ELEKTROHEMIJSKI SISTEMI ZA SKLADITENJE ENERGIJE- AKUMULATORSKE BATERIJE -

UvodElektrohemijski sistemi za skladitenje energije (Electrochemical Energy Storage) se dele u tri grupe:- primarne baterije- sekundarne baterije- gorivne elijeZajednika karakteristika ovih ureaja: skladitenu hemijsku energiju pretvaraju u elektrinuPrimarne i sekundarne baterije koriste ugraene hemijske komponente, gorivne elije koriste hemijsku energiju isporuenu spolja u vidu sintetikih goriva (vodonik, metanol, hidrazin N2H4)Za razliku od sekundarne baterija, primarne baterije ne mogu da se pune, zbog toga se termin akumulatorske baterije odnosi na sekundarne baterijeEfikasnost elektrohemijskih sistema za skladitenje energije nije ograniena Karnoovim ciklusom, kao u sluaju termikog skladitenja energije

Akumulatorske baterijeNajstariji ureaji za hemijsko skladitenje energije, prvu olovnu akumulatorsku bateriju je izumeo Plante 1859. godinePrimena akumulatorskih baterija poinje poetkom prolog veka u lokalnim DC EES-ima: - dizel agregati se koriste za generisanje elektrine energije danju, a nou se koriste akumulatorske baterije koje su napunjene tokom dana - za napajanje elektrinih ulinih vozila DC strujom u vreme saobraajnog pica Sa razvojem velikih AC EES-a sa centralizovanom proizvodnjom podruje primene baterija je svedeno na sisteme za rezervno napajanjeTipovi akumulatorskih baterija:- olovne (Pb) akumulatorske baterije- nikl-kadmijumske (Ni-Cd) akumulatorske baterije- nove tehnologije akumulatorskih baterija: nikl-metal-hidridne (NiMH), nikl-cink (Ni-Zn), bakar-cink (Cu-Zn), litijum-jonske (Li-ion), natrijum-sulfid (NaS), vanadijum redoks (VRB) baterije

Olovna akumulatorska baterija se sastoji niza elija iji su osnovni elementi:- pozitivna elektroda (olovo peroksid, PbO2)- negativna elektroda (olovo, Pb)- elektrolit (sumporna kiselina H2SO4 razreena destilovanom vodom H2O)Princip rada olovne akumulatorske baterijeSlika 4.1: Princip rada olovne akumulatorske baterije

Negativna elektroda (Pb) se naziva oksidacionom elektrodom, ona alje pozitivne jone u rastvor tako da ostaje negativno naelektrisana i predstavlja izvor elektrona za spoljanje koloPozitivna elektroda (PbO2) troi elektrone iz spoljanjeg kola i pozitivne jone iz unutranje kola (e- ne prolaze kroz elektrolit ve kroz potroa)Elektromotorna sila VB baterije je razlika potencijala elektrodaNapon V na prikljucima baterije pri pranjenju je jednak razlici emc baterije VB i pada napona na unutranjem otporu baterije: V=VB-RiIPri punjenju baterije je V>VB , odnosno V=VB+RISlika 4.2: Tevenenov ekvivalent akumulatorske baterije

Elektrohemijske reakcijeHemijske reakcije pri pranjenu baterije:- na negativnoj elektrodi:- na pozitivnoj elektrodi:- ukupna reakcija pri pranjenju baterije:Ukupna reakcija pri punjenju baterije

Kada se elija prazni, molekuli H2SO4 u elektrolitu se dele na pozitivne H+ i negativne HSO4- jone: - pozitivni H+ joni kombinuju sa kiseonikom nastalom na pozitivnoj ploi i proizvode vodu koja razblauje kiselinu u elektrolitu. - negativni HSO4- joni kombinuju sa olovom obe ploe, i formira se olovo sulfat Pri pranjenju baterije izvlai se kiselina iz elektrolita i proizvode se olovo sulfat i voda, to je proces pranjenja dui to je gustina elektrolita manja zbog manje koncetracije kiseline i vee koncetracije vodeKada se elija puni reakcije su obrnute: olovo sulfat sa pozitivne i negativne ploe se konvertuje u olovo peroksid i olovo, a kiselina iz sulfatiranog aktivnog materijala se vraa u elektrolit i poveava njegovu gustinuU potpuno napunjenoj bateriji, aktivni materijal pozitivne ploe 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 elije oslobaaju u vidu gasa (gasiranje)Jedan deo sulfata ipak ostaje na elektrodama pri svakom ciklusu punjenja i pranjenja, to predstavlja glavni uzrok starenje baterija, zato ih treba odravati to punijim

Napon elijeOd svih komercionalnih tipova elija, elija olovnog akumulatora sa sumpornom kiselinom ima najvii napon, nominalne vrednosti 2 VNapon otvornog kola elije je funkcija specifine teine elektolita:gde SG predstavlja specifinu teinu elektrolita u odnosu na vodu, na primer za SG=1.21 dobija se VB=2.05 VPri pranjenju elije, postoji pad napona zbog unutranjeg otpora elije (koji je vei ako je vea struja pranjenja), takoe, zbog pranjenja, napon postepeno postaje manji jer pranjenje elije napreduje tj. elija se pribliava iscrpljenosti Napon pri pranjenju zavisi od stope pranjenja, a napon pri punjenu od stope punjenjaSa najee korienim stopama punjenja, napon e porasti za nekoliko minuta do 2.10 V ili 2.15 V, zatim postepeno raste da bi pri kraju procesa punjenja ponovo bio otriji porast do vrednosti 2.6 V kada je elija potpuno napunjena (zbog oslobaanja H2 i O2)Minimizacija gasiranja i gubitaka pri punjenju se vri pomou regulatora koji usporava punjenje blizu stanja potpune napunjenosti

Elektromotorna sila VB baterije (napon otvorenog kola) i unutranji otpor Ri zavise od stanja napunjenosti baterije i temperatureSlika 4.3: Napon baterije u funkciji napunjenosti baterije

Karakteristika pranjenjaBaterija moe da se isprazni bez tete po bilo kojoj stopi pranjenja, ali pranjenje ne bi trebalo da bude nastavljeno ispod take gde se elija pribliava iscrpljenosti ili gde napon padne ispod upotrebne vrednosti Slika 4.4: Efekat praenja akumulatorske baterije pri razliitim stopama pranjenja

Karakteristika punjenjaOlovne akumulatorske baterije se mogu puniti razliitim jainama struje pri emu napon po eliji ne sme da bude vei od 2.4 V, jer iznad tog napona dolazi do elektrolize vode (do poetka gasiranje). Kod olovnih akumulatora problem gasiranje i mogueg oteenja baterije reen upotrebom sigurnosnog ventilaOlovne akumulatorske baterije se obino pune naponom od oko 2.25 V po eliji, a ako se eli ubrzano punjenje upotrebljava se napon od oko 2.4 V po eliji nekoliko sati, a zatim se odrava napon punjenja od 2.25 V

Slika 4.5: Punjenje baterije konstantnim naponom i strujno zavisnim naponom

Specifina teinaSpecifina teina elektrolita zavisi od stvarne koliine sumporne kiseline u elektrolitu i pokazatelj je stanja napunjenosti baterijeSa isparavanjem vode specifina teina se poveavaZa datu primenu, specifina teina mora da ima dovoljno veliku vrednost da bi se odvijale hemijske reakcije u eliji, meutim prevelika vrednost moe imati direktan hemijski efekat na pojedine delove elije Sa pranjenjem baterije napon elije se smanjuje, unutranji otpor raste a specifina teina elektrolita u bateriji opada Ispranjena baterija podlonija je smrzavanju; npr. sasvim ispranjena olovna baterija mrzne se na oko -8oC, dok se puna ne mrzne dok temperatura elektrolita u njoj ne padne na -57oCPrilikom punjenja baterije napon baterije i specifina teina elektrolita rastu, dok opadaju temperatura smrzavanja i vrednost unutranjeg otporaU stanju izmeu napunjenosti i delimine ispranjenosti, napon baterije i specifina teina elektrolita se menjaju tako da je izraunavanje napona na osnovu specifine teine priblino:

Slika 4.6: Najvea dozvoljena dubina pranenja baterije da bi se izbeglo smrzavanje Slika 4.7: Napon i specifina teina elektrolita u funkciji napunjenosti baterije

Kapacitet olovne akumulatorske baterijeKapacitet akumulatorske baterije predstavlja sposobnost baterije da isporui elektrinu energiju i izraava se u Ah, odnosno kao proizvod struje pranjenja u amperima u toku odreenog broja satiProizvoa obino ocenjuje bateriju po stopi od 20 asova, npr. baterija od 200 Ah moe isporuiti 10 A za 20 asova, ova ocena je namenjena kao sredstvo poreenja razliitih baterija na isti standard (C/20) Za svaki uklonjen Ah iz baterije, potrebno je upumpati nazad 1.25 Ah kako bi se baterija vratila u isto stanje pre pranjenja, ova cifra varira sa temperaturom, tipom i starou baterijeSlika 4.8: Zavisnost kapaciteta baterije C/8 od vremena (stope) i struje pranjenja

Glavni faktori koji utiu na kapacitet baterije su: - stopa pranjenja, izraava se vremenom pranjenja, krae vreme pranjenja od deklarisanog utie na smanjenje kapaciteta zbog slabijeg prodora elektrolita u pore elektroda i zbog pada napona- specifina teina, manje kiseline u elektrolitu smanjuje intenzitet hemijskih reakcija, smanjenje specifine teine za 0,025 prouzrokuje smanjenje kapaciteta za 8-10%- temperatura, sa poveanjem temperature iznad 25 0C poveava kapacitet zbog toga to se ubrzavaju hemijske reakcije, smanjuje viskoznost i otpornost elektrolita- zavrni napon, oznaava minimalno koristan i prihvatljiv napon pri razliitim stopama pranjenja (vrednost pri kojoj se moe dobiti maksimalan broj amper-asova, pre nego to napon elije pone naglo da opada kako se elija pribliava taki iscrpljenosti)Povean kapacitet olovnih baterija na viim temperaturama ne znai da one pogoduju njihovom radu, naprotiv, ivotni vek baterija skrauje se za 50% na svakih 10oC iznad 25 oC, koliko iznosi optimalna temperatura za njihov rad

Sa smanjenjem temperature ispod 25 0C smanjuje se kapacitet baterije: npr. pri -30 0C baterija sa stopom pranjenja C/20 raspolagae sa samo polovinom svog naznaenoga kapaciteta Hladnoa utie kombinovano na bateriju smanjuje joj kapacitet i izlazni napon, a poveava ranjivost na smrzavanje pri pranjenju Slika 4.9: Zavisnost kapaciteta olovnih baterija od gradijenta pranjenja i temperature, referentna vrednost se ima za naznaeni kapacitet pri C/20 i 25oC

Efikasnost olovne akumulatorske baterijeEfikasnost baterije se lake izraava preko strujne efikanosti nego preko energetske efikasnosti zbog napona koji varira u zavisnosti od struje (brzine) punjenja ili pranjenja, starosti i stanja baterije Ako se baterija puni konstantnom strujom Ic tokom vremenskog perioda Tc pri emu je korien napon Vc, onda je energija dostavljena bateriji:Ako se baterija prazni konstantnom strujom ID tokom vremenskog perioda TD pri emu je korien napon VD, onda je energija ovedena iz baterije:Energetska efikasnost baterije jednaka je proizvodu naponske i kulonove efikasnosti: :

Tipina 12V olovna baterija moe da se puni pri naponu od 14V, dok joj je napon pranjenja oko 12V, to znai da je njena naponska efikasnost12/14= 0,86=86%Kulonova efikasnost predstavlja odnos broja kulona (naelektrisanja) koji iz baterije izlaze i onih koji su nju uli pri njenom punjenju, do razlike u koliini naelektrisanja dolazi iz razloga to napon kod napunjene baterije postaje dovoljno visok da otpone proces elektrolize vode, pri emu elektrolit naputa i jedan broj elektrona zajedno sa osloboenim gasovimaSrednja vrednost Kulonove efikasnosti tokom celog ciklusa punjenja i pranjenja iznosi izmeu 90 i 95%Ako se usvoji Kulonova efikasnost od90%, onda se dobija da je ukupna efikasnost baterije: 0,860,9=0,77= 77%, obino se usvaja 75%,

Konstrukcija akumulatorske baterijePozitivne i negativne elektrode su u obliku relativno tankih ploa sa reetkastom strukturom napravljene od legure olovo-antimon, ploe su rasporeene jedna pored druge, naizmenino pozitivne i negativne. Sve pozitivne ploe su grupisane i povezane Pb trakom (ili trakom od legure Pb-Ab ili Pb-Sb), isto tako i negativne, trake se preko stuba dovode do spoljanjeg kolaSlika 4.10: Konstrukcija olovne akumulatorske baterije

Vrste olovnih akumulatorskih baterijaPostroje tri kategorije olovnih akumulatorskih baterija: - konvencionalne automobilske (za startovanje motora, automobilska svetla i sagorevanje goriva u motoru, SLI baterije)- jeftine baterije sa dubokim ciklusom pranjenja, za male eletkromobile (npr. za golf-terene)- dugotrajne baterije sa dubokim ciklusom pranjenja Olovne akumulatorske baterije imaju iroku primenu: kod malih elektronskih ureaja (npr. mobilni telefoni), automobila, u EES-u (npr. 10 kW postrojenje akumulatorskih baterija u Kaliforniji koje 4h moe da isporui skladitenu energiju u sistem (5000A pri 2000V)Konvencionalne automobilske baterije (SLI) su namenjene pre svega za pokretanje motora, one obezbeuju strujni impuls od 400-600 A, da bi se nakon toga dopunile alternatorom tako da su uvek blizu stanju potpune napunjenostiOlovne baterije sa dubokim pranjenjem imaju deblje elektrode i veih su dimenzija, mogu da se isprazne bez oteenja do 80% kapaciteta

Stacionarne akumulatorske baterije baterije koje se trajno postavljaju i odravaju u EES-u nazivaju se stacionarnim baterijamaOtvorene olovne akumulatorske baterije - klasine akumulatorske baterije koje je potrebno odravati za vreme eksploatacije (dolivati im vodu) - danas se najee izvode kao ''zatvorene'' sa epom posebne izvedbe koji omoguuje izlaenje gasa iz elije u okolinu, a mogue ga je i potpuno otvoriti radi povremenog dolivanja destilovane vode u elijeZatvorene olovne akumulatorske baterije VRLA (Valve Regulated Lead Acid) - ventilom regulisane baterije- ivotni vek im je za normalne izvedbe 3-5 godina, ali postoje i dugotrajne baterije iji je ivotni vek i do 20 godina Dve vrste zatvorenih olovnih akumulatorskih baterija:- sa apsorbovanim elektrolitom (AGM baterije, separator omoguava rekombinaciju gasova)- sa elektrolitom u gel stanju (smea H2SO4 i SiO2)

Olovne akumulatorske baterije (otvorene kao i zatvorene) razlikuju se i prema izvedbi pozitivnih elektrodaNegativne elektrode su kod svih tipova akumulatorskih baterija su najee izvedene na isti nain:- aktivni materijal porozno isto Pb utisnuto u reetku od olovne legure, najee su legure sa primesama antimona (Sb) ili kalcijuma (Ca)- kod otvorenih akumulatorskih baterija koristi se Sb jer poboljava mehaniku tvrdou i otpornost na koroziju, meutim, poslednjih godina je procenat antimona smanjen jer ubrzava gasiranje (gubitak vode i samopranjenje akumulatorskih baterija)- za zatvorene (ventilom regulisane) akumulatorske baterije koristi se legura olova i kalcijuma - kompromis jer se smanjuje gasiranje, (ne postoji mogunost dolivanja vode), ali postoji podlonost pojaanoj koroziji (ubrzano starenje) ili smanjenje elektrine provodljivosti Osnovne izvedbe pozitivnih elektroda olovnih akumulatorskih baterija:- sa velikom pozitivnom ploom (GroE, aktivni materijal PbO2 se dobija oksidacijom Pb elektrode)- sa reetkastom pozitivnom ploom (Ogi, PbO2 je utisnut u Pb reetku)- sa cevastom ili oklopljenom pozitivnom ploom (OPzS, vrsti pojas dri aktivni materijal, elektrode podseaju na niz cevcica)

Zatvorene olovne akumulatorske baterijeVRLA (Valve Regulated Lead-Acid) gel baterije su potpuno zatvorene, osim ventila koji slui za oslobaanje gasova u havarijskim uslovima punjenja. Za razliku od otvorenih ili klasinih olovnih akumulatorskih baterija, dolazi do rekombinacije gasova za vreme punjenja: O2 koji se oslobaa na pozitivnoj elektrodi reaguje sa olovom na negativnoj elektrodi:Rezultat ovih reakcija je samopranjenje negativne elektrode, samopranjenje se kod odreenog nivoa napunjenosti izjednaava sa procesom punjenja tako da se vodonik ne oslobaa (ne dostie se stanje potpune napunjenosti negativne elektrode)Kod otvorenih baterija gubitak vode treba redovno dolivati, kod VRLA baterija to nije potrebno (ni mogue, baterije su "bez odravanja"), manje koliine H2 se isputaju kroz sigurnosti ventil Osetljive su na poviene temperature okoline, moe doi do gasiranja" usled rekombinacije H2 kroz separator

Nikl-kadmijumske akumulatorske baterijeAktivni materijal je NiOH na pozitivnoj i Cd na negativnoj elektrodi Kao elektrolit se koristi KOH (luina) sa malim koliinama LiOH, elektrolit slui samo za prenoenje elektrinih jona izmeu elektroda i ne uestvuje u hemijskom procesu (kao kod olovnih baterija), za vreme punjenja i pranjenja ne menja se gustina elektrolitaNiCd baterije imaju nizak napon otvorenih krajeva (1.2 V) i relativno visoki napone punjenja i odravanja, napon odravanja je u granicama 1.41-1.45V (20% priblino vii od napona otvorenih krajeva dok je kod olovnih baterija vii za 12%) Visoki naponi punjenja i odravanja zahtevaju komplikovanije ispravljae za punjenje, neophodno je ugraditi ureaje na izlazu isparvljaa koji sniavaju izlazni napon prema potroaima za vreme punjenja i odravanjaStacionarne NiCd baterije se izvode kao otvorene ili zatvorene (ventilom regulisane) koje su sline po nainu izrade, i u zatvorene baterije je mogue povremeno dolivati vodu

Slika 4.11: Zatvorena NiCd akumulatorska baterijaZatvorene ventilom regulirane NiCd akumulatorske baterije pojavile su se devedesetih godina prolog veka. U normalnim uslovima rada (napon punjenja 1.42 V/eliji i temperatura od 10 do 300C ) ne zahtevaju odravanje (dolivanje vode)Namenjene su stacionarnim pogonima

Poreenje olovnih i Ni-Cd akumulatorskih baterijaTemperatura okoline:- za optimalna temperatura okoline za rad baterije 150C od do 250C- duim radom na povienoj temperaturi skrauje se ivotni vek baterije- niske temperature usporavaju hemijske reakcije tako da povremeno smanjuju raspoloivi kapacitet akumulatorske baterije- NiCd baterije su otpornije na visoke temperature od olovnih baterija, na primer ivotni vek NiCd baterije skrati pri temperaturi 320 C za priblino 20%, a olovne baterije za priblino 50% - NiCd baterija se nee unititi pri znatno niskim temperaturama usled smrzavanja, pri niskim temperaturama iskoristivi kapacitet NiCd baterija je za 60% vii nego u sluaju olovnih baterija Broj ciklusa punjenja i pranjenja:- olovne baterije mogu izdrati veliki broj kratkih ciklusa pranjenja ali su osetljive na duboka pranjenja - NiCd baterije mogu izdrati veliki broj ciklusa dubokog punjenja i pranjenja, sa starenjem aktivnog materijala smanjuje se broj ciklusa- kako bi se poveale sposobnosti pri ciklinim optereenjima NiCd baterijama se u elektrolit KOH dodaju vee koliine LiOH

Naponi punjenja i odravanja:- prekoraenjem napona punjenja ili odravanja iznad vrednosti dovoljne za nadoknaivanje samopranjbaterije uzrokovae pojavu prevelike struje punjenja, poveano isparavanje i pojavu korozije pozitivne elektrode - spajanje vie lanaka baterije na red esto dovodi do toga da se pojedini lanci baterije, usled rasipanja napona, pune i odravaju razliitim naponima, rasipanje napona je najvee kod novih akumulatorskih baterija i postupno se smanjuje i stabilizuje u prvim mesecima eksploatacijeDeformacija pozitivne elektrode usled korizije:- pojavom korozije kod olovnih baterija poveava se volumen pozitivne elektrode to dovodi do mehanike deformacije elije baterije i do iznenadnog gubitka kapaciteta baterije - kod NiCd baterija ne dolazi do korozije i kvarenja mehanike strukture, odnosno do iznenadnog gubitka kapaciteta

Karbonizacija:- javlja se samo kod NiCd baterija, moe tetno uticati na ivotni vek i karakteristike prilikom jakih pranjenja - karbonat nastaje kao rezultat oksidacije ugljenika koji se koristi kao provodni materijal na pozitivnoj elektrodi- taloenje prevelikih koliina kalcijum karbonata oko polova moe prouzrokovati kratak spoj. Memorijski efekat:- memorijski efekat se javlja kod NiCd baterija, ako je baterija izloena uestalim ciklusima kratkog punjenja-pranjenja iste dubine dolazi do naglog gubitka napona, uzrok je kristalizacija povrine negativne elektrode tokom kratkih ciklusa. - memorijski efekat se najee dogaa u baterijama malog kapaciteta sa sintetiziranom negativnom elektrodom i uglavnom ne predstavlja znaajniji problem kod stacionarnih NiCd akumulatorskih baterija

Nove tehnologije akumulatorskih baterijaAkumulatorske baterije koje imaju kratku istoriju primene (poslednjih 20 godina) ili su tek u zaetku razvoja Razvile su se iz nikl-vodonikovih baterija, koje su se koristile u svemirskim istraivanjimaJedna elektroda je metal-hidrid, kao elektrolit se koristi se KOHDobre osobine: velika specifina snaga , velika specifina energija, mogunost velikog broja ciklinih pranjenja, ne sadre otrovne materijale kao NiCd baterije, zanematljiv memorijski efekatNedostaci: visoka cena, izraenije samopranjenje, mali napon otvorenog kola i krai ivotni vek u odnosu na NiCd baterijeNikl-metal-hibridne (NiMH) akumulatorske baterije

Naunici su dugo pokuavali da upotrebe litijum kao osnovu za izradu baterija: ovaj metal je vrlo lagan, ima visok elektrohemijski potencijal i omoguuje najveu specifinu energiju baterijeOsnovni je problem: litijumske baterije nakon vie punjenja i pranjenja postaju temperaturno nestabilne i sklone eksplozivnoj reakciji Primenom litijum-jonske (Li-ion) tehnologije eksplozivne sklonosti litijumskih baterija svedene na prihvatljiv nivo, dananje Li-jonske akumulatorske baterije su opremljene zatitnom elektronikom Prednosti u odnosu na NiMN: lake su i vee specifine energije, imaju tri puta vei napon otvorenog kola, nisu podlone memorijskom efektu, mogu podneti veliki broj ciklinih pranjenja, imaju malo samopranjenje Loe osobine: za pouzdan rad zahtevaju zatitnu elektroniku, podlone su starenju ak i onda kada nisu u upotrebi, skupe su (cena skuplja od NiCd baterija), nisu pogodne za izuzetno brza pranjenja i dopunjavanja Litijumske akumulatorske baterije

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 specifina energija i jo vie poveana cenaMeutim, razvoj baterija na bazi litijuma danas je intezivan i nije mogue sagledati koji su krajnji dometi njihove primene Sistem Li-jon akumulatorskih baterija je 2006. godine ugraen u dvostruki sistem jednosmernog napajanja hidroelektrane u vedskoj:- sistem se sastoji od 21.6 V, 35 Ah akumulatorskih batera, proizvodnje ''SAFT'' (est lanaka 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 635=210 Ah- u isti dvostruki jednosmerni sistem napajanja ugraena je i olovna akumulatorska baterija kapaciteta 300 Ah- tokom prve godine eksplatacije sistema dogodilo se nekoliko manjih kvarova koji nisu izazvali nestanak bateriskog napona s obzirom na paralelno vezu 6 granaNeki od proizvoaa koji proizvode litijum-jonske baterije za stacionarnu upotrebu: SAFT, Avestor, GAIA, itd

Odravanje stacionarnih olovnih akumulatorskih baterija u EES-u SrbijeStacionarne akumulatorske baterije u EES-u Srbije se primenjuju kao osnovni elementi neprekidnog napajanja ureaja i opremeBaterije su prikljuene na sabirnice pomonog DC napona zajedno sa ispravljaima koji se napajaju iz mreeDok je naizmenina elektrina mrea prisutna, baterije su u reimu stalnog dopunjavanja, a DC potroae napajaju ispravljai U sluaju ispada AC napona mree, napajanje DC potroaa se nastavlja energijom iz baterija bez prekida, baterija takoe preuzima napajanje i bitnih AC potroaa preko invertorskog postrojenjaKao stacionarne baterije u razvodnim postrojenjima prenosnog sistema EES-a Srbije koriste se klasine otvorene olovne baterije sa sumpornom kiselinom kao elektrolitom. Odravanja otvorenih olovnih baterija obuhvata- redovno odravanje, predstavlja jednomeseni pregled baterija u objektu i obavlja ga stalna posada na objektima EES-a - periodino odravanje, predstavlja reviziju baterija i obavlja ga posebna specijalizovana ekipa, izvrava se jednom godinje

Redovno odravanje podrazumeva niz radnji koje se vre u propisanim rokovima, a u cilju obezbeivanja tehnike ispravnosti i pouzdanosti opreme U redovno odravanje baterija spada: - provera napona elije- provera gustine elektrolita- delimino pranjenje- pregled akumulatorske baterijePeriodinog odravanja podrazumeva odreene radnje na baterijama koje vre ekipe obuene za ove poslove prema utvrenom planuU periodino odravanje baterija spada:- dubinsko pranjenje radi provere kapaciteta - provera veza izmeu elija - pregled akumulatorske baterije kao i pri redovnom odravanju - punjenje nakon zavrenog dubokog pranjenja

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

Slika 4.13: Punjenje baterije maksimalnom strujom 20 A do napona 2.41 V/elijiTabela 4.1: Podaci merenja napona i gustine elektrolita na bateriji AB1 u tokom osmoasovnog pranjenje

Akumulatorske baterije za autonomne PV sistemeAutonomni (samostalni) PV sistemi se koriste za napajanje udaljenih potroaa koji nisu prikljueni na elektrodistributivnu mreuPV sistemi prikljueni na mreu moraju da se takmie sa mreom koja obezbeuje jeftinu energiju (10 centi/kWh), autonomni PV sistemi kao svoju konkurenciju imaju benzinske ili dizel agregate (sa cenom isporuene energije od 50 centi/kWh)Kod autonomnih PV sistema postoji potreba za akumulisanjem energije tokom perioda sa vikovima proizvodene energije da bi se koristila tokom perioda kada PV sistem ne moe da podmiri potronju, u tu svrhu najee se koriste akumulatorske baterijeSlika 4.14: Autonomni PV sistem

Invertor omoguava korienje standardnih aparata koji se nalaze u domainstvu, efikasnost invertora se definie kao odnos ulazne DC snage i izlazne AC snage:

Slika 4.15: Efikasnost invertoragde je i% efikasnost konverzije pri i% naznaene izlazne snage invertoraPoto fotonaponski panel ne radi sa konstantnom snagom definie se Euro-efikasnost invertora da bi se izrazila efikasnost u toku celog dana:

DC napon sistema predstavlja napon PV panela, akumulatorskih baterija i ulazni DC napon invertora, obino iznosi 12 V, 24 V ili 48 VVii DC napon sistema ima za posledicu manju struju, manje gubitke ali i vie baterija u rednoj vezi DC napon sistema se bira tako da stacionarna struja ne prelazi 100A, odnosno na osnovu AC snage potroaa koji mogu da rade jednovremenoTabela 4.2: Preporueni naponi sistemiOsim stacionarne struje, invertor treba da obezbedi i struje polazne struje motora kod elektrinih ureaja u domainstvu

Tabela 4.3: Stacionarne i impulsne struje potroaa u domainstvima

Osim skladitenja energije, akumulatorske baterije obezbeuju i nekoliko drugih vanih funkcija za PV sisteme:- sposobnost da izdre polazne struje motora, - mogunost kontrolisanja izlaznog napona na stringu PV modulaKod PV sistema je pogodno koristiti dugotrajne baterije sa dubokim pranjenjem (olovne baterije do 80% a Ni-Cd do 100% kapaciteta) i sa velikim brojem ciklusa punjenja i pranjenja (1000-2000)Tabela 4.4: Karakteristike razliitih vrsta baterija

Slika 4.16: Uticaj dubine pranjenja na broj ciklusa pranjenja za tipinu olovnu bateriju sa dubokim ciklusom pranjenjaOlovne baterije sa dubokim pranjenjem imaju deblje elektrode sa veim prostorom iznad i ispod elektroda i veih su dimenzijaDa bi se omoguio proces dubokog pranjenja, umesto kalcijumskog ojaanja PbO2 i Pb ploa na krajevima elija baterije, koristi se Pb Vea dubina pranenja utie na smanjenje broja cuklusa pranjenja

Sa pranjenjem baterije napon elije se smanjuje, unutranji otpor raste a specifina teina elektrolita u bateriji opada Ispranjena baterija podlonija je smrzavanju; npr. sasvim ispranjena olovna baterija mrzne se na oko -8oC, dok se puna ne mrzne dok temperatura elektrolita u njoj ne padne na -57oCU uslovima velikih hladnoa, smrzavanje baterija ograniava maksimalnu dozvoljenu dubinu pranjenja, tako da se baterije moraju projektovati sa veim brojem Ah Slika 4.17: Najvea dozvoljena dubina pranenja baterije da bi se izbeglo smrzavanje

Kapacitet akumulatorske baterije se izraava se u Ah, pri specificiranom vremenu pranjenja i pri naznaenom napon (npr. 200Ah pri 20h i 12V), 20h vreme pranjenja je standardno vreme pranjenja (C/20)Sa smanjenjem temperature ispod 25 0C smanjuje se kapacitet baterije: npr. pri -30 0C baterija sa stopom pranjenja C/20 raspolagae sa samo polovinom svog naznaenoga kapacitetaSlika 4.18: Zavisnost kapaciteta olovnih baterija od gradijenta pranjenja i temperature, referentna vrednost se ima za naznaeni kapacitet pri C/20 i 25oC

Analiza potronje- ekvivalentna DC potronja:- DC napon sistema (na osnovu jednovremene AC snage potroaa):- potronja izraena u Ah:Dimenzionisanje akumulatorskih baterija za samostalne fotonaponske sisteme

Tabela 4.5: Snage i potronje energije tipinih potroaa u domainstvu

UreajiSnaga (W)asoviWh/danFriider3003.81140Sijalice(6x30W)1805900TV,19 in.(r.re.)683204TV,19in.(standby)5,121107Antena (r.re.)17351Antena (standby)1621336Telefon42496Mikrotalasna10000.1100Maina za ve2500.250Mala ringla12500.5625Velika ringla 21000.51050Pegla10500.1105Bojler200024000

Odreivanje broja sati zenita Sunca- indeks vedrosti (istoe):- srednja horizontalna insolacija:- srednja horizontalna insolacija ekstraterestrikog zraenja- satni ugao izlaska Sunca:- ugao deklinacije za n-ti dan u godini:L - latitutni ugao (geografska irina)

- trenutna (desetominutna) vrednost faktor kosine, gde je incidentni ugao direktnog zraenja na panel i altitudni ugao Sunca:- srednja dnevna insolacija na povrini PV modula:- srednja dnevna (mesena) vrednost faktor kosine, gde je nagibni ugao kolektora:- satni ugao pri prvom obasjavanju kolektora:- Liu-Jordan-ova formula:

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

Tabela 4.6: Oekivane vrednosti srednje dnevne insolacije po mesecima i u toku godine za Beograd

2009. godina2013/2014. godinaoekivana vrednostsrednje dnevne insolacijenagibni ugaosrednja dnevna insolacijanagibni ugaosrednja dnevna insolacijajanuar691,7272641,62681,677februar633,1360582,80122,969mart433,5315423,68533,608april305,7756273,43904,607maj156,1426134,51395,328jun85,800355,31925,560jul126,877595,88726,382avgust235,6483215,36285,506septembar394,7909363,66794,229oktobar522,9511553,63203,292novembar642,3901622,00862,199decembar691,3229671,80921,566godinje324,0051333,48713,746

Slika 4.20: Broj dana korienja skladitene energije u funkciji broja sati zenita Sunca Dimenzionisanje akumulatorskih baterija- akumulatorske baterije moraju imati dovoljno energije da podmire potrebe potroaa u periodima sa vie uzastopnih oblanih dana- broj dana korienja energije koja je skladitena pri srednjoj dnevnoj insolaciji (sati zenita Sunca), za 95% i 99% dostupnost energije iz baterija u toku godine:

- korisni amper-sati skladiteni u akumulatorskim baterijama:Slika 4.21: Maksimalna dubina pranjenja (MDOD) olovne baterije u zavisnosti od najnie temperature baterije Slika 4.22: Zavisnost dostupnog kapaciteta baterije od temperature i brzine pranjenja u odnosu na referentne uslove C/20 i 25C - korisni kapacitet baterije uzima u obzir dozvoljenu dubinu pranjenja, uticaj temperature i brzine pranjenja- nominalni kapacitet baterije (C/20 25oC):

Tabela 4.7: Olovne akumulatorske baterije sa dubokim pranjenjem - broj redno vezanih baterija u grani i broj grana sa baterijama- provera kapaciteta baterija da bi se izbeglo brzo pranjenje (ne bre od C/5): na osnovu maksimalne (jednovremene) snage potronje i maksimalne stope pranjenja C/5 (vreme pranjenja 5h) odreuje se minimalni kapacitet baterija:- izbor tipa baterija

Dimenzionisanje PV panela- moe se usvojiti da je struja punjenja baterija jednaka nominalnoj struji PV modula (struji koja odgovara taki maksimalne snage na U-I karakteristici)- zbog mogueg poveanja temperature taka maksimalne snage se pribliava karakteristici baterije Slika 4.23: Naponsko strujna karakteristika PV modula i akumulatorske baterije

- broj redno vezanih modula u grani i broj grana sa modulima- amper-sati iz 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) - koeficijent koji uvaava gubitke zbog zaprljanja i starenja modulaC - Kulonova efikasnost baterije:

- snaga PV sistema sa akumulatorskom baterijom u realnim uslovima eksploatacije, pri iradijaciji na panel IPV1000W/m2: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 - naznaena snaga PV modulanM broj PV modula u panelu, ako je panel kvadratnih dimenzija nM =nMsnMp gde su: - koeficijent koji uvaava gubitke zbog zaprljanja i starenja modulaC - Kulonova efikasnost baterije V - naponska efikasnost baterije, jednaka odnosu napona pranjenja i punjenja baterije V=Vd/Vc - koeficijenti efikasnosti usled uticaja temperature i neuparenosti modula kod autonomnih PV sistema se zanemaruju iz razloga to je radna taka dovoljno daleko od kolena U-I karakteristike

- za napajanje malih DC potroaa koriste se jednostavni autonomni sistemi koji se sastoji od PV modula i baterije (bez regulatora punjenja baterija i invertora)- kod ovakvih sistema tokom noi postoji opasnost od povratnog napajanja PV modula iz baterija, zbog toga su neophodne blokirajue diode izmeu PV modula i AKU-baterija- gubici na diodama ne utiu osetno na struju punjenja baterija iz PV panela u toku dana zbog pomeranje U-I karakteristike baterija ka taki maksimalne snage na U-I karakteristici PV panela Blokirajue diodeSlika 4.24: Jednostavan autonomni PV sistem bez blokirajuih dioda (a) i sa blokirajuom diodom (b)

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

Hibridni PV sistem sa dizel agregatom- samostalni PV sistem se projektuje za mesec sa najmanjom insolacijom (decembar) tako da moe da isporui mnogo vie energije u ostatku godine- kod hibridnog PV sistema sa dizel agregatom potronju u periodima sa smanjenom insolacijom pokriva dizel agregat (manji broj PV modula i baterija)- u ovakvom sistemu je pogodno koristiti vienamenski invertor-punja (za konverziju AC snage iz baterije u AC snagu potronje i za konverziju AC snage iz generatora u DC snagu za punjenje baterija) - generator moze da se dimenzionie samo za punjenje baterija ili za istovremeno punjenje baterija i podmirivanje potronje

Slika 4.26: Hibridni PV sistem sa dizel agregatom

Slika 4.27: Godinje uee PV panela u proizvodnji hibridnog sistema u funkciji uea PV panela u proizvodnji u najkritinijem (projektovanom) mesecu - korienjem hibridnog sistema znaajno se smanjuje uee PV panela u proizvodnji u kritinom mesecu ali PV panel jo uvek znaajno uestvuje u proizvodnji na godinjem nivou- potrebno uese u toku meseca u funkciji godinjeg uea u proizvodnji hibridnog sistema:des.mon.fr=0.625ann.sol.fr za ann.sol.fr 0.8des.mon.fr=0.5+28(ann.sol.fr -0.8)2.5 za ann.sol.fr >0.8

- u hibridnom sistemu broj baterija moe da bude manji, s obzirom da generator moe da dopunjava baterije i tokom duih perioda loeg vremena- postoji ogranienje u pogledu brzine pranjenja baterija, ne sme bre od C/5 - esto se preporuuje sistem baterija sa trodnevnim skladitenjem energije da bi se izbeglo previe brzo pranjenje baterija- generatori predstavljaju prilino skupe ureaje, zahtevaju periodinu zamenu ulja, podeavanja, periodine preglede i generalne remonte Tabela 4.8: Karakteristike generatora za hibridne sisteme

- generator treba da dopuni baterije u vremenu Tcharge (ali ne bre od C/5), tako je njegova snaga: gde se za efikasnost punjenja baterija charge moe usvojiti 0.8- broj redno vezanih modula u grani i broj grana sa modulima:- proizvodnja generatora na godinjem nivou je:

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

Vetroagregati sa skladitenjem energije- snaga vetra koji struji brzinom v kroz povrinu koju pri rotaciji prebriu lopatice vetroturbine prenika D: gde su 0=1.225 kg/m3 gustina vazduha pri 150C i nadmorskoj visini H=0 m (1 bar)KT korekcioni faktor koji uvaava promenu temperature ambijenta Ta u odnosu na referentnu temperaturu od 150CKA korekcioni faktor koji uvaava promenu pritiska p sa nadmorskom visinom H

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

- srednja snaga vetra prema Rayleight-ovoj raspodeli verovatnoe brzine vetra: - snaga koju uzima vetroturbina: gde je CP koeficijent snage vetroturbine, CP

Slika 4.28: Karakteristika snage vetroagregata sa fiksnom brzinom obrtanja i pasivnom (stall) kontrolom vetroturbine - izlazna karakteristika snage vetrogeneratora

Vetroagregat prikljuen na EES: sistem za skladitenje elektrine energije omoguava se proizvedena energija odloi za ekonomski najisplativiji trenutak Slika 4.30: Satne cene elektrine energije na evropskoj berzi elektrine energije (EEX) Slika 4.29: Dnevni dijagram proizvodnje vetroelektrane za prosean dan u godini

Vetroagregat za napajanje izolovanog potroaa: broj dana korienja energije koja je skladitena u baterijama je jednak maksimalnom broju uzastopnih dana bez vetra u toku godineKao kriterijum da je dan bez vetra moe se usvojiti da srednja dnevna gustina snage vetra iznosi 10% srednje godinje 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 2009. godinu, maksimalni broj uzastopnih dana bez vetra u toku godine se postie u junu i iznosi 9, za iri region Beograda

Slika 4.31: Srednje dnevne gustine snage vetra u kritinom mesecu (jun 2009. godine) na visini H=10 m