Кпд зарядки аккумулятора

Н.В.Гулиа, А.В.Кацай. Сравнительный анализ эффективности систем зарядки электрохимических аккумуляторов и накопителей кинетической энергии

Сравнительный анализ эффективности систем зарядки электрохимических аккумуляторов и накопителей кинетической энергии

Гулиа Нурбей Владимирович, д.т.н., проф., ООО «Русский сверхпроводник», научный руководитель, [email protected]

Кацай Александр Владимирович, к.ф.н., ООО «Русский сверхпроводник», генеральный директор, [email protected]

Опубликовано: в сборнике докладов Отраслевой конференции «Энергосбережение и энергоэффективность. Возобновляемые источники энергии». Краснодар, 2012. 

В настоящее время в энергетике у производителей и потребителей энергии растет интерес к возможностям использования накопителей энергии (см. например, отчет компании Branan [1]). Спектр их применения и эффектов, которые они дают в энергосистеме, достаточно широк. Хорошо известна сфера применения накопителей разных типов для обеспечения равномерности работы возобновляемых источников энергии – ветрогенераторов и солнечных электростанций. Гидроаккумулярующие станции применяются в большой энергетике как буферные накопители и регуляторы частоты в сети. В функции буферных накопителей работают крупные химические аккумуляторы, например, т.н. редокс-технологии. Все больше приходит известий о применениях накопителей кинетической энергии, использующих в качестве рабочего тела маховики и супермаховики. Некоторые накопительные технологии (маховики, химические аккумуляторы) используются в установках обеспечения бесперебойного питания, а также в качестве регуляторов частоты и мощности в энергосистемах. Также хорошо известно, что разные накопительные технологии обладают сильными и менее сильными сторонами при различных режимах их использования. Например, накопители кинетической энергии хороши для работы в режиме кратковременной выдачи больших мощностей, способны практически мгновенно, за 5-7 мсек включаться в режим генерации. Химические источники тока более инерционны, не могут работать эффективно в режимах, когда необходимо быстро выдать большую мощность. При этом кинетические накопители не могут так же долго хранить энергию, как и аккумуляторные батареи (АКБ).

Зачастую, у потребителей разных типов накопительных агрегатов возникают вопросы об эффективности той или иной технологии. Причем их интересуют как эффекты на всем протяжении жизненного цикла, так и отдельных его стадий. Вопрос этот достаточно сложный для рассмотрения и требующий большого фактического материала и глубокой теоретической проработки.

В нашем кратком исследовании мы попытаемся сравнить эффективность двух накопительных технологий – аккумуляторные батареи и накопители кинетической энергии (НКЭ) – на стадии зарядки, вплоть до  стадии перехода в ожидание режима разрядки.

Постановка задачи

Хотя будет довольно большой натяжкой сравнивать накопительные технологии, основанные на различных физических принципах, однако имеется всеобщая мера, которая позволяет это сделать, хотя бы приблизительно. Таким универсальным измерителем может послужить стоимость, или, переводя с политэкономического языка – совокупность затрат по разным технологиям для получения одного и того же результата. В нашем случае в качестве требуемого результата мы берем два вида накопителей заряженных до одинакового уровня энергии. Задача наша состоит в том, чтобы посчитать суммарные затраты, возникающие в процессах передачи и преобразования энергии, которые приведут к получению зарядки накопителя в объеме 3,33 кВт*часа (или, в системе СИ – 12 МДж). Такую цифру мы выбрали потому, что это достаточно показательная для малого и среднего потребителя энергия. Кроме того, мы имеем экспериментальный образец накопителя кинетической энергии близкой энергоемкости, что позволяет легко экстраполировать его показатели.

Что касается АКБ, то хорошо известно, что единичные аккумуляторы могут быть составлены в комплексы какой угодно емкости достаточно легко. Т.е. мы сравниваем затраты, или, техническим языком – КПД процесса зарядки двух типов накопителей с уровня 3 МДж уровня до 12 МДж. И попытаемся экстраполировать эти затраты на 20-ти летний период, равный сроку службы накопителя кинетической энергии. Конечно, за это время придется заменить несколько наборов АКБ, но мы это не принимаем во внимание, также как и капитальные затраты на данное действие, поскольку считаем абсолютные затраты только в процессе зарядки аккумуляторов.

Нам нужно посчитать, сколько энергии потеряется «в дороге» от розетки и до заряженных батарей и раскрученного до этого уровня энергии маховика и сравнить эти данные между собой.

Будем считать, что к началу зарядки каждый из накопителей имеет остаточный уровень запасенной энергии в 25% от 12 МДж, т.е. 3 МДж. Другими словами, нам нужно посчитать, сколько мы должны взять энергии из сети, чтобы после всех потерь энергоемкость обоих аккумуляторов была равной 12 МДж или, какие потери сопровождают процесс пополнения энергии накопителей на 9 МДж.

Будем рассматривать стандартные свинцово-кислотные батареи, потому, что литий-ионные являются в настоящее время достаточно редко применяемой технологией, а другие типы батарей являются дорогостоящими и применяются тоже сравнительно нечасто для использования в энергетических целях. Для упрощения задачи будем считать, что в процессе всего срока службы такого химического аккумулятора его энергоемкость остается неизменной – на номинальном уровне, хотя на практике в течение времени его службы энергоемкость падает существенно ниже от номинального значения. Т.е. мы приводим АКБ в одинаковые условия с НКЭ по энергоемкости в течение всего срока эксплуатации. Количество циклов заряда-разряда АКБ составляет 500, а длина одного цикла работы составляет двое суток (с момента начала зарядки и до разрядки до уровня 25%). Т.е. срок службы при постоянной эксплуатации примем равным примерно трем годам. Оба устройства находятся в одинаковых внешних условиях – при комнатной температуре и нормальной влажности.

Время зарядки АКБ и НКЭ

По данным, изложенным в [2], «обычно нормальное время полного заряда около 15 часов» (для батарей, разряженных на 25%). По другим данным [3] обычно новая, приведенная в рабочее состояние батарея заряжается от 3 до 8 ч. Примем в среднем, что наша батарея, не имеющая в нашем исследовании возраста в течение всего своего срока службы в три года, полностью заряжается в течение 10 часов от состояния 25% разрядки.

Продолжительность разгона маховика расчитывается по формуле: емкость в Дж (1 Дж=1 Вт*1сек.) деленная на мощность (Вт) электромашины. НКЭ, анализируемый нами далее, с электромашиной мощностью 22 кВт с уровня зарядки в 25% от 12 МДж, достигнет 100% зарядки за порядка 410 секунд (менее 7 минут).

Процесс зарядки аккумуляторных батарей

Потери в процессе зарядки АКБ складываются из следующих составляющих: потери в зарядном устройстве, потери на саморазрядку батарей во время зарядки, потери на нагрев электролита и других элементов батареи при зарядке, затраты на обслуживающий персонал для контроля за процессом зарядки (нужно постоянно отслеживать «вручную» процесс зарядки батареи, чтобы неправильно выбранный режим не привел к преждевременному выходу из строя аккумулятора). Не будем принимать во внимание затраты на обслуживающий персонал. Поэтому нам остается выяснить КПД зарядного устройства и КПД процесса зарядки самого аккумулятора (частное между подаваемой на аккумулятор энергией и реально запасаемой в нём) и перемножить их.

Рисунок 1. Зарядное устройство и АКБ

А. Потери в зарядном устройстве

Зарядка АКБ происходит постоянным током. Для его получения необходимо выпрямить стандартное питание в виде однофазного напряжения 220 В. При подобном заряде сила тока в ходе всего времени заряда должна оставаться постоянной. Для преобразования энергии применяют стандартные и самодельные преобразовательные выпрямительные (зарядные) устройства. У разных фирм производителей аккумуляторов КПД таких устройств заметно отличается.

В доступных данных в сети интернет сведения о значении КПД такого устройства, т.е. отношении выдаваемой на аккумулятор энергии к принимаемой из розетки, сильно варьируется в достаточно широком диапазоне от 30% (см., например,  [4]) и до «более 80%» (как говорится в рекламе одного из производителей таких устройств, см. [5]), с разными промежуточными значениями [6]. На наш взгляд, нижняя приведенная граница значения КПД зарядного устройства более реальна, что, однако, все равно требует экспериментального подтверждения. Но мы принимаем для наших расчетов максимальное из найденных доступных источников значение в 80%.

Б. Потери в аккумуляторе при зарядке

Как пишет в своей статье Л.И.Ридко, «В процессе зарядки аккумулятора в нем происходят химические преобразования. Только часть поступающей энергии тратится на эти преобразования, другая часть превращается в тепло. Можно ввести понятие «КПД процесса зарядки аккумулятора». Это та часть энергии, поступающей от зарядного устройства, которая запасается в аккумуляторе. Значение КПД никогда не бывает 100%, при одних условиях зарядки КПД выше, при других – ниже. Тем не менее, КПД может быть довольно высоким, что позволяет производить зарядку большими токами не опасаясь перегрева аккумулятора» [7].

Емкость, которую нужно накопить в АКБ, определена нами в 9 МДж или 3,33 кВт*часа. Напряжение батареи составляет 12 В. Обычно эту процедуру производят силой тока 5 А. Обычно емкость АКБ указывают в ампер-часах (условная несистемная единица, означающая, что на напряжении 12 В батарея может выдать указываемое количество ампер-часов (например, 5 ампер в течение 11 часов. Следовательно, нам нужно отложить в аккумуляторах 3,33 * 1000 ВА*час деленное на 12 В или 277 А*часов. Если каждая батарея имеет маркировку 55Ah, и при этом заряжено на 25%, то нам необходимо одновременно или последовательно зарядить 7 батарей.

Как пишут в [8], коэффициент полезного действия заряда при комнатной температуре для исправных батарей может быть принят равным 85-95% при токе заряда не более 0,1С20. Ток зарядки обычно измеряют в единицах C, где C – численное значение емкости аккумулятора. Это не совсем корректно с точки зрения размерностей физических величин, но принято считать, что ток 1C для аккумулятора емкостью, например, 2500 мА*ч, равен 2500 мА. Коэффициент использования тока зависит от силы зарядного тока, уровня заряженности батареи и температуры электролита. Он будет тем меньше, чем больше зарядный ток, чем выше уровень заряженности и чем ниже температура электролита. При зарядке полностью разряженных батарей при комнатной температуре, процесс заряда в начальный момент идет с наибольшим коэффициентом использования тока. Увеличение степени заряженности и повышение поляризации ведут к повышению суммарного внутреннего сопротивления батареи и повышению потерь энергии на нагрев электролита, электродов и прочих компонентов батареи. Кроме того, на финальной стадии заряда аккумуляторов начинается вторичный процесс — электролиз воды, входящей в состав электролита.

При зарядке 12-вольтовых аккумуляторных батарей током 15 А КПД устройства достигает 75 % [9].

Источник [10], анализировавший одногодичные батареи, утверждает, что поскольку такая АКБ «достаточно долго находится в эксплуатации КПД зарядки составит порядка 60%».

Исследователь процессов зарядки Юрий Тимофеев [11] утверждает, что КПД процесса зарядки составляет 40 — 50%, остальное тратится на нагрев, а также связанные с этим электрохимические процессы.

Мы, для корректного анализа, примем среднее между приведенными в этом кратком обзоре значение, равное 60%.

Итак, у нас имеются данные по среднему КПД устройства зарядки, равному 0,8 и КПД процесса зарядки аккумулятора (с учетом потерь на нагрев, электрохимические процессы и потерь на саморазрядку), равному 0,6. Общий КПД процесса зарядки составит произведение этих значений или 0,48. Округлим цифру в лучшую для аккумулятора сторону и примем его равным 0,5. Это означает, что потери энергии будут равны полученному на выходе заряду аккумулятора. Наша сборка из нескольких аккумуляторов должна получить 9 МДж энергии или 2,5 кВт*часа. Столько же будет потеряно в процессе зарядки. То есть, за 500 циклов зарядки аккумулятор получит 1250 кВт*часов электроэнергии. Потери также составят такой же объем.

За 20-ти летний период эксплуатации батарей в рассматриваемой нами энергосистеме будет потеряно в процессе зарядки 8333 кВт*час.

Эффективность процесса зарядки накопителей кинетической энергии

КПД подзарядки маховика НКЭ (см. Рис. 2) от электросети зависит от следующих видов затрат энергии:

— потери в зарядной электромашине; при номинальной мощности асинхронной электромашины хорошего производителя её КПД равняется около 0,94 (КПД бывает указан на шильде электромотора);

— потери в частотном преобразователе; при мощности около 20 кВт это тоже составит примерно 0,94;

— потери в опорах маховика (обычных подшипниках);

— потери на аэродинамическое сопротивление в корпусе со специальным газовым составом  при давлении 100 Па.

Для накопления общего запаса энергии 12 МДж потребуется маховик общей массой 1300 кг, диаметром чуть менее 1 метра и шириной обода порядка 400 мм с моментом инерции 140 кг*м2.

Рисунок 2. НКЭ (4 МДж) с мотор-генератором 22 кВт и инвертор-преобразователь.

Предполагается, что в начале зарядного цикла маховик вращается с минимальной частотой вращения 2000 об/мин., обладая при этом запасом энергии в 3 МДж, и он начинает разгоняться электромашиной, управляемой инвертором, от сети, до скорости 4000 об/мин., приобретая максимальный запас энергии 12 МДж. Необходимо определить КПД процесса подзарядки маховика с 3 до 12 МДж или количество энергии, потраченной на всякого рода потери при приобретении маховиком дополнительных 9 МДж энергии.

1. Потери в электромашине и инверторе: общий КПД этих двух устройств равен произведению их КПД 0,94*0,94 = 0,8836.
2. Потери в опорах маховика. Они рассчитываются по калькулятору компании SKF, изложенному в каталоге SKF [12] .

Согласно чертежу НКЭ маховик закреплен на 6 подшипниках производства компании SKF, обеспечивая долговечность свыше 40 тыс. часов. Нагрузка на каждый подшипник при этом составит около 2200 Н; принимаем с запасом значение в 3000 Н. При вязкости масла 5 сСтокс (подшипник разогреет постоянной работой) и частоте вращения 4000 об/мин. Потери в нем составят 56,3 Вт, а в 6-ти подшипниках – 338 Вт. Известно, что со снижением скорости вращения мощность потерь в парах трения падает. При 2000 об/мин. Эти потери составят около 170 Вт. Средняя мощность потерь в подшипниках при разгоне маховика составит 253 Вт.

1. Аэродинамические потери рассматриваются по формулам, изложенным в книге Н.В.Гулиа [13]. Формулы эти, многократно проверенные на практике, были также подтверждены проверкой, проведенной по данным испытаний маховиков фирмой Локхид (США). При этом для данного маховика, вращающегося с частотой 4000 об/мин. при давлении 100 Па, мощность потерь составит: в водороде – 30 Вт, гелии – 60 Вт, воздухе – 113 Вт. При 2000 об/мин., соответственно, 5, 10 и 17 Вт. Средние потери мощности для этих трех сред составят, соответственно, — 17,5; 20 и 65 Вт.
2. Суммарные потери мощности при зарядке маховика электромашиной с инвертором мощностью 22 кВт:

— потери в электромашине и инверторе:

Р1 = (1-0,8836)* 22 кВт – 2,5 кВт;

— потери на сопротивление в опорах:

Р2 = 253 Вт;

— потери на аэродинамическое сопротивление в водороде при 100 Па:

Р3 = 17,5 Вт.

Общие потери мощности составят РƩ = Р1+Р2+Р3 = 2,77 кВт.

Разгон маховика при номинальной мощности разгона в 22 кВт с сообщением 9 МДж (2,5 кВт*час) будет длиться

Тр = 2,5 кВт*час / 22 кВт = 409 сек = 0,113 часа.

Общие потери энергии составят:

∆ Е = 2,77 кВт * 0,113 часа = 0,31 кВт*час.

Это составляет от энергии зарядки 2,5 кВт*час долю в 12,6%, а КПД процесса зарядки НКЭ составит

Ƞ = 100-12,6 = 87,4%.

Сравнение потерь (КПД) АКБ и НКЭ

Сравнивая эффективность зарядных циклов АКБ и НКЭ при прочих равных условиях эксплуатации получаем следующую картину. КПД НКЭ при зарядке равен 87,4%. Т.е. при запасании 9 МДж (2,5 кВт*час) в процессе раскрутки маховика будет теряться 0,31 кВт*часа. Потери в одном зарядном цикле АКБ составляют 2,5 кВт*час. За период в 20 лет, или за 3500 циклов, при зарядке один раз в два дня НКЭ потеряет 1137,5 кВт*часов, а АКБ – 8333 кВт*час, или в 7,3 раза больше. Т.е. эффективность НКЭ на этапе зарядки в 7,3 раза больше, чем у АКБ.

При этом следует иметь в виду, что общий экономический эффект от применения НКЭ прямо пропорционален количеству его полных циклов. Т.е., чем чаще он работает в сутки, тем большую отдачу он приносит владельцу. Количество таких циклов ограничено только скоростью зарядки накопителя (конечно, без учета режимов энергопотребления потребителя). Другими словами, теоретически за сутки такой НКЭ сможет сделать 109 циклов зарядки-разрядки. За 20 лет эксплуатации в таком режиме он смог бы сделать 795 700 циклов или в 251,4 раза больше, чем мы приняли в данной статье для того, чтобы уравнять исходные условия для проведения сравнения с АКБ. Анализируя модели реального применения НКЭ в условиях, например, предприятий с резко неравномерным графиком нагрузки, можно принять количество таких циклов в сутки за 40-50, что соответствует, например, графикам нагрузки у предприятий химической и металлургической промышленности (скачки и провалы потребляемой мощности от установившихся номинальных режимов в одни сутки).

Обратим внимание также на то, что мы сильно упрощали параметры и характеристики накопителей (например, считали, что емкость АКБ остается в течение его срока службы постоянной) и условия их эксплуатации и при сравнении конкретных изделий необходимо эти данные привлекать в анализ.

Выводы

Для того, чтобы делать полностью обоснованные выводы из сравнения эффективности АКБ и НКЭ, конечно, нужно принимать во внимание все потери в полном цикле его работы, т.е. на стадиях зарядки, хранения и выдачи энергии. При этом, все условия работы разных видов накопителей должны быть одинаковы. Но это невозможно в силу физических (и химических) основ их функционирования, о чем мы уже упоминали выше.

В силу этого наши выводы могут помочь в более точном определении сегментов наиболее эффективного применения этих типов накопителей энергии. Это, в конечном итоге, должно помочь выявить возможности комплексирования разных накопительных технологий с точки зрения максимального использования для нужд потребителя их сильных и наиболее выгодных ему сторон.

Литература

10.http://sevbat.com/consulting/1/

11.Аккумулятор и его обслуживание. http://yuri-timofeev.narod.ru/auto/auto_01/auto_01.html

12. www.skf.com

13. Н.В.Гулиа «Маховичные двигатели», М., Машиностроение, 1976, с. 46.

3. Исследование зарядки аккумулятора от солнечной батареи и определение кпд регулятора заряда, аккумулятора и инвертора

При зарядке аккумулятора без регулятора заряда при токе, не превышающем значения в 8% от ёмкости аккумулятора, можно говорить не о зарядке, а только о подзарядке аккумулятора. Однако, в установке содержится регулятор заряда, который имеет несколько режимов зарядки аккумулятора: 1. Заряд максимальным током: на этой стадии батарея получает весь ток, поступающий от солнечных модулей. 2. ШИМ заряд: когда напряжение на аккумуляторе достигает определенного уровня, контроллер начинает поддерживать постоянное напряжение за счет ШИМ тока заряда. Это предотвращает перегрев и газообразование в аккумуляторе. Ток постепенно уменьшается по мере заряда аккумуляторной батареи. 3. Выравнивание: Многие батареи с жидким электролитом улучшают свою работу при периодическом заряде до газообразования, при этом выравниваются напряжения на различных банках АБ и происходит очищение пластин и перемешивание электролита. 4. Поддерживающий заряд: Когда АБ полностью заряжена, зарядное напряжение уменьшается для предотвращения дальнейшего нагрева или газообразования в батарее. АБ поддерживается в заряженном состоянии.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция, которая используется в контроллерах заряда аккумулятора для 100%-ной зарядки даже при низком значении входного тока.

В установке используется регулятор заряда Steca Solar с ШИМ. Регулятор заряда во время своей работы может изменять режим зарядки, но из-за высокой емкости батареи и низкого значения тока зарядки, требуется большое количество времени для изучения работы контроллера во всех его режимах. Поэтому изучим работу контролера в начальной стадии зарядки, когда значение тока примерно постоянно.[5]

3.1. Изучение процесса зарядки-разрядки аккумулятора. Определение КПД всей системы без солнечной батареи [6]

Исследуем КПД системы в целом, то есть системы, состоящей из солнечной батареи, регулятора заряда, аккумулятора и инвертора. Для этого разрядим аккумулятор до состояния, пока регулятор заряда автоматически не отключит нагрузку от аккумулятора. Отключение происходит при напряжении ниже 11 вольт под нагрузкой. Потом произведём зарядку аккумулятора в течение одного часа, затем подключаем нагрузку известной мощности. Зная среднюю мощность питания при зарядке, мощность потребителя, время заряда и разряда под нагрузкой, можно определить суммарный КПД. Основной принцип состоит в следующем: количество энергии, использованное потребителем от аккумулятора, равно количеству энергии потраченной на зарядку аккумулятора, умноженное на КПД всей системы.

Параметры процесса зарядки аккумулятора занесём в таблицу:

Табл. 3.1. Основные параметры на входе в регулятор заряда.

Временная зависимость изменения напряжения и тока на входе в регулятор заряда, при зарядке аккумулятора приведена в виде графиков на рис. 3.1 и рис. 3.2:

Рис. 3.1. Изменение напряжения во времени на входе в регулятор заряда.

Временная зависимость напряжения зарядки аккумулятора повторяет временную зависимость для питающего напряжения контроллера заряда, единственное отличие в том, что напряжение на аккумуляторе при зарядке ниже на 0.3-0.35 вольта, чем на контроллере заряда. По форме график изменения напряжения аккумулятора при зарядке полностью аналогичен графику на рис.3.1. Напряжение в начальный момент достаточно быстро возрастает, затем скорость роста замедляется.

Рис. 3.2. Изменение силы тока во времени на входе в регулятор заряда.

Значение тока на входе в контроллер заряда изменяется незначительно, несколько уменьшаясь от начального значения, что значит, что в начальный момент времени контроллер заряда действительно использует постоянный ток зарядки. Значения силы тока до регулятора заряда и после него во время всего процесса зарядки совпадают.

Мощность, получаемая контроллером заряда от солнечной батареи, примерно соответствует мощности для данного уровня освещённости при напряжении питания ламп в 240 вольт (см. табл. 2.4). Используем максимальное напряжение питания ламп, так как при этом получаем максимальный выход энергии с солнечной батареи, при этом лампы имеют наиболее эффективный спектральный состав.

Рис. 3.3. Процесс разрядки аккумулятора.

Зарядив аккумулятор, изучим процесс его разрядки (рис. 3.3). Потребителем служит инвертор Mobilen EP-75, к которому подсоединена энергосберегающая лампа на 11ватт. Падение напряжения на аккумуляторе при его разрядке приведено в табл. 3.2:

Табл. 3.2. Временная зависимость напряжения при разрядке аккумулятора.

Рис. 3.4. График изменения напряжения во времени при разрядке аккумулятора.

График изменения напряжения при зарядке и разрядке аккумулятора соответствует теоретической зависимости зарядки-разрядки для данного типа аккумуляторов (рис. 3.5):

Рис. 3.5. Теоретическое изменение напряжения при зарядке-разрядке.

При зарядке напряжение измерялось на входе в регулятор заряда, на самом же аккумуляторе напряжение было на 0.3-0.35 вольта ниже, следовательно, кривые зарядки и разрядки аккумулятора, полученные практически (рис. 3.1 и рис 3.2) соответствуют теоретическим, при процессе неполной зарядки.

КПД всей системы посчитаем по формуле:

где Wпотр, [Вт] – мощность потребителя, tпотр, [час] – время потребления энергии (разрядки) до автоматического отключения, Wзар ср, [Вт] – мощность источника зарядки аккумулятора, tзар, [час] – время зарядки аккумулятора.

Wпотр = 11 Вт,

Wзар = 2.107 Вт, (см. табл. 3.1),

tпотр = 8.5 мин = 0,1417 часа

tзар = 1 час.

η = 0.7397 = 73.97%

Суммарный КПД регулятора заряда, аккумулятора и инвертора составил 74 процента, вычислим КПД каждого из этих устройств.

3.2. Определение КПД инвертора [6]

В п. 3.1. был рассчитан суммарный КПД для всей системы. Чтобы определить КПД инвертора, исследуем процесс зарядки-разрядки без инвертора. Сравнив КПД работы системы с инвертором и без него, можно достаточно точно определить его КПД. Процесс зарядки аккумулятора полностью аналогичен процессу зарядки в п.3.1. Для разрядки аккумулятора используем лампу постоянного напряжения на 12 вольт и примерно такой же мощности, что и в предыдущем случае: Wпотр2 = 10 Вт. Изменение напряжения во времени в процессе разрядки аккумулятора приведена в табл. 3.3:

Табл. 3.3. Временная зависимость изменения напряжения при разрядке аккумулятора.

Рис. 3.5. График изменения напряжения во времени при разрядке аккумулятора.

tпотр = 10.5 мин = 0,175 часа,

tзар = 1 час,

Wпотр = 10 Вт,

Wзар = 2.107 Вт, (см. табл. 3.1).

Рассчитаем КПД регулятора заряда и аккумулятора без инвертора по формуле 3.1:

η = 0.8306 = 83.06%

Отсюда видно, что КПД системы без использования инвертора выше. КПД инвертора определим как частное при работе с инвертором и без него:

η = 0.8905 = 89.05%

КПД инвертора составил 89.05 процентов, что практически совпадает с его КПД в 90 процентов, заявленных в его заводских характеристиках.

3. Исследование зарядки аккумулятора от солнечной батареи и определение кпд регулятора заряда, аккумулятора и инвертора

При зарядке аккумулятора без регулятора заряда при токе, не превышающем значения в 8% от ёмкости аккумулятора, можно говорить не о зарядке, а только о подзарядке аккумулятора. Однако, в установке содержится регулятор заряда, который имеет несколько режимов зарядки аккумулятора: 1. Заряд максимальным током: на этой стадии батарея получает весь ток, поступающий от солнечных модулей. 2. ШИМ заряд: когда напряжение на аккумуляторе достигает определенного уровня, контроллер начинает поддерживать постоянное напряжение за счет ШИМ тока заряда. Это предотвращает перегрев и газообразование в аккумуляторе. Ток постепенно уменьшается по мере заряда аккумуляторной батареи. 3. Выравнивание: Многие батареи с жидким электролитом улучшают свою работу при периодическом заряде до газообразования, при этом выравниваются напряжения на различных банках АБ и происходит очищение пластин и перемешивание электролита. 4. Поддерживающий заряд: Когда АБ полностью заряжена, зарядное напряжение уменьшается для предотвращения дальнейшего нагрева или газообразования в батарее. АБ поддерживается в заряженном состоянии.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция, которая используется в контроллерах заряда аккумулятора для 100%-ной зарядки даже при низком значении входного тока.

В установке используется регулятор заряда Steca Solar с ШИМ. Регулятор заряда во время своей работы может изменять режим зарядки, но из-за высокой емкости батареи и низкого значения тока зарядки, требуется большое количество времени для изучения работы контроллера во всех его режимах. Поэтому изучим работу контролера в начальной стадии зарядки, когда значение тока примерно постоянно.[5]

3.1. Изучение процесса зарядки-разрядки аккумулятора. Определение КПД всей системы без солнечной батареи [6]

Исследуем КПД системы в целом, то есть системы, состоящей из солнечной батареи, регулятора заряда, аккумулятора и инвертора. Для этого разрядим аккумулятор до состояния, пока регулятор заряда автоматически не отключит нагрузку от аккумулятора. Отключение происходит при напряжении ниже 11 вольт под нагрузкой. Потом произведём зарядку аккумулятора в течение одного часа, затем подключаем нагрузку известной мощности. Зная среднюю мощность питания при зарядке, мощность потребителя, время заряда и разряда под нагрузкой, можно определить суммарный КПД. Основной принцип состоит в следующем: количество энергии, использованное потребителем от аккумулятора, равно количеству энергии потраченной на зарядку аккумулятора, умноженное на КПД всей системы.

Параметры процесса зарядки аккумулятора занесём в таблицу:

Табл. 3.1. Основные параметры на входе в регулятор заряда.

Временная зависимость изменения напряжения и тока на входе в регулятор заряда, при зарядке аккумулятора приведена в виде графиков на рис. 3.1 и рис. 3.2:

Рис. 3.1. Изменение напряжения во времени на входе в регулятор заряда.

Временная зависимость напряжения зарядки аккумулятора повторяет временную зависимость для питающего напряжения контроллера заряда, единственное отличие в том, что напряжение на аккумуляторе при зарядке ниже на 0.3-0.35 вольта, чем на контроллере заряда. По форме график изменения напряжения аккумулятора при зарядке полностью аналогичен графику на рис.3.1. Напряжение в начальный момент достаточно быстро возрастает, затем скорость роста замедляется.

Рис. 3.2. Изменение силы тока во времени на входе в регулятор заряда.

Значение тока на входе в контроллер заряда изменяется незначительно, несколько уменьшаясь от начального значения, что значит, что в начальный момент времени контроллер заряда действительно использует постоянный ток зарядки. Значения силы тока до регулятора заряда и после него во время всего процесса зарядки совпадают.

Мощность, получаемая контроллером заряда от солнечной батареи, примерно соответствует мощности для данного уровня освещённости при напряжении питания ламп в 240 вольт (см. табл. 2.4). Используем максимальное напряжение питания ламп, так как при этом получаем максимальный выход энергии с солнечной батареи, при этом лампы имеют наиболее эффективный спектральный состав.

Рис. 3.3. Процесс разрядки аккумулятора.

Зарядив аккумулятор, изучим процесс его разрядки (рис. 3.3). Потребителем служит инвертор Mobilen EP-75, к которому подсоединена энергосберегающая лампа на 11ватт. Падение напряжения на аккумуляторе при его разрядке приведено в табл. 3.2:

Табл. 3.2. Временная зависимость напряжения при разрядке аккумулятора.

Рис. 3.4. График изменения напряжения во времени при разрядке аккумулятора.

График изменения напряжения при зарядке и разрядке аккумулятора соответствует теоретической зависимости зарядки-разрядки для данного типа аккумуляторов (рис. 3.5):

Рис. 3.5. Теоретическое изменение напряжения при зарядке-разрядке.

При зарядке напряжение измерялось на входе в регулятор заряда, на самом же аккумуляторе напряжение было на 0.3-0.35 вольта ниже, следовательно, кривые зарядки и разрядки аккумулятора, полученные практически (рис. 3.1 и рис 3.2) соответствуют теоретическим, при процессе неполной зарядки.

КПД всей системы посчитаем по формуле:

где Wпотр, [Вт] – мощность потребителя, tпотр, [час] – время потребления энергии (разрядки) до автоматического отключения, Wзар ср, [Вт] – мощность источника зарядки аккумулятора, tзар, [час] – время зарядки аккумулятора.

Wпотр = 11 Вт,

Wзар = 2.107 Вт, (см. табл. 3.1),

tпотр = 8.5 мин = 0,1417 часа

tзар = 1 час.

η = 0.7397 = 73.97%

Суммарный КПД регулятора заряда, аккумулятора и инвертора составил 74 процента, вычислим КПД каждого из этих устройств.

3.2. Определение КПД инвертора [6]

В п. 3.1. был рассчитан суммарный КПД для всей системы. Чтобы определить КПД инвертора, исследуем процесс зарядки-разрядки без инвертора. Сравнив КПД работы системы с инвертором и без него, можно достаточно точно определить его КПД. Процесс зарядки аккумулятора полностью аналогичен процессу зарядки в п.3.1. Для разрядки аккумулятора используем лампу постоянного напряжения на 12 вольт и примерно такой же мощности, что и в предыдущем случае: Wпотр2 = 10 Вт. Изменение напряжения во времени в процессе разрядки аккумулятора приведена в табл. 3.3:

Табл. 3.3. Временная зависимость изменения напряжения при разрядке аккумулятора.

Рис. 3.5. График изменения напряжения во времени при разрядке аккумулятора.

tпотр = 10.5 мин = 0,175 часа,

tзар = 1 час,

Wпотр = 10 Вт,

Wзар = 2.107 Вт, (см. табл. 3.1).

Рассчитаем КПД регулятора заряда и аккумулятора без инвертора по формуле 3.1:

η = 0.8306 = 83.06%

Отсюда видно, что КПД системы без использования инвертора выше. КПД инвертора определим как частное при работе с инвертором и без него:

η = 0.8905 = 89.05%

КПД инвертора составил 89.05 процентов, что практически совпадает с его КПД в 90 процентов, заявленных в его заводских характеристиках.

3.3. Определение кпд регулятора заряда и аккумулятора

Суммарный КПД регулятора заряда и аккумулятора составляет 83.06 процентов (см. п. 3.2). Определить КПД каждого из этих устройств мы сможем при начальной стадии заряда, так как время зарядки аккумулятора в эксперименте 1 час, а для того чтобы зарядить его на 100 процентов потребуется около 2-х суток, при таком же значении мощности, выдаваемой солнечной батареей.

Значение тока до регулятора заряда и после него совпадают в течении всего эксперимента, а значения напряжения несколько отличаются:

Uн рег зар = 12.84 В,

Uн аккум = 12.54 В,

Uк рег зар = 13.4 В,

Uк аккум = 13.05 В.

Значения напряжения на аккумуляторе начальное и конечное снимаются при включенном токе зарядки. Вычислим разницу начальных и конечных напряжений на аккумуляторе и регуляторе заряда, затем найдём среднее значение просадки напряжения на контроллере заряда.

ΔUн = 12.84 – 12.54 = 0.3В,

ΔUк = 13.4 – 13.05 = 0.35В,

ΔUсреднее = (0.35 + 0.3) = 0.325В.

Среднее значение тока, поступающего на контроллер заряда, равно: Iсреднее = 159 мА.

Перемножив просадку напряжения на контроллере заряда на среднее значение тока, получим потерю мощности на контроллере заряда:

ΔW = 0.0517 Вт.

Посчитаем КПД регулятора заряда по формуле 3.3:

где ΔW, [Вт] определяем из формулы 3.2, W0, [Вт] - мощность, поступающая на регулятор заряда (см. табл. 3.1).

Смысл выражения 3.3 состоит в том, что КПД регулятора заряда определяется как отношение мощности на выходе с регулятора заряда к отношению мощности, поступающей на его вход.

ηрег = 0.975 = 97.5%

Реальный КПД регулятора заряда несколько ниже. Новейшие контроллеры заряда могут работать в режиме отслеживания точки максимальной мощности солнечной батареи - MPPT контролеры, что ещё могло бы увеличить общий КПД установки.

Определим КПД аккумулятора как частное КПД аккумулятора и контролера заряда и КПД контролера в отдельности:

ηаккум = 0.8306/0.975 = 0.8519 = 85.19%

Проверим суммарные расчёты КПД для всех устройств: произведение кпд всех устройств должно равняться суммарному КПД всей установки без солнечной батареи:

ηрег.зар. = 97.5%

ηаккум. = 85.19%

ηинвер. = 89.05%

ηуст. = 0.7396 = 73.96%

Проверка показывает, что расчёт КПД всех элементов установки выполнен верно, так как произведение КПД отдельных устройств в установке равно суммарному КПД без солнечной батареи.

3.4. Определение суммарного кпд всей системы

Определим общий КПД всей установки, включая солнечную батарею, регулятор заряда, аккумулятор и инвертор по формуле 3.5:

где ηуст определим по формуле 3.4, а ηсолн.бат. берём из п.2.3.2 для стандартного значения напряжения питания ламп в 220В.

ηсолн.бат. = 8.04% = 0.0804

ηуст. = 73.96% = 0.7396

ηобщ.уст. = 0.0595 = 5.95%

Вывод: общий КПД всего цикла производства электроэнергии составляет около 6 процентов. С одной стороны этот показатель невысок, однако, принцип действия автономной солнечной электростанции сводится к тому, что она в течении всего светового дня накапливает энергию(около 10-12 часов) и отдаёт энергию в течении двух-трёх часов в тёмное время суток. Поэтому реальная эффективность данного цикла производства электроэнергии выше, чем 6 процентов.

Смотрите также

• 
  Антифриз пенится в расширительном бачке
• 
  Лучшие бюджетные внедорожники для россии по цене и качеству
• 
  Верхняя часть радиатора горячая а нижняя холодная
• 
  Крышка блока цилиндров
• 
  Шпаклевка стекловолокно для авто
• 
  Проверка свечей зажигания своими руками
• 
  Самые лучшие марки машин
• 
  Педали в машине
• 
  Лучший герметик для двигателя
• 
  Obd2 что это такое
• 
  Как тронуться с места на машине механика

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453