Эксплуатация аккумуляторов
Введение. О ёмкости и напряжении аккумуляторов.
Коротко разберём распространённое мнение – «при последовательном соединении двух аккумуляторов (АКБ), их ёмкость не меняется, она остаётся такой же, как у одного аккумулятора, поэтому время автономной работы при таком соединении будет меньше».
Но как же закон сохранения энергии? Да, при последовательном соединении аккумуляторов, формально ёмкость считается как у одного аккумулятора, а напряжение удваивается (или утраивается, учетверяется и т.д., в зависимости от количества последовательно соединённых АКБ). При параллельном же соединении АКБ – ёмкость удваивается (утраивается и т.д.), а напряжение остаётся тем же.
Противоречия здесь нет. Когда люди говорят об аккумуляторе (обычно об автомобильном), то сообщают его ёмкость, но не уточняют вольтаж. Просто все привыкли, что аккумуляторы имеют напряжение 12 В, и подразумевается, что упоминать об этом глупо. Но в вообще-то, ёмкость без указания вольтажа не имеет физического смысла. Существуют аккумуляторы самой разной ёмкости и на разное напряжение – на 2 В, и на 6 В, и на 12 В, и, редко, на 24В. Кроме того, любые одинаковые АКБ можно соединять последовательно, параллельно, или последовательно-параллельно одновременно.
Но стоит только указать после величины ёмкости, её вольтаж, как всё встаёт на свои места. Ведь ЭНЕРГОЁМКОСТЬ в любом случае, как бы мы не соединяли аккумуляторы, останется прежней.
Итак, если, например, два АКБ по 200 Ач×12 В , соединить последовательно, то получится энергоёмкость 200 Ач×24 В. А если эти же два АКБ соединить параллельно, то получится – 400 Ач×12 В. Проверим:
200 Ач×24 В = 480 = 400 Ач×12 В
Но для расчётов токов (обычно, номинальным током заряда считается ток 0,1×С, где С –величина равная ёмкости аккумулятора), С берут именно по цифре слева, т.е. в нашем примере, при последовательном соединении С = 200, а при параллельном С = 400.
Легко заметить, что и мощность зарядного устройства в обоих случаях будет одинаковой.
Для первого случая, зарядный ток будет 0,1×200 = 20 А, но при напряжении 24 В. Т.е. зарядная мощность, Р = 20 А×24 В = 480 Вт
Для второго случая, зарядный ток будет 0,1×400 = 40 А, но при напряжении 12 В. Т.е. зарядная мощность, Р = 40 А×12 В = 480 Вт
Если рассматривать одиночные аккумуляторы, то например один аккумулятор 600 Ач×2 В, по своей энергоёмкости соответствует одному аккумулятору 100 Ач×12 В.
Чтобы получить из этих аккумуляторов (600 Ач×2 В) большую аккумуляторную батарею, например, на 24 В, нужно соединить последовательно 12 шт таких АКБ. Общая итоговая ёмкость получится 600 Ач×24 В. Эта энергоёмкость, если сравнивать её с 12-и вольтовыми АКБ по 200 Ач (а такие применяются в грузовиках), соответствует 6-и штукам (три соединённых параллельно цепочки аккумуляторов, где каждая цепочка состоит из двух соединённых последовательно аккумуляторов):
(600 Ач×2В)×12 = 600 Ач×24 В = (200 Ач×24 В) + (200 Ач×24 В) + (200 Ач×24 В)
Обратите внимание – на всех рисунках специально показано, что если минус инвертора подключён к условно первому АКБ, то плюс – к последнему. Так его следует подключать, чтобы компенсировать сопротивление даже толстых медных проводов соединяющих аккумуляторы. Иначе, из-за их сопротивления, при огромных токах, «дальний» от выводов инвертора аккумулятор, окажется и не »дозаряжаем», и не »доразряжаем».
Чтобы аккумулятор служил долго, его нельзя разряжать более чем на 80%. Для 12-и вольтового АКБ, это соответствует напряжению на его клеммах примерно 11,5 – 11,7 В. Но тут важно каким током относительно емкости АКБ мы его разряжаем.
Чем больше сила разрядного тока, тем ниже напряжение, до которого может разряжаться аккумулятор. Это потому, что при быстром разряде большими токами относительно маленькой ёмкости аккумулятора, электролит не успевает перемешиваться и разряженный слой скапливается вокруг пластин. Напряжение АКБ падает и нагрузка автоматически снимается инвертором (в его меню допустим установлена нижняя граница напряжения АКБ при котором ещё идёт потребление энергии). Однако, спустя несколько десятков минут, электролит перемешивается и ёмкость (и, соответственно, напряжение аккумулятора) повышаются.
Если же разряжать малым током относительно ёмкости, то можно вычерпать всю энергию, что плохо для долговечности АКБ. Всегда надо оставлять не менее 20% ёмкости. Поэтому, можно установить то конечное напряжение на АКБ, при котором даже при отсутствии нагрузки какая-то ёмкость ещё остаётся (например для обычного кислотного АКБ при напряжении 11,5 – 11,7 В даже без нагрузки в АКБ ещё остаётся 20% ёмкости. А если будет нагрузка и инвертор отключит АКБ при 11,5 В, то ёмкости при этом в АКБ останется ещё больше – это только лучше для долговечности АКБ). Поэтому измерять ёмкость через специальный шунт или более грубо, по напряжению на АКБ – не столь уж важно, ведь в последнем случае возможен только запас остаточной ёмкости (т.е. погрешность идёт на пользу долговечности АКБ). Подробнее об этом далее.
Отметим, что во время заряда, зарядное устройство постепенно повышает напряжение на АКБ, а затем, после снятия заряда, напряжение уменьшается, возвращаясь к спокойному состоянию (так, на 12-и вольтовом аккумуляторе, в зависимости от типа АКБ, оно обычно растёт до 14,1 – 14,5 В, а после снятия заряда, даже без нагрузки, в течении получаса возвращается к нормальному для 100% заряженного АКБ 12,5 – 12,8 В).
О типах, технологиях и назначении аккумуляторов
Далее дадим краткое пояснение, что такое аккумуляторы гелевые, типа AGM, панцирные и др. Коротко упомянем и о экзотических типах аккумуляторов (литий - ионные, щелочные и др.) в конце статьи.
Стартерные автомобильные – самые слабые и недолговечные аккумуляторы. Требования к ним небольшие, поэтому они делаются по простейшей технологии (штампованные свинцовые относительно тонкие решётчатые пластины). Бывают обслуживаемые (требуют проверки уровня электролита и доливки дистиллированной воды, обычно раз в год) и не обслуживаемые герметизированные (в случае перезаряда большими токами или напряжениями, если вода в них выпарится через срабатывания предохранительного клапана, долить её уже нельзя и АКБ выбрасываются).
Обслуживаемые автомобильные АКБ выдерживают порядка 100 - 200 циклов разрядов на 80%. Количество циклов зависит от качества изготовления, что связано с именитостью (масштабностью и временем существования производителя), а значит надёжностью и честностью производителя. Честность тут проявляется в количестве свинца расходуемого на один АКБ, т.е. насколько пластины будут тонкими. Косвенно можно оценить это по весу АКБ разных производителей, но одинаковой ёмкости.
Герметизированные автомобильные АКБ – в идеальном случае выдерживают около 200 циклов. Мы пишем «в идеальном», т.к. герметизированные автомобильные АКБ гораздо требовательней к условиям эксплуатации. Нельзя превышать зарядных токов и повышенных напряжений заряда (это чревато выпариванием воды которую нельзя долить), они более критичны к глубоким разрядам или долгому нахождению их в таком состоянии. Особенно для АКБ, сделанных на основе кальциевых сплавов (а автомобильные герметизированные АКБ обычно как раз кальциево-свинцовые). Кальциевые сплавы в АКБ вообще малопригодны для автономного и бесперебойного электроснабжения.
AGM – кислотные герметизированные аккумуляторы, в которых электролит адсорбирован стекломатами. Выдерживают примерно 250 – 400 циклов разрядов на 80%. Технология изготовления пластин обычная (правда сами пластины потолще), поэтому и количество циклов относительно мало. Чувствительны к перезарядам.
Гелевые – кислотные герметизированные аккумуляторы, в которых электролит загущён с помощью селикогеля. Выдерживают примерно 350 – 500 циклов разрядов на 80%. Технология изготовления пластин обычная, поэтому и количество циклов не велико. Более чувствительны к перезарядам (может выпариться вода). Необходимо обеспечить точное соответствие зарядных токов и напряжений паспортным (для них напряжение конца заряда обычно ниже, чем у других АКБ).
Панцирные – это широкий класс высококачественных кислотных аккумуляторов, построенных на решетчатой структуре пластин с трубчатыми электродами. Так называемые трубчатые положительные плиты, в которых каждый компонент заключен в полимерный кислотопроницаемый стержень, изготавливаются из сплава химически чистого свинца (чистота металла не менее 99,9%) и 2 - 6% сурьмы. Данная технология применяется во всех долговечных промышленных типах АКБ (тяговых, стационарных, солнечных, как малообслуживаемых, так и герметизированных) с большим сроком службы. Герметизированные гелевые АКБ, сделанные на основе панцирных пластин, выдерживают порядка 900 - 1000 циклов разрядов на 80%. Кислотные малообслуживаемые - около 1500 циклов. Вес относительно ёмкости у всех панцирных АКБ наибольший (что очень хорошо, т.к. в пластинах/трубках свинца много).
Так же, часто АКБ делят по сфере применения - стартерные (о них говорилось в начале раздела), тяговые, стационарные, солнечные.
Тяговые – предназначены для использования в электроподъемниках и другой электротехнике. Обычно, общая аккумуляторная батарея на нужное напряжение, составляется из батарей на 2 В большой ёмкости каждая (200 – 1200 Ач). Настоящие тяговые АКБ, сделаны по панцирной технологии. Стандартная маркировка – малообслуживаемые PzS, герметизированные гелевые – PzV. Встречаются тяговые АКБ и с обычной (не панцирной) технологией пластин (например, американские Trojan T105). Количество циклов разрядов у таких АКБ существенно меньше (900 против 1500).
Стационарные – применяют на промышленных объектах (там необходима повышенная долговечность и надёжность). Обычно, общая аккумуляторная батарея на нужное напряжение, составляется из батарей на 2 В. Они большой ёмкости – одиночные аккумуляторы бывают от 200 до 1200 Ач. Все используют панцирную технологию. Выпускаются как малообслуживаемые (в прозрачном корпусе OPzS), так и герметизированные гелевые (OPzV). У них самая большая надёжность и самый большой срок службы из всех типов аккумуляторов.
Солнечные – обычно модификация тяговых или стационарных аккумуляторов. Эти батареи выпускаются как на 2 В, так и на 6 или 12 В. Обычно имеют панцирную технологию. Во многих случаях это стационарные или тяговые АКБ с другой маркировкой/названием (это маркетинговый ход).
Отметим, что долговечность и надёжность всех 12-и вольтовых АКБ ниже, чем у аналогичного типа аккумуляторов, но на 2 В. Это связано с технологией изготовления. Ведь 12-и вольтовые АКБ состоят из таких же банок по 2 В аккумуляторов малой ёмкости, незаметно соединённых в общий корпус. Т.е. любой одиночный аккумулятор 12 В состоит из шести встроенных маленьких аккумуляторов по 2 В. Поэтому, для повышения надёжности и долговечности, рекомендуем набирать необходимую ёмкость сразу из 2-х вольтовых банок аккумуляторов большой ёмкости.
Предварительный вывод: для автономного и резервного электроснабжения наиболее подходящими по параметру цена/долговечность являются панцирные тяговые модернизированные АКБ (с особо чистым электролитом и пробками с рекуперацией водорода).
Основные параметры аккумуляторов и цены
В таблице далее, указаны свойства и параметры аккумуляторов разных типов. Рассчитана как цена покупки оптимальной (для дома) общей ёмкости аккумуляторов 400 Ач×24 В (или 200 Ач×48 В), так и цена 1 цикла разряда/заряда подобной ёмкости, длительность эксплуатации в автономном и в буферном режиме и т.д. Данные этой таблицы позволяют сделать лучший выбор для конкретных условий эксплуатации, с учётом отношения цены/качества и возможностей.
Таблица, с расчетом стоимости покупки, стоимости цикла и срока службы АКБ
Внимательно изучив сравнительную таблицу можно сделать много полезных выводов. Разберём два варианта эксплуатации аккумуляторов для электроснабжения – полностью автономное электроснабжение (промышленного электричества на объекте нет вообще) и резервное (т.е. когда сеть 220 В есть, но иногда пропадает).
1. Для эксплуатации в условиях полного автономного электроснабжения (а это почти полные разряды на 80%), наиболее выгодны кислотные тяговые панцирные АКБ Микроарт. Применение в тяговых аккумуляторах особо чистого электролита (ОСЧ) и рекуператоров водорода (RP-500 и RP-1000) существенно повысило их долговечность, оставив цены демократичными. Стоимость одного цикла их заряда/разряда (для суммарной ёмкости батареи 400 Ач×24В, набранной из нескольких аккумуляторов), при условии разрядов на 80% (подобных разрядов эти АКБ выдерживают 1500), составляет рекордные 35 - 40 руб (см. таблицу).
На втором месте по стоимости цикла заряда/разряда при автономной эксплуатации (частые разряды на 80%), находятся литий-железо фосфатные АКБ (5000 циклов, 50 руб за цикл). Причём у них очень хорошие параметры для полной автономии – они не боятся долго находиться в разряженном состоянии, не критичны к недозарядам, имеют КПД 94%. Главный их минус - цена (посмотрите в таблице графу первичные вложения). Так же они плохо переносят заряд при отрицательных температурах, и требуют установки BMS (Battery Manegement System). Реализация заряда таких аккумуляторов существенно сложнее, чем любых других, и пока мало какие инверторы и солнечные контроллеры способны на это (инвертор МАП и в солнечный контроллер ECO Энергия MPPT.Pro это умеют). Помимо специального алгоритма, для их нормального заряда и функционирования, как уже говорилось, необходимы BMS. Это система управления распределения энергии между батареями и контроля состоянием каждой из них, причём с обратной связью с заряжающим инвертором и/или с солнечным контроллером.
По первичным вложениям (цена условной общей ёмкости 400Ач×24В) тяговые панцирные АКБ Микроарт находятся на втором почётном месте (на первом находятся автомобильные стартерные батареи, которые мало подходят для автономного электроснабжения) – 55000 руб – 65000 руб. А литий-железофосфатные АКБ почти на последнем – 250000 руб.
Времени, на которое хватит 1 цикла заряда/разряда, такой, чаще всего устанавливаемой ёмкости (400 Ач×24В), как известно из практики, в зависимости от конкретных условий потребления, обычно составляет от 2 до 6 дней. В среднем можно считать - на 4 дня автономии. Т.е. 4дня×1500циклов = 6000дней или около 16 лет. Число циклов 1500, взято из технических характеристик разряда АКБ Микроарт до 80% от исходной ёмкости.
Вообще, число циклов при определённых степенях разрядов, считается до того момента, когда аккумулятор далее нельзя эксплуатировать. Согласно ГОСТ Р МЭК 60896-2-99 на свинцово-кислотные стационарные батареи, аккумулятор нельзя далее эксплуатировать, если его фактическая ёмкость уменьшилась на 20%, т.е. стала 80% от исходного значения.
Указанное число циклов 1500 (при 80%-ых степенях разрядов), рассчитано для идеальных условий, которые не бывают при реальной эксплуатации. Так, всегда необходим своевременный и 100% заряд, необходима температура эксплуатации АКБ порядка +25С. Поэтому 1500 циклов, это несколько завышенное теоретическое значение. Однако, реально, до 10 - 12 лет автономии, при использовании тяговых АКБ Микроарт и более-менее правильной их эксплуатации, вполне возможны (при расчете этого значения в таблице, мы учли соответствующие поправочные коэффициенты).
Для справки, если заряжать АКБ от бензогенератора до 100%, т.е. 12-и часовым зарядом, то на заряд ёмкости 400Ач×24В потребуется примерно 20 л бензина, т.е. ещё примерно 500 руб/цикл. А при ускоренном 6-и часовом заряде, т.е. до 80% ёмкости, - 10 л.
Причём, если заряжать только ускоренным 6-и часовым зарядом, то АКБ, от постоянного недозаряда, намного быстрее потеряют свою первоначальную ёмкость. Поэтому, 100% заряд необходимо проводить не менее 1 раза в месяц. Поэтому, для полной автономии покупка солнечных панелей, а в некоторых случаях и ветрогенератора, является почти обязательной (ведь они будут периодически дозаряжать АКБ до 100% малыми токами, что многократно повысит срок службы АКБ).
В меню инвертора МАП, для зарядов от генератора (и аналогично от сети 220 В) надо выбрать режим заряда «3СтупенДозаряд» - тогда заряд будет проходить выбранными токами для 2- ступеней с дозарядом до 100% (за 12 часов если разряд был почти полным). Последнее означает, что после достижения выбранного конечного напряжения (для тяговых малообслуживаемых, соединённых на 24 В, это 29 В), МАП не снимет заряд, а оставит указанное напряжение на АКБ до тех пор, пока зарядный ток не уменьшится до 0,02С, где С – общая ёмкость АКБ (для вышеуказанной ёмкости 400Ач×24В, это 0,02×400=8 А).
Для тяговых АКБ начальный ток выбирают 0,13 – 0,15С (соответственно 50 - 60А), а вторую ступень можно сделать 0,1С или оставить 0,13С).
Для гелевых, AGM и стартерных АКБ, начальный ток рекомендуется 0,1С, но для экономии топлива, иногда выбирают 0,2С. Правда в случае гелевых и AGM аккумуляторов, при таких повышенных в 2 раза токах, происходит небольшой выход водорода. А долив воды в них невозможен, что несколько сокращает их ресурс.
Немного подробнее опишем АКБ с минимальной стоимостью цикла в автономном режиме (для условной ёмкости 400Ач×24В) АКБ Микроарт.
Это кислотные малообслуживаемые панцирные 2-х вольтовые аккумуляторные батареи с трубчатыми положительными пластинами.
Аккумулятор состоит из пакета положительных трубчатых панцирных и отрицательных решетчатых пластин. Именно панцирная конструкция положительных пластин препятствует быстрому их разрушению и обеспечивает большой срок службы аккумуляторов батареи в целом.
Панцирные источники питания способны при ежедневной разрядке-зарядке служить до 6 лет. Они выдерживают не менее 1500 циклов разрядки-зарядки, после чего емкость АКБ падает на 20-25%.
Стандартный модельный ряд (2 В аккумуляторы соединяются последовательно на необходимое напряжение 12, 24, 48 или 96 В):
- 210 Ач 2 В
- 400 Ач 2 В
- 720 Ач 2 В
- 1000 Ач 2 В
Комплектуется особо чистым электролитом (ОСЧ), что существенно продлевает временной срок эксплуатации не связанный с циклами. ОСЧ электролит (доля железа (Fe) не более 0,01 мг/л, хлористых соединений (Cl) не более 1,0000 мг/л и т. д.) применяют в очень дорогих стационарных АКБ (срок эксплуатации которых 20 лет). Именно поэтому, для эксплуатации в возобновляемой энергетике мы предлагаем заливать такой же ОСЧ электролит и в тяговые панцирные АКБ.
Аккумуляторы по 2В имеют ёмкость до 1000 Ач, что позволяет снижать их общее количество, а следовательно повышать надёжность.
Например, соединив на напряжение 24 В двенадцать 2 В банок по 400 Ач, мы получим ёмкость 400 Ач×24В. Это аналог 4 шт соединённых последовательно-параллельно обычных 200Ач×12В. Если эти обычные АКБ обслуживаемые, то количество вывинчиваемых пробок (для проверки уровня электролита) будет 6×4=24 шт. А у панцирных батарей 400 Ач их 12 шт (по одной пробке на банку), что несколько облегчает обслуживание (к тому же, крышка пробки у последних легко откидывается набок).
Также, для снижения требований к проветриванию помещений, и для уменьшения вероятности забыть проверить уровень электролита, и, как следствие, преждевременной порчи АКБ, предлагается комплектация особыми пробками с катализаторами для рекуперации водорода (существует два вида катализаторов - работающие с АКБ до 500 Ач и до 1000 Ач).
В итоге, многократно снижаются требования к необходимости вентиляции помещения! Можно проводить проверки уровня электролита (для доливки воды, при необходимости) всего 1 раз примерно в 3 - 6 лет (зависит от интенсивности эксплуатации). В рекомбинационных пробках происходит соединение выделяющегося из АКБ водорода с кислородом и образование воды, которая стекает обратно в АКБ.
Намного более дорогие стационарные малообслуживаемые панцирные АКБ типа OPzS являются рекордсменами среди кислотных АКБ по длительности использования и надёжности. Однако прирост долговечности менее заметен, чем прирост цены относительно панцирных тяговых АКБ.
Отличительные особенности этих батарей:
- Самый длительный срок службы среди кислотных АКБ как в резервном режиме (22 года и более), так и в автономном (порядка 13 лет).
- Малообслуживаемость (долив воды обычно раз в 3 года).
- Простой и быстрый способ определения уровня заливки электролитом благодаря прозрачному корпусу.
- Высокая надёжность.
Отдельные элементы (2В) установлены в прозрачных пластиковых корпусах из стирол-акрилнитрила (SAN), материала, который сверхустойчив к химическому воздействию и механическим повреждениям, и который не горит.
Поскольку корпуса прозрачные, уровень электролита четко виден, максимальный и минимальный уровни промаркированы.
При промышленном применении, исключительно важны надёжность и долговечность:
Обычно батареи OPzS поставляются сухозаряженными: батареи должны быть залиты электролитом и дополнительно подзаряжены перед использованием. Пластины уже сформированы и по специальной методике защищены против окисления. Они могут храниться без снижения свойств до 2-х лет.
Здесь мы сделаем пояснение по отличию обслуживаемых панцирных тяговых (PzS) от обслуживаемых панцирных стационарных (OPzS) АКБ. Первые должны отработать 1500 циклов заряда/разряда и вторые – тоже 1500 циклов.
Но первые каждый день разряжают/заряжают, используя их на погрузчиках, а вторые могут стоять годами в ожидании аварий. Поэтому для первых, в режиме ожидания допустим меньший срок службы, чем для вторых. А значит можно применять менее чистый свинец и не особо чистый электролит, что дешевле. Можно применять и непрозрачный корпус, что тоже дешевле. Ну и, исходя из маркетинговых соображений, для богатых организаций связи стационарные OPzS можно продавать дороже, чем PzS для складких компаний для погрузчиков. Отсюда вытекает неоправданно высокая цена OPzS по сравнению с PzS (она примерно раза в 2 - 3 выше!).
Но в PzS тоже можно заливать особо чистый электролит. Можно поставить на них и специальные пробки с рекуператором водорода (как их ставят на самые дорогие OPzS) и получить фактически герметизированные АКБ, но с возможностью долива воды! Эти пробки-рекуператоры, выделяющийся водород превращают в воду, которая стекает обратно в АКБ. Поэтому проверять уровень электролита можно не 1 раз в год, а 1 раз 6 лет.
Кроме того, АКБ типа PzS делают обычно с содержанием сурьмы в сплаве со свинцом до 6%, а OPzS - с содержанием сурьмы до 3% (что способствует меньшему выпариванию воды и позволяет проверять уровень электролита раз в 3 года без всяких пробок-рекуператоров).
Однако большее выпаривание не будет иметь значения с пробками-рекуператорами, а большее содержание сурьмы делает АКБ более устойчивым к глубоким разрядам. И это особенно важно для целей автономного или резервного электроснабжения.
Низкая зависимость уменьшения срока службы АКБ при понижении или повышении температуры, достигается не только благодаря большей устойчивости этого вида аккумулятора, но и обязательным применением термо-компенсированного заряда и поддержания напряжения на АКБ (заложен в инвертор МАП). Датчик температуры (он входит в комплект МАП) прикрепляется скотчем к верхней крышке одной из банок.
Тяговые кислотные АКБ, как и обычные стартерные автомобильные АКБ, как уже говорилось, требуют проверки уровня электролита раз в год (стационарные OPzS – раз в 3 года) и, при необходимости, долива дистиллированной воды.
Их надо устанавливать в нежилое проветриваемое помещение. Для этого (если помещение закрытое), обычно устанавливается вытяжной вентилятор работающий от 220 В, контакты которого подключаются к выходу 220 В бензо электростанции (или ко входу 220В МАП-а).
Помещение для аккумуляторов, желательно относительно тёплое, т.к. доступная ёмкость падает при понижении температуры (например, при -20С, доступная ёмкость становится в 2 раза меньше, чем при +25С).
Но и повышенная температура недопустима – почти любой аккумулятор, при +35С стареет в 1,5 - 2 раза быстрее. Поэтому крайне не рекомендуется устанавливать их на чердаке. Идеальное по температуре место – подвал с вытяжкой или проветриваемое техническое подполье. Подойдёт и подсобное помещение, прихожая, где не бывает высоких температур.
Для полной автономии лучше рассчитывать всю систему на 48В – потери в длинных проводах от ветряка и/или солнечных панелей будут меньше (можно и на 24В, но тогда соединения надо делать проводами большей площади сечения, начиная с 16 мм кв).
Тем, для кого вышеперечисленные минусы (обслуживание, проветривание) являются существенными, стоит задуматься о приобретении герметизированных аккумуляторов, но не обычных, а тоже изготовленных по панцирной технологии, например, от известной в области аккумуляторов, немецкой фирмы BAE. У гелевых герметичных АКБ BAE 7OPzV 490, при стоимости цикла в автономии около 100 руб, первичные вложения денег, будут в 2 раза выше, чем в панцирные АКБ Микроарт с рекуператорами водорода (145000 руб).
С другой стороны, применение рекуператоров водорода у малообслуживаемых АКБ делает их почти необслуживаемыми.
Рекуператоры водорода могут ставиться и на стационарные OPzS. Однако цена одного их цикла (заряд/разряд 80%), с учётом использования рекуператора – около 80 руб
И в принципе, для автономии, всё же лучше обслуживаемые АКБ. Дело в том, что, например, гелевые АКБ достаточно «нежные». Заряд большим током, или перезаряд напряжением выше 14,1 (28,2) В, что очень вероятно при длительной эксплуатации в полной автономии, например от ветрогенератора или др., может быстро выпарить из них воду (через предохранительный клапан) и они невосстановимо потеряют ёмкость. А ведь залить воду в герметизированные АКБ обратно, уже невозможно. Постоянный недозаряд тоже губителен…
При полной автономии, всё равно надо за многим следить - и за бензогенератором (менять масло, заливать бензин), и за зарядом АКБ (не желательно оставлять их разряженными более 12 часов), и за чистотой солнечных панелей. И обслуживать ветряки надо не менее раза в год (если они есть). На этом фоне проверка уровня электролита раз в год, или, тем более, раз в 3 года (и особенно – раз в 6 лет), с возможной доливкой дистиллированной воды – не критична.
Лучше раз в 3 года «автономного полёта» долить воды, чем выкинуть через первые же 3 года (а то и через год) комплект каких-нибудь гелевых аккумуляторов.
Для большего срока службы аккумуляторов, желательно выбрать в меню МАП SIN «Энергия» напряжение отключения собственной генерации 220 В, не при 10,5 В на 1 АКБ, а 11,5 В или выше (подробнее об этом, ниже). Это приведёт к тому, что аккумуляторы будут разряжаться не на 100% и соответственно срок их службы возрастёт. Правда и доступная пользователю ёмкость (а значит и время автономной работы от одной зарядки) немного уменьшится.
Вывод: в условиях автономного электроснабжения, будет большой ошибкой покупать герметизированные обычные гелевые, или сделанные по технологии AGM аккумуляторы. Если финансы совсем ограничены, то лучше хорошие стартерные АКБ. Но всё же наиболее эффективное решение по соотношению цена/качество – тяговые панцирные АКБ Микроарт с рекуператором водорода или без оного. Если предъявляются жёсткие требования к абсолютному отсутствию вентиляции – герметизированные OPzV, или PzV. Это хоть и гелевые АКБ, однако, сделанные по панцирной технологии. Ускоренный заряд повышенным током от миниэлектростанции, в случае герметизированных АКБ, применять не желательно.
Интересный график с количеством циклов при разных степенях разрядов (D.O.D.) у лучших (панцирных) типов аккумуляторов, приводит немецкая фирма BAE:
Графику аккумуляторам BAE PzS примерно соответствуют панцирные АКБ Микроарт.
2. Для эксплуатации же в условиях наличия сетевого 220В и его периодического пропадания (резервный или буферный режим, редкие малые разряды) хорошо подходят необслуживаемые герметизированные АКБ. На первый план тут выходит не цена цикла, а общая долговечность и отсутствие обслуживания. Ведь в подобных условиях, люди, как правило, особо за системой не следят, и тем более не следят за уровнем электролита в АКБ. Немаловажно и отсутствие требований к проветриванию. Под эти требования подходят и панцирные АКБ Микроарт, если на них установить пробки для рекуперации водорода. При примерно одинаковой начальной цене, срок их службы заметно больше.
Количество разрядов в условиях резерва обычно малое, а сам разряд, до появления электричества, чаще всего происходит на 30 – 50%.
В этом случае, из всех герметизированных АКБ выделяются аккумуляторы 6-GFM-200, Prosolar-R RA12-200D и АКБ Микроарт с рекуператором.
У последних не только очень низкая стоимость цикла среди герметизированных АКБ (один разряд на 30% у общей приведенной ёмкости 400 Ач×24 В стоит около 15 руб), но и самый большой срок службы (до 15 лет).
6-GFM-200 Ач 12 В
Для правильного заряда, при таком использовании, в меню инвертора МАП SIN «Энергия» надо выбрать режим заряда «4СтДозар/Буфер». Тогда заряд будет проходить выбранными токами для 2-х ступеней с дозарядом до 100%, после чего МАП перейдёт к поддержанию АКБ в состоянии 100% заряженности, т.е. перейдёт в буферный режим. Этот режим служит для компенсации малых токов утечки, при нём на каждом 12-и вольтовом АКБ напряжение 13,6В (на каждом 2-х вольтовом, соответственно 2,26 В). Это напряжение тоже можно менять (очень важно установить его в соответствии с техническими данными конкретной марки АКБ).
Для всех АКБ, при использовании в резерве, начальный ток выбирают поменьше чем для полной автономии, т.е. обычно 0,1С (соответственно 40 А для нашей ёмкости), а вторую ступень можно сделать 0,05С.
Внимательно посмотрите на характеристики приобретаемых АКБ. Надо выбрать в МАП, то напряжение конца заряда и буферное напряжение, которое им соответствует (в гелевых, это обычно не 14,5 В, а 14,1 В на 1 двенадцативольтовый аккумулятор, но читайте инструкцию, встречаются разные варианты).
В условиях резерва обычно нет надобности в бензо/дизель/газо электрогенераторе, т.к. срок автономии достигает нескольких суток (при условии установки достаточной ёмкости, не менее чем 400Ач×24В), а обслуживание и эксплуатация генератора весьма затратны и некомфортны. В случае же реального отсутствия электричества более недели, электрогенератор можно купить по необходимости, времени будет достаточно.
Вывод: в условиях резервного (аварийного или буферного) электроснабжения, подойдут практически любые аккумуляторы. Оптимальны герметизированные по технологии AGM, аккумуляторы 6-GFM-200. Более долговечны, но и всё же требуют минимального присмотра панцирные АКБ Микроарт с рекуператором водорода (проверка уровня и доливка воды раз в 3 – 6 лет). Рекордным сроком службы в буферном режиме, среди кислотных АКБ, обладают аккумуляторы типа OPzS и OPzV.
Что касается вентиляции, то, например, требования для OPzS по этому параметру не высоки: объем свежего воздуха (Vсвеж) должен составлять 50% от V, где V=0,07×Iзар×n. Здесь Iзар - наибольший зарядный ток, А; n - количество элементов аккумуляторной батареи), м3/ч.
Для нашего стандарта 400 Ач×24В, при токе заряда 0,1С=40А, Vсвеж=0,5×(0,07×40×12)=17 м3/ч.
Однако, в соответствии со СНиП 2.08.01-89, вентиляция должна присутствовать во всех помещениях, всех зданий. Например, в ванной и туалете по 25 м3/ч, кухне 60 м3/ч. Для обычных помещений мощность естественной или электрической вытяжки должна составлять 3 м3/ч на 1м3 помещения.
Это означает, что зачастую, если дом построен правильно, устанавливая аккумуляторы OPzS, можно обойтись и без дополнительной вентиляции. При наличии сети, торопиться с зарядом нет смысла и, значит, даже начальный зарядный ток можно ещё в 2 раза уменьшить, до 0,05С.
Можно ориентировочно прикинуть и требования по вентиляции панцирных АКБ Микроарт. В них больше сурьмы, поэтому, если они используются без пробок рекуперации, то в отличии от OPzS, надо их проверять не раз в 3 года, а ежегодно (как и стартерные АКБ), соответственно требования по вентиляции выше в 3 раза. Если же эксплуатировать их с пробками рекуперации, то проверку можно осуществлять раз в 6 лет, соответственно требования по вентиляции будут в 2 раза ниже чем у OPzS.
О не вошедших в таблицу типах аккумуляторов
Отметим, что все, существующие на сегодняшний день, другие типы аккумуляторов (а это и щелочные никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы, металлогидридные, суперконденсаторные и др.) или абсолютно не выдерживают сравнения по стоимости цикла, и/или не выпускаются в необходимых ёмкостях, и/или имеют существенно более низкий КПД. Поэтому никакого смысла в их применении для автономного или резервного электропитания нет.
Так, например, проводимость кислотно-свинцовых аккумуляторов намного выше, поэтому их эффективность колеблется в районе 80% против 50-60% для щелочных источников тока.
Соответственно для заряда свинцово кислотных аккумуляторов необходимо передать 120% емкости от электростанции (или от солнечных панелей, или от ветрогенератора), а для щелочных источников это значение достигает 150%. Очевидно, что в случае постоянного использования щелочных аккумуляторов резко возрастает перерасход электроэнергии, что особенно недопустимо для автономного электропитания.
О проблемах, влияющих на реальный срок эксплуатации аккумуляторов.
Несмотря на множество технологических решений, внедренных в свинцово-кислотные аккумуляторные батареи за 150 лет с момента изобретения технологии химической аккумуляции, срок службы АКБ до сих пор во многом зависит от эксплуатационной нагрузки. Рассмотрим их по порядку:
1. Первым определяющим фактором была и остается степень разрядки аккумуляторов. Свинцовые аккумуляторы не терпят хранения в разряженном состоянии. Кроме того, при падении заряда ниже 20% активизируется процесс образования нерастворимых соединений серы, которые, в первую очередь сказываются на емкости АКБ. Помимо этого, реакция сульфатации способствуют выделению влаги, которая обеспечивает постоянное снижение концентрации кислоты. Если же аккумулятор некоторое время будет находиться в состоянии глубокой разрядки, начнется необратимый процесс образования сульфатов и, соответственно, необратимого снижения реальной емкости АКБ относительно паспортной.
Обратите внимание, что для большой ёмкости, например, 400Ач×24В, обычная небольшая нагрузка менее 500Вт (а это и есть обычное использование), разряжая АКБ до 11,5 (23) В разряжает его примерно на 80%.
Если бы нагрузка, относительно ёмкости АКБ, была бы большой, например, для вышеуказанного случая порядка 2 кВт, то из-за инертности перемешивания электролита, напряжение на АКБ упало бы до 11,5 (23) В намного раньше (вокруг свинцовых платин образовался бы слой разряженного электролита, который просто не успел перемешаться с остальным электролитом). И если при этом, инвертор отключит потребление, то спустя некоторый срок электролит перемешается, и напряжение на АКБ поднимется само. Т.е. расход ёмкости АКБ, в этом случае, будет не 80%, а гораздо меньше, что не плохо. Только вот при обычном использовании, основным потребителем является холодильник. А его средняя мощность потребления около 100 - 150 Вт.
Поэтому, чтобы гарантированно не разряжать АКБ ниже, чем на 20%-30% надо установить отключение инвертором потребления при напряжении 11,7 (23,4) В - см. таблицу ниже.
Однако, помните, что если общая ёмкость АКБ будет маленькой относительно нагрузки (например, в несколько кВт), то напряжение на АКБ может в этом случае очень быстро просесть до 11,7 (23,4) В и инвертор отключит генерацию. Чтобы такого не произошло, необходимо устанавливать емкость не менее 400Ач×24В, а ещё лучше – в 1,5 раза больше.
Нахождение АКБ в разряженном состоянии (более чем на 80%) в течении более чем 12 часов недопустимо.
2. Другим определяющим фактором для времени жизни АКБ, можно назвать температуру электролита. В случае обычных кислотных аккумуляторов, эксплуатация при повышенной на 10 градусов температуре ведет к сокращению срока службы вдвое (как отмечалось ранее, лучшие АКБ не столь чувствительны к этому параметру). Хоть в инверторе МАП «Энергия» и есть внешний температурный датчик (его следует приклеить скотчем к АКБ), позволяющий делать автоматическую компенсацию зарядных напряжений, это помогает лишь отчасти. Ограничения на использование в жаркую погоду пока никто не отменял. Поэтому, нельзя располагать АКБ на нагревающихся чердаках, нежелательно и в одном помещении с миниэлектростанцией, т.к. последняя сильно его разогревает. Идеальное место – подвал, техподполье, или подсобка/коридор с северной стороны здания.
3. Для долголетия аккумуляторов, необходим и полный, 100% заряд, что затруднительно обеспечить, если сетевого 220 В нет вообще и если для заряда использовать только мини электростанцию. Посмотрим на стандартный график заряда кислотного АКБ (у разных типов АКБ конкретные значения могут немного варьироваться, но достаточно близко).
Зона окрашенная жёлтым цветом, это 80% энергии необходимой для заряда. Она передаётся на первых ступенях заряда от миниэлектростанции, в течении первых 6 часов, и, заряжает АКБ, соответственно, на 80%.
Но чтобы зарядить АКБ на все 100% необходимо заряжать их ещё, как минимум, в течении 6 - 7 часов, причём при этом, в АКБ передастся лишь 20% энергии (зона окрашенная розовым цветом).
Получается, что для 100% заряда АКБ, надо чтобы миниэлектростанция работала как минимум 12 – 14 часов, причём эти последние 7 часов, если не нагружать её дополнительными нагрузками, практически вхолостую. Конечно, это возможно, - хоть и большинство миниэлектростанций имеют воздушное охлаждение и требуют перерыва после 6 часов работы, - можно сделать перерыв 1час и продолжить заряд. Но топливо, при этом, будет расходоваться не эффективно.
Лучший выход из положения для автономных систем – установить солнечные панели и/или ветрогенератор. Ведь почти всё необходимое для их эксплуатации уже имеется (АКБ и инвертор и резервная миниэлектростация). Солнечные панели и/или ветрогенератор позволят в определённые моменты времени (когда нагрузка мала, а солнце/ветроресурсы имеются) зарядить АКБ на 100%. Пусть это будет даже не каждый день, но и раз в неделю подобный 100% заряд будет полезен. При достаточной их мощности, система сможет выдавать электричество практически вообще без включения бензогенератора.
Другой, компромиссный вариант, это хотя бы раз месяц проводить 13 часовую, 100% зарядку от бензо/дизель/газо генератора (при необходимости понижая в инверторе зарядные токи), а в остальное время ограничиваться 80% зарядом.
Можно конечно поставить и два комплекта АКБ, подзаряжая внешним зарядным устройством, подключённым к выходу 220 В от инвертора, отдыхающий комплект АКБ. Однако, это решение по стоимости сопоставимо с первым вариантом, и менее разумно - дополнительные АКБ, в отличии от солнечных панелей и ветрогенератора, не используются, а «отдыхают». К тому же, аккумуляторы расходный, относительно менее долговечный материал.
Отметим, что аккумуляторам вреден и постоянный длительный перезаряд (заряд повышенными токами, и высокое напряжение конца заряда, и высокое напряжение буферного поддержания). Поэтому, эти параметры устанавливают в соответствии с паспортом АКБ, причем в случае наличия сети, зарядные токи, обычно устанавливают по минимальной границе.
4. Спустя несколько лет после начала эксплуатации АКБ (а в зависимости от качества аккумуляторов, бывает и через год-другой), может возникнуть разбалансировка аккумуляторов. Это явление проявляется в том, что допустим в цепочке из двух последовательно соединённых АКБ, на одном аккумуляторе устанавливается напряжение чуть ниже, а на другом – чуть выше. В итоге, общее напряжение будет нормальным и инвертор проводит заряд до положенных значений напряжений. Тем не менее, один АКБ окажется недозаряжен, а другой перезаряжен.
Поэтому, раз в год, желательно измерять цифровым тестером напряжения на каждом АКБ. В случае их разбалансировки, проводят уравнительный заряд каждого АКБ отдельно (см. ниже). Если же АКБ герметизированные (в этом случае уравнительный заряд запрещён), то проводят восстановительный заряд/разряд (см. ниже) и полный заряд каждого АКБ.
Или, если аккумуляторов несколько и соединены они последовательно-параллельно, можно попробовать поменять их местами. Так же, при последовательно-параллельном соединении, желательно объединить перемычкой средние точки у аккумуляторов (например, для сборки из 4-х АКБ на 24 В, средней точкой является 12 В).
О выравнивании заряда на каждом аккумуляторе.
Уравнительный заряд применяют ТОЛЬКО для аккумуляторов с жидким электролитом.
Уравнительный заряд представляет собой избыточный заряд аккумулятора, выполняемый на аккумуляторах с жидким электролитом после их полного заряда, с возможной доливкой воды. Например, компания Trojan рекомендует проводить уравнительный заряд только в том случае, если у аккумуляторов низкая удельная плотность, менее 1.250, или удельная плотность колеблется в широком диапазоне, после полного заряда аккумулятора. Не следует проводить уравнительный заряд GEL или AGM аккумуляторов.
- Необходимо удостовериться, что аккумулятор является аккумулятором с жидким электролитом (есть пробки для доливки воды).
- Перед началом заряда проверить уровень электролита и убедиться, что пластины закрыты электролитом (при необходимости долить дистиллированной воды).
- Удостовериться, что все защитные колпачки плотно закреплены на аккумуляторе.
- Установить зарядное устройство в режим уравнительного заряда.
- В процессе уравнительного заряда в аккумуляторах будет выделяться газ (будут всплывать пузырьки).
- Измеряйте удельную плотность каждый час. Прекратить уравнительный заряд следует тогда, когда удельная плотность прекратит расти (обычно часа через 2, после достижения 15,5 В). При необходимости добавить дистиллированную воду.
ВНИМАНИЕ: Запрещается проводить уравнительный заряд на гелевых или AGM-аккумуляторах (т.к. используются повышенные напряжения и возможно частичное испарение воды).
О восстановлении посаженных АКБ (восстановительный заряд/разряд)
Одним из способов заряда сильно разряженной батареи является ее длительный заряд очень маленькими токами (0,01 - 0,05С). Затем восстановительный разряд очень большим током (0,3 - 0,5 С) – такой ток в какой-то мере, «разрывает» слой окисла с пластин АКБ. И так, следует повторить циклы 5 - 10 раз. Но если сульфатация превысила некоторый предел, восстановление ёмкости АКБ станет невозможным.
Ориентировочное время работы аккумуляторов на различные нагрузки:
Время автономной работы зависит только от ёмкости подключённых аккумуляторов и мощности нагрузки. В таблице, оно указано. Но необходимо учитывать, что если не использовать электрообогреватели (а их использование от автономных источников не рекомендуется), в реальных условиях такой нагрузки в среднем не будет никогда.
Например, в стандартном доме к автономному источнику обычно подключают освещение, телевизор, холодильник, насос водоснабжения и отопительный котёл на жидком топливе. Надо рассмотреть два аспекта – а) необходимую мощность для обеспечения пусковых мощностей всего оборудования; б) среднюю потребляемую мощность в сутки.
Пусковая мощность зависит от конкретных устройств. Но можно прикинуть ориентировочно. Пуск освещения – 500 Вт, телевизора 150 Вт, холодильника 1,5 кВт, насос (сильно зависит от его мощности и глубины расположения) 5 кВт, котёл 1 кВт. Итого, порядка 8 кВт. Следовательно, по этому параметру, для описанного случая гарантированно сработает МАП "Энергия" SIN 9,0 кВт (скорее всего, справится и МАП SIN 6 кВт).
Средняя же потребляемая мощность будет всего порядка 500 Вт около 6 часов в сутки. Это обусловлено тем, что освещение и телевизор обычно включаются по вечерам, насос включается редко и на маленький срок (при потреблении его мощность 500 – 1500 Вт), холодильник потребляет 150 Вт и включается на 15 минут в час. Котёл потребляет порядка 200 Вт и тоже работает в прерывистом режиме.
Теперь легко оценить время реальной автономной работы. Смотрим по таблице – там написано, что например от 6 шт АКБ по 190 А/ч (или набранная такая же энергоёмкость из любых аккумуляторов 570 Ач×24 В, или 285Ач×48 В, или 1140 Ач×12 В), при нагрузке 500 Вт, будут работать 25ч 30м. Но так как, ориентировочно, такое потребление будет лишь 6 часов в сутки, то 25,5/6=4 суток. Таким образом, вышеперечисленная нагрузка, от 6-и АКБ по 190 А/ч, будет обеспечена автономным питанием примерно в течении 4-х суток.
Для определения времени работы неважно как соединены между собой аккумуляторы - последовательно, параллельно или последовательно и параллельно.
Напоминаем так же, что аккумуляторы обладают свойством остаточной ёмкости. Т. е., например, если используя аккумулятор 90 Ач×12 В вы работали газонокосилкой мощностью 1 кВт в течении 45 мин. после чего МАП выключил 220 В (т.к. напряжение на АКБ просело ниже 11 В) – уменьшите нагрузку до 500 Вт (подключите, к примеру, электролобзик) и работайте ещё столько же! Затем можно подключить 300 Вт-ную дрель, а потом 130 Вт-ный краскопульт, далее 60 Вт-ный паяльник и, наконец, 30 Вт-ную лампочку. Однако в двух последних случаях, нагрузка буде потреблять малый относительно ёмкости АКБ ток, и вы «вычерпаете» около 100% от максимальной ёмкости аккумулятора (если конечно, напряжение отключения потребления в инверторе не установлено на 11,5 В или выше). А «вычерпывание» 100% не рекомендуется, т. к. ресурс аккумулятора, в этом случае, сокращается.
Из вышеприведенного примера совсем не следует что эти (и другие) нагрузки нельзя включить все сразу.
В заключении отметим, что приукрашивание характеристик АКБ, производителями достаточно вероятно. Ведь можно лишь слегка изменить условия тестирования – и вот они, рекордные цифры. Или, к примеру, считать, что АКБ надо снимать с эксплуатации при падении не до 80% от исходной ёмкости, а до 60%. Другой пример, приводившийся выше – ёмкость у одних АКБ указывается при 5-часовом разряде, у других при 10-часовом, у третьих – при 20 часовом, а у некоторых (автомобильных) при 120-часовом (т.е. очень малым током). Понятно, что в первом случае, реальная ёмкость выше, чем в последнем процентов на 20 – 25, хотя цифры ёмкости в паспорте будут одинаковы.
А у автомобильных стартерных вес, относительно заявленной ёмкости, удивительно мал. Например, стартерный 190 Ач×12 В весит 43 кг, а 6 шт панцирных АКБ Микроарт 210 Ач×2 В (т.е. в сумме 210 Ач×12 В) весят 84 кг. Почему же у автомобильного АКБ вес практически в 2 раза ниже? Хорошо, положим панцирная технология «весит» больше. Но ведь и у всех других не стартерных АКБ вес относительно ёмкости больше, например, гелевых Haze HZY12-200 и Challenger G12-200 вес 63 кг. Почему же у автомобильного, он в 1,5 раза ниже? Потому что свинцовые пластины для автомобильных стартерных АКБ делают совсем тонкими, что не может не влиять на их долговечность и устойчивость к разрядам.
(Статья взята с сайта invertor.ru)
Вверх>>
