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:

1. автономные,
2. резервные и
3. 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.

Почему нельзя обойтись без аккумулятора при питании нагрузки от солнечной батареи?

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.

Зачем аккумуляторы для генератора?

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. Такая схема работы описана в статье «Инверторно-аккумуляторная система».

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:

1. Высокий КПД заряда, особенно при заряде от ВИЭ; при заряде от генератора этот параметр не  критичен, хотя всегда желательно иметь минимум потерь энергии.
2. Устойчивость к глубокому разряду (70-100%) — аккумуляторы должны позволять разряд до 80% без ухудшения характеристик и без потери емкости
3. Большое количество циклов заряд-разряд при глубоком разряде
4. Возможность быстрого заряда большими токами
5. Восприимчивость к заряду малыми токами
6. Возможность находиться в частично заряженном или разряженном состоянии без ущерба сроку службы и характеристикам, устойчивая работа в режимах с хроническим недозарядом
7. Низкая стоимость цикла заряд-разряд
8. Низкий саморазряд

Почти всем этим требованиям отвечают литий-железо-фосфатные аккумуляторы.

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:

1. Возможность работы в буферном режиме, с типично неглубокими разрядами в 5-20%
2. Восприимчивость к заряду малыми токами
3. 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

1. Экологичность — отсутствие выделения вредных и опасных газов,
2. Пожарная безопасность, взрывобезопасность
3. Возможность вторичной переработки отработавших срок службы и/или вышедших из строя аккумуляторов
4. Устойчивость к низким и высоким температурам. Возможность заряда и разряда в широком диапазоне температур без существенного ухудшения характеристик и без опасности повреждения.
5. 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.

1. Типы аккумуляторных батарей — рассмотрены основные типы свинцово-кислотных, щелочных и литий-ионных аккумуляторов
2. Типы свинцово-кислотных аккумуляторов — подробно рассмотрены виды свинцово-кислотных аккумуляторов, их устройство и рекомендации по эксплуатации
3. Классификация аккумуляторов для мобильных устройств — мобильные применения — отдельная тема, вкратце мы касаемся ее в этой статье.
4. Особенности эксплуатации, хранения, заряда и разряда герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов рассмотрены в статьях «Эксплуатация герметичных аккумуляторов«, Новый аккумулятор нужно заряжать ⚡,  Аккумуляторные батареи. Ликбез,
5. Сколько служат герметичные аккумуляторы? Ответ на этот вопрос в статье «Эксплуатационный ресурс герметичных АБ«. См также Сульфатация аккумуляторов.
6. Литиевые аккумуляторы (в т.ч. MNC и LiFePo4 аккумуляторы)

Рекомендации по выбору типа аккумуляторов для разных режимов работы мы даем в отдельной статье. Если кратко, то в резервных системах с редкими и короткими перерывами электроснабжения, рекомендуются свинцово-кислотные аккумуляторы (AGM если система спроектирована для неглубоких разрядов и гелевые или OpZV — если возможны периодические глубокие разряды). Для всех остальных систем электроснабжения лучшим выбором будут литий-железо-фосфатные аккумуляторы — они идеально подходят для систем электроснабжения как с питанием от резервного генератора, так и от возобновляемых источников энергии. Единственное ограничение — невозможность их заряда при отрицательных температурах. Если у вас аккумуляторы должны работать и при минусовых температурах, то нужно выбирать литий-титанатные аккумуляторы.

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:

1. 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)
2. правильный выбор моделей аккумуляторов и их типа. Как мы показали выше, не все аккумуляторы одинаковы, даже если они одного типа, напряжения и емкости.
3. 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 17585 раз(а)!

Продолжить чтение