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) |
|
|
Никель-кадмиевый(NiCd) |
|
|
Никель-металл-гидридный (NiMh) |
|
|
Никель-цинковый (NiZn) |
|
|
Литий-ионный(Li-ion) |
|
|
Литий-железо-фосфатный (LiFePO4, LFP) |
|
|
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)