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Le batterie Ni-Cd vengono utilizzate nei progetti solari? [Pro e contro + Alternative]

La storia delle batterie al nichel-cadmio (Ni-Cd) risale a oltre 100 anni fa, quando un inventore svedese sviluppò una batteria ricaricabile utilizzando elettrodi di nichel e cadmio.

In qualità di sviluppatore o appaltatore di progetti, potresti essere consapevole che la tecnologia delle batterie agli ioni di litio è ampiamente adottata. Ma oggi le batterie Ni-Cd vengono utilizzate nei progetti solari?

Approfondiremo i pro e i contro di questo tipo di batteria solare. Quindi avrai un'idea migliore del motivo per cui sono e non sono una buona scelta come soluzione a batteria.

Le batterie Ni-Cd vengono utilizzate nei progetti solari?

Cosa sono le batterie solari Ni-Cd? Come funzionano?

Le batterie Ni-Cd utilizzano ossido di nichel idrossido come catodo e cadmio metallico come anodo. L'elettrolita contiene idrossido di potassio (KOH), con una concentrazione compresa tra 20% a% 35 a peso.

Durante la carica, l'ossido di nichel idrossido (NiOOH) sul catodo della batteria viene riconvertito in idrossido di nichel (Ni(OH)₂) rilasciando elettroni. Nel frattempo, il cadmio (Cd) sull'anodo si ossida in idrossido di cadmio (Cd(OH)₂) assorbendo gli elettroni che hanno viaggiato attraverso il circuito esterno dal catodo.

Durante la scarica la corrente elettrica scorre nella direzione opposta. 

L'idrossido di nichel (Ni(OH)₂) al catodo viene ridotto a idrossido di ossido di nichel (NiOOH), assorbendo elettroni. All'anodo, l'idrossido di cadmio (Cd(OH)₂) rilascia elettroni, riconvertendosi in cadmio metallico (Cd).

L'elettrolita KOH non svolge alcun ruolo né nelle reazioni di carica né di scarica. 

Quali sono i pro e i contro delle batterie Ni-Cd?

Sin dalla nascita delle batterie Ni-Cd, sono state introdotte sul mercato diverse nuove tecnologie di batterie, che a loro volta allineano i pro e i contro delle batterie Ni-Cd nelle applicazioni odierne.

Svantaggi

Il motivo per cui nella nostra spiegazione anteponiamo i contro ai pro è la crescente preoccupazione per la compatibilità ambientale della tecnologia di accumulo delle batterie.

Rischi ambientali

Come la batteria al piombo inventata in un periodo di tempo simile, anche le batterie Ni-Cd contengono elementi tossici. Il nichel e il cadmio sono associati a vari problemi ambientali. Sebbene la tecnologia di produzione odierna abbia ridotto enormemente il rischio di perdite, se non smaltiti correttamente, questi elementi possono ancora provocare inquinamento e tossicità per il biota marino e degli estuari.

Minaccia ambientale rappresentata dal cadmio nelle batterie Ni-Cd

Effetto memoria

L'"effetto memoria" nelle batterie Ni-Cd si riferisce al fenomeno di cui tendono a conservare un ricordo livelli di ricarica precedenti quando non è completamente scarico prima di ricaricarlo.

Lo elenchiamo come uno dei principali inconvenienti perché pone sfide significative per i processi di carica e scarica. Questo effetto può limitare direttamente la loro applicabilità nei progetti di accumulo solare a causa del rischio di capacità ridotta.

Bassa densità di energia

A causa della loro composizione chimica e del potenziale deterioramento dei materiali, le batterie Ni-Cd non forniscono un'elevata densità di energia come le altre batterie moderne. 

La densità energetica rientra tipicamente nell'intervallo di circa 40-60 Wh/kg. Questo punto debole limita la capacità complessiva della batteria per un dato peso o volume, rendendole una scelta meno efficiente rispetto alle alternative per lo stoccaggio dell’energia.

Ciclo di vita inferiore e tasso di autoscarica più elevato

Le batterie Ni-Cd hanno un ciclo di vita in media di 1,000-2,000. È superiore a quello delle batterie al piombo, ma non è in grado di competere con altre alternative avanzate. 

Inoltre, molte batterie ricaricabili possono autoscaricarsi nel tempo, ma le batterie Ni-Cd hanno un tasso di autoscarica più elevato, compreso tra il 10% e il 20% circa al mese a temperatura ambiente. Ciò significa che possono perdere gradualmente gran parte della loro carica se rimangono inattivi. Tuttavia, poiché le batterie devono funzionare quotidianamente insieme ai pannelli solari, questo potrebbe non essere un grosso problema per i progetti solari.

Potenzialmente più costoso

At SolarBuy.com, riteniamo che non sia giusto confrontare i costi basandosi esclusivamente sulle spese iniziali dell'attrezzatura.

Sebbene le batterie Ni-Cd possano essere più economiche in anticipo, la durata di vita relativamente più breve, la minore densità di energia e l’effetto memoria produrranno costi nascosti. Questi costi non sono immediatamente evidenti o facilmente quantificabili, ma avranno sicuramente un impatto sul costo complessivo di un progetto.

Vantaggi

Queste batterie ricaricabili presentano ancora numerosi vantaggi che meritano la nostra considerazione.

Aspro

La robustezza delle batterie Ni-Cd è dovuta alla loro solida costruzione che le rende altamente resistenti agli urti fisici e alle vibrazioni.

Questa funzione consente a queste batterie di rimanere funzionanti robusto applicazioni industriali in cui le batterie possono essere soggette a trattamento brusco e scorretto.

Alto tasso di scarico

La bassa resistenza interna, la composizione chimica e gli elettrodi robusti delle batterie Ni-Cd consentono loro di fornire energia elettrica a una velocità elevata. Questa caratteristica rende queste batterie adatte per applicazioni che richiedono rapidi esplosioni di energia o elevata potenza in un breve periodo di tempo.

Ma i progetti solari in genere non richiedono batterie con velocità di scarica eccezionalmente elevate. Piuttosto, spesso danno priorità ad altri fattori, tra cui la densità energetica e il ciclo di vita.

Buone prestazioni a temperature estreme

I progetti solari sono situati in siti dove le risorse di irradiazione solare sono abbondanti. Alcune di queste località potrebbero avere climi caldi.

Grazie alla loro struttura robusta e alla stabilità chimica, le batterie solari Ni-Cd sono note per la loro resistenza alle temperature estreme. Queste batterie mantengono un profilo di scarica relativamente stabile e possono fornire una potenza in uscita costante. 

La ricerca indica che le batterie Ni-Cd possono resistere a temperature fino a 70°C. 

A temperature fredde, queste batterie possono anche mostrare prestazioni soddisfacenti. Sebbene possano presentare ragionevoli problemi di capacità ed efficienza in condizioni di freddo, queste batterie sono meno suscettibili ai danni rispetto ad altri prodotti chimici per batterie.

Alternative alle batterie Ni-Cd nei progetti solari

Oltre le batterie Ni-Cd, piombo-acido, agli ioni di litio e a flusso sono opzioni disponibili per i moduli di accumulo dell'energia nei progetti solari.

Poiché i diversi progetti hanno configurazioni e condizioni di installazione particolari, il processo decisionale è un confronto con i pro e i contro di ciascuna tecnologia.

Modulo di accumulo dell'energia della batteria per progetti solari su larga scala
"Canadian Solar" (ritaglio) di blmcalifornia è contrassegnato con Public Domain Mark 1.0.

Le batterie al piombo sono opzioni economicamente vantaggiose per vari tipi di progetti solari, in particolare quelli con un budget iniziale limitato e quelli situati in una regione in cui la fornitura di altre tecnologie di batterie più recenti non può essere garantita.

Le batterie agli ioni di litio sono attualmente leader del mercato globale in termini di quota di mercato, rappresentando circa il 60-65% del mercato totale dello stoccaggio dell’energia. Nonostante il costo del prodotto sia superiore a quello delle batterie Ni-Cd, le batterie agli ioni di litio superano le Ni-Cd in alcuni criteri critici per i progetti solari, tra cui densità energetica, efficienza di carica, DoD e ciclo di vita.

È interessante notare che le batterie agli ioni di litio hanno subito un drastico calo dei costi di circa 97 per cento fin dalla loro introduzione. Con le continue innovazioni nella scienza dei materiali abbinate alle economie di scala, è prevedibile un continuo calo dei prezzi.

Tra i diversi tipi di tecnologia agli ioni di litio, le batterie al litio ferro fosfato (LiFePO4) occupano una quota in espansione. Questo tipo di batteria è nota per la sua stabilità termica e chimica superiore, mostrando una migliore tolleranza alle temperature elevate e offrendo allo stesso tempo un ciclo di vita molto più lungo e una densità di energia più elevata rispetto alle batterie Ni-Cd. Negli ultimi anni, il settore ha assistito a un’adozione in costante aumento di queste batterie alla luce della loro reputazione di fornire prestazioni stabili e affidabili a lungo termine.

Infine, le batterie a flusso, le più giovani tra tutte le batterie di cui parliamo qui, sono rinomate per la loro durata significativamente più lunga, anche se paragonate alle batterie agli ioni di litio. Ciò li rende ideali per progetti solari diretti ad applicazioni fluide a lungo termine. Eppure le batterie a flusso sono finora la tecnologia delle batterie più costosa.

Ni-MH: un'altra batteria solare a base di nichel

Le batterie Ni-MH sono state inventate in parte in risposta alla pressante necessità di affrontare l'impatto ambientale associato alle batterie Ni-Cd.

Queste batterie sono composte da nichel, cobalto e alcuni elementi delle terre rare. Sono più rispettosi dell'ambiente grazie al assenza di cadmio tossico. Inoltre, con un processo di riciclaggio meno complesso e una migliore densità energetica ed efficienza di ricarica, sono considerati una scelta migliore rispetto alla loro controparte a base di nichel.

Conclusione

Possiamo concludere che è così molto raro utilizzare batterie Ni-Cd nei progetti solari. Esistono alcune alternative migliori per soddisfare le esigenze intrinseche dei progetti solari, che comportano una maggiore densità, prestazioni più stabili e una maggiore longevità.

Costruite su alcune caratteristiche particolari, le batterie Ni-Cd trovano il loro posto nelle applicazioni aerospaziali e della difesa, sanitarie, automobilistiche e industriali.
Nel complesso, la quota di mercato delle batterie Ni-Cd è pari o inferiore al 5%. La Commissione europea ha regolamento emanato vietare l'uso di batterie contenenti cadmio in alcuni settori.

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