Akud

Sõltumatute süsteemide korral salvestatakse paneelidelt, tuulikust jne. tulev elektrienergia akudes. Akutehnoloogia on viimasel ajal tänu elektriautode arendamisele tugevasti edenenud. Turul on metall-hübriid (Meh), liitium-ioon (LI-io) akud, mis võimaldavad pakkida rohkem energiat väiksemasse ja kergemasse kesta, kuid siiani on plii-happeakude hinna ja salvestatava energia suhe parim.

Koduses elektrijaamas tuleb kasutada kindlasti süvatsükliakusid, vahel nimetatakse neid ka süvatühjenemis- või püsitoiteakudeks, kuna kannatavad pikaajalist väikese vooluga tühjakslaadimist ja võivad ka pikemat aega lubatud tühjenemise piiril seista. Autodel kasutatavad starterakud on küll pea poole odavamad, kuid kahjuks need koduelektrijaama ei sobi, kuna riknevad pikemaajalisel pooltühjana seismisel ja ei kannata pikemaajalist väikese vooluga koormamist. Kuid ka kõik süvatühjenemisakud ei ole sobivad Off-Grid  süsteemides kasutamiseks. UPS akudel, mis on mõeldud varutoiteks elektrikatkestuse korral, on lubatud küll 100% tühjendamine (Dod 100%), kuid laadimistsüklite arv jääb 300 ja 500 vahele, mis tähendab, et akud muutuvad pideval laadimisel-tühjendamisel kasutuks paari aastaga.  

Kuna statsionaarse paigalduse puhul ei ole kaal ja suurus väga olulise tähtsusega näitajad, kasutakse tavapäraselt koduelektrijaamades kõige enam avatud süvatsükli plii-happeakusid ning suletud VRLA-akusid. VRLA-akud (Valve Regulated Lead-acid Battery) on täiesti suletud konstruktsiooniga ja seal tekkivad gaasid (vesinik ja hapnik) rekombineeruvad uuesti veeks.

VRLA-akud jagunevad geelakudeks, kus elektrolüüt on geeli kujul ja AGM (Absorbed Glass Mat) akudeks, kus on elektrolüüt klaaskiust separaatoritesse immutatud.

VRLA-aku mahutavus  on samade mõõtmete korral üldjoones avatud akudest 20% väiksem, ampertunni hind tublisti kõrgem, ka tööiga võrreldes happeakudega on paljudel juhtudel lühem. Need akud on eriti tundlikud valede kasutusviiside suhtes (nt ülelaadimine), samas ei vaja nad vee lisamist, on ohutumad ja neid saab kasutada erinevates asendites (elektrolüüt ei voola välja), nende isetühjenemine toimub aeglasemalt ning laadimine ja tühjenemine toimub väiksemate kadudega kui avatud akude puhul (vt tabel allpool). VRLA-akusid saab kasutada seadmete käitamiseks kohtades, kus eralduvad gaasid on väga ebasoovitavad (nt UPS seadmed). 

                                                                                      
                             Efektiivsus*     Isetühjenemine**     Laadimispinge                Ujuvpinge

 Avatud happeakud       89%              13%                            15.3 - 16.0 V                        13.2 - 13.7 V

 Geelakud                             98%               1-3%                           14.1 - 14.4 V                       13.4 - 13.8 V

 AGM-akud                            99%               1-3%                           13.4 - 13.8 V                       13.4 - 13.8 V

*Efektiivsus näitab mitu % akusse laetud energiast me akust tagasi saame

** Suur isetühjenemine on probleemiks siis kui süsteemi ei kasutata aastaringselt, näiteks lumega kaetud päikesesüsteemid talvel.

Süvatsükli avatud happeakude isetühjenemine on 4% nädalas 25 °C juures, mistõttu akusid tuleks kindlast kahe kuu tagant uuesti laadida.

Avatud happeakude igapäevasel kasutamisel tuleb regulaarselt kontrollida elektrolüüdi taset ja vajadusel lisada destilleeritud vett.

Avatud aku laetuse taset saab kõige täpsemalt kindlaks teha mõõtes elektrolüüdi erikaalu, mida teostatakse hüdromeetriga. Laetud aku elektrolüüdi tihedus peaks olema vahemikus 1,27 - 1,3 kg/l. Katkestatud vooluahela puhul on pinge akuklemmidel samuti üsna heaks indikatsiooniks. Sel juhul peaks aku olema vähemalt 20 minutit koormuseta, et akus toimuvad elektrikeemilised protsessid oleks stabiliseerunud. Siiski  annab selline mõõtmine aku olukorrast üsna kaudse pildi. Täpsema hinnangu saamiseks tuleks kasutada akumonitori, mis mõõdab aku laadimis- tühjenemisvoolu ja klemmipinget ning arvutab neid andmeid kasutades aku laetuse protsentides. Osadele inverteritele on akumonitor juba sisse ehitatud.  

Täielikult tühjenenud aku võib polaarsust vahetada ja siis pole aku töökorda saamine garanteeritud.

Kui aku klemmipinge on langenud 2,03 V-ni (12 V akul 12,2 V), algab intensiivne sulfateerumisprotsess ja aku võib pöördumatult rikneda. Seetõttu tuleb hoolikalt jälgida aku laetuse taset ja vältida tühjenenud aku seismist pikemat aega.

Täielikult laetud aku on külmumiskindel. Tühjenenud aku elektrolüüt võib külmuda juba mõõdukate miinuskraadide juures ja rikkuda aku. Näiteks jäätub 1,10 kg/l elektrolüüdiga aku juba -7 °C juures. 

Mäluefekti puudumise tõttu sobivad plii-happeakud väga hästi koduelektrijaama energiaallikaks, sest neid ei pea enne taaslaadimist täielikult tühjendama.

Akude mahutavuse tähis on C,millele on lisatud koefitsient, nt C₂₀, mis näitab, et selline mahutavus on akul 20-tunnise tühjenemistsükliga. Samas võib aku nimimahutavus olla antud C₁₂₀ ehk 120 tunnise tühjenemistsükliga. 

Näiteks Sonnenschein A600 SOLAR 440 Ah nimimahutavusega aku mahutavused erinevate tühjenemiskiiruste korral:

                                    C₁         C₃         C₅         C₁₀        C₂₀       C₁₀₀      C₁₂₀

A602/440 Solar             185      251       290     326       367      429     440

Oluline on jälgida, millist mahutavust arvutustel ja seadmete seadistamisel küsitakse ,mitte kasutada lihtsalt nimimahutavust. Paljudel juhtudel on selleks C₂₀. Kui müüja ei paku teie soovitud akude kohta mahutavustabelit, siis üldjuhul need akud ei sobi koduelektrijaama energiaallikaks ning tasub uurida teisi variante. 

Et leida akudele sobiv laadimisvool, tuleb arvesse võtta akude mahutavus. Energiasüsteemi normaalseks toimimiseks piisab laadimisvoolust Il, mille tugevuseks on 10-13% aku 20 h tühjenemistsükli mahutavuse C₂₀väärtusest (Il= 0,1...0,13 x C₂₀), mis on ka suurim soovitatav laadimisvool. Aku kestvust arvestades on parim laadimisvool 3-5% mahutavusest (Il = 0,03...0,05 x C₂₀). Kui akud tuleb kindlasti laadida 8 - 10 tunniga, võib  vool olla kuni 20% 20 h tsükli mahutavuse väärtusest (Il= 0,2 x C₂₀). Kui vähegi võimalik, tuleks nii suurest laadimisvoolust loobuda ning seda ei saa ka kuidagi soovitada.

Näide: Aku C₂₀= 200 Ah,

parim laadimisvool on                                                                           6 - 10 A.

suurim soovitatav laadimisvool                                                              20 A 

suurim laadimisvool mis ei põhjusta veel aku pöördumatut riknemist     40 A

Laadimise ajal ei tohi akude temperatuur ületada 48 °C. Kui temperatuur kasvab kõrgemaks, tuleb laadimine katkestada ja lasta akudel jahtuda enne laadimise jätkamist.

Temperatuuri mõju akude mahutavusele ja elueale

Süvatsükli pliiakude mahutavus antakse +20 °C juures, sealjuures on temperatuuri mõju alljärgnev:

- iga -8.5 °C vähendab mahtuvust 10%

- iga +8.5 °C suurendab mahtuvust 10%

Temperatuurid üle 25 °C vähendavad aku eluiga.

0 °C juures on akudel 30% vähem mahutavust, seda tuleks arvestada nende seadmete töö korraldamisel, mis asuvad talvisel ajal välistemperatuuri mõju all. Pliiakudel on suur mass ja soojusmahutavus, mistõttu säilib akude laadimisel tekkiv soojus akus küllalt kaua, piisava soojusisolatsiooni korral kulub akude mahajahtumiseks mitu ööpäeva.

Akude laadimine 

Lihtsa ehitusega ja odavad laadijad ei kontrolli akude laadimisvoolu ja pinget. See ei ole akude elueale hea. Täiuslikematel protsessorjuhtimisega laadijatel (laadimiskontrolleritel) jälgitakse laadimise ajal pidevalt nii laadimisvoolu kui ka pinget ja laadimine toimub etappide kaupa.

Põhilaadimine - tühjenenud akut laetakse alguses konstantse maksimaalse lubatud vooluga kuni klemmipinge tõuseb määratud tasemeni. Selleks ajaks on aku täituvus umbes 80%.

Absorbtsioonlaadimine (absorption) -  laadimise lõpuosa, mille käigus toimub laadimine 100%. Selle etapi käigus on pinge konstantne ja toimub laadimisvoolu järk-järguline langemine.  Absorbtsioonlaadimise aeg on laadijasse programmeeritud (sõltuvalt aku tüübist ja mahutavusest 2 - 20 tundi), edasi lülitub laadija hoolduslaadimisele.

Hoolduslaadimine - toimub veidi väiksemal pingel kui absorbtsioonlaadimine. See kompenseerib akude isetühjenemist.

Tasanduslaadimine - kuna akupurkide parameetrid ei ole täpselt ühesugused, hakkavad aja jooksul purkide pinged erinema ja see ei ole hea akupargi elueale. Pingete ühtlustamiseks tuleks kord kuus läbi viia tasanduslaadimine, kus laadimispinget tõstetakse 2,45 V ühe elemendi kohta. Laadijatel on selleks eraldi režiim, mis käivitub olenevalt seadistusest kas automaatselt või käsitsi.

Nimetatud parameetrid on erinevatel akudel erinevad ja neid tuleks otsida kas akude dokumentatsioonist või küsida akumüüja käest.

 Avatud happeakude ehituse iseärasuste tõttu tuleb akuruumide ehitamisel tähelepanu pöörata ohutusnõuetele. Erinevalt geel- ja AGM- akudest, eraldub tavalistest avatud happeakudest laadimisprotsessi käigus hapniku ja vesiniku segu, nn paukgaasi, mis on vägagi plahvatusohtlik. Selle vältimiseks peab olema tagatud akude juures korralik ventilatsioon.

Lihtsaima väikese süsteemi energia salvestamiseks piisab tavaliselt ühest 12 V 90- 230 Ah akust.  Vähegi suuremate süsteemide korral moodustatakse mitmest akupatareist koosnev akupank. Tegelikult on 12 V aku oma olemuselt ise väike akupank, mis koosneb 6-st 2 V akust. Akupanga moodustamisel on kindel reegel - akupank koosneb ühesugustest akupatareidest, ka ea poolest. Juba töötanud akupangale ei saa lisada uusi samatüübilisi akusid, kuna kasutamise käigus akude parameetrid muutuvad ja akupanga sees hakkab toimuma akude erinevatest parameetritest tulenev isetühjenemine.

Akude eluiga sõltub mitmest tegurist  

1. Aku konstruktsioonist. Tootjad annavad akudele laadimis-tühjenemistsüklite arvu, mis võib olla 500 - 6000 vahel. Suurema lubatud tsüklite arvuga akud kestavad kauem.
2. Tühjenemise sügavusest. Garanteeritud laadimistsüklite arv sõltub väga oluliselt sellest kui tühjaks aku laetakse. Optimaalne on akut kasutada 40% ulatuses. Paljud tootjad annavadki tsüklite arvu 40% tühjenemise juures DoD 40%. Seda tuleb akude soetamisel hoolikalt jälgida, millise tühjenemise DoD juures on antud garanteeritud tsüklite arv. Akude  tühjendamisel 60% väheneb tsüklite arv oluliselt.
3. Reaalsest laadimis-tühjenemistsüklite arvust. See tuleneb eelnevast - mida tihedamalt akut laaditakse-tühjendatakse, seda kiiremini saab lubatud tsüklite arv täis.
4. Laadimise ja tühjenemise kvaliteedist ja ulatusest. See tähendab, et laadimisrežiim on õige ning ei toimu ülelaadimist liiga suure voolu või pingega. Samuti koormamisel ei kasutata lubatust suuremat voolu ega tühjendata akut lubatud minimaalsest pingest allapoole. Selline tegevus, mis võib tuleneda rikkis või valesti seadistatud muundurist, laadijast või kontrollerist vähendab tunduvalt akude iga. Siit soovitus - ärge lülitage otse aku taha tarbijaid, mis ei lülitu välja kui aku pinge langeb alla lubatu (nt lambid). Koormuseta või väikese koormusega (1 - 3% mahutavusest) aku klemmipinge ei tohiks langeda alla aku nimipinge.

Tavakasutuses on odavamate püsitoiteakude eluiga 2 - 6 aastat, parematel akudel  9 - 20 aastat sõltuvalt akude kasutamisest.  Selle ajaga väheneb akupanga energiamahutavus 30 - 50%.  Kui akude mahutavus väheneb kriitilise piirini, siis tuleb akupank tervikuna välja vahetada, sest  nagu eelpool sai öeldud, uusi akusid sinna lisada ei saa. Põhimõtteliselt on võimalik kasutada kahte paralleelset akupanka, mida kasutatakse ja laetakse kordamööda. See võimaldab lõplikult ära kasutada vana akupanga ressursi.

Kui väiksemates ja keskmistes koduelektrijaamades kasutatakse üldiselt 12 V akupatareisid mahutavusega 75 - 230 A/h või 6 V akupatareisid mahutavusega 200 - 400 A/h, siis suuremad süsteemid kasutavad 2 V nimipingega suure mahutavusega 500 - 3500 Ah akusid, millest koostatakse vajaliku mahutavusega akupank. Akude ühtlasema laadimise-tühjenemise huvides ei ole soovitav akupangas üle kolme paralleelühenduse.

Töötaval akupangal tuleks soovitavalt kord kuus mõõta kõikide akude pingeid ja avatud akude puhul elektrolüüdi tihedust. Pinged ja tihedused peavad olema kõikidel akudel võrdsed. Üldisest tasemest madalam akupinge annab märku sellest, et antud aku võib olla vigane ja tuleks võtta tihedama jälgimise alla. Esmaseks tegevuseks oleks antud aku järellaadimine, milleks on kaks võimalust:

1.    Laadida antud akud 1,5 kordse nimipingega ½ tunni ulatuses.

2.    Osadel laadijatel on spetsiaalne funksoon, mis tõstab lühiajaliselt laadimispinget kogu akupangas.

Võimalusel kasutada esimest varianti.
 

Salvestussüsteemide uue põlvkonna moodustavad kütuseelementidel (fuel cell) põhinevad salvestussüsteemid. Sellisel juhul toodetakse PV paneelidelt (tuulikutelt) saadud elektriga elektrolüüsi teel vesinikku, mis säilitatakse mahutites (storage). Toodetud vesinikku kasutatakse kütuseelementide toiteks, mis annavad energiat siis kui tuul ja päike seda ei võimalda. 

Nimetatud tehnoloogia on küll veel lapsekingades ja kallis. Kuid juba on olemas esimesed kommertskasutuses olevad mudelid ja ka praeguste hindadega tuleb kütuselementidel põhinev süsteem odavam ülisuurest akupangast, mis oleks vajalik suurte energiakoguste pikaajaliseks säilitamiseks. Samas võimaldab see loobuda sisepõlemismootoriga generaatorist ja ehitada süsteem ka meie laiuskraadil aastaringselt täielikult taastuvat energiat kasutavaks.