Аккумуляторы.

Зачастую именно с приобретения аккумуляторов начинается практическая электрификация поместий. Если рядом есть деревня, то первое время можно заряжать аккумулятор там.

Главными характеристиками аккумулятора являются:

1. Тип аккумулятора. В системах автономного электроснабжения применяются обычно кислотно-свинцовые аккумуляторы (их также часто называют просто "кислотные" или просто "свинцовые"). Они, в свою очередь, по технологии изготовления и конструкции бывают нескольких видов. Из их характеристик нас прежде всего интересует возможность работы в режиме глубокого разряда и недозаряда.    Автомобильные стартерные аккумуляторы с жидким электролитом многим знакомы. Это самый дешёвый тип аккумуляторов. У них относительно невысокий срок службы, при глубоком разряде происходит сульфатизация пластин, за счёт чего ёмкость аккумулятора снижается. Но в то же время, при правильном режиме заряда происходит и обратный процесс, и автомобильный аккумулятор поддаётся восстановлению лучше, чем герметизированные батареи, за счёт его чего срок службы продлевается. Также он лучше переносит перезаряд. К недостаткам автомобильного аккумулятора относятся необходимость обслуживания, нежелательность установки в жилом помещении (за счет выделения газов), взрывоопасность, относительно быстрый саморазряд. Кпд немного ниже, чем у других типов. Всё сказанное выше относится, в первую очередь, к малосурьмяным автомобильным аккумуляторам (самый дешёвый класс автомобильных аккумуляторов представителями которого являются, например, Тюменские аккумуляторы, "АкТех", "Пилот", "ПАЗ" и др). Кальциевые (Ca/Ca) батареи (более дорогой класс, который представлен большей частью импортными моделями - "Multu", "Varta" и т.д - и отечественным "Титаном") для целей автономного электроснабжения не подходят, т.к. при глубоких разрядах очень быстро выходят из строя. Другой недостаток кальциевых батарей - медленный процесс заряда и более бысокое зарядное напряжение, вследствие чего зарядные устройства и контролеры могут их недозаряжать. Также не рекомендуется покупать разного рода "зимние" аккумуляторы (в т.ч. малосурьмяные), про которые говорится, что они разработаны специально для сурового климата, что у них улучшенные пусковые характеристики и увеличенная площадь пластин. Все эти достоинства, как правило, достаются ценой снижения выносливости аккумулятора в условиях глубокого разряда. В целом, следует относиться с осторожностью к "навороченным" и "улучшенным" моделям: не всё, что хорошо для автомобиля, хорошо и для автономной энергосистемы.    Аккумуляторы технологии AGM - герметизированные аккумуляторы. Достоинства: не требуют обслуживания, могут быть  установлены в жилом помещении, заряжаются быстрее автомобильных, низкий саморазряд. Недостатки: при повышенной температуре эксплуатации сокращается срок службы, при перезаряде быстро выходят из строя. AGM - аккумуляторы общего назначения предназначены для буферного режима работы (должны быть большую часть времени заряженными, разряд должен быть неглубоким - 30%). Используются в источниках бесперебойного питания, а также как резервное питание аппаратуры связи. Глубокий разряд переносят плохо, поэтому для целей автономного электроснабжения мало подходят. Стоят примерно в 2 раза дороже автомобильных. AGM - аккумуляторы глубокого разряда (тяговые) используются в погрузчиках, электрокарах и т.д. Относительно хорошо переносят глубокий разряд и недозаряд. Цена при напряжении 12 В и емкости 100 А*ч - около 9 тыс.руб (2010 г).  Гелевые аккумуляторы - тоже герметизированные аккумуляторы, по большинству характеристик превосходят аккумуляторы AGM. Лучше переносят глубокий разряд, и не настолько критичны к перезаряду. Заявленный срок службы - 10-15 лет. Цена при 12В 100 А*ч - порядка 9-10 тыс.руб (2010 г). При покупке герметизированного аккумулятора (AGM или гелевого) рекомендуется тщательно изучать, что именно берёте. Часто, даже на довольно серьёзных интернет-сайтах, эти два типа путают между собой, либо те и другие называют гелевыми, нередко - гелиевыми (хотя они никакого отношения к гелию не имеют). Также продавцы могут любой из названных аккумуляторов именовать тяговым, даже если это - AGM общего назначения.   OPzS - аккумуляторы (трубчатые) в чём-то схожи с автомобильными. В них также применяется жидкий электролит, поэтому они требуют нечастого обслуживания, и не рекомендуются для установки в жилом помещении. По свойствам они конкурируют с гелевыми, очень выносливы в тяжёлых режимах эксплуатации, и имеют самый высокий заявленный срок службы - 15-20 лет. В России пока мало распространены, опыт их эксплуатации мало изучен. Цена примерно такая же, как у гелевых или немного дороже.

Кроме кислотных аккумуляторов могут быть применены щелочные. Никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы используются на железнодорожном транспорте. Практически совсем не боятся глубокого разряда и обладают рядом других преимуществ. Но требуют более тщательного обслуживания (по сравнению с автомобильными). Также им свойственен "эффект памяти", который, тем не менее, можно нейтрализовать при правильном заряде. Эти аккумуляторы считаются наиболее экологически вредными в ряду других. Ещё один недостаток - низкий кпд - около 50-60% против 70-85% у кислотных. То есть, для системы, где каждый ватт-час на счету, могут не подойти. Срок службы - до 20 лет. Новый щелочной аккумулятор покупать нецелесообразно (он значительно дороже гелевого кислотного). Но б/у аккумулятор при соблюдении правил эксплуатации послужит верой и правдой.  2. Номинальное напряжение в вольтах. Как правило, используются аккумуляторы с номинальным напряжением 12 В.   3. Ёмкость в ампер-часах. Теоретически, эта величина равна произведению тока, отдаваемого аккумулятором в нагрузку, на время его полного разряда в часах, при этом токе:  C = I_разр * t (где C - ёмкость аккумулятора в ампер-часах, I_разр - ток разряда в амперах, t - время разряда в часах).   Например, аккумулятор ёмкостью 60 А*ч теоретически может питать лампу накаливания, потребляющую ток 5 А в течении 12 ч.  Но на практике ёмкость аккумулятора зависит от режима разряда. Номинальная ёмкость, которая указывается на корпусе, рассчитана у кислотно-свинцовых батарей, как правило, на 20-часовой цикл разряда. То есть, для аккумулятора 60 А*ч это соответствует току 3 А.   При большем токе разряда реальная ёмкость оказывается заметно меньше, а при меньшем - больше. То есть, при токе в 15 А батарея ёмкостью 60 А*ч разрядится быстрее, чем за 4 часа, а при токе в 1 А будет работать дольше, чем 60 ч. Кроме того, ёмкость зависит от температуры (при температуре 0...+30 градусов аккумулятор работает оптимально), у автомобильных батарей с жидким электролитом - от уровня электролита, а также от других факторов. Также на её величину влияет режим заряда. В течении срока службы ёмкость аккумулятора снижается. И от того, как его эксплуатировать, зависит, каким будет срок службы.

Общее правило для всех кислотно-свинцовых аккумуляторов: они любят быть всегда заряженными по максимуму, и не любят подолгу быть в недозаряженном состоянии, и особенно - быть разряженными "в ноль", до полного истощения.  Номинальная ёмкость аккумулятора указывается из условия, что полный разряд - это разряд до напряжения 10.5 В (под нагрузкой 1/10 емкости, например 6 А для 60 А*ч аккумулятора). Если после этого нагрузку не отключить, аккумулятор будет продолжать отдавать ток, но в нём сильно ускорятся необратимые процессы деградации. Поэтому "выжимать" из аккумулятора всё, что он может - категорически нельзя! По этой же причине не следует подключать низковольтные потребители напрямую к батарее, а только через контроллер заряда, который предотвратит переразряд и вовремя отключит нагрузку.   На практике, ёмкость аккумулятора используют не полностью, чтобы таким образом продлить срок его службы. Обычно глубина разряда составляет от 50 до 80%, а иногда - 30%. Она определяется характеристиками контроллера заряда и инвертора, иногда её можно регулировать. Как выше говорилось, разные аккумуляторы в разной степени чувствительны к недозаряду. Но в любом случае, чем меньше их подвергать недозаряду, тем лучше они будут служить.

Степень заряда аккумулятора часто отображается контроллером. У автомобильных аккумуляторов её можно также при необходимости контролировать путём измерения плотности электролита ареометром во всех банках. Плотность 1.27 - 1.28 у нового аккумулятора соответствует 100% заряду (в процессе эксплуатации этот максимум может чуть-чуть упасть), а плотность 1.20 - 1.21 - 50% заряду.

У автомобильных аккумуляторов раз в 1-2 месяца необходимо проверять уровень электролита, и при необходимости доливать дистиллированную воду (не стоит её заменять "просто чистой водой", даже талой. Это может сказаться на ёмкости и кпд аккумулятора. А дистиллированная вода продаётся в каждом автомагазине и стоит совсем недорого). При длительном пренебрежении этой операцией верх пластин аккумулятора может оголиться, и там начнётся коррозия. Если вам приходится заряжать аккумуляторы зарядным устройством (от сети или бензогенератора и т.п), проследите, чтобы оно соблюдало корректный режим заряда. По мере заряда напряжение на аккумуляторе растёт, а ток уменьшается.  Ток в начале заряда рекомендуется равным 10% от ёмкости аккумулятора (6А для батареи 60 А*ч), и ни в коем случае не должен превышать 25%. Ускоренный заряд снижает ёмкость аккумулятора, а также может вызвать его перегрев, выкипание (у автомобильных), выход из строя клапанов или разрыв корпуса (у герметизированных).  Напряжение в ходе заряда не должно превышать 14.4 В (кроме процесса восстановления автомобильных аккумуляторов). Особенно неукоснительно это правило должно соблюдаться для AGM-батарей. Если же, напротив, к концу заряда тока уже почти нет, а напряжение не поднялось выше 13.5 В - значит, аккумулятор не будет заряжен полностью, и надо увеличить напряжение на зарядном устройстве. Как правило, заряд длится 12-14 часов. Автомобильные аккумуляторы иногда полезно подвергать восстановлению (десульфатизации). Это продлевает срок их службы и возвращает часть утраченной ёмкости. Правда, это требует контроля за процессом заряда. Перед зарядом следует проверить уровень электролита, и при необходимости долить дистиллированной воды. Пробки на время заряда оставляют открытыми. Сначала заряжают током не более 10% от ёмкости до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не поднимется до 14.4 В, затем уменьшают ток до значения не более 5% ёмкости и продолжают заряд и после того, как напряжение достигнет примерно 16-16.5 В (электролит будет интенсивно "кипеть"), заряжают ещё 2-3 часа и затем заряд прекращают. Дольше 3 часов продолжать десульфатизацию не рекомендуется: может произойти перегрев или выкипание электролита.  Десульфатизацию нельзя проводить в жилом помещении из-за обильного выделения вредных и взрывоопасных газов!

Итак, какой ёмкости выбрать аккумулятор? Чёткого и однозначного решения, какую ёмкость считать оптимальной для системы с данными характеристиками, быть не может.  Эмпирически, подходящая ёмкость лежит где-то в диапазоне от 50 до 200 А*ч на 100 Вт номинальной мощности солнечной батареи при номинальном напряжении 12 В (от 25 до 100 А*ч на 100 Вт при 24 В). Если ёмкость слишком мала, то при нескольких пасмурных днях подряд будут наступать "энергетические кризисы", а в солнечную погоду зарядный ток будет ограничиваться контроллером и/или самим аккумулятором, вследствие чего часть энергии, произведённой СБ, будет пропадать впустую.  Если ёмкость слишком велика, аккумулятор, возможно, никогда не будет успевать заряжаться полностью и, может быть, будет всегда балансировать в районе минимума своей заряженности. Это может повлечь быстрый выход из строя аккумулятора. Большая ёмкость оправдана только если выработка энергии солнечной батареей в среднем заметно превышает расход, и вы уверены, что ваш аккумулятор в солнечные дни благополучно заряжается до конца. Поэтому когда стоит выбор - потратить ли деньги на дополнительный аккумулятор или же на дополнительную солнечную панель - второе часто  предпочтительнее (если нет явных признаков нехватки ёмкости).

Часто для определения необходимой ёмкости батареи используют следующий расчёт: исходят из того, чтобы при пасмурной погоде энергии хватало на столько-то дней бесперебойной работы потребителей (для простоты здесь не учитывается, что и в пасмурную погоду СБ вырабатывает немного энергии):

C = n * W / (U_н* k_р),

где C - ёмкость аккумулятора, n - расчетное количество пасмурных дней подряд, W - дневная потребность в электричестве, U_н- номинальное напряжение системы, k_р - коэффициент глубины разряда аккумулятора.

Допустим, W = 264 Вт*ч (из примеров выше), n = 3, U_н = 12 В, k_р = 0.5. Тогда

С = 3 * 264 / (12 * 0.5) = 132 (А*ч).

Этот расчёт, как и другие - демонстрационный.  Итак, выбрана ёмкость. Если подобрать аккумулятор соответствующей ёмкости нельзя (например, С > 200 А*ч), ёмкость набирают из нескольких батарей, соединённых параллельно. А если напряжение системы 24 В, то, соответственно, используют одну или несколько пар аккумуляторов, соединённых последовательно-параллельно в полной аналогии с солнечными батареями (рис. 2) . При работе в системе 12 В общая ёмкость соединённых аккумуляторов равна сумме емкостей всех батарей; при работе в системе 24 В - в два раза меньше. В целом же, аккумуляторы для получения нужной ёмкости желательно приобретать меньшим числом, но большей ёмкостью каждый.  В системе 24 В аккумуляторы, составляющие пару, должны быть идентичны друг другу по типу и ёмкости, быть примерно одного возраста, и по возможности, одного производителя и одной модели. Перед соединением в пары они должны быть примерно одинаково заряжены. К аккумуляторам (или их парам), соединённым параллельно, предъявляются менее строгие требования. Они могут иметь и разную ёмкость, но желательно, чтобы они были одного типа. Нежелательно совместное использование новых батарей и батарей, выработавших свой ресурс, значительно потерявших ёмкость и т.п. В этом случае последние могут увеличить потери энергии в системе за счёт своего утраченного кпд.

Полезные ссылки по теме: http://www.kit-e.ru/articles/powersource/2004_4_62.php http://solarhome.ru/ru/batteries/