Menu

Akumulatory

Budowa i zasada działania akumulatorów została omówiono w dziale magazyny energii. Zasady doboru w instalacjach wyspowych omówiłem w dziale projektowania. Poniżej zasady ich użytkowania i parametry techniczne decydujące o wyborze.

 


 Akumulatory kwasowo-ołowiowe

. Akumulator taki składa się z 6 ogniw ołowiowo-kwasowych połączonych szeregowo. Jedno ogniwo ma napięcie około 2,1V, co w wyniku połączenia daje nam napięcie równe 12,6V. Elektrolitem jest tutaj wodny roztwór kwasu siarkowego. Ich zaletą jest niewątpliwie niska cena i powszechna dostępność.

Z uwagi na bezpieczeństwo użytkownika stosowane są głównie akumulatory kwasowo-ołowiowe żelowe lub typu AGM. W akumulatorach żelowych kwas siarkowy nie jest płynny, tylko ma postać galaretowatego żelu. Żel uzyskuje się najczęściej przez dodanie do kwasu krzemionki. Akumulator żelowy jest całkowicie zamknięty,  w przeciwieństwie do ciekłego elektrolitu żel nie odparowuje, dlatego nie należy go okresowo uzupełniać, czy badać wartości gęstości. Akumulatory żelowe nie muszą być montowane w pozycji pionowej, nie ulegają korozji (nie ma w nich wycieku elektrolitu), są bardziej odporne na uderzenia i wibracje. Brak konieczności okresowego uzupełniania elektrolitu czyni je w praktyce bezobsługowymi, stąd inna nazwa "akumulatory bezobsługowe".

Oprócz technologii żelowania elektrolitu stosowana jest też metoda AGM (z ang. absorptive glass mat), gdzie kwas siarkowy zamknięty jest w macie wykonanej z włókna szklanego, co czyni je wyjątkowo odpornymi na uszkodzenia. 


-Zalety akumulatorów żelowych i AGM
- stabilność,
- możliwa praca w różnych położeniach,
- żywotność dochodząca często do 10 lat,
- szeroki zakres pracy temperatur,
- szybki czas ładowania i długi czas samo rozładowania, które powodują, że właśnie ten typ jest częściej wybierany. Podczas eksploatacji akumulatorów należy pamiętać, aby:
- nie przekraczać poziomu rozładowania równego 50%, ani temperatury wyższej od 50 °C, gdyż może to spowodować trwałe uszkodzenie baterii,
- dobierać system w taki sposób, aby zminimalizować ilość ładowań i rozładowań systemu, co skraca żywotność akumulatorów,

 

Wady
- są bardziej wymagające w procesie ładowania i wymagają stabilizatorów napięcia  tzw.   kontrolerów ładowania zapewniających nie tylko prawidłowy, zgodne z wymaganiami producenta proces ładowania   ale także utrzymanie odpowiednich warunków pracy akumulatora i jego współpracy z siecią,

- są relatywnie droższe od klasycznych akumulatorów z płynnym elektrolitem


Parametry akumulatorów na jakie należy zwrócić uwagę to:
- Pojemność znamionowa – pojemność nowych akumulatorów wyrażona jest w Ah (1Ah = 3600C) 100 Ah oznacza, że akumulator jest w stanie podawać do odbiorników prąd o natężeniu 1A przez okres 100h, lub 100A przez 1h. To, jak duży prąd i przez jaki okres może podawać akumulator, ujęte jest w jego charakterystyce pracy i wiąże się ściśle z trwałością. Wartość pojemności (C) podawana jest dla 20h cyklu rozładowania akumulatora. Jak należy to rozumieć? Jeśli pojemność akumulatora podzielimy przez 20h otrzymamy prąd znamionowy, który można bezpiecznie w tym czasie pobierać z akumulatora nie przekraczając po 20h dopuszczalnej wartości napięcia granicznego (zwykle 1,75V/ogniwo). Na przykład dla akumulatora o pojemności 200 Ah będzie to prąd 200/20 = 10A. Przy założeniu 12V napięcia, do akumulatora takiego może być podłączony przez 20h odbiornik o mocy 120W.

Poniżej w tabeli przedstawiono zależność pomiędzy prądem i czasem rozładowania dla akumulatorów NP, przy założeniu końcowego napięcia 1,75V na ogniwo.

Napięcie rozładowania

Parametr ten określa dopuszczalną wartość napięcia rozładowania na ogniwie akumulatora przy której nie nastąpi spadek  trwałości akumulatora. Wartość ta zależy od wielkości prądu rozładowania i podawana jest zwykle dla temperatury znamionowej pracy akumulatora, czyli 20ºC.

 

Tabela1 Graniczne dopuszczalne wartości napięcia rozładowania na jednym ogniwie w zależności od prądu rozładowania akumulatora (dane dla akumulatrów NP)

 

Jak widać z tabeli im wyższy prąd rozładowania, tym niższa wartość tego napięcia. Generalnie akumulatory uzyskują najwyższą sprawność przy rozładowywaniu prądem od 0,05-3C. Można to też odnieść do czasu rozładowania, bowiem im wyższy prąd tym krótszy czas. Spróbujmy obliczyć dopuszczalny czas pracy akumulatora 12V o pojemności 200Ah przy maksymalnym obciążeniu prądem 3C.

Wartość końcowa napięcia nie powinna być mniejsza niż 1,5x6ogniw = 9V. Z wykresu odczytujemy, że jest to czas około 6 minut. Przez 6 minut będzie można pobierać napięcie dla odbiornika o mocy maksymalnej

Pmax = 3x200x12 = 7200W

Dla odbiornika o mocy 2 kW czas ten wyniesie:

I = 2000/(200x12) =  0,83C

przyjęto dopuszczalny poziom rozładowania 1,6V na ogniwo czyli 1,6x6=9,6V, dla tej wartości i dla 0,83C odczytujemy z wykresu czas około 40 minut. Są to oczywiście wszystko obliczenia dla konkretnego typu akumulatorów, związane z ich charakterystykami pracy.

 

Rys. Krzywe rozładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych NP.

 

Znając moc naszych urządzeń i przy założeniu rozładowania akumulatora stałą mocą, zamiast tych skomplikowanych obliczeń możemy posłużyć się poniższą tabelą (o ile producent ja podaje).

 

Tabela. Stałomocowa charakterystyka rozładowania

 

 Sprawdźmy teraz poprawność poprzednich obliczeń. Dla czasu 40 minut odczytujemy w tabeli dla dopuszczalnego poziomu rozładowania moc rzędu 1,621 W/Ah/ogniwo, stąd:

 

Pmax = 1,621x200x6 = 1945,2W.

 

nasze poprzednie wyliczenia są więc jak najbardziej prawidłowe

 

Temperatura pracy
Znamionowa temperatura pracy akumulatorów wynosi 20 [°C]. Praca akumulatorów bezobsługowych w podwyższonych temperaturach powoduje dramatyczne skrócenie ich żywotności. Żywotność zmniejsza się o połowę na każdy wzrost temperatury o 8 [°C] powyżej znamionowej temperatury pracy. Oznacza to, że akumulator eksploatowany w 28 [°C] zachowa 50 [%] a w 36 [°C] tylko 25 [%] projektowanej żywotności. Dla uzyskania maksymalnej żywotności akumulatora pracującego buforowo należy:
- umieszczać akumulator z dala od urządzeń będących źródłem ciepła,
- zachować przynajmniej 1,5 cm odstępu wokół akumulatora oraz stosować urządzenia z otworami wentylacyjnymi w obudowie dla zapewnienia swobodnej cyrkulacji powietrza, zastosować efektywną naturalną lub wymuszoną wentylację,
- stosować zasilacz z kompensacją temperaturową napięcia ładowania jeśli temperatura pracy będzie znacznie przekraczać 20 [°C] .
Podczas pracy w niskich temperaturach należy uwzględnić spadek pojemności akumulatora i dobierać ją z odpowiednim zapasem. W temperaturze 0 [°C] pozostaje do dyspozycji ok. 85 [%] a w minus 10 [°C] i minus 20 [°C] odpowiednio 75 i 65 [%] pojemności znamionowej.

Rys. Zależność pomiędzy temperaturą pracy a pojemnością akumulatora

 

Przykład: Oblicz dostępną pojemność akumulatora 200Ah przy zasilaniu odbiornika o mocy 240W w temperaturze 5ºC.

Obliczenia:

I = 240W/(200Ahx12V) = 0,1C

Odczytujemy z wykresu około 80% pojemności czyli 0,8x200 = 160Ah

 

Samorozładowanie

każdy akumulator nawet nie użytkowany traci stopniowo swoja pojemność na skutek procesu samorozładowania. Jego szybkość zależy od warunków w jakich przechowywany jest akumulator, głównie od temperatury i wilgotności otoczenia. Średnio szybkość samorozładowania wynosi około 3% na miesiąc w temperaturze 20C. Poniżej wykres dla akumulatorów NP.

 

Rys. Wykres samorozładowania akumulatora

 

 

Problem samorozładowania występuje tylko w przypadku konieczności długotrwałego składowania akumulatora (np. okres zimowy w domku letniskowym). Dopuszczalny czas składowania podawany jest dla określonej temperatury (tabela)


 

 Uwaga- przed długotrwałym składowaniem akumulatory musza zostać w pełni naładowane.

 

Trwałość akumulatorów

Zależy od bardzo wielu czynników, dlatego tutaj ograniczymy się tylko do określenia ilości cykli. Warto przy tym zwrócić uwagę, ze akumulator może pracować jako:

- buforowy

- cykliczny

 

O pracy buforowej mówimy wtedy, gdy akumulator pracuje jako np. urządzenie podtrzymujące napięcie w sieci w czasie awarii (UPS-y). Akumulator taki podłączony jest na stałe do układu ładowania i podlega ładowaniu i rozładowywaniu sporadycznie, raz na jakiś czas. Ładowanie odbywa się głównie małym prądem zapewniającym podtrzymanie napięcia w procesie samorozładowania. czas pracy takiego akumulatora określa sie w latach i wynosi zwykle 5 lat, przy prawidłowym użytkowaniu:

- przestrzeganie napięcia ładowania (zwykle niższe niż przy cyklicznym rzędu 2,25-2,3V/ogniwo)

- temperatura 20C

Przy pracy cyklicznej akumulator podłączony jest na stałe do sieci i podlega cyklicznie procesowi ładowania i rozładowywania. W tym przypadku trwałość akumulatora określa się ilością cykli i zależy ona od warunków pracy, w tym:

- temperatury pracy,

- głębokości rozładowania,

- prądu rozładowania

Poniżej wyniki testu dla akumulatora NP

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});