Емкость сервисных аккумуляторов

Прежде чем создавать или модернизировать на катере или яхте систему хранения электрической энергии, необходимо выяснить, сколько электричества ежедневно потребляется и генерируется на судне.

Расчет энергопотребления

Самый простой способ сделать это – установить батарейный монитор и отследить получаемый и отдаваемый аккумулятором ток. Данные собранные монитором позволят принять решение о требуемой емкости аккумуляторной батареи.

Более достоверно оценить состоянии электрической системы поможет информация о вкладе каждого потребителя или источника электроэнергии в ежедневный энергетический баланс. При этом исходные данные могут быть как реальными (если они есть), так и оценочными.

Независимо от того, как получены цифры, предварительный прогноз энергопотребления дает возможность определить емкость сервисной аккумуляторной батареи, а затем и мощность источников, необходимую для быстрой зарядки аккумуляторов

Потребление энергии считают за 24 часа, предполагая, что на воде аккумуляторы заряжают один раз в сутки. Для расчета используют данные, предоставляемые производителем оборудования.

Нагрузку, создаваемую устройством в электрической цепи, производители указывают либо в амперах, либо в ваттах. В амперах измеряется сила протекающего через устройство тока, а ваттах работа, совершаемая им за одну секунду.  Что использовать для расчета, ватты или амперы значения не имеет, важно только, чтобы для всех устройств были указаны одинаковые единицы измерения. В системе постоянного тока удобнее использовать амперы, поскольку в ваттах номинал устройств указывается реже.

На катере или яхте могут быть установлены устройства как постоянного, так и переменного напряжения, работающие через инвертор. Расчёт для каждой группы оборудования выполняют отдельно

Устройства постоянного напряжения

В первую очередь составляют перечень установленного на борту электрооборудования и заносят наименования устройств в таблицу. Рядом с каждым устройством указывают потребляемый им ток и приблизительное время работы в часах в течении суток. Умножив продолжительность работы на ток, получают суточное потребление электричества в ампер-часах и также заносят его в таблицу. Просуммировав энергопотребление всех устройств получают общее потребление электрической энергии за борту устройствами постоянного напряжения за сутки.

Цепи переменного тока

В электрической системе постоянного тока Ватт = Вольт × Ампер. Однако для переменного тока это не так. В цепи переменного тока Ватт = Вольт × Ампер х коэффициент мощности. Резистивные нагрузки имеют коэффициент мощности равный 1,0. Но у асинхронных двигателей, флуоресцентных ламп, некоторых зарядных устройств и инверторов коэффициент мощности меньше 1,0, и иногда равен всего 0,5 -0,7.

Это означает, что номинальные характеристики устройства дают ложное представление об энергопотреблении и в реальности для его работы требуется большая мощность, чем указана в паспорте.

Вклад оборудования переменного напряжения в общее энергопотребление вычисляют по тем же правилам, что и для устройств постоянного. Сначала в таблицу заносят наименование и мощность (с учетом коэффициентов мощности) всех устройств, работающих от инвертора. Затем указывают предполагаемое время работы и умножив потребляемую мощность на продолжительность использования вычисляют суточное потребление электроэнергии каждым устройством и всем оборудованием переменного тока.

 

Суммарный ежедневный расход в ампер-часах получают разделив общее суточное потребление на напряжение в электрической системе (12 или 24 вольта). Поскольку при преобразовании постоянного напряжения в переменное в инверторе существуют потери, то последнее число умножают на 1,1.

В режиме ожидания инвертор также расходует энергию от аккумулятора. Этот расход необходимо учесть и добавить к полученному ранее числу. Например, ток, потребляемый инвертором в режиме ожидания 200 мА = 0,2 А. Значит в течении 24 часов он разрядит аккумулятор на 0,2 х 24 = 4,8 Ач

Вычисленные таким образом значения для устройств постоянного и переменного напряжения складывают и получают общее потребление электроэнергии от аккумуляторной батареи между зарядками

У парусных яхт расчет энергопотребления выполняют как для якорной стоянки, так и для движения под парусом и в дальнейших расчетах использует наибольшее из двух значений

После того как энергопотребление посчитано переходят к определению емкости аккумуляторной батареи.

От чего зависит емкость

Предположим, катер или яхта большую часть времени проводит на якорной стоянке. За сутки на борту потребляется 100 Ач, а основным источником энергии служит генератор двигателя. Если владелец планирует запускать двигатель для зарядки аккумуляторов один раз в 24 часа, то сервисная аккумуляторная батарея должна иметь емкость как минимум 100 Ач.

Однако, если потребление электроэнергии на борту меньше мощности установленного генерирующего оборудования, то режим работы аккумуляторов будет напоминать автомобильный. За неглубоким разрядом последует быстрая зарядка после которой аккумуляторы длительное время будут находится в полностью заряженном состоянии.

Так работает сервисная батарея на моторном катере во время движения или на яхте с большим массивом солнечных панелей, ветро и гидрогенератором. Генератор двигателя, солнечные панели и ветрогенератор совместно удовлетворяют потребности бортового оборудования в энергии и поддерживают аккумуляторную батарею в заряженном состоянии.

Альтернативные источники энергии становятся все более популярными, поэтому режим работы электрической системы на катере или яхте часто находится посредине между двумя описанными случаями. Однако, чтобы не зависеть от погоды солнечные батареи или ветрогенератор исключают из расчета и считают, что сервисную батарею заряжает только генератор двигателя, а расход энергии между зарядками заранее известен.

Пример расчета энергопотребления:

При таком подходе емкость сервисной аккумуляторной батареи зависит от трех составляющих —  глубины разряда, уровня заряда и возраста аккумуляторов

До какого уровня разряжать

Ранее мы установили, что при суточном энергопотреблении 100 Ач, минимальная емкость сервисного аккумулятора также должна составлять 100 Ач. Однако регулярный полный разряд смертелен для свинцово-кислотных аккумуляторов и его стараются никогда не допускать. Но разряжая аккумулятор не целиком мы используем только часть имеющейся емкости и, чтобы обеспечить необходимый запас электричества, вынуждены увеличивать размер батареи. Например, при ежедневном потреблении 100 Ач и допустимом уровне разряда 50%, емкость сервисной батареи должна быть 200 Ач.

Понятно, что чем глубже можно разрядить аккумулятор, тем меньше должна быть его емкость при заданной нагрузке. Для разных типов аккумуляторов допустимый уровень разряда разный. Для свинцово-кислотных это 50-70%, а для LiFePO4 аккумуляторов до 100% от емкости.

Нужно ли заряжать до 100%

Нижнюю границу для емкости задает срок службы сервисной аккумуляторной батареи. Верхняя же зависит от требуемой скорости зарядки.

Сильно разряженный аккумулятор потребляет ток в 100-150% от емкости. После того как аккумулятор зарядится до 50%, безопасный для него ток опускается до 25 — 40% от емкости и с ростом заряженности продолжает снижаться. Чем сильнее заряжается аккумулятор, тем медленнее идет зарядка и на переход от 80 до 100% может потребоваться несколько часов.

Баланс между сроком службы, временем перезарядки, стоимостью аккумуляторов и эксплуатационными расходами используемого для зарядки двигателя достигается, когда аккумуляторы работают в диапазоне 50-80 % емкости. Хотя в этом случае используется всего 30% емкости, но зато сокращается время перезарядки, которое можно свести к минимуму с помощью DC-DC зарядного устройства. Точная продолжительность зарядки зависит от типа аккумуляторов и мощности имеющегося устройства.

 

Однако режима частичной зарядки придерживаются, только когда время ограничено и двигатель специально работает для заряда аккумуляторов. Если тяговые аккумуляторы заряжает береговое зарядное устройство у которого достаточно времени, то батареи необходимо заряжать полностью — в этом случае они прослужат дольше.

Старение аккумуляторов

Со временем аккумулятор стареет. Активный материал пластин выпадает из решетки, развивается сульфатация и емкость аккумулятора уменьшается.  При расчете емкости процесс старения учитывают с помощью дополнительного поправочного коэффициента, который принимают равным двадцати процентам. Старение свойственно как свинцово-кислотным, так и литиевым аккумуляторам

Выбор аккумуляторов

Чтобы поддерживать на борту ежедневное потребление 100 Ач, используя при этом только 30% имеющегося запаса энергии, полная емкость сервисной аккумуляторной батареи должна быть равна 333 Ач. А с учетом поправочного коэффициента на возраст — 400 Ач.

Если принять, что аккумуляторы будет разряжаться не до 50%, а до 30%, то хватит батареи емкостью 250 Ач. Однако в этом случае не остается резерва и срок службы аккумуляторов сокращается по сравнению с 50% разрядом.

Оптимальная емкость сервисной аккумуляторной батареи должна быть в 2,5 ÷ 4 раза больше энергопотребления между зарядками для свинцово-кислотных и в 1,5 ÷ 2 раза для LiFePO4 аккумуляторов

Уменьшение энергопотребления

Если полученная емкость сервисной аккумуляторной батареи кажется слишком большой, а сами аккумуляторы слишком тяжелыми или дорогими, то необходимо выполнить повторный расчет. Для этого задаются максимально приемлемой емкостью и подбирают время между зарядками или уменьшают энергопотребление.

В заключении оценивают допустимую длительную непрерывную нагрузку, которую придется нести аккумуляторной батарее. Максимальный продолжительный ток не должен превышать 25% от емкости для аккумуляторов с жидким электролитом, 40% для AGM и 50-100% для LiFePO4 аккумуляторов.

Как правило самая большая нагрузка на борту – это работающий на полной мощности инвертор. Если мощность инвертора больше указанных значений, аккумуляторы необходимо дополнительно защищать.