koji varira u zavisnosti od struje (brzine) punjenja ili pražnjenja, starosti i stanja baterije Ako se baterija puni konstantnom strujom Ic tokom vremenskog perioda ΔTc pri čemu je korišćen napon Vc, onda je energija dostavljena bateriji: Ako se baterija prazni konstantnom strujom Id tokom vremenskog perioda ΔTd pri čemu je korišćen napon Vd, onda je energija ovedena iz baterije: Energetska efikasnost baterije jednaka je proizvodu naponske i kulonove efikasnosti:

18 Tipična 12 V olovna baterija može da se puni pri naponu od 14 V, dok joj je napon pražnjenja oko 12 V, što znači da je njena naponska efikasnost ηV =12/14 = 0,86 = 86% Kulonova efikasnost predstavlja odnos broja kulona (naelektrisanja) koji iz baterije izlaze i onih koji su nju ušli pri njenom punjenju, do razlike u količini naelektrisanja dolazi iz razloga što napon kod napunjene baterije postaje dovoljno visok da otpočne proces elektrolize vode, pri čemu elektrolit napušta i jedan broj elektrona zajedno sa oslobođenim gasovima Kulonova efikasnost baterija se može izraziti kao proizvod efikasnost punjenja i efikasnosti pražnjenja baterija, tj. ηC =ηc·ηd S obzirom da se punjenje baterija vrši pri jednom, a pražnjenje pri drugom naponu, Kulonova efikasnost ne izražava energetski efikasnost već efikasnost u pogledu broja amper-sati pri punjenju i pražnjenju Srednja vrednost Kulonove efikasnosti tokom celog ciklusa punjenja i pražnjenja iznosi između 90 i 95% Ako se usvoji Kulonova efikasnost ηC=90%, onda se dobija da je ukupna efikasnost baterije: η = ηV ·ηC = 0,86·0,9 = 0,77 = 77%, obično se usvaja vrednost od 75%,

19 Konstrukcija akumulatorske baterije
Pozitivne i negativne elektrode su u obliku relativno tankih ploča sa rešetkastom strukturom napravljene od legure Pb-Sb ili Pb-Ca, ploče su raspoređene jedna pored druge, naizmenično pozitivne i negativne. Sve pozitivne ploče su grupisane i povezane Pb trakom (ili trakom od legure Pb-Al ili Pb-Sb), isto tako i negativne, trake se preko stuba dovode do spoljašnjeg kola Slika 4.10: Konstrukcija olovne akumulatorske baterije

20 Vrste olovnih akumulatorskih baterija
Olovne akumulatorske baterije imaju široku primenu: kod malih elektronskih uređaja, kod automobila, u EES-u (npr. 10 MW postrojenje akumulatorskih baterija u Kaliforniji koje 4h može da isporuči skladištenu energiju u sistem (5000A pri 2000V) Postroje tri kategorije olovnih akumulatorskih baterija: - konvencionalne automobilske (za startovanje motora, automobilska svetla i paljenje smeše benzina i vazduha u motoru, SLI baterije) - baterije sa dubokim ciklusom pražnjenja, za male eletkromobile (npr. za viljuškare i vozila za golf terene) - dugotrajne baterije sa dubokim ciklusom pražnjenja Konvencionalne automobilske baterije (SLI) su namenjene pre svega za pokretanje motora, one obezbeđuju strujni impuls od A, da bi se nakon toga dopunile alternatorom tako da su uvek blizu stanja potpune napunjenosti Olovne baterije sa dubokim pražnjenjem imaju deblje elektrode i većih su dimenzija, mogu da se isprazne bez oštećenja do 80% kapaciteta

21 Stacionarne akumulatorske baterije – baterije koje se trajno postavljaju i održavaju u EES-u nazivaju se stacionarnim baterijama Otvorene olovne akumulatorske baterije - klasične akumulatorske baterije koje je potrebno održavati za vreme eksploatacije (dolivati im vodu) - danas se najčešće izvode kao ''zatvorene'' sa čepom posebne izvedbe koji omogućuje izlaženje gasa iz ćelije u okolinu, a moguće ga je i potpuno otvoriti radi povremenog dolivanja destilovane vode u ćelije Zatvorene olovne akumulatorske baterije VRLA (Valve Regulated Lead Acid) - ventilom regulisane baterije - životni vek im je za normalne izvedbe 3-5 godina, ali postoje i dugotrajne baterije čiji je životni vek i do 20 godina Dve vrste zatvorenih olovnih akumulatorskih baterija: - sa apsorpcionim elektrolitom (AGM - Absorptive Glass Mat Recombination Batteries) – tečni elektrolit je upijen u separator - sa elektrolitom u gel stanju (elektrolit predstavlja smešu H2SO4 i praha SiO2 i nije u tečnom stanju)

22 Olovne akumulatorske baterije (otvorene kao i zatvorene) razlikuju se i prema izvedbi pozitivnih elektroda Negativne elektrode su kod svih tipova akumulatorskih baterija su najčešće izvedene na isti način: - aktivni materijal je porozno čisto Pb utisnuto u rešetku od Pb legure, najčešće su legure sa primesama antimona (Sb) ili kalcijuma (Ca) - kod otvorenih akumulatorskih baterija koristi se Sb jer poboljšava mehaničku tvrdoću i otpornost na koroziju, međutim, poslednjih godina je procenat antimona smanjen jer ubrzava “gasiranje” (gubitak vode i samopražnjenje akumulatorskih baterija) - za zatvorene (ventilom regulisane) akumulatorske baterije koristi se legura olova i kalcijuma - kompromis jer se smanjuje “gasiranje”, (ne postoji mogućnost dolivanja vode), ali postoji podložnost pojačanoj koroziji (ubrzano starenje) ili smanjenje električne provodljivosti Osnovne izvedbe pozitivnih elektroda olovnih akumulatorskih baterija: - sa velikom pozitivnom pločom (Gro, aktivni materijal PbO2 se dobija oksidacijom Pb elektrode) - sa rešetkastom pozitivnom pločom (Gi, PbO2 je utisnut u Pb rešetku) - sa cevastom ili oklopljenom pozitivnom pločom (PzS, čvrsti pojas drži aktivni materijal PbO2 oko Pb elektrode, elektroda podseća na cevčicu)

23 Zatvorene olovne akumulatorske baterije
VRLA (Valve Regulated Lead-Acid) gel baterije su potpuno zatvorene, osim ventila koji služi za oslobađanje gasova u havarijskim uslovima punjenja. Za razliku od otvorenih ili klasičnih olovnih akumulatorskih baterija, dolazi do rekombinacije gasova za vreme punjenja: O2 koji se oslobađa na pozitivnoj elektrodi reaguje sa olovom na negativnoj elektrodi: Rezultat ovih reakcija je samopražnjenje negativne elektrode, samopražnjenje se kod određenog nivoa napunjenosti izjednačava sa procesom punjenja tako da se vodonik praktično ne oslobađa (ne dostiže se stanje potpune napunjenosti negativne elektrode) Kod otvorenih baterija gubitak vode treba redovno dolivati, kod VRLA baterija to nije potrebno (ni moguće, baterije su "bez održavanja"), manje količine H2 se ispuštaju kroz sigurnosti ventil Osetljive su na povišene temperature okoline i može doći do njihovog pregrevanja

24 Nikl-kadmijumske akumulatorske baterije
Aktivni materijal je NiO(OH) na pozitivnoj i Cd na negativnoj elektrodi Kao elektrolit se koristi KOH (lužina) sa malim količinama LiOH, elektrolit služi za prenošenje električnih jona između elektroda, za vreme punjenja i pražnjenja ne menja se gustina elektrolita Zbog prisustva Cd hemijski sastav baterije je toksičan Hemijske reakcije - na negativnoj elektrodi (Cd): - na pozitivnoj elektrodi (NiO(OH)): - ukupna reakcija:

25 NiCd baterije imaju nizak napon otvorenih krajeva (1
NiCd baterije imaju nizak napon otvorenih krajeva (1.2 V) i relativno visoke napone punjenja i održavanja, napon održavanja je u granicama V (20% približno viši od napona otvorenih krajeva dok je kod olovnih baterija viši za 12%) Visoki naponi punjenja i održavanja zahtevaju komplikovanije ispravljače za punjenje, neophodno je ugraditi uređaje na izlazu isparvljača koji snižavaju izlazni napon prema potrošačima za vreme punjenja i održavanja Stacionarne NiCd baterije se izvode kao otvorene ili zatvorene (ventilom regulisane) koje su slične po načinu izrade, i u zatvorene baterije je moguće povremeno dolivati vodu (za razliku od zatvorenih olovnih baterija) Zatvorene ventilom regulirane NiCd akumulatorske baterije: - specifična težina elektrolita je 1.16 - u normalnim uslovima rada (napon punjenja 1.42 V/ćeliji i temperatura od 10 do 300C ) ne zahtevaju održavanje (dolivanje vode) - namenjene su stacionarnim pogonima - životni vek im je preko 20 godina - skuplje su od zatvorenih olovnih akumulatorskih baterija

26 Slika 4.11: Zatvorena NiCd akumulatorska baterija

27 Poređenje olovnih i Ni-Cd akumulatorskih baterija
Temperatura okoline: - optimalna temperatura okoline za rad baterije je od 150C do 250C - dužim radom na povišenoj temperaturi skraćuje se životni vek baterije - niske temperature usporavaju hemijske reakcije tako da privremeno smanjuju raspoloživi kapacitet akumulatorske baterije - NiCd baterije su otpornije na visoke temperature od olovnih baterija, na primer životni vek NiCd baterije skrati se pri temperaturi 320 C za približno 20%, a olovne baterije za približno 50% - NiCd baterija se neće uništiti pri znatno niskim temperaturama usled smrzavanja, pri niskim temperaturama iskoristivi kapacitet NiCd baterija je za 60% viši nego u slučaju olovnih baterija Broj ciklusa punjenja i pražnjenja: - olovne baterije mogu izdržati veliki broj kratkih ciklusa pražnjenja ali su osetljive na duboka pražnjenja - NiCd baterije mogu izdržati veliki broj ciklusa dubokog punjenja i pražnjenja, sa starenjem aktivnog materijala smanjuje se broj ciklusa - kako bi se povećale sposobnosti pri cikličnim opterećenjima Ni-Cd baterijama se u elektrolit KOH dodaju veće količine LiOH

28 Naponi punjenja i održavanja:
- prekoračenjem napona punjenja ili održavanja iznad vrednosti dovoljne za samopražnjenje akumulatorske baterije uzrokovaće pojavu prevelike struje punjenja, povećano isparavanje i pojavu gasova i korozije pozitivne elektrode - spajanje više članaka baterije na red često dovodi do toga da se pojedini članci baterije, usled rasipanja napona, pune i održavaju različitim naponima, rasipanje napona je najveće kod novih akumulatorskih baterija i postupno se smanjuje i stabilizuje u prvim mesecima eksploatacije - optimalan način punjenja Ni-Cd akumulatorskih baterija je punjenje konstantnom strujom Deformacija pozitivne elektrode usled korizije: - pojavom korozije kod olovnih baterija povećava se volumen pozitivne elektrode što dovodi do mehaničke deformacije ćelije baterije i do iznenadnog gubitka kapaciteta baterije - kod NiCd baterija ne dolazi do korozije i kvarenja mehaničke strukture, odnosno do iznenadnog gubitka kapaciteta

29 Karbonizacija: - javlja se samo kod NiCd baterija, može štetno uticati na životni vek i karakteristike prilikom jakih pražnjenja - karbonat nastaje kao rezultat oksidacije ugljenika koji se koristi kao provodni materijal na pozitivnoj elektrodi - taloženje prevelikih količina kalcijum karbonata oko polova može prouzrokovati kratak spoj. Memorijski efekat: - memorijski efekat se javlja kod NiCd baterija, ako je baterija izložena učestalim ciklusima kratkog punjenja-pražnjenja iste dubine dolazi do naglog gubitka napona, uzrok je kristalizacija površine negativne elektrode tokom kratkih ciklusa. - memorijski efekat se najčešće događa u baterijama malog kapaciteta i uglavnom ne predstavlja značajniji problem kod stacionarnih NiCd akumulatorskih baterija

30 Nove tehnologije akumulatorskih baterija
Akumulatorske baterije koje imaju kratku istoriju primene (poslednjih 20 godina) ili su tek u začetku razvoja Nikl-metal-hidridne (NiMH) akumulatorske baterije Razvile su se iz nikl-vodonikovih baterija, koje su se koristile u svemirskim istraživanjima Jedna elektroda je metal-hidrid, kao elektrolit se koristi se KOH Dobre osobine: velika specifična snaga, velika specifična energija, mogućnost velikog broja cikličnih pražnjenja, ne sadrže otrovne materijale kao NiCd baterije, zanematljiv memorijski efekat Nedostaci: visoka cena, izraženije samopražnjenje, mali napon otvorenog kola i kraći životni vek u odnosu na NiCd baterije

31 Litijumske akumulatorske baterije
Naučnici su dugo pokušavali da upotrebe litijum kao osnovu za izradu baterija: ovaj metal je vrlo lagan, ima visok elektrohemijski potencijal i omogućuje najveću specifičnu energiju baterije Osnovni je problem: litijumske baterije nakon više punjenja i pražnjenja postaju temperaturno nestabilne i sklone eksplozivnoj reakciji Primenom litijum-jonske (Li-ion) tehnologije eksplozivne sklonosti litijumskih baterija svedene na prihvatljiv nivo, današnje Li-jonske akumulatorske baterije su opremljene zaštitnom elektronikom Prednosti u odnosu na NiMH: lakše su i veće specifične energije, imaju tri puta veći napon otvorenog kola, nisu podložne memorijskom efektu, mogu podneti veliki broj cikličnih pražnjenja, imaju malo samopražnjenje Loše osobine: za pouzdan rad zahtevaju zaštitnu elektroniku, podložne su starenju čak i onda kada nisu u upotrebi, skupe su (cena skuplja od NiCd baterija), nisu pogodne za izuzetno brza pražnjenja i dopunjavanja

32 U novije vreme ubrzano se razvijaju litijum-polimer (Li-poly) i litijum-jon-polimer (Li-jon-poly) baterije koje su otklonile neke nedostatke Li-jonskih baterija ali im je u isto vreme redukovana specifična energija i još više povećana cena Međutim, razvoj baterija na bazi litijuma danas je intezivan i nije moguće sagledati koji su krajnji dometi njihove primene Sistem Li-jon akumulatorskih baterija je godine ugrađen u dvostruki sistem jednosmernog napajanja hidroelektrane u Švedskoj: - sistem se sastoji od 21.6 V, 35 Ah akumulatorskih baterija, proizvodnje ''SAFT'' (šest članaka od po 3.6 V povezanih na red) - 10 baterija je spojeno na red tako da je dobijen nazivni napon 216 V - 6 baterija je vezano u paralelu tako da se dobio kapacitet 6·35=210 Ah - u isti dvostruki jednosmerni sistem napajanja ugrađena je i olovna akumulatorska baterija kapaciteta 300 Ah - tokom prve godine eksplatacije sistema dogodilo se nekoliko manjih kvarova koji nisu izazvali nestanak baterijskog napona s obzirom na paralelno vezu 6 grana Neki od proizvođača koji proizvode litijum-jonske baterije za stacionarnu upotrebu: SAFT, Avestor, GAIA, itd

33 Održavanje stacionarnih olovnih akumulatorskih baterija u EES-u Srbije
Stacionarne akumulatorske baterije u EES-u Srbije se primenjuju kao osnovni elementi neprekidnog napajanja uređaja i opreme Baterije su priključene na sabirnice pomoćnog DC napona zajedno sa ispravljačima koji se napajaju iz mreže Dok je naizmenična električna mreža prisutna, baterije su u režimu stalnog dopunjavanja, a DC potrošače napajaju ispravljači U slučaju ispada AC napona mreže, napajanje DC potrošača se nastavlja energijom iz baterija bez prekida, baterija takođe preuzima napajanje i bitnih AC potrošača preko invertorskog postrojenja Kao stacionarne baterije u razvodnim postrojenjima prenosnog sistema EES-a Srbije koriste se klasične otvorene olovne baterije sa sumpornom kiselinom kao elektrolitom. Održavanja otvorenih olovnih baterija obuhvata - redovno održavanje, predstavlja jednomesečni pregled baterija u objektu i obavlja ga stalna posada na objektima EES-a - periodično održavanje, predstavlja reviziju baterija i obavlja ga posebna specijalizovana ekipa, izvršava se jednom godišnje

34 Redovno održavanje podrazumeva niz radnji koje se vrše u propisanim rokovima, a u cilju obezbeđivanja tehničke ispravnosti i pouzdanosti opreme U redovno održavanje baterija spada: - provera napona ćelije - provera gustine elektrolita - delimično pražnjenje - pregled akumulatorske baterije Periodično održavanja podrazumeva određene radnje na baterijama koje vrše ekipe obučene za ove poslove prema utvrđenom planu U periodično održavanje baterija spada: - dubinsko pražnjenje radi provere kapaciteta - provera veza između ćelija - pregled akumulatorske baterije kao i pri redovnom održavanju - punjenje nakon završenog dubokog pražnjenja

35 Slika 4.12: Akumulatorska baterija u TS 220/110/35 Požega

36 Tabela 4.1: Podaci merenja napona i gustine elektrolita na bateriji AB1 u tokom osmočasovnog pražnjenje Slika 4.13: Punjenje baterije maksimalnom strujom 20 A do napona 2.41 V/ćeliji

37 Autonomni PV sistemi sa akumulatorskim baterijama
Autonomni (samostalni) PV sistemi se koriste za napajanje udaljenih potrošača koji nisu priključeni na elektrodistributivnu mrežu PV sistemi priključeni na mrežu moraju da se takmiče sa mrežom koja obezbeđuje jeftinu energiju (10 centi/kWh), autonomni PV sistemi kao svoju konkurenciju imaju benzinske ili dizel agregate (sa cenom isporučene energije od 50 centi/kWh) Kod autonomnih PV sistema postoji potreba za akumulisanjem energije tokom perioda sa viškovima proizvodene energije da bi se koristila tokom perioda kada PV sistem ne može da podmiri potrošnju, u tu svrhu najčešće se koriste akumulatorske baterije Slika 4.14: Autonomni PV sistem

38 Slika 4.15: Efikasnost invertora
Invertor omogućava korišćenje standardnih aparata koji se nalaze u domaćinstvu, efikasnost invertora se definiše kao odnos izlazne AC snage i ulazne DC snage: Pošto fotonaponski panel ne radi sa konstantnom snagom definiše se Euro-efikasnost invertora da bi se izrazila efikasnost u toku celog dana: gde je ηi% efikasnost konverzije pri i% naznačene izlazne snage invertora Slika 4.15: Efikasnost invertora

39 Tabela 4.2: Preporučeni minimalni DC naponi sistema
DC napon sistema predstavlja napon PV panela, akumulatorskih baterija i ulazni DC napon invertora, obično iznosi 12 V, 24 V ili 48 V Viši DC napon sistema ima za posledicu manju struju, manje gubitke ali i više baterija u rednoj vezi DC napon sistema se bira tako da stacionarna struja ne prelazi 100A, odnosno na osnovu AC snage potrošača koji mogu da rade jednovremeno Tabela 4.2: Preporučeni minimalni DC naponi sistema Osim stacionarne struje, invertor treba da obezbedi i polazne struje motora kod električnih uređaja u domaćinstvu

40 Tabela 4.3: Stacionarne i impulsne struje potrošača u domaćinstvima

41 Tabela 4.4: Karakteristike različitih vrsta baterija
Osim skladištenja energije, akumulatorske baterije obezbeđuju i nekoliko drugih važnih funkcija za PV sisteme: - sposobnost da izdrže polazne struje motora, - mogućnost kontrolisanja izlaznog napona na stringu PV modula Kod PV sistema je pogodno koristiti dugotrajne baterije sa dubokim pražnjenjem (olovne baterije do 80% a Ni-Cd do 100% kapaciteta) i sa velikim brojem ciklusa punjenja i pražnjenja ( ) Tabela 4.4: Karakteristike različitih vrsta baterija

42 Olovne baterije sa dubokim pražnjenjem imaju deblje elektrode sa većim prostorom iznad i ispod elektroda i većih su dimenzija Da bi se omogućio proces dubokog pražnjenja, umesto kalcijumskog ojačanja PbO2 i Pb ploča na krajevima ćelija baterije, koristi se Pb Veća dubina pražnenja utiče na smanjenje broja cuklusa pražnjenja Slika 4.16: Uticaj dubine pražnjenja na broj ciklusa pražnjenja za tipičnu olovnu bateriju sa dubokim ciklusom pražnjenja

43 Sa pražnjenjem baterije napon ćelije se smanjuje, unutrašnji otpor raste a specifična težina elektrolita u bateriji opada Ispražnjena baterija podložnija je smrzavanju; npr. sasvim ispražnjena olovna baterija mrzne se na oko -8 oC, dok se puna ne mrzne dok temperatura elektrolita u njoj ne padne na -57 oC U uslovima velikih hladnoća, smrzavanje baterija ograničava maksimalnu dozvoljenu dubinu pražnjenja (MDOD), tako da se baterije moraju projektovati sa većim brojem Ah Slika 4.17: Najveća dozvoljena dubina pražnenja baterije da bi se izbeglo smrzavanje, uzima se u obzir preko faktora MDOD

44 Kapacitet akumulatorske baterije se izražava u Ah, pri specificiranom vremenu pražnjenja i pri naznačenom napon (npr. 200Ah pri 20h i 12V), 20h vreme pražnjenja je standardno vreme pražnjenja (C/20) Sa smanjenjem temperature ispod 25 0C smanjuje se kapacitet baterije: npr. pri -30 0C baterija sa stopom pražnjenja C/20 raspolagaće sa samo polovinom svog naznačenoga kapaciteta Slika 4.18: Zavisnost kapaciteta olovnih baterija od gradijenta pražnjenja i temperature, uzima se u obzir kao fakora (T,DT), referentna vrednost se ima za naznačeni kapacitet pri C/20 i 25 oC

45 Dimenzionisanje autonomnih PV sistema sa akumulatorskim baterijama
Analiza potrošnje - ekvivalentna dnevna DC potrošnja: - Minimalni DC napon sistema (na osnovu jednovremene AC snage potrošača): - ekvivalentna dnevna potrošnja izražena u Ah:

46 Tabela 4.5: Snage i potrošnje energije tipičnih potrošača u domaćinstvu
Uređaji Snaga (W) Časovi Wh/dan Frižider 300 3.8 1140 Sijalice(6x30W) 180 5 900 TV,19 in.(r.rež.) 68 3 204 TV,19in.(standby) 5,1 21 107 Antena (r.rež.) 17 51 Antena (standby) 16 336 Telefon 4 24 96 Mikrotalasna 1000 0.1 100 Mašina za veš 250 0.2 50 Mala ringla 1250 0.5 625 Velika ringla 2100 1050 Pegla 105 Bojler 2000 2 4000

47 - ugao deklinacije za n-ti dan u godini:
Određivanje broja sati zenita Sunca - srednja horizontalna insolacija: - indeks vedrosti (čistoće): - srednja horizontalna insolacija ekstraterestričkog zračenja L - latitutni ugao (geografska širina) - ugao deklinacije za n-ti dan u godini: - satni ugao izlaska Sunca:

48 - Liu-Jordan-ova formula:
- trenutna (desetominutna) vrednost faktora kosine, gde je θ incidentni ugao direktnog zračenja na panel i β altitudni ugao Sunca: - srednja dnevna (mesečna) vrednost faktor kosine, gde je Σ nagibni ugao kolektora: - satni ugao pri prvom obasjavanju kolektora: - srednja dnevna insolacija na površini PV modula:

49 Slika 4.19: Objašnjenje broja sati zenita Sunca u toku dana
- srednja dnevna insolacija na površini solarnog kolektora u kWh/m2 predstavlja broj sati zenita Sunca - srednja dnevna insolacija od 5.2 kWh/m2 može se smatrati da je postignuta pri iradijaciji od 1 kW/m2 (“jedno Sunce”) u toku 5.2 sata zenita Sunca Slika 4.19: Objašnjenje broja sati zenita Sunca u toku dana - faktor kapaciteta PV sistema:

50 srednje dnevne insolacije
Tabela 4.6: Očekivane vrednosti srednje dnevne insolacije po mesecima i u toku godine za Beograd 2009. godina 2013/2014. godina očekivana vrednost srednje dnevne insolacije nagibni ugao srednja dnevna insolacija januar 69 1,7272 64 1,6268 1,677 februar 63 3,1360 58 2,8012 2,969 mart 43 3,5315 42 3,6853 3,608 april 30 5,7756 27 3,4390 4,607 maj 15 6,1426 13 4,5139 5,328 jun 8 5,8003 5 5,3192 5,560 jul 12 6,8775 9 5,8872 6,382 avgust 23 5,6487 21 5,3628 5,506 septembar 39 4,7909 36 3,6679 4,229 oktobar 52 2,9511 55 3,6320 3,292 novembar 2,3901 62 2,0086 2,199 decembar 1,3229 67 1,8092 1,566 godišnje 32 4,0051 33 3,4871 3,746

51 Dimenzionisanje akumulatorskih baterija
- akumulatorske baterije moraju imati dovoljno energije da podmire potrebe potrošača u periodima sa više uzastopnih oblačnih dana - broj dana korišćenja energije koja je skladištena pri srednjoj dnevnoj insolaciji (sati zenita Sunca), za 95% i 99% dostupnost energije iz baterija u toku godine: Slika 4.20: Broj dana korišćenja skladištene energije u funkciji broja sati zenita Sunca

52 - nominalni kapacitet sistema akumulatorskih baterija (C/20,25oC)
- korisni amper-sati skladišteni u akumulatorskim baterijama: - nominalni kapacitet sistema akumulatorskih baterija (C/20,25oC) - ukupni kapacitet baterija: kapacitet koji uzima u obzir dozvoljenu dubina pražnjenja, uticaj temperature i stope pražnjenja Slika 4.21: Maksimalna dubina pražnjenja (MDOD) olovne baterije u zavisnosti od najniže temperature baterije Slika 4.22: Zavisnost dostupnog kapaciteta baterije od temperature i stope pražnjenja (T,DR) u odnosu na C/20 i 25ºC

53 Tabela 4.7: Olovne akumulatorske baterije sa dubokim pražnjenjem
- provera kapaciteta baterija da bi se izbeglo brzo pražnjenje (ne brže od C/5): na osnovu maksimalne (jednovremene) snage potrošnje i maksimalne stope pražnjenja C/5 (vreme pražnjenja 5h) određuje se minimalni kapacitet baterija: - izbor tipa baterija Tabela 4.7: Olovne akumulatorske baterije sa dubokim pražnjenjem - broj redno vezanih baterija u grani i broj grana sa baterijama

54 Dimenzionisanje PV panela
- može se usvojiti da je struja punjenja baterija jednaka nominalnoj struji PV modula (struji koja odgovara tački maksimalne snage na U-I karakteristici) - zbog mogućeg povećanja temperature, tačka maksimalne snage se približava karakteristici baterije Slika 4.23: Naponsko strujna karakteristika PV modula i akumulatorske baterije

55 - amper-sati iz jednog PV modula na osnovu srednje dnevne insolacije (broja sati zenita Sunca):
gde su: Im - nominalna struja PV modula (struja pri maksimalnoj snazi) - srednja dnevna insolacija na panel (broj sati zenita Sunca) η - koeficijent koji uvažava gubitke zbog zaprljanja i starenja modula - da bi pokrio gubitke pri skladištenju energije u baterijama, PV panel mora da obezbedi: - gde je ηC Kulonova efikasnost baterije, jednaka proizvodu efikasnosti punjenja ηc i efikasnosti pražnjenja baterije ηd: - broj redno vezanih modula u grani i broj paralelnih grana:

56 Snaga proizvodnje autonomnog PV sistema sa akumulatorskom baterijom
- DC snaga PV panela pri standardnim uslovima (IPV=1000 W/m2, Tcell=250C, m=1.5): gde su: PDC(STC)1 - naznačena snaga PV modula nM – broj PV modula u panelu, ako je panel kvadratnih dimenzija nM =nMs·nMp - snaga PV sistema sa akumulatorskom baterijom u realnim uslovima eksploatacije, pri iradijaciji na panel IPV≠1000W/m2: gde su: η - koeficijent koji uvažava gubitke zbog zaprljanja i starenja modula ηC - Kulonova efikasnost baterije ηV - naponska efikasnost baterije, jednaka odnosu napona pražnjenja i punjenja baterije ηV=Vd/Vc - koeficijenti efikasnosti usled uticaja temperature i neuparenosti modula kod autonomnih PV sistema se zanemaruju iz razloga što je radna tačka dovoljno daleko od kolena U-I karakteristike

57 Blokirajuće diode - za napajanje malih DC potrošača koriste se jednostavni autonomni sistemi koji se sastoji od PV modula i baterije (bez regulatora punjenja baterija i invertora) - kod ovakvih sistema tokom noći postoji opasnost od povratnog napajanja PV modula iz baterija, zbog toga su neophodne blokirajuće diode između PV modula i AKU-baterija - gubici na diodama ne utiču osetno na struju punjenja baterija iz PV panela u toku dana zbog pomeranje U-I karakteristike baterija ka tački maksimalne snage na U-I karakteristici PV panela Slika 4.24: Jednostavan autonomni PV sistem bez blokirajućih dioda (a) i sa blokirajućom diodom (b)

58 Slika 4.25: Snaga proizvodnje samostalnog PV sistema (Pn=4080 W), snaga potrošnje stambenog objekta (PAC=750 W, WDC tot=4880 Wh) i promena stanja napunjenosti baterije ((Ah)stor=5240 Ah), u toku decembra

59 Hibridni PV sistemi sa dizel i benzinskim agregatima
- samostalni PV sistem se projektuje za mesec sa najmanjom insolacijom (decembar) , ali je predimenzionisan u ostatku godine - kod hibridnog PV sistema sa dizel agregatom potrošnju u periodima sa smanjenom insolacijom pokriva dizel agregat (manji broj PV modula i baterija) - u ovakvom sistemu je pogodno koristiti višenamenski invertor-punjač (za konverziju DC snage iz baterije u AC snagu potrošnje i za konverziju AC snage iz generatora u DC snagu za punjenje baterija) - generator moze da se dimenzioniše samo za punjenje baterija ili za istovremeno punjenje baterija i podmirivanje potrošnje Slika 4.26: Hibridni PV sistem sa dizel agregatom

60 des.mon.fr=0.625·ann.sol.fr za ann.sol.fr ≤0.8
- korišćenjem hibridnog sistema značajno se smanjuje učešće PV panela u proizvodnji u kritičnom mesecu ali PV panel još uvek značajno učestvuje u proizvodnji na godišnjem nivou - potrebno učesće u toku meseca u funkciji godišnjeg učešća u proizvodnji hibridnog sistema: des.mon.fr=0.625·ann.sol.fr za ann.sol.fr ≤0.8 des.mon.fr=0.5+28·(ann.sol.fr -0.8) za ann.sol.fr >0.8 Slika 4.27: Godišnje učeće PV panela u proizvodnji hibridnog sistema u funkciji učešća PV panela u proizvodnji u najkritičnijem (projektovanom) mesecu

61 Tabela 4.8: Karakteristike generatora za hibridne sisteme
- u hibridnom sistemu broj baterija može da bude manji, s obzirom da generator može da dopunjava baterije i tokom dužih perioda lošeg vremena - postoji ograničenje u pogledu brzine pražnjenja baterija, ne sme brže od C/5 - često se preporučuje sistem baterija sa trodnevnim skladištenjem energije da bi se izbeglo previše brzo pražnjenje baterija - generatori predstavljaju prilično skupe uređaje, zahtevaju periodičnu zamenu ulja, podešavanja, periodične preglede i generalne remonte Tabela 4.8: Karakteristike generatora za hibridne sisteme

62 gde je ηC Kulonova efikasnost baterije.
- broj redno vezanih modula u grani i broj grana sa modulima: gde je ηC Kulonova efikasnost baterije. - generator treba da dopuni baterije u vremenu ΔTc (ali ne brže od C/5), tako je njegova snaga: gde je ηc efikasnost punjenja baterija, može se usvojiti ηc = 0.9 - proizvodnja generatora na godišnjem nivou je:

63 Slika 4.28: Snaga proizvodnje samostalnog PV sistema (Pn=2040 W), snaga potrošnje stambenog objekta (PAC=750 W, WDC tot=4880 Wh), snaga proizvodnje dizel agregata (Pn=4000 W) i promena stanja napunjenosti baterije ((Ah)stor=1220 Ah), u toku decembra

64 Vetroagregati sa skladištenjem energije
- snaga vetra koji struji brzinom v kroz površinu A koju pri rotaciji prebrišu lopatice vetroturbine prečnika D: - snaga vetra je funcija gustine vazduha ρ koja zavisi od temperature i pritiska vazduha: gde su ρ0=1.225 kg/m3 gustina vazduha pri 150C i nadmorskoj visini H=0 m (1 bar) KT korekcioni faktor koji uvažava promenu temperature ambijenta Ta u odnosu na referentnu temperaturu od 150C KA korekcioni faktor koji uvažava promenu pritiska p sa nadmorskom visinom H

65 - logaritamski zakon promene brzine vetra sa visinom:
gde je v0 brzina vetra na visini H0, a parametar z predstavlja dužinu hrapavosti - stepeni zakon promene brzine vetra sa visinom: gde parametar α predstavlja koeficijent trenja - srednja brzina vetra i srednja gustina snage vetra:

66 Slika 4.28: Diskretizovani histogram brzina vetra na visini od 10 m sa trajanjem izraženim u relativnim jedinicama - Weibull-ova funkcija gustine raspodele verovatnoće i srednja brzina vetra i srednja gustina snage vetra :

67 - snaga koju uzima vetroturbina:
- Rayleight-a raspodela verovatnoće brzine i srednja snaga brzine vetra: - snaga koju uzima vetroturbina: gde je CP koeficijent snage vetroturbine, CP<59.3% - električna snaga vetroagregata gde su: ηr – koeficijent iskorišćenja reduktora ηg – koeficijent iskorišćenja vetrogeneratora ηc – koeficijent iskorišćenja konvertora ηt – koeficijent iskorišćenja blok transformatora αsp – sopstvena potrošnja vetroagregata - koeficijent efikasnosti vetrogeneratora do 30%

68 - izlazna karakteristika snage vetrogeneratora
Slika 4.29: Karakteristika snage vetroagregata sa fiksnom brzinom obrtanja i pasivnom (stall) kontrolom vetroturbine

69 Vetroagregat priključen na EES: sistem za skladištenje električne energije omogućava se proizvedena energija odloži za ekonomski najisplativiji trenutak Slika 4.30: Dnevni dijagram proizvodnje vetroelektrane za prosečan dan u godini Slika 4.31: Satne cene električne energije na evropskoj berzi električne energije (EEX)

70 Vetroagregat za napajanje izolovanog potrošača: broj dana korišćenja energije koja je skladištena u baterijama je jednak maksimalnom broju uzastopnih dana bez vetra u toku godine Kao kriterijum da je dan bez vetra može se usvojiti da srednja dnevna gustina snage vetra iznosi 10% srednje godišnje gustine snage vetra : Ako su poznate satne vrednosti brzine vetra vi : Ako su poznate desetominutne vrednosti brzine vetra vi: Na osnovu izmerenih vrednosti brzine vetra za godinu, srednja godišnja gustina snage vetra na visini od 10 m iznosi =75.9 W/m2, a maksimalni broj uzastopnih dana bez vetra u toku godine se postiže u junu i iznosi 6, za širi region Beograda

71 Slika 4.32: Srednje dnevne gustine snage vetra u kritičnom mesecu (jun godine) na visini H=10 m

72 - nominalni kapacitet sistema akumulatorskih baterija (C/20,25oC)
- ekvivalentna DC potrošnja: - ekvivalentna DC potrošnja izražena u Ah: - nominalni kapacitet sistema akumulatorskih baterija (C/20,25oC) - potreban kapacitet koji uzima u obzir dozvoljenu dubina pražnjenja (MDOD), uticaj temperature i stope pražnjenja (T,DR): - broj redno vezanih baterija u grani i broj grana sa baterijama - energija koju treba da obezbedi vetroagregat u periodu od nstor dana: