Обзор аккумуляторов и рекомендации по их использованию в бесперебойных (ИБП) или автономных электростанциях с солнечными батареями.
Энергия, получаемая не путем сжигания добываемого сырья (нефть, газ, уголь или радиоактивных ресурсов), часто называют «зеленой». И объем так называемая «зеленой энергетики» с каждым годом все увеличивается. Люди стремятся не сколько улучшить экологическую обстановку, но и значительно сэкономить средства на оплате электричества. Но если говорить о получении электроэнергии в местах не подсоединенных к общей электросети, то использование солнечных батарей или ветрогенераторов, позволяет получить и экономию в затратах, и уменьшить (или совсем исключить) время работы дизельгенераторов.
Одним из главных и обязательных компонентов при обустройстве бесперебойной (ИБП) или автономной солнечной электростанции выступает накопитель электроэнергии. Его цена составляет от 50% до 70% стоимости затрат на покупку. Именно поэтому необходимо тщательным образом подойти к выбору аккумуляторных батарей для электростанции.
Давайте разберемся какие на данный момент бывают аккумуляторы для бесперебойных (ИБП) или автономных солнечных станций, и как лучше их применять.
Чтобы обеспечить себя бесперебойной подачей электричества, необходимо со всей серьезностью подойти к вопросу подбора АКБ для бесперебойных (ИБП) или автономных солнечных электростанций. Каждый тип АКБ отличается разными характеристиками и параметрами использования. Поэтому прежде, чем выбрать, нужно знать основные характеристики и параметры их эксплуатации. При этом важно руководствоваться не только техническими характеристиками, но эксплуатационными и гарантийными условиями компании-изготовителя. Серьезная компания, предлагающая качественный товар, не боится давать реальные сроки гарантии и условия гарантийного обслуживания.
При покупке аккумуляторов для бесперебойных (ИБП) или автономных солнечных систем, рекомендуют обращать внимание на следующие моменты:
* Количество циклов полной перезарядки. Этот критерий позволяет рассчитать приблизительный срок работы накопителя.
* Максимально допустимые токи при цикле разрядки-зарядки. Данный критерий дает возможность узнать предельно допустимые нагрузки, при которых аппарат может исправно функционировать.
* Условия эксплуатации. Необходимо предельно четко понимать, при каких температурах устройство должно работать.
* Правила обслуживания. Предписания для правильной профилактического ухода — что также влияет на долговечность эксплуатации. Являются определяющими при невозможности или дороговизне обслуживания.
* Время, затраченное на процесс зарядки и полной разрядки.
* Значение саморазряда прибора. Цифра прямо влияет на скорость изнашиваемости при циклическом использовании.
* Емкостный объем (размер и вес). Данный показатель определяет мощностные характеристики АКБ и важен для мобильных применений.
Как работает бесперебойная (ИБП) или автономная электростанция.
В работе домашней электростанции АКБ играют роль накопителя электроэнергии, запасенной или выработанной в течении дня. Во время отключения внешней сети или в вечерне-ночное время для автономных электростанций, сохраненная энергия используется по мере надобности потребителями электричества. Упрощенная схема автономной солнечной электростанции — бесперебойная (ИБП) система аналогично ей, но в ней нет солнечных батарей:
| Надо отметить, что вообще-то аккумулятором правильно называть одну ячейку. А вот из ячеек набирают блок из нескольких аккумуляторов и объединяют их путем соединения между собой. Подключение можно реализовать последовательно, параллельно или же комбинированным способом. Какой именно выбрать, зависит от конкретных целей – выходного напряжения и силы тока. Объединенные накопители стараются разместить как можно ближе, так как с увеличением длины соединяющего кабеля, возрастает сопротивление соединительных проводов, и, как следствие, падает КПД системы. Готовые блоки желательно размещать в сухих помещениях с температурой воздуха от +10 до +25 градусов. Это условие нужно для стабильной работы, уменьшению электрических потерь и более длительного срока службы оборудования. Для специальных условий эксплуатаций применяют либо защитные боксы, либо специализированные типы аккумуляторов. |  |
 | При объединении аккумуляторов в единый массив, может появиться разность по уровню заряда между ячейками в цепи. При значительной разнице зарядов между ячейками в момент заряда или разряда, будет неполноценное функционирование ячеек аккумуляторов (перезаряд или переразряд), вследствие чего его их срок жизни падает в разы. Разница в заряде происходит из-за погрешности при изготовлении ячеек аккумуляторов — именно поэтому качество их производства является определяющим при выборе конкретного аккумулятора. Но даже в случае установки качественных аккумуляторов, вследствие эксплуатации появляется небольшая разница в заряде. Если не поставить специальное устройство, балансирующее уровень заряда ячеек, то может получиться так, что придется менять аккумуляторы задолго до предполагаемого истечения его срока эксплуатации. А также, чтобы избежать разбалансировки элементов в объединенном массиве, рекомендовано использовать аккумуляторы одной модели, а еще лучше с одной партии. Устройства балансирования заряда (или проще говоря — балансиры) стоят намного дешевле самого АКБ — их установка снимает риск выхода дорогостоящего блока АКБ из строя. |
Сохраненная в АКБ электрическая энергия преобразовывается в переменное напряжение 230 или 380 вольт, т.к. большинство потребителей рассчитаны именно на этот тип питания. Для этого применяется инвертор-преобразователь. Обычно он также является и зарядным устройством для АКБ. При заряде АКБ необходимо использовать специальные алгоритмы и стадии заряда — это очень важно как для эффективности заряда, так и для продления срока жизни АКБ. Именно поэтому важно чтобы применяемый инвертор мог быть настроен для работы с выбранным типом АКБ, а также имел обратную связь с контроллером АКБ.
Современный производители предоставляет широкий выбор технологии аккумулирующей техники, которую можно применять в создании электростанции. Принцип действия конкретной модели будет зависеть от того, из чего она сделана и какой тип конструкции представляет. Ниже приведем самые распространенные виды АКБ, применяемых в бесперебойных (ИБП) или автономных солнечных электростанциях, их основные достоинства и недостатки.
Свинцово-кислотный аккумулятор — тип аккумуляторов, получивший широкое распространение ввиду умеренной цены, неплохого ресурса (от 300 циклов и более), довольно высокой удельной мощности. Но его недостатком выступает довольно малый срок эксплуатации, быстрый разряд и малый гарантийный срок — обычно менее 1 года. Основные области применения: стартерные аккумуляторные батареи в транспортных средствах, аварийные источники электроэнергии, резервные источники энергии. Но некоторые типы свинцово-кислотных АКБ также можно применять в автономных станциях:
Данная технология батарей получила такое название, за счет гелеобразного электролита, используемого внутри. Подобные в устройства характеризуются длительным периодом службы, стойкостью к повреждениям и огромным количеством циклов «заряд/разряд». Подобная техника может эксплуатироваться при низких температурах, вплоть до -40 градусов. Однако при продолжительной работе на морозе, их все же стоит утеплять. Длительное хранение также практически никак не влияет на свойства прибора из-за низкой уровня саморазряда. На данный момент это наиболее распространенный тип АКБ, применяемый в бесперебойных (ИБП) или автономных солнечных станциях.
Также важное отличие таких АКБ — они не требуют регулярного обслуживания. В отличии от стандартных свинцово-кислотных АКБ, они не выделяют газы кислорода и водорода при заряде или разряде. Эти газы абсорбируются в геле и преобразуются обратно в электролит. Но при этом, для гелевых аккумуляторов крайне важно контролировать уровня заряда — при большом уровне зарядного напряжения газы создают излишнее давление и сбрасываются в окружающую среду. А так АКБ необслуживаемые, то восполнить электролит невозможно — в этом случае АКБ выходят из строя или значительно теряют свою емкость. В зависимости от качества материалов и процесса производства, гарантия на гелевые АКБ составляет от 1 до 2-х лет максимум.
AGM относятся к разряду свинцово-кислотных, но имеют ряд отличительных характеристик. У них внутри расположен стекловолоконный материал, напитанный электролитом. Она полностью заполняет все микропоры. За счет этого происходит хорошая рекуперация выделяемых газов и позволяет сделать АКБ необслуживаемым — без контроля уровня электролита и доливки дистиллированной воды, а также может размещаться в любом положении кроме вверх дном. AGM батареям характерны длительный срок службы, достаточный объем и неплохой ресурс циклов перезарядки. Как и гелевые АКБ, чувствителен к уровню зарядного напряжения. Стандартная гарантия на AGM аккумуляторы составляет от 1 год, но некоторые производители предлагают 2 года гарантии при условии тщательного соблюдения условий эксплуатации.
До недавнего времени эти технологии АКБ были идеальным решением для выбора АКБ для солнечной станции. Они относятся к свинцово-кислотной АКБ, но отличается строением токопроводящих электродов. Положительно заряженные, они сделаны в форме трубки, а отрицательный – являют собой ее утолщение. Применение подобной схемы дало возможность значительно увеличить количество заряда/разряда и срок жизни. В технологии OPzV, дополнительная оснастка специальными фильтрами, позволила увеличить рекуперацию газов и регулировать расход электролита — что позволило сделать их необслуживаемые на весь срок жизни. При этом их период эксплуатации может достигать 25 лет. Однако, ввиду его значительной стоимости, он редко когда применяется в домашних солнечных электростанциях. Несмотря на самый внушительный срок эксплуатации, редко кто из производителей дает гарантию на этот тип АКБ более чем 2 года.
Этот вид АКБ не получил существенного распространения, хотя они и имеют довольно существенные преимущества — довольно продолжительным сроком службы, возможностью эксплуатации при сильно отрицательных температурах без дополнительного утепления, широкий разброс зарядного напряжения. Но они довольно дороги, требуют регулярного обслуживания, эксплуатировать их можно только на открытом воздухе или в специальных помещениях, а хранить подобные устройства нужно исключительно в разряженном состоянии.
Необходимость регулярного и грамотного обслуживания щелочных АКБ не позволяет производителям давать гарантию более чем 1 год. Хотя при правильном обслуживании и эксплуатации они могут прослужить дольше чем свинцово-кислотные аккумуляторы.
 | Литиевые аккумуляторы только недавно начали широко применяются в автономных солнечных станция — сдерживало их применение высокая цена и нестабильность технологии. Но с развитием технологии LiFePO4 (литий-железно-фосфатные) они стали более доступны, и, самое главное, безопасны для широкого применения. Несмотря на то, что основными отличиями LiFePO4 АКБ от многих прочих является большая емкость, малый весом, быстрая зарядка и большие токи разряда, основное его достоинство это высокое количество циклов заряда / разряда. В современных LiFePO4 АКБ оно гарантированно составляет 6000 циклов при 90% разряде. Этого достаточно для того, чтобы однажды установленная станция работала без замены каких-либо комплектующих, без ремонта и дорогого обслуживания огромный срок — от 10 до 15 лет! На данный момент LiFePO4 аккумуляторы позволяют запасать и хранить электрическую энергию с самой низкой стоимостью одного цикла заряда / разряда. Конечно у LiFePO4 аккумуляторов есть свои недостатки — это невозможность заряда при отрицательных температурах, разряд возможен только до температуры не ниже -20С и обязательная необходимость применения схем балансировки и выравнивания уровня заряда ячеек. Именно поэтому при покупке LiFePO4 АКБ стоит брать только комплексное решение — так называемые «системы хранения энергии». Они включают в себя сами ячейки LiFePO4 аккумуляторов, систему контроля и балансировки ячеек, а также систему мониторинга и оповещения, которая предупредит о возможных потенциальных проблемах задолго до их появления. |
Только такие системы хранения энергии позволяют производителям давать официальную гарантию 5 лет, а некоторые крупные производители дают даже 10 лет гарантии. Такой гарантией не может похвастаться не один другой тип аккумуляторных батарей! Фактически можно сказать, что чем больше официальный срок гарантии производителя, то тем качественные используемые ячейки и выше качество схемы контроля и балансировки.
Источник
Правильный аккумулятор для дома на колёсах
А помните время, когда было достаточно просто палатки для выезда?
Нельзя просто так взять и воткнуть обычный аккумулятор в дом на колёсах, лодку или автономный источник питания где-то в горах. Точнее, можно. Но через короткое время он деградирует, и его придётся выбросить. Многие через это проходили, когда пытались использовать обычные стартерные батареи в качестве ИБП для домашнего сервера или как буфер для солнечной батареи.
Чтобы батарея не умирала от глубокого разряда, её внутренняя структура должна быть оптимизирована для таких сценариев. Например, для свинцово-кислотных аккумуляторов нужны более толстые пластины иной конфигурации. Как альтернатива пойдёт литий-ионный вариант, но он очень дорог в пересчёте на запасаемую энергию. Литий имеет смысл использовать там, где вы самостоятельно тащите эту батарею на себе, например, в походах. В остальных ситуациях классические свинцово-кислотные батареи по-прежнему — самый дешёвый способ запасти энергию. Сегодня я расскажу о том, что будет со стартовым аккумулятором при его эксплуатации в качестве резервного и какой тип надо было брать изначально.
Что такое сульфатация
Свинцово-кислотные аккумуляторы постепенно вытесняются литием во многих сферах, в первую очередь — там, где требуются малый вес и высокая энергоёмкость. Условный телефон с пластинами свинца был бы весьма специфичным девайсом. Тем не менее они до сих пор актуальны там, где нужно запасти большой объём энергии за умеренную цену, а вес особо некритичен. На велосипед, например, в качестве вспомогательного тягового аккумулятора не поставишь: замучаешься тащить. А вот в автодом, как резервный аккумулятор на дачу или катер — запросто. Там вес всё равно неважен, а цена на литий уже кусается.
Всё бы хорошо, но у свинцово-кислотных есть одна очень неприятная особенность — они катастрофически быстро деградируют при чрезмерном разряде. По мере разряда свинец на катоде из диоксида постепенно переходит в сульфат. На аноде аналогично идёт образование сульфата свинца, но уже не из оксида, а из чистого губчатого свинца.
Реакция на положительном электроде (зарядка идёт слева направо):
Реакция на отрицательном электроде (зарядка идёт слева направо):
В норме эта реакция почти обратима. Чем более мелкодисперсные кристаллы сульфата свинца образуются, тем легче протекает обратная реакция при зарядке. Кристаллы мелкие, а внутреннее сопротивление пластины невелико, пока батарея не сильно разряжена. Грубо говоря, когда вы разрядили батарею на 20–30 % — всё хорошо. До 100 % можно будет зарядить практически без потерь.
Положительная пластина до процесса формирования.
Зеленоватая отрицательная пластина до процесса формирования.
Если аккумулятор разряжать достаточно сильно, а тем более в ноль и подержать некоторое время в разряженном состоянии, то кристаллы сульфата свинца станут настолько крупными (процесс перекристаллизации), что начнут деактивировать активную массу, превращая её в балласт и разрывая внутреннюю структуру пластин. Более крупные кристаллы сульфата свинца, образующиеся на поверхности, печально отвалятся от основной массы и осядут на дне аккумулятора. С этого момента они не смогут участвовать в реакции заряда. Но даже кристаллы, оставшиеся на пластине, из-за своего высокого сопротивления будут очень неохотно превращаться обратно в металлический свинец и оксид. Суммарная рабочая площадь пластин резко падает, и батарея отправляется на утилизацию. Особенно сильно пострадает типовая АКБ от вибрации в разряженном состоянии — это ускорит осыпание пластин.
Если немного поработать ножовкой, то можно добраться до внутренностей аккумулятора. В домашних условиях так делать не надо: они необслуживаемые и с недружелюбной кислотой внутри. Мы такие операции с распиливанием иногда проводим для экспертной оценки того, как чувствует себя аккумулятор после гарантийного срока службы. Вскрытие показало, что пациент умер от вскрытия и мог бы ещё поработать.
Вот так выглядят разряженные пластины. Белёсые участки — это сульфат свинца в виде кристаллов, которые уже не участвуют в электрохимической реакции разряда.
Как восстановить активную массу?
Многие производители стараются бороться с этим различными способами. Мы используем специальные углеродные добавки в активную массу отрицательных пластин для снижения их внутреннего сопротивления, увеличения скорости заряда и снижения риска образования крупных, плохо растворимых кристаллов сульфата свинца. Технологию назвали Carbon Boost, я уже упоминал о ней в прошлых постах. И всё же это не панацея, и даже самые защищённые аккумуляторы умирают от длительного недозаряда даже с учётом стекловолоконной технологии в AGM и использования Carbon Boost.
Частично растворить крупные структуры можно специальными зарядными устройствами, но это всё равно не вернёт исходных параметров батареи, так как часть активной массы просто осыплется на дно АКБ. Хотя бывают варианты и похуже.
Правильный тип аккумулятора
Фундаментальный принцип проектирования почти любой батареи заключается в том, что мы выбираем либо более высокую ёмкость, либо более высокие токи при прочих равных. В свинцово-кислотных АКБ это достигается в первую очередь балансом между толщиной пластин и их количеством. Более тонкие пластины позволяют разместить больше пластин в батарее. Увеличение рабочей площади пластин даёт более мощный выброс энергии, необходимой для запуска двигателя. Более толстые пластины повышают устойчивость к циклам, обеспечивая безопасное, более глубокое и продолжительное время разряда, и могут использоваться для питания различного оборудования.
Стартерные батареи и батареи долгосрочного питания сильно отличаются по строению и используются в различных целях.
Собственно именно этот баланс и важен при выборе аккумулятора. Аккумулятор для запуска двигателя должен иметь возможность отдать большой ток даже в условиях зимы, поэтому в нём применяется больше пластин для достижения большей рабочей поверхности. Он очень редко питает что-то значительное, когда двигатель выключен. По сути, если у вас работают автомагнитола, обогреватель сидений и фары, то почти всегда в этот момент двигатель заведён, и основное питание потребителей обеспечивает генератор.
У автодомов всё не так. Если вы едете в дикую местность на автодоме, то вряд ли будете стоять с заведённым двигателем. Как ни крути, но на холостом ходу двигатель всё равно будет непрерывно жрать топливо. Поэтому подразумевается, что вы накопите достаточное количество энергии по дороге к стоянке в аккумуляторах, а запуск двигателя — это скорее аварийный вариант, если вы не рассчитали ваши потребности и время стоянки.
Резервная батарея чаще всего должна работать, когда двигатель выключен. Обычно это не очень мощные потребители: неяркое светодиодное освещение, компактный холодильник, который скорее термос, и тому подобное. Высокие пиковые токи тут совершенно не нужны. Но зато гораздо более востребованы более энергоёмкие аккумуляторы, способные дольше отдавать энергию. В структуре таких батарей используется меньшее количество более толстых пластин, и как следствие — с меньшей рабочей площадью.
Если провести аналогию, то стартовые аккумуляторы — спринтеры, а резервные — бегуны на длинные дистанции.
Equipment-линейка — самая энергоэффективная и живучая на длинных дистанциях.
У Exide есть две-три ключевые линейки батарей, при этом, как показано на картинке, для одного и того же запаса энергии могут понадобиться три обычных Exide Dual, или один гелевый, или литиевые аккумуляторы:
- Starter (обычный, AGM) — отдают пиковые токи и предназначены только для запуска двигателя. В качестве источника резервного питания они не подходят: в таком режиме эксплуатации они быстро выйдут из строя.
- Dual (обычный, AGM и EFB ) — промежуточный вариант, совмещающий два режима работы: пуск двигателя и питание электрооборудования. Они могут отдать большой ток и лучше переносят сильный разряд. Ими можно запустить двигатель, и при этом они подойдут для использования в качестве источника для не очень прожорливого оборудования, например, освещения, телевизора, зарядки электробритвы или насоса для циркуляции воды. При этом более продвинутая технология EFB с применением Carbon Boost и AGM даёт больше запаса энергии из расчёта на килограмм и большую скорость приёма заряда.
- Equipment (AGM, GEL, Li-ion) — специально для питания оборудования. Двигатель ими в теории завести можно, но это не их профиль: пиковые токи у них существенно ниже. Зато заряд они держат очень долго и могут длительное время питать много разных потребителей. В принципе, если такие аккумуляторы установить на моторную лодку, они вполне смогут длительное время питать ультразвуковой сонар для поиска рыбы или навигационное оборудование. При этом двигатель можно длительное время держать выключенным, чтобы не мешать рыбалке.
Обратите внимание, что за счёт применения различных технологий и более толстых пластин можно глубже безопасно разряжать аккумуляторы резервного питания.
Что ещё важно учитывать?
Для правильного подбора аккумулятора необходимо оценить суммарную мощность всех энергопотребителей и необходимое время работы между перезарядками:
Когда вы рассчитываете энергоёмкость, которая вам потребуется для автономной работы, всегда накидывайте 20 % как коэффициент безопасности. Это хороший резерв на случай превышения квоты и будущей деградации аккумуляторов.
Не забывайте про контроллер заряда и мониторинг. Иначе вы можете приехать в свой замечательный автономный дом в горах и обнаружить, что солнечные батареи занесло снегом два месяца назад, а аккумуляторы разрядились в ноль и теперь кандидаты под замену. Всегда оставляйте пару свободных процентов заряда для возможности подачи аварийного сигнала.
Источник