Energy storage in photovoltaics

Energy storage in 
photovoltaics
P.C.Pant
Scientist 
Solar Energy Centre
Ministry of New and Renewable Energy



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%
0
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.  


Self discharge rate
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



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
 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



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:

Daily DOD (%)

Cycles

years

80

1000

2.7

40

2000

5.5

20

4000

11

10

8000

22

5

16000

44

2

40000

110

1

80000

219


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
 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 
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 
(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 
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. 
flooded,AGM VRLA,Gel VRLA
 Attempts have been made to develop such 
specifications based on failure analysis of 
batteries in SPV, effect of different charging 
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 

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


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
 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.