Аккумуляторные батареи в различных индустриях



Все новые изобретения и усовершенствования в сфере электрохимических источников тока, и реальные, и вызывающие обоснованный скепсис, впервые появляются именно для сферы потребительского использования. На волне интереса к электротранспорту новые супераккумуляторы обещают вывести его доступность на доселе невиданный уровень. Индивидуальная мобильность является одной из важнейших тематик нынешнего времени, которая в некоторой мере даже способна преобладать над вопросами защиты окружающей среды. Промышленное же применение электрических батарей, наоборот является более консервативным и считается, что в плане технологичности оно отстает от потребительского сектора. Но такая точка зрения неверна, промышленный сектор более рационален и лучше знаком с ограничениями электрохимических источников тока, в связи с чем более сфокусирован на надежности, экономичности, долговечности и безопасности электрических батарей.

1. Тяговые аккумуляторные батареи

Инвалидные электроколяски, электроскутеры и гольфкары в основном используют свинцово-кислотные аккумуляторы. Несмотря на свой вес, эти аккумуляторы зарекомендовали себя довольно неплохо, и предпринимаются только умеренные попытки их замены Li-ion аккумуляторами.


Аккумуляторы EverExceed

 

Standard Range AGM Deep Cycle Range AGM Gellyte Range GEL
свинцово-кислотные аккумуляторы аккумуляторы для газового котла гелевые аккумуляторы 12 вольт 100 ач и 200 ач 
10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 700 циклов 10 - 12 лет / 750 циклов
универсальная серия AGM для глубоких разрядов AGM универсальная серия GEL

В то время как стоимость Li-ion аккумуляторов выше стоимости свинцово-кислотных, в перерасчете на цикл Li-ion являются более выгодными из-за большего срока службы. Еще одно преимущество Li-ion перед аккумуляторами на основе свинца и никеля состоит в низких эксплуатационных расходах. Эксплуатация Li-ion с точки зрения зарядки очень простая, степень заряда не оказывает какого-нибудь существенного влияния. В противоположность этому, NiCd и NiMH требуют периодической полной разрядки для предотвращения “эффекта памяти” [BU-807], а свинцово-кислотным необходима регулярная зарядка насыщения во избежание сульфатации [BU-804b].

Большинство электроколясок и гольфкаров до сих пор используют свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, так же как и вилочные автопогрузчики. Для погрузчиков тяжелый вес свинцово-кислотных аккумуляторов не является существенной проблемой в отличие от времени зарядки, которое должно составлять 14-16 часов, что в условиях круглосуточно работающего склада является неприемлемым. Некоторые погрузчики оснащены топливными элементами [BU-210], которые заряжают аккумулятор во время работы. В таких случаях погрузчики можно комплектовать меньшими аккумуляторами, но полностью переделать их питание под топливные элементы не представляется возможным, так как этому мешает их не особо хороший КПД и слабая реакция на необходимость увеличения мощности; из-за этого альтернативы аккумуляторным батареям в вилочных погрузчиках пока нет.

Чем тяжелее становится колесное транспортное средство, тем менее для него подходят аккумуляторные батареи в качестве источника питания. Но это не мешает инженерам искать решения в больших аккумуляторных системах, способных стать альтернативой неэкологичным двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Одной из таких разработанных систем является Автоматически управляемое транспортное средство (англ. Automatic Guided Vehicle - AGV), используемое в портах. AGV-погрузчикам не нужны длительные простои, связанные с подзарядкой, они способны работать 24 часа в сутки. Это стало возможно путем замены огромного 10-тонного свинцово-кислотного аккумулятора мощностью 300 кВт на гораздо более легкий и быстрозаряжаемый Li-ion.


Аккумуляторы EverExceed GEL

 

Marin GEL Range Deep Cycle GEL Range Solar GEL Range
аккумулятор для электромотора аккумуляторы глубокого разряда аккумуляторы для солнечных батарей
10 - 12 лет / 800 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов
для электромоторов лодок и катеров для глубоких циклических разрядов для солнечных электростанций

Все же не существует экономически обоснованного решения использования электрических батарей в больших тяговых системах и полностью избежать сжигания ископаемого топлива не удается. В то время как удельная энергоемкость современных Li-ion аккумуляторов может достигать 150 Вт*ч/кг, для ископаемого топлива этот показатель равен примерно 12 000 Вт*ч/кг. Даже если брать в расчет снижение эффективности двигателя внутреннего сгорания на 25% во время холодной погоды, сопоставлять энергетические показатели электрохимических реакций в электрической батарее и горение углеводородов не имеет смысла. (Смотрите BU-1007: Низшая теплотворная способность). Кроме того, двигатели внутреннего сгорания могут работать в экстремальных температурных условиях, что недоступно электрохимическим источникам тока.

2. Аккумуляторные батареи в авиации

Главной обязанностью аккумуляторной батареи на борту самолета является обеспечение электропитания для навигационной и аварийной систем во время запланированного или аварийного отключения вспомогательной силовой установки. Аккумуляторы обеспечивают питание для торможения, запуска двигателей и наземных операций. В случае отказа двигателя, аккумуляторы должны быть способны поставлять энергию от 30 минут до 3 часов. Мощность аккумуляторной системы каждого самолета должна быть достаточной для обеспечения безопасной посадки. Во время полета электроэнергия поступает от генераторов, и подобно автомобилю, бортовые аккумуляторы могут быть отключены, если это требуется.

Большинство коммерческих авиалайнеров используют затопленные никель-кадмиевые аккумуляторы. Взлет больших самолетов стартует с запуска вспомогательной силовой установки, небольшого газотурбинного двигателя, расположенного в хвостовой части. Пуск такого вида двигателя занимает гораздо больше времени и требует больше энергии, если сравнивать с поршневым двигателем аналогичного размера. Необходимо значительное количество энергии, способное обеспечить достаточный уровень сжатия для самостоятельного зажигания. Запуск занимает примерно 15 секунд и потребляет 15 кВт энергии. Уже после запуска вспомогательной силовой установки воздушный компрессор или гидравлический насос приводит в действие реактивные двигатели.

В небольших самолетах чаще используются герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы. Несмотря на то, что они тяжелее никель-кадмиевых, в плане обслуживания свинцово-кислотные заметно проще. 12 и 24-вольтовые авиационные аккумуляторы оцениваются не столько классическим показателем пускового тока, как это принято в автомобильной промышленности, а разрядным пиковым током (IPP - current peak power*) и разрядным номинальным током (IPR - current powert rating**). Параметры IPP и IPR входят в стандарт Международной Электротехнической Комиссии IEC 60952-1, а также упоминаются в регламенте FAA TSO-C173, в котором говорится о необходимости обладания аккумулятором возможностью обеспечивать электропитание двигателя в течение 25-40 секунд наивысшим значением тока.


Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)

 

Trojan Marine RV AGM Deep Cycle Trojan GEL Deep Cycle
тяговые лодочные аккумуляторы 12 вольт Тяговые аккумуляторы agm Аккумуляторы для поломоечных машин
10 - 12 лет / 700 циклов 10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов
для речного и морского траспорта для электромоторов, солнечных электростанций, высоких нагрузок

Современные реактивные истребители используют уже литий-ионные аккумуляторы, так же как и Boeing 787 Dreamliner. В другом пассажирском авиалайнере, Airbus A350, существует возможность установки аккумуляторов любой электрохимической системы. В связи с переходом большинства внутрибортовых функций самолетов с гидравлической на электрическую форму питания, возросли размеры используемых аккумуляторов. Соответственно, Li-ion аккумуляторы, обладающие большей энергоемкостью, в этом плане более интересны, чем свинцово-кислотные и никель-кадмиевые. Однако непредсказуемые отказы Li-ion, чреватые серьезными последствиями, могут воскресить интерес производителей к NiCd. Абсолютно все электрические батареи не застрахованы от выхода из строя, были случаи теплового пробоя и у NiCd, но все же они более управляемые в сравнении с Li-ion.

NiCd долговечны и надежны, но требуют технического обслуживания и регулярной “тренировочной” зарядки для противодействия “эффекту памяти”. Сервис главного аккумулятора воздушного судна состоит в полной его разрядке и закорачивании каждого элемента на 24 часа специальной скобой. Аккумулятор также проверяется на емкость с помощью анализатора. Небольшие вспомогательные NiCd аккумуляторы, размещенные на борту самолета, имеют различные требования к обслуживанию.

Хотя на борту самолета и находится много разных аккумуляторов, их единственная цель состоит в том, чтобы запустить двигатель и обеспечить резервное питание. Большие самолеты еще долго будут продолжать летать на ископаемом топливе, так как в их случае электрические батареи непрактичны в качестве источника обеспечения движения. Небольшие же самолеты с питанием от аккумуляторов способны преодолевать только небольшие расстояния и на данный момент считаются больше экспериментальным видом транспорта. Вес и снижающаяся с возрастом надежность аккумуляторов являются одними из самых главных преград на пути развития этого перспективного направления.

*IPP

Пиковый разрядный ток, подаваемый в течение 0,3 секунд после старта 15- секундной управляемой разрядки при постоянном напряжении на клеммах в размере половины номинального напряжения аккумулятора.
**IPR Значение разрядного тока после 15 секунд управляемой разрядки при постоянном напряжении на клеммах в размере половины номинального напряжения аккумулятора.

3. Аккумуляторные батареи в космонавтике

Первые спутники использовали NiCd аккумуляторы, и именно тогда был открыт такой их недостаток, как “эффект памяти” [BU-807]. Аккумулятор нормально работал при стабильных одинаковых разрядках, но когда однажды понадобилась дополнительная энергия, оказалось, что емкость такого аккумулятора стала ограничена размером повторяющейся циклической разрядки, как будто аккумулятор решил протестовать против переработки.

В дальнейшем никель-кадмиевые аккумуляторы были вытеснены никель-водородными [BU-203], имеющими исключительно длительный срок службы. Предпринимались попытки найти этой электрохимической системе и коммерческое применение, но высокая цена и большие размеры не способствовали этому. Никель-водородный элемент стоит около $1000, и благодаря стальному баку похож на небольшой паровой двигатель.


Контроль и защита аккумуляторов

 

Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Батарейный балансир
Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Стабилизатор тока заряда аккумулятора
контроль более 25 параметров, история и синхронизация защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения

Литий-ионная электрохимическая система является очень неплохим выбором для использования в спутниках. Аккумуляторы такого типа имеют небольшой вес, легкие в зарядке, прочные и хорошо переносят циклический режим работы. Li-ion может пребывать в любом состоянии заряда длительное время без нежелательных побочных эффектов, слабо подвержен саморазряду и практически не требует обслуживания.

Марсоход “Кьюриосити” использует специально разработанные литий-никель-оксидные элементы (LiNiCo), соединенные по системе 8S2P (восемь элементов в последовательном соединении и два в параллельном), которая позволяет заряжаться и разряжаться частично, что благотворно сказывается на продолжительности жизни аккумулятора. Благодаря такой системе построения срок службы этого аккумулятора составляет 4 года и примерно 700 сол. (термин сол используется в астрономии для обозначения продолжительности солнечного дня на Марсе). Элементы емкостью 43 Ач, два из которых расположены параллельно, имеют максимальный С-рейтинг [BU-402] 0,55С.

НАСА хочет разработать Li-ion аккумуляторы, способные работать в течение 7 лет и перенести 37000 циклов с глубиной разряда от 40 до 60 процентов. Для этого необходимо решить существующие проблемы, которые приводят к возрастной деградации литиевого источника питания. К этим проблемам относится возникновение слоя SEI на аноде, потери вещества катода, потери проводящего пути, оседание металлического лития и окисление электролита. В данный момент разрабатываются оптимизированные под требования космической отрасли большие Li-ion элементы емкостью 140 Ач, продолжительность жизни которых составит 18 лет. (Смотрите BU-808b: Причины выхода из строя литий-ионных аккумуляторов).

4. Стационарные аккумуляторные батареи

С существующим огромным количеством типов аккумуляторных батарей для стационарных систем было бы неразумно руководствоваться при их выборе одной лишь ценой. Стоимость за один киловатт час (кВт*ч) все-таки несет в себе недостаточно информации об аккумуляторе, очень существенна также стоимость одного цикла, общая долговечность и возможность беспроблемной замены.

Свинцово-кислотные аккумуляторы [BU-201] хорошо подходят для ситуаций, когда разрядные процессы носят нерегулярный характер. Проточные [BU210b] и серно-натриевые аккумуляторы [BU-211] неплохо зарекомендовали себя при использовании в больших системах, подверженных регламентированной разрядке; а литий-ионные [BU-204] больше подходят для малых и средних систем, где короткие периоды разрядки перемежаются с быстрой зарядкой, причем количество таких циклов может доходить до нескольких раз в сутки.

Традиционно именно аккумуляторы свинцово-кислотной электрохимической системы используются в качестве стационарных. Их размер и вес в данном случае не является решающим фактором, а ограниченное количество циклов компенсируется не особо частыми разрядками. Большие свинцово-кислотные аккумуляторы для стационарных систем в основном идут затопленного типа, что требует организации регулярной проверки уровня электролита. Существуют автоматические системы, следящие за этим, что значительно облегчает обслуживание.

VRLA аккумулятор – это тот же свинцово-кислотный аккумулятор, но конструктивно сделанный так, что его периодическое обслуживание сведено к минимуму. Сведено к минимуму – не означает полностью исключено, поэтому совсем забыть об обслуживании VRLA аккумулятора будет ошибкой. Периодически необходимо проверять напряжение, внутреннее сопротивление, а иногда и емкость.

В случаях, когда аккумуляторная система будет подвержена воздействию холодных и горячих температур, а также при глубоких разрядах, часто используются затопленные никель-кадмиевые аккумуляторы. Такие аккумуляторы более надежны в сравнении со свинцово-кислотными, но дороже примерно в четыре раза. При производстве затопленных никель-кадмиевых аккумуляторов не используется технология спекания, как в случае с герметичными, и вследствие этого они менее подвержены “эффекту памяти”, но определенное обслуживание им все равно необходимо, хотя и значительно меньшее, чем герметичным версиям. Также стоит отметить, что никель-кадмиевая электрохимическая система является единственной системой, способной выдержать ультрабыструю зарядку с минимальными повреждениями.


Аккумуляторы EverExceed

 

OPzS NI-CD OPzV
аккумуляторы opzs промышленные аккумуляторы ni-cd аккумуляторы opzv
20 лет / 1500 циклов 25 лет / 2000 циклов 20 лет / 1500 циклов
для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д.

Довольно распространены и литий-ионные стационарные аккумуляторы. У этого типа аккумуляторов много преимуществ, но есть и недостатки — например, их производительность при низких температурах довольно сильно уступает никель-кадмиевым и даже свинцово-кислотным. Еще одной электрохимической системой, вновь вызывающей интерес, но уже в плане стационарного использования, является железо-никелевая. Она была разработана еще Томасом Эдисоном, который планировал использовать такие аккумуляторы в своем проекте электромобиля, но данные начинания опередили свое время, и в конечном итоге железо-никелевый тип аккумулятора уступил более дешевому и обладающему меньшим саморазрядом свинцово-кислотному. Но сегодня эта электрохимическая система получила ряд усовершенствований и различные ее применения вызывают все больший интерес.

5. Аккумуляторные батареи для распределенной энергетики

Возобновляемые источники энергии, такие как ветер или солнце, не могут обеспечить постоянный поток энергии и не всегда гармонируют с запросами потребителей. Соответственно, необходимо и определенное хранилище для генерируемой энергии, которое поможет справиться с выравниванием нагрузки и обеспечить бесперебойное электропитание.

Идея аккумулирования энергии для дальнейшего удовлетворения пиковых нагрузок не нова. К примеру, гидроэлектростанции используют избыточную электроэнергию в ночное время для обратной перекачки воды, чтобы на следующий день снова ее использовать. Хотя КПД такой гидроаккумуляции и составляет всего лишь 70-85 процентов, ею легче управлять, чем регулировать генераторы на точную потребность в электропитании. Также в качестве аккумуляции энергии может выступать сжатие воздуха в подземных полостях или резервуарах с дальнейшим переводом этой энергии в электричество.

Маховики также служат в качестве накопителей энергии. Большие электродвигатели увеличивают скорость вращения однотонного маховика при доступности избыточной энергии, обеспечивая этим ее аккумуляцию в кинетическом виде. Высокоскоростные маховики вращаются со скоростью более 30 тысяч оборотов в минуту, используя магнитные подшипники в вакуумной камере. Электродвигатели/генераторы с постоянными магнитами преобразовывают электричество в кинетическую энергию и обратно по мере возникновения избытка или дефицита электричества.

В современных маховиках сталь была заменена на углеродные волокна, которые могут выдерживать более высокие обороты, вплоть до 60 тысяч в минуту. Энергия возрастает пропорционально квадрату скорости, обеспечивая в четыре раза больше мощности при пониженном весе. В случае разрыва маховика его корпус предотвратит распространение осколков.

Использование маховиков для хранения кинетической энергии имеет долгую историю. Еще в 1940-х и 1950-х годах в Швейцарии существовали автобусы, приводимые в движение маховиками. Электрический двигатель в течение 3 минут раскручивал 3-тонный маховик до 3000 оборотов в минуту. В дальнейшем уже как генератор этот двигатель преобразовывал кинетическую энергию обратно в электричество. Каждый заряд обеспечивал до 6 километров хода по ровной дороге. Такой автобус был экологически чистым, но имел недостаток в виде эффекта гироскопа, который мешал изменению движения на ветреной дороге.

Необходимость выравнивания нагрузки в случае использования электрохимической аккумуляторной системы делает литий-ионную систему наиболее подходящей для этой роли из-за небольших размеров, низких эксплуатационных расходов и длительного срока службы. Литий-ионные аккумуляторы не подвержены сульфатации, как это случается со свинцово-кислотными при периодическом отсутствии полной зарядки. Такая особенность является решающей в ситуациях, когда будет существовать недостаток зарядных возможностей. Литий-ионные аккумуляторы также имеют преимущество в плане более низкого веса и лучшей портативности, что облегчает их установку в удаленных местах. К недостаткам Li-ion можно отнести высокую стоимость и низкую производительность при холодных температурах. Еще один недостаток – это невозможность зарядки ниже точки замерзания.


Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)

 

Flooded 6V Flooded 8V Flooded 12V
аккумуляторы для погрузчиков аккумуляторы для подъемников тяговые аккумуляторы 12 вольт
10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 600 циклов
для тяжелых условий работы с электромотрами в составе лодок, погрузчиков, подъемников, поломоечных машин и т.д.

В таблице 1 приводится сравнение стоимости литий-ионной и свинцово-кислотной аккумуляторных систем для хранения энергии. Хотя начальная стоимость у Li-ion и выше, но при перерасчете на стоимость цикла Li-ion оказываются более выгодными. Несмотря на кажущуюся конкуренцию, эти оба типа аккумуляторов широко представлены на рынке аккумуляторных систем для распределенной энергетики, но все же можно отметить, что Li-ion показывает лучшую тенденцию к росту, но в то же время свинцово-кислотные системы крепко держат свои позиции.

 

Свинцово-кислотная система

Li-ion система

Стоимость системы

$20 000

$52 000

 

Срок службы

500 циклов при глубине разряда в 50%

1 900 циклов при глубине разряда в 90%

Стоимость цикла

$40

$28

Таблица 1: Сравнение стоимости свинцово-кислотной и литий-ионной аккумуляторных систем для хранения возобновляемой энергии. Li-ion имеет более высокую начальную цену, но в перерасчете на стоимость цикла оказывается более дешевым. Цены указаны примерные.

Количество энергии, генерируемой крупным промышленным ветрогенератором, составляет 1 мегаватт (МВт) и более, вплоть до 10 МВт. Несколько турбин образовывают ветроэлектростанцию, которая производит 30-300 МВт. Для понимания того, что такое мегаватт, достаточно знать, что мощностью в 1 МВт можно обеспечить 50 домов или 1 большой супермаркет.

Не все источники возобновляемой энергии имеют аккумуляторную систему хранения. Необходимая система может быть просто огромной и не оправдать вложенных средств. К примеру, 30 МВт ветроэлектростанции нужна аккумуляторная система мощностью 15 МВт. Это эквивалентно 20 000 стартерных аккумуляторов или 176 электромобилям Tesla с 85 КВт аккумулятором каждый. Стоимость хранения энергии в аккумуляторе весьма недешёвая, по некоторым расчетам такая аккумуляция удваивает окончательную цену электричества.

Система управления аккумуляторной батареей [BU-908] (англ. The battery managment system - BMS) держит аккумуляторы на уровне заряда около 50 процентов, чтобы было возможно как и зарядиться от непрогнозируемого источника энергии (например, резкие порывы ветра для ветрогенератора), так и удовлетворить возникшие высокие нагрузки. Современная BMS может переключаться между зарядкой и разрядкой менее чем за секунду. Это помогает стабилизировать напряжение на линиях передач, такой процесс также известен как регулирование частоты.

Последнее обновление 2016-05-30


Зарядные устройства Victron Energy (Голландия)

 

Phoenix Charger Skylla-i Skylla-TG
Зарядное устройство для свинцово-кислотных AGM аккумуляторов Зарядное устройство для яхты, катера и судна Skylla-i Victron Energy Профессиональное зарядное устройство для гелевых аккумуляторов
12/24В, 16-200А 24В, 80-500А 24/48В, 30-500А
Мощные профессиональные зарядные устройства для яхт, катеров и другого вида транспорта. Предлагаются однофазные и трехфазные зарядные устройства высокой мощности. Многостадийный адаптивный заряд с возможностью ручного управления.

Аккумуляторные батареи в различных индустриях и сферах


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 5/5 на основе 1 голоса