Разница в конструктиве свинцовых решеток батарей

Автомобильные батареи проектировались под задачу выдачи большого стартерного тока для запуска машины, в то время как подзарядка батареи может производиться только в течение промежутков времени, когда двигатель выдает необходимые обороты. Это требует использования большого числа тонких свинцовых решеток (~1-1,2мм) для увеличения общей площади химической реакции в батарее для максимизации пусковых токов. Более того, решетки автомобильных SLI батарей обычно изготавливаются из более пористого материала (переработанный свинец из старых батарей) опять же с целью увеличения площади химической реакции с электролитом.

Батарея с жидким электролитом (SLI-Starting, Lighting, Ignition)

В специализированных промышленных аккумуляторах для ИБП используются первичный чистый свинец и пластины толщиной 2-2,5мм, а также специальный сепаратор из стекловолокна. Это позволяет аккумулятору быть существенно более устойчивым к процессу коррозии, который является основой причиной разрушения и осыпания пластин. Конструктив AGM аккумулятора:

Перейдем к расчетам

Единственное специализированное исследование на тему использования автомобильных SLI аккумуляторов в системах резервного питания было проведено компанией C&D Technologies и в результатах представлен такой график:

Срок жизни автомобильных батарей в ИБП

Прежде чем начать расчеты отметим, что падение емкости аккумулятора ниже 80% от первоначального значения считается критичным, так как деградация свинцово-кислотного аккумулятора нарастает лавинообразно, именно поэтому ось ординат графика ограничена значением 80%. Исходные данные:

• Ожидаемый срок службы обычных малосурмянистых SLI-Sb аккумуляторов c жидким электролитом в ИБП составляет около 2,5 лет – 30месяцев. В эту же категорию отнесем гибридные SLI Sb/Ca аккумуляторы
• Автомобильные аккумуляторы с легированным кальцием пластинами SLI-Ca прослужат около 3,5лет – 42месяца.
• Специализированные аккумуляторы AGM VRLA UPS-Series – 120месяцев.

По каждому из этих типов мы выбрали аккумулятор на 100Ач из среднего ценового сегмента и свели в таблицу с расчётом стоимости владения:

• Tyumen Battery Standard 12В 100 Ач – 5200р.
• Medalist 60038 – 7400р.
• Delta HR 12-100 L – 19500р.

Сведем всё в таблицу:

Расчет показывает, что различия в стоимости владения каждым из типов аккумуляторов очень незначительны, но картину меняют дополнительные факторы, о которых ниже.

Обслуживание

Автомобильные аккумуляторы SLI с жидким электролитом при работе в системах ИБП требуют:

а) Периодического контроля и долива электролита

б) Систематического заряда специальным автомобильным ЗУ для восстановления плотности электролита и уравнительного заряда, т.к. стандартное напряжение заряда ИБП – 13,8В, а для автомобильных АКБ требуется 14,2-15В.  Это позволяет существенно снизить коррозию пластин из-за скопления кислоты в нижней части батареи.

Как показывает практика, эти требования выполняются редко, что приводит к сокращению срока службы автомобильного аккумулятора. Специализированные UPS аккумуляторы не требуют обслуживания в течение всего срока эксплуатации.

Надёжность

Как правило, система резервного питания обеспечивает электроэнергией ответственную нагрузку, отключение которой влечет за собой как минимум дискомфорт, а как максимум большие финансовые издержки. Ввиду этого, следует периодически проводить батарейные тесты для контроля надёжности бесперебойного питания. Для SLI аккумуляторов это следует делать более регулярно и внимательно, чем для специализированных АКБ, т.к. вероятность отказа ввиду конструктива у первых выше. Также замечу, что нижняя граница отключения большинства ИБП по разряду аккумулятора находится на отметке 10,5-10,8В. При такой глубине разряда автомобильный кальциевый аккумулятор (SLI -Ca/Ca) сразу может потерять около 50% емкости.

Безопасность

Аккумуляторы с жидким электролитом следует использовать в хорошо проветриваемом помещении, так как в процессе заряда выделяется взрывоопасный водород. В AGM аккумуляторах рекомбинация газов происходит внутри корпуса.

Выводы

В том случае, если необходимо обеспечить резервное электропитание с минимальным стартовым бюджетом для некритичных систем, то можно рассмотреть возможность использования автомобильных аккумуляторов с учетом их обязательного и системного обслуживания. Во всех остальных случаях мы рекомендуем использовать специализированные аккумуляторы UPS-серий проверенных марок, которые обеспечивают большую надежность, безопасность и в совокупности с отсутствием обязательного обслуживания обходятся дешевле.

Буду рад ответить на ваши вопросы!

Стоимость инверторной системы с гелевыми аккумуляторами “под ключ”

Для начала определимся с первоначальными инвестициями в  проект.

1. Инвертор российского производства МАП  Энергия PRO 6.0/48 – умеет по расписанию переходить на принудительную генерацию от батарей, а ночью заряжать аккумуляторы. – 78900р.
2. 8 бюджетных гибридных аккумуляторов GEL+AGM Delta GEL 12200 с увеличенным количеством циклов работы по 30400р. за шт.
3. Стеллаж, кабели для подключения, автоматы и байпас – около 20т.р. и монтажные работы около 30т.р.

Итого: 372 100р.

Сколько наша инверторная система сможет аккумулировать энергии?

При расчете систем для циклического режима работы обычно предусматривают глубину разряда аккумуляторов не более чем на 50% (DOD). Это связано с сильной зависимостью количества рабочих циклов от глубины разряда:

График цикличности бюджетных гелевых АКБ

Итак, при средней нагрузке 1000Вт при 50% DOD и учетом КПД инвертора система проработает в режиме генерации около 9 часов. Т.е. отдаст нам 9кВт*ч энергии, а это близко к значению среднего дневного потребления газифицированного коттеджа площадью 200-300 кв.м. В Московской области при двухтарифном счетчике стоимость 1кВт*ч составляет 4р. 47к. Итого: 9*4,47=40р. 23к. В месяц это около 1200р. Заметим, что кратное увеличение объема аккумулированной энергии приводит к пропорциональному наращиванию батарейного банка.

А что с затратами на заряд аккумуляторов?

Для подсчета объема энергии, необходимой на заряд нужно определиться с двумя КПД – зарядного устройства (потери на преобразование переменного напряжения в постоянный ток заряда) и КПД самого электрохимического процесса заряда. КПД ЗУ составляет около 80%, второго около 90% (при токе 0,1С). Итого мы имеем общий КПД – 72%. Возвращаем энергию в АКБ: 9кВт*ч/0,72=12,5кВт*ч заберем из сети на заряд. Ночной тариф – 1р.68к. – итого 12,5*1,68=21р. В месяц это 630р. Ниже производим все расчеты без учета амортизации инвертора.

Посчитаем экономический эффект

Разница между стоимостью полученной и затраченной энергией составляет в наших расчетах 570 рублей в месяц или 19рублей в сутки. В таком режиме работы наш гелевый аккумуляторный банк даст 700 циклов, а это означает, что произведение составит 19р.*700циклов=13300р. Стоимость нашего батарейного банка составляет: 30400р.*8шт.=243200р. Остаточная стоимость аккумуляторов при цене 40р. за кг:  40р*60кг*8=19200р. Итого убыток: 13300р. + 19200р. – 243200р. =  – 210 700р.

Хорошо, а если мы будем разряжать батареи не на 50%, а на 30%?

Количество рабочих циклов у нас в этом случае приближается к отметке в 1900. Посчитаем: 1кВт нагрузки продержим уже 5,5часов, а это означает: 5,5*4,43=24,4р. На заряд мы потратим 12,8р. Один цикл принесет нам 11р. 57к. Считаем: 11,57р.*1900циклов=21983р. Итого убыток: 21983р. + 19200р. – 243200р. =  – 202 017р. Уже лучше, но всё же весьма далеко даже от нулевой рентабельности даже без учета амортизации инвертора.

Посчитаем ещё одно интересное значение – стоимость запасенного кВт*ч без учета затрат на заряд: 5,5кВт*ч*1900циклов=10450кВт*ч. Разделим стоимость всего банка на эту сумму: (243200р.-19200р.)/10450=21,44р за кВт*ч. Именно при такой разнице в тарифах у нас достигается порог рентабельности.

А какая экономика с использованием карбоновых батарей?

Технология использования углерода в составе свинцового аккумулятора позволяет существенно снизить процесс сульфатации отрицательной и коррозию положительной пластин, что приводит к кратному улучшению показателя доступных циклов заряда-разряда:

Цикличность карбоновых батарей

Максимума в произведении отданной энергии на количество циклов достигается при 80% DOD. Для того, чтобы получить 9кВт*ч при указанной глубине разряда нам необходимо 8 АКБ по 140Ач, стоимость подобного батарейного банка составит около 336 000р.  На оплате за электричество мы сэкономим: 19р.*2600циклов=49400р. Итого с учётом остаточной стоимости АКБ: 49 400р. + (40р.*55кг*8) – 336 000р.= – 269 000р.

Общий объем запасенной энергии: 9кВт*ч*2600циклов=23400 кВт*ч. Порог рентабельности разницы в тарифах или стоимость запасенного кВт*ч: (336000-17600)/23400=13,60р.

А если использовать литиевые, в частности LifePO4 аккумуляторы?

Максимальная экономическая эффективность литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LifePO4) обеспечивается при 70% DOD, при этом мы получаем 7000 циклов. Плюс к этому КПД заряда получится около 76%. Посчитаем стоимость батарейного банка. Для генерации 9кВт*ч с учетом 70% DOD нам необходимо иметь совокупную емкость 1219Ач  – это приблизительно 8шт. АКБ по 150Ач. Стоимость подобного батарейного банка с BMS составляет около 485т.р. Генерация аналогичная – 40р. 23к., на заряд уйдет 20р. С учетом цикличности: (40,23-20)*7000=141 610р. Итого убыток: 141610р. – 485000р. =  – 343 390р.

Общий объем запасенной энергии: 9кВт*ч*7000циклов=63000 кВт*ч. Порог рентабельности разницы в тарифах: 485000/63000=7,70р за кВт*ч.

 Выводы

• При текущих тарифах на электричество запасать энергию в аккумуляторах по ночному дешевому тарифу, а тратить днем нецелесообразно при использовании батарей любого типа по причине их ограниченной цикличности, потерь на КПД заряда и амортизации инвертора.
• Для циклических режимов работы, которые характерны для автономного электропитания с использованием генераторов и/или альтернативных источников электроэнергии (солнечные панели, ветряки и т.п.) целесообразнее использовать аккумуляторы с литиевой технологией, но они требует заметно больших первоначальных затрат по отношению к гелевым или карбоновым аналогам.
• Для резервного электропитания объектов, в которых аккумуляторы находятся в буферном режиме экономически целесообразно использовать аккумуляторы AGM типа.

 Для экономии электроэнергии целесообразно сделать следующее:

• Провести аудит основных потребителей электричества в доме. Часто забытый включенный электрический теплый пол или какой-либо подогрев, неисправный насос и т.п. ощутимо увеличивают потребление. Для мониторинга удобно использовать амперметры/ваттметры после вводного автомата.
• Использовать энергосберегающие технологии в освещении и бытовую технику высокого класса энергоэффективности.
• Если отопление дома производится электричеством рекомендуем, во-первых, произвести обследование дома тепловизором на предмет утечек тепла, во-вторых, установить умный контроллер (например, EctoControl), который будет гибко управлять температурой в доме в зависимости от времени суток и дня недели.

• Использовать теплоаккумуляторы для нагрева теплоносителя по ночному тарифу.

С удовольствием ответим на ваши вопросы в комментариях!

Предлагаем вашему вниманию результат тестирования в режиме короткого разряда одной из моделей промышленных свинцово-кислотных AGM-батарей торговой марки ВОСТОК. Речь идет о модели СК-12100 номинальным напряжением 12В и ёмкостью 100Ач.

Для начала мы немного напомним о важности такого тестирования.

Короткий разряд – это интервал времени автономной работы, на который рассчитана система при подключенной нагрузке заданной мощности.

Собственно, это и является наиболее важным критерием в работе любого ИБП в сегменте корпоративного использования – при сбое питания от сети, электроснабжение всего резервируемого объекта (чаще всего – весьма энергоемкой серверной) «ложится на плечи» аккумуляторных батарей в составе ИБП.

В этом случае аккумуляторы питают объект в течение 10-20 минут. В этот промежуток времени нужно успеть произвести манипуляции по восстановлению электропитания от сети, или при невозможности такового –  по вводу источника гарантированного питания или корректному завершению рабочего процесса. Соответственно, чем больше времени аккумулятор способен выдавать необходимую мощность, тем больше этого времени будет для организации перечисленных действий.

Итак, приступим к тестированию.

Для этих целей использовался программируемый зарядно-разрядный шкаф (рис. 1) с рабочим диапазоном напряжений 1 – 200В, и максимальным током разряда 300А. Точность измерения напряжения и тока не хуже 10мВ и 5мА соответственно. Программно-аппаратный комплекс работает в полностью автоматическом режиме по задаваемой оператором программе с соблюдением параметров и ограничений для выполнения тестирования в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60896-21-2013.

Рис.1. Программируемый зарядно-разрядный шкаф MTL-TMA20V/300A*2 для тестирования аккумуляторов

Тестирование заключалось в проведении разряда батареи до конечного напряжения 1,8В/эл. током 147А при температуре окружающей среды 23⁰С. В соответствии с таблицей номинальных значений, приведенной в инструкции по эксплуатации (рис. 2), время разряда током такой величины для батареи СК-12100 должно составлять не менее 15 минут.

Рис. 2. Выдержка из инструкции по эксплуатации аккумулятора СК-12100

 Рис. 3. Результаты тестирования аккумулятора СК-12100 – разряд током 147 А

Разряд аккумулятора сопровождается постоянным мониторингом напряжения на его клеммах. Динамика снижения этого напряжения в ходе теста видна на графике (синяя линия на рис. 3). Поскольку батарея СК-12100 состоит из 6 элементов, финальным значением этого напряжения является 6*1,8 = 10,8В. По достижению этого значения, установка автоматически прекращает тестирование.

Из графика (рис.2) можно заключить, что разряд до установленного напряжения произошел за 20 минут 47 секунд, что полностью оправдывает ожидания относительно этой батареи и ее поведения в режиме короткого разряда.

Как видите, производитель аккумуляторов ВОСТОК не стремится «нарисовать» как можно более привлекательные значения – ему важно гарантировать выполнение заявленного времени автономной работы объекта.

Таким образом, аккумуляторная батарея Восток СК-12100 является надежным элементом системы бесперебойного питания. Смело выбирайте ее для применения на вашем объекте.