Аккумуляторы для систем электроснабжения. Руководство покупателя
В интернете есть много разрозненной информации по разным типам аккумуляторов, их возможностям, характеристикам, областям применения, достоинствам и недостаткам. При этом во многих случаях информация эта однобокая — связано это бывает или с недостаточными знаниями авторов, или с тем ассортиментом аккумуляторов, который продается на этих сайтах. Объективной и систематизированной информации по выбору АКБ практически нет. Мы постараемся заполнить этот пробел в нашем «Руководстве покупателя аккумуляторных батарей для систем автономного и резервного электроснабжения».
Как говорил незабвенный Козьма Прутков: «Нельзя объять необъятное«. Поэтому мы намеренно ограничиваем круг рассматриваемых проблем системами электроснабжения и исключаем рассмотрение вопросов по выбору и применению аккумуляторов в электронных гаджетах, электротранспорте, мобильных устройствах и т.п. Мы также будем рассматривать только электрохимические аккумуляторы, потому что другие технологии аккумулирования (например, в виде энергии сжатого воздуха, кинетической или потенциальной механической энергии и т.п. не удобны и невыгодны для применения в относительно небольших (до нескольких десятков кВт) системах электроснабжения.
Области применения аккумуляторов. Требования
Для начала мы определимся с требованиями к аккумуляторам, применяемым в системах электроснабжения. Системы электроснабжения можно условно разделить на 3 большие группы:
- автономные,
- резервные и
- с максимальным использованием энергии от возобновляемых источников энергии.
Автономные системы
Для чего нужно использовать АКБ в системе автономного электроснабжения?
В автономных системах электроснабжения для сохранения вырабатываемого первичным источником энергии электричества, а также для обеспечения стабильности выходного напряжения при разных режимах эксплуатации, применяются аккумуляторные батареи различных типов.
В простейшем виде автономное электропитание аппаратуры малой мощности (< 100 Вт) можно обеспечить прямым подключением к нагрузке солнечной батареи, термоэлектрического генератора или ветроэлектрической установки, а большой мощности ( > 500 Вт) с помощью прямого подключения к нагрузке дизель или бензогенератора. Недостатком такого электропитания является несогласованность величины и времени поступления электроэнергии от источника к потребителю. Так, например, в отсутствие солнца солнечная батарея перестает работать и радиоприемник замолкает, тоже самое происходит с термоэлектрическим генератором, если источник тепла перестает поддерживать необходимый (больше 200°С) перепад температур или с ветроэлектрической установкой при скорости ветра ниже 3 м/сек.
Более того, многие потребители выходят из строя при скачках питающего напряжения и при выходе напряжения за допустимые пределы (различные электронные устройства, инверторы, компактные люминесцентные лампы и т.д.).
Солнечная батарея, например, имеет на выходе сильно меняющееся в широких пределах напряжение. Например, СБ номинальным напряжением 12 В может иметь на выходе напряжение от 0 до 21 В.
Поэтому аккумулятор, работающий в буферном режиме, просто необходим для фотоэлектрической системы или ветроустановки. Помимо своей основной функции — хранить энергию — он выполняет также и функцию стабилизации напряжения на нагрузке.
Что касается дизель или бензогенератора, то в коттедже или в фермерском хозяйстве целесообразно для экономии топлива эксплуатировать его не в непрерывном, а в периодическом режиме работы, и желательно запускать его только днем. Этого можно добиться, добавив к системе электропитания инвертор с зарядным устройством и аккумуляторные батареи (АБ), которые будут заряжаться циклически от генератора. При этом жидко-топливный генератор будет работать в режиме, близком к номинальной нагрузке, что повышает его КПД и снижает расход топлива на единицу выработанной электроэнергии.
Избыток электроэнергии, вырабатываемый различными источниками, может запасаться в АБ на длительное время (десятки дней и даже месяцы), а запасенная электроэнергия в любой момент может быть передана в нагрузку, при этом разрядный ток может многократно превышать ток заряда и обеспечивать питание нагрузки, мощность которой многократно превышает установленную мощность солнечной батареи, термоэлектрического генератора, ветроэлектрической установки и даже дизель или бензогенератора. Более подробно о «повышении мощности» дизель-генератора или сети, читайте в соответствующем разделе.
В автономных системах требуется сохранение энергии для питания полной нагрузки в течение определенного периода времени. Обычно емкость аккумулятора рассчитывается как минимум на несколько часов. В системах с возобновляемыми источниками энергии аккумулировать энергию нужно на период до нескольких дней — в зависимости от количества пасмурных дней подряд или дней без ветра. Если в системе электроснабжения есть резервный жидкотопливный генератор, то требования к аккумуляторам можно снизить, и рассчитывать их емкость на 12-48 часов работы нагрузки.
Аккумуляторы для автономных систем электроснабжения — 8 основных требований:
- Высокий КПД заряда, особенно при заряде от ВИЭ; при заряде от генератора этот параметр не критичен, хотя всегда желательно иметь минимум потерь энергии.
- Устойчивость к глубокому разряду (70-100%) — аккумуляторы должны позволять разряд до 80% без ухудшения характеристик и без потери емкости
- Большое количество циклов заряд-разряд при глубоком разряде
- Возможность быстрого заряда большими токами
- Восприимчивость к заряду малыми токами
- Возможность находиться в частично заряженном или разряженном состоянии без ущерба сроку службы и характеристикам, устойчивая работа в режимах с хроническим недозарядом
- Низкая стоимость цикла заряд-разряд
- Низкий саморазряд
Резервные системы
В резервных системах режимы работы аккумуляторов отличаются от автономных. В таких системах аккумуляторы в основном находятся в заряженном состоянии и могут периодически разряжаться с различной глубиной разряда в зависимости от мощности нагрузки и от времени аварий основного источника электроснабжения. Поэтому требования к АКБ в таких системах не такие жесткие, как в автономных.
Для чего нужно использовать АБ в системе резервного электроснабжения?
В системах резервного электроснабжения блоки бесперебойного питания (в общем случае это инвертор с зарядным устройством и со схемой слежения за наличием сети), аккумуляторы заряжаются при наличии сети, и выдают энергию, когда сеть пропадает. Это очень важно, когда для функционирования систем жизнеобеспечения дома необходима электроэнергия — например, для питания циркуляционных насосов и электроники котлов в домах с отоплением на газе, солярке или другом источнике (но только не электрическом бойлере). Наличие системы бесперебойного электроснабжения позволить не замерзнуть при авариях в сетях.
Системы с возможностью добавления мощности также требуют применение аккумуляторов. Такие системы позволяют покупать у электрических сетей мощности, соответствующие среднему потреблению в доме, и в то же время питать кратковременно нагрузку мощностью в несколько раз превышающей подключенную мощность сети. Здесь аккумуляторы используются для накопления энергии в периоды низкого электропотребления, и отдачи ее в нагрузку в периоды пикового потребления. За счет применения таких систем можно снизить затраты на подключение в несколько раз.
В таких системах резервного электроснабжения обычно используются герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы с технологией AGM. Они имеют большой срок службы в буферном режиме и могут легко отдавать большие токи в течение короткого промежутка времени.
Герметичные АБ (гелевые или AGM) можно хранить и устанавливать в обычных помещениях (для стартерных и других негерметичных батарей необходимо специальное хорошо проветриваемое помещение и поддержание температурного режима, потому что при своей работе они выделяют ядовитые и взрывоопасные газы). Если позволяют финансы, то наиболее экономически выгодным приобретением будут аккумуляторы типа OPzV — это 2В банки емкостью от 200 до 3000А*ч с трубчатыми электродами, которые имеют примерно в 3 раза больший срок службы по сравнению с обычными гелевыми аккумуляторами. При этом их стоимость примерно в 1,5-2 раза превышает стоимость гелевых АБ.
Более дорогие аккумуляторы с намазными пластинами и жидким электролитом намного лучше выдерживают циклические режимы и глубокий разряд. Хотя они значительно дороже, но обеспечивают большую надежность электроснабжения и больший срок службы. Таким аккумуляторам также требуется отдельное, хорошо вентилируемое, помещение.
Аккумуляторы для резервных систем электроснабжения — 3 основных требования:
- Возможность работы в буферном режиме, с типично неглубокими разрядами в 5-20%
- Восприимчивость к заряду малыми токами
- Устойчивость к постоянному подзаряду
Системы с максимальным использованием энергии ВИЭ
В последнее время появились системы, которые не являются автономными и имеют подключение к сетям централизованного электроснабжения, но в этих системах как дополнительный источник энергии присутствуют солнечные батареи, ветрогенераторы или микроГЭС. Не всегда выгодно и/или возможно отдавать излишки энергии от ВИЭ в сеть. При отсутствии возможности использования сетей электроснабжения в качестве аккумулятора неограниченной мощности в таких системах системах появляется необходимость в сохранении энергии, вырабатываемой ВИЭ в пиковые периоды генерации (например, для солнечных батарей это полдень, для ветрогенераторов — периоды с сильным ветром) и потреблении ее в периоды пикового потребления (например, в типичном жилом доме — в вечернее и утреннее время). Также, такая схема применяется при отсутствии разрешения отдачи излишков энергии в сеть, или если цена за кВт*ч, предлагаемая сетями, ниже розничного тарифа в периоды пикового потребления.
Несмотря на то, что по режимам работы такие системы ближе к резервным, к аккумуляторам для систем максимального самопотребления энергии (в английском языке применяется термин self-consumption) выдвигаются практически такие же требования, как и для АКБ для автономных систем. Отличие только в требуемой емкости аккумуляторной батареи, в системах с самопотреблением они рассчитываются не на несколько дней, а на 0,5-1 сутки.
Общие требования к аккумуляторам систем электроснабжения
- Экологичность — отсутствие выделения вредных и опасных газов,
- Пожарная безопасность, взрывобезопасность
- Возможность вторичной переработки отработавших срок службы и/или вышедших из строя аккумуляторов
- Устойчивость к низким и высоким температурам. Возможность заряда и разряда в широком диапазоне температур без существенного ухудшения характеристик и без опасности повреждения.
- Отсутствие «эффекта памяти», то есть когда аккумуляторы теряют емкость при неглубоком циклировании.
Типы электрохимических аккумуляторов
Какие же аккумуляторы следует выбирать для различных применений? Для ответа мы собрали и обработали обширный материал из различных информационных источников, научных трудов, рекомендаций производителей аккумуляторов, а также рекомендации разработчиков систем и устройств, использующих аккумуляторы. Перейдите по ссылкам ниже для более подробной информации типах аккумуляторов, об особенностях их электрохимических процессов и рекомендациях по применению. Все эти статьи являются составной частью «Руководства покупателя по выбору аккумуляторных батарей для системы электроснабжения», мы настоятельно рекомендуем с ними ознакомиться хотя бы поверхностно, для того, чтобы понимать, на основе чего мы сделали выводы и рекомендации, приведенные ниже.
- Типы аккумуляторных батарей — рассмотрены основные типы свинцово-кислотных, щелочных и литий-ионных аккумуляторов
- Типы свинцово-кислотных аккумуляторов — подробно рассмотрены виды свинцово-кислотных аккумуляторов, их устройство и рекомендации по эксплуатации
- Классификация аккумуляторов для мобильных устройств — мобильные применения — отдельная тема, вкратце мы касаемся ее в этой статье.
- Особенности эксплуатации, хранения, заряда и разряда герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов рассмотрены в статьях «Эксплуатация герметичных аккумуляторов«, Новый аккумулятор нужно заряжать ⚡, Аккумуляторные батареи. Ликбез,
- Сколько служат герметичные аккумуляторы? Ответ на этот вопрос в статье «Эксплуатационный ресурс герметичных АБ«. См также Сульфатация аккумуляторов.
- «Солнечные» аккумуляторы Prosolar
Режимы работы аккумуляторов
Особенности заряда свинцово-кислотных аккумуляторов от генератора описаны в статье «Аккумулятор+Генератор«.
Правильные режимы заряда и разряда свинцово-кислотных аккумуляторов и их характеристики приведены в статье Аккумуляторные батареи. Ликбез.
Чем опасны низкие температуры для аккумуляторов?
Почему низкие температуры представляют опасность для аккумуляторов? Ведь производители заявляют, что их аккумуляторы могут храниться при температурах до -40С. Дело в том, что практически все аккумуляторы — как свинцово-кислотные, так и литий-ионные, не принимают заряд при низких температурах. Исключением на сегодня являются только литий-титанатные аккумуляторы.
Отсутствие заряда свинцово-кислотных аккумуляторов ведет к снижению плотности электролита, и он начинает замерзать и кристаллизоваться. Кристаллы расширяют электролит и даже могут разорвать корпус аккумулятора. Это особенно часто происходит с чисто гелевыми аккумуляторами. У AGM аккумуляторов стекловолоконный мат играет роль своеобразного буфера, которые принимает на себя расширение электролита и не позволяет разрушить корпус аккумулятора.
У литиевых аккумуляторов есть такая же проблема — они не могут заряжаться при отрицательных температурах. Более того, заряд при отрицательных температурах приводит к их повреждению (кроме литий-титанатных и некоторых других типов аккумуляторов).
Поэтому перед зарядом аккумуляторы нужно отогреть. Также, очень важно, насколько быстро происходит кристаллизация электролита в аккумуляторе. Если аккумулятор находится в теплоизолированном корпусе, то при достаточном токе заряда он может отогреться током заряда и затем начать принимать заряд. К сожалению, в солнечных энергосистемах зимой солнечные батареи не могут обеспечить достаточного тока заряда в течение длительного времени для того, чтобы разогреть этим током аккумуляторную батарею. Солнце зимой светит недолго, и времени заряда от солнечных батарей не хватает для восстановления емкости аккумуляторов. Ведь известно, что для полного заряда свинцово-кислотного аккумулятора требуется как минимум 7 часов — зимой нет такой продолжительности солнечного сияния. Поэтому очень важно иметь возможность периодически подзаряжать АБ от другого источника энергии, — например, генератора. Если такой возможности нет, то систему нужно проектировать таким образом, чтобы аккумуляторная батарея не разряжалась более, чем на 20-30% в течение нескольких дней без солнца (обычно от 3 до 10 дней), а солнечную батарею устанавливать такой мощности, чтобы она могла дозарядить аккумуляторы в течение нескольких часов солнечного сияния. Такие расчеты требуют глубоких знаний и опыта проектировщика, и очень редко кто может сделать эти расчеты правильно (мы можем 🙂 ).
Какая емкость аккумуляторной батареи вам нужна?
После правильного выбора типа аккумулятора, необходимо провести и правильный выбор его емкости и напряжения.
Выбора напряжения зависит от напряжения нагрузки АКБ. В большинстве случаев нагрузкой является инвертор. Рекомендации выбору напряжения инвертора мы даем в этой статье раздела «Вопросы и ответы«
Калькулятор емкости аккумуляторной батареи в зависимости от требуемого количества запасаемой энергии находится по ссылке.
Выбор производителя аккумуляторов
Кроме правильного выбора типа аккумулятора, правильного расчёта ёмкости и обеспечения требуемые температурных режимов и режимов заряда разряда, необходимо еще выбрать правильного и качественного производителя аккумуляторов. Иначе вы можете купить аккумулятор, которые не прослужит заявленных в технических спецификациях и рекламных материалах сроков и циклов заряда-разряда. Мы за много лет работы с различными поставщиками и производителями определили список надежных производителей аккумуляторов и предлагаем в нашем ассортименте только испытанные временем решения. Покупая аккумуляторы в компании «Ваш Солнечный Дом» вы можете быть уверены в том, что они вас не подведут.
Проектирование системы электроснабжения
При создании круглогодичной системы электроснабжения с солнечными батареями очень важен комплексный подход, который объединяет:
- правильное проектирование, т.е. определение состава системы электроснабжения и параметров ее комплектующих (емкости аккумуляторов, мощности солнечных батарей, типа и модели солнечного контроллера и других элементов системы)
- правильный выбор моделей аккумуляторов и их типа. Как мы показали выше, не все аккумуляторы одинаковы, даже если они одного типа, напряжения и емкости.
- Правильная установка солнечных батарей, электроники и аккумуляторов. Аккумуляторы должны заряжаться полностью, даже при низких температурах. Электронные элементы (контроллеры и инверторы) не должны работать в условиях конденсации влаги. Солнечные батареи нужно не просто закрепить на крыше, но и обеспечить их самоочищение от снега.
Наша компания имеет 20-летний опыт проектирования и установки солнечных энергосистем. Обратитесь к нашим специалистам, для того, чтобы не пожалеть о бесполезно потраченных на оборудование деньгах, или, еще хуже, чтобы не понести потери от того, что ваша ответственная нагрузка не получила гарантированное электропитание в нужный момент.
Не забывайте утилизировать отработавшие срок службы аккумуляторы — есть много компаний, которые вывезут ваши аккумуляторы бесплатно. В крайнем случае, сдайте отработавшие аккумуляторы фирме, у которой вы их купили. Помните, что свинец и серная кислота — очень токсичные материалы, не загрязняйте окружающую среду! При покупке или замене аккумуляторов у нас мы не только бесплатно заберем ваши аккумуляторы, но и дадим вам скидку на покупку наших аккумуляторов. При этом ваши аккумуляторы могут быть любыми, а не только купленными у нас.
Эта статья прочитана 17291 раз(а)!
Продолжить чтение
- 58Документ: Инстpукция Название: Инструкция по эксплуатации стационарных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей в составе ЭПУ на объектах ВСС России Начало действия: 1998-05-13 Дата последнего изменения: 2004-11-23 Вид документа: Инстpукция Область применения: Настоящая Инструкция устанавливает правила и методы технической эксплуатации вновь вводимых в…
- 56Типы аккумуляторных батарей и области их применения В этой заметке содержатся общие советы по выбору аккумуляторов для систем с возобновляемыми источниками энергии. В заметке затронуты 3 основные технологии: литий-ионные, никель-металл-гидридные и свинцово-кислотные (AGM, или Gel). Мы постараемся избегать формул и…
- 51Разновидности свинцово-кислотных аккумуляторных батарей Статья является составной частью "Руководства покупателя аккумуляторных батарей для систем автономного и резервного электроснабжения" ©При цитировании ссылка на эту страницу и на "Ваш Солнечный Дом" обязательна Все статьи про аккумуляторы на нашем сайте собраны на странице…
- 50Комплекты бесперебойного электроснабжения для автономного дома В настоящее время мы предлагаем разнообразные системы для обеспечения резервного электроснабжения Вашего дома. Выбор зависит от существующей системы электроснабжения (подведена ли сеть, есть ли бензо- или дизель-генератор, какая нагрузка). Обычно такие системы строятся на…