Меню

Кпд при зарядке аккумулятора

Н.В.Гулиа, А.В.Кацай. Сравнительный анализ эффективности систем зарядки электрохимических аккумуляторов и накопителей кинетической энергии

Сравнительный анализ эффективности систем зарядки электрохимических аккумуляторов и накопителей кинетической энергии

Гулиа Нурбей Владимирович, д.т.н., проф., ООО «Русский сверхпроводник», научный руководитель, gulia_nurbei@mail.ru

Кацай Александр Владимирович, к.ф.н., ООО «Русский сверхпроводник», генеральный директор, proton@rhsc.ru

Опубликовано: в сборнике докладов Отраслевой конференции «Энергосбережение и энергоэффективность. Возобновляемые источники энергии». Краснодар, 2012.

В настоящее время в энергетике у производителей и потребителей энергии растет интерес к возможностям использования накопителей энергии (см. например, отчет компании Branan [1]). Спектр их применения и эффектов, которые они дают в энергосистеме, достаточно широк. Хорошо известна сфера применения накопителей разных типов для обеспечения равномерности работы возобновляемых источников энергии – ветрогенераторов и солнечных электростанций. Гидроаккумулярующие станции применяются в большой энергетике как буферные накопители и регуляторы частоты в сети. В функции буферных накопителей работают крупные химические аккумуляторы, например, т.н. редокс-технологии. Все больше приходит известий о применениях накопителей кинетической энергии, использующих в качестве рабочего тела маховики и супермаховики. Некоторые накопительные технологии (маховики, химические аккумуляторы) используются в установках обеспечения бесперебойного питания, а также в качестве регуляторов частоты и мощности в энергосистемах. Также хорошо известно, что разные накопительные технологии обладают сильными и менее сильными сторонами при различных режимах их использования. Например, накопители кинетической энергии хороши для работы в режиме кратковременной выдачи больших мощностей, способны практически мгновенно, за 5-7 мсек включаться в режим генерации. Химические источники тока более инерционны, не могут работать эффективно в режимах, когда необходимо быстро выдать большую мощность. При этом кинетические накопители не могут так же долго хранить энергию, как и аккумуляторные батареи (АКБ).

Зачастую, у потребителей разных типов накопительных агрегатов возникают вопросы об эффективности той или иной технологии. Причем их интересуют как эффекты на всем протяжении жизненного цикла, так и отдельных его стадий. Вопрос этот достаточно сложный для рассмотрения и требующий большого фактического материала и глубокой теоретической проработки.

В нашем кратком исследовании мы попытаемся сравнить эффективность двух накопительных технологий – аккумуляторные батареи и накопители кинетической энергии (НКЭ) – на стадии зарядки, вплоть до стадии перехода в ожидание режима разрядки.

Постановка задачи

Хотя будет довольно большой натяжкой сравнивать накопительные технологии, основанные на различных физических принципах, однако имеется всеобщая мера, которая позволяет это сделать, хотя бы приблизительно. Таким универсальным измерителем может послужить стоимость, или, переводя с политэкономического языка – совокупность затрат по разным технологиям для получения одного и того же результата. В нашем случае в качестве требуемого результата мы берем два вида накопителей заряженных до одинакового уровня энергии. Задача наша состоит в том, чтобы посчитать суммарные затраты, возникающие в процессах передачи и преобразования энергии, которые приведут к получению зарядки накопителя в объеме 3,33 кВт*часа (или, в системе СИ – 12 МДж). Такую цифру мы выбрали потому, что это достаточно показательная для малого и среднего потребителя энергия. Кроме того, мы имеем экспериментальный образец накопителя кинетической энергии близкой энергоемкости, что позволяет легко экстраполировать его показатели.

Что касается АКБ, то хорошо известно, что единичные аккумуляторы могут быть составлены в комплексы какой угодно емкости достаточно легко. Т.е. мы сравниваем затраты, или, техническим языком – КПД процесса зарядки двух типов накопителей с уровня 3 МДж уровня до 12 МДж. И попытаемся экстраполировать эти затраты на 20-ти летний период, равный сроку службы накопителя кинетической энергии. Конечно, за это время придется заменить несколько наборов АКБ, но мы это не принимаем во внимание, также как и капитальные затраты на данное действие, поскольку считаем абсолютные затраты только в процессе зарядки аккумуляторов.

Нам нужно посчитать, сколько энергии потеряется «в дороге» от розетки и до заряженных батарей и раскрученного до этого уровня энергии маховика и сравнить эти данные между собой.

Будем считать, что к началу зарядки каждый из накопителей имеет остаточный уровень запасенной энергии в 25% от 12 МДж, т.е. 3 МДж. Другими словами, нам нужно посчитать, сколько мы должны взять энергии из сети, чтобы после всех потерь энергоемкость обоих аккумуляторов была равной 12 МДж или, какие потери сопровождают процесс пополнения энергии накопителей на 9 МДж.

Будем рассматривать стандартные свинцово-кислотные батареи, потому, что литий-ионные являются в настоящее время достаточно редко применяемой технологией, а другие типы батарей являются дорогостоящими и применяются тоже сравнительно нечасто для использования в энергетических целях. Для упрощения задачи будем считать, что в процессе всего срока службы такого химического аккумулятора его энергоемкость остается неизменной – на номинальном уровне, хотя на практике в течение времени его службы энергоемкость падает существенно ниже от номинального значения. Т.е. мы приводим АКБ в одинаковые условия с НКЭ по энергоемкости в течение всего срока эксплуатации. Количество циклов заряда-разряда АКБ составляет 500, а длина одного цикла работы составляет двое суток (с момента начала зарядки и до разрядки до уровня 25%). Т.е. срок службы при постоянной эксплуатации примем равным примерно трем годам. Оба устройства находятся в одинаковых внешних условиях – при комнатной температуре и нормальной влажности.

Время зарядки АКБ и НКЭ

По данным, изложенным в [2], «обычно нормальное время полного заряда около 15 часов» (для батарей, разряженных на 25%). По другим данным [3] обычно новая, приведенная в рабочее состояние батарея заряжается от 3 до 8 ч. Примем в среднем, что наша батарея, не имеющая в нашем исследовании возраста в течение всего своего срока службы в три года, полностью заряжается в течение 10 часов от состояния 25% разрядки.

Продолжительность разгона маховика расчитывается по формуле: емкость в Дж (1 Дж=1 Вт*1сек.) деленная на мощность (Вт) электромашины. НКЭ, анализируемый нами далее, с электромашиной мощностью 22 кВт с уровня зарядки в 25% от 12 МДж, достигнет 100% зарядки за порядка 410 секунд (менее 7 минут).

Процесс зарядки аккумуляторных батарей

Потери в процессе зарядки АКБ складываются из следующих составляющих: потери в зарядном устройстве, потери на саморазрядку батарей во время зарядки, потери на нагрев электролита и других элементов батареи при зарядке, затраты на обслуживающий персонал для контроля за процессом зарядки (нужно постоянно отслеживать «вручную» процесс зарядки батареи, чтобы неправильно выбранный режим не привел к преждевременному выходу из строя аккумулятора). Не будем принимать во внимание затраты на обслуживающий персонал. Поэтому нам остается выяснить КПД зарядного устройства и КПД процесса зарядки самого аккумулятора (частное между подаваемой на аккумулятор энергией и реально запасаемой в нём) и перемножить их.

Рисунок 1. Зарядное устройство и АКБ

А. Потери в зарядном устройстве

Зарядка АКБ происходит постоянным током. Для его получения необходимо выпрямить стандартное питание в виде однофазного напряжения 220 В. При подобном заряде сила тока в ходе всего времени заряда должна оставаться постоянной. Для преобразования энергии применяют стандартные и самодельные преобразовательные выпрямительные (зарядные) устройства. У разных фирм производителей аккумуляторов КПД таких устройств заметно отличается.

В доступных данных в сети интернет сведения о значении КПД такого устройства, т.е. отношении выдаваемой на аккумулятор энергии к принимаемой из розетки, сильно варьируется в достаточно широком диапазоне от 30% (см., например, [4]) и до «более 80%» (как говорится в рекламе одного из производителей таких устройств, см. [5]), с разными промежуточными значениями [6]. На наш взгляд, нижняя приведенная граница значения КПД зарядного устройства более реальна, что, однако, все равно требует экспериментального подтверждения. Но мы принимаем для наших расчетов максимальное из найденных доступных источников значение в 80%.

Б. Потери в аккумуляторе при зарядке

Как пишет в своей статье Л.И.Ридко, «В процессе зарядки аккумулятора в нем происходят химические преобразования. Только часть поступающей энергии тратится на эти преобразования, другая часть превращается в тепло. Можно ввести понятие «КПД процесса зарядки аккумулятора». Это та часть энергии, поступающей от зарядного устройства, которая запасается в аккумуляторе. Значение КПД никогда не бывает 100%, при одних условиях зарядки КПД выше, при других – ниже. Тем не менее, КПД может быть довольно высоким, что позволяет производить зарядку большими токами не опасаясь перегрева аккумулятора» [7].

Емкость, которую нужно накопить в АКБ, определена нами в 9 МДж или 3,33 кВт*часа. Напряжение батареи составляет 12 В. Обычно эту процедуру производят силой тока 5 А. Обычно емкость АКБ указывают в ампер-часах (условная несистемная единица, означающая, что на напряжении 12 В батарея может выдать указываемое количество ампер-часов (например, 5 ампер в течение 11 часов. Следовательно, нам нужно отложить в аккумуляторах 3,33 * 1000 ВА*час деленное на 12 В или 277 А*часов. Если каждая батарея имеет маркировку 55Ah, и при этом заряжено на 25%, то нам необходимо одновременно или последовательно зарядить 7 батарей.

Как пишут в [8], коэффициент полезного действия заряда при комнатной температуре для исправных батарей может быть принят равным 85-95% при токе заряда не более 0,1С20. Ток зарядки обычно измеряют в единицах C, где C – численное значение емкости аккумулятора. Это не совсем корректно с точки зрения размерностей физических величин, но принято считать, что ток 1C для аккумулятора емкостью, например, 2500 мА*ч, равен 2500 мА. Коэффициент использования тока зависит от силы зарядного тока, уровня заряженности батареи и температуры электролита. Он будет тем меньше, чем больше зарядный ток, чем выше уровень заряженности и чем ниже температура электролита. При зарядке полностью разряженных батарей при комнатной температуре, процесс заряда в начальный момент идет с наибольшим коэффициентом использования тока. Увеличение степени заряженности и повышение поляризации ведут к повышению суммарного внутреннего сопротивления батареи и повышению потерь энергии на нагрев электролита, электродов и прочих компонентов батареи. Кроме того, на финальной стадии заряда аккумуляторов начинается вторичный процесс — электролиз воды, входящей в состав электролита.

При зарядке 12-вольтовых аккумуляторных батарей током 15 А КПД устройства достигает 75 % [9].

Читайте также:  Как открыть капот если села АКБ

Источник [10], анализировавший одногодичные батареи, утверждает, что поскольку такая АКБ «достаточно долго находится в эксплуатации КПД зарядки составит порядка 60%».

Исследователь процессов зарядки Юрий Тимофеев [11] утверждает, что КПД процесса зарядки составляет 40 — 50%, остальное тратится на нагрев, а также связанные с этим электрохимические процессы.

Мы, для корректного анализа, примем среднее между приведенными в этом кратком обзоре значение, равное 60%.

Итак, у нас имеются данные по среднему КПД устройства зарядки, равному 0,8 и КПД процесса зарядки аккумулятора (с учетом потерь на нагрев, электрохимические процессы и потерь на саморазрядку), равному 0,6. Общий КПД процесса зарядки составит произведение этих значений или 0,48. Округлим цифру в лучшую для аккумулятора сторону и примем его равным 0,5. Это означает, что потери энергии будут равны полученному на выходе заряду аккумулятора. Наша сборка из нескольких аккумуляторов должна получить 9 МДж энергии или 2,5 кВт*часа. Столько же будет потеряно в процессе зарядки. То есть, за 500 циклов зарядки аккумулятор получит 1250 кВт*часов электроэнергии. Потери также составят такой же объем.

За 20-ти летний период эксплуатации батарей в рассматриваемой нами энергосистеме будет потеряно в процессе зарядки 8333 кВт*час.

Эффективность процесса зарядки накопителей кинетической энергии

КПД подзарядки маховика НКЭ (см. Рис. 2) от электросети зависит от следующих видов затрат энергии:

— потери в зарядной электромашине; при номинальной мощности асинхронной электромашины хорошего производителя её КПД равняется около 0,94 (КПД бывает указан на шильде электромотора);

— потери в частотном преобразователе; при мощности около 20 кВт это тоже составит примерно 0,94;

— потери в опорах маховика (обычных подшипниках);

— потери на аэродинамическое сопротивление в корпусе со специальным газовым составом при давлении 100 Па.

Для накопления общего запаса энергии 12 МДж потребуется маховик общей массой 1300 кг, диаметром чуть менее 1 метра и шириной обода порядка 400 мм с моментом инерции 140 кг*м2.

Рисунок 2. НКЭ (4 МДж) с мотор-генератором 22 кВт и инвертор-преобразователь.

Предполагается, что в начале зарядного цикла маховик вращается с минимальной частотой вращения 2000 об/мин., обладая при этом запасом энергии в 3 МДж, и он начинает разгоняться электромашиной, управляемой инвертором, от сети, до скорости 4000 об/мин., приобретая максимальный запас энергии 12 МДж. Необходимо определить КПД процесса подзарядки маховика с 3 до 12 МДж или количество энергии, потраченной на всякого рода потери при приобретении маховиком дополнительных 9 МДж энергии.

  1. Потери в электромашине и инверторе: общий КПД этих двух устройств равен произведению их КПД 0,94*0,94 = 0,8836.
  2. Потери в опорах маховика. Они рассчитываются по калькулятору компании SKF, изложенному в каталоге SKF [12] .

Согласно чертежу НКЭ маховик закреплен на 6 подшипниках производства компании SKF, обеспечивая долговечность свыше 40 тыс. часов. Нагрузка на каждый подшипник при этом составит около 2200 Н; принимаем с запасом значение в 3000 Н. При вязкости масла 5 сСтокс (подшипник разогреет постоянной работой) и частоте вращения 4000 об/мин. Потери в нем составят 56,3 Вт, а в 6-ти подшипниках – 338 Вт. Известно, что со снижением скорости вращения мощность потерь в парах трения падает. При 2000 об/мин. Эти потери составят около 170 Вт. Средняя мощность потерь в подшипниках при разгоне маховика составит 253 Вт.

  1. Аэродинамические потери рассматриваются по формулам, изложенным в книге Н.В.Гулиа [13]. Формулы эти, многократно проверенные на практике, были также подтверждены проверкой, проведенной по данным испытаний маховиков фирмой Локхид (США). При этом для данного маховика, вращающегося с частотой 4000 об/мин. при давлении 100 Па, мощность потерь составит: в водороде – 30 Вт, гелии – 60 Вт, воздухе – 113 Вт. При 2000 об/мин., соответственно, 5, 10 и 17 Вт. Средние потери мощности для этих трех сред составят, соответственно, — 17,5; 20 и 65 Вт.
  2. Суммарные потери мощности при зарядке маховика электромашиной с инвертором мощностью 22 кВт:

— потери в электромашине и инверторе:

Р1 = (1-0,8836)* 22 кВт – 2,5 кВт;

— потери на сопротивление в опорах:

— потери на аэродинамическое сопротивление в водороде при 100 Па:

Общие потери мощности составят РƩ = Р1+Р2+Р3 = 2,77 кВт.

Разгон маховика при номинальной мощности разгона в 22 кВт с сообщением 9 МДж (2,5 кВт*час) будет длиться

Тр = 2,5 кВт*час / 22 кВт = 409 сек = 0,113 часа.

Общие потери энергии составят:

∆ Е = 2,77 кВт * 0,113 часа = 0,31 кВт*час.

Это составляет от энергии зарядки 2,5 кВт*час долю в 12,6%, а КПД процесса зарядки НКЭ составит

Сравнение потерь (КПД) АКБ и НКЭ

Сравнивая эффективность зарядных циклов АКБ и НКЭ при прочих равных условиях эксплуатации получаем следующую картину. КПД НКЭ при зарядке равен 87,4%. Т.е. при запасании 9 МДж (2,5 кВт*час) в процессе раскрутки маховика будет теряться 0,31 кВт*часа. Потери в одном зарядном цикле АКБ составляют 2,5 кВт*час. За период в 20 лет, или за 3500 циклов, при зарядке один раз в два дня НКЭ потеряет 1137,5 кВт*часов, а АКБ – 8333 кВт*час, или в 7,3 раза больше. Т.е. эффективность НКЭ на этапе зарядки в 7,3 раза больше, чем у АКБ.

При этом следует иметь в виду, что общий экономический эффект от применения НКЭ прямо пропорционален количеству его полных циклов. Т.е., чем чаще он работает в сутки, тем большую отдачу он приносит владельцу. Количество таких циклов ограничено только скоростью зарядки накопителя (конечно, без учета режимов энергопотребления потребителя). Другими словами, теоретически за сутки такой НКЭ сможет сделать 109 циклов зарядки-разрядки. За 20 лет эксплуатации в таком режиме он смог бы сделать 795 700 циклов или в 251,4 раза больше, чем мы приняли в данной статье для того, чтобы уравнять исходные условия для проведения сравнения с АКБ. Анализируя модели реального применения НКЭ в условиях, например, предприятий с резко неравномерным графиком нагрузки, можно принять количество таких циклов в сутки за 40-50, что соответствует, например, графикам нагрузки у предприятий химической и металлургической промышленности (скачки и провалы потребляемой мощности от установившихся номинальных режимов в одни сутки).

Обратим внимание также на то, что мы сильно упрощали параметры и характеристики накопителей (например, считали, что емкость АКБ остается в течение его срока службы постоянной) и условия их эксплуатации и при сравнении конкретных изделий необходимо эти данные привлекать в анализ.

Выводы

Для того, чтобы делать полностью обоснованные выводы из сравнения эффективности АКБ и НКЭ, конечно, нужно принимать во внимание все потери в полном цикле его работы, т.е. на стадиях зарядки, хранения и выдачи энергии. При этом, все условия работы разных видов накопителей должны быть одинаковы. Но это невозможно в силу физических (и химических) основ их функционирования, о чем мы уже упоминали выше.

В силу этого наши выводы могут помочь в более точном определении сегментов наиболее эффективного применения этих типов накопителей энергии. Это, в конечном итоге, должно помочь выявить возможности комплексирования разных накопительных технологий с точки зрения максимального использования для нужд потребителя их сильных и наиболее выгодных ему сторон.

Литература

13. Н.В.Гулиа «Маховичные двигатели», М., Машиностроение, 1976, с. 46.

Источник



Какой КПД у аккумулятора?

Тут недавно в комментах на ютьюбе прицепился ко мне немного странный товарищ, который пытался меня уверить, что ни в коем случае нельзя использовать «связку» солнечной батареи и буферного аккумулятора 🙂 Поскольку, по его версии, в аккумуляторе теряется 30-40% энергии — прямо вот ужас-ужас! Я-то, с младых ногтей, помню про совсем иную цифру для литиевых аккумуляторов: примерно 3-5% потерь, т.е. на порядок меньше 🙂

Но все же, малость «завел» он меня — так что я поставил небольшой эксперимент. Задача простая: нужно померить КПД аккумулятора, или иными словами, посчитать разницу между энергией, израсходованной на зарядку аккумулятора и той энергией, которую мы можем потом из этого аккумулятора получить обратно.

Проще всего подобный замер было сделать с помощью универсального зарядника iMax, поскольку он умеет как заряжать, так и разряжать аккумуляторы, и при этом еще показывает, сколько в аккумулятор ушло, и сколько мы от него получили.

В общем, я взял аккумулятор, разрядил его (iMax разряжает до напряжения 3В, что меня для целей данного эксперимента вполне устраивает), потом полностью зарядил и снова разрядил. Результаты представлены на фото.

В сухом остатке имеем: отдано в аккумулятор 2565мАч, получено из него 2480мАч. Соответственно, КПД аккумулятора составил примерно 97%. Ну а потери энергии на заряде/разряде — около 3%, т.е. для практических целей пренебрежимо малая величина. В общем, все в полном соответствии с теорией 🙂

Естественно, нужно делать какую-то скидку на точность измерения, на конкретный аккумулятор, внешние факторы (например, температуру аккумулятора или качество соединительных контактов, а также временной интервал между зарядом и разрядом), но в общем-то, это все уже «ловля блох», особого смысла не имеющая. Доказано главное: потери в литиевом аккумуляторе находятся где-то в районе 5%, а уж никак не 40%, как утверждал данный товарищ! 🙂

ЗЫ: На всякий случай уточняю: здесь речь идет о потерях только в самом аккумуляторе, без учета потерь в электронике (например, контроллер заряда)! Суммарные потери, естественно, всегда будут больше.

Источник

Записки Юного Аккумуляторщика. Ч.9. Правильно заряжаем аккумуляторы

Давайте поговорим о зарядных устройствах, правильном заряде АКБ (не только автомобильных) и на что стоит обратить отдельное внимание. Некоторые моменты уже были написаны в других постах, комментариях или других ответах, решил как — то объединить.
Со временем все чаще приезжают с проблемой следующей — пытались заряжать сами, но не получилось. Так что пусть это будет максимальным ответом на большинство вопросов.
Сразу скажу, что обзора ЗУ определенных фирм не будет, максимум — рекомендация.
Поехали.

I. Итак, чтобы зарядить АКБ нужно зарядное устройство. С них и начнем.
Стоимость не так важна, можно и за пару тысяч найти хорошее. Фирма тоже без разницы.
1)Самое главное — ЗУ должно быть с регулятором тока и обязательно с регулятором напряжения (желательно — с настройкой до десятичных, например, 14.4В или 16.5В). Из самых простых, которым я пользуюсь, вот такое:

Читайте также:  Какое напряжение при зарядке аккумулятора выставить

Из не самых простых — вот такое:

2) Режимы зарядки.
Автоматический режим — баловство. Нужен только для небольшой зарядки немного севшего аккумулятора, отключается сам, плотность не поднимет (в случае акб с жидким электролитом). Можно использовать для AGM или гель акб.
Ручной режим — другое дело. Возможностей больше, результат лучше. Заряжает принудительно.
Заряд с десульфатацией — заряд импульсным током. Хорошая вещь.
Режим разряда — очень удобная штука. Можно провести контрольно — тренировочный цикл. Есть не на всех ЗУ.

Запоминаем:
АКБ 12В с жидким электролитом (при плотности ниже нормы) заряжаем при напряжении 16 — 16.5В. Будет кипеть — это хорошо, ток выставляем на ваше усмотрение, обычно 10% от емкости (например акб 55Ач — ток 5,5А).Заряжаем пока плотность не выровняется.
АКБ 12В с жидким электролитом (при нормальной плотности) можно заряжать при 14-15В, до кипения доводить не нужно. Заряжаем 10 часов 10-типроцентным током.
АКБ 12В по технологиям гель, AGM и подобным (не с жидким электролитом) заряжаем при напряжении НЕ ВЫШЕ 14.8 — 15В. Ток выставляем аналогично.
Если заряжаете одновременно 2 АКБ системой 24В — ставите последовательно, напряжение 29-33В, ток не суммируем, так же 10% от емкости ОДНОГО из АКБ.
Если заряжаете через донора — ставите параллельно, напряжение и ток выставляем как и для одного аккумулятора.
Отдельное слово хочу сказать о генераторе тем, кто думает что при севшем аккумуляторе достаточно прикурить авто и погонять немного от гены, чтобы зарядился. Нет, ставьте на отдельное ЗУ.
АКБ с жидким электролитом считается полностью заряженым, если напряжение от 12,6В до 13В, он держит нагрузку, выдает пусковой ток, достаточный завести, плотность должна быть 1,26-1,30. Во всех банках.
АКБ не с жидким электролитом считается полностью заряженым, если напряжение от 12,6В до 13В, он держит нагрузку, выдает пусковой ток, достаточный завести, либо держит заряд, если используется как тяговый.

II. Контроль за зарядом.
Иногда ЗУ наебывает. Особенно если это самоделка. Или старое. Или просто плохое. Показания на шкале/дисплее могут отличаться от того,что оно по факту подает на АКБ. При таком исходе можно либо убить аккумулятор, либо недозарядить.
Возьмите/купите/сделайте сами мультиметр или вольтметр и проверьте показания на клеммах при заряде.

Ну и ареометром плотность проверяйте (где возможно).

Источник

Кпд при зарядке аккумулятора

Сравнительный анализ эффективности систем зарядки электрохимических аккумуляторов и накопителей кинетической энергии

Гулиа Нурбей Владимирович, д.т.н., проф., ООО «Русский сверхпроводник», научный руководитель, gulia_nurbei@mail.ru

Кацай Александр Владимирович, к.ф.н., ООО «Русский сверхпроводник», генеральный директор, proton@rhsc.ru

Опубликовано: в сборнике докладов Отраслевой конференции «Энергосбережение и энергоэффективность. Возобновляемые источники энергии». Краснодар, 2012.

В настоящее время в энергетике у производителей и потребителей энергии растет интерес к возможностям использования накопителей энергии (см. например, отчет компании Branan [1]). Спектр их применения и эффектов, которые они дают в энергосистеме, достаточно широк. Хорошо известна сфера применения накопителей разных типов для обеспечения равномерности работы возобновляемых источников энергии – ветрогенераторов и солнечных электростанций. Гидроаккумулярующие станции применяются в большой энергетике как буферные накопители и регуляторы частоты в сети. В функции буферных накопителей работают крупные химические аккумуляторы, например, т.н. редокс-технологии. Все больше приходит известий о применениях накопителей кинетической энергии, использующих в качестве рабочего тела маховики и супермаховики. Некоторые накопительные технологии (маховики, химические аккумуляторы) используются в установках обеспечения бесперебойного питания, а также в качестве регуляторов частоты и мощности в энергосистемах. Также хорошо известно, что разные накопительные технологии обладают сильными и менее сильными сторонами при различных режимах их использования. Например, накопители кинетической энергии хороши для работы в режиме кратковременной выдачи больших мощностей, способны практически мгновенно, за 5-7 мсек включаться в режим генерации. Химические источники тока более инерционны, не могут работать эффективно в режимах, когда необходимо быстро выдать большую мощность. При этом кинетические накопители не могут так же долго хранить энергию, как и аккумуляторные батареи (АКБ).

Зачастую, у потребителей разных типов накопительных агрегатов возникают вопросы об эффективности той или иной технологии. Причем их интересуют как эффекты на всем протяжении жизненного цикла, так и отдельных его стадий. Вопрос этот достаточно сложный для рассмотрения и требующий большого фактического материала и глубокой теоретической проработки.

В нашем кратком исследовании мы попытаемся сравнить эффективность двух накопительных технологий – аккумуляторные батареи и накопители кинетической энергии (НКЭ) – на стадии зарядки, вплоть до стадии перехода в ожидание режима разрядки.

Постановка задачи

Хотя будет довольно большой натяжкой сравнивать накопительные технологии, основанные на различных физических принципах, однако имеется всеобщая мера, которая позволяет это сделать, хотя бы приблизительно. Таким универсальным измерителем может послужить стоимость, или, переводя с политэкономического языка – совокупность затрат по разным технологиям для получения одного и того же результата. В нашем случае в качестве требуемого результата мы берем два вида накопителей заряженных до одинакового уровня энергии. Задача наша состоит в том, чтобы посчитать суммарные затраты, возникающие в процессах передачи и преобразования энергии, которые приведут к получению зарядки накопителя в объеме 3,33 кВт*часа (или, в системе СИ – 12 МДж). Такую цифру мы выбрали потому, что это достаточно показательная для малого и среднего потребителя энергия. Кроме того, мы имеем экспериментальный образец накопителя кинетической энергии близкой энергоемкости, что позволяет легко экстраполировать его показатели.

Что касается АКБ, то хорошо известно, что единичные аккумуляторы могут быть составлены в комплексы какой угодно емкости достаточно легко. Т.е. мы сравниваем затраты, или, техническим языком – КПД процесса зарядки двух типов накопителей с уровня 3 МДж уровня до 12 МДж. И попытаемся экстраполировать эти затраты на 20-ти летний период, равный сроку службы накопителя кинетической энергии. Конечно, за это время придется заменить несколько наборов АКБ, но мы это не принимаем во внимание, также как и капитальные затраты на данное действие, поскольку считаем абсолютные затраты только в процессе зарядки аккумуляторов.

Нам нужно посчитать, сколько энергии потеряется «в дороге» от розетки и до заряженных батарей и раскрученного до этого уровня энергии маховика и сравнить эти данные между собой.

Будем считать, что к началу зарядки каждый из накопителей имеет остаточный уровень запасенной энергии в 25% от 12 МДж, т.е. 3 МДж. Другими словами, нам нужно посчитать, сколько мы должны взять энергии из сети, чтобы после всех потерь энергоемкость обоих аккумуляторов была равной 12 МДж или, какие потери сопровождают процесс пополнения энергии накопителей на 9 МДж.

Будем рассматривать стандартные свинцово-кислотные батареи, потому, что литий-ионные являются в настоящее время достаточно редко применяемой технологией, а другие типы батарей являются дорогостоящими и применяются тоже сравнительно нечасто для использования в энергетических целях. Для упрощения задачи будем считать, что в процессе всего срока службы такого химического аккумулятора его энергоемкость остается неизменной – на номинальном уровне, хотя на практике в течение времени его службы энергоемкость падает существенно ниже от номинального значения. Т.е. мы приводим АКБ в одинаковые условия с НКЭ по энергоемкости в течение всего срока эксплуатации. Количество циклов заряда-разряда АКБ составляет 500, а длина одного цикла работы составляет двое суток (с момента начала зарядки и до разрядки до уровня 25%). Т.е. срок службы при постоянной эксплуатации примем равным примерно трем годам. Оба устройства находятся в одинаковых внешних условиях – при комнатной температуре и нормальной влажности.

Время зарядки АКБ и НКЭ

По данным, изложенным в [2], «обычно нормальное время полного заряда около 15 часов» (для батарей, разряженных на 25%). По другим данным [3] обычно новая, приведенная в рабочее состояние батарея заряжается от 3 до 8 ч. Примем в среднем, что наша батарея, не имеющая в нашем исследовании возраста в течение всего своего срока службы в три года, полностью заряжается в течение 10 часов от состояния 25% разрядки.

Продолжительность разгона маховика расчитывается по формуле: емкость в Дж (1 Дж=1 Вт*1сек.) деленная на мощность (Вт) электромашины. НКЭ, анализируемый нами далее, с электромашиной мощностью 22 кВт с уровня зарядки в 25% от 12 МДж, достигнет 100% зарядки за порядка 410 секунд (менее 7 минут).

Процесс зарядки аккумуляторных батарей

Потери в процессе зарядки АКБ складываются из следующих составляющих: потери в зарядном устройстве, потери на саморазрядку батарей во время зарядки, потери на нагрев электролита и других элементов батареи при зарядке, затраты на обслуживающий персонал для контроля за процессом зарядки (нужно постоянно отслеживать «вручную» процесс зарядки батареи, чтобы неправильно выбранный режим не привел к преждевременному выходу из строя аккумулятора). Не будем принимать во внимание затраты на обслуживающий персонал. Поэтому нам остается выяснить КПД зарядного устройства и КПД процесса зарядки самого аккумулятора (частное между подаваемой на аккумулятор энергией и реально запасаемой в нём) и перемножить их.

Рисунок 1. Зарядное устройство и АКБ

А. Потери в зарядном устройстве

Зарядка АКБ происходит постоянным током. Для его получения необходимо выпрямить стандартное питание в виде однофазного напряжения 220 В. При подобном заряде сила тока в ходе всего времени заряда должна оставаться постоянной. Для преобразования энергии применяют стандартные и самодельные преобразовательные выпрямительные (зарядные) устройства. У разных фирм производителей аккумуляторов КПД таких устройств заметно отличается.

В доступных данных в сети интернет сведения о значении КПД такого устройства, т.е. отношении выдаваемой на аккумулятор энергии к принимаемой из розетки, сильно варьируется в достаточно широком диапазоне от 30% (см., например, [4]) и до «более 80%» (как говорится в рекламе одного из производителей таких устройств, см. [5]), с разными промежуточными значениями [6]. На наш взгляд, нижняя приведенная граница значения КПД зарядного устройства более реальна, что, однако, все равно требует экспериментального подтверждения. Но мы принимаем для наших расчетов максимальное из найденных доступных источников значение в 80%.

Читайте также:  Аккумулятор для тойоты короллы 120 кузов

Б. Потери в аккумуляторе при зарядке

Как пишет в своей статье Л.И.Ридко, «В процессе зарядки аккумулятора в нем происходят химические преобразования. Только часть поступающей энергии тратится на эти преобразования, другая часть превращается в тепло. Можно ввести понятие «КПД процесса зарядки аккумулятора». Это та часть энергии, поступающей от зарядного устройства, которая запасается в аккумуляторе. Значение КПД никогда не бывает 100%, при одних условиях зарядки КПД выше, при других – ниже. Тем не менее, КПД может быть довольно высоким, что позволяет производить зарядку большими токами не опасаясь перегрева аккумулятора» [7].

Емкость, которую нужно накопить в АКБ, определена нами в 9 МДж или 3,33 кВт*часа. Напряжение батареи составляет 12 В. Обычно эту процедуру производят силой тока 5 А. Обычно емкость АКБ указывают в ампер-часах (условная несистемная единица, означающая, что на напряжении 12 В батарея может выдать указываемое количество ампер-часов (например, 5 ампер в течение 11 часов. Следовательно, нам нужно отложить в аккумуляторах 3,33 * 1000 ВА*час деленное на 12 В или 277 А*часов. Если каждая батарея имеет маркировку 55Ah, и при этом заряжено на 25%, то нам необходимо одновременно или последовательно зарядить 7 батарей.

Как пишут в [8], коэффициент полезного действия заряда при комнатной температуре для исправных батарей может быть принят равным 85-95% при токе заряда не более 0,1С20. Ток зарядки обычно измеряют в единицах C, где C – численное значение емкости аккумулятора. Это не совсем корректно с точки зрения размерностей физических величин, но принято считать, что ток 1C для аккумулятора емкостью, например, 2500 мА*ч, равен 2500 мА. Коэффициент использования тока зависит от силы зарядного тока, уровня заряженности батареи и температуры электролита. Он будет тем меньше, чем больше зарядный ток, чем выше уровень заряженности и чем ниже температура электролита. При зарядке полностью разряженных батарей при комнатной температуре, процесс заряда в начальный момент идет с наибольшим коэффициентом использования тока. Увеличение степени заряженности и повышение поляризации ведут к повышению суммарного внутреннего сопротивления батареи и повышению потерь энергии на нагрев электролита, электродов и прочих компонентов батареи. Кроме того, на финальной стадии заряда аккумуляторов начинается вторичный процесс — электролиз воды, входящей в состав электролита.

При зарядке 12-вольтовых аккумуляторных батарей током 15 А КПД устройства достигает 75 % [9].

Источник [10], анализировавший одногодичные батареи, утверждает, что поскольку такая АКБ «достаточно долго находится в эксплуатации КПД зарядки составит порядка 60%».

Исследователь процессов зарядки Юрий Тимофеев [11] утверждает, что КПД процесса зарядки составляет 40 — 50%, остальное тратится на нагрев, а также связанные с этим электрохимические процессы.

Мы, для корректного анализа, примем среднее между приведенными в этом кратком обзоре значение, равное 60%.

Итак, у нас имеются данные по среднему КПД устройства зарядки, равному 0,8 и КПД процесса зарядки аккумулятора (с учетом потерь на нагрев, электрохимические процессы и потерь на саморазрядку), равному 0,6. Общий КПД процесса зарядки составит произведение этих значений или 0,48. Округлим цифру в лучшую для аккумулятора сторону и примем его равным 0,5. Это означает, что потери энергии будут равны полученному на выходе заряду аккумулятора. Наша сборка из нескольких аккумуляторов должна получить 9 МДж энергии или 2,5 кВт*часа. Столько же будет потеряно в процессе зарядки. То есть, за 500 циклов зарядки аккумулятор получит 1250 кВт*часов электроэнергии. Потери также составят такой же объем.

За 20-ти летний период эксплуатации батарей в рассматриваемой нами энергосистеме будет потеряно в процессе зарядки 8333 кВт*час.

Эффективность процесса зарядки накопителей кинетической энергии

КПД подзарядки маховика НКЭ (см. Рис. 2) от электросети зависит от следующих видов затрат энергии:

— потери в зарядной электромашине; при номинальной мощности асинхронной электромашины хорошего производителя её КПД равняется около 0,94 (КПД бывает указан на шильде электромотора);

— потери в частотном преобразователе; при мощности около 20 кВт это тоже составит примерно 0,94;

— потери в опорах маховика (обычных подшипниках);

— потери на аэродинамическое сопротивление в корпусе со специальным газовым составом при давлении 100 Па.

Для накопления общего запаса энергии 12 МДж потребуется маховик общей массой 1300 кг, диаметром чуть менее 1 метра и шириной обода порядка 400 мм с моментом инерции 140 кг*м2.

Рисунок 2. НКЭ (4 МДж) с мотор-генератором 22 кВт и инвертор-преобразователь.

Предполагается, что в начале зарядного цикла маховик вращается с минимальной частотой вращения 2000 об/мин., обладая при этом запасом энергии в 3 МДж, и он начинает разгоняться электромашиной, управляемой инвертором, от сети, до скорости 4000 об/мин., приобретая максимальный запас энергии 12 МДж. Необходимо определить КПД процесса подзарядки маховика с 3 до 12 МДж или количество энергии, потраченной на всякого рода потери при приобретении маховиком дополнительных 9 МДж энергии.

  1. Потери в электромашине и инверторе: общий КПД этих двух устройств равен произведению их КПД 0,94*0,94 = 0,8836.
  2. Потери в опорах маховика. Они рассчитываются по калькулятору компании SKF, изложенному в каталоге SKF [12] .

Согласно чертежу НКЭ маховик закреплен на 6 подшипниках производства компании SKF, обеспечивая долговечность свыше 40 тыс. часов. Нагрузка на каждый подшипник при этом составит около 2200 Н; принимаем с запасом значение в 3000 Н. При вязкости масла 5 сСтокс (подшипник разогреет постоянной работой) и частоте вращения 4000 об/мин. Потери в нем составят 56,3 Вт, а в 6-ти подшипниках – 338 Вт. Известно, что со снижением скорости вращения мощность потерь в парах трения падает. При 2000 об/мин. Эти потери составят около 170 Вт. Средняя мощность потерь в подшипниках при разгоне маховика составит 253 Вт.

  1. Аэродинамические потери рассматриваются по формулам, изложенным в книге Н.В.Гулиа [13]. Формулы эти, многократно проверенные на практике, были также подтверждены проверкой, проведенной по данным испытаний маховиков фирмой Локхид (США). При этом для данного маховика, вращающегося с частотой 4000 об/мин. при давлении 100 Па, мощность потерь составит: в водороде – 30 Вт, гелии – 60 Вт, воздухе – 113 Вт. При 2000 об/мин., соответственно, 5, 10 и 17 Вт. Средние потери мощности для этих трех сред составят, соответственно, — 17,5; 20 и 65 Вт.
  2. Суммарные потери мощности при зарядке маховика электромашиной с инвертором мощностью 22 кВт:

— потери в электромашине и инверторе:

Р1 = (1-0,8836)* 22 кВт – 2,5 кВт;

— потери на сопротивление в опорах:

— потери на аэродинамическое сопротивление в водороде при 100 Па:

Общие потери мощности составят РƩ = Р1+Р2+Р3 = 2,77 кВт.

Разгон маховика при номинальной мощности разгона в 22 кВт с сообщением 9 МДж (2,5 кВт*час) будет длиться

Тр = 2,5 кВт*час / 22 кВт = 409 сек = 0,113 часа.

Общие потери энергии составят:

∆ Е = 2,77 кВт * 0,113 часа = 0,31 кВт*час.

Это составляет от энергии зарядки 2,5 кВт*час долю в 12,6%, а КПД процесса зарядки НКЭ составит

Сравнение потерь (КПД) АКБ и НКЭ

Сравнивая эффективность зарядных циклов АКБ и НКЭ при прочих равных условиях эксплуатации получаем следующую картину. КПД НКЭ при зарядке равен 87,4%. Т.е. при запасании 9 МДж (2,5 кВт*час) в процессе раскрутки маховика будет теряться 0,31 кВт*часа. Потери в одном зарядном цикле АКБ составляют 2,5 кВт*час. За период в 20 лет, или за 3500 циклов, при зарядке один раз в два дня НКЭ потеряет 1137,5 кВт*часов, а АКБ – 8333 кВт*час, или в 7,3 раза больше. Т.е. эффективность НКЭ на этапе зарядки в 7,3 раза больше, чем у АКБ.

При этом следует иметь в виду, что общий экономический эффект от применения НКЭ прямо пропорционален количеству его полных циклов. Т.е., чем чаще он работает в сутки, тем большую отдачу он приносит владельцу. Количество таких циклов ограничено только скоростью зарядки накопителя (конечно, без учета режимов энергопотребления потребителя). Другими словами, теоретически за сутки такой НКЭ сможет сделать 109 циклов зарядки-разрядки. За 20 лет эксплуатации в таком режиме он смог бы сделать 795 700 циклов или в 251,4 раза больше, чем мы приняли в данной статье для того, чтобы уравнять исходные условия для проведения сравнения с АКБ. Анализируя модели реального применения НКЭ в условиях, например, предприятий с резко неравномерным графиком нагрузки, можно принять количество таких циклов в сутки за 40-50, что соответствует, например, графикам нагрузки у предприятий химической и металлургической промышленности (скачки и провалы потребляемой мощности от установившихся номинальных режимов в одни сутки).

Обратим внимание также на то, что мы сильно упрощали параметры и характеристики накопителей (например, считали, что емкость АКБ остается в течение его срока службы постоянной) и условия их эксплуатации и при сравнении конкретных изделий необходимо эти данные привлекать в анализ.

Выводы

Для того, чтобы делать полностью обоснованные выводы из сравнения эффективности АКБ и НКЭ, конечно, нужно принимать во внимание все потери в полном цикле его работы, т.е. на стадиях зарядки, хранения и выдачи энергии. При этом, все условия работы разных видов накопителей должны быть одинаковы. Но это невозможно в силу физических (и химических) основ их функционирования, о чем мы уже упоминали выше.

В силу этого наши выводы могут помочь в более точном определении сегментов наиболее эффективного применения этих типов накопителей энергии. Это, в конечном итоге, должно помочь выявить возможности комплексирования разных накопительных технологий с точки зрения максимального использования для нужд потребителя их сильных и наиболее выгодных ему сторон.

Литература

13. Н.В.Гулиа «Маховичные двигатели», М., Машиностроение, 1976, с. 46.

Источник