gototopgototop

УДК 621.311.24

Выбор аккумуляторных батарей для систем автономного питания

Бубенчиков Антон Анатольевич – кандидат технических наук, старший преподаватель Омского государственного технического университета.

Дайчман Райнгольд Андреевич – ассистент Омского государственного технического университета.

Артамонова Елена Юрьевна – ассистент Омского государственного технического университета.

Аннотация: Проведен анализ существующих типов аккумуляторных батарей для автономных систем, определены недостатки и преимущества конкретных типов аккумуляторов, даны рекомендации по определению необходимого типа для системы электроснабжения с возобновляемыми ресурсами.

Ключевые слова: Электрический аккумулятор, ёмкость аккумулятора, плотность энергии, саморазряд, температурный режим, схема соединения аккумуляторных батарей.

При проектировании систем автономного электроснабжения, необходимо уделить внимание множеству факторов[1-5].

Для нормального режима работы систем автономного питания с использованием альтернативных источников вся произведенная электроэнергия должна быть израсходована потребителем. Из-за несовпадения графиков потребления и производствамгновенное использование не всегда возможно, в связи с чем возникает необходимость запасать или аккумулировать энергию.

Существует великое множество аккумуляторных устройств, все разнообразие которых можно упрощенно разделить на механические, гидравлические, и химические. Последние на сегодняшний день особенно распространены ввиду своей относительной дешевизны, компактности, и простоты в эксплуатации[6].

Электрический аккумулятор (АКБ) — источник тока циклическогоиспользования, принцип работы которого основан на обратимости химических процессов. Способность вновь запасать энергию после ее потребления может быть возобновлена путём подзарядки.

Для характеристики аккумуляторов обычно выделяют нижеследующие параметры:

• Ёмкость (зарядная емкость) – этомаксимально допустимый полезный заряд, то есть потенциал АКБ. Емкость указывает сколько времени АКБ сможет питать нагрузку, будучи полностью заряжен.

• Плотность энергии – это количество энергии на единицу объёма или единицу веса аккумулятора. Основные типы в зависимости от своей энергоемкости представлены на рисунке 1. С точки зрения энергоемкости самым лучшим вариант — это литий-полимерные аккумуляторы, но они являются самым дорогим типом.

 

Рисунок 1. Удельная энергоемкость аккумуляторов.

• Саморазряд - потеря аккумулятором ёмкости, измеряется при отсутствии нагрузки, падение заряда экспоненциально уменьшается с течением времени.

• Рабочая температура – аккумуляторы плохо переносят колебания температуры, то есть определенные типы оптимально работают в своем диапазоне температур, при выходе из которого значительно увеличивается саморазряд, а такжепотеря ресурса самого аккумулятора.

Проведенный нами анализ показал, что в настоящее время наибольшее применение нашли следующие аккумуляторы (таблицы 1,2).

Не смотря на малую удельную предельную теоретическую энергоёмкость, ввиду своих химических характеристик, свинцово-кислотные аккумуляторы обладают самой большой теоретической удельной энергоплотностью, что позволяет собирать из них аккумуляторные системы большой мощности. Однако, это омрачено тем, что в угоду маркетингу, чтобы уменьшить срок службы материал пластин выполняется в таких АКБ более тонким, что в конечном итого сказывается, на характеристиках конечного продукта и системы в целом, вынуждая потребителя производить частые замены батарей.Удельной мощностьэтих АКБ так же уступает многим других аккумуляторам, но, не смотря на все эти недостатки свинцово-кислотные аккумуляторыявляются на рынке самыми выгодными в сочинении цена-качество.

Свинцово-кислотные аккумуляторы подразделяться на:

• Автомобильные – самые мало мощные, они просты в изготовлении и обслуживании, переносят около 100 - 150 циклов подзарядок на 80% от максимальной величины заряда;

• AGM – это герметизированные аккумуляторы, рассчитанные на 250 – 400 циклов разрядов на 80%, основной недостаток которых - большая восприимчивость к перезарядам;

• Гелиевые – кислотные герметизированные, переносят приблизительно 350 – 500 циклов разрядов на 80%, но требовательны к емкостям зарядных токов;

• Панцирные –переносят порядка 1000 - 1500 циклов разрядов по 80%, в наибольшей степени подходят для применения в автономных системах, но обладаю большой стоимостью.

Основные факторы, от которых зависти срок службы всех приведенных видов АКБ:

• Процент разрядки. Следует избегать хранения аккумуляторов, разряженных боле чем на 80%. Для достижения оптимального уровня зарядки рекомендуется использовать контролёры заряда.

• Температура электролита. Повышение температура на 10 °C сокращает срок службы в 2 раза, в то же время чрезмерно охлаждать не рекомендуется.

• Полная зарядка АКБ. Рекомендуется, при возможности подключения к сети хотя бы один раз за месяц, полностью заряжать аккумулятор[7].

По состоянию на сегодняшний день, основной объём рынка аккумуляторных батарей для автономных систем занимают свинцово-кислотные, имеющие достаточно неплохие параметры по удельной мощности, достаточно высокий КПД и что самое главное они самые дешёвые. В настоящее время перспективно развитие батарей на основе лития (литий-полимерные и литий-железно фосфатные), которые имеют КПД до 95% и большой ресурс.Кроме того, они менее требовательны к зарядке/перезарядке.

Ввиду того что эта технология еще не до конца освоена литиевые аккумуляторы имеют значительную стоимость что ограничивает их применение в системах автономного питания.

Все вышесказанное говорит о том, что выбор аккумуляторов является очень сложной задачей на ряду с выбором генератора, индуктора или редуктора ветроэнергетической установки и должен сопровождаться соответствующим технико-экономическим обоснованием.

Таблица 1. Классификация аккумуляторов, получивших наибольшее распространение.

Тип АКБ

Удельная предельная теоретическая энергоёмкость*

Теоретическая удельная энергоплотность

Удельная мощность

ЭДС заряжённого аккумулятора

Рабочая температура

КПД

Вт·ч/кг

Вт·ч/дм³

Вт/кг

В

°C

%

Свинцово-кислотный

(Pb)

133

1250

150

2,11- 2,17

−40 - +40

85

Никель-кадмиевый

(NiCd)

237

50 - 150

150- 500

1,37

−50 - +40

85

Никель-металл-гидридный

(NiMh)

300

150

250 - 1000

1,25

−60 - +55

95

Никель-цинковый

(NiZn)

400

255

130

1,78

−30- +40

80

Литий-ионный

(Li-ion)

700

1250

1000 - 1800

1,70- 2,50

−60 - +70

95

Литий-железо-фосфатный (LiFePO4, LFP)

800

220- 250

2400

3,00- 3,30

−30- +55

95

*Для сравнения теплота сгорания бензина -11600 (Вт-час)/кг.

Таблица 2 – Классификация аккумуляторов, получивших наибольшее распространение.

Тип АКБ

Преимущества

Недостатки

Свинцово-кислотный(Pb)

  • Большой диапазон ёмкостей аккумуляторов;
  • Низкий перепад напряжения на нагрузке во всех режимах работы;
  • Низкая величина саморазряда;
  • Небольшое внутренне сопротивление;
  • Большие массогабаритные параметры;
  • Необходима вентиляция;
  • Нельзя допускать зарядовое голодание;

Никель-кадмиевый(NiCd)

  • Возможность хранения в разряженном состоянии;
  • Большое количество рабочих циклов;
  • Приспособленность функционировать в жестких условиях эксплуатации;
  • Малая стоимость;
  • Эффект памяти;
  • Токсичность используемых материалов;
  • Большой ток саморазряда;

Никель-металл-гидридный (NiMh)

  • Высокая емкость;
  • Малый эффект памяти;
  • Удобство транспортировки;
  • Экологически безопасны;
  • Ограниченное время использования;
  • Малый срок хранения;
  • Высокий саморазряд;
  • Ограниченная мощностная емкость;

Никель-цинковый (NiZn)

  • Большое напряжение;
  • Энергоёмкость;
  • Низкий саморазряд;
  • Небольшой ресурс;

Литий-ионный(Li-ion)

  • Отсутствует «эффект памяти»;
  • Высокая ёмкость;
  • Небольшая масса;
  • Низкий уровень саморазряда;
  • Возможность быстрого заряда;
  • Высокая стоимость;
  • Ограниченный срок службы;

Литий-железо-фосфатный (LiFePO4, LFP)

  • Экологичность;
  • Большой ток разряда
  • Большое ресурс;
  • Широкий диапазон рабочих температур;
  • Сверхбыстрый заряд;
  • Меньшая емкость;
  • Малое количество типоразмеров;

 

Список литературы

1. Бубенчиков А.А Применение ветроэнергетических установок с концентраторами ветровой энергии в регионах с малой ветровой нагрузкой/ А.А. Бубенчиков, Р.А. Дайчман, Е.Ю. Артамонова, Л.А. Файфер, Ф.В. Катеров, Т.В. Бубенчикова // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 5(36). – С. 31-35

2. Бубенчиков А.А. Применение ветроколес и генераторов для ветроэнергетических установок малой мощности / А.А. Бубенчиков, Р.А. Дайчман, Е.Ю. Артамонова, Л.А. Файфер, Ф.В. Катеров, Т.В. Бубенчикова // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 5(36). – С. 35-39

3. Бубенчиков А.А. Проблемы применения ветроэнергетических установок в регионах с малой ветровой нагрузкой / А.А. Бубенчиков, Р.А. Дайчман, Е.Ю. Артамонова, Л.А. Файфер, Ф.В. Катеров, Т.В. Бубенчикова // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 5(36). – С. 39-43

4. Бубенчиков А.А Выбор оптимального генератора для ветроустановки / А.А. Бубенчиков, Р.А. Дайчман, Е.Ю. Артамонова, Т.В. Бубенчикова, А.А. Гафаров, И.А. Гаибов // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 10(41). – С. 18-22.

5. Бубенчиков А.А Программа для расчета системы автономного электроснабжения на основе ветроэнергетической установки / А.А. Бубенчиков, Р.А. Дайчман, Е.Ю. Артамонова, Т.В. Бубенчикова, А.А. Гафаров, И.А. Гаибов // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 10(41). – С. 13-17.

6. Кирпичникова И.М. Ветроэнергетические установки. Расчет параметров компонентов: учебное пособие / И.М. Кирпичникова, Е.В.Соломин. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ. – 2013. – 83 с.

7. Выбор и эксплуатация аккумуляторов и автономное бесперебойное резервное электроснабжение// МАП-Энергия [Электронный ресурс] URL: http://www.invertor.ru/akb.html (дата обращения 30.11.2015)

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail

Отправить статью

...

Форма оплаты

Номер статьи, присвоенный редакцией
Количество страниц в статье
Количество экземпляров журнала
Доставка: РФСНГ
Скидка (%)
Заказать свидетельство о публикации
1. Стоимость публикации каждой страницы статьи составляет 200 рублей.
2. Стоимость каждого экземпляра журнала, включая его печать и доставку, составляет 350 рублей для России и 420 рублей для стран СНГ.
3. Стоимость свидетельства о публикации составляет 120 рублей

Реквизиты для оплаты через банк