باتری برق خورشیدی

ویژگی اساسی یک سیستم فتوولتائیک این است که تنها زمانی که نور خورشید در دسترس است برق تولید می شود. برای مکان هایی که در آن فتوولتائیک تنها منبع تولید انرژی باشد، معمولاً به ذخیره سازی نیاز است زیرا تطابق دقیق بین میزان نور موجود خورشید و بار و مصرف کننده دارای محدودیت های خاص خود است. در سیستم های هیبریدی یا اتصال به شبکه (آنگرید)، که در آن ذاتاً باتری ها مورد نیاز نیستند نیز ممکن است به شکل کمکی و برای تطبیق بار یا شرایط توان خروجی گنجانده شوند.

متداول‌ترین نوع ذخیره‌سازی، ذخیره‌سازی شیمیایی است و به شکل باتری، اگرچه در برخی موارد می‌توان از اشکال دیگر ذخیره‌سازی نیز استفاده کرد. به عنوان مثال، برای ذخیره سازی کوچک و کوتاه مدت، می توان از فلایویل یا خازن برای ذخیره سازی استفاده کرد، یا برای سیستم های فتوولتائیک تک منظوره خاص، مانند پمپاژ آب یا تبرید، ذخیره سازی می تواند به شکل آب یا یخ باشد.

در هر سیستم برق خورشیدی که شامل باتری‌ می‌شود، باتری‌ها جزء مرکزی سیستم کلی هستند که به طور قابل‌توجهی بر هزینه، نیازهای تعمیر و نگهداری، پایداری و طراحی سیستم فتوولتائیک تأثیر می‌گذارد. به دلیل تأثیر زیاد باتری ها در یک سیستم فتوولتائیک مستقل از شبکه (آفگرید)، درک خواص باتری ها در درک عملکرد سیستم های فتوولتائیک حیاتی است. پارامترهای مهم باتری که بر عملکرد سیستم فتوولتائیک تأثیر می‌گذارند، نیاز به تعمیر و نگهداری باتری، طول عمر باتری، توان موجود و راندمان است. یک باتری ایده‌آل می‌تواند به طور نامحدود تحت رژیم‌های شارژ و دشارژ دلخواه پر و خالی شود، دارای راندمان بالا، چگالی انرژی بالا، میزان خود-تخلیه ناچیز و کم هزینه باشد. اینها نه تنها با انتخاب اولیه باتری، بلکه با نحوه استفاده از آن در سیستم، به ویژه نحوه شارژ و دشارژ و دمای آن کنترل می شوند. با این حال، در عمل، هیچ باتری نمی تواند صد در صد به مجموعه الزامات ذکر شده دست یابد، حتی اگر برای آن هزینه گزافی پرداخت شود.

مبنای کار باتری

باتری انرژی ذخیره شده در پیوندهای شیمیایی یک ماده را از طریق مجموعه ای از واکنش های اکسیداسیون کاهشی (که معمولاً به اختصار ردوکس می گویند) به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. واکنش‌های ردوکس واکنش‌های شیمیایی هستند که در آن یک الکترون یا مورد نیاز است یا توسط واکنش شیمیایی تولید می‌شود. برای باتری های اولیه، این یک فرآیند یک طرفه است – انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود، اما این فرآیند برگشت پذیر نیست و انرژی الکتریکی نمی تواند به انرژی شیمیایی تبدیل شود. این بدان معناست که باتری اولیه قابل شارژ نیست. نمونه‌هایی از باتری‌های اولیه، باتری‌های مصرفی قلیایی هستند که در چراغ قوه‌ها و غیره استفاده می‌شوند. در باتری ثانویه، فرآیند تبدیل بین انرژی الکتریکی و شیمیایی برگشت‌پذیر است، – انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود، و انرژی الکتریکی می‌تواند به انرژی شیمیایی تبدیل شود، که این امکان را باتری که باید شارژ شود فراهم می‌کند. برای سیستم های فتوولتائیک، تمام باتری های مورد استفاده باید باتری قابل شارژ یا ثانویه باشند. نمونه‌های رایج باتری‌های ثانویه، باتری‌های اسید سرب و باتری‌های لیتیوم یونی هستند که در تجهیزات الکترونیکی مصرف‌کننده با قدرت بالاتر مانند لپ‌تاپ‌های کامپیوتر، دوربین‌های فیلم‌برداری، تلفن‌های همراه و برخی دوربین‌های دیجیتال استفاده می‌شوند.

مشخصات باتری برق خورشیدی

استفاده از باتری در برق خورشیدی با استفاده از باتری در سایر کاربردهای رایج باتری متفاوت است. برای سیستم های فتوولتائیک، از ملاحظات مهم این است که باتری با وجود شرایط مکرر تخلیه تقریباً کامل، عمری طولانی داشته باشد. باتری‌های قابل شارژ متداول در برق خورشیدی، نه عمق دشارژ زیادی را ارائه می‌کنند و نه برای مدت طولانی در وضعیت شارژ کم توان باقی ماندن دارند. اما در مقابل، در باتری‌های (راه‌اندازی) خودروها یا موتورهای دیگر، باتری جریان زیادی را تخلیه می‌کند، اما در بیشتر طول عمر خود شارژ کامل دارد. به طور مشابه، باتری های موجود در منابع تغذیه اضطراری (UPS) برای بیشتر عمر خود در شارژ کامل نگه داشته می شوند. برای باتری ها در لوازم الکترونیکی مصرفی، وزن یا اندازه اغلب مهم ترین شاخصه برای در نظر گرفتن است.

ظرفیت باتری

“ظرفیت باتری” اندازه گیری شارژ ذخیره شده توسط باتری (معمولاً به آمپر ساعت) است و با جرم ماده فعال موجود در باتری تعیین می شود. ظرفیت باتری نشان دهنده حداکثر مقدار انرژی است که می توان تحت شرایط خاص از باتری استخراج کرد. با این حال، قابلیت‌های ذخیره‌سازی انرژی واقعی باتری می‌تواند به میزان قابل توجهی از ظرفیت نامی (اسمی) متفاوت باشد، زیرا ظرفیت باتری به شدت به سن و تاریخچه باتری، رژیم‌های شارژ یا دشارژ باتری و دما بستگی دارد.

واحدهای ظرفیت باتری

انرژی ذخیره شده در باتری که ظرفیت باتری نامیده می شود، بر حسب وات ساعت (Wh)، کیلووات ساعت (کیلووات ساعت) یا آمپر ساعت (Ahr) اندازه گیری می شود. رایج ترین اندازه گیری ظرفیت باتری Ah است که به عنوان تعداد ساعاتی که باتری می تواند جریانی برابر با نرخ تخلیه در ولتاژ اسمی باتری ارائه دهد، تعریف می شود. واحد Ah معمولاً هنگام کار با سیستم های دارای باتری استفاده می شود زیرا ولتاژ باتری در طول چرخه شارژ یا دشارژ متفاوت است. ظرفیت Wh را می توان از ظرفیت Ahr با ضرب ظرفیت AH در ولتاژ اسمی (یا در صورت دانستن میانگین زمانی) باتری تخمین زد. در یک رویکرد دقیق تر، تغییرات ولتاژ را با ادغام ظرفیت AH x V(t) در طول زمان چرخه شارژ در نظر می گیرد. به عنوان مثال، یک باتری 12 ولتی با ظرفیت باتری 500 Ah اجازه ذخیره انرژی تقریباً 100 Ah x 12 V = 1200 Wh یا 1.2 KWh را می دهد. با این حال، به دلیل تأثیر زیاد نرخ شارژ یا دما، برای تجزیه و تحلیل عملی یا دقیق، اطلاعات اضافی در مورد تغییر ظرفیت باتری توسط سازندگان باتری ارائه می شود.

تاثیر نرخ شارژ و دشارژ بر ظرفیت

نرخ شارژ/دشارژ بر ظرفیت نامی باتری تأثیر می گذارد. اگر باتری خیلی سریع تخلیه شود (یعنی جریان تخلیه زیاد باشد)، میزان انرژی قابل استخراج از باتری کاهش می یابد و ظرفیت باتری کمتر می شود. این موضوع به این دلیل است که اجزای لازم برای رخ دادن واکنش لزوماً زمان کافی برای حرکت به موقعیت های ضروری خود را ندارند. تنها کسری از کل واکنش دهنده ها به اشکال دیگر تبدیل می شوند و بنابراین انرژی موجود کاهش می یابد. به طور متناوب، اگر باتری با سرعت بسیار پایین و با استفاده از جریان کم تخلیه شود، انرژی بیشتری می توان از باتری استخراج کرد و ظرفیت باتری بالاتر است. بنابراین، ظرفیت باتری باید شامل نرخ شارژ/دشارژ باشد. یک روش معمول برای تعیین ظرفیت باتری، ارائه ظرفیت باتری به عنوان تابعی از زمان تخلیه کامل باتری است (توجه داشته باشید که در عمل باتری اغلب نمی تواند کاملاً تخلیه شود).

دمای باتری

دمای باتری نیز بر انرژی قابل استخراج از آن تأثیر می گذارد. در دماهای بالاتر، ظرفیت باتری معمولاً بیشتر از دماهای پایین تر است. با این حال، افزایش عمدی دمای باتری روش موثری برای افزایش ظرفیت باتری نیست زیرا این کار باعث کاهش طول عمر باتری نیز می شود.

سن و تاریخچه باتری

سن و تاریخچه باتری تاثیر زیادی بر ظرفیت باتری دارد. حتی زمانی که توصیه‌های سازنده پیرامون DOD را اجرا کنید، ظرفیت باتری برای تعداد محدودی از چرخه‌های شارژ/دشارژ در ظرفیت نامی خود یا نزدیک به آن باقی می‌ماند. تاریخچه باتری تأثیر بیشتری بر ظرفیت دارد، زیرا اگر باتری کمتر از حداکثر DOD باشد، ممکن است ظرفیت باتری زودتر از موعد کاهش یابد و تعداد نامی چرخه شارژ/دشارژ دیگر امکانپذیر نباشد.

پارامترهای شارژ و دشارژ باتری

عملکرد حیاتی باتری در سیستم برق خورشیدی آنجایی است که وقتی منابع دیگر تولید کننده در دسترس نیستند، برق سیستم را تامین کند و از این رو باتری‌ها در سیستم‌های PV چرخه‌های شارژ و دشارژ مداوم را تجربه خواهند کرد. تمام پارامترهای باتری تحت تأثیر چرخه شارژ و شارژ مجدد باتری قرار می گیرند.

وضعیت شارژ باتری (BSOC)

یکی از پارامترهای کلیدی باتری مورد استفاده در سیستم  PV، وضعیت شارژ باتری (BSOC) است. BSOC به عنوان کسری از کل انرژی یا ظرفیت باتری اطلاق می شود که از کل ظرفیت موجود باتری مورد استفاده قرار گرفته است.

وضعیت شارژ باتری (BSOC یا SOC) نسبت مقدار انرژی ذخیره شده در حال حاضر در باتری را به ظرفیت اسمی نامی آن نشان می دهد. به عنوان مثال، برای باتری 80% SOC و با ظرفیت 500 Ah، انرژی ذخیره شده در باتری 400 Ah است. یک روش معمول برای اندازه گیری BSOC اندازه گیری ولتاژ باتری و مقایسه آن با ولتاژ یک باتری کاملا شارژ شده است. با این حال، از آنجایی که ولتاژ باتری به دما و همچنین وضعیت شارژ باتری بستگی دارد، این اندازه گیری فقط یک ایده تقریبی از وضعیت شارژ باتری ارائه می دهد.

عمق تخلیه

در بسیاری از انواع باتری ها، بدون اینکه آسیب جدی و اغلب جبران ناپذیری به باتری وارد شود نمی توان انرژی کامل ذخیره شده در باتری را برداشت (به عبارت دیگر، باتری را نمی توان به طور کامل تخلیه کرد). عمق تخلیه (DOD) یک باتری کسری از توان قابل برداشت از باتری را تعیین می کند. به عنوان مثال، اگر DOD یک باتری توسط سازنده به عنوان 25٪ داده شود، آنگاه تنها 25٪ از ظرفیت باتری می تواند توسط بار استفاده شود.

تقریباً تمام باتری‌ها، به‌ویژه برای کاربردهای انرژی‌های تجدیدپذیر، از نظر ظرفیت رتبه‌بندی می‌شوند. با این حال، انرژی واقعی که می توان از باتری استخراج کرد اغلب (به ویژه برای باتری های اسید سرب) به طور قابل توجهی کمتر از ظرفیت نامی است. این امر از آنجا رخ می دهد که، به ویژه برای باتری های اسید سرب، استخراج ظرفیت کامل از باتری به طور چشمگیری باعث کاهش طول عمر آن می شود. عمق تخلیه (DOD) کسری از ظرفیت باتری است که می توان از باتری استفاده کرد و توسط سازنده مشخص می شود. به عنوان مثال، یک باتری 500 Ah با DOD 20% فقط می تواند 500Ah x 0.2 = 100 Ah ارائه دهد.

عمق تخلیه روزانه

علاوه بر تعیین عمق کلی تخلیه، سازنده باتری معمولاً عمق تخلیه روزانه را نیز مشخص می کند. عمق تخلیه روزانه حداکثر انرژی قابل استخراج از باتری را در یک دوره 24 ساعته تعیین می کند. به طور معمول در یک سیستم PV در مقیاس بزرگتر (مانند خانه های دورافتاده)، بانک باتری ذاتاً به گونه ای مازاد اندازه تعیین می شود که عمق تخلیه روزانه به یک معضل اضافی تبدیل نشود. با این حال، در سیستم‌های کوچک‌تری که ذخیره‌سازی نسبتاً کمی دارند، ممکن است نیاز به محاسبه عمق تخلیه دقیق روزانه وجود داشته باشد.

نرخ شارژ و دشارژ

یک روش معمول برای تعیین ظرفیت باتری، ارائه ظرفیت باتری به عنوان تابعی از زمان تخلیه کامل باتری است (توجه داشته باشید که در عمل باتری را غالبا نمی تواند کامل تخلیه کرد). علامت مشخص کردن ظرفیت باتری به صورت Cx نوشته می شود، به طوری که x زمان بر حسب ساعت است که تخلیه باتری طول می کشد. C10 = Z (همچنین به شکل C10 = xxx نوشته می شود) به این معنی است که ظرفیت باتری زمانی که باتری در 10 ساعت تخلیه می شود Z است. وقتی سرعت تخلیه به نصف می رسد (و زمان تخلیه باتری دو برابر می شود و به 20 ساعت می رسد)، ظرفیت باتری به Y افزایش می یابد. نرخ دشارژ هنگام تخلیه باتری در 10 ساعت با تقسیم ظرفیت بر زمان مشخص می شود. بنابراین، C/10 نرخ شارژ است. همچنین ممکن است به صورت 0.1C نوشته شود. در نتیجه، مشخصات C20/10 (همچنین به شکل 0.1C20 نوشته می‌شود) نرخ شارژی است که وقتی ظرفیت باتری (اندازه‌گیری شده زمانی که باتری در 20 ساعت تخلیه می‌شود) در 10 ساعت تخلیه می‌شود. چنین نمادهای نسبتاً پیچیده ای ممکن است زمانی ایجاد شوند که نرخ شارژ بالاتر یا پایین تر برای دوره های زمانی کوتاه استفاده شود.

رژیم های شارژ و دشارژ

هر نوع باتری دارای مجموعه خاصی از محدودیت ها و شرایط مربوط به رژیم شارژ و دشارژ آن است و بسیاری از انواع باتری ها به رژیم های شارژ یا کنترل کننده های شارژ (کنترلر) خاصی نیاز دارند. به عنوان مثال، باتری های نیکل کادمیوم باید قبل از شارژ تقریباً به طور کامل دشارژ شوند، در حالی که باتری های اسید سرب هرگز نباید کاملاً تخلیه شوند. علاوه بر این، ولتاژ و جریان در طول چرخه شارژ برای هر نوع باتری متفاوت خواهد بود. به طور معمول، یک شارژر باتری یا کنترل کننده شارژ که برای یک نوع باتری طراحی شده است را نمی توان با نوع دیگری استفاده کرد.

طول عمر باتری

طول عمر یک باتری ممکن است به روش های مختلف و بسته به کاربرد آن تعیین شود. برای کاربردهایی که باتری به طور منظم شارژ و دشارژ می‌شود (مانند سیستم‌های فتوولتائیک)، مناسب‌ترین راه اندازه‌گیری طول عمر، تعداد چرخه‌های شارژ/دشارژ است که طی آن باتری کسری معین از ظرفیت خود را حفظ می‌کند.

از آنجایی که باتری ها ذاتاً شامل واکنش های شیمیایی هستند و واکنش پذیرند، مواد مورد استفاده در باتری ها مستعد واکنش های متناوبی هستند که عملکرد باتری را کاهش می دهند. در سیستم‌هایی که اغلب چرخه‌های شارژ/دشارژ را تجربه نمی‌کنند (مانند منابع تغذیه بدون وقفه)، طول عمر باتری به طور مناسب‌تری بر حسب سال مشخص می‌شود. استفاده نادرست از باتری می تواند تا حد زیادی پیر شدن باتری را تسریع کند و تعداد چرخه هایی را که می توان از باتری استفاده کرد را کاهش داد.

عمر باتری یا بر حسب سال (اگر کاملاً شارژ باقی بماند یا در تعداد چرخه تحت مجموعه ای از شرایط معین (از جمله دما و DOD) تعریف می شود.

الزامات تعمیر و نگهداری

نوع باتری مورد استفاده تأثیر مهمی بر نیاز به تعمیر و نگهداری باتری خواهد داشت. برخی از انواع واکنش‌های باتری، گازها و مواد دیگری را تولید می‌کنند که حجم اجزای باتری را تغییر می‌دهند. در مواردی که حجم باتری تغییر می کند، مهر و موم نگه داشتن باتری دشوارتر است و برای جبران چرخه تکاملی گازها، به باتری باید ترکیبات شیمیایی خاصی (معمولاً به آب مقطر) اضافه شود. یک باتری مهر و موم و آب بندی شده هیچ ماده ای را با محیط اطراف خود مبادله نمی کند. چنین باتری نسبت به باتری که در آن عناصر مختلف باتری با محیط اطراف تعامل دارند، نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری دارد. تقریباً تمام باتری‌های اولیه کوچک معمولی به صورت آب بندی و  مهر و موم شده‌اند و نیازی به تعمیر و نگهداری ندارند، اما بسیاری از باتری‌های ثانویه، به‌ویژه باتری‌های سرب اسیدی، به برنامه نگهداری دقیقی نیازمندند.

حالات ناکارایی باتری

یک باتری ممکن است بنابه حالاتی خراب شود و از کار بیافتد. بعضی از این حالت ها عبارتند از: اتصال کوتاه، تخریب مواد الکترود، انجماد، افزایش مقاومت.

ولتاژ باتری

ولتاژ باتری مشخصه اصلی آن است که توسط واکنش های شیمیایی در باتری، غلظت اجزای باتری و قطبیت باتری تعیین می شود. ولتاژ محاسبه شده در شرایط تعادل معمولاً به عنوان ولتاژ اسمی باتری شناخته می شود. در عمل، ولتاژ اسمی باتری را نمی توان به آسانی اندازه گیری کرد، اما برای سیستم های عملیاتی شده باتری (که در آنها اضافه ولتاژ و اثرات غیر ایده آل کم است) ولتاژ مدار باز، تقریب خوبی برای ولتاژ اسمی باتری است.

از آنجایی که پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) در اکثر واکنش های شیمیایی در حد 2 ولت است در حالی که ولتاژ مورد نیاز بارها معمولاً بزرگتر است، در بیشتر باتری ها، تعداد زیادی سلول باتری جداگانه به صورت سری به هم متصل می شوند. به عنوان مثال، در باتری های سرب اسیدی، ولتاژ هر سلول حدود 2 ولت است و شش سلول برای تشکیل یک باتری اسید سرب معمولی 12 ولت به هم متصل شده اند.

سایر پارامترهای الکتریکی باتری

مقاومت سری داخلی باتری

مقاومت سری داخلی باتری حداکثر جریان تخلیه باتری را تعیین می کند. در نتیجه، برای کاربردهایی که در آن باتری‌ها باید توان لحظه‌ای بالایی را ارائه کنند، مقاومت سری داخلی باید کم باشد. علاوه بر این، مقاومت سری بر کارایی باتری تأثیر می گذارد، اما ممکن است با افزایش سن باتری تغییر کند.

خود-تخلیه باتری

خود تخلیه به این واقعیت اشاره دارد که حتی در صورت عدم وجود بار متصل، واکنش تخلیه به میزان محدودی ادامه می یابد و بنابراین باتری به مرور زمان خود را تخلیه می کند. سرعت خود تخلیه در درجه اول به مواد درگیر در واکنش شیمیایی (یعنی نوع سیستم باتری) و نیز دمای باتری بستگی دارد.

جریان میل لنگ سرد

حداکثر جریانی که یک باتری می تواند برای مدت زمان کوتاهی ایجاد کند، جریان میل لنگ نامیده می شود. این پارامتر اغلب برای وسایل نقلیه مشخص می شود، که در آن باتری باید جریان کافی برای راه اندازی یک موتور بزرگ را فراهم کند و معمولاً پارامتر مهمی در سیستم های PV نیست.