Замечания по работе аккумуляторов в генераторно-аккумуляторной системе

Аккумуляторы для работы в автономной системе электроснабжения на основе жидкотопливного генератора (дизельного, бензинового или газового) в качестве единственного источника энергии работают в тяжелых циклических режимах. Обычно система рассчитывается таким образом, чтобы генератор включался не более 1-2 раза в сутки для подзаряда аккумуляторов на 2-6 часов.

Обычно в автономных системах применяются герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы. Это связано с простотой их обслуживания. Поэтому рассмотрим особенности эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов, а затем попробуем сравнить их с альтернативными вариантами (см. ниже). 

При выборе режимов работы генераторно-аккумуляторной системы важно учитывать время заряда аккумуляторов. Чем сильнее вы разряжаете аккумуляторы, тем дольше нужно их заряжать. Например, если вы разрядили аккумулятор на 50%, тогда для того, чтобы зарядить его до 75%, нужно 3 часа, а до почти 90% — 6 часов. При этом ток заряда уменьшается по мере заряда аккумулятора (см. зарядные характеристики аккумуляторов).

Рис.1. Зависимость времени заряда АБ от глубины разряда 

Рис.2.Типичные зарядные характеристики АБ

Основными причинами выхода из строя аккумуляторов в генераторно-инверторной системе являются
1. глубокий разряд
2. хронический недозаряд

Мало кто знает, какие напряжения разряда и заряда нужно устанавливать, чтобы продлить срок службы аккумуляторам в генераторной системе. Обычные рекомендации производителей инверторов даются для режима резервного электроснабжения, когда очень часто есть возможность полностью зарядить аккумуляторы и даже поддерживать их в режиме поддерживающего заряда (float charge). Даже многие установщики систем не знают, как правильно настроить блок бесперебойного питания и какие режимы разряда и заряда нужно обеспечить для того, чтобы аккумуляторы служили долго. Это приводит к тому, что дорогие гелевые или AGM аккумуляторы служат менее года.

Не всегда экономически целесообразно «гонять» генератор только для заряда аккумуляторной батареи на последней стадии заряда. В это время ток заряда минимальный, и генератор работает практически на холостом ходу. Однако очень важно при заряде свинцово-кислотных аккумуляторов регулярно заряжать их до 90-100%. Иначе происходит сульфатация пластин и необратимые отрицательные изменения в аккумуляторе.

Основными методами продлить жизнь аккумуляторов в инверторно-генераторной системе являются:
1. Правильный выбор аккумуляторов. Нельзя в таких системах использовать аккумуляторы общего назначения — они рассчитаны только на работу в режиме резерва. Только аккумуляторы глубокого разряда обеспечат вам долгий срок службы
2. Оптимальный выбор емкости аккумуляторной батареи в зависимости от среднего суточного энергопотребления
3. Правильный выбор напряжений защитного отключения, запуска генератора, напряжения и времени режима насыщающего заряда
4. Немедленный заряд аккумуляторов после глубокого разряда
5. Регулярный заряд аккумуляторов до 100% при помощи генератора или дополнительного источника энергии. Мы в своих системах настоятельно рекомендуем при отсутствии подключения к сети добавлять солнечные батареи или ветрогенератор для обеспечения более полного заряда аккумуляторов. В таких гибридных системах аккумуляторы служат в несколько раз дольше.
6. Желательно использовать в системе инвертор с зарядным устройством, который регулирует заряд и разряд аккумулятора не просто по напряжению, а по степени заряженности (state of charge). Такие ББП обычно дороже, но они позволяют существенно продлить срок службы аккумуляторам (и не только в генераторно-аккумуляторной системе). К таким ББП относятся, например, SMA Sunny Island.

Зависимость КПД генератора от загрузки

Если вы эксплуатируете генераторно-аккумуляторную систему, вам нужно откорректировать свои привычки потребления энергии. Так как в начале заряда аккумуляторов, они потребляют максимальный ток, то нужно в первые 3 часа заряда стараться не включать мощные потребители, которые будут забирать часть мощности генератора. После 2-3 часов заряда ток заряда сильно снижается, теперь можно пользоваться любыми приборами.

Более того, на период от 4 до 10 часа заряда лучше запланировать работу мощной нагрузки — например, приготовление пищи на электроплите, работу стиральной машины, обогревателей и т.п. Это нужно для того, чтобы повысить эффективность работы генератора — его КПД максимальный при его загрузке около 80% от номинальной мощности. Также, всю вышеперечисленную нагрузку лучше включать именно тогда, когда работает генератор, а не от аккумуляторов — иначе аккумуляторы будут быстро разряжаться и вам нужно будет вскоре снова запускать генератор.

Также, мы настоятельно советуем всем иметь еще один источник энергии, можно маломощный, например солнечные батареи или ветроустановки, чтобы иметь возможность регулярно дозаряжать аккумуляторы до 90-100%. Например, если у вас есть солнечные батареи, можно зарядить аккумуляторы до 70-80% генератором с утра, а потом в течение дня они будут дозаряжаться от солнечных батарей (нужно, чтобы при этом нагрузка в доме была меньше, чем вырабатывают солнечные батареи). Кроме того, солнечные батареи и ветроустановки позволяют значительно экономить на топливе и гораздо реже включать генератор (что уменьшает связанные его работой шум, выбросы вредных веществ и т.п.) и продлить время его работы между сменой масла и капитальным ремонтом. Более подробно о преимуществах гибридных систем электроснабжения читайте здесь.

Использование щелочных аккумуляторов в генераторно-аккумуляторной системе
Альтернативой свинцово-кислотным аккумуляторам являются щелочные аккумуляторы с жидким электролитом. Щелочные аккумуляторы бывают двух типов: никель-кадмиевые или никель-металгидридные (герметичные) и никель-железные с жидким электролитом (типа НЖ).

К достоинствам этих аккумуляторов можно отнести:
1. Возможность глубокого (до 100%) разряда без причинения вреда аккумулятору
2. Заряд относительно большими токами (до 0,25С)
3. Отличная работа при пониженных температурах (до −40С)
4. Менее значительное по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами снижение емкости при снижении температуры
5. Стойкость к недозаряду. Щелочные даже лучше недозаряжать — дольше прослужат.
6. Малый саморазряд
7. Большой срок службы
8. Имеют меньший удельный вес, чем свиицово-кислотные
9. При пониже¬нии температуры против нормальной (+25°) ем¬кость щелочных аккумуляторов уменьшается на 0,5% на каждый градус понижения температуры. Т.е. при −10С емкость АБ снижается на 17,5%. Это гораздо лучший показатель, чем у свинцово-кислотных — примерно −1% на каждый градус (например, у гелевых аккумуляторов при −10С емкость снижается на 30%. Нужно учитывать, что снижение нелинейное, и при низких температурах скорость снижения емкости возрастает).

Недостатки щелочных аккумуляторов, с которыми в некоторых условиях работы можно смириться:
1. невозможность заряда малыми токами ( при заряде от генератора выставить любой, и даже лучше если ток будет большой — быстрее зарядится)
2. Эффект памяти. Если щелочные аккумуляторы разряжать не до конца, они теряют емкость.
3. Больший диапазон рабочих напряжений — от 1В до 1,75В на элемент, что для 12В аккумулятора означает диапазон от 10 до 17,5В. Очень немногие инверторы и зарядные устройства могут работать в таком диапазоне напряжений. При этом при низких напряжениях на входе инвертора почти всегда его выходная мощность снижается.
4. Более низкий КПД заряда — около 55% против 80% у свинцово-кислотных. Однако при заряде от генератора это не так важно, так как во второй части заряда ток заряда сильно уменьшается, а генератор все равно нужно оставлять работающим. Если при этом нет другой нагрузки на генератор, он работает неэффективно.
5. Необходимость обслуживания. Обычно, ежегодно нужно менять электролит. Также, требуется некоторая квалификация персонала для обслуживания аккумуляторов
6. В отличие от герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов, щелочные требуют специального вентилируемого помещения для хранения и работы. Мы не рассматриваем здесь герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы — они в несколько раз дороже. Тем не менее, щелочные аккумуляторы при работе выделяют меньшее количество вредных газов и испарений, чем свинцово-кислотные с жидким электролитом.
Электролитом щелочных аккумуляторов является раствор едкого калия КОН с удельным весом 1,18—1,20.В начале заряда батареи щелочных аккумуляторов на каждый аккумулятор подают около 1,55В, затем напряжение постепенно увеличивают и доводят его в конце заряда до 1,75–1,8 В. В этом отличие от режимов заряда свинцово-кислотных аккумуляторов, которые в начале заряжаются максимальным током 0,2-0,3С, а затем при постоянном напряжении 2,4В/элемент. Соответственно, если мы имеем аккумулятор с номинальным напряжением 12В, на второй стадии заряда для щелочных аккумуляторов нужно напряжение 17,5-18В — такое напряжение обеспечивают не все зарядные устройства ББП. Поэтому обычно в системе используются щелочные аккумуляторы с пониженным напряжением — например, для 12В не 10, а 9 элементов, т.е. с номинальным напряжением 10,8В. При таком напряжении максимальная мощность инвертора снижается, следовательно, для обеспечения одинаковой мощности нужно брать инвертор на 20% мощнее, чем если бы он работал от свинцово-кислотных аккумуляторов.

Напряжение заряженного щелочного аккуму¬лятора, отключенного от зарядного агрегата, со¬ставляет 1,25–1,3 В. Это примерно соответствует напряжению заряженного свинцово-кислотного аккумулятора.

Разряжать щелочной аккумулятор можно только до напряжения 1,0—1,1В. Если брать 10 банок для 12В аккумулятора, то обычное защитное отключение большинства инверторов 10,5В вполне подходит.

Все вышеперечисленное позволяет сделать вывод, что в отдельных случаях использовать щелочные аккумуляторы выгоднее, чем свинцово-кислотные. Таким случаем является генераторно-аккумуляторная система, в которой генератор является единственным источником энергии. При этом при применении щелочных никель-железных аккумуляторов есть следующие требования и особенности эксплуатации
• Необходимо иметь отдельное вентилируемое помещение
• Необходимо обслуживать аккумуляторы и ежегодно заменять в них электролит
• Зарядное устройство должно иметь широкий диапазон регулирования напряжения (от 9,5 до 17-18В)
• Инвертор должен иметь более широкий рабочий диапазон по входному напряжению
• Инвертор нужно выбирать с 20% запасом по номинальной мощности, т.к. от будет работать при пониженных входных напряжениях.
• Для того, чтобы обеспечить совместимость с зарядными устройствами для свинцово-кислотных аккумуляторов, нужно использовать меньшее номинальное напряжение аккумулятора (например, 10,8В против 12,5В у свинцово-кислотных).

В любом случае, решение в пользу применения щелочных аккумуляторов в генераторно-аккумуляторной системе нужно принимать только после консультации со специалистами. В 90% случаев все-таки более целесообразно применять специальные свинцово-кислотные аккумуляторы глубокого циклирования (см. выше).