Loading..

Product was successfully added to your shopping cart.





Σχετικά με τα φωτοβολταικά

Με τον γενικό όρο Φωτοβολταϊκά ονομάζεται η βιομηχανική διάταξη πολλών φωτοβολταϊκών κυττάρων σε μία σειρά. Στην ουσία πρόκειται για τεχνητούς ημιαγωγούς (συνήθως από Πυρίτιο) οι οποίοι ενώνονται με σκοπό να δημιουργήσουν ένα ηλεκτρικό κύκλωμα σε σειρά. Οι ημιαγωγοί αυτοί απορροφούν φωτόνια από την ηλιακή ακτινοβολία και παράγουν μια Ηλεκτρική τάση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται"Φωτοβολταϊκό φαινόμενο".

Τα φωτοβολταϊκά ανήκουν στη κατηγορία των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ). Στην κατηγορία των ανανεώσιμων ηλιακών πηγών ενέργειας, τα ηλιοθερμικά συστήματα είναι πιο αποδοτικά από τα φωτοβολταϊκά[1][2].

 

 

 
 
Navigation
 

Δεν υπάρχουν προϊόντα στο καλάθι αγορών.

Γενικές πληροφορίες για μπαταρίες φωτοβολταικών βαθιάς εκφόρτισης

ΟΡΟΙ ΧΡΗΣΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ ΒΑΘΙΑΣ ΕΚΦΟΡΤΙΣΗΣ

ΟΡΟΙ ΧΡΗΣΗΣ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ ΒΑΘΙΑΣ ΕΚΦΟΡΤΙΣΗΣ

Στο κεφάλαιο αυτό αναλύονται διάφορα μεγέθη σχετικά με τις μπαταρίες και τη λειτουργία τους, ορισμένα από τα οποία έχουν ήδη αναφερθεί παραπάνω. Η σχετική γνώση των μεγεθών αυτών είναι απαραίτητη για την κατανόηση των επόμενων κεφαλαίων. 

 

4.1 Χωρητικότητα 

 Χωρητικότητα μιας μπαταρίας C (από την αγγλική λέξη capacity) είναι το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο που μπορούμε να πάρουμε από μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες εκφόρτισης (ρυθμό εκφόρτισης, τάση και θερμοκρασία). Η χωρητικότητα που μπορεί να δώσει μια μπαταρία είναι άμεσα συνδεδεμένη με το ποσό των υλικών ανόδου και καθόδου (δηλαδή των ενεργών υλικών) που περιέχει[11]. Η χωρητικότητα ενός στοιχείου/μπαταρίας μετριέται συνήθως σε αμπερ – ώρες (Ah) και καθορίζεται από ένα σταθερό ρεύμα εκφόρτισης που εκφορτίζει τη μπαταρία μέχρι μια ορισμένη τελική τάση εκφόρτισης (συνήθως 1.75 V περίπου). Η χωρητικότητα εξαρτάται σημαντικά από το ρεύμα εκφόρτισης και τη θερμοκρασία[3]. Ο υπολογισμός της χωρητικότητας γίνεται πολλαπλασιάζοντας την τιμή του ρεύματος εκφόρτισης με το χρόνο που χρειάζεται για να φτάσει η μπαταρία στην τελική τάση. Οι κατασκευαστές μπαταριών μπορούν να ορίσουν οι ίδιοι το ρεύμα και την τελική τάση εκφόρτισης. Ο όρος που χρησιμοποιείται συνήθως για να περιγράψει την ικανότητα της μπαταρίας να μεταφέρει ρεύμα είναι η ονομαστική της χωρητικότητα. Οι κατασκευαστές συχνά καθορίζουν την ονομαστική χωρητικότητα των μπαταριών τους σε αμπερ – ώρες για ένα συγκεκριμένο ρυθμό εκφόρτισης. Για παράδειγμα, αυτό σημαίνει ότι μια μπαταρία 200Ah (για ένα ρυθμό 10 ωρών) θα μεταφέρει 20 Α ρεύματος για 10 ώρες κάτω από κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας ( 25ο C ή 77ο F).  Εναλλακτικά, ένας ρυθμός εκφόρτισης μπορεί να καθορίζεται από το ρυθμό φόρτισης, C – rate, ο οποίος εκφράζεται σαν ένα πολλαπλάσιο της ονομαστικής χωρητικότητας του στοιχείου ή της μπαταρίας. Για παράδειγμα, μια μπαταρία μπορεί να έχει χωρητικότητα 200 Ah για ένα ρυθμό εκφόρτισης C/10.  Ο ρυθμός εκφόρτισης καθορίζεται από την παρακάτω εξίσωση:

 

Η χωρητικότητα της μπαταρίας ποικίλει για διάφορους ρυθμούς εκφόρτισης. Όσο πιο μεγάλος είναι ο ρυθμός εκφόρτισης, τόσο μικρότερη είναι η χωρητικότητα του στοιχείου. Χαμηλότεροι ρυθμοί εκφόρτισης έχουν ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη χωρητικότητα. Οι κατασκευαστές μπαταριών συνήθως ορίζουν μερικούς ρυθμούς εκφόρτισης (σε αμπέρ) μαζί με τους χρόνους εκφόρτισης που συνδέονται με αυτούς (σε ώρες). Η χωρητικότητα της μπαταρίας για κάθε έναν από αυτούς τους ρυθμούς εκφόρτισης υπολογίζεται όπως αναφέρθηκε παραπάνω. 

 Η ονομαστική χωρητικότητα για τις μπαταρίες μολύβδου οξέος συνήθως καθορίζεται για ρυθμούς 8- , 10- ή 20-ωρών (C/8, C/10, C/20). Οι UPS μπαταρίες βαθμονομούνται σε 8 – ωρών χωρητικότητες και οι μπαταρίες τηλεπικοινωνιών σε 10 – ωρών χωρητικότητες[12].

 Η χωρητικότητα όλων των μπαταριών μολύβδου οξέος (για δεδομένη τελική τάση) μειώνεται στις χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό συμβαίνει λόγω πολλών παραγόντων μεταξύ των οποίων είναι η αυξημένη αντίσταση και ο μειωμένος ρυθμός διάχυσης στον ηλεκτρολύτη. Το δεύτερο φαινόμενο σημαίνει ότι οι μπαταρίες μολύβδου οξέος με μεγάλο απόθεμα οξέος τείνουν να χάνουν περισσότερη χωρητικότητα στις χαμηλές θερμοκρασίες από ότι αυτές που έχουν μικρότερο όγκο οξέος. Οι ονομαστικές χωρητικότητες συνήθως αναφέρονται σε θερμοκρασία λειτουργίας 20οC. Αν μια μπαταρία χρειάζεται να παρέχει αυτονομία σε χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας, είναι συνήθης πρακτική να αυξάνεται η ονομαστική χωρητικότητα για να ληφθεί υπ’όψιν η μειωμένη χωρητικότητα για τη χειρότερη θερμοκρασία. Οι χωρητικότητες αυξάνονται ελαφρώς για θερμοκρασίες πάνω από 20οC αλλά δεν είναι φυσιολογικό να μειώνεται η καθορισμένη χωρητικότητα της μπαταρίας λόγω αυτού.

 Στις χωρητικότητες που δίνονται από τον κατασκευαστή πρέπει να αναφέρεται η τελική τάση στην οποία αυτές εφαρμόζονται. Για μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα, η τάση αυτή είναι συνήθως μεταξύ 1.75V και 1.85V ανά στοιχείο. Όταν συγκρίνονται δύο διαφορετικές μπαταρίες, πρέπει οι προς σύγκριση χωρητικότητες να είναι ως προς την ίδια τελική τάση. Προφανώς, όσο χαμηλότερη είναι η τελική τάση, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η διαθέσιμη χωρητικότητα.

 

 4.2 Τάση 

 Για να είναι ικανό ένα στοιχείο ή μια μπαταρία να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα εξωτερικό κύκλωμα, πρέπει να υπάρχει μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στο θετικό και το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Αυτή η διαφορά δυναμικού, η οποία μετριέται σε volts αναφέρεται ως τάση του στοιχείου ή της μπαταρίας. Ένα μόνο στοιχείο μολύβδου οξέος έχει διαφορά δυναμικού περίπου 2 V υπό φορτίο. Ένα πλήρως εκφορτισμένο στοιχείο μολύβδου οξέος έχει διαφορά δυναμικού περίπου 1.75 V, ανάλογα με το ρυθμό εκφόρτισης[12]. Η τάση ισορροπίας ενός στοιχείου είναι συνάρτηση της συγκέντρωσης του ηλεκτρολύτη και της θερμοκρασίας. Η τάση ανοικτού κυκλώματος (OCV) μπορεί να μετρηθεί εάν κανένα εξωτερικό ρεύμα δε διαρέει τη μπαταρία. Αυτή ταυτίζεται με την τάση ισορροπίας αν όλες οι εσωτερικές υπερτάσεις, που προκαλούνται κυρίως από διαδικασίες διάχυσης, έχουν σταθεροποιηθεί. Ο χρόνος για να επιτευχθεί αυτό το στάδιο εξαρτάται από την τεχνολογία της μπαταρίας και τις συνθήκες λειτουργίας και κυμαίνεται από μερικά δευτερόλεπτα μέχρι πολλές ώρες. Η OCV μιας μπαταρίας εξαρτάται από το πρότυπο δυναμικό των χρησιμοποιούμενων ενεργών υλικών και το ποσό του φορτίου που απομένει. Το λίθιο χρησιμοποιείται ευρέως ως άνοδος σε πρωτεύουσες και δευτερεύσουσες μπαταρίες γιατί προσφέρει το υψηλότερο πρότυπο δυναμικό από όλες τις χημείες των μπαταριών[11]. Η τάση του στοιχείου υπό φορτίο, η τάση κλειστού κυκλώματος (CCV), εξαρτάται από το ρεύμα, τη στάθμη φόρτισης και το ιστορικό του στοιχείου, όπως τη διάρκεια ζωής του ή το χρόνο αποθήκευσης.

 Τυπικά, οι ονομαστικές τάσεις των στοιχείων είναι μεταξύ 1.2 και 3.6 V. Ως εκ τούτου, αρκετά στοιχεία συνδέονται συνήθως σε σειρά για να χτίσουν μια αλυσίδα με μεγαλύτερη ονομαστική τάση. Επομένως, η ονομαστική τάση μιας μπαταρίας καθορίζεται από τον αριθμό των στοιχείων που είναι συνδεδεμένα σε σειρά επί την ονομαστική τάση του ενός στοιχείου. Οι μπαταρίες συχνά πωλούνται σε δομές, στις οποίες είναι ενσωματωμένα και συνδεδεμένα σε σειρά μερικά στοιχεία με μόνο ένα σετ ακροδεκτών[3]. Ένα γνωστό παράδειγμα είναι οι SLI μπαταρίες αυτοκινήτων, όπου 6 στοιχεία συνδέονται σε σειρά αλλά πωλούνται ως ένα μπλοκ των 12 V. (Το SLI προέρχεται από τις λέξεις starting, lighting, ignition που σημαίνουν εκκίνηση, φωτισμός και ανάφλεξη.) 

 Η τελική τάση φόρτισης (end-of-charge voltage) καθορίζει ένα άνω όριο για την τάση. Η φόρτιση μιας μπαταρίας δε σταματά όταν φτάσει την τελική τάση φόρτισης ( όπως συμβαίνει με την τελική τάση εκφόρτισης – end-of-discharge voltage), αλλά το ρεύμα φόρτισης μειώνεται κατάλληλα για να διατηρεί την τελική τάση φόρτισης με την πάροδο του χρόνου.

 

4.3 Στάθμη φόρτισης 

 Η στάθμη φόρτισης (state of charge – SOC) δίνει τη χωρητικότητα που μπορεί να εκφορτιστεί από μια μπαταρία σε μια συγκεκριμένη στιγμή. Εκατό τοις εκατό στάθμη φόρτισης σημαίνει ότι η μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη, ενώ 0% στάθμη φόρτισης σημαίνει ότι η ονομαστική χωρητικότητα έχει εκφορτιστεί[3]. 

 Για τη λειτουργία και τη διαχείριση της ενέργειας στα αυτόνομα συστήματα παραγωγής ενέργειας, η χωρητικότητα της μπαταρίας και η πραγματική στάθμη φόρτισης είναι οι πιο σημαντικές παράμετροι. Ο καθορισμός της στάθμης φόρτισης είναι δύσκολος σε αυτόνομα συστήματα παραγωγής ενέργειας με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας επειδή η πλήρης φόρτιση της μπαταρίας όπως γίνεται συχνά με τους συμβατικούς φορτιστές μπαταρίας είναι πολύ ασυνήθιστη. 

 Αν μας δίνεται η στάθμη φόρτισης, το ερώτημα που εγείρεται είναι ποια είναι η σημασία των συγκεκριμένων τιμών. Υπάρχουν επιμέρους ορισμοί για τη χωρητικότητα της μπαταρίας και οι αντίστοιχοι ορισμοί για τη στάθμη φόρτισης. Η μετρούμενη χωρητικότητα μιας μπαταρίας μπορεί να είναι μικρότερη ή ακόμα και μεγαλύτερη από την ονομαστική χωρητικότητα που δίνεται από τον κατασκευαστή. Καθ΄όλη τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, η μετρούμενη χωρητικότητα μειώνεται όλο και περισσότερο λόγω των επιπτώσεων της γήρανσης. Η πρακτική χωρητικότητα είναι μικρότερη από τη μετρούμενη χωρητικότητα. Λόγω των ειδικών συνθηκών των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, οι μπαταρίες δεν επαναφορτίζονται πλήρως σχεδόν ποτέ (ο αριθμός των ωρών φόρτισης είναι περιορισμένος). Η μέγιστη στάθμη φόρτισης που μπορεί να επιτευχθεί κατά τη φυσιολογική λειτουργία του συστήματος ονομάζεται στάθμη φόρτισης πλήρους ακτινοβολίας (solar-full state of charge). Επίσης, το σύστημα καθορίζει ένα κριτήριο τέλους εκφόρτισης για να αποφευχθεί η βαθειά εκφόρτιση της μπαταρίας και κατά συνέπεια η επιτάχυνση της γήρανσης, το οποίο συνήθως διαφέρει από τα κριτήρια τέλους εκφόρτισης που χρησιμοποιούνται στους ελέγχους της χωρητικότητας. Έτσι, η πρακτική χωρητικότητα της μπαταρίας είναι μικρότερη από τη μετρούμενη χωρητικότητα[3]. 

 Η ονομαστική χωρητικότητα ορίζεται ως η χωρητικότητα για εκφόρτιση 10 ωρών (C/10). Αυτή είναι η βάση για τον καθορισμό της στάθμης φόρτισης. Η ονομαστική χωρητικότητα δεν αλλάζει κατά τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, ενώ η μετρούμενη χωρητικότητα μεταβάλλεται με το χρόνο. Η στάθμη φόρτισης που σχετίζεται με τη μετρούμενη χωρητικότητα ονομάζεται σχετική στάθμη φόρτισης (relative state of charge – SOCr). Η στάθμη φόρτισης που σχετίζεται με την πρακτική χωρητικότητα λέγεται πρακτική στάθμη φόρτισης (practical state of charge – SOCp). Η SOCp είναι 100% αν μια solar-full στάθμη φόρτισης έχει αποκτηθεί. 

 

4.4 Βάθος εκφόρτισης 

 Το βάθος εκφόρτισης (depth of discharge – DOD) είναι το κλάσμα ή το ποσοστό  της χωρητικότητας που έχει αφαιρεθεί από την πλήρως φορτισμένη μπαταρία. Το αντίθετο, δηλαδή, από τη στάθμη φόρτισης που όπως είδαμε παραπάνω είναι το ποσοστό της χωρητικότητας που είναι ακόμα διαθέσιμη στη μπαταρία. Παρακάτω φαίνεται η απλή σχέση μεταξύ των δύο:

 

Πίνακας 4.1: Σχέση μεταξύ SOC και DOD

                Στάθμη φόρτισης (SOC)

                Βάθος εκφόρτισης (DOD)

                              100%

                                  0%

                                75%

                                25%

                                50%

                                50%

                                25%

                                75%

                                  0%

                              100%

 

Παρ’όλα αυτά, αυτές οι τιμές για τη στάθμη φόρτισης και το βάθος εκφόρτισης συνήθως αναφέρονται στην ονομαστική χωρητικότητα (π.χ. τη χωρητικότητα για το ρυθμό των 10 ωρών). Για χαμηλότερα ρεύματα εκφόρτισης, μπορεί να συναντήσουμε αναφορές για DOD μεγαλύτερο του 100%.  Αυτό απλά σημαίνει ότι η μπαταρία μπορεί να παράγει περισσότερο από το 100% της ονομαστικής της χωρητικότητας σε ρυθμούς εκφόρτισης χαμηλότερους από τον ονομαστικό ρυθμό εκφόρτισης[10]. 

 

4.5 Κύκλος / Κύκλος ζωής

 Με τον όρο κύκλος, περιγράφουμε την επαναλαμβανόμενη διαδικασία εκφόρτισης και φόρτισης που συμβαίνει σε μια μπαταρία σε λειτουργία. Ένας κύκλος ισοδυναμεί με μια εκφόρτιση που ακολουθείται από μια φόρτιση. Ο κύκλος ζωής είναι ένα μέτρο του πόσους κύκλους μια μπαταρία μπορεί να δώσει κατά τη διάρκεια της χρήσιμης ζωής της. Συνήθως αντιστοιχεί στον αριθμό των κύκλων εκφόρτισης για ένα συγκεκριμένο DOD που η μπαταρία μπορεί να πραγματοποιήσει πριν η διαθέσιμη χωρητικότητά της μειωθεί σε ένα συγκεκριμένο ποσοστό (συνήθως 80%) της αρχικής χωρητικότητας. 

 Ο κύκλος ζωής εξαρτάται σε πολύ μεγάλο βαθμό από το βάθος του κάθε κύκλου. Εάν ο κύκλος ζωής μετριέται πειραματικά για ένα υψηλό DOD, τότε σε χαμηλότερα DODs το αποτέλεσμα του γινομένου του αριθμού των κύκλων επί το DOD είναι περίπου σταθερό, δηλαδή ο κύκλος εργασιών της χωρητικότητας (capacity turnover) είναι περίπου ο ίδιος για χαμηλότερα DODs. 

 Χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή όταν αναλύουμε τον κύκλο ζωής που δίνεται από τους κατασκευαστές μπαταρίας. Συνήθως μετριέται σε σχετικά μεγάλα ρεύματα (μικρούς χρόνους εκφόρτισης) και το αναγραφόμενο DOD συχνά αναφέρεται στη χωρητικότητα που είναι διαθέσιμη σε αυτό το μικρό χρόνο εκφότρισης. Ας δώσουμε ένα πιο συγκεκριμένο παράδειγμα. Ένας κατασκευαστής δίνει κύκλο ζωής 400 κύκλων για 50% DOD για το προϊόν του. Σχολαστικότερη παρατήρηση των στοιχείων που δίνει ο κατασκευαστής δείχνουν ότι αυτό έγινε για ρυθμό εκφόρτισης 5 ωρών και το DOD που αναγράφεται αναφέρεται στη χωρητικότητα για αυτό το ρυθμό. Η ονομαστική χωρητικότητα αυτής της μπαταρίας όμως έχει υπολογιστεί για ρυθμό εκφόρτισης 20 ωρών και η χωρητικότητα για ρυθμό εκφόρτισης 5 ωρών είναι το 85% της ονομαστικής χωρητικότητας. Παρ’όλο που ο κύκλος εργασιών της χωρητικότητας είναι 400 x 50% = 200 για τον ρυθμό των 5 ωρών, όταν αναφερόμαστε στις πραγματικές Ah είναι μόνο 400 x 50% x 85% =170 για την ονομαστική χωρητικότητα (για ρυθμό 20 ωρών). Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να περιμένουμε μόνο 340 κύκλους σε 50% DOD για την ονομαστική χωρητικότητα, όχι 400. 

 Στις δοκιμές του κύκλου ζωής, στις μπαταρίες πραγματοποιείται μια πλήρης επαναφόρτιση μετά από κάθε εκφόρτιση. Στα φωτοβολταϊκά συστήματα, η επαναφόρτιση δεν είναι τόσο πλήρης. Είναι δηλαδή συνετό, σαν παράγοντας ασφάλειας, να φθείρεται κάπως ο κύκλος ζωής όταν χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των χρόνων ζωής σε φωτοβολταϊκά συστήματα. Συνήθως χρησιμοποιείται ένα ποσοστό 80% του κύκλου ζωής που προκύπτει από τις δοκιμές. Έτσι, στο παραπάνω παράδειγμα για την μπαταρία που ξεκίνησε στους 400 κύκλους για 50% DOD και μειώθηκε στους 340 κύκλους για το πραγματικό 50% DOD, θα παίρναμε μόνο 272 τέτοιους κύκλους σε συνθήκες φωτοβολταϊκού συστήματος. 

 Τα πρώτα χρόνια του σχεδιασμού φωτοβολταϊκών συστημάτων, η «εύκολη λύση» για την αύξηση της ζωής της μπαταρίας όταν αυτή ήταν απογοητευτικά χαμηλή σε κάποιες περιπτώσεις, ήταν η αναζήτηση μιας μπαταρίας με αυξημένο κύκλο  ζωής. Δυστυχώς, ο κύκλος ζωής δεν είναι ο μόνος παράγοντας που καθορίζει το χρόνο ζωής της μπαταρίας στα φωτοβολταϊκά συστήματα και σε μερικές περιπτώσεις αυτή η αλλαγή οδηγούσε σε ακόμα μικρότερο χρόνο ζωής[10]. 

 Στα αυτόνομα συστήματα παρατηρούνται πολλοί μερικοί κύκλοι (partial cycles) μέσα σε έναν μακρόκυκλο (macrocycle). Ένας μακρόκυκλος είναι ο χρόνος μεταξύ 2 πλήρως φορτισμένων καταστάσεων, ενώ ο μερικός κύκλος ορίζεται ως η μεταφορά φορτίου μέσα στο χρόνο της αλλαγής της κατεύθυνσης του ρεύματος της μπαταρίας. Γενικά, η μεταφορά φορτίου της μπαταρίας στα αυτόνομα συστήματα παραγωγής ενέργειας καθορίζεται από της απόδοση χωρητικότητας (capacity throughput). Αυτή δίνεται από τις συσσωρευμένες αμπερ – ώρες  που έχουν εκφορτιστεί από τη μπαταρία δια την ονομαστική χωρητικότητα. Ο αριθμός που προκύπτει είναι επίσημα ισοδύναμος με τον αριθμό των 100% DOD κύκλων που πραγματοποιούνται κατά τη διάρκεια της ζωής της μπαταρίας. Αυτός ο κανονικοποιημένος αριθμός αναφέρεται ως απόδοση χωρητικότητας[3]. 

4.6 Αποδοτικότητα

 Η αποδοτικότητα αμπερ – ωρών ηΑh ορίζεται ως ο λόγος των αμπερ – ωρών που εκφορτίζονται από τη μπαταρία προς τις αμπερ – ώρες  που φορτίζονται στην μπαταρία μέσα σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο (τυπικές περίοδοι είναι ένας μήνας ή ένας χρόνος ή μια περίοδος ανάμεσα σε δύο διαδικασίες πλήρους φόρτισης). Συχνά, αντί για την αποδοτικότητα αμπερ – ωρών χρησιμοποιείται ο παράγοντας φόρτισης, ο οποίος ορίζεται ως 1/ ηAh. Για μια βιώσιμη λειτουργία μπαταρίας είναι απαραίτητοι παράγοντες φόρτισης μεγαλύτεροι της μονάδας. 

Η αποδοτικότητα ενέργειας ηWh είναι ο λόγος της ενέργειας που εκφορτίζεται από μια μπαταρία προς την ενέργεια που φορτίζεται σε μια μπαταρία μέσα σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο[3]. Η ενεργειακή αποδοτικότητα μιας μπαταρίας είναι χαμηλότερη από την αποδοτικότητα αμπερ – ωρών διότι οι μπαταρίες εκφορτίζονται σε χαμηλότερη τάση από ότι φορτίζονται. Επειδή η αποδοτικότητα αμπερ – ωρών είναι κοντά στη μονάδα, θεωρείται πιο βολικό να δουλεύουμε σε Ah όταν υπολογίζουμε πόση φόρτιση χρειάζεται για να αντικατασταθεί ένα συγκεκριμένο ποσό εκφόρτισης σε φωτοβολταϊκούς (και άλλους) υπολογισμούς. Παρ’όλα αυτά, επειδή η αποδοτικότητα αμπερ – ωρών για μια πλήρη επαναφόρτιση είναι πάντα ελάχιστα μικρότερη της μονάδας, πρέπει να τροφοδοτηθεί η μπαταρία με λίγο περισσότερες Ah από όσες πραγματικά καταναλώνονται στη διαδιακασία φόρτισης. Αυτό το επιπρόσθετο φορτίο, ή η υπερφόρτιση, καταναλώνεται από άλλες, ανεπιθύμητες, χημικές αντιδράσεις μέσα στη μπαταρία. Στις μπαταρίες μολύβδου οξέος και νικελίου καδμίου, αυτές είναι η παραγωγή αερίων οξυγόνου από το νερό στο θετικό ηλεκτρόδιο και στις ανοικτές μπαταρίες, η παραγωγή αερίων υδρογόνου από το νερό στο αρνητικό ηλεκτρόδιο[10]. 

4.7 Μέρες αυτονομίας 

 Το μέγεθος μιας μπαταρίας δίνεται από το ονομαστικό ενεργειακό περιεχόμενο (energy content) σε κατάσταση πλήρους φόρτισης. Για να εκφράσουμε το σχετικό μέγεθος μιας μπαταρίας σε σχέση με το φορτίο στα αυτόνομα συστήματα παραγωγής ενέργειας, χρησιμοποιείται συχνά ο όρος μέρες αυτονομίας. Οι μέρες αυτονομίας καθορίζονται από το λόγο του ονομαστικού ενεργειακού περιεχομένου της μπαταρίας (kWh) προς τη μέση ημερήσια ενεργειακή κατανάλωση (kWh/ημέρα). Επομένως, η μονάδα είναι οι «μέρες» και εκφράζει το χρονικό διάστημα για το οποίο το σύστημα μπορεί να τροφοδοτείται μόνο από την πλήρως φορτισμένη μπαταρία[3]. 

4.8 Ρεύμα μπαταρίας

 Τα ρεύματα μπαταρίας δίνονται συνήθως σε σχέση με το μέγεθος της μπαταρίας. Ο λόγος είναι ότι οι εντάσεις και οι εξαρτώμενες από το ρεύμα ηλεκτρικές ιδιότητες σχετίζονται με συγκεκριμένα φορτία στα ηλεκτρόδια όσον αφορά τα ενεργά υλικά. Για μεγαλύτερες χωρητικότητες που έχουν δημιουργηθεί από την παράλληλη σύνδεση ηλεκτροδίων ή κυττάρων ή από μεγαλύτερα ηλεκτρόδια, η κανονικοποίηση του ρεύματος ως προς την χωρητικότητα είναι ένα κατάλληλο μέτρο. Ως εκ τούτου, τα ρεύματα μπαταρίας εκφράζονται ως πολλαπλάσια της χωρητικότητας σε αμπερ – ώρες ή ως πολλαπλάσια του ρεύματος εκφόρτισης που καθορίζεται από τη χωρητικότητα. Για μια μπαταρία με χωρητικότητα C = 100 Ah, ένα ρεύμα 10Α ορίζεται ως 0.1 x C. Στο παράδειγμα, τα 100 Α καλούνται C – rate.  Το I10 είναι το ρεύμα που εκφορτίζει μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία μέσα σε 10 ώρες στην καθορισμένη τελική τάση εκφόρτισης. Η τυπική ονοματολογία για τη χωρητικότητα είναι Cx , όπου x είναι ο χρόνος μέσα στον οποίο η μπαταρία εκφορτίζεται. Για παράδειγμα, C10 = 10 h x I10 ή C10 = 100 Ah , I10 = 10 A = 0.1 x C10.

Αξίζει να σημειωθεί ότι το 1 x I10 δεν είναι ισοδύναμο με το 10 x I100  αφού η χωρητικότητα C100 είναι γενικά μεγαλύτερη από τη χωρητικότητα C10[3].

 

4.9 Χρόνος ζωής

 Ο χρόνος ζωής μιας μπαταρίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες λειτουργίας και από τις στρατηγικές ελέγχου. Ο όρος χρόνος ζωής, έχει διαφορετική σημασία για τις πρωτεύουσες και για τις δευτερεύουσες μπαταρίες. Ο χρόνος ζωής (ή ζωή «ραφιού» - shelf life) στις πρωτεύουσες μπαταρίες περιορίζεται από την αυτοεκφόρτισή τους και ορίζεται συνήθως σαν ο χρόνος που χρειάζεται η μπαταρία για να φτάσει το 90% της αρχικής της χωρητικότητας. Αντίθετα, ο χρόνος ζωής των δευτερευουσών μπαταριών ορίζεται σαν τη διάρκεια ικανοποιητικής επίδοσης που μετράται σε χρόνια (float ή ημερολογιακός χρόνος ζωής) ή σαν τον αριθμό των κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης (κύκλος ζωής). Το κριτήριο τέλους ζωής για τις δευτερεύουσες μπαταρίες καθορίζεται συνήθως από το χρόνο που απαιτείται για να φτάσει η μπαταρία το 80% της αρχικής της χωρητικότητας. Ο αριθμός των κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης τυπικά αυξάνεται καθώς μειώνεται το DOD. Και οι δύο τύποι χρόνου ζωής των δευτερευουσών μπαταριών, επηρεάζονται από έναν αριθμό συνθηκών, μεταξύ αυτών από τη θερμοκρασία κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, το DOD, το ρεύμα φόρτισης και εκφόρτισης, τη μέθοδο ελέγχου της φόρτισης, την έκθεση σε υπερφόρτιση και/ή υπερεκφόρτιση και τη διάρκεια και τις συνθήκες αποθήκευσης. 

 

4.10 Αυτοεκφόρτιση

 Αυτοεκφόρτιση ονομάζεται η απώλεια φορτίου σε μια μπαταρία αν αυτή αφεθεί σε κατάσταση ανοικτού κυκλώματος για υπολογίσιμο χρονικό διάστημα. Για παράδειγμα, σε μια πρωτεύουσα μπαταρία που είναι τοποθετημένη στο ράφι ενός καταστήματος για μερικά χρόνια δε θα έχει απομείνει ολόκληρη η χωρητικότητά της. Για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης συνήθως αντιστοιχεί σε ένα ποσοστό χωρητικότητας που χάνεται ανά μήνα όταν αρχίζουμε με μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία, πρέπει όμως να αναφέρεται μαζί με τη θερμοκρασία της μπαταρίας. Σε πολλές περιπτώσεις, ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης διπλασιάζεται για κάθε αύξηση 10οC στη θερμοκρασία της μπαταρίας. Στους περισσότερους υπολογισμούς για φωτοβολταϊκές μπαταρίες, ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης των προτιμώμενων τύπων μπαταριών είναι χαμηλός (μεταξύ 1 και 4% ανά μήνα σε θερμοκρασία 20 – 25οC ) και η αυτοεκφόρτιση απαιτεί τόσο μικρό ποσοστό επιπρόσθετης φόρτισης συγκριτικά με το φορτίο (ή ακόμα και τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό ελέγχου) που μπορεί εύκολα να αγνοηθεί[10]. 

4.11 Κατάσταση υγείας 

 Η κατάσταση της υγείας ορίζεται σαν ο λόγος της πραγματικά μετρούμενης χωρητικότητας και της ονομαστικής χωρητικότητας. Η κατάσταση υγείας υποδεικνύει σε ποιο βαθμό η μπαταρία είναι ακόμα ικανή να πληροί τις απαιτήσεις του συστήματος. Σύμφωνα με τα πρότυπα, οι μπαταρίες μολύβδου οξέος είναι στο τέλος της ζωής τους αν η κατάσταση της υγείας τους είναι κάτω από 80%. Παρ’όλα αυτά, οι μπαταρίες μπορούν να λειτουργήσουν για πολύ περισσότερο, οι μέρες αυτονομίας τους όμως μειώνονται αναλόγως και το σύστημα μπορεί να μην είναι σε θέση να ικανοποιήσει πλέον τις ενεργειακές απαιτήσεις. Μπαταρίες που λειτουργούν σε κατάσταση υγείας περίπου 50% συναντώνται συχνά, κυρίως σε υβριδικά συστήματα. Αυτό έχει σαν συνέπεια το μερίδιο της γεννήτριας να αυξάνεται[3]. 

4.12 Ρυθμός εκφόρτισης, ρυθμός φόρτισης

 Οι ρυθμοί εκφόρτισης και φόρτισης είναι βολικές κλίμακες για τη σύγκριση ρευμάτων στα οποία φορτίζονται οι μπαταρίες, ανεξάρτητα από τη χωρητικότητά τους. Εκφράζονται ως ένας αριθμός ωρών, π.χ. ο ρυθμός 10 ωρών, 240 ωρών κλπ. Το ρεύμα στο οποίο αντιστοιχούν είναι η κατάλληλη ολική χωρητικότητα εκφόρτισης διαιρεμένη με τον αριθμό των ωρών[10]:  

Για παράδειγμα, C/10 (ρυθμός 10 ωρών) είναι ένα ρεύμα που ισούται με την ονομαστική χωρητικότητα σε Ah διαιρεμένη δια 10. 

 

Στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα, η μπαταρία είναι το πιο αδύναμο στοιχείο αφού το προσδόκιμο ζωής της είναι συνήθως αρκετά μικρότερο από ότι όλων των άλλων στοιχείων του συστήματος και για το λόγο αυτό είναι και το πιο ακριβό στοιχείο με το 30% ή και περισσότερο του κόστους ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος καθ’όλη τη διάρκεια της ζωής του να οφείλεται στο σύστημα αποθήκευσης. 

 Παρέχεται ανάλυση των προβλημάτων που αντιμετωπίζουν  οι μπαταρίες μολύβδου οξέος (που είναι ο βασικός τύπος μπαταριών που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση στα φωτοβολταϊκά συστήματα) και οι τρόποι αντιμετώπισής τους με σκοπό αφενός την επέκταση της διάρκειας της  χρήσιμης ζωής των μπαταριών αυτών και αφετέρου τη μείωση του κόστους συντήρησης και αντικατάστασής τους.

 Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στο πρόβλημα της θειίκωσης, το οποίο έχει αποδειχθεί ο σημαντικότερος παράγοντας γήρανσης και τελικά καταστροφής της πλειοψηφίας των μπαταριών μολύβδου οξέος που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα και παρουσιάζονται τεχνικές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόληψη και την αντιμετώπιση του πολύ σοβαρού αυτού προβλήματος.  

Η πύλη σας για τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας