Расчет емкости аккумуляторных батарей

В данной статье приведен расчет емкости аккумуляторных батарей.

Ключевые слова: аккумуляторные батареи, емкость, ветроэнергетика

Применение ветроустановок (ВЭУ) для электроснабжения становиться достаточно популярным и перспективным направлением электроэнергетики. Однако, основной фактор, который сдерживает развитие электроснабжения с применением альтернативных источников является их низкая мощность генерации [1].

Достижение нормального режима работы систем автономного питания с применением альтернативных источников энергии возможно только тогда, когда вся произведенная электроэнергия расходуется потребителем. При несовпадении графиков производства и потребления мгновенное использование таких источников не всегда возможно. В связи с этим возникает необходимость в аккумулировании энергии. В настоящее время существует огромное множество аккумуляторных устройств. Всё это большое разнообразие упрощенно можно разделить на механические, гидравлические, и химические. Последние на сегодняшний день особенно распространены в силу своей относительной дешевизны, компактности и простоты в эксплуатации [2].

Механическую энергию запасают в виде потенциальной или кинетической энергии. Обычно, механические аккумуляторы являются устройствами, использующими потенциальную энергию, которая была запасена в пружине (энергия сжатой пружины), груз, поднятый на определенную высоту, или кинетическая энергия вращающегося диска (маховика). Основными недостатками большинства механических аккумуляторов, используемых для большого запаса энергии, являются их громоздкость, значительная материалоемкость, а в ряде случаев низкий КПД. В связи с этими недостатками, как правило, их используют в качестве буферных.Наибольшее распространение среди буферных получил так называемый инерционный аккумулятор, предложенный в 1918 г. известным изобретателем А. Г. Уфимцевым и впервые примененный на ВЭС Д-10, построенный в г. Курске.

По своей сути гидроаккумулирование — это механический способ запасания энергии. В таких устройствах обеспечение аккумулирования энергии, произведенной ветроустановкой, достигается за счет потенциальной энергии массы воды, поднятой на некоторую высоту. Ветроустановки с гидроаккумулированием обычно выполняются по следующим основным схемам:

1. Вода, поднятая из скважины ветродвигателем во время его работы, запасается в резервуаре или водонапорной башне, а затем расходуется по мере необходимости на питьевые и хозяйственные нужды. В ветрооросительных установках вода подается в естественные или искусственные водоемы, откуда по каналам самотеком поступает на орошаемые или обводняемые участки.
2. Ветроэлектрическая станция работает на нагрузку потребителя, а избыточная энергия расходуется для перекачки воды из нижнего водое­ма в специальный верхний водоем либо из нижнего бьефа плотины гидростанции в верхний. В периоды безветрия или при недостатке энергии, производимой ВЭС, энергия поднятой воды используется для получения электрической энергии на турбинах ГЭС. Так обеспечивается покры­тие части графика нагрузки. В последний период интерес к таким схемам возрос в связи со строительством в нашей стране ряда ГАЭС большой мощности.
3. Ветроэлектрическая станция все время работает на насосные агрега­ты, подающие воду из одного бассейна в другой, расположенный выше. На энергии поднятой воды работает ГЭС, обеспечивающая нагрузку потребителей.
4. В зимних условиях насосная ветроустановка работает на подледное нагнетание воды в водоем или же обеспечивает создание наледей, т. е. участков намороженного льда. Это дает возможность не только сократить расходы на сооружение бассейнов, но и использовать соленые воды, избегнув при этом засоления почвы, так как орошение можно вести во­дой, опресненной путем ее замораживания. Однако КПД наледей относи­тельно невысок, так как имеют место большие потери влаги вследствие испарения, фильтрации воды в почву и других причин.

Электрохимические аккумуляторы — особый класс химических аккумулирующих устройств, нашедших широкое применение в ветроэнергетике. В основном это свинцово-кислотные аккумуляторы (рис. 1), которые сравнительно недороги, имеющие приемлемую долговечность, однако их удельная энергия недостаточна — она не превышает 100 кДж/кг. Но уже сегодня известны аккумуляторы (например серебряно-кадмиевые), имеющие в 4–4.5 раза большую удельную энергоемкость. Для электрических ветроагрегатов относительно малой мощности (до 5 кВт) применение электрохимических аккумуляторов достаточно эффективно, так как они обладают высоким КПД (70–80 %) и, кроме того, обычно не требуют каких-либо дополнительных сложных устройств, за исключением реле напряжения и ограничения зарядного тока, а три работе агрегата на переменном токе — также соответствующих преобразователей и выпрямителей.

Электрический аккумулятор предназначен для хранения и отдаче электрической энергии. Когда электрические аккумуляторы соединены вместе и образуют группу, то это уже аккумуляторная батарея. В такую группу соединяют одинаковые электрические аккумуляторы одинаковой емкости.

Примером простейшего аккумулирования электроэнергии может служить обычная автомобильная аккумуляторная батарея (рис. 2).

Рис. 2. Автомобильная аккумуляторная батарея

Рассмотрим методику расчета, предложенную в работе [3]:

1. Определить потребляемую мощность объекта в периоды максимального энергопотребления.

Каждый час в течение времени Т потребляется энергия, равная мощности, потребляемой в единицу времени:

(1)

2. Учитывая напряжение постоянного тока регулятора U_РЕГ и потребляемую мощность P_ВЕЧ, можно найти ток потребления I_РЕГ, по формуле:

, A(2)

3. Далее нужно определить общую емкость блока аккумуляторов:

Однако это общая емкость блока аккумуляторов, которая должна быть отдана потребителю. Тем не менее, химический аккумулятор не рекомендуется разряжать более чем на 50 %. Поэтому величину необходимо удвоить, чтобы получить реальную емкость :

(4)

4. Определить емкость единичной аккумуляторной батареи Ci исходя из того, что общая может быть представлена как сумма емкостей параллельно включенных каскадов последовательно соединенных аккумуляторных батарей можно по формуле:

(5)

где m — количество каскадов; Сi подбирается исходя из емкостного ряда имеющихся на рынке аккумуляторов. Как правило, это ряд представлен емкостями 50, 55, 60, 65, 70, 75, 90, 120, 190, 200, 400 и т. д. Разработчик выбирает наиболее удобный вариант.

5. После проведения расчета необходимо сделать проверку на предмет того, сможет ли ветроэнергетическая установка за предыдущий период зарядить эти аккумуляторы до требуемого уровня.

С этой целью необходимо определить, какое количество энергии должно поступить от ВЭУ за период времени Т_i-1, предшествующий исследуемому периоду Т_i. Длительность предшествующего периода Т_i-1, и мощность P_мгнВЭУ, выдаваемую ветроэнергетической установкой на конкретной скорости ветра, можно найти в источнике [3].

Получим энергию Е_ВЭУ-Т, поступившую от ВЭУ за период Т_i-1:

(6)

Полученная величина подлежит сравнению с потребляемой энергией и должна превышать ее:

6. По условию (7), становится возможным сделать вывод о применимости аккумуляторных батарей для исследуемого объекта. При получении неудовлетворительного результата необходимо произвести соответствующие пересчеты. Например, увеличить мощность и/или количество ВЭУ, снизить энергопотребление и т. д.

Литература:

1. Бубенчиков, А. А. Анализ генераторов для систем автономного электроснабжения / А. А. Бубенчиков, Р. А. Дайчман, Е. Ю. Артамонова // Научный аспект. — 2015. — № 4. — С. 201–208.
2. Бубенчиков, А. А. Выбор аккумуляторных батарей для систем автономного питания / А. А. Бубенчиков, Р. А. Дайчман, Е. Ю. Артамонова // Научный аспект. — 2015. — № 4. — С. 208–215.
3. Кирпичникова, И. М. Ветроэнергетические установки. Расчет параметров компонентов: учебное пособие / И. М. Кирпичникова, Е. В. Соломин. — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ. — 2013. — 83 с.