Преобразователь напряжения: МАП Энергия - аккумуляторы. Автономное электроснабжение.

Выбор и эксплуатация аккумуляторов для автономного и резервного электроснабжения

Статья: накопитель энергии на основе инверторов МАП SINE Энергия и GRAND

Выбор и эксплуатация аккумуляторов и автономное бесперебойное резервное электроснабжение.

Предлагаем к продаже следующие типы АКБ:

Изготовленные по технологии AGM, герметизированные, срок службы при полной автономии до 3-х лет, при резервном питании до 10 лет (см. здесь). Рекомендуются для резервного бесперебойного электропитания. По России доставляются транспортными компаниями.
Изготовленные по гелевой технологии, герметизированные, срок службы при автономии до 4-х лет, при резервном питании до 12 лет (см. здесь). Рекомендуются для резервного бесперебойного электропитания. По России доставляются транспортными компаниями.
В 2019 г., в продаже появились АКБ нового типа - герметизированные необслуживаемой АКБ свинцово-кислотного КАРБОНОВОГО типа. Характеризуется длительным сроком службы в условиях глубокого разряда (15 – 20 лет). Стоимость цикла у этих АКБ, одна из самых низких.

Как видно из графиков выше, в обычных применениях (полная автономия или резерв), прагматично использовать карбоновые АКБ, т.к. цена их цикла работы сопоставима с литий-железо фосфатными АКБ, а первичные вложения денег меньше.

Что же касается всех остальных типов АКБ (гелевые, типа АГМ, в том числе фронт-терминальные), то на сегодняшний день их применение не рационально, т.к. при незначительно меньшей цене, чем у карбоновых АКБ, они имеют в разы меньший ресурс. Стоимость их циклов заряд/разряд в разы выше.
Сферы применения карбоновых АКБ – от источников бесперебойного питания, до использования при полной автономии. Ответы на вопросы см. здесь.
Изготовленные по литий-железо фосфатной технологии герметичные АКБ. Рекомендуются для полной автономии и/или резервных систем. Срок службы литий-железофосфатных АКБ в условиях автономии до 20 лет и более лет при правильной эксплуатации (или 5000 - 6000 циклов 80% разрядов). Предлагаемые нами АКБ имеют встроенные BMS. Существуют литиевые банки аккумуляторов с внешними BMS (которые тоже предлагаются нами к продаже, для использования с банками литиевых АКБ других поставщиков). Данные АКБ имеют ряд важнейших преимуществ. Могут использоваться, если их эксплуатация будет только при положительных температурах среды.
Внимание! Заряд литий-железо фосфатных АКБ при отрицательных температурах запрещается. Несоблюдение этого требования приводит к полной порче АКБ. Учитывайте это при расчёте установки.

Подробнее о предлагаемых литий-железо фосфатных АКБ написано по ссылкам на их странички товаров из прайс-лита см. здесь.

Общее описание возможностей и применения предлагаемых аккумуляторов, сравнение с другими маркими и типами АКБ – см. в статье ниже. Однако наиболее свежие описания и характеристики приводятся в описаниях самих аккумуляторов (на страничках товаров), которые открываются из электронного магазина ttps://www.invertor.ru/zzz/orderform/?fizm=1

Описание возможностей и применения предлагаемых аккумуляторов, сравнение с другими маркими и типами АКБ – см. в статье ниже.

Введение. О ёмкости и напряжении аккумуляторов.

Коротко разберём распространённое мнение – «при последовательном соединении двух аккумуляторов (АКБ), их ёмкость не меняется, она остаётся такой же, как у одного аккумулятора, поэтому время автономной работы при таком соединении будет меньше».

Но как же закон сохранения энергии? Да, при последовательном соединении аккумуляторов, формально ёмкость считается как у одного аккумулятора, а напряжение удваивается (или утраивается, учетверяется и т.д., в зависимости от количества последовательно соединённых АКБ). При параллельном же соединении АКБ – ёмкость удваивается (утраивается и т.д.), а напряжение остаётся тем же.

Противоречия здесь нет. Когда люди говорят об аккумуляторе (обычно об автомобильном), то сообщают его ёмкость, но не уточняют вольтаж. Просто все привыкли, что аккумуляторы имеют напряжение 12 В, и подразумевается, что упоминать об этом глупо. Но в вообще-то, ёмкость без указания вольтажа не имеет физического смысла. Существуют аккумуляторы самой разной ёмкости и на разное напряжение – на 2 В, и на 6 В, и на 12 В, и, редко, на 24В. Кроме того, любые одинаковые АКБ можно соединять последовательно, параллельно, или последовательно-параллельно одновременно.

Но стоит только указать после величины ёмкости, её вольтаж, как всё встаёт на свои места. Ведь ЭНЕРГОЁМКОСТЬ в любом случае, как бы мы не соединяли аккумуляторы, останется прежней.

Итак, если, например, два АКБ по 200 Ач×12 В , соединить последовательно, то получится энергоёмкость 200 Ач×24 В. А если эти же два АКБ соединить параллельно, то получится – 400 Ач×12 В. Проверим:

200 Ач×24 В = 480 = 400 Ач×12 В

Но для расчётов токов (обычно, номинальным током заряда считается ток 0,1×С, где С –величина равная ёмкости аккумулятора), С берут именно по цифре слева, т.е. в нашем примере, при последовательном соединении С = 200, а при параллельном С = 400.

Легко заметить, что и мощность зарядного устройства в обоих случаях будет одинаковой.

Для первого случая, зарядный ток будет 0,1×200 = 20 А, но при напряжении 24 В. Т.е. зарядная мощность, Р = 20 А×24 В = 480 Вт

Для второго случая, зарядный ток будет 0,1×400 = 40 А, но при напряжении 12 В. Т.е. зарядная мощность, Р = 40 А×12 В = 480 Вт

Если рассматривать одиночные аккумуляторы, то например один аккумулятор 600 Ач×2 В, по своей энергоёмкости соответствует одному аккумулятору 100 Ач×12 В.

Чтобы получить из этих аккумуляторов (600 Ач×2 В) большую аккумуляторную батарею, например, на 24 В, нужно соединить последовательно 12 шт таких АКБ. Общая итоговая ёмкость получится 600 Ач×24 В. Эта энергоёмкость, если сравнивать её с 12-и вольтовыми АКБ по 200 Ач (а такие применяются в грузовиках), соответствует 6-и штукам (три соединённых параллельно цепочки аккумуляторов, где каждая цепочка состоит из двух соединённых последовательно аккумуляторов):

(600 Ач×2В)×12 = 600 Ач×24 В = (200 Ач×24 В) + (200 Ач×24 В) + (200 Ач×24 В)

Обратите внимание – на всех рисунках специально показано, что если минус инвертора подключён к условно первому АКБ, то плюс – к последнему. Так его следует подключать, чтобы компенсировать сопротивление даже толстых медных проводов соединяющих аккумуляторы. Иначе, из-за их сопротивления, при огромных токах, «дальний» от выводов инвертора аккумулятор, окажется и не »дозаряжаем», и не »доразряжаем».

Чтобы аккумулятор служил долго, его нельзя разряжать более чем на 80%. Для 12-и вольтового АКБ, это соответствует напряжению на его клеммах примерно 11,5 – 11,7 В. Но тут важно каким током относительно емкости АКБ мы его разряжаем.

Чем больше сила разрядного тока, тем ниже напряжение, до которого может разряжаться аккумулятор. Это потому, что при быстром разряде большими токами относительно маленькой ёмкости аккумулятора, электролит не успевает перемешиваться и разряженный слой скапливается вокруг пластин. Напряжение АКБ падает и нагрузка автоматически снимается инвертором (в его меню допустим установлена нижняя граница напряжения АКБ при котором ещё идёт потребление энергии). Однако, спустя несколько десятков минут, электролит перемешивается и ёмкость (и, соответственно, напряжение аккумулятора) повышаются.

Если же разряжать малым током относительно ёмкости, то можно вычерпать всю энергию, что плохо для долговечности АКБ. Всегда надо оставлять не менее 20% ёмкости. Поэтому, можно установить то конечное напряжение на АКБ, при котором даже при отсутствии нагрузки какая-то ёмкость ещё остаётся (например для обычного кислотного АКБ при напряжении 11,5 – 11,7 В даже без нагрузки в АКБ ещё остаётся 20% ёмкости. А если будет нагрузка и инвертор отключит АКБ при 11,5 В, то ёмкости при этом в АКБ останется ещё больше – это только лучше для долговечности АКБ). Поэтому измерять ёмкость через специальный шунт или более грубо, по напряжению на АКБ – не столь уж важно, ведь в последнем случае возможен только запас остаточной ёмкости (т.е. погрешность идёт на пользу долговечности АКБ). Подробнее об этом далее.

Отметим, что во время заряда, зарядное устройство постепенно повышает напряжение на АКБ, а затем, после снятия заряда, напряжение уменьшается, возвращаясь к спокойному состоянию (так, на 12-и вольтовом аккумуляторе, в зависимости от типа АКБ, оно обычно растёт до 14,1 – 14,5 В, а после снятия заряда, даже без нагрузки, в течении получаса возвращается к нормальному для 100% заряженного АКБ 12,5 – 12,8 В).

О проблемах, влияющих на реальный срок эксплуатации свинцовых аккумуляторов.

Несмотря на множество технологических решений, внедренных в свинцово-кислотные аккумуляторные батареи за 150 лет с момента изобретения технологии химической аккумуляции, срок службы АКБ до сих пор во многом зависит от эксплуатационной нагрузки. Рассмотрим их по порядку:

1. Первым определяющим фактором была и остается степень разрядки аккумуляторов. Свинцовые аккумуляторы не терпят хранения в разряженном состоянии. Кроме того, при падении заряда ниже 20% активизируется процесс образования нерастворимых соединений серы, которые, в первую очередь сказываются на емкости АКБ. Помимо этого, реакция сульфатации способствуют выделению влаги, которая обеспечивает постоянное снижение концентрации кислоты. Если же аккумулятор некоторое время будет находиться в состоянии глубокой разрядки, начнется необратимый процесс образования сульфатов и, соответственно, необратимого снижения реальной емкости АКБ относительно паспортной.

Обратите внимание, что для большой ёмкости, например, 400Ач×24В, обычная небольшая нагрузка менее 500Вт (а это и есть обычное использование), разряжая АКБ до 11,5 (23) В разряжает его примерно на 80%.

Если бы нагрузка, относительно ёмкости АКБ, была бы большой, например, для вышеуказанного случая порядка 2 кВт, то из-за инертности перемешивания электролита, напряжение на АКБ упало бы до 11,5 (23) В намного раньше (вокруг свинцовых платин образовался бы слой разряженного электролита, который просто не успел перемешаться с остальным электролитом). И если при этом, инвертор отключит потребление, то спустя некоторый срок электролит перемешается, и напряжение на АКБ поднимется само. Т.е. расход ёмкости АКБ, в этом случае, будет не 80%, а гораздо меньше, что не плохо. Только вот при обычном использовании, основным потребителем является холодильник. А его средняя мощность потребления около 100 - 150 Вт.

Поэтому, чтобы гарантированно не разряжать АКБ ниже, чем на 20%-30% надо установить отключение инвертором потребления при напряжении 11,7 (23,4) В - см. таблицу ниже.

Однако, помните, что если общая ёмкость АКБ будет маленькой относительно нагрузки (например, в несколько кВт), то напряжение на АКБ может в этом случае очень быстро просесть до 11,7 (23,4) В и инвертор отключит генерацию. Чтобы такого не произошло, необходимо устанавливать емкость не менее 400Ач×24В, а ещё лучше – в 1,5 раза больше.

Нахождение АКБ в разряженном состоянии (более чем на 80%) в течении более чем 12 часов недопустимо.

2. Другим определяющим фактором для времени жизни АКБ, можно назвать температуру электролита. В случае обычных кислотных аккумуляторов, эксплуатация при повышенной на 10 градусов температуре ведет к сокращению срока службы вдвое (как отмечалось ранее, лучшие АКБ не столь чувствительны к этому параметру). Хоть в инверторе МАП «Энергия» и есть внешний температурный датчик (его следует приклеить скотчем к АКБ), позволяющий делать автоматическую компенсацию зарядных напряжений, это помогает лишь отчасти. Ограничения на использование в жаркую погоду пока никто не отменял. Поэтому, нельзя располагать АКБ на нагревающихся чердаках, нежелательно и в одном помещении с миниэлектростанцией, т.к. последняя сильно его разогревает. Идеальное место – подвал, техподполье, или подсобка/коридор с северной стороны здания.

3. Для долголетия аккумуляторов, необходим и полный, 100% заряд, что затруднительно обеспечить, если сетевого 220 В нет вообще и если для заряда использовать только мини электростанцию. Посмотрим на стандартный график заряда кислотного АКБ (у разных типов АКБ конкретные значения могут немного варьироваться, но достаточно близко).

Зона окрашенная жёлтым цветом, это 80% энергии необходимой для заряда. Она передаётся на первых ступенях заряда от миниэлектростанции, в течении первых 6 часов, и, заряжает АКБ, соответственно, на 80%.

Но чтобы зарядить АКБ на все 100% необходимо заряжать их ещё, как минимум, в течении 6 - 7 часов, причём при этом, в АКБ передастся лишь 20% энергии (зона окрашенная розовым цветом).

Получается, что для 100% заряда АКБ, надо чтобы миниэлектростанция работала как минимум 12 – 14 часов, причём эти последние 7 часов, если не нагружать её дополнительными нагрузками, практически вхолостую. Конечно, это возможно, - хоть и большинство миниэлектростанций имеют воздушное охлаждение и требуют перерыва после 6 часов работы, - можно сделать перерыв 1час и продолжить заряд. Но топливо, при этом, будет расходоваться не эффективно.

Лучший выход из положения для автономных систем – установить солнечные панели и/или ветрогенератор. Ведь почти всё необходимое для их эксплуатации уже имеется (АКБ и инвертор и резервная миниэлектростация). Солнечные панели и/или ветрогенератор позволят в определённые моменты времени (когда нагрузка мала, а солнце/ветроресурсы имеются) зарядить АКБ на 100%. Пусть это будет даже не каждый день, но и раз в неделю подобный 100% заряд будет полезен. При достаточной их мощности, система сможет выдавать электричество практически вообще без включения бензогенератора.

Другой, компромиссный вариант, это хотя бы раз месяц проводить 13 часовую, 100% зарядку от бензо/дизель/газо генератора (при необходимости понижая в инверторе зарядные токи), а в остальное время ограничиваться 80% зарядом.

Можно конечно поставить и два комплекта АКБ, подзаряжая внешним зарядным устройством, подключённым к выходу 220 В от инвертора, отдыхающий комплект АКБ. Однако, это решение по стоимости сопоставимо с первым вариантом, и менее разумно - дополнительные АКБ, в отличии от солнечных панелей и ветрогенератора, не используются, а «отдыхают». К тому же, аккумуляторы расходный, относительно менее долговечный материал.

Отметим, что аккумуляторам вреден и постоянный длительный перезаряд (заряд повышенными токами, и высокое напряжение конца заряда, и высокое напряжение буферного поддержания). Поэтому, эти параметры устанавливают в соответствии с паспортом АКБ, причем в случае наличия сети, зарядные токи, обычно устанавливают по минимальной границе.

4. Спустя несколько лет после начала эксплуатации АКБ (а в зависимости от качества аккумуляторов, бывает и через год-другой), может возникнуть разбалансировка аккумуляторов. Это явление проявляется в том, что допустим в цепочке из двух последовательно соединённых АКБ, на одном аккумуляторе устанавливается напряжение чуть ниже, а на другом – чуть выше. В итоге, общее напряжение будет нормальным и инвертор проводит заряд до положенных значений напряжений. Тем не менее, один АКБ окажется недозаряжен, а другой перезаряжен.

Поэтому, раз в год, желательно измерять цифровым тестером напряжения на каждом АКБ. В случае их разбалансировки, проводят уравнительный заряд каждого АКБ отдельно (см. ниже). Если же АКБ герметизированные (в этом случае уравнительный заряд запрещён), то проводят восстановительный заряд/разряд (см. ниже) и полный заряд каждого АКБ.

Или, если аккумуляторов несколько и соединены они последовательно-параллельно, можно попробовать поменять их местами. Так же, при последовательно-параллельном соединении, желательно объединить перемычкой средние точки у аккумуляторов (например, для сборки из 4-х АКБ на 24 В, средней точкой является 12 В).

Ориентировочное время работы аккумуляторов на различные нагрузки:

Время автономной работы зависит только от ёмкости подключённых аккумуляторов и мощности нагрузки. В таблице, оно указано. Но необходимо учитывать, что если не использовать электрообогреватели (а их использование от автономных источников не рекомендуется), в реальных условиях такой нагрузки в среднем не будет никогда.

Например, в стандартном доме к автономному источнику обычно подключают освещение, телевизор, холодильник, насос водоснабжения и отопительный котёл на жидком топливе. Надо рассмотреть два аспекта – а) необходимую мощность для обеспечения пусковых мощностей всего оборудования; б) среднюю потребляемую мощность в сутки.

Пусковая мощность зависит от конкретных устройств. Но можно прикинуть ориентировочно. Пуск освещения – 500 Вт, телевизора 150 Вт, холодильника 1,5 кВт, насос (сильно зависит от его мощности и глубины расположения) 5 кВт, котёл 1 кВт. Итого, порядка 8 кВт. Следовательно, по этому параметру, для описанного случая гарантированно сработает МАП "Энергия" SINE 9,0 кВт (скорее всего, справится и МАП SINE 6 кВт).

Средняя же потребляемая мощность будет всего порядка 500 Вт около 6 часов в сутки. Это обусловлено тем, что освещение и телевизор обычно включаются по вечерам, насос включается редко и на маленький срок (при потреблении его мощность 500 – 1500 Вт), холодильник потребляет 150 Вт и включается на 15 минут в час. Котёл потребляет порядка 200 Вт и тоже работает в прерывистом режиме.

Теперь легко оценить время реальной автономной работы. Смотрим по таблице – там написано, что например от 6 шт АКБ по 190 А/ч (или набранная такая же энергоёмкость из любых аккумуляторов 570 Ач×24 В, или 285Ач×48 В, или 1140 Ач×12 В), при нагрузке 500 Вт, будут работать 25ч 30м. Но так как, ориентировочно, такое потребление будет лишь 6 часов в сутки, то 25,5/6=4 суток. Таким образом, вышеперечисленная нагрузка, от 6-и АКБ по 190 А/ч, будет обеспечена автономным питанием примерно в течении 4-х суток.

Для определения времени работы неважно как соединены между собой аккумуляторы - последовательно, параллельно или последовательно и параллельно.

Напоминаем так же, что аккумуляторы обладают свойством остаточной ёмкости. Т. е., например, если используя аккумулятор 90 Ач×12 В вы работали газонокосилкой мощностью 1 кВт в течении 45 мин. после чего МАП выключил 220 В (т.к. напряжение на АКБ просело ниже 11 В) – уменьшите нагрузку до 500 Вт (подключите, к примеру, электролобзик) и работайте ещё столько же! Затем можно подключить 300 Вт-ную дрель, а потом 130 Вт-ный краскопульт, далее 60 Вт-ный паяльник и, наконец, 30 Вт-ную лампочку. Однако в двух последних случаях, нагрузка буде потреблять малый относительно ёмкости АКБ ток, и вы «вычерпаете» около 100% от максимальной ёмкости аккумулятора (если конечно, напряжение отключения потребления в инверторе не установлено на 11,5 В или выше). А «вычерпывание» 100% не рекомендуется, т. к. ресурс аккумулятора, в этом случае, сокращается.

Из вышеприведенного примера совсем не следует что эти (и другие) нагрузки нельзя включить все сразу.

В заключении отметим, что приукрашивание характеристик АКБ, производителями достаточно вероятно. Ведь можно лишь слегка изменить условия тестирования – и вот они, рекордные цифры. Или, к примеру, считать, что АКБ надо снимать с эксплуатации при падении не до 80% от исходной ёмкости, а до 60%. Другой пример, приводившийся выше – ёмкость у одних АКБ указывается при 5-часовом разряде, у других при 10-часовом, у третьих – при 20 часовом, а у некоторых (автомобильных) при 120-часовом (т.е. очень малым током). Понятно, что в первом случае, реальная ёмкость выше, чем в последнем процентов на 20 – 25, хотя цифры ёмкости в паспорте будут одинаковы.

А у автомобильных стартерных вес, относительно заявленной ёмкости, удивительно мал. Например, стартерный 190 Ач×12 В весит 43 кг, а 6 шт панцирных АКБ Микроарт 210 Ач×2 В (т.е. в сумме 210 Ач×12 В) весят 84 кг. Почему же у автомобильного АКБ вес практически в 2 раза ниже? Хорошо, положим панцирная технология «весит» больше. Но ведь и у всех других не стартерных АКБ вес относительно ёмкости больше, например, гелевых Haze HZY12-200 и Challenger G12-200 вес 63 кг. Почему же у автомобильного, он в 1,5 раза ниже? Потому что свинцовые пластины для автомобильных стартерных АКБ делают совсем тонкими, что не может не влиять на их долговечность и устойчивость к разрядам.