Prodloužení životnosti solární baterie: Průvodce pro výrobce

Co skutečně ovlivňuje životnost baterie

Téměř všechna časná selhání baterií, která jsme zaznamenali u vrácených jednotek, jsou způsobena pěti hlavními faktory:

1. Chyba napětí při nabíjení: Nabíjení nad určeným napětím způsobuje stárnutí baterie v opačném směru – přebití baterie způsobuje korozi a uvolňování plynů; nedostatečné nabíjení zanechává baterii trvale „hladovou“ (nedostatečně nabitou).
2. Hluboké vybíjení: Každé vybíjení nad určitou hranici způsobuje odstranění aktivního materiálu z baterie, který žádný nabíjecí proces není schopen znovu doplnit.
3. Teplota: Vysoké teploty urychlují všechny procesy degradace baterie. Problém je však často nenápadný, protože se nic zásadně nezhorší právě v den, kdy je baterie horká.
4. **Nesprávné udržování baterie při stálém napětí („float management“): Baterie typu olovo-kyselina zažírá sulfáty, i když není v provozu.

5 Stárnutí baterie při stálém stavu nabití: I když je baterie často používána, její životnost se zkracuje, pokud je trvale uložena při 100% stavu nabití.

Všechny výše uvedené faktory představují chyby v provozu, které mohou negativně ovlivnit životnost baterie.

Chemické složení používané v solárních světelných systémech a jejich odolnost vůči jednotlivým faktorům stárnutí

Chemické složení baterií používaných v solárních světelných systémech se liší, a každý typ baterie je odolný vůči jiným faktorům stárnutí: – Některé baterie jsou citlivější na přebití, jiné na nedostatečné nabíjení; – Některé baterie snášejí hluboké vybíjení lépe, jiné méně; – Některé baterie jsou odolnější vůči vysokým teplotám, jiné méně.

Při správném provozu a údržbě baterie lze tedy minimalizovat negativní vlivy těchto faktorů na její životnost.

Chemie	Typická životnost baterie při 80% vybití	Praktický strop vybití, který navrhujeme	Citlivost na teplotu	Poznámky
Olověně-kyselinové baterie	300–500 cyklů	50%	Vysoká; vyžadují nabíjení s kompenzací teploty	Nejnižší náklady na kWh; vyžadují zalévání a ventilaci
VRLA (AGM/gel)	400–800 cyklů	50%	Vysoká	Bezúdržbové; nevyžadují hluboké vybití
LiFePO4 (lithium-železo-fosfát)	2 000–5 000 cyklů	80–90%	Střední; nabíjení při teplotách nižších než ~45 °C	Naše výchozí volba pro použití ve veřejném osvětlení
NMC/NCA (lithium)	1 000–2 000 cyklů	80%	Vysoká; špatná tolerance při skladování při vysokém stavu nabití	Vysoká energetická hustota; vyžadují kvalitní řídicí systém (BMS)

Rozsahy životnosti baterií jsou typickými tržními údaji, nikoli našimi vlastními testovacími výsledky. Považujte je za orientační hodnoty, které můžete zohlednit při rozhodování, nikoli za záruky. Baterie na bázi niklu-kadmia a další typy baterií se v tomto oboru vyskytují, ale jsou vzácné ve veřejném solárním osvětlení a my je nepoužíváme.

Hloubka vybití: nejdůležitější faktor ovlivňující životnost baterie

U akumulátorů s olovnatými články platí jednoduché pravidlo: udržujte průměrnou míru vybití pod 50 %. Akumulátor, který je vybitý až na 80 % svého maximálního možného stavu (DoD – Depth of Discharge), vydrží pouze zlomek svého nominálního životnosti a tato ztráta není nápravitelná. Jako orientační hodnota lze říci, že přibližný dvojnásobek míry vybití sníží počet možných cyklů provozu akumulátoru na polovinu.

Lithiové akumulátory však tolerují hluboké cykly mnohem lépe. Akumulátor typu LiFePO4 může být navržen tak, aby vydržel i při vybití až na 80–90 % svého maximálního stavu, a přitom stále dosáhl tisíců provozních cyklů. Tato tolerance však není oprávněním k nedbalosti – hlubší cykly způsobují větší kolísání napětí, větší tepelné zátěže a menší rezervu energie pro případ nepředvídaných situací. V našich návrzích určujeme dobu provozu tak, aby průměrná míra vybití akumulátoru zůstávala kolem 80 %, přičemž je zohledněna i rezerva energie pro další použití.

Pravidla nabíjení, která chrání akumulátor

Pravidla nabíjení jsou důležitá pro dlouhodobou životnost a bezpečnost akumulátorů. Mezi základní pravidla patří:

Sledujte pokyny výrobce ohledně nabíjení. Kvalitní nabíjecí regulátor již provádí nabíjení pomocí konstantního proudu, poté konstantního napětí (CC/CV); poškození baterie nastává v případě použití nabíječky, která není vhodná pro chemické vlastnosti a napětí baterie. Olověno-kyselinové baterie vyžadují nabíjení s kompenzací teploty. Tato kompenzace obvykle činí přibližně −3 mV/°C na jednotlivé články baterie. Bez ní dochází v létě k přebití baterie a v zimě k nedostatečnému nabíjení; oba tyto problémy se navzájem zhoršují. Lithiové baterie mají omezení při nabíjení v nízkých teplotách. Nevybíjejte většinu lithiových článků při teplotách nižších než 0 °C – nabíjení při teplotách pod bodem mrazu může způsobit vytvoření kovového povlaku na anodě a trvalé snížení kapacity baterie. Kvalitní systém řízení baterie (BMS) zabrání nabíjení při takových teplotách. Vyberte správný nabíjecí regulátor v souladu s panelem a baterií. Správné sladění těchto komponent je klíčové pro úspěšné nabíjení baterie; jinak baterie nemusí být nikdy plně nabitá. Náš kalkulačka pro výběr vhodného regulátoru (/app-a7-controller-sizing) vám pomůže s výběrem, a další informace o typech nabíjecích regulátorů naleznete v našem průvodci MPPT vs PWM MPPT vs PWM.

Teplota: Vysoké teploty jsou pomalým, ale nebezpečným faktorem poškozujícím baterie.

Široce používané zjednodušené pravidlo uvádí, že účinek baterie se zhruba snižuje o polovinu s každými 10 °C nad 25 °C. Jedná se o odhadovou hodnotu, nikoli o přesné údaje z technických tabulek, ale tento fakt je dostatečný k tomu, aby ovlivnil rozhodnutí při návrhu zařízení.

Prostor určený k uložení baterií ve solárním pouličním osvětlení není ideálním místem – nachází se na vrcholu sloupku, na slunci, vedle elektroniky, která sama vytváří teplo. V projektech v horkých klimatech používáme světle barvené kryty baterií, dodržujeme odstup mezi bateriemi a řídicími prvky a tam, kde to je možné, bateriový prostor stíníme. V naší továrně nejčastější příčinou selhání není vyhořelá baterie, ale baterie, která byla přehřáta vlastním krytem.

Uložení baterií: pravidlo 50%

Pokud baterie nebude používána (např. jako záloha, nebo kvůli zpoždění projektu), uložte ji přibližně na 50 % nabití na chladném a suchém místě. Kontrolujte ji každé tři měsíce a doplňujte náboj, pokud se její úroveň sníží. Typická samovolná degradace náboje je přibližně 1–3 % měsíčně u lithiových baterií a 3–5 % měsíčně u olověnokyselých baterií; právě to určuje interval kontroly.

Nikdy neskladujte vyprázdněné lithiové baterie. Systém pro správu baterií (BMS – Battery Management System) spotřebovává i v případě vypnutého zátěže malý, neustálý proud; pokud jsou baterie uskladněny prázdné, může dojít k poklesu jejich napětí pod ochrannou hranici, a články po hlubokém vybití se již nezotaví.

Sledování stavu baterií: Systém BMS sleduje napětí jednotlivých článků, průtok elektrického proudu, teplotu a stav nabití baterie, a vypíná upozornění v případě nadměrného napětí, podměrného napětí nebo nadměrné teploty. Dva z těchto upozornění nesmí být ignorována: opakované výskyty problémů s nadměrnou teplotou znamenají, že problém je ve samotné instalaci, nikoli v bateriích; opakované výskyty problémů s podměrným napětím značí, že baterie nejsou dostatečně výkonné nebo že solární panel není vhodně dimenzován. Je třeba opravit příčinu problému, nikoli pouze vypnout upozornění.

Údržba solárního panelu: Typické ztráty výkonu solárního panelu v důsledku nečištění činí přibližně 5–15 %. Je třeba pravidelně čistit sklo panelu, kontrolovat jeho polohu a orientaci, a ročně provádět kontrolu terminálů na případnou korozi nebo špatně utažené šrouby.

Signály potřebujících výměny baterií – a jak to ověřit před nákupem: Před nákupem nových baterií je důležité ověřit jejich stav pomocí informací poskytovaných systémem BMS. Pokud jsou baterie již po delší dobu vystaveny nadměrným nebo podměrným podmínkám, je pravděpodobné, že potřebují výměnu.

Nejprve se objeví příznaky: světlo zhasíná dříve každý večer, baterie trvá déle, než se plně nabije, nebo dochází k vybití energie při nižším napětí, než tomu bývalo. To ukazuje na snižování kapacity baterie.

Předtím, než utratíte peníze za novou baterii, ověřte její stav. Baterii plně nabijte a poté ji vybíjejte pomocí známého zátěžového zařízení a zaznamenávejte množství vybité energie (v ampérhodinách). Porovnejte tyto údaje s údaji uvedenými na nálepce baterie. Když naměřená kapacita klesne pod přibližně 70–80 % údajů na nálepce, plánujte výměnu baterie – tento limit je naše vnitřní pravidlo, nikoli průmyslový standard.

Pro jednu skupinu baterií neexistuje žádný test: Změna tvaru baterie, únik kapaliny, koroze, neobvyklé teplo nebo neobvyklý zápach znamenají okamžitý výstup baterie z provozu. Nenabíjejte nabobtnalou lithium-baterii. Izolujte ji, uchovávejte ji mimo dosah hořlavých materiálů a považujte ji za zdroj požárního rizika – náš průvodce bezpečností při používání lithium-baterií vysvětluje, co dále udělat.

Co tato stránka nezahrnuje…

Tento průvodce se věnuje bateriovým systémům v solárních osvětlovacích systémech s přímým napájením (DC). Nezabývá se bateriemi pro pohon elektrických vozidel, systémy úložiště energie propojenými s elektrickou sítí, ani samotnou chemií bateriových článků. Pokud plánujete nastavit parametry nového systému, začněte s kalkulačkou pro výběr vhodného řadiče; pokud porovnáváte kompletní solární svítidla, naše kompletní solární uliční svítidla jsou dodávána s bateriovými systémy přizpůsobenými parametrům panelů a zatížení, takže výše uvedené problémy spojené s nesouladem komponent nemohou nastat v důsledku chyby v konstrukci systému.