Журнал -производственного предприятия “ КВАНТ“ (стр. 6 )

При этих допущениях применение литий-ионных аккумуляторов (на основе литированного фосфата железа) становится наиболее выгодным. Существенные капитальные затраты на применение титанатных аккумуляторов не обеспечивают им преимущества по сравнению с альтернативными решениями даже с учетом выдающихся ресурсных параметров.

  Таблица 4

Массогабаритные параметры накопительного блока для базовых вариантов устройства

Тип аккумулятора	Масса, кг	Объем, м3	Эффективная энергоёмкость, Вт·ч	Номинальная энергоёмкость, Вт·ч
Свинцово-кислотные (AGM)	855	0,8	6410	21370
Литий-ионные (на основе литированного фосфата железа)	153	0,12	6410	9160
Литий-ионные (на основе нанострукту-рированного титаната лития)	102	0,1	6410	7120

  Таблица 5

Оценка влияния эксплуатационных затрат для разных типов аккумуляторов,

применяемых в составе устройства

Тип аккумуляторов	Стоимость устройства, тыс. руб.	Количество замен аккумуляторов за 20 лет	Стоимость устройства с учетом замен аккумуляторов, тыс. руб.
Свинцово-кислотные (AGM)	99,9	6	460
Литий-ионные (на основе литированного фосфата железа)	85,3	2	141
Литий-ионные (на основе наноструктурирован-ного титаната лития)	311,3	0	311,3

Основными проблемами на пути применения литий-ионных аккумуляторов любых типов в солнечных энергоустановках на сегодняшний день представляются следующие:

- разработка контроллера заряда, адаптированного для работы с литий-ионными аккумуляторами, учитывающего напряжения заряда и разряда литий-ионных аккумуляторов;

- разработка активной системы выравнивания напряжений на ЛИА.

Первая проблема обусловлена особенностями вольт-амперной характеристики  фотоэлектрического модуля  (рис. 4).

Очевидно, что подключение произвольной нагрузки к модулю, скорее всего, приведет к неоптимальному отбору мощности, так как существует зона значений силы тока, где напряжение на модуле претерпевает существенное падение. Такой нагрузкой может быть, к примеру, глубоко разряженный аккумулятор. Для предотвращения неоптимального отбора мощности используются приборы, называемые контроллерами заряда. Они выпускаются целым рядом компаний и могут использоваться как для поддержания оптимальных режимов отбора мощности с солнечных батарей, так и для заряда аккумуляторов. Контроллер заряда также необходим для поддержания безопасного тока заряда и разряда аккумуляторной батареи во избежание ее перегрева и разложения электролита, а также для ограничения глубины разряда во избежание существенного снижения срока службы. Большинство присутствующих на рынке решений по управлению мощностью фотоэлектрических модулей адаптированы к работе с СКА.

 

В этой связи в ОИВТ РАН совместно с «ЭНЕРГИЯ» начата проработка активной системы выравнивания напряжений для батареи ЛИА (экспериментальный образец на испытаниях в составе 6-элементной батареи на основе литий-железофосфатных аккумуляторов энергоемкостью 90 А·ч приведен на рис. 5) и контроллера заряда с алгоритмом отслеживания точки максимальной мощности фотоэлектрического модуля, адаптированного под работу с ЛИА (рис. 6).

Контроль точки максимальной мощности осуществляется посредством алгоритма P&O (perturb and observe): контроллер увеличивает ток, отбираемый от ФЭМ, и отслеживает изменение напряжения. Если напряжение падает, то возвращается прежнее значение тока, в противном случае ФЭМ переводится в новую точку вольтамперной характеристики.

Контроллер солнечной батареи представляет собой мощный понижающий DC-DC преобразователь на основе контроллера c широтно-импульсной модуляцией LTC1339.

   

Выводы

1. Применение литий-ионных аккумуляторов в системах с возобновляемыми источниками энергии позволяет в ряде случаев обеспечить снижение капитальных и эксплуатациионных затрат по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами.

2. Наиболее перспективными для применения в системах с возобновляемыми источни-ками энергии представляются литий-ионные аккумуляторы с анодом на основе литиро-ванного оксида титана, однако на сегодняшний день их стоимость достаточно велика для широкого применения. Альтернативной в этом случае видятся аккумуляторы с ка-тодом на основе литированного фосфата железа и анодом из литированного углерода.

3. Для интеграции литий-ионных аккумуляторов важно решить задачи построения надежной системы управления батареей аккумуляторов и солнечной батареей.

Литература

1. Накопители электрической энергии для систем на основе ВИЭ: современное состояние и перспективы развития // Материалы восьмой всероссийской научной молодежной школы с международным участием. М.: Университетская книга, 2012, стр. 148 - 185.

2. John Baker. New technology and possible advances in energy storage//Energy Policy 36 (2008) 4368 - 4373.

3. истемы баланса литий-ионных батарей//Силовая электроника, № 1 (2009). С. 52 - 55.

4. B. Scrosati, J. Garche. Lithium batteries: Status, prospects and future, //Journal of Power Sources 195 (2010) 2419-2430.

5. Интернет-ресурс The NASA Surface Meteorology and Solar Energy Data Set http://eosweb. larc. nasa. gov/sse, дата обращения 28. 04. 2013 г.

6. , , Климатические данные для возобновляемой энергетики (база климатических данных).

7. Учебное пособие. М.: ОИВТ РАН, 2010. 56 С.

8. , , Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. М.: ОИВТ РАН, 2010. 84 С.

9. TRNSYS – The Transient System Simulation Program // 2013. http://www. ;

10. Численные стохастические модели временных метеорологических рядов и их прикладные возможности // Труды ГГО. 2008. Вып. 557. С. 36 - 54.

11. , , Анализ эффективности использования автономных фотоэлектрических систем наружного освещения в климатических условиях Москвы и юга России // Теплоэнергетика № 11, 2012, с. 19-25.

12. Выбор и обоснование оптимального состава автономного фотоэлектрического све-тосигнального устройства для условий Московского региона /, , (Ткачева) // Теплоэнергетика (2014), в печати.

13. Web-сайт компании «Ваш солнечный дом», http://www. solarhome. ru/ru/batteries/index. htm, дата обращения 09. 08. 2013 г.

14. , , Автономная фотоэлектрическая энергетическая установка//Известия Томского политехнического университета. 2012. Т. 320. № 4, с. 133 - 138.

15. web-сайт компании Winston Battery Ltd http://www. /products_en. asp. fid=111&fid2=115, дата обращения 11. 12. 2012 г.

16. The AES Corporation Summary of AltairNano Validation Testing, June 27, 2008, http://www. b2i. cc/Document/546/KEMA_Report. pdf.

_________?_________

Перспективы совершенствования и применения

литий-ионных аккумуляторов

, д. х.н.,  , д. х.н.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. Российской академии наук

•

Традиционные литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные  аккумуляторы  (ЛИА)  были  разработаны  в  Японии в начале 90-х гг. прошлого века. В них в качестве отрицательного электрода используется интеркаляционное соединение углерода с литием, а в качестве активного материала положительного электрода — литированные оксиды кобальта. Рабочее напряжение аккумулятора имеет значение 3,5 - 3,8 В.

Кроме литированного оксида кобальта в традиционных ЛИА применяют литированный оксид никеля и литий-марганцевые шпинели, а в последнее время ? литированный фосфат железа LiFePO4. Процессы на таких электродах аналогичны процессам на электроде с литированным оксидом кобальта.

Подавляющее большинство современных ЛИА предназначено для обеспечения работы портативных электронных устройств (сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фото - и видеокамеры, беспроводной инструмент и т. п.) и выпускается в виде изделий емкостью от 1 до 10 А·ч.

Удельная энергия современных литий-ионных аккумуляторов составляет 150 - 200 Вт·ч/кг, что является одним из решающих факторов бурного развития ЛИА. Современные показатели удельной энергии близки к пределу, обеспечиваемому традиционной электрохимической системой. Одна из важных задач при создании аккумуляторов нового поколения сводится к поиску более ёмких электродных материалов.

Наиболее существенной проблемой при разработке ЛИА нового поколения является проблема безопасности. Сейчас ежегодно регистрируется около 20 случаев возгорания или взрывов этих изделий. При многомиллиардном годовом производстве таких аккумуляторов вероятность инцидентов ничтожна. Однако при переходе к более крупным установкам проблема безопасности становится первостепенной.

Литий-ионные аккумуляторы нового поколения

В решении задачи отыскания электродных материалов для анода с большей ёмкостью, чем углерод и литированных оксидов для катода наибольшие успехи достигнуты в отношении отрицательных электродов. Среди материалов, исследован-ных для этой цели можно выделить металлы и сплавы, оксиды металлов, кремний и композиты на его основе, прочие материалы, включая нитриды, фосфиды и т. п.

Уже в ранний период работ по ЛИА предпринимались неоднократные попытки использовать в качестве матрицы для внедрения лития алюминий, олово и другие металлы. Основной проблемой оказалось огромное увеличение удельного объема при внедрении лития, приводящее к разрушению металлической матрицы. Наиболее богатый литием интерметаллид олово имеет состав Li22Sn5, который соответствует удельной емкости 790 мА·ч/г или 2023 мА·ч/см3, при этом удельный объем при переходе от олова к Li22Sn5 возрастает в 2,85 раз.