Tiefzyklische Solarbatterien für Ihre Solarstromsysteme

Photovoltaik-Solarmodule produzieren Strom, wann immer die Sonne auf sie scheint. Eigenständige (netzunabhängige) und netzgekoppelte PV-Systeme mit Notstromversorgung erfordern eine einzelne Batterie oder eine Gruppe von tiefzyklischen Batterien, die als “Batteriebank” bezeichnet werden. miteinander verdrahtet, um die erzeugte Sonnenenergie zu speichern.

Die Photovoltaik lädt diese zyklenfesten Batterien tagsüber auf, sodass Sie nachts oder an bewölkten Tagen Strom haben. Dann sind Speicherbatterien ein wesentlicher Bestandteil jeder eigenständigen oder netzgekoppelten alternativen Energieanlage und können selbst die DC-Betriebsspannung des gesamten Photovoltaik-Solarsystems bestimmen.

Deep Cycle Batterienbestehen aus einer Ansammlung einzelner kleinerer 2-Volt-Zellen, die die von den PV-Paneelen erzeugte elektrische Energie speichern, die nicht sofort von der Last verbraucht wird. Batteriezellen ermöglichen die Umwandlung dieser elektrischen Energie in chemische Energie, die in der Zelle gespeichert und bei Bedarf wieder in elektrische Energie umgewandelt wird.

Eine Batterie besteht aus einer oder mehreren dieser Zellen, die je nach erforderlicher Ausgangsspannung und Stromstärke in Reihe oder parallel oder beidem elektrisch miteinander verbunden sind. Dann können wir eine Batterie zur Verwendung in einem Solarstromsystem als eine Ansammlung von Zellen definieren, die elektrische Energie in Form chemischer Reaktionen speichern.webp” decoding=”async” loading=”lazy” width=”227″ height=”222″ class=”img-fluid alignleft” title=”Typische Deep-Cycle-Batterie” alt=”Deep-Cycle-Batterie” />

In der Welt der Batterien werden Deep Cycle Batterien als „Sekundärbatterien“ eingestuft; weil sie kontinuierlich geladen und entladen werden können, wodurch der sogenannte Ladezyklus der Batterien entsteht.

Deep-Cycle-Batterien werden als Sekundärbatterien bezeichnet, da die chemische Reaktion, die die elektrische Energie auf ihren Bleiplatten erzeugt und speichert, im Gegensatz zu Standard-Primärbatterien vollständig reversibel ist. die nur einmal verwendet und dann weggeworfen werden können, sobald sie vollständig entladen sind.

Mit anderen Worten, Primärbatterien wie die kleinen Alkalibatterien, die in Fernbedienungen oder Kameras verwendet werden, können nur einmal entladen oder verwendet werden und werden dann entsorgt (weggeworfen), wodurch die Umwelt verschmutzt wird, während Sekundärbatterien, die als „wiederaufladbare“ bezeichnet werden, nur einmal entladen oder verwendet werden können. s” wie NiCad- oder Lithium-Ionen-Akkus, die in Laptops usw. verwendet werden, können viele Male entladen und wieder aufgeladen werden und sind daher viel umweltfreundlicher.

In diesem Tutorial über “Deep-Cycle-Batterien” interessieren wir uns hauptsächlich für echte Deep-Cycle-Batterien, die ideale Speicher für Solarenergiesysteme sind und sich (zusätzlich zu ihrer Wiederaufladbarkeit) durch hohe Leistung auszeichnen Dichte, hohe Entladungsrate, flache Entladungskurven und gute Leistung bei niedrigen Temperaturen.

Aber nicht alle Sekundärbatterien sind gleich, es gibt viele verschiedene Arten von Batterien, wobei jede Art für eine bestimmte Anwendung ausgelegt ist. Obwohl sie gewöhnlichen Autobatterien ähneln, sind in Solarstromsystemen verwendete zyklenfeste Batterien speziell für die Art von Lade- und Entladezyklen ausgelegt, die sie aushalten müssen. Die am häufigsten in Solar-PV-Anwendungen verwendeten Batterietypen sind wartungsfreie „Blei-Säure-Batterien“. da dieser Batterietyp für die Energiespeicherung zu Hause am kostengünstigsten ist.

Blei-Säure-Batterien sind eine der ältesten und gebräuchlichsten Batterietechnologien und bestehen aus drei grundlegenden Teilen: einer negativen Elektrode, einer positiven Elektrode und einem Elektrolyten. Die schwarze negative Elektrode besteht aus Blei (Pb) und die rote positive Elektrode aus Bleidioxid (PbO2). Ein Isolator oder Separator wird verwendet, um die zwei Elektroden elektrisch zu isolieren. Der für die chemische Reaktion zwischen den beiden Elektroden verwendete Elektrolyt ist verdünnte Schwefelsäure (H2SO4), eine saure Flüssigkeit, die die Sulfationen für die Entladungsreaktionen liefert.

Blei-Säure-Nassbatterien sind in der Regel am billigsten, erfordern jedoch gelegentlich das Hinzufügen von destilliertem Wasser (H2O), um das während des normalen Ladevorgangs durch Verdunstung verlorene Wasser wieder aufzufüllen. Dann gibt die negative Elektrode grundsätzlich Elektronen an eine externe Last ab, und die positive Elektrode nimmt Elektronen von der Last auf, und der Elektrolyt, der in zyklenfesten Solarbatterien typischerweise eine Flüssigkeit ist, stellt den Weg für die Ladungsübertragung zwischen den beiden Elektroden bereit, wie gezeigt.

Tiefzyklische Solarbatteriezelle

Rechts ist ein grundlegendes Funktionsdiagramm einer typischen Blei-Säure-Zelle dargestellt. Als negative Elektrode dient eine Platte aus massivem Blei, als positive Elektrode eine Platte aus Bleidioxid. Beide Elektroden werden in eine Schwefelsäurelösung getaucht, die als „Elektrolyt“ bezeichnet wird.

Das Ergebnis ist, dass sich zwischen den Elektroden eine Potentialdifferenz, häufiger als Spannung bezeichnet, entwickelt, und es ist diese Spannung die verwendet wird, um Strom durch eine externe Last zu treiben.

Der von der Blei-Säure-Batterie maximal lieferbare Strom hängt von der Masse und dem Volumen der Zelle ab. In einer Blei-Säure-Batterie, die aus Blei-Säure-Zellen besteht, die in Reihe (negativ-zu-positiv) geschaltet sind, hängt die Gesamtklemmenspannung von der Anzahl der Zellen ab, die innerhalb der Batterie miteinander verbunden sind.

Parameter im Zusammenhang mit zyklenfestem Blei Säurebatterien sind:

• Voltage – Spannung ist elektrischer Druck. Eine normale Autobatterie hat 12 Volt. Diese Spannung ist die Addition der sechs (6) kleineren Blei-Säure-Zellen, die in Reihe geschaltet sind und eine größere 12-V-Batterie bilden. Jede einzelne Blei-Säure-Zelle hat eine Spannung von etwa 2 Volt. Batteriebänke für alternative Energiesysteme werden normalerweise in Reihe geschaltet, um Gleichspannungen von 12, 24, 36 oder 48 Volt zu erzeugen.
• Aktuell – Strom ist der Fluss von Elektronen. Die Rate dieses Flusses pro Zeiteinheit wird als Ampere bezeichnet. Elektrischen Strom gibt es in zwei Formen: Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC). Batterien speichern Strom als Gleichstrom (DC), der zur Beleuchtung oder zur Stromversorgung des Wechselrichters verwendet wird, der ihn in Wechselstrom umwandelt. Der maximal lieferbare Strom von zyklenfesten Batterien ist der höchste Strom, den eine Batterie durch eine Last führen kann, ohne dass ihre Klemmenspannung aufgrund des Innenwiderstands der Batterie erheblich abfällt und ohne dass die Batterie überhitzt. Deep-Cycle-Batterien werden parallel geschaltet, um den verfügbaren Ausgangsstrom zu erhöhen.
• Kapazität – Batteriekapazität ist die Energiemenge, die eine Batterie enthält, und wird normalerweise in Amperestunden (Ah) bei einer bestimmten Spannung angegeben. Eine Batterie mit einer Nennleistung von 1.000 Amperestunden kann also 100 Ampere für 10 Stunden oder 10 Ampere für 100 Stunden oder 1 Ampere für 1000 Stunden und so weiter liefern. Um die Gesamtleistung zu bestimmen, die eine zyklenfeste Batterie liefern kann, multiplizieren Sie die Amperestunden (Ah) mit der Klemmenspannung. Die Speicherkapazität einer durchschnittlichen Autobatterie beträgt etwa 40 bis 85 Amperestunden.

Deep-Cycle-Solarbatterien, die für alternative Energieanlagen verwendet werden, haben eine Kapazität von etwa 200 bis 2.500 Amperestunden. Die angegebene Kapazität einer Batterie wird dadurch bestimmt, wie viel Energie benötigt wird und wie lange die Batterie diese Energie liefern muss. Je mehr elektrische Energie verbraucht wird, desto größer muss die Batterie sein und die Solarstromquelle muss daher größer sein, um die größere Batterie wieder aufzuladen.

Ein Batterieladezustand ist ein Prozentwert, der die Menge an elektrischer Energie angibt, die in der Batterie verbleibt. Beispielsweise enthält eine 1.000-Amperestunden-Batterie bei einem Ladezustand von 90 % 900 Amperestunden Energie. Bei 50 % Ladezustand enthält es 500 Amperestunden Energie und so weiter. Eine Batterie, die nur noch 20 % oder weniger geladen ist, gilt als vollständig entladen oder ist möglicherweise defekt.

Echte Deep-Cycle-Batterien für Solaranwendungen

Blei-Säure-Batterien sind die einzigen Batterien, die für alternative Energiesysteme geeignet sind, aber der kontinuierliche Zyklus des Entladens einer Batterie in eine Last (Nachtstunden) und des anschließenden Wiederaufladens der Batterie (Sonnenlichtstunden) viele Male erfordert einen anderen Batterietyp, da nicht alle Batterien aus Blei bestehen Säurebatterien sind die gleichen. Die wichtigste Anforderung an eine Batterie ist, ob es sich um eine Deep Cycle Battery oder eine Shallow Cycle Battery handelt.

Betrachten Sie Autostarterbatterien. Kraftfahrzeugbatterien sind billig in der Anschaffung, aber so ausgelegt, dass sie für einen sehr kurzen Zeitraum (weniger als 10 Sekunden) hohe Stromstärken liefern, um den Startermotor zu betreiben und den Motor anzulassen. Diese werden allgemein als „Starterverstärker“ bezeichnet.

Nachdem das Auto gestartet wurde, wird die Batterie durch die Lichtmaschine des Autos mit Erhaltungsladung geladen. Selbst an kalten, frostigen Morgen entlädt sich die Autobatterie beim Start nur auf etwa 90 % ihrer Nennkapazität. Daher sind Autobatterien für sehr flache Zyklen zwischen 100 % und 90 % Ladezustand ausgelegt.

Da eine Autobatterie dafür ausgelegt ist, für sehr kurze Zeiträume hohe Ströme zu liefern, besteht sie aus vielen dünnen Bleiplatten, die eine große Oberfläche für die chemische Reaktion bieten.

Diese dünnen Bleiplatten haben nicht die nötige mechanische Festigkeit für mehrjährige Zyklen und verschleißen sehr schnell nach nur 200 bis 400 Zyklen. Daher sind Autobatterien mit flachem Zyklen, die zwar funktionieren, aber nicht für ein langfristiges Solarstromsystem ausgelegt sind, das einen intensiven Zyklenbetrieb erfordert.

Deep-Cycle-BatterienAndererseits sind sie so ausgelegt, dass sie wiederholt um bis zu 80 % ihrer vollen Kapazität (100 % bis 20 % Ladezustand) geladen und entladen werden können, ohne dass die Zellen vor dem Wiederaufladen ernsthaft beschädigt werden, was sie zu einer idealen Wahl für Solarzellen macht Photovoltaikanlage sowie Schiffsanwendungen, Golfbuggys, Gabelstapler und andere solche Elektrofahrzeuge. Obwohl Deep-Cycle-Batterien die gleichen chemischen Reaktionen zur Energiespeicherung verwenden wie ihre Cousins ​​für Autobatterien, werden Deep-Cycle-Batterien ganz anders hergestellt.

Die physische Größe einer zyklenfesten Batterie ist aufgrund der Konstruktion und Größe der Bleiplatten (Elektroden) viel größer als die einer normalen Autobatterie. Diese Platten bestehen aus massivem Blei, das normalerweise mit Antimon (Sb) dotiert ist, und sind um ein Vielfaches dicker als die dünneren Schwammplatten einer Autobatterie. Dies bedeutet dann, dass Deep-Cycle-Batterien wiederholt fast vollständig bis zu einer sehr niedrigen Ladung entladen werden können und es nicht ungewöhnlich ist, dass Deep-Cycle-Batterien auf bis zu 20 % ihrer Gesamtkapazität geleert (entladen) werden, bevor der Energiefluss aufhört von der Batterie.

Deep-Cycle-Batterien sind speziell dafür ausgelegt, die von einem Photovoltaik-PV-System erzeugte Energie zu speichern und diese gespeicherte Energie dann für den täglichen Gebrauch zu entladen. Eine der Hauptanforderungen an Deep-Cycle-Batterien für Solaranwendungen ist die maximale Lebensdauer, dh wie oft kann die Batterie geladen und entladen oder tiefentladen werden.

Deep-Cycle-Batterien werden in alternativen Energieanwendungen verwendet sollte länger als fünf Jahre und in vielen Fällen weit über zehn Jahre dauern, aber es muss richtig gefahren werden. Obwohl diese Batterien dafür ausgelegt sind, tiefen Zyklen standzuhalten, haben zyklenfeste Batterien eine längere Lebensdauer, wenn die Zyklen flacher sind, z. B. 100 % bis 50 % Ladezustand im Gegensatz zu 100 % bis 20 % Ladezustand.

Deep-Cycle-Batterieladung

Deep-Cycle-Batterien können auf verschiedene Arten aufgeladen werden. Die gebräuchlichste Methode ist die Verwendung eines externen Ladegeräts, das an eine elektrische Stromquelle wie eine Wandsteckdose angeschlossen ist. In einem alternativen Energiesystem werden die Batterien von Sonnenkollektoren über einen Batterieladeregler geladen, der sicherstellt, dass die maximale Leistung der Sonnenkollektoren oder des Arrays zum Laden der Batterien geleitet wird, ohne sie zu überladen.

Eine zyklenfeste Blei-Säure-Batterie kann im Allgemeinen mit jeder Rate geladen werden, die keine übermäßige Gasbildung, Überladung oder hohe Temperaturen erzeugt. Die Batterie nimmt während des frühen Teils des Ladevorgangs, wenn ihr Ladezustand am niedrigsten ist, sehr viel Strom auf, aber es gibt eine Grenze für den sicheren Strom, wenn die Batterie vollständig aufgeladen ist.

12-Volt-Batterieladung Bedingung

Wenn eine Deep-Cycle-Blei-Säure-Batterie lange Zeit an eine Last angeschlossen ist, ohne ihre Ladung aufrechtzuerhalten, entlädt die Batterie allmählich ihre Energie in die Last.

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Wenn der Strom allmählich abnimmt und die Elektroden mit Verunreinigungen überzogen werden, wenn sich das spezifische Gewicht des Elektrolyts ändert.

Diese Verunreinigung in einer Blei-Säure-Batterie wird als „Sulfation“ bezeichnet. Schließlich wird die gesamte im Elektrolyt enthaltene chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Irgendwann stoppt der Batterieprozess, da die Batterie keine Energie mehr an eine Last liefern kann. Der Strom sinkt auf Null, und es besteht keine Potentialdifferenz mehr zwischen den Elektroden in den Zellen.

Die Energiemenge, die eine Blei-Säure-Batterie liefern kann, ist eine Funktion des Elektrolyten (spezifisches Gewicht und Reinheit) und der Qualität der negativen Bleielektrode und der positiven Bleidioxidelektrode.

Im Laufe der Zeit beeinträchtigt die Sulfatierung die Fähigkeit der Batterie, eine Ladung aufzunehmen, zu speichern und abzugeben, und wenn sie nicht überprüft wird, verschlechtert sich die Qualität der Batteriekomponenten und die Batterieleistung nimmt ab, wodurch die Batterie weit vor ihrer vorgesehenen Lebensdauer unbrauchbar wird. Der schnellste Weg, einen Blei-Säure-Akku zu zerstören, besteht darin, ihn vollständig zu entladen und längere Zeit ungeladen stehen zu lassen. Aufgrund chemischer Wechselwirkungen innerhalb einer Bleibatterie muss diese daher regelmäßig verwendet werden, da es sonst zu einer Sulfatierung der Platten kommt.

Wenn jedoch ein Strom durch die Batterie geleitet wird, indem eine externe Stromquelle angeschlossen wird (dies wird allgemein als Aufladen bezeichnet und ist einfach das Gegenteil davon, wenn die Batterie ihre Energie an eine Last liefert, und in diesem Fall ist die Batterie jetzt die Last). wird für eine gewisse Zeit (negativ-zu-negativ und positiv-zu-positiv) die elektrochemische Energie in der Batterie wiederhergestellt und die Batterie kann wieder verwendet werden. Der Zyklus des Entladens einer Batterie in eine Last und des anschließenden Wiederaufladens der Batterie kann während der Nutzungsdauer einer Batterie viele Male wiederholt werden, aber verwenden Sie regelmäßig ein Hydrometer, um das spezifische Gewicht zu überprüfen, und füllen Sie bei voller Ladung destilliertes Wasser nach.

Anschließen von Deep-Cycle-Batterien

Wir wissen heute, dass der Grundbaustein einer Blei-Säure-Batterie die 2-Volt-Zelle ist. Eine Batteriebank, die in netzunabhängigen und eigenständigen Solaranlagen oder Windkraftanlagen verwendet wird, ist eine Sammlung verbundener 2-Volt-Zellen, 6-Volt-Batterien oder 12-Volt-Batterien, die den Haushalt bei Stromausfall oder geringer Produktion mit Strom versorgen aus erneuerbaren Energiequellen oder einer Solaranlage. Einzelne zyklenfeste Batterien werden in Reihe geschaltet, um 12-Volt-, 24-Volt- oder 48-Volt-Konfigurationen zu erzeugen.

Deep-Cycle-Batterien können auch parallel miteinander verbunden werden, um die Stromkapazität einer Batteriebank zu erhöhen. Die Batteriebank liefert Gleichstrom an einen Wechselrichter, der Wechselstrom erzeugt, der zum Betrieb von Geräten verwendet werden kann. Die Entscheidung, entweder eine 12-Volt-, 24-Volt-, 36-Volt- oder 48-Volt-Batteriebank auszuwählen, wird durch den Eingang des Wechselrichters, den gewählten Batterietyp und die benötigte Menge an Energiespeicher bestimmt.

Unten sehen Sie ein Beispiel für das Zusammenschalten von Batterien mit unterschiedlichen Spannungen, z. B. 6-Volt- und 12-Volt-Batterien, um eine 24-Volt-Batteriebank herzustellen. Es können beliebig viele Batterien in Reihe geschaltet werden, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die ein Vielfaches der Batteriespannung ist. In unserem Beispiel sind das 2 x 12 Volt = 24 Volt. Ebenso erhöhen parallel geschaltete Batterien den Strom um die Anzahl der Abzweigungen. Es ist jedoch besser, die Anzahl der Verbindungszweige auf maximal drei (3) zu begrenzen, da parallele Batteriebänke dazu neigen, unerwünschte Ströme von Zweig zu Zweig zu zirkulieren.

Deep Cycle Battery Wiring

Wartung von Deep-Cycle-Batterien

Ein letzter Kommentar zur Batteriewartung. Bleisäure-Deep-Cycle-Batterien sind der gefährlichste Teil eines jeden Solar- oder Windkraftsystems. Beim Umgang mit Blei-Säure-Batterien und Elektrolyten als “Batteriesäure” sind Handschuhe, Augenschutz wie Schutzbrillen und Masken sowie alte Kleidung zu tragen. beides verbrennt und reizt Haut und Augen.

Auch Wasserstoffgase und -dämpfe, die während des Ladens dieser zyklenfesten Blei-Säure-Batterien freigesetzt werden, sind sowohl reizend als auch potenziell explosiv, also lüften Sie die Batteriebänke und den Bereich jederzeit gut. Entfernen Sie verschüttete Elektrolyte auf oder um die Batterien herum und überprüfen Sie die Batteriepole und Kabel auf festen Sitz, indem Sie sie bei Bedarf mit Vaseline schmieren. Bei richtiger Pflege und Wartung haben zyklenfeste Blei-Säure-Batterien in jedem solarbetriebenen PV-System eine lange Lebensdauer.