Energy storage in photovoltaics

Energy storage in  photovoltaics P.C.Pant Scientist  Solar Energy Centre Ministry of New and Renewable Energy pcpant@nic.in Nature of renewable energy supplies and  real challenge  Renewable energy supplies are continuing or  repetitive current of energy occurring in  natural environment  The initial input power from renewable energy  supplies therefore is outside our control; and  matching supply and demand in the time  domain is a real challenge  Two ways to overcome this challenge are :    Either matching the load to the availability of renewable  energy supply when it is available, or for constant load,  hybridize it with an auxiliary energy supply system  Storing the energy for future use i.e. keeping it available  when and where it is required Methods of energy storage  Chemical    : hydrogen, ammonia  Heat     : hot water, steam  Electric   : Capacitors, electromagnets  Gravitational   : water reservoir   Mechanical   : Flywheel Photosynthesis: Biomass  Electro chemical: Batteries, fuel cell?   Normal applications of battery Regular deep cycling (as in consumer devices,  electric vehicle)  Standby use (normally kept at full charge so as to  use in case of an emergency such as telephone  exchanges)  Starting, lighting and ignition (for road vehicles)      In all such operation battery is normally given  full charge (adequate overcharge) after  discharging  Condition in PV systems Limited (variable)amount of charging energy  available from PV array  Therefore no guarantee that battery will be fully  charged at the end of the day  Normally shallow cycle operation  Autonomy reserve for certain days is generally  specified   Even in specifying autonomy, there is certain  charge left in the battery (~20%)    Main functions of a battery in PV  systems To act as buffer store to eliminate the mismatch  between available PV power and power demand  (USUALLY IN GRID INTERACTIVE  POWERPLANTS OR WITH AUXILIARY  POWER SOURCE WITH SMART INVERTERS)  To provide a reserve of energy (system autonomy  particularly in stand alone systems)  To provide stable voltage to the load  Understanding battery       Storage capacity: not fixed, depends on discharge rate  and temperature Never try to extract full capacity (DOD)(restrict upto  80%)   More daily DOD, less cycle life Battery voltage during charging depends on amount  of current being fed, higher the charging current,  faster will be the voltage gain, but does not mean that  all the current is absorbed Temperature dependence of cycle life In general, longer life of battery in PV system means  a more expensive battery,  as higher capacity, proper  charge regulator and temperature compensation are  required.   Capacity  Normally measured in ampere­hour (Ah)  Defined as the maximum Ah a fully charged  battery can deliver under certain specified  conditions:  The end voltage  The discharge current (rate) at which the  discharge is carried out  The battery temperature   Efficiency  Amount of energy stored is measured in watt­hours (Wh). Energy  efficiency of a battery = Energy in watt hours discharged  _           Energy  in Wh required for complete recharge  Battery capacity is measured in ampere­hour (Ah). The charge  efficiency or Ah efficiency is= Ah discharged Ah required for complete recharge Ah efficiency less than one means more charge is to be pumped than  the charge delivered by the battery. This has side effect in the form  of oxygen formation in +ve plate and hydrogen in –ve Depth of discharge/state of charge   Depth of discharge (DOD) : fraction or percentage of  the capacity removed from fully charged battery w.r.t.  nominal capacity State of charge (SOC): fraction or percentage of the  capacity still available during/after discharge w.r.t.  nominal capacity  SOC DOD 100% 75% 25% 50% 50% 25% 75% 0% 100% However battery performs more than 100% of its  nominal capacity at discharge rate lower than the  nominal rate.   Types of battery used in PV  systems  Lead Acid:  very prominently  used  Nickle­Cadmium  Nickle metal hydride  Rechargeable lithium of various  types Lead­Acid :Fundamental Principle Fundamentally very simple to make  On hanging 2 metallic lead strips in and on  opposite sides of a small glass jar filled with  dilute sulphuric acid, connecting these strips  called ‘plates’ with a source of direct current and  allowing them to ‘charge’, the colour of one strip  becomes increasingly dark brown , called positive  plate; and other retains its original colour called  negative plate  On removing the charging source, a voltage of  about two volts is shown by a sensitive voltmeter  across the two plates called electrodes  Fundamental Principle  A battery formed this way has no practical value  because of low surface area of the strip to  accumulate sufficient ‘active material’ i.e. brown  lead peroxide of the positive plate and metallic  ‘sponge’ lead of the negative Fundamental Principle  The increase in effective area of plates for  achieving greater and greater capacity for  industrial use is one of the requirements for  useful design of the battery.   This can be accomplished by: Casting plates with complex ridges or  grooves Mechanically furrowed to obtain greater  surface Separate corrugated lead ribbons are  rolled into spiral buttons and inserted  in lead alloy frames Fundamental Principle       Type of plate affects the characteristics and performance of  battery All types have lead di oxide (PbO2)in the positive plate  applied during manufacture and porous sponge lead (Pb)  on negative plate The positive plates are welded to form a plate group and  negative plates are assembled in the same manner.  The plates of different polarity are insulated from each  other by separators.  The complete plate group assembly is immersed in dilute  sulphuric acid in a container Thus an electrochemical couple of two different plates or  electrodes (PbO2 and Pb) in an acid electrolyte (H2SO4) are  all that is required to make a rechargeable, or storage  battery Classification of battery according to +ve  plate type Flat plate type: different type of grid  structure                        Tubular plate type  ­ve Plate is always flat plate of sponge lead  Classification of battery as per  electrolyte type Flooded  Valve Regulated Lead Acid Battery    Absorbed Glass Mat type (AGM) Gel type Classification of battery as per use Starter, lighting and ignition (SLI)  Float operation   Cyclic    Charge-discharge curve of a VRLA battery C/20 rating               Reasons of battery loosing capacity Sulphation  Sedimentation  Stratification  Battery research at SEC Facility available: life cycle network, reserve  capacity network, temperature cycling  Presently manufacturers can avail the facility to  get their product evaluated for its capacity,  charge and energy efficiencies, reserve capacity,  high rate discharge, temperature effect on their  product, cycle life etc  Facility is being upgraded to evaluate batteries  as per IEC, BIS and JIS specifications     Project being implemented Design development of suitable batteries for PV  applications with CECRI  Evaluation of various types and brands of  batteries in   actual field conditions (being  proposed)  Development of suitable charge controllers,  MPPT for PV applications  THANK YOU [...]... life and performance in PV  systems  Manufacturing faults: choose a reliable and  trustworthy manufacturer  User abuse: providing documentation,  proper  supervision, or training for commissioning  Accidents: being careful such as to avoid  dropping spanner across the battery terminals   Improper design of PV system:  to avoid  sulphation  (in the case of lead acid battery),  stratification and freezing  Possible remedy ... (doubles for every 100C increase in temperature  in the case of lead acid battery)  Additional factors in sealed battery  Water or acid loss due to less than 100%  recombination of oxygen resulting venting out of  gas • Positive grid corrosion • Water vapour loss through case  Negative capacity loss: a chemical process rather  than electrochemical process   WHAT WE WANT Looking at the factors explained so far, need to ... Lead­Acid :Fundamental Principle Fundamentally very simple to make  On hanging 2 metallic lead strips in and on  opposite sides of a small glass jar filled with  dilute sulphuric acid, connecting these strips  called ‘plates’ with a source of direct current and  allowing them to ‘charge’, the colour of one strip  becomes increasingly dark brown , called positive  plate; and other retains its original colour called ... Fundamental Principle  The increase in effective area of plates for  achieving greater and greater capacity for  industrial use is one of the requirements for  useful design of the battery.   This can be accomplished by: Casting plates with complex ridges or  grooves Mechanically furrowed to obtain greater  surface Separate corrugated lead ribbons are  rolled into spiral buttons and inserted  in lead alloy frames... stratification and freezing  Possible remedy  Ensuring full charge (at least periodically)  Restricting to specified DOD  Providing as rapid a recharge as possible after  deep discharge This can be achieved by:     Choosing an appropriate battery Sizing it properly Providing an appropriate method of charge  control Controlling factors to the maximum  service from battery  Cycle life: a misleading notion  Grid corrosion: highly temperature dependent ... mechanism on battery performance, monitoring  and evaluation of different types of batteries in actual field conditions, studying various  standards and than choosing the best from each   Circulated these to all the battery and PV  industries for their comments including SESI  Received comments were incorporated in the  draft now here for discussion and suggestions to  enable freeze the standards by the end of this ... Recommendation about developing more test labs  with capacity to undertake third party testing as  per these specifications   Thankyou Component of a battery Positive and negative electrode (plates)  An electrolyte  Separators to stop the electrode touching  A container  Positive and negative terminals  Types of battery used in PV  systems  Lead Acid:  very prominently  used  Nickle­Cadmium... for appreciable time  Quoted as a percentage of capacity lost per  month at a specified temperature when starting  with a fully charged battery     Normally doubles for each 100C rise in battery  temperature  Cycle life Cycling  describes  the  repeated  discharging  and  recharging  process  that  a  battery  undergoes  in service  Cycle  life  is  a  measure  of  number  of  cycle  a  battery can deliver over its useful life... The plates of different polarity are insulated from each  other by separators.  The complete plate group assembly is immersed in dilute  sulphuric acid in a container Thus an electrochemical couple of two different plates or  electrodes (PbO2 and Pb) in an acid electrolyte (H2SO4) are  all that is required to make a rechargeable, or storage battery Classification of battery according to +ve  plate type Flat plate type: different type of grid  structure ... in lead alloy frames Fundamental Principle       Type of plate affects the characteristics and performance of  battery All types have lead di oxide (PbO2 )in the positive plate  applied during manufacture and porous sponge lead (Pb)  on negative plate The positive plates are welded to form a plate group and  negative plates are assembled in the same manner.  The plates of different polarity are insulated from each  ...Nature of renewable energy supplies and  real challenge  Renewable energy supplies are continuing or  repetitive current of energy occurring in natural environment  The initial input power from renewable energy ... hybridize it with an auxiliary energy supply system  Storing the energy for future use i.e. keeping it available  when and where it is required Methods of energy storage  Chemical    : hydrogen, ammonia ... Autonomy reserve for certain days is generally  specified   Even in specifying autonomy, there is certain  charge left in the battery (~20%)    Main functions of a battery in PV  systems To act as buffer store to eliminate the mismatch