Журнал -производственного предприятия “ КВАНТ“ (стр. 4 )

7. R. D. Bringans, D. K. Biegelsen, L.-E. Swartz // Phys. Rev. B 1991 V. 44 P. 3054.

8. ,, , //Изв. ВУЗов. Серия: Физика. 2010. 9/2. С. 293.

9. Asai K., Kamei K., Katahama H. // Appl. Phys. Lett. 1997. 71. P. 701.

10. Taylor P. J., Jesser W. A., Benson J. D., Martinka M., Dinan J. H., Bradshaw J., Lara-Taysing M., Leavitt R. P., Simonis G., Chang W., Clark W. W. III, Bertness K. A. //J. Appl. Phys. 2001. 89. P. 4365.

11. Yasufumi Takagi, Yuzo Furukawa, Akihiro Wakahara and Hirofumi Kan1 // J. Appl. Phys., 2010. V.107, P. 063506-1.

12. R. S. Goldman, K. L. Kavanagh, H. H. Wieder, S. N. Ehrlich, and R. M. Feenstra // J. Appl. Phys. 1998. V.83, P. 5137.

13. R. D. Bringans, D. K. Biegelsen, L.-E. Swartz // Phys. Rev. B 1991. V. 44. P. 3054.

14. , , и др. // Изв. РАН, серия физическая, 2011. Т.75, № 5. С. 652.

15. I. Yonenaga and mino // J. Cryst. Growth, 1993, V.126. P. 19.

16. // Поверхность, 2010, № 1. С. 43.

17. , , и др.// Известия РАН. Серия физическая, 2013. Т 77, № 3. С. 264.

_________?_________

       ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА        

Проблемы и перспективы применения литий-ионных
аккумуляторов в наземных энергоустановках на основе ВИЭ

1, 1,2, 1, д. т.н., 1,2,

2, 1

1Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), г. Москва

2Общество с ограниченной ответственностью Центр
«ЭНЕРГИЯ», г. Якутск.

•

Введение

Неравномерность генерации энергии энергоустановками на возобновляемых источниках (прежде всего, использующих солнечную и ветровую энергию), как правило, приводит к необходимости резервирования питания потребителей от сети или от дизель-генератора. В случае автономных (не подключенных к сети) энергосистем в их состав обычно включаются аккумуляторные батареи. Солнечная или ветровая энергоустановка при наличии достаточно интенсивных потоков солнечной или ветровой энергии питает потребителя и обеспечивает заряд батарей, а при их отсутствии или недостаточности питание осуществляется от накопителя. Наиболее распространенное решение по аккумулированию электроэнергии в системах с ВИЭ на сегодняшний день – применение свинцово-кислотных аккумуляторов. Никель-кадмиевые батареи применяются существенно реже [1]. Следует отметить, что в последние годы в разработке новых типов свинцово-кислотных аккумуляторов (СКА) достигнут значительный прогресс: разработаны специальные аккумуляторы для применений в источниках бесперебойного питания с электролитом, инкапсу-лированным в полимерной матрице, для использования в солнечных энергосистемах – созданы СКА с гелевым электролитом и пластинчатыми либо тубулярными электродами. Эти нововведения во многом направлены на преодоление основных недостатков, присущих свинцово-кислотным аккумуляторам: низкая допустимая глубина разряда и весьма ограниченное количество циклов «заряд-разряд». При этом следует отметить, что инновации ведут, как правило, к увеличению стоимости свинцовых аккумуляторов, причем она тем выше, чем выше ресурсные показатели [2].

Большинство литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) характеризуются меньшими проблемами с ресурсом и глубиной разряда, чем СКА. Кроме того, они имеют более высокие удельные энергетические характеристики, что потенциально позволяет снизить габариты накопителей и затраты на создание установок. При создании энергоустановок в отдаленных районах страны существенным может оказаться и снижение транспортной составляющей стоимости, обусловленной необходимостью перевозки меньшего объема/веса компонентов на большие расстояния. Тем не менее, СКА по экономическим показателям остаются пока основным конкурентом в стационарных применениях для ЛИА. Следует иметь в виду, что при относительно высокой удельной стоимости самих литий-ионных аккумуляторов, как правило, требуются дополнительные затраты на более сложные и дорогие, чем у СКА, системы контроля и балансировки, обеспечивающие их безопасную эксплуатацию в составе батарей [3].

В ряде случаев принципиальным преимуществом ЛИА является возможность использования некоторых типов литий-ионных аккумуляторов при отрицательных температурах. Это особенно важно для малых солнечных установок, работающих вне обогреваемых помещений и питающих, например, дорожные знаки, бакены, осветительные устройства, которые находят в последнее время все более широкое применение в различных регионах России.

Как свинцово-кислотные, так и литий-ионные аккумуляторы имеют несколько разновидностей. Существенное влияние на свойства аккумулятора оказывают применяемые катодные и, в меньшей степени, анодные материалы. В качестве катодных материалов широко используются литированные оксиды марганца, никеля/кобальта/алюминия (сложные оксиды), кобальта, а также литированный фосфат железа. Основным анодным материалом остается литированный углерод, но ряд компаний предлагает аккумуляторы на основе нанотитаната лития, отличающиеся рекордными ресурсными показателями, но и высокой стоимостью. Некоторые характеристики различных литий-ионных электрохимических систем представлены в табл. 1.

  Таблица 1

Оценки параметров ЛИА с различными электрохимическими системами [4]

LiCoO2|LiC6	LiFePO4|LiC6	LiMn2O4|LiC6	LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2|Li4Ti5O12
Удельная энергоемкость, Вт·ч/кг	180	70 - 150	120 - 150	70 - 90
Рекомендуемая глубина разряда, %	60	70	80	90
Ресурс, циклов	800	3000-5000	1500	?6000
Напряжение аккумулятора, В	4,2	3,3	3,7	2,1
Цена, долл./Вт·ч	? 3	0,7 - 1,2	? 1	? 3

Ниже, на основание выполненных ОИВТ РАН совместно с НТЦ «Энергия» разработок, в качестве примера представлены результаты сравнительных оценок нескольких вариантов фотоэлектрического светодиодного сигнального устройства с различными типами аккумуляторов, характеризующегося средней потребляемой мощностью 4 Вт и пиковой мощностью до 25 Вт, предназначенного для кругло-суточного обозначения пешеходных переходов в климатических условиях г. Москвы. Выбор данного объекта для разработки обусловлен резко возросшим интересом городских властей и дорожных служб к широкому использованию таких устройств в дорожном хозяйстве. Только в Москве за последние 2 - 3 года было установлено несколько тысяч автономных фотоэлектрических светосигнальных устройств на улицах города. Установка аналогичных устройств активно ведется и в других городах и регионах страны. Выбранный объект представляется весьма показательным для демонстрации возможностей автономного использования фотоэлектрических источников энергии, а вследствие малой мощности и соответственно небольшой стоимости удобным для отработки и экспериментальной проверки различных технических решений, в том числе по выбору накопителей энергии с учетом климатических условий эксплуатации, существенно влияющих на оптимальный состав и стоимость устройства. При этом следует отметить, что попытка ряда исполнителей, участвовавших в установке данных устройств в г. Москве, использовать готовые изделия, импортируемые в основном из Китая, в условиях Москвы оказалась неудачной. Большая часть светосигнальных устройств оказалась неработоспособной в зимнее время вследствие того, что местные климатические условия ни по поступлению солнечной радиации, ни по продолжительности бессолнечных дней, ни по уровню температур эксплуатации не были учтены должным образом.

РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ

Рассматриваемая система электропитания светосигнального устройства включает в себя следующие основные и наиболее дорогие компоненты: фотоэлектрический преобразователь, аккумуляторная батарея, и контроллер, управляющий работой системы. Одной из главных задач разработки является обоснованный выбор оптимального состава системы электропитания, прежде всего, мощности (площади) фотоэлектрического модуля (ФЭМ) и емкости аккумуляторной батареи при условии обеспечения гарантированности электропитания нагрузки в течение всего года при заданных климатических условиях места эксплуатации устройства. Критерием оптимальности является минимальная стоимость системы электропитания, скомпонованной из имеющегося в распоряжении разработчика широкого набора различных типов ФЭМ и аккумуляторных батарей.

Ясно, что исходя из габаритных ограничений, характерных для рассматрива-емых автономных светосигнальных устройств малой мощности уличного размещения, наиболее подходящими являются ФЭМ из моно - или поликристаллического кремния, имеющие среди широко доступных на рынке фотопреобразователей наибольшие КПД с примерно одинаковыми для разных производителей технико-экономическими характеристиками. Задача выбора типа накопителя энергии не имеет столь же однозначного решения и требует более детального рассмотрения.

Оценка показателя гарантированности электропитания устройства является довольно сложной проблемой в условиях отсутствия надежной актинометрической информации от наземных метеорологических станций. В настоящее время наиболее доступным и достоверным источником климатических и актинометрических данных можно считать лишь базу данных NASA SSE [5, 6, 7]. Погрешность месячных сумм солнечного излучения, приведенных в этой базе, оценивается на уровне 10…15 %, что подтверждается и нами на основе результатов верификации с доступными данными более 50 российских метеостанций в разных районах страны [6, 7].

Помимо среднемесячных сумм солнечной радиации база данных NASA SSE содержит также полезную информацию о повторяемости дней с различным уровнем поступления солнечной радиации в различные месяцы года, в том числе подряд бессолнечных. Ясно, что для выбора емкости накопителя энергии такая информация является важной и может быть положена в основу приближенных инженерных методов оценки. Вместе с тем упрощенные инженерные методы расчета, по нашему мнению, должны подтверждаться более детальным динамическим моделированием работы разрабатываемых установок.