Автономный дом – аккумуляторные батареи и инверторы (часть первая)

Обойтись без дополнительного оборудования при эксплуатации автономных источников генерации электроэнергии можно, если мощность потребителей не превышает 100 Вт (в случае с генераторами из области альтернативной энергетики) или воспользоваться подключенными напрямую дизельными или бензиновыми генераторами. При этом маломощная техника будет запитана лишь при условии достаточных ресурсов первичной энергии – если ветер ослабеет или небо затянет тучами, то генерация электроэнергии многократно снизится, если не прекратится вовсе. Первый шаг в деле обеспечения постоянства электроснабжения от генераторов, работающих на возобновляемых ресурсах – аккумуляторные батареи (источники бесперебойного питания)

Кислотные аккумуляторные батареи

Первое, что приходит на ум при слове «аккумулятор» - автомобильная аккумуляторная батарея. Стартерные свинцово-кислотные АКБ (на английском Sealed Lead Acid Battery) устроены просто, стоят дешево (12 В модели емкостью 100 А•ч – порядка 4800 руб.) и служат не более 4-х лет. Подразделяются на обслуживаемые и необслуживаемые, первые требуют пополнения уровня дистиллированной воды не реже одного раза за год, вторые после критической потери жидкого содержимого – испаряется через выпускной клапан при перезаряде высокими токами, либо напряжением – утилизируются. Обслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы способны выдержать 100 циклов 80% потери заряда, не обслуживаемые «живут» вдвое дольше в аналогичных условиях (около 200 циклов) Помимо низкой стоимости свинцово-кислотные ИБП обладают еще одним веским достоинством – нет «эффекта памяти», т.е. периодичность и степень зарядки не влияют на их емкость.

Следующий тип свинцово-кислотных аккумуляторов выполняется по технологии Absorbent Glass Mat (AGM). Они необслуживаемые, содержат электролит в виде адсорбента, насыщающего маты из стекловолокна. Внутреннее пространство аккумуляторной батареи AGM разделено на секции при помощи стенок из микропористого пластика. Обладают наиболее высоким числом циклов при 80% разряде – порядка 400, но плохо воспринимают перезаряд. Средняя стоимость моделей с напряжением 12 В и емкостью 100 А•ч – 9000 руб.

В необслуживаемых Gelled Electrolite АКБ кислотный электролит сгущен путем ввода силикатного геля. Желеобразное состояние электролита снижает испаряемость кислорода и водорода, получаемых в результате электролиза – они образуют воду и возвращаются обратно в электролит. Сепарация электролита производится при помощи дюропластика с множеством микропор. Gel-аккумуляторы рассчитаны на 400-450 циклов разрядов на 75-80%. В силу большей плотности электролита негативно реагируют на перезаряд, теряя воду. Нуждаются в точном соответствии напряжения и зарядных токов заданным в паспорте. Цены на 12 В гелевые ИБП емкостью 100 А•ч – около 9000 руб.

По сравнению со стартерные автомобильными АКБ, при простое самостоятельно разряжающимися на 1% в сутки, кислотные модели типов AGM и Gel саморазряжаются не более чем на 1-2% за 30 дней.

Наиболее качественными кислотными ИБП являются панцирные аккумуляторы, содержащие трубчатые электроды и пластины, выполненные в виде решетки. Каждый элемент трубчатой плиты из сплава свинца (чистота 99,9%) с двухпроцентной сурьмой помещается в стержень из полимера, непроницаемого для кислоты. Gel-аккумуляторы, содержащие панцирные пластины (маркируются PzV), держат около 1000 циклов при разряде 80%. Расценки на банки напряжением 2 В и емкостью 250 PzV составят в среднем 14000 руб.

Щелочные источники бесперебойного питания

Среди щелочных аккумуляторных батарей владельцам электрогенераторов из области альтернативной энергетики наиболее интересны никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металл-гидридные (Ni-MH) типы.

Никель-кадмиевые ИБП, при соблюдении условий эксплуатации, способны выдержать от 1000 и более циклов при 100% разряде. Для ламельных аккумуляторов NiCd срок службы более 20 лет вполне нормален. Достоинства никель-кадмиевых аккумуляторов – положительная реакция на глубокий разряд, работа в течение всего срока службы с неизменной мощностью и качеством тока, хранение в полностью разряженном состоянии (единственный тип АКБ, допускающий это). Однако они подвержены «эффекту памяти», ярко проявляющемуся при неполной разрядке и длительному выдерживанию под зарядом, а содержащийся в них кадмий – ядовит. Стоимость банки никель-кадмиевого аккумулятора мощностью 100 А•ч и напряжением 2 В – в среднем 4000 руб.

Аккумуляторы Ni-MH разрабатывались еще в 70-х с целью получения ИБП с характеристиками, близкими к никель-кадмиевым, но без их недостатков. Не содержат экологически опасных компонентов, отсутствует «эффект памяти», при пересчете на размеры и массу их емкость выше на 1/4 по сравнению с NiCd, однако циклы 100% разрядов обычно не превышают 400. На момент написания статьи стоимость аккумуляторных батарей Ni-MH, подходящих для использования в альтернативной энергетике, установить не удалось – по-видимому, в продаже они бывают крайне редко.

Если сравнить КПД щелочных и кислотных аккумуляторов, то первые проиграют, т.к. их коэффициент полезного действия находится в диапазоне от 50 до 60%, а у кислотных АКБ – от 75 до 80%.

Следует учитывать, что срок службы и надежность работы любых ИБП с напряжением 12 В будет ниже, чем двухвольтовых аккумуляторных банок. Причина кроется в технологии производства – 12 В аккумуляторы собираются в одном корпусе из шести двухвольтовых банок меньшей емкости. Для создания надежной системы хранения электроэнергии правильным будет составлять ее из аккумуляторных банок напряжением 2 В, но с максимально большой емкостью.

Инвертор для автономного дома

Основные характеристики инверторных генераторов рассматривались в этом материале. Между собой модели инверторов различаются не только описанными по ссылке параметрами, но и целями использования. Они могут быть сетевыми, автономными и гибридными.

Сетевые инверторы (on-grid, grid-tie). Используются в системах альтернативной энергетики, являющихся частью некой основной сети, как-то производственная (внутренняя) сеть или внешняя энергосистема предприятия, обеспечивающего поставку электроэнергии сторонним потребителям. Такие инверторы обладают способностью синхронизировать параметры электрической энергии, вырабатываемой ветровой установкой или солнечными панелями, с аналогичными характеристиками основной сети.

Автономные инверторы (off-grid). Предназначены для энергонезависимой системы электропитания, к примеру, загородного дома. Данные модели инверторов самостоятельно управляют сетевыми параметрами и, как правило, оснащаются контроллером, отслеживающим степень заряда аккумуляторных батарей. Автономные инверторы способны управлять несколькими источниками энергии, разделяя их на основные и вспомогательные – запускать в работу и отключать, активировать одновременно.

Гибридные инверторы (hybrid). В их числе модели, одновременно использующие энергетические ресурсы основной сети и источников бесперебойного питания, питаемых генераторами, работающими на возобновляемой либо не возобновляемой первичной энергии. В свою очередь гибридные инверторы подразделяются на три типа:

• первый тип выполняет роль источника бесперебойного питания при нестабильных поставках электрической энергии. Он способен при помощи контроллера питать АКБ как от центральной сети, так и от ветрогенератора, гелиопанели или дизельного (бензинового) электрогенератора. В случае перебоев с центральным электропитанием, гибридный инвертор переключит бытовых потребителей на аккумуляторные батареи, одновременно активируя их зарядку от автономного генератора. В процессе прибор будет отслеживать степень разряда АКБ и прекратит подачу энергии потребителям при падении заряда до критического уровня. Повторное включение произойдет не раньше, пока заданные параметры сети не будут восстановлены;
• второй тип предназначен, в том числе, для переключения между переменным и постоянным током (AC/DC). Функции снабжения переменным током такой инвертор осуществляет в том же порядке, что и модели первого типа, а при выборе пользователем режима DC переводит питание потребителей на источник альтернативной энергии. Зарядка аккумуляторов ИБП при этом ведется также от альтернативного источника – если нагрузка превышает мощностные характеристики ветрогенератора или солнечных панелей, то недостаток восполняется за счет энергетических запасов аккумуляторов. Как только уровень падения заряда в АКБ достигнет допустимого минимума, инвертор переведет потребительскую нагрузку на центральную электросеть до тех пор, пока аккумуляторы вновь не будут заряжены. Преимущество данного режима энергопотребления в использовании альтернативной энергии на максимуме, однако он не эффективен при недостаточной емкости ИБП – требуются либо аккумуляторы значительной мощности либо их никель-кадмиевые модели, допускающие полную разрядку без последствий;
• к третьему типу относятся наиболее сложные инверторы – они могут питать потребителей в режиме line-interactive, путем извлечения максимума энергии, вырабатываемой электрогенератором и ввода ее в центральную сеть. Энергия в АКБ при этом не расходуется – таким образом удается достичь наибольшей экономии электроэнергии. В случае если мощности центральной сети окажутся недостаточными, прибор компенсирует нехватку за счет аккумуляторов. Такие инверторы могут компенсировать высокие нагрузки кратковременного характера, извлекая мощности из всех доступных источников электроэнергии. Потребители с высокими пусковыми токами обеспечиваются в течение 3 секунд мощностью, троекратно превышающую номинальное значение.

Гибридные инверторы могут быть оснащены под любой из них путем добавления или изъятия некоторых блоков и плат.

В зависимости от номинальной и пиковой мощности, производителя, типа контроллера заряда, функций, вида импульсного напряжения и силы тока зарядного устройства стоимость инверторов начинается от 11000 руб. (модель номинальной мощности 300 Вт и напряжением 12 В или 24 В) и выше, причем верхний предел исчисляется шестизначной цифрой.

В завершении

Альтернативная энергетика предоставляет средства для решения проблем вне центральной сети, но как рассчитать потребности в электропитании? Ответ на вопрос ждет вас во второй части материала.