Основными условиями по выбору аккумуляторов являются:
- стойкость к циклическому режиму работы;
- способность выдерживать глубокий разряд;
- низкий саморазряд;
- некритичность к нарушению условий зарядки и разрядки;
- долговечность;
- простота в обслуживании.
Важный параметр переносных (или периодически демонтируемых) солнечных систем - компактность и герметичность. Этим требованиям в полной мере удовлетворяют аккумуляторы, выполненные по технологиям "dryfit" и AGM (абсорбированный электролит) или рекомбинационной технологии. Они характеризуются отсутствием эксплуатационных затрат и перекрывают диапазон емкостей 1...12 000 Ач. Выделяющиеся при зарядке газы не выходят из аккумулятора, поэтому электролит не расходуется и обслуживание не требуется.
Для получения необходимого рабочего напряжения аккумуляторы или аккумуляторные батареи соединяют последовательно. При этом:
- применяют аккумуляторы только одного типа, выпущенные одним производителем;
- используют все аккумуляторы одновременно, не делая отводов от отдельных частей;
- не соединяют аккумуляторы в одну группу с разницей в дате выпуска более чем на месяц;
- обеспечивают разницу температур отдельных аккумуляторов не более 3°С.
Для продления срока службы аккумуляторов при циклическом режиме работы в солнечных системах важно не допускать и глубокого разряда. Степень разряда характеризуется глубиной разряда, выражаемой в процентах от номинальной емкости аккумулятора. Эксплуатация аккумуляторов при глубоком разряде приводит к необходимости их более частой замены и обслуживания - и, соответственно, к удорожанию системы. Глубину разряда аккумуляторов в солнечных системах стремятся ограничить на уровне 30...40%, что достигается отключением нагрузки (снижением мощности) или использованием аккумуляторов большей емкости. Поэтому, для управления процессом зарядки в состав солнечной электрической станции обязательно включают контроллеры зарядки разрядки аккумуляторной батареи. Для подбора количества и типа аккумуляторов используют два параметра: конструкция инвертора (напряжение на низкой стороне) и ток зарядки, который может поступать от нескольких источников и не должен превышать 10 % от номинальной емкости для кислотных аккумуляторов и 25-30% от номинальной емкости для щелочных. Если в инверторе имеется зарядное устройство от сети, то оно должно автоматически регулировать зарядный ток в зависимости от степени заряда аккумуляторов. К необходимым свойствам аккумуляторов, применяемых в солнечных системах, необходимо отнести и низкий уровень саморазряда. Обычный кислотный аккумулятор требует подзарядки не реже чем один раз в 6 месяцев иначе выходит из строя, через год после начала эксплуатации уровень саморазряда обычного кислотного аккумулятора достигает 1,5% в день от его номинальной емкости. Поэтому к аккумуляторам, применяемым в солнечных системах, предъявляются специфические требования. Для систем автономного электроснабжения НЕЛЬЗЯ использовать "автомобильные" аккумуляторы или аккумуляторы, не имеющие глубокого цикла !!! Для работы в автономных системах используются специальные аккумуляторные батареи со сроком службы до 10 и более лет.
|
|
Эксплуатационные ограничения.
|
|
Аккумулятор во время эксплуатации должен постоянно находиться в состоянии, при котором его напряжение не превышает 3,7 В и не опускается ниже 2,5 В.
Аккумулятор во время эксплуатации не должен длительно находится в полностью заряженном состоянии. Рекомендуется эксплуатировать аккумулятор в диапазоне заряда-разряда 20 - 90 %.
Запрещено длительно (более 1 ч) хранить аккумуляторы в разряженном состоянии (глубина разряда 90 - 100%).
Запрещено заряжать аккумулятор выше напряжения 3,7 В, и токами, превышающими установленные изготовителем значения. Необходимо исключить внешнее короткое замыкание аккумуляторов или батарей в процессе эксплуатации.
Необходимо исключить перегрев аккумуляторов в процессе эксплуатации, хранения и транспортировки (температура на клеммах аккумулятора не должна превышать плюс 50 °C при эксплуатации и 30 °C при хранении и транспортировке).
Необходимо исключить прямое попадание влаги на аккумуляторы.
Особенности работы аккумуляторов в составе аккумуляторной батареи.
Эксплуатация аккумуляторов в составе батареи без системы контроля и управления (BMS) не допускается.
СКУ должна выполнять следующие функции:
- измерение напряжения на каждом аккумуляторе;
- измерение температуры на каждом аккумуляторе;
- измерение зарядного/разрядного тока батареи;
- выравнивание (балансировку) напряжений на аккумуляторах соединенных последовательно при заряде батареи;
- отключение батареи от нагрузки при напряжении на любом аккумуляторе ниже 2,5 В и от зарядного устройства (ЗУ) при напряжении на любом аккумуляторе выше 3,7В, при температуре любого аккумулятора выше 600С, при превышении тока короткого замыкания, протекающего через батарею выше 5СН.
|
|
Напряжение заряда аккумуляторной батареи определяется по формуле:
где: 
– напряжение заряда батареи;
– среднее напряжение заряда отдельного аккумулятора;
N – количество аккумуляторов в батарее;
Особенности работы аккумуляторной батареи в режиме поддерживающего заряда.
Заряд отдельных аккумуляторов производить от специального зарядного устройства (ЗУ) в режиме постоянного тока (номинальный ток заряда Iн=0,2Сн) до достижения конечного напряжения заряда Uакк, далее в режиме постоянного напряжения до достижения тока заряда 0,2Iн. Необходимо контролировать полярность подключения аккумуляторов и напряжение на аккумуляторе. Конечное напряжение заряда отдельного аккумулятора не должно превышать 3,7 В. Для заряда батареи рекомендуется использовать ЗУ, обеспечивающее минимальный уровень пульсации тока. Рекомендуемый уровень пульсации – не более 5А на 100Ач емкости аккумуляторной батареи. Рекомендуемое напряжение заряда на входных клеммах аккумуляторной батареи – 3,38 В. Рекомендуемое напряжение поддерживающего заряда на входных клеммах аккумуляторной батареи – 3,35 – 3,36В. Примечание: уровни напряжения указаны для температуры окружающей среды 
Особенности работы аккумуляторной батареи в режиме циклирования.
Максимальный эксплуатационный ресурс батареи при циклировании достигается при следующих параметрах:
- диапазон заряда-разряда: 20 - 90 %;
- температура окружающей среды: ;
- номинальный ток заряда и разряда: 0,2С;
Длительное нахождение аккумуляторной батареи в полностью разряженном состоянии не допускается;
Длительное нахождение аккумуляторной батареи в полностью заряженном состоянии (100%) не рекомендуется;
Тип преобразовательного устройства должен быть согласован с производителем батареи.
Ресурс аккумулятора.
Ресурс аккумулятора при рекомендуемых условиях эксплуатации существенно зависит от глубины разряда и составляет:
- при глубине разряда более 90 % (нештатный режим) - не нормируется (справочно 900 – 1500 циклов заряда/разряда);
- при глубине разряда 80 % - не менее 3000 циклов заряда/разряда;
- при глубине разряда 70 % - не менее 5000 циклов заряда/разряда.
При глубине разряда 5-25 % срок службы составляет 15-25 лет при эксплуатации в рекомендуемых температурных условиях, а также при давлении 101,3 кПа, влажности не более 60 % и отсутствии вибрации и механических ударов. Эксплуатация аккумуляторов при глубине разряда 90-100% и температуре ниже минус 20 °С и выше плюс 40 °С приводит к снижению ресурса аккумуляторов на 30-80%.
Определение емкости аккумуляторной батареи.
Емкость аккумулятора указывается в ампер-часах. К примеру, аккумулятор на 100 А·ч и 12 В может сохранять 1200 Вт·ч (12 В x 100 А·ч).
Наша система потребляет в день 48кВт*ч. Чтобы аккумуляторы не заряжать на все 100% и чтобы он никогда не разряжался полностью к этой цифре нужно прибавить ещё 50%. Она может стать меньше, в зависимости от времени работы ДЭС и времени заряда/разряда. Пример: допустим оптимальным временем заряда АКБ составит 6-10 часов, следовательно время разряда будет 18-14 часов. Необходимо запасти уже не на 48кВт, а 36-28кВт. Следовательно с учетом одновременно работы на систему и для того чтобы запасти энергию необходимая мощность составить 42кВт*ч в сутки в обоих случаях и при 12В и при 3,2В. Следовательно, мощность ДЭС составит 6,2кВт, но мы знаем (см. ниже), что ДЭС выбираются на 75% от номинальной мощности. Следовательно рекомендованная мощность ДЭС составит 7,75кВт.
Давайте так же проработаем вариант с литий-ионными аккумуляторам с временем заряда в 3 часа и чтобы система проработала 8 часов. А это 16кВт*ч, к этому прибавим 20% и получим 19,2кВт*ч. Следовательно, мощность ДЭС будет огромной, чтобы за три часа запасти 19,2кВт*ч. Рекомендованная мощность ДЭС составить 10,5кВт (при 75% от полной мощности).
Количество элементов.
Хотя выше приводились примеры, о том, что нельзя применять «автомобильные» аккумуляторы, из-за требований систем ВИЭ по причине глубокой разрядки. Мы не будем разряжать аккумуляторы полностью, до 40-20% и у нас есть гарантированный источник энергии (ДЭС). И применим AGM аккумуляторы по соображениям доступности на рынке, что положительно скажется на ремонтопригодности и надежности работы системы.
Таблица 15 – Типовые аккумуляторы на рынке.
| Аккумулятор | Разрядная емкость, Ач | Цена |
| Varta Silver Dynamic AGM 60 | ||
| Varta Silver Dynamic AGM 70 | ||
| Varta Silver Dynamic AGM 80 | ||
| Varta Silver Dynamic AGM 95 | ||
| Varta Silver Dynamic AGM 105 | ||
| Bosch S5A AGM 60 | ||
| Bosch S5A AGM 70 | ||
| Bosch S5A AGM 80 | ||
| Bosch S5A AGM 95 | ||
| Bosch S5A AGM 105 | ||
| HZB12-110 | ||
| HZB12-120 | ||
| HZB12-135 | ||
| HZB12-150 | ||
| HZB12-160 | ||
| HZB12-200 | ||
| HZB12-230 |
Если для АКБ мы возьмем аккумулятор на 60 А*ч, то по приблезительным расчетом количество элементов составит 100. А если на 230 А*ч, то 26 элементов. Подключая их параллельно или последовательно мы можем на выходе получить нужное нам напряжение, см. рис.10.
Рис.10 – Соединение аккумуляторных батарей.
а-параллельное; б – последовательное.
В случае применения литий-ионных аккумуляторов, возьмем типовые аккумуляторы от «лиотех».
Таблица 16 – Литий-ионные аккумуляторы от Лиотех.
| Тип ЛИА | Номинальное напряжение, В | Номинальная емкость, Ah | Удельная энергия Вт*ч/кг / Вт*ч/л | Масса, кг, не более | Цена (с учетом НДС 18%), руб. | |
| LT–LFP 200P | 3,2 | 66 / 99.2 | 9,95 | 14 000 | ||
| LT–LFP 240P | 3,2 | 79.2 / 119.1 | 9,95 | 16 800 | ||
| LT–LFP 300P | 3,2 | 80.5 / 126.1 | 14,80 | 21 000 | ||
| LT–LFP 380P | 3,2 | 82.2 / 132.2 | 14,80 | 26 600 | ||
| LT–LFP 700P | 3,2 | 84.5 / 140.2 | 26,50 | 49 000 | ||
| LT–LFP 770P | 3,2 | 93 / 154.2 | 26,50 | 53 900 |
Из расчетов выше, мы знаем, что нам необходимо запасти 19,2кВт энергии. Для повышения надежности целесообразно подключать элементы параллельно, так в случае повреждения одного элемента, другие будут работать исправно. Но тут возникают большие токи, которые приводят к увеличению площади сечения проводников. Гораздо выгодней передавать мощность при высоком напряжении, тогда и ток и омические потери будут меньше.
По этой причине мощные источники бесперебойного питания используют батареи последовательно соединенных аккумуляторов на общее напряжение в несколько десятков вольт, а не параллельную цепь на 12 вольт. Чем выше напряжение источника, тем выше КПД преобразователя.
Наиболее целесообразней работать с 110 или 96 вольтами.
Если мы подключим 30 элементов последовательно, то на выходе получим 96В. При нашей мощности 19,2кВт и напряжении 96 рекомендованная емкость составит 200А*ч (19200/96=200). Т.е. это 30 батарей LT–LFP 200P при общей стоимости 420 000р.
Если мы подключим 30 элементов последовательно и объединим в три параллельных контура (90 элементов), то на выходе получим 96В. Чтобы получить на выходе 200А*ч, нам необходимы батареи по 66А*ч (ближайший по номиналу 70А*ч). Типовой на рынке аккумулятор SE70AHA с ценой 5073р за штуку и общей стоимостью 456 570р.
Если мы подключим 30 элементов последовательно и объединим в пять параллельных контуров (150 элементов), то на выходе получим 96В. Чтобы получить на выходе 200А*ч, нам необходимы батареи по 40А*ч. Типовой на рынке аккумулятор GWL/Power SP-LFP40AHA - Lithium Cell LiFePO4 (3.2V/40Ah) с ценой 2679р за штуку и общей стоимостью 401 850р.
Как уже было отмечено выше, рекомендованное напряжения для каждого типа аккумуляторов приводиться в мануале, но оно не должно превышать 3,7В, а это 111В на клеммах ЗУ.
Выбор оборудования ДЭС
Дизельные электростанции в гибридных системах электроснабжения выполняют важнейшие функции гарантированного источника питания. Кроме того, в зависимости от структуры ветро-дизельного энергетического комплекса, он может выполнять буферные функции, компенсируя пульсации мощности ВЭС. Исходя из необходимости обеспечения потребителей электроэнергией в любых ситуациях выбор числа и мощности дизель-генераторов следует проводить с учетом следующих требований:
1. Суммарная мощность агрегатов должна быть на 25% больше суточного максимума нагрузки: 
2. Для удобства обслуживания, желательно выбирать ДЭС одинакового типоразмера.
3. Загрузка дизель-генераторов должна находиться в пределах 25-80% относительно номинальной.
4. Количество дизельных электроагрегатов должно быть избыточным для обеспечения возможности вывода из работы агрегатов для сервисного обслуживания, текущего и капитального ремонтов.
5. Условие эксплуатации дизельных электростанций должны соответствовать климатическим характеристикам местности.
Для анализа технико-экономических показателей ДЭС необходимо оценивать зависимость расхода топлива дизель-генератора от степени его загрузки.
На основе линеаризации расходных характеристик дизельного двигателя можно использовать приближенную формулу для определения удельного расхода топлива на генерирование 1 кВтч электроэнергии:
где G1, Gн – фактический и номинальный расход топлива (для большинства двигателей мощностью десятки-сотни кВт Gн=230-250 г/кВтч);
P1, Pн – фактическая и номинальная мощность ДЭС; Kхх – коэффициент, характеризующий топливопотребление дизеля на холостом ходу (Kхх~0,3).
Зная удельное потребление дизеля для соответствующего режима нагрузки и объем произведенной электроэнергии можно определить количество израсходованного топлива за рассматриваемый период времени:
где W- энергия, произведенная за день, месяц, год.
Как уже не раз писалось выше, мы приняли за нашу суммарную нагрузку 2кВт, с учетом катодной защиты (1,2кВт) и собственных нужд. Позднее это значение изменяться, когда будут известны более точные данные.
Как видно из графика на рис.8 наибольший пик выработки мощности приходится на весенний период, а наименьший на зимний. Так же на зимний период, приходиться максимальное потребление мощности на обогрев, следовательно необходимо подобрать более мощный дизельгенератор. Так же ДЭС должна помимо зарядки аккумуляторных батарей параллельно питать нагрузку в течении периода подзарядки. Пик работы ДЭС будет приходиться на зимний период.
При выборе АКБ мы выяснили, что для свинцово-кислотных аккумуляторов в самой худшей ситуации при непогоде или поломках ВЭУ и СЭС оптимальным временем заряда АКБ составит 10 часов, следовательно время разряда 14 часов. Необходимая мощность уже составит не на 48кВт, а 42кВт. Следовательно рекомендованная мощность ДЭС составит 7,75кВт для свинцово-кислотных и 10,5кВт для литий-ионных аккумуляторов. Для повышения надежности и увеличения моторесурса возможно также применить два дизельных генераторов
Для наших условий подойдут следующие дизельные генераторы (см. таблицу 17).
Таблица 17 –ДЭС с 250 и 500 часами до ТО.
| Наименование ДЭС | Выходная мощность, кВт | Потребление топлива при 100 / 75% нагрузке (л/ч) | Цена, р |
| Дизельный генератор Rid 10 E-Series | 2.4 (при 75%) | 460 950 | |
| Газовый генератор Generac 7044 (6269/5914) (220В) на 8 кВт | Пропан (2,8 кг) Метан (3,36 м. куб.) | 300 000 | |
| Дизельный генератор INMESOL AAD-014 (14 кВА) | 11,2 | 3,6 /2,8 | 571 550 |
| БМЕ-ДИЗЕЛЬ - АД10С-Т400-2РП (Двигатель Deutz F2M2011) | 3.71 (при 100%) | - | |
| Дизельная электростанция Inmesol AD 022 / ID 022 (16 кВт) (Двигатель Deutz F3M2011) | 5,2/3,9/2,6 (при 50%) |
Или взять ДЭС от Inmesol с двигателем Deutz на 14кВт с 1000 часами до ТО.
Выбираем выпрямители, инверторы, стабилизаторы и контроллеры заряда ( первые наброски ).
Согласно структурной схеме на рис.4 нам необходим один выпрямитель с 220 вольт переменного на 110 вольт постоянного тока. Предварительно выберем выпрямитель AC/DC 220/110 PSR327 HV 3U (https://www.ups-online.ru/acdc/rectifier-110/vipryamitel-ac-dc-220-110-psr327-hv-3u-blok-pitaniya-postoyannogo-toka-napryazheniem-110vdc-8kw.html). Если мы возьмем трехфазный дизельный генератор, то ИПС 9000-380/110В-90А-3U (https://www.vorpost.ru/tovar.php?tovar=472), цена 145 140 руб.
Дубль рис.4.- Гибридный энергетический комплекс с шиной постоянного тока.
ДЭС-дизельная электростанция, ППЭ-преобразователь первичного энергоресурса,
В/П-выпрямитель или преобразователь напряжения, АКБ-аккумуляторная батарея,
И-инвертор, Н-нагрузка
Так же нам необходимо преобразующие устройство с 12В постоянного тока в 110 для СЭС. Максимально СЭС способна выдать в летний период около 700Вт*ч. Мы можем взять инвертор 12VDC/110VAC (https://ru.aliexpress.com/item/Car-Style-1500W-WATT-DC-12V-to-AC-110V-Portable-Car-Power-Inverter-Charger-Converter-Transformer/32648348371.html?spm=a2g0v.search0304.4.9.UMNJHT) за 1710р. И на на выходе поставить выпрямитель на подключение к шине. Тут надо уточнить, на какое напряжение мы будем подключить солнечные батареи. Если мы подключить солнечные панели в 110 вольт, то можно использовать стабилизатор напряжения на 110В постоянного тока.
Так же можно использовать шину постоянного тока на 220В (рис 11), так как тяжело найти оборудование на 110В.
Рис 11 - Гибридный энергетический комплекс с шиной постоянного тока на 220В.
Тогда для ДЭС выпрямитель ТВН-3-220-40, цена 15000р.
Для СЭС преобразователь (https://ru.aliexpress.com/item/inverter-12-220-DISPLAY-Pure-Sine-Wave-Power-Inverter-1500W-1-5KW-1500-WATT-DC-12v/32496226297.html?spm=2114.41010708.4.15.wZmOO9), цена 10813р. И на выходе посадим выпрямитель на 220AC/220DC (https://newet.ru/catalog/s_vykhodnym_napryazheniem_220_v_4/konvertor_dc_dc_220_220b_5a_2u/) с ценой 35754р.
В качестве ЗУ используем контроллер заряда (https://ru.aliexpress.com/item/100A-Solar-Charge-Controller-110V-or-120V-Battery-Regulator-100A-for-12KW-PV-Panels-Modules-LED/32257827659.html?aff_platform=aaf&cpt=1505292453077&sk=ma2rJeA&aff_trace_key=21813af60ae4468485b1b4dc358c6803-1505292453077-00127-ma2rJeA&terminal_id=abda6c9e7b4f4da9acdf8c0e5ff28dbf) с ценой 18 993р или https://ru.aliexpress.com/item/100A-110V-PWM-Solar-Charge-Controller-Regulator-with-LCD-LED-RS232-for-Communication/32219444782.html?spm=a2g0v.search0305.4.4.4rwvEW) с ценой 21827р.
Для ВЭУ 5 /7 KW-48V LOW WIND на выходе мы имеем 48В, но тут возможно напрямую выпрямлять от генератора с постоянными магнитами, 3 фазы, переменный ток используя ИПС-9000-380/220B-45A-3U (https://newet.ru/catalog/s_vykhodnym_napryazheniem_220_v_2/vypryamitelnaya_sistema_ips_9000_380_220b_45a_4u/) с ценой 145 140р.
В качестве инвертора для нагрузки возьмем 4 или 6 модуля DC/AC INV222-220/220 для сборки трехфазной инверторной системы (https://www.ups-online.ru/dcac/invertor-220/dc-ac-invertor-220-220-acr-inv222-preobrazovatel-postoyannogo-napryazheniya-220v-v-peremennoe-220v.html) с ценой или из 4-6 инверторов DC/AC-220/220В-3000ВА-2U-P (https://www.rus-telcom.ru/catalog/ibep/invertor/invertor_220_220/dc_ac_220_220v_3000va-2u-p.html) с ценой 57 908 за штуку.