Аккумуляторы для автономных и резервных систем
Аккумулятор (лат. accumulator накопитель) — это буфер для накопления электрической энергии при помощи обратимых химических процессов. Эта обратимость химических реакций, происходящих внутри аккумулятора и дает ему возможность работать в циклическом режиме постоянных зарядов и разрядов. Чтобы зарядить аккумулятор. нужно пропустить через него ток в направлении встречном направлению тока при разряде. Аккумуляторы можно объединять в моноблоки, и тогда их называют аккумуляторными батареями. Основным параметром, характеризующим аккумулятор является емкость. Емкость — это максимальный заряд, который может принять конкретный аккумулятор. Чтобы измерить емкость аккумулятор разряжают в течении определенного времени до определенного напряжения. Измеряют емкость в кулонах, джоулях и Ач(амперчасах). Иногда, преимущественно в США, емкость измеряется Вт*ч. Соотношение между этими единицами такое 1Вт*ч=3600 Кл, а 1Вт*ч=3600Дж. Правильный заряд аккумулятора происходит в несколько стадий. В большинстве случаев это 4 стадии: стадия накопления(bulk), стадия поглощения(absorbtion), стадия поддержки(float) и стадия выравнивания(equalization). Стадия выравнивания актуальна только для аккумуляторов открытого типа(их еще называют flooded), выполняют её по определенному графику. Операция эта сродни «кипячению» электролита в аккумуляторе, но позволяет перемешать электролит, который со временем расслаивается. В конечном итоге правильное выравнивание позволяет увеличить срок эксплуатации аккумулятора. Основная причина выхода аккумулятора из строя это сульфатация рабочих пластин. Образование окисла на свинцовых пластинах называется сульфатацией. Производители аккумуляторов сообщают, что эта причина составляет до 80% всех отказов аккумуляторов. Кроме перемешивания электролита, выравнивание очищает пластины от сульфатов, и впоследствии нагрузка на пластины распределяется равномерней. Во время процесса выравнивания выделяется значительное количество гремучей смеси кислорода и водорода. Поэтому нужно уделить серьезное внимание вентиляции помещения аккумуляторной. Существуют современные промышленные аккумуляторы открытого типа в которых электролит принудительно циркулирует. Кроме аккумуляторов с жидким электролитом существуют еще АКБ герметичного типа. В таких аккумуляторах выравнивание не нужно, а при остальных стадиях заряда газообразования не происходит.
Энергия многих источников энергии нужна не тогда, когда она доступна(в первую очередь это относится к солнечным батареям), собственно поэтому её и приходится запасать. Работа нагрузки не должна зависеть от освещенности солнечных батарей, и поэтому даже в дневное время наличие аккумулятора необходимо. Конечно при этом должен быть баланс между приходящей от СБ энергией и количеством энергии, уходящей в нагрузку. Аккумуляторы, применяемые в различных энергетических системах различаются по: номинальному напряжению, номинальной емкости, габаритам, типу электролита, ресурсу, скорости заряда, стоимости, рабочему диапазону температур и пр. Аккумуляторы в фотоэлектрических системах обязаны удовлетворять ряду требований: большая цикличность(количество выдерживаемых циклов заряда/разряда), малый саморазряд, по возможности большой зарядный ток(для гибридных систем с жидкотопливными генераторами), широкий диапазон рабочих температур, а также минимальное обслуживание. С учетом этих требований для различных систем электроснабжения созданы аккумуляторы глубокого разряда. Для солнечных систем существует их модификация solar. Такие АКБ имеют огромный ресурс при циклической работе. Аккумуляторы стартерного типа для работы в таких режимах мало пригодны. Они «не любят» глубокие разряды и разряды малыми токами, имеют большой саморазряд. Срок их службы в таких условиях невелик. Их штатный режим — это кратковременный разряд большим током, тут же восстановление заряда, и ожидание следующего пуска стартера в заряженном состоянии. Если провести аналогию со спортом, то стартерная АКБ это спринтер, а специализированная АКБ это марафонец. Наиболее популярны в настоящее время свинцово-кислотные аккумуляторы. В них меньше удельная стоимость 1кВт*ч, чем у их собратьев, произведенных по другим технологиям. В них больше КПД и шире температурный диапазон работы. Например, эффективность свинцово-кислотного АКБ лежит в пределах 75-80%, а эффективность щелочного АКБ не более 50-60%. По некоторым параметрам щелочные аккумуляторные батареи все таки превосходят «свинец». Это их огромный ресурс в живучести, возможность восстановления путем замены электролита, работа при очень низкой температуре. Но некоторые моменты делают их малопригодными в ФЭС. К ним относятся малый КПД и малая восприимчивость к зарядке малым током. Это приводит к безвозвратной потере значительной части энергии, которая достается с такими усилиями. Вдобавок для аккумуляторной батареи щелочного типа очень трудно подобрать контроллер заряда, а контроллеры с возможностью настройки режимов заряда дорогие.
Теперь перейдем к более подробному рассмотрению аккумуляторов наиболее часто применяемых в системах бесперебойного и автономного электроснабжения. Три основных типа это АКБ технологии AGM, GEL и Flooded.
— GEL-технология Gelled Electrolite появилась в середине XX века. К электролиту подмешивается SiO2, и спустя 3-5 часов электролит становится желеобразным. В этом желе имеется масса пор, которые заполнены электролитом. Именно такая консистенция электролита позволяет работать GEL аккумулятору в любом положении. Аккумулятор такой технологии является необслуживаемым.
— AGM-технология Absorptive Glass Mat появилась на 20 лет позже. Вместо загущенного до желе электролита в них применяется стекломат, который пропитывают электролитом. Поры стекломатов электролит заполняет не до конца. В оставшемся объеме происходит рекомбинация газов.
— Flooded -аккумуляторы с жидким электролитом(заливные) по прежнему имеют широкое применение. Будучи снабжены рециркуляционными клапанами они переходят в класс малообслуживаемых АКБ. Такие клапана не допускают выделения газов, а проверять уровень электролита нужно лишь раз в год. Это снимает ограничения на размещение Flooded аккумуляторов внутри помещений. Аккумуляторы открытого вида более выносливы по сравнению с необслуживаемыми аккумуляторами, удельная стоимость Ач в них ниже и они лучше поддаются балансировке.
Каждый из вышеописанных типов аккумуляторов имеет подкласс панцирных аккумуляторов. Отличительной особенностью таких АКБ являются решетчатые пластины и электроды в виде трубок. Подобная технология существенно увеличивает число зарядно-разрядных циклов. Причем глубоких разрядов до 80%. Электропогрузчики, ФЭС и другая силовая электротехника широко используют такие АКБ. Маркируют их OPzS и OPzV.
Увеличение емкости АКБ достигается тем, что моноблоки АКБ объединяются путем параллельного, последовательного или параллельно-последовательного соединения . Для последовательного соединения аккумуляторов необходимо использовать аккумуляторы одной емкости. При этом суммарная емкость равна емкости одного аккумулятора, а напряжение равно сумме напряжений отдельных АКБ. При параллельной коммутации АКБ, напротив, складываются емкости и суммарная емкость увеличивается, а напряжение блока равно исходному напряжению отдельного АКБ. Параллельно-последовательная коммутация ведет к увеличению и напряжения и емкости блока. В один блок можно объединять только идентичные аккумуляторы. Т.е. они должны быть одного напряжения, емкости, типа, возраста, производителя и желательно одной партии выпуска(разница не более 30 дней). С течением времени АКБ, соединенные последовательно, и особенно последовательно-параллельно подвержены разбалансировке. Это значит, что суммарное напряжение последовательных АКБ соответствует норме для зарядного устройства, но в самой цепочке напряжения одиночных аккумуляторов значительно отличаются. Как следствие часть аккумуляторов перезаряжается, а другая часть недозаряжается. Это существенно уменьшает их ресурс. Специальные устройства балансировки позволяют свести к минимуму это вредное явление. В крайнем случае необходимо 1-2 раза в год проводить заряд каждого аккумулятора индивидуально. Для последовательно-параллельного соединения аккумуляторов рекомендуется делать перемычки между средними точками(это несколько способствует самовыравниванию), а также чтобы сбалансированно снимать мощность: плюс нужно «брать» с ближайшего аккумулятора, а минусовой контакт с диагонально расположенного. Чтобы аккумуляторные батареи было удобно обслуживать и монтировать их размещают на металлических стеллажах.
Любой 12-ти вольтовый моноблок состоит из 6 блочков по 2В. В связи с этим чтобы набрать блок аккумуляторов большой емкости рекомендуется не параллельное соединение 12-ти вольтовых моноблоков, а последовательное соединение 2-х вольтовых блоков большой емкости. Ресурс такой «сборки» значительно выше. Кроме того большинство производителей не рекомендует параллелить более 4-х цепочек. Это связано с проблемой разбалансировки и вытекающей из этого различной степени старения отдельных аккумуляторов. Но например германский концерн Sonnenschein разрешает коммутировать параллельно до 10 цепочек. При расчете ФЭС обычно закладывается такая емкость аккумулятора, чтобы после автономии в течении заданного количества пасмурных дней в условиях отсутствия заряда из вне, глубина разряда аккумулятора не превысила 50%, а лучше 30%. Впрочем эти цифры не догма, и все зависит от конкретного проекта. Подробнее об этом можно прочесть в разделе «Расчет фотоэлектрической системы». Правильная эксплуатация аккумуляторной батареи подразумевает соблюдение:
1) Значений зарядных и разрядных токов не выше их номинала. Разряд АКБ недопустимо большим током приведет к быстрому износу пластин и преждевременному старению АКБ. Заряд же большим током снижает объем электролита. Причем в герметичных АКБ выкипание электролита необратимо- АКБ высыхает и погибает.
2) Глубины разряда аккумулятора. Глубокие разряды, а тем более систематические, причина частой замены аккумуляторных батарей и удорожания системы. Типичный график взаимозависимости глубины разряда АКБ и количества циклов заряда/разряда расположен ниже.
3) Величин напряжений стадий заряда и внесение температурной компенсации в эти напряжения при нестабильной температуре в аккумуляторной. На странице контроллеры заряда это описано более подробно. По напряжению аккумулятора невозможно точно определить уровень её заряда, но можно сделать оценку уровня заряда. Таблица ниже показывает эту связь.
| Тип АКБ | 25% | 50% | 75% | 100% |
|---|---|---|---|---|
| Свинцово-кислотная | 12,4 | 12,1 | 11,7 | 10,5 |
| Щелочная | 12,6 | 12,3 | 12,0 | 10,0 |
Напряжения различных стадий заряда также зависят от температуры. Производители указывают температурный коэффициент в документации на продукцию. Обычно этот коэффициент лежит в пределах 0.3-0.5В/градус:
| Температура батареи, C o | Напряжение, В |
|---|---|
| 0 | 15,0 |
| 10 | 14,7 |
| 20 | 14,4 |
| 30 | 14,1 |
Температура внешней среды оказывает существенное влияние на параметры акккумулятора. Работа аккумулятора при высоких температурах резко сокращает ресурс АКБ. Это связано с тем, что все негативные химические процессы ускоряются при повышении температуры. Повышение температуры аккумуляторной батареи всего лишь на 10°С ускоряет коррозию в 2(!) раза.Таким образом аккумулятор, эсплуатируемый при 35°С проживет в 2 раза меньше, чем такой же точно АКБ при 25°С. Следующий график показывает зависимость ресурса аккумулятора от его температуры.
Не нужно забывать о том, что аккумуляторы нагревается при заряде, и его температура может превышать температуру в помещении на 10-15°С. Особенно это заметено, когда идет ускоренный заряд большим током. Поэтому не рекомендуется располагать аккумуляторы вплотную друг к другу, затрудняя естественный обдув и охлаждение.
Следующим параметром свинцово-кислотных АКБ является саморазряд. При хранении в стандартных условиях(20°С) аккумуляторы обычно разряжаются со скоростью 3% в месяц. Длительное хранение без подзаряда приводит к сульфатации отрицательных пластин. Периодической подзарядки 1-2 раза в год достаточно для поддержания АКБ в хорошем состоянии. Повышенная температура ускоряет саморазряд. Следующий график иллюстрирует зависимость саморазряда от температуры.
Рассчитывая систему, нужно помнить о том, что разрядные характеристики АКБ нелинейны. Это значит, что разряд аккумулятора током в 2 раза большим током не сократит время нагрузки в 2 раза. Такая зависимость верна лишь для малых токов. Для больших токов необходимо использовать для расчета таблицы разрядных характеристик, предоставляемые производителем. Ниже располагается для примера одна из таких таблиц.
В двух словах о тестировании аккумуляторов. Самыми простыми являются КТЦ(контрольно-тренировочный цикл), проверка плотности электролита ареометром и тест при помощи нагрузочной вилки. К более современным методам относятся всевозможные тестеры емкости. Все методы имеют свои плюсы и минусы. КТЦ отнимает много времени, и к тому же АКБ необходимо выводить из эксплуатации. Проверка уровня и плотности электролита не дает полной картины. Качественные тестеры тестируют АКБ за 3-5 секунд, разряжать аккумулятор не нужно, но такие тестеры очень дорогие. В зависимости от назначения системы мы применяем в нашей практике АКБ таких производителей как Sonnenschein, Fiamm, Haze, Rolls, Trojan, Ventura, Shoto, Delta. Эти компании производят очень широкий перечень продукции и возможно подобрать АКБ для любого проекта.
В связи со значительным снижение цен на солнечные панели за последние 2-3 года, АКБ стали самым дорогостоящим элементом ФЭС, имеющим их в своем составе. Их первоначальная стоимость велика, и к тому же они являются практически расходным материалом. Из этого следует, что нужно обращать особое внимание на выбор АКБ для проекта, а также последующую правильную их эксплуатацию. Иначе стоимость системы будет расти как снежный ком. Обычно в документации к АКБ производители указывают срок службы в буферном режиме и при идеальных условиях экплуатации(температура 20°С, редкие неглубокие разряды, постоянный оптимальный заряд). Даже в резервной системе такие условия обеспечить очень трудно. А в автономном режиме картина совершенно иная. Постоянный заряд/разряд — это очень тяжелые условия работы.
Подводя итог ко всему вышесказанному перечислим факторы снижающие ресурс АКБ
• Перезаряд. Он опасен выкипанием электролита. Этого не допустит контроллер заряда или зарядное устройство инвертора;
• Систематический недозаряд. Необходимо 1-2 раза в месяц производить заряд АКБ на 100%;
• Глубокий разряд. Не нужно глубоко разряжать АКБ. Это может предотвратить контроллер заряда или инвертор с настройкой напряжения отключения генерации или иное стороннее устройство. Не так страшен глубокий разряд, как хранение разряженного АКБ. АКБ нужно немедленно заряжать после глубокого разряда;
• Разряд АКБ непомерно большими токами. Нагрузки с пусковыми токами нужно учитывать при расчете емкости АКБ. В противном случае пластины внутри АКБ неравномерно истоньшаются и аккумулятор придет в негодность преждевременно;
• Заряд АКБ чрезмерными токами (более 20% емкости) «высушивает» аккумулятор и сокращает срок его службы. Особенно критичны к этому GEL аккумуляторы. Ознакомьтесь на этот счет с рекомендациями производителя;
• Высокая температура при эксплуатации. Оптимальная для аккумулятора температура 20-25°C. При температуре 35°C ресурс аккумулятора уменьшается в 2 раза.
Чтобы сделать попытку восстановить «убитые» АКБ рекомендуется заряжать их очень малым током(1-5% емкости), а затем разряжать большим током(до 50% от емкости АКБ). Эта процедура разрушает слой окисла на пластинах и есть небольшой шанс восстановить часть емкости АКБ. Таких циклов нужно провести не менее 5-10. «Каталог аккумуляторных батарей» предлагаемых нами находится здесь. В ходе обсуждения заказа могут быть предложены и другие марки АКБ, не включенные в каталог.
Бережно относитесь к аккумуляторам и они будут служить Вам положенный срок, а не попадут на свалку раньше времени!
© 2001-2015 «SOLBAT-Солнечные батареи», Все права защишены. Копирование запрещено.
Источник