Malý fotovoltaický ostrovní systém – akumulátor a úschova energie

[Seriál článků o konstrukci malého fotovoltaického systému v bytě]

Energii, kterou vyrobí solární panely, je samozřejmě možné ihned spotřebovat, ale daleko častější je nutnost tuto energii uchovat pro pozdější použití. Přeci jenom, doma svítíte většinou až když nesvítí slunce. Nebo jste přes den v práci a počítač si pustíte až když přijdete v podvečer domů.

Výběr akumulátoru

Existuje celá řáda typů akumulátorů. Pravděpodobně nejpoužívanějším typem akumulátorů v ostrovních fotovoltaických systémech jsou olověné akumulátory s kyselinou uvnitř. Nejsou ale zdaleka nejvhodnější, spíš nejlevnější na pořízení.

O olověných akumulátorech psát nebudu, to již udělali jiní – Jaký trakční akumulátor. Ale nepodlehněte dojmu, že to je jediná možnost. Jak se zde dočtete dále, jsou lepší cesty. Olověný jsem si nevybral a vysvělím proč.

Při používání jakéhokoli akumulátoru v solárním systému musíme zvážit tyto parametry:

• pořizovací cena
• životnost, která ale téměř zcela závisí na dalším bodě a to je
• průměrná hloubka vybíjení (% DOD = depth of discharge)
  
• odolnost vůči prostředí

I já jsem na začátku zvažoval pořízení nějakého bezúdržového olověného akumulátoru, technologie VLRA (valve-regulated lead–acid). Tak se označují ventilem řízené olověné akumulátory. Elektrolyt je nasáknut ve skelné vatě (označení AGM) nebo je zahuštěný ve formě gelu.
Největší problém je ovšem cyklické používání, které velmi výrazně zkracuje životnost.

Cyklické používání a životnost

Jako jeden cyklus akumulátoru se označuje jedno vybití a nabití (obvykle ze 100% na 20% a znovu na 100%). Při hodnocení vhodnosti akumulátoru musíme být opatrní. Výrobce může inzerovat, že životnost je například 8 let, ale drobným písmem uvede, že to platí při hloubce vybíjení 10-20%. Jinými slovy ze 100Ah aku smíte vybít maximálně 20Ah a pak musí následovat opět dobití na plnou kapacitu.

Při tak lehkém vybíjení je pravděpodobně možné dosahnout inzerované životnosti. Tento způsob provozu je ale velmi vzdálen reálnému.

Počet cyklů, hloubka vybíjení a životnost akumulátoru jsou propojené veličiny. Je-li akumulátor každý den vybíjen z 50%, vydrží déle, než když je vybíjen z 80%. Když bude hloubka vybíjení vysoká, například 90%, nemusí olověná baterie vydržet ani 2 roky.

Graf znázorňující vztah mezi hloukou vybití v procentech (osa x) a počtem cyklů, které baterie zvládne (osa y) (zdroj windsun.com)

Z těchto zkušeností jasně vyplývá, že pokud bych chtěl použít olověné akumulátory, musel bych plánovanou kapacitu navýšit minimálně 4x, abych zajistil průměrnou hloubku vybití cca 25%, v takovém případě by akumulátor mohl vydržet i 2000 cyklů = 5+ let každodenního provozu.

Z nákupní ceny 2350,- Kč za 45Ah je ale rázem 4x 2350 = 9400,- Kč.  A nelze přehlédnout ani hmotnost takové hromady olova, odhadem 60kg.
Jednotlivé typy olověných akumulýtorů se samořejmě můžou lišit, některé mohou být kvalitnější a vydrží více, ale v obecné rovině platí výše uvedené.

V průběhu nabíjení mohou také vznikat v akumulátoru nebezpečné plyny a skrz ventil se uvolnit do okolí. Jelikož budu mít akumulátor v bytě, rád bych se tomuto typu vyhnul.

Lithium na scéně – LiFeYPO4

Když jsem procházel forum energetické nezávislosti MyPower.cz, narazil jsem i na zkratku LiFeYPO4.
Lithium-železo-fosfátový (LiFePO₄) akumulátor (také označovaný „LFP“) je zcela nový druh akumulátoru, který byl objeven výzkumnou skupinou na Texaské univerzitě v roce 1996.

A vlastnosti totoho typu mě přímo nadchnuly:

• životnost 4000 až 8000 cyklů! (i poté pouze pokles kapacity na přibližně 80%!)
• schopnost dodávat vysoký proud při špičkových odběrech
• téměř zde neexistuje samovybíjení
• nízká výrobní cena
• neobsahuje žádné toxické látky, jedy, žíraviny nebo kyseliny
• dostupnost železa
• vynikající tepelná stabilita
• bezpečnost – nevznikají žádné plyny
• vysoká specifická kapacita (170 mAh / g)
• nemají paměťový efekt

Nákupní cena za 1W uchované energie je mírně vyšší, ale je to kompenzováno daleko delší životností a uvedenými vlastnostmi.

Takto vypadají jednotlivé články akumulátoru. Jeden článek má nominální napětí 3.2V.
Cena za článek LiFeYPO4 (3.2V/40Ah) je přibližně 1400Kč. Pro 12V akumulátor potřebujeme 4 takové články.

Články LiFeYPO4, napětí 3.2V a nominální kapacita 40Ah

Pro svůj malý ostrovní systém jsem se rozhodl pro LiFeYPO4. V dalším článku popíšu jejich pořízení, sestavení článků do 12V packu a iniciační nabíjení.