Energy storage in photovoltaics

 Limited variableamount 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 

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

 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

 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

 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.  

 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 

 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 (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

 Loss of charge of a battery  if left at open circuit 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

 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

 Quoted  as  number  of  discharge  cycle  to  a specified  DOD  that  a  battery  can  deliver  before its  capacity  is  reduced  to  certain  fraction (normally 80%) of the initial capacity

 Higher the DOD lower will be cycle life

INDICATIVE CYCLE LIFE FOR DIFFERENT DOD

A BATTERY STATED TO GIVE 1000 CYCLE AT 80% DAILY DOD MAY HAVE PREDICTED LIFE AS FOLLOWS (THOUGH THIS IS TOTALLY UNBELIEVABLE FOR VERY SHALLOW CYCLING DUE TO CERTAIN OTHER REASONS:

Factors affecting the battery  life and performance in PV  systems 

 Manufacturing faults: choose a reliable and 

trustworthy manufacturer

 User abuse: providing documentation,  proper supervision, or training for commissioning

 Ensuring full charge (at least periodically)

 Restricting to specified DOD

 Providing as rapid a recharge as possible after deep discharge

Controlling factors to the maximum  service from battery 

 Cycle life: a misleading notion

 Grid corrosion: highly temperature dependent (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 

 Looking at the factors explained so far, need to have quality product

 For assuring quality, need to have parameters to measure that

 For that proper specifications/standards are 

necessary,which may cater requirement of all the three types of lead acid batteries i.e. 

standards and than choosing the best from each standards to suit us  

 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 

workshop with the recommendation that the 

draft be adopted by BIS for batteties for PV 

application by giveiong suitable BIS number

 Recommendation about developing more test labs with capacity to undertake third party testing as per these specifications

 Thankyou

systems

Lead Acid:  very prominently  used

Nickle­Cadmium

Nickle metal hydride

Rechargeable lithium of various 

types

 On removing the charging source, a voltage of 

about two volts is shown by a sensitive voltmeter across the two plates called electrodes

 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

 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.

 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

 Starter, lighting and ignition (SLI)

 Float operation 

 Cyclic

Charge-discharge curve of a VRLA battery C/20 rating

 Sulphation

 Sedimentation

 Stratification

 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   

 Design development of suitable batteries for PV applications with CECRI

THANK YOU