Влияние тока нагрузки на внутреннее сопротивление герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора автономной ФЭУ. 4/2020. Фото 1

Введение

Солнечная энергия обладает рядом несомненных преимуществ по сравнению с другими энергоносителями и источниками энергии. В первую очередь энергия Солнца экологически безопасна, поскольку при работе солнечная электростанция не выделяет в окружающую среду вредные вещества. В настоящее время прослеживается мировой тренд децентрализации энергетики. Уход многих потребителей от исключительно централизованного энергоснабжения — общемировая тенденция. Для удовлетворения их потребностей в последние годы разработан целый ряд эффективных энерготехнологий, которые позволяют потребителям электроэнергии создавать собственные генерирующие установки, успешно конкурирующие с централизованным производством электроэнергии[1].

23 января 2015 года вышло Постановление Правительства РФ от 23 января 2015 года №47-ПП «О внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации по вопросам стимулирования использования возобновляемых источников энергии на розничных рынках электрической энергии». С этого момента в стране заработал розничный рынок электроэнергии и мощности, полученной от возобновляемых источников.

Основными элементами автономных фотоэлектрических установок являются: солнечные модули, аккумуляторные батареи (АКБ), инверторы, а также контроллеры заряда/разряда АКБ [2]. Аккумуляторные батареи служат для накопления и хранения электрической энергии, получаемой от солнечных модулей. При этом аккумулятору приходится работать в так называемом «циклическом режиме»: днём — заряд, вечером и ночью — максимально возможный разряд.

Аккумуляторы, применяемые в различных энергетических системах, различаются по номинальному напряжению, номинальной ёмкости, габаритам, типу электролита, ресурсу, скорости заряда, стоимости и рабочему диапазону температур. К аккумуляторам фотоэлектрических систем предъявляются повышенные требования по цикличности (количество выдерживаемых циклов «заряд-разряд»), саморазряду, диапазону рабочих температур и минимальному обслуживанию [3].

За последние годы разработка и производство солнечных модулей достигли высоких результатов. Так, КПД солнечных модулей с каких-то 5–7% поднялся до 14–18%, а у современных отечественных, выпускаемых Новочебоксарским заводом солнечных модулей — до 22,5%, а в сборке — до 18%. Также стоит отметить и значительное увеличение срока их эксплуатации (до 25 лет) [4].

В связи со значительным снижение цен на солнечные модули АКБ стали самым дорогостоящим элементом СЭС. Первоначальная стоимость АКБ достаточно велика и к тому же они имеют небольшой срок эксплуатации (до 12 лет). Из этого следует, что нужно обращать особое внимание на выбор АКБ, а также последующую правильную их эксплуатацию. Обычно в документации к АКБ производители указывают срок службы в буферном режиме и при идеальных условиях эксплуатации (температура +20°C, редкие неглубокие разряды, постоянный оптимальный заряд). Даже в резервной системе такие условия обеспечить нелегко.

В автономном режиме картина совершенно иная: непрерывно-циклический режим «заряд-разряд» обеспечивает ещё более тяжёлые условия работы аккумуляторной батареи.

Одним из важных факторов, существенно влияющих на ресурс АКБ, используемых в автономных фотоэлектрических установках, является высокая температура при эксплуатации. Оптимальная для аккумулятора температура составляет 20–25°C. При температуре +35°C ресурс аккумулятора уменьшается в два раза [3].

Основная часть

Производители свинцово-кислотных аккумуляторов утверждают, что рекомендуемый диапазон эксплуатации АКБ составляет 22 ± 1°C. Высокая температура (более +30°C) значительно сокращают срок службы аккумуляторов. Повышение температуры до +60°C является недопустимым. Это многократно сокращает срок службы. Желательно избегать эксплуатации аккумуляторов при температуре свыше +45°C.

Влияние тока нагрузки на внутреннее сопротивление герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора автономной ФЭУ. 4/2020. Фото 2

В связи с изложенным возникает необходимость в разработке модели влияния температуры на долговечность и качество работы АКБ автономных фотоэлектрических установок.

В качестве примера в настоящей работе был рассмотрен герметизированный cвинцово-кислотный аккумулятор Delta GX 12–40 напряжением 12 В и ёмкостью 40 А·ч, изготовленный по технологии GEL (композитный гель вместо электролита). Данный вид АКБ устойчив к глубоким разрядам. Корпус изготовлен из негорючего ABS пластика. Срок службы аккумулятора достигает 15 лет.

Герметизированные аккумуляторы гелевого типа предназначены для работы как в режиме постоянного подзаряда (буферный режим), так и в режиме «разрядзаряд» (циклический режим).

Для построения модели влияния температуры на долговечность и качество работы АКБ возникает потребность в экспериментальном определении значений внутреннего сопротивления аккумулятора. Условно, можно представить аккумулятор в виде двухполюсника с ЭДС E и внутренним сопротивлением Rвт.

На рис. 1 представлена схема подключения аккумулятора под нагрузкой.

Влияние тока нагрузки на внутреннее сопротивление герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора автономной ФЭУ. 4/2020. Фото 3

При этом предполагается, что часть ЭДС аккумулятора падает на нагрузке, а другая часть — на внутреннем сопротивлении аккумулятора:

E = (R + Rвт)I.(1)

где E — ЭДС; Rвт — внутреннее сопротивление АКБ; R — сопротивление нагрузки; — ток нагрузки. 

Напряжение на нагрузке:

U = RI = E — RвтI. (2)

Аккумулятор является принципиально нелинейным устройством и его внутреннее сопротивление не остаётся постоянным, а изменяется в зависимости от нагрузки, заряженности аккумулятора и многих других параметров:

Rвт = (E — U)/I. (3)

В настоящей работе проведено экспериментальное исследование зависимости внутреннего сопротивления Rвт от тока нагрузки I.

Экспериментальные значения внутреннего сопротивления герметизированного cвинцово-кислотного аккумулятора Delta приведены в табл. 1.

Влияние тока нагрузки на внутреннее сопротивление герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора автономной ФЭУ. 4/2020. Фото 4

В результате данного проведённого экспериментального исследования была построена зависимость внутреннего сопротивления аккумулятора от тока нагрузки (синяя линия на рис. 2).

Влияние тока нагрузки на внутреннее сопротивление герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора автономной ФЭУ. 4/2020. Фото 5

Полученная зависимость является нелинейной. С ростом тока нагрузки внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи снижается.

Также проведена аппроксимация полученной зависимости.

Согласно [5] полиномиальная аппроксимация является одним из наиболее распространённых способов аппроксимации. Заключается в представлении нелинейной характеристики в виде полинома (многочлена) n-й степени.

Функция, описывающая данный вид сглаживания, выглядит таким образом:

y = a1 + a1x + a2×x² + … + anxn. (4)

Посредством использования электронных таблиц MS Excel уравнение зависимости внутреннего сопротивления аккумулятора от тока нагрузки принимает следующий вид:

Rвт = 0,052I2–0,3637I + 0,09013. (5)

На рис. 2 красной линией показана нелинейная характеристика, построенная при использовании полиномиальной аппроксимации.

Коэффициент достоверности аппроксимации зависимости внутреннего сопротивления аккумулятора от тока нагрузки составил 0,9995, что подтверждает высокую точность аппроксимации.

Влияние тока нагрузки на внутреннее сопротивление герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора автономной ФЭУ. 4/2020. Фото 6

Заключение

В связи со значительным снижение цен на солнечные модули, АКБ стали самым дорогостоящим элементом СЭС. Первоначальная стоимость АКБ достаточно велика и к тому же они имеют небольшой срок эксплуатации по сравнению с солнечными модулями. Поэтому надо обращать особое внимание на выбор АКБ и на последующую правильную их эксплуатацию. Показано существенное сокращение срока службы АКБ с ростом температуры. Проведено экспериментальное определение значений внутреннего сопротивления герметизированного cвинцово-кислотного аккумулятора Delta для автономных фотоэлектрических установок. Построена зависимость внутреннего сопротивления аккумулятора от тока нагрузки. Проведена аппроксимация полученной зависимости. Вид данной характеристики подтверждает нелинейность внутреннего сопротивления.

Полученная зависимость внутреннего сопротивления аккумулятора от тока нагрузки Rвт(I) в дальнейшем будет использована для построения модели температурных режимов АКБ.