Сравнение аккумуляторных батарей различного типа

Page 1
background image

Page 2
background image

78

СЕТИ

РОССИИ

ВВЕДЕНИЕ

В

 

статье

 

проведено

 

сравне

-

ние

 

технических

 

и

 

экономических

 

характеристик

 

конкретных

 

типов

 

аккумуляторных

 

батарей

  (

АБ

), 

при

-

меняемых

 

в

 

составе

 

сетевых

 

на

-

копителей

 

энергии

  (

СНЭ

). 

Описаны

 

наиболее

 

подходящие

 

для

 

этой

 

цели

 

и

 

присутствующие

 

в

 

настоящий

 

мо

-

мент

 

на

 

отечественном

 

рынке

 

типы

 

стационарных

 

АБ

 

промышленного

 

назначения

свинцово

-

кислотные

литий

-

ионные

 

и

 

никель

-

солевые

АБ

 

указанных

 

типов

 

отличаются

 

друг

 

от

 

друга

 

по

 

количеству

 

циклов

 

заряда

/

разряда

коэффициенту

 

полезного

 

действия

сроку

 

службы

энергоём

-

кости

энергоплотности

конструк

-

тивному

 

исполнению

диапазону

 

эксплуатационных

 

температур

эко

-

логичности

удельной

 

стоимости

 

и

 

другим

 

характеристикам

.

СВИНЦОВО

-

КИСЛОТНЫЕ

 

АБ

Данный

 

тип

 

АБ

 

является

 

самым

 

распространённым

 

ввиду

 

своей

 

де

-

шевизны

отработанной

 

технологии

 

производства

 

и

 

большому

 

опыту

 

эксплуатации

.

Отрицательным

 

свойством

 

свин

-

цово

-

кислотных

 

батарей

 

является

 

относительно

 

малый

 

ресурс

 

по

 

ко

-

личеству

 

циклов

 

заряда

-

разряда

 — 

1000—1200 

циклов

 

при

 

глубине

 

разряда

 80%. 

За

 

сутки

 

АБ

 

в

 

накопи

-

теле

 

в

 

среднем

 

проходит

 

через

 

один

 

цикл

 

заряда

/

разряда

следователь

-

но

ресурс

 

по

 

количеству

 

циклов

 

является

 

определяющим

 

фактором

влияющим

 

на

 

срок

 

службы

 

батареи

который

 

составляет

 

для

 

свинцово

-

кислотных

 

АБ

 

примерно

 3—5 

лет

.

Конструкция

 

данного

 

типа

 

АБ

 

оп

-

тимизирована

 

для

 

работы

 

в

 

поме

-

щениях

 

с

 

температурой

 20

о

С

Увели

-

чение

 

температуры

 

на

 

каждые

 10

о

С

 

приводит

 

к

 

сокращению

 

срока

 

служ

-

бы

 

в

 2 

раза

При

 

температурах

 

мень

-

ше

 20

о

С

 

срок

 

службы

 

аккумуляторов

 

не

 

увеличивается

но

 

и

 

не

 

уменьша

-

ется

если

 

аккумуляторы

 

не

 

подвер

-

гаются

 

интенсивным

 

разрядам

.

Ввиду

 

большой

 

чувствительно

-

сти

 

свинцово

-

кислотных

 

АБ

 

к

 

глу

-

бине

 

разряда

малому

 

ресурсу

 

по

 

количеству

 

циклов

 

и

 

большому

 

вре

-

мени

 

заряда

 (

зарядный

 

ток

 — 0,1

С

для

 

увеличения

 

срока

 

службы

 

АБ

 

не

 

допускается

 

глубокий

 

разряд

вслед

-

ствие

 

чего

 

заявленная

 

ёмкость

 

ба

-

тареи

 

используется

 

не

 

полностью

что

 

снижает

 

экономический

 

эффект

 

от

 

использования

 

СНЭ

.

Аккумуляторы

 

данного

 

типа

 

по

-

ставляются

 

без

 

встроенного

 

заряд

-

ного

 

устройства

 

и

 

системы

 

контроля

 

состояния

 

и

 

управления

В

 

отличие

 

от

 

других

 

типов

 

АБ

свинцово

-

кис

-

лотная

 

батарея

 

обычно

 

использу

-

ется

когда

 

требования

 

к

 

весу

 

не

 

критические

а

 

стоимость

 

батареи

 

должна

 

быть

 

минимальной

.

о

б

о

р

у

д

о

в

а

н

и

е

оборудование

Сравнение 

аккумуляторных 

батарей различного 

типа для применения 

в сетевых 

накопителях энергии

Илья ТИМОНИН, главный специалист

 отдела региональных консультантов ОАО «ВНИИР»


Page 3
background image

79

 2 (23), 

март

апрель

, 2014

ЛИТИЙ

-

ИОННЫЕ

 

АБ

Для

 

данного

 

типа

 

аккумулято

-

ров

 

характерны

 

высокая

 

энерго

-

ёмкость

глубокие

 

циклы

 

заряда

/

разряда

 (70—80%), 

отсутствие

 

эффекта

 

памяти

В

 

то

 

же

 

время

 

ресурс

 

и

 

стоимость

 

таких

 

аккуму

-

ляторов

 

зависят

 

от

 

типа

 

электро

-

химических

 

систем

применяемых

 

на

 

катоде

 

и

 

аноде

а

 

также

 

от

 

тем

-

пературы

 

и

 

режимов

 

эксплуата

-

ции

Несмотря

 

на

 

высокие

 

удель

-

ные

 

характеристики

до

 

середины

 

2000-

х

 

годов

 

литий

-

ионные

 

акку

-

муляторы

 

применялись

 

в

 

основ

-

ном

 

в

 

портативных

 

электронных

 

устройствах

.

Главные

 

преимущества

 

литие

-

во

-

ионного

 

типа

 

аккумуляторов

 — 

высокая

 

удельная

 

ёмкость

относи

-

тельно

 

большое

 

количество

 

циклов

 

заряда

/

разряда

 

и

 

относительно

 

низкий

 

саморазряд

Основными

 

их

 

недостатками

 

являются

 

высокая

 

стоимость

 

и

 

малый

 

диапазон

 

рабо

-

чих

 

температур

Минусы

 

литий

-

ионных

 

батарей

 

при

 

применении

 

их

 

в

 

накопителях

 

энергии

 

заключаются

 

в

 

необходи

-

мости

 

сложной

 

системы

 

контроля

 

заряда

 

и

 

напряжения

 

на

 

каждом

 

аккумуляторе

 

в

 

батарее

а

 

также

 

невозможности

 

подключения

 

бо

-

лее

 

четырёх

 

линеек

 

аккумулято

-

ров

 

в

 

параллель

что

 

ограничива

-

ет

 

максимальную

 

мощность

 

СНЭ

Ограничение

 

на

 

толщину

 

электро

-

дов

 

усложняет

 

дизайн

 

и

 

конструк

-

цию

 

банок

 

батареи

 [1]. 

Недостат

-

ком

 

данного

 

типа

 

АБ

 

является

 

отсутствие

 

на

 

данный

 

момент

 

на

 

отечественном

 

рынке

 

батарей

 

горизонтального

 

конструктивно

-

го

 

исполнения

которое

 

является

 

более

 

удобным

 

при

 

установке

 

ак

-

кумуляторов

 

в

 

грузовых

 

контейне

-

рах

.

НИКЕЛЬ

-

СОЛЕВЫЕ

 

АБ

Никель

-

солевые

 

АБ

 

стали

 

доступ

-

ны

 

для

 

коммерческого

 

применения

 

с

 1995 

г

. [2], 

эти

 

батареи

 

имеют

 

вы

-

сокие

 

показатели

 

удельной

 

энерго

-

ёмкости

цикличности

 

и

 

стойкости

 

к

 

высоким

 

и

 

низким

 

температурам

 

(

от

 -40°

С

 

до

 +60°

С

). 

Производятся

 

из

 

обыкновенной

 

поваренной

 

соли

керамики

 

и

 

никеля

Данные

 

батареи

 

герметичные

 

и

 

относительно

 

ком

-

пактные

 

в

 

сравнении

 

с

 

традицион

-

ными

 

свинцовыми

 

аккумуляторами

.

Расчётный

 

ресурс

 

службы

 

дан

-

ного

 

типа

 

АБ

 — 

около

 4500 

циклов

 

(

около

 2500 

циклов

 

до

 

снижения

 

емкости

 

до

 80%). 

Снижение

 

ёмко

-

сти

 

имеет

 

прямолинейную

 

нисходя

-

щую

 

характеристику

 (

то

 

есть

 

они

 

не

 

подвержены

 

внезапному

 

падению

 

ёмкости

как

например

свинцо

-

во

-

кислотные

 

батареи

). 

Данные

 

ба

-

тареи

 

имеют

 

высокие

 

показатели

 

удельной

 

энергоёмкости

 

и

 

энерго

-

плотности

.

Этот

 

тип

 

батарей

 

имеет

 

встро

-

енную

 

систему

 

контроля

 

состояния

 

и

 

управления

содержащую

 

внутри

 

себя

 

зарядное

 

устройство

что

 

упро

-

щает

 

процесс

 

проектирования

 

и

 

на

-

ладки

 

СНЭ

.

К

 

отрицательным

 

характеристи

-

кам

 

никель

-

солевых

 

батарей

 

стоит

 

отнести

 

функционирование

 

только

 

при

 

высокой

 

температуре

 

электро

-

лита

Как

 

следствие

температура

 

на

 

поверхности

 

корпуса

 

батареи

 

выше

 

температуры

 

окружающей

 

среды

большой

 

объём

 

батареи

 

за

-

нимает

 

теплоизоляция

Для

 

запуска

 

батареи

 

с

 

холодным

 

электролитом

 

необходимо

 

разогреть

 

электролит

 

до

 

рабочей

 

температуры

 — 

около

 

300

о

С

Время

 

разогрева

 

может

 

со

-

ставлять

 

сутки

Вследствие

 

глубокой

 

просадки

 

напряжения

 

при

 

разряде

в

 

СНЭ

 

с

 

никель

-

солевой

 

АБ

 

может

 

быть

 

не

-

обходим

 

двухступенчатый

 

преобра

-

зователь

что

 

снижает

 

общий

 

КПД

 

накопителя

однако

 

данный

 

недо

-

статок

 

может

 

быть

 

преодолён

 

при

 

использовании

 

АБ

 

напряжением

 

400 

В

 

и

 

выше

.

Батареи

 

этого

 

типа

 

не

 

стареют

 

и

 

не

 

утрачивают

 

своих

 

характери

-

стик

 

даже

 

после

 10 

лет

 

складского

 

хранения

Никель

-

солевые

 

батареи

 

экологичны

у

 

них

 

отсутствует

 

газо

-

выделение

 

в

 

окружающую

 

среду

Изготавливаются

 

без

 

использования

 

высокотоксичных

 

материалов

таких

 

как

 

свинец

кадмий

На

 70% 

легче

 

и

 

на

 30% 

компактнее

 

свинцово

-

кис

-

лотных

 

батарей

Пригодны

 

к

 

утилиза

-

ции

так

 

как

 

состоят

 

из

 

стали

никеля

железа

соли

 

и

 

керамики

.

В

 

таблице

 

сведены

 

технические

 

и

 

экономические

 

характеристики

 

реально

 

существующих

 

аккумуля

-

торных

 

батарей

 

рассмотренных

 

в

 

статье

 

типов

.

ВЫВОДЫ

Для

 

выбора

 

типа

 

АБ

 

в

 

СНЭ

 

не

-

обходимо

 

произвести

 

сравнение

 

различных

 

типов

 

батарей

 

по

 

множе

-

ству

 

неравнозначных

 

технических

 

и

 

экономических

 

параметров

Выбор

 

того

 

или

 

иного

 

типа

 

батареи

 

зависит

 

также

 

от

 

предназначения

 

и

 

характе

-

ристик

 

проектируемого

 

СНЭ

номи

-

нальной

 

мощности

ёмкости

режи

-

ма

 

работы

климатической

 

зоны

 

и

 

др

На

 

данный

 

момент

 

наилучшим

 

набором

 

характеристик

 

для

 

исполь

-

зования

 

в

 

СНЭ

 

обладают

 

никель

-

солевые

 

аккумуляторные

 

батареи

Батареи

 

этого

 

типа

 

обладают

 

высо

-

кими

 

удельными

 

энергетическими

 

показателями

имеют

 

высокий

 

ре

-

сурс

 

по

 

количеству

 

циклов

 

заряда

/

разряда

высокий

 

срок

 

службы

широкий

 

диапазон

 

рабочих

 

темпе

-

ратур

 

и

 

являются

 

экологически

 

без

-

опасными

 

ЛИТЕРАТУРА

1.  K.C.Divya, J. Ostergaard, Battery 

energy storage technology for 
power systems — A overview, Elec-
tric Power Systems Research. — 
Elsevier, 2009, Volume 79 (4). — 
pp. 511—520.

2. International 

Electrotechnical 

Commission: Electrical Energy 
Storage. White Paper — 2011. — 
92 p.

Внешний

 

вид

 

свинцово

-

кислотной

литий

-

ионной

 

и

 

никель

-

солевой

 

АБ

 (

слева

 

направо

масштаб

 

разный

)


Page 4
background image

80

СЕТИ РОССИИ

Характерис

тика

Свинцово

-

кисло

тные

Литий

-

ионные

Ник

ель

-

солевые

М

ак

симальный

 

то

к

 

заряда

/

разряда

До

 0,3

С

 (

рек

омендовано

 0,

1

С

)/ 

(

рек

омендовано

 

до

 0,3

С

до

 3 

с

До

 3

С

 (

рек

омендовано

 

до

 0,5

С

) / 

до

 3

С

Ок

оло

 0,

1

С

 (

регу

лир

ует

ся

 

сист

емой

 

управления

 

авт

ома

тически

)/

до

 0,8

С

Ко

личес

тво

 

циклов

 

и

 

глубина

 

разряда

1200 

при

 80%

1

400 

при

 60%

Более

 3000

Более

 4500 

при

 1

00%

Срок

 

службы

лет

 

3—5 8—1

12—1

Коэффициент

 

полезного

 

дейс

твия

, %

75—90

85—98

85—-90

Саморазряд

2—3% 

в

 

месяц

3% 

в

 

месяц

От

су

тству

ет

Чувс

твительнос

ть

 

к

 

глубок

ому

 

разряду

Высокая

Средняя

Не

 

чувствит

ельна

Энергоёмк

ос

ть

Вт

·

ч

/

кг

До

 35 

90 

1

00 

Энергопло

тнос

ть

Вт

·

ч

/

л

70—1

00 120 

120 

Уд

ельная

 

ст

оимос

ть

долл

./ 

кВ

т

·

ч

200—400 1

500 

1

300 

Конс

тр

уктивное

 

исполнение

Горизонтальное

 

и

 

вер

тикальное

 

Вер

тикальное

Горизонтальное

Эк

сплу

ат

ационная

/

рек

омендованная

 

температ

ура

От

 -20°

С

 

до

 +40°

С

/

от

 +1

5° 

до

 +25°

С

От

 -25°

С

 

до

 +50°

С

/

от

 +0° 

до

 +25°

С

 (

зар

яд

 

возмо

жен

 

от

 +0° 

до

 +50)°

от

 -40°

С

 

до

 +60°

С

Срок

 

складск

ого

 

хранения

До

 5 

лет

, 6 

мес

без

 

подзар

яда

то

льк

о

 

в

 

зар

яж

енном

 

сост

оянии

До

 5 

лет

 , 6 

мес

без

 

подзар

яда

то

льк

о

 

в

 

зар

яж

енном

 

сост

оянии

Не

 

ограничен

при

 

любом

 

уровне

 

зар

яда

Влияние

 

низких

 

температ

ур

 

эк

сплу

ат

ации

 

на

 

характерис

тики

 

бат

ареи

Падает

 

ёмк

ость

ба

тарею

 

рек

оменду

ет

ся

 

использова

ть

 

то

льк

о

 

в

 

ре

жиме

 

разр

яда

.

Возмо

жен

 

глубокий

 

саморазр

яд

.

Зна

чит

ельно

 

падает

 

ёмк

ость

.

Возмо

жен

 

то

льк

о

 

разр

яд

Зар

яд

 

невозмо

жен

Незна

чит

ельно

 

повышает

ся

 

вну

треннее

 

по

требление

 

электричества

При

 T< -40°

С

 

Возмо

жны

 

проблемы

 

с

 

электроник

ой

 

сист

емы

 

управления

 

ба

тареей

Влияние

 

высоких

 

температ

ур

 

эк

сплу

ат

ации

 

на

 

характерис

тики

 

бат

ареи

Зна

чит

ельно

 

сокращает

ся

 

срок

 

служ

бы

 

ба

тареи

При

 T > +40°

С

 

мо

жет

 

остановить

ся

 

электро

химическая

 

реакция

Сокращает

ся

 

срок

 

служ

бы

При

 T > +50°

С

 

возмо

жен

 

вых

од

 

ба

тареи

 

из

 

строя

Не

 

наблюдает

ся

более

 

то

го

снижает

ся

 

вну

треннее

 

по

требление

 

электричества

Контроль

 

сос

тояния

 

и

 

управление

 

бат

ареей

Нет

 

встроенной

 

сист

емы

 

управления

Нет

 

встроенной

 

сист

емы

 

управления

Встроенная

 

сист

ема

 

управления

Экологичнос

ть

взрывобезопаснос

ть

Выделение

 

газов

 

и

 

опасных

 

вещес

тв

 

в

 

окр

ужающую

 

среду

Выделяю

тся

 

пары

 

электролита

 

и

 

кислород

/

водород

От

су

тству

ет

От

су

тству

ет

Требования

 

к

 

вентиляции

 

и

 

кондиционированию

 

в

 

помещении

 

АБ

Вентиляция

 

и

 

кондиционирование

 

для

 

поддер

жания

 

темпера

туры

удаления

 

выделяемых

 

газов

Кондиционирование

 

для

 

поддер

жания

 

оптимальной

 

темпера

туры

Ест

ественная

 

вентиляция

Риск

 

вну

треннего

 

коро

тк

ого

 

замыкания

Из

-

за

 

образования

 

нарост

ов

 

на

 

пластинах

 

со

 

временем

 

увеличивает

ся

 

риск

 

вну

треннег

о

 

коро

тк

ог

о

 

замыкания

Есть

 

вероятность

 

вну

треннег

о

 

коро

тк

ог

о

 

замыкания

особенно

 

при

 

ме

ханических

 

повре

ждениях

 

и

 

перезар

яде

чт

о

 

мо

жет

 

повле

чь

 

за

 

собой

 

взрыв

Маловероятно

 

даж

е

 

при

 

ме

ханических

 

повре

ждениях

.

При

 

вых

оде

 

из

 

строя

 

одног

о

 

или

 

неск

ольких

 

элемент

ов

 

ба

таре

я

 

остаёт

ся

 

в

 

рабо

те

Содержание

 

вредных

 

вещес

тв

Свинец

серная

 

кисло

та

Не

 

содер

жит

Не

 

содер

жит

Таблица

Сравнение

 

характ

еристик

 

аккуму

лят

орных

 

ба

тарей

 

различног

о

 

типа


Читать онлайн

В статье проведено сравнение технических и экономических характеристик конкретных типов аккумуляторных батарей (АБ), применяемых в составе сетевых накопителей энергии (СНЭ). Описаны наиболее подходящие для этой цели и присутствующие в настоящий момент на отечественном рынке типы стационарных АБ промышленного назначения: свинцово-кислотные, литий-ионные и никель-солевые. АБ указанных типов отличаются друг от друга по количеству циклов заряда/разряда, коэффициенту полезного действия, сроку службы, энергоёмкости, энергоплотности, конструктивному исполнению, диапазону эксплуатационных температур, экологичности, удельной стоимости и другим характеристикам.

Поделиться: