DKSESS 100KW VÕRGUST VÄLJASPOOL TOODETUD/HÜBRIID KÕIK-ÜHES PÄIKESEENERGIA SÜSTEEM

Akude võrdlus energiasalvestussüsteemis
Aku tüüpi energia salvestamine on keemiline energia salvestamine. Valitud aku tüübi järgi saab selle jagada pliiakudeks, liitiumakudeks, nikkelvesinikpatareideks, vedelikvoolupatareideks (vanaadiumakudeks), naatriumväävlipatareideks, plii-süsinikpatareideks jne.

1. Pliiaku
Pliiakud jagunevad kolloid- ja vedelikpatareideks (nn tavalised pliiakud). Neid kahte tüüpi akusid kasutatakse erinevates piirkondades. Kolloidpatareidel on tugev külmakindlus, nende tööefektiivsus on alla 15 °C temperatuuril palju parem kui vedelikpatareidel ning nende soojusisolatsiooni omadused on suurepärased.

Kolloidne pliiaku on tavalise pliiaku täiustatud versioon vedela elektrolüüdiga. Kolloidne elektrolüüt asendab väävelhappe elektrolüüti, mis on tavalisest akust parem ohutuse, mahutavuse, tühjenemisvõime ja kasutusea poolest. Kolloidne pliiaku kasutab geelelektrolüüti ja selle sees ei ole vaba vedelikku. Sama mahu juures on elektrolüüdil suur mahtuvus, suur soojusmahtuvus ja tugev soojuseraldusvõime, mis aitab vältida tavalistele akudele omast termilist läbimurret; elektroodiplaadi korrosioon on madala elektrolüüdi kontsentratsiooni tõttu nõrk; kontsentratsioon on ühtlane ja elektrolüüdi kihistumist ei toimu.

Tavaline pliiaku on aku, mille elektrood koosneb peamiselt pliist ja selle oksiidist ning elektrolüüt on väävelhappelahus. Pliiaku tühjenemisolekus on positiivse elektroodi põhikomponendiks pliidoksiid ja negatiivse elektroodi põhikomponendiks plii; laadimisolekus on positiivse ja negatiivse elektroodi põhikomponendid pliisulfaat. Üheelemendilise pliiaku nimipinge on 2,0 V, mida saab tühjendada 1,5 V-ni ja laadida 2,4 V-ni; rakenduses kasutatakse sageli järjestikku kuut üheelemendilist pliiaku, moodustades nimipingega 12 V pliiaku, aga ka 24 V, 36 V, 48 V jne.

Selle eelised hõlmavad peamiselt: ohutut tihendusmaterjali, õhu väljalaskesüsteemi, lihtsat hooldust, pikka kasutusiga, stabiilset kvaliteeti, kõrget töökindlust ja hooldusvaba olekut; puuduseks on suur pliireostus ja madal energiatihedus (st liiga raske).

2. Liitiumaku
„Liitiumaku” on aku, mille katoodmaterjaliks on liitiummetall või liitiumisulam ja elektrolüüdilahus mittevesilahuses. See jaguneb kahte kategooriasse: liitiummetallaku ja liitiumioonaku.

Liitiummetallakudes kasutatakse katoodimaterjalina tavaliselt mangaandioksiidi, metallilist liitiumi või selle sulamit ning mittevesilahustuvaid elektrolüüte. Liitiumioonakudes kasutatakse katoodimaterjalina tavaliselt liitiumisulami oksiide, katoodimaterjalina grafiiti ja mittevesilahustuvaid elektrolüüte. Liitiumioonakud ei sisalda metallilist liitiumi ja neid saab laadida. Energia salvestamisel kasutatav liitiumaku on liitiumioonaku, mida nimetatakse "liitiumakuks".

Energiasalvestussüsteemides kasutatavate liitiumakude hulka kuuluvad peamiselt: liitiumraudfosfaatakud, kolmekomponentsed liitiumakud ja liitiummanganaatakud. Ühekordsel akul on kõrge pinge, lai töötemperatuuri vahemik, kõrge erienergia ja efektiivsus ning madal isetühjenemise määr. Ohutust ja eluiga saab parandada kaitse- ja tasandusahelate abil. Seetõttu, arvestades erinevate akude eeliseid ja puudusi, on liitiumakud oma suhteliselt küpse tööstusahela, ohutuse, töökindluse ja keskkonnasõbralikkuse tõttu saanud energiasalvestuselektrijaamade esimeseks valikuks.

Selle peamised eelised on: pikk kasutusiga, suur energiatihedus, kerge kaal ja tugev kohanemisvõime; Puudusteks on halb ohutus, lihtne plahvatus, kõrge hind ja piiratud kasutustingimused.

Liitiumraudfosfaat
Liitium-raudfosfaataku viitab liitiumioonakudele, mille katoodmaterjalina on liitium-raudfosfaat. Liitiumioonakude katoodmaterjalide hulka kuuluvad peamiselt liitiumkobalaat, liitiummanganaat, liitiumnikkeloksiid, kolmekomponentsed materjalid, liitium-raudfosfaat jne. Liitiumkobalaat on enamiku liitiumioonakude katoodmaterjal.

Liitiumraudfosfaat kui liitiumpatarei materjal ilmus alles hiljuti. 2005. aastal töötati Hiinas välja suure mahutavusega liitiumraudfosfaatpatarei. Selle ohutusnäitajad ja tsükli eluiga on võrreldamatud teiste materjalidega. 1C laadimise ja tühjenemise tsükli eluiga ulatub 2000 korrani. Ühe aku ülelaadimispinge on 30 V, mis ei põle läbi ega torka läbi ega plahvata. Liitiumraudfosfaadi katoodmaterjalist valmistatud suure mahutavusega liitiumioonakud on lihtsam järjestikku kasutada, et rahuldada elektriautode sagedase laadimise ja tühjenemise vajadusi.

Liitiumraudfosfaat on mittetoksiline, saastevaba, ohutu, laialdaselt hangitud tooraine, odav, pika elueaga ja muude eelistega. See on ideaalne katoodmaterjal uue põlvkonna liitiumioonakudele. Liitiumraudfosfaatakul on ka oma puudused. Näiteks on liitiumraudfosfaatkatoodi materjali tampimistihedus väike ja sama mahutavusega liitiumraudfosfaataku maht on suurem kui liitiumioonakudel, näiteks liitiumkobalaatakudel, seega pole sellel mikroakudes eeliseid.

Liitiumraudfosfaadi iseloomulike omaduste tõttu on selle madalatemperatuuriline jõudlus halvem kui teistel katoodmaterjalidel, näiteks liitiummanganaadil. Üldiselt võib ühe elemendi puhul (pange tähele, et tegemist on ühe elemendiga, mitte akupakiga) mõõdetud akupaki madalatemperatuuriline jõudlus olla veidi kõrgem.

See on seotud soojuse hajumise tingimustega), selle mahutavuse säilivusmäär on umbes 60–70% temperatuuril 0 ℃, 40–55% temperatuuril –10 ℃ ja 20–40% temperatuuril –20 ℃. Selline madala temperatuuriga jõudlus ei pruugi ilmselgelt vastata toiteallika kasutusnõuetele. Praegu on mõned tootjad parandanud liitiumraudfosfaadi madala temperatuuriga jõudlust, täiustades elektrolüüdisüsteemi, positiivse elektroodi valemit, materjali jõudlust ja elemendi struktuuri disaini.

Kolmekomponentne liitiumaku
Kolmekomponentne polümeer-liitiumaku viitab liitiumakule, mille katoodmaterjaliks on liitiumnikkel-koobaltmanganaat (Li (NiCoMn)O2). Kolmekomponentne komposiitkatoodmaterjal on toorainena valmistatud niklisoolast, koobaltsoolast ja mangaanisoolast. Nikli, koobalti ja mangaani osakaalu kolmekomponentses polümeer-liitiumakus saab vastavalt tegelikele vajadustele reguleerida. Kolmekomponentse katoodiga aku on liitiumkoobaltpatareiga võrreldes ohutum, kuid selle pinge on liiga madal.

Selle peamised eelised on: hea tsükli jõudlus; puuduseks on piiratud kasutusala. Kolmekomponentsete liitiumakude suhtes kehtivate siseriiklike poliitikate karmistumise tõttu kipub kolmekomponentsete liitiumakude arendamine aga aeglustuma.

Liitiummanganaat aku
Liitiummanganaadi aku on üks paljulubavamaid liitiumioonkatoodimaterjale. Võrreldes traditsiooniliste katoodmaterjalidega, nagu liitiumkobalaat, on liitiummanganaadil eelised rikkalike ressursside, madala hinna, saaste puudumise, hea ohutuse, hea paljunemisvõime jne osas. See on ideaalne katoodmaterjal elektriakude jaoks. Kuid selle halb tsükliline vastupidavus ja elektrokeemiline stabiilsus piiravad oluliselt selle industrialiseerimist. Liitiummanganaat koosneb peamiselt spinell-liitiummanganaadist ja kihilisest liitiummanganaadist. Spinell-liitiummanganaadil on stabiilne struktuur ja seda on lihtne tööstuslikult toota. Tänapäeva turul on kõik selle struktuuriga tooted. Spinell-liitiummanganaat kuulub kuubilisse kristallsüsteemi, Fd3m ruumirühma ja teoreetilise erimahutavusega on 148 mAh/g. Kolmemõõtmelise tunnelstruktuuri tõttu saab liitiumioone spinellvõrest pöörduvalt eemaldada ilma struktuuri kokkuvarisemiseta, seega on sellel suurepärane suurendusvõime ja stabiilsus.

3. NiMH aku
NiMH aku on hea jõudlusega aku. Nikkel-vesinik aku positiivne aktiivaine on Ni (OH)₂ (nimetatakse NiO elektroodiks), negatiivne aktiivaine on metallhüdriid, mida nimetatakse ka vesiniku säilitamise sulamiks (nimetatakse vesiniku säilitamise elektroodiks) ja elektrolüüt on 6 mol/l kaaliumhüdroksiidi lahus.

Nikkelmetallhüdriidaku jaguneb kõrgepinge nikkelmetallhüdriidakuks ja madalpinge nikkelmetallhüdriidakuks.

Madalpinge nikkelmetallhüdriidakul on järgmised omadused: (1) aku pinge on 1,2–1,3 V, mis on samaväärne nikkel-kaadmiumakuga; (2) kõrge energiatihedus, üle 1,5 korra suurem kui nikkel-kaadmiumakul; (3) kiire laadimine ja tühjenemine, hea madalatemperatuuriline jõudlus; (4) suletav, tugev ülelaadimis- ja tühjenemiskindlus; (5) dendriitkristallide teket ei toimu, mis aitab vältida aku lühist; (6) ohutu ja töökindel, ei reosta keskkonda, puudub mäluefekt jne.

Kõrgepinge nikkel-vesinikpatareil on järgmised omadused: (1) Suur töökindlus. Sellel on hea ületühjendamise ja ülelaadimise kaitse, see talub suurt laadimistühjendamise kiirust ning ei moodusta dendriite. Sellel on head eriomadused. Selle erimahutavus on 60A · h/kg, mis on 5 korda rohkem kui nikkel-kaadmiumakul. (2) Pikk tsüklite eluiga, kuni tuhandeid kordi. (3) Täielikult suletud, vähem hooldust vajav. (4) Talitlus madalal temperatuuril on suurepärane ja mahtuvus ei muutu oluliselt temperatuuril -10 ℃.

NiMH aku peamised eelised on: kõrge energiatihedus, kiire laadimis- ja tühjenemiskiirus, kerge kaal, pikk kasutusiga, keskkonnareostuse puudumine; puudusteks on väike mäluefekt, rohkem haldusprobleeme ja lihtne moodustada ühe aku eraldaja sulamine.

4. Voolurakk
Vedelikuvooluaku on uut tüüpi aku. Vedelikuvooluaku on suure jõudlusega aku, mis kasutab positiivse ja negatiivse elektrolüüdi eraldamiseks ja eraldi ringluseks. Sellel on suur mahtuvus, lai rakendusala (keskkond) ja pikk tsükkel. See on praegu uus energiatoode.

Vedelikuvooluakut kasutatakse tavaliselt energia salvestamise elektrijaama süsteemis, mis koosneb virnast, elektrolüüdilahuse ja elektrolüüdilahuse hoiustamis- ja toiteseadmest, juhtimis- ja haldusseadmest jne. Südamik koosneb virnast (virn koosneb kümnetest oksüdatsiooniredutseerimisreaktsiooni elementidest) ja ühest elemendist laadimiseks ja tühjendamiseks vastavalt spetsiifilistele nõuetele järjestikku ning selle struktuur sarnaneb kütuseelementide virna omaga.

Vanaadiumi vooluaku on uut tüüpi energia salvestamise ja salvestamise seade. Seda saab kasutada mitte ainult päikese- ja tuuleenergia tootmise toetava energiasalvestusseadmena, vaid ka elektrivõrgu tippkoormuse vähendamiseks, et parandada elektrivõrgu stabiilsust ja tagada elektrivõrgu turvalisus. Selle peamised eelised on: paindlik paigutus, pikk tsükkel, kiire reageerimisaeg ja kahjulike heitmete puudumine; puuduseks on see, et energiatihedus varieerub suuresti.

5. Naatriumväävli aku
Naatriumväävli aku koosneb positiivsest poolusest, negatiivsest poolusest, elektrolüüdist, membraanist ja kestast. Erinevalt tavalistest sekundaarpatareidest (pliiakud, nikkel-kaadmiumakud jne) koosneb naatriumväävli aku sulast elektroodist ja tahkest elektrolüüdist. Negatiivse pooluse toimeaineks on sula naatriummetall ja positiivse pooluse toimeaineks on vedel väävel ja sula naatriumpolüsulfiid. Sekundaaraku, mille negatiivseks elektroodiks on naatriummetall, positiivseks elektroodiks väävel ja elektrolüütide eraldajaks keraamiline toru. Teatud töötemperatuuril võivad naatriumioonid elektrolüüdimembraani kaudu väävliga pöörduvalt reageerida, vabastades ja salvestades energiat.

Uut tüüpi keemilise toiteallikana on seda tüüpi akusid selle loomisest saadik märkimisväärselt arendatud. Naatriumväävli aku on väikese suurusega, suure mahutavusega, pika elueaga ja kõrge efektiivsusega. Seda kasutatakse laialdaselt elektrienergia salvestamisel, näiteks pingete vähendamiseks ja orgudes täitmiseks, avariitoiteallikates ja tuuleenergia tootmisel.

Selle peamised eelised on järgmised: 1) Sellel on suurem erienergia (st efektiivne elektrienergia aku massiühiku või mahuühiku kohta). Selle teoreetiline erienergia on 760 Wh/kg, mis on tegelikult üle 150 Wh/kg, mis on 3-4 korda rohkem kui pliiakul. 2) Samal ajal suudab see tühjeneda suure voolu ja võimsusega. Selle tühjendusvoolu tihedus võib üldiselt ulatuda 200-300 mA/cm2-ni ja see võib hetkega vabastada kolm korda oma loomuliku energia; 3) Kõrge laadimise ja tühjenemise efektiivsus.

Naatriumväävliakul on ka puudusi. Selle töötemperatuur on 300–350 ℃, seega tuleb akut töötamise ajal kuumutada ja soojas hoida. Selle probleemi saab aga tõhusalt lahendada suure jõudlusega vaakumsoojusisolatsioonitehnoloogia abil.

6. Plii-süsinikpatarei
Plii-süsinik aku on mahtuvuslik pliiaku, mis on traditsioonilisest pliiakust välja arendatud tehnoloogia. Pliiaku eluiga saab märkimisväärselt pikendada, lisades aku negatiivsele poolusele aktiivsütt.

Plii-süsinik aku on uut tüüpi superaku, mis ühendab pliiaku ja superkondensaatori: see mitte ainult ei võimalda superkondensaatori kohest ja suure mahtuvusega laadimist, vaid annab ka pliiaku spetsiifilise energiaeelise ning sellel on väga hea laadimis- ja tühjenemisvõime – seda saab täielikult laadida 90 minutiga (kui pliiaku selliselt laadida ja tühjendada, on selle eluiga alla 30 korra). Lisaks hoiab süsiniku (grafeeni) lisamise tõttu ära negatiivse elektroodi sulfatsiooni, mis vähendab aku rikke riski ja pikendab aku eluiga.

Plii-süsinik aku on asümmeetrilise superkondensaatori ja pliiaku segu sisemise paralleelühenduse kujul. Uut tüüpi superakuna on plii-süsinik aku kombinatsioon pliiaku ja superkondensaatori tehnoloogiatest. See on kaheotstarbeline energiasalvestusaku, millel on nii mahtuvuslikud omadused kui ka aku omadused. Seega ei anna see täielikku kasutamist mitte ainult suure mahutavusega superkondensaatori kohese laadimise eeliste osas, vaid ka pliiakude energiaeeliste osas, mida saab tunniga täielikult laadida. Sellel on hea laadimis- ja tühjendusjõudlus. Tänu plii-süsinik tehnoloogia kasutamisele on plii-süsinik aku jõudlus palju parem kui traditsioonilistel pliiakudel, mida saab kasutada uutes energiaallikates, näiteks hübriid-elektriautodes, elektrijalgratastes ja muudes valdkondades; seda saab kasutada ka uute energiaallikate, näiteks tuuleenergia tootmise ja energia salvestamise valdkonnas.