Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

MPPT część 7 - Optymalne wykorzystanie akumulatora (ładowanie, temperatura, praca cykliczna i buforowa)

Tytuł artykułu – cyklu to MPPT (Maximum Power Point Tracking). Jak na razie daleko nam jeszcze do MPPT, czyli do kwestii optymalnego wykorzystania panelu FV. Wcześniej koniecznie trzeba bowiem omówić sprawę optymalnego wykorzystania akumulatora.
Article Image

Nieprzypadkowo ostatnio tak szeroko omawialiśmy proste, dwustanowe kontrolery ładowania w konfiguracji szeregowej i zwarciowej, których uproszczone schematy blokowe są pokazane na rysunku 1a i 1b. Otóż obie te równorzędne konfiguracje pozwalają zrealizować nie tylko najprostsze, a wręcz prymitywne kontrolery, tak zwane histerezowe, które jedynie pilnują, żeby nie przeładować akumulatora.

Łatwo można rozszerzyć ich funkcje oraz polepszyć parametry właśnie po to, żeby optymalnie wykorzystać możliwości akumulatora. Dlatego zanim omówimy proste regulatory histerezowe i te ulepszone, zwykle oznaczane PWM, musimy wrócić do właściwości akumulatora kwasowo-ołowiowego i do problemu jego optymalnego ładowania.

Rys.1 Dwustanowe kontrolery ładowania w konfiguracji szeregowej i zwarciowej - uproszczone schematy blokowe

Optymalne ładowanie zależne od budowy akumulatora?

Zacznijmy od przypomnienia, że akumulatory kwasowo-ołowiowe najczęściej pracują w jednym z dwóch trybów: albo buforowym, na przykład w urządzeniu UPS, albo cyklicznym, na przykład w wózku golfowym.

Podczas pracy buforowej do akumulatora cały czas podłączony jest zasilacz sieciowy, który nieprzerwanie utrzymuje na akumulatorze niezmienne napięcie. Akumulator jest źródłem energii tylko w bardzo rzadkich chwilach, gdy zabraknie napięcia sieci.

Przy pracy cyklicznej akumulator jest na przemian ładowany do pełna i rozładowywany. Przez większość czasu akumulator nie jest ładowany. Okresy ładowania są stosunkowo krótkie – teoretycznie trwają tylko tyle, żeby w pełni go naładować.

Współczesne akumulatory kwasowo-ołowiowe to w sumie skomplikowane systemy elektrochemiczne. Niektóre odmiany optymalizowane są do pracy buforowej, inne do ciągłej, jeszcze inne są reklamowane jako uniwersalne.

Budowa akumulatorów kwasowych może być optymalizowana do takiego czy innego rodzaju pracy, ale we wszystkich występuje ten sam główny problem: gdy podczas ładowania dostarczana energia spowoduje już przemiany chemiczne prawie całej masy czynnej (ołów – siarczan ołowiu), wtedy dostarczana energia elektryczna jest zużywana głównie na elektrolizę – na rozerwanie wiązań chemicznych H2O i rozłożenie wody na tlen i wodór, co nazywamy gazowaniem akumulatora.

Podczas ładowania napięcie akumulatora wzrasta, ale wbrew potocznym wyobrażeniom nie ma tu niestety konkretnej dopuszczalnej granicy. Niewielkie gazowanie zaczyna się jeszcze przed pełnym naładowaniem akumulatora. I powstaje poważny dylemat:

Jeżeli chcemy, by przereagowała cała masa czynna akumulatora, powinniśmy dopuścić do gazowania i do związanego z tym ubytku wody. I tak było w starych akumulatorach samochodowych i do dziś jest w akumulatorach trakcyjnych. Warto dodać, że nawet intensywne gazowanie, podobne do wrzenia wody, generalnie nie jest szkodliwe dla akumulatora, byle tylko woda była regularnie dolewana.

Dlatego akumulator mokry, nazywany flooded battery, ma korki, które pozwalają regularnie dolewać wodę (destylowaną lub demineralizowaną), której ubywa podczas takiego agresywnego, ale pełnego ładowania.

Dziś dla wygody użytkownika i dla bezpieczeństwa (elektrolit zawierający kwas siarkowy jest silnie żrący), zdecydowana większość akumulatorów kwasowych ma obudowy szczelne (sealed). Z jednej strony to dobrze, bo nie dopuszczają do wylania się żrącego kwasu i większość może pracować w dowolnym położeniu/pozycji bez obawy wycieku elektrolitu. Ale z drugiej nie pozwalają na dolewanie wody. Nazywane są dość często SLA (Sealed Lead Acid) lub VRLA (Valve Regulated Lead Acid).

W polsce akumulatory takie często nazywane bywają bezobsługowymi. Terminologia nie jest ściśle ustalona, niektóre akumulatory nazywane bezobsługowymi, zwłaszcza samochodowe, mają jednak możliwość dolania wody, a „bezobsługowość” polega na tym, że do prawidłowo eksploatowanego akumulatora dolewanie wody nie powinno być potrzebne (ale jest możliwe).

W przeciwieństwie do tego, akumulatory mokre, typu flooded, bezwzględnie wymagają regularnej kontroli i uzupełniania wody. Jest to kłopotliwe, ale pozwala w lepszym stopniu wykorzystać możliwości akumulatora.

Hobbyści, przynajmniej w naszym kraju, w instalacjach FV zdecydowanie częściej wykorzystują akumulatory szczelne. Istnieje szereg typów szczelnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych (SLA). Powszechnie mówi się o szczelnych akumulatorach żelowych (gel battery), gdzie elektrolit nie jest płynem, tylko ma postać żelu, galarety. Wbrew pozorom, ogromna większość akumulatorów szczelnych (SLA) to akumulatory AGM, a nie żelowe. AGM to Absorbent Glass Mat, gdzie płyn ny elektrolit jest uwięziony w tkaninie, w macie z włókna szklanego.

W każdym razie szczelne akumulatory SLA nie pozwalają na dolewanie wody. Bez szczegółowej analizy można uznać, że w związku z tym nie można wykorzystać całej ich potencjalnie dostępnej pojemności. Aby jednak możliwie dobrze wykorzystać pojemność, wynikającą z masy czynnej płyt, współczesne szczelne akumulatory AGM i żelowe mają taką konstrukcję, że powstający wskutek elektrolizy tlen i wodór łączą się z powrotem w cząsteczki wody pod wpływem katalizatora. Taka regeneracja działa dobrze i skutecznie przy niedużym gazowaniu.

Jeżeli jednak napięcie ładowania jest wysokie oraz jeżeli takie gazowanie trwa bardzo długo, to proces rozkładu na tlen i wodór staje się zbyt szybki i wspomniany mechanizm regeneracji okazuje się zbyt słaby, za mało wydajny. Rosnące ciśnienie gazów powoduje wtedy zadziałanie zaworu bezpieczeństwa, a powstały tlen i wodór wylatują do atmosfery. Jeżeli takie zjawisko się powtarza, to zaobserwujemy stopniowy ubytek wody (elektrolitu). Potocznie mówimy, że „akumulator wysycha”, co oznacza utratę pojemności i w końcu nieodwracalne uszkodzenie.

Problem gazowania został tu przedstawiony w uproszczeniu, ale ważny jest teraz tylko następujący prosty wniosek: dobór napięcia końcowego ładowania zawsze musi być i jest kompromisem między pojemnością a trwałością akumulatora.

Przy napięciu na akumulatorze do około 13,8V problemu szkodliwości gazowania nie ma, bo proces elektrolizy wody przebiega powoli i wspomniana regeneracja nie dopuści do ubytku wody.

Natomiast przy napięciu końcowym na akumulatorze 15V elektroliza jest szybka, gazowanie duże i dłuższe pozostawanie pod takim napięciem szybko uszkodzi szczelny akumulator SLA. Ale przy stosunkowo krótkich okresach ładowania podczas pracy cyklicznej dopuszcza się napięcia od 14,4V do nawet 15V.

Na obudowach wielu akumulatorów kwasowych znajdziemy zalecane napięcia końcowe ładowania – przykład na fotografii 2, gdzie podany jest też maksymalny prąd ładowania.

Fot.2 Zalecane napięcia końcowe ładowania

Przy klasycznej pracy buforowej, np. w zasilaczu UPS, zasilacz sieciowy cały czas utrzymuje na akumulatorze niezmienne napięcie 13,4...13,8V, co zapewni długą pracę akumulatora: kilka do kilkunastu lat, zależnie od jakości i szczegółów wykonania akumulatora. Jednak takie napięcie nie zapewnia pełnego naładowania. Można szacować, że w trybie pracy buforowej wykorzystane jest tylko 60...70% całkowitej pojemności akumulatora (poszczególne źródła podają rozbieżne dane w tej kwestii).

Natomiast przy pracy cyklicznej akumulator jest ładowany stosunkowo krótko, więc nawet w wersjach szczelnych dopuszcza się końcowe napięcie ładowania 14,4...15V. Następuje wprawdzie znaczne gazowanie (elektroliza), ale katalizator zdąży z powrotem zamienić w wodę powstałe gazy, a przynajmniej ich większość. Czym wyższe końcowe napięcie ładowania, tym większa jest pojemność, do 100% wartości nominalnej, ale mniejsza jest trwałość.

Wpływ temperatury akumulatora na napięcie ładowania

Przypomnijmy też, że z wartością napięcia ładowania jest jeszcze inny istotny problem: podawane nominalne wartości napięć progowych dotyczą temperatury pokojowej, zwykle +20°C, a jeżeli temperatura będzie się znacząco zmieniać, dodatkowo należałoby je uzależnić od temperatury akumulatora (nie panelu słonecznego). W kartach katalogowych i innych źródłach można znaleźć zalecenie, iż napięcie to powinno ze wzrostem temperatury akumulatora zmniejszać się o około 30mV/°C. Ale spotyka się też inne zalecenia (–15mV/°C... –35mV/°C).

Praca buforowa, cykliczna i... (wpływ na ładowanie akumulatora)

I teraz sprawa najważniejsza: w instalacjach solarnych mamy sytuację pośrednią między pracą buforową i cykliczną. W silnym słońcu akumulator zostaje naładowany rano lub najpóźniej w pierwszej połowie dnia, potem pracuje buforowo, a energię oddaje głównie wieczorem. Na pewno nie jest to ani typowa praca cykliczna, ani buforowa. A to nasuwa słuszne przypuszczenie, że można poprawić sytuację, wykorzystując jakieś ulepszone algorytmy ładowania.

Tymczasem w najprostszych sterownikach solarnych ustawiona jest jedna, konkretna wartość napięcia końcowego ładowania. Do tego dochodzi histereza: czym większa – tym gorzej. Ogólnie biorąc, w akumulatorach z możliwością dolania wody (flooded) maksymalne napięcie ładowania „słonecznego” mogłoby wynosić 15,0V, a nawet nieco więcej. Ale w systemach FV z reguły stosuje się akumulatory szczelne (sealed – SLA). Wygląda na to, że przy „solarnej pracy półcyklicznej” można podwyższyć napięcie końcowe powyżej 13,8V, ale niezbyt dużo, żeby katastrofalnie nie zmniejszyć trwałości.

To jest jednak półśrodek: mało skuteczny, a ryzykowny. Zdecydowanie lepszym sposobem jest zastosowanie ładowania kilkufazowego. W słoneczny dzień od rana można akumulator ładować agresywnie, jak w trybie cyklicznym, do napięcia wyższego, takiego jak w pracy cyklicznej, a gdy w ten sposób zostanie on w pełni naładowany, należy obniżyć napięcie na nim poniżej 14V, jak dla pracy buforowej.

Niestety, nie ma jednej prostej i optymalnej recepty, jakie powinny być napięcia i czasy w poszczególnych fazach takiej pracy, to zależy też od właściwości akumulatora. Niemniej na pewno można i warto zastosować jakiś ulepszony algorytm ładowania, a nie tylko prymitywne histerezowe ograniczanie napięcia do bezpiecznej wartości...

Omawiana kwestia dotyczy tylko najpopularniejszych akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Akumulatory kadmowe nie są wykorzystywane w większych instalacjach (a jedynie w małych lampkach solarnych). Pomału pojawiają się też instalacje z akumulatorami litowymi.

Akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion, Li-Po), a także fosfatowe (LiFePO4) mają podstawowe zasady ładowania podobne jak ołowiowe, jednak szczegóły są inne, choćby z racji obecności innego elektrolitu. Nie występuje w nich problem gazowania, niemniej pozostaje problem trwałości, która jest zależna od maksymalnego napięcia akumulatora.

Jak na razie akumulatory litowe w systemach solarnych są rzadkością. Dlatego dalsze rozważania będą dotyczyć kilkufazowego ładowania akumulatorów kwasowych. A dociekliwi Czytelnicy już teraz mogą samodzielnie poszukać stosownych informacji na ten temat.

AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich sierpień 2020
Udostępnij
UK Logo