Informații utile pentru înțelegerea sistemelor de alimentare cu energie
Ce înseamnă în realitate wattul, watt-ora și amper-ora? De ce nu este suficient să analizăm doar capacitatea bateriei? De ce depind autonomia reală, posibilitatea de încărcare și alimentarea consumatorilor mai puternici?
Prezentarea de mai jos explică relații tehnice fundamentale, utile atât la alegerea unui sistem EnergonX cât și a unei alte soluții de alimentare cu energie pe bază de baterii.
Putere, capacitate și autonomie
Sunt trei concepte diferite. Pentru alegerea corectă a sistemului, toate trei trebuie interpretate împreună.
Watt (W)
Indică puterea instantanee: câtă putere solicită un consumator de la sistem în timpul funcționării.
Watt-oră (Wh)
Indică o cantitate de energie. Un consumator de 100 W utilizează aproximativ 100 Wh de energie într-o oră.
Amper-oră (Ah)
Indică capacitatea de încărcare a bateriei la tensiunea nominală dată. Valoarea Ah singură nu arată cantitatea de energie stocată.
Formule de bază
Energia stocată, aproximativ: tensiune × capacitate = watt-oră
Autonomia teoretică, aproximativ: energia disponibilă în Wh ÷ consumul mediu
Autonomia reală poate fi mai mică decât rezultatul unei împărțiri simple
Calculul este influențat de pierderile invertorului și ale altor componente electronice, capacitatea efectiv utilizabilă a bateriei, temperatură, nivelul sarcinii, cablare, starea bateriei și modul de funcționare al consumatorului.
De ce nu este suficientă valoarea Ah?
Aceeași capacitate în Ah reprezintă cantități de energie complet diferite la tensiuni diferite ale sistemului.
| Baterie | Calcul | Energie nominală |
|---|---|---|
| 12,8 V / 100 Ah | 12,8 × 100 | 1280 Wh |
| 25,6 V / 100 Ah | 25,6 × 100 | 2560 Wh |
| 51,2 V / 100 Ah | 51,2 × 100 | 5120 Wh |
Valoarea comparabilă este Wh
Conținutul energetic al bateriilor cu tensiuni diferite trebuie comparat în watt-ore. Aceeași valoare Ah nu înseamnă că două baterii pot alimenta același consumator pentru aceeași perioadă.
Putere continuă și putere de pornire
Puterea nominală indicată pe eticheta unui consumator nu arată întotdeauna solicitarea maximă care apare la pornire.
Putere continuă
Este puterea pe care invertorul și întregul sistem trebuie să o asigure în mod continuu. La dimensionare trebuie însumate puterile consumatorilor care funcționează simultan.
Putere de pornire sau de vârf
Motoarele, pompele, compresoarele, frigiderele, aparatele de aer condiționat și unele surse de alimentare pot solicita pentru scurt timp de câteva ori puterea nominală la pornire.
Nu trebuie verificată doar puterea invertorului
Invertorul, BMS-ul bateriei, cablurile, conectorii și siguranțele trebuie să poată gestiona solicitarea de pornire. O putere de vârf mare a invertorului nu ajută dacă bateria sau partea de curent continuu se decuplează mai întâi.
Energie nominală și energie utilizabilă efectiv
Valoarea nominală în Wh indicată pe baterie nu este identică cu energia care ajunge în final la consumator.
Limită de descărcare
Pentru protejarea celulelor, BMS-ul sau sistemul de control se poate decupla înainte de utilizarea întregii energii teoretice.
Pierderi de conversie
Invertorul, convertorul DC–DC, controlerul de încărcare și alte componente electronice consumă energie și produc căldură în timpul funcționării.
Condiții de funcționare
Temperatura, vechimea bateriei, nivelul sarcinii și pierderile din cabluri influențează energia care poate fi extrasă.
Exemplu orientativ
Dintr-o baterie cu energie nominală de 1280 Wh, dacă presupunem că 85% ajunge la consumator ca energie utilizabilă prin întregul sistem, se pot utiliza aproximativ 1088 Wh.
Acesta nu este un raport garantat în general, ci doar un exemplu de calcul. Valoarea reală este determinată de bateria și sistemul concret.
Cum alegem o baterie?
Aceeași tensiune nominală și aceeași capacitate nu înseamnă automat compatibilitate. Bateria trebuie aleasă pentru întregul sistem și pentru sarcina reală.
Tensiunea sistemului
Un sistem de 12, 24 sau 48 V necesită baterie, încărcător, invertor și alte componente electronice proiectate pentru tensiunea corespunzătoare.
Compatibilitatea dimensională
Trebuie verificate dimensiunile, poziția bornelor, traseul cablurilor, fixarea și spațiul necesar montajului.
Capacitatea de curent a BMS-ului
Curentul continuu și curentul de descărcare de scurtă durată trebuie să fie suficiente pentru cererea consumatorilor și a invertorului.
Condiții de încărcare
Tensiunea finală de încărcare, profilul de încărcare și curentul maxim trebuie să respecte specificațiile bateriei.
Limite de temperatură
Încărcarea în jurul și sub punctul de îngheț necesită o atenție deosebită. Autoîncălzirea sau blocarea încărcării pot fi luate în calcul numai dacă modelul concret oferă efectiv aceste funcții.
Documentație și suport
Sunt importante o fișă tehnică de încredere, un model identificabil, limitele producătorului, garanția și un suport comercial sau de service accesibil.
Nu contează doar valoarea Ah
Chiar și o baterie de capacitate mare poate fi nepotrivită pentru un invertor puternic sau un consumator cu curent mare de pornire dacă BMS-ul, cablurile, conexiunile sau siguranțele nu sunt dimensionate corespunzător.
LiFePO₄ sau baterie AGM / cu plumb?
Nu există o singură tehnologie corectă pentru toate situațiile. Modul de utilizare, durata de viață necesară în cicluri, greutatea, mediul și costul trebuie analizate împreună.
| Criteriu | LiFePO₄ | AGM / plumb-acid etanș |
|---|---|---|
| Greutate | În general mai mică la aceeași energie nominală. | În general mai mare. |
| Capacitate utilizabilă | De regulă poate fi utilizată o proporție mai mare în limitele producătorului. | Pentru o durată de viață mai lungă necesită de obicei descărcări mai puțin profunde. |
| Durată de viață în cicluri | În general mai lungă dacă este utilizată corect. | În general mai scurtă, mai ales la descărcări profunde frecvente. |
| Tensiune în timpul descărcării | Poate rămâne relativ stabilă pe o mare parte a descărcării. | De regulă scade mai treptat pe măsură ce nivelul de încărcare se reduce. |
| Încărcarea la temperaturi scăzute | În jurul și sub punctul de îngheț poate fi necesară blocarea încărcării sau autoîncălzirea. | Se aplică alte reguli de temperatură și încărcare. |
| Încărcător | Este necesar un profil de încărcare compatibil LiFePO₄. | Este necesar un încărcător potrivit tehnologiei concrete cu plumb. |
| Autodescărcare | De regulă mai redusă. | De regulă mai ridicată. |
| Cost inițial | Adesea mai ridicat. | Adesea mai redus. |
De ce este populară tehnologia LiFePO₄?
Datorită raportului favorabil dintre greutate și energie, duratei de viață de regulă lungi, tensiunii stabile la descărcare, autodescărcării reduse și protecțiilor electronice realizabile prin BMS. Amploarea acestor avantaje diferă de la un model la altul.
Pierderile invertorului și consumul propriu
Un invertor de 230 V nu transformă energia bateriei fără pierderi și poate consuma energie chiar și atunci când este pornit fără sarcină.
Randamentul conversiei
Invertorul transformă energia DC în energie AC. Diferența apare în principal sub formă de căldură, astfel încât la consumator ajunge mai puțină energie decât părăsește bateria.
Consumul în gol
Invertorul poate consuma energie chiar și fără sarcină sau atunci când alimentează doar un dispozitiv de putere foarte mică.
Pentru consumatori mici, alimentarea directă în curent continuu poate fi mai eficientă
Alimentarea unui dispozitiv de putere mică la 5 V, 12 V sau 24 V de la o ieșire DC adecvată este adesea mai eficientă decât transformarea energiei mai întâi la 230 V și apoi din nou la tensiune joasă prin sursa de alimentare a consumatorului.
Conectarea directă în curent continuu poate fi utilizată numai cu reglarea corectă a tensiunii, polaritatea, conexiunea și protecția corespunzătoare.
De ce pot fi avantajoase 24 sau 48 V la puteri mai mari?
La aceeași putere, o tensiune mai mare a sistemului înseamnă un curent mai mic. Acesta este un avantaj tehnic important în sistemele de putere mai mare.
| Tensiunea sistemului | Curent teoretic la 1200 W | Consecință tipică |
|---|---|---|
| 12 V | aprox. 100 A | Curent DC foarte mare; sunt necesare cabluri groase și conexiuni de curent mare. |
| 24 V | aprox. 50 A | Curent teoretic la jumătate pentru aceeași putere. |
| 48 V | aprox. 25 A | Curent mai ușor de gestionat, dar sunt necesare componente proiectate pentru tensiunea DC mai mare. |
O tensiune mai mare nu este automat mai bună
Tensiunea sistemului este determinată împreună de putere, consumatorii compatibili, baterii, încărcătoare, invertor, siguranță, cost și posibilitatea extinderii ulterioare. Un sistem de 12 V poate rămâne simplu și practic la puteri mai mici.
Lungimea cablului, secțiunea și căderea de tensiune
În sistemele de joasă tensiune și curent mare, chiar și câțiva metri de cablu pot deveni un factor tehnic important.
Cablu mai lung
La aceeași secțiune și același curent, înseamnă rezistență mai mare, cădere de tensiune mai mare și pierderi suplimentare.
Curent mai mare
Mărește încălzirea cablului și pierderea de putere. Din acest motiv, sistemele de 12 V cu curent mare sunt deosebit de sensibile la cablare.
Secțiune mai mare
Poate reduce rezistența cablului și căderea de tensiune, dar conectorii, papucii și siguranțele trebuie să fie și ele adecvate.
Exemplu orientativ
Pentru un cablu de cupru cu lungime totală dus-întors de 4 metri și secțiune de 25 mm², la 100 A, un calcul simplu indică aproximativ 0,28 V cădere de tensiune și aproximativ 28 W pierdere în cablu.
Aceasta este deja o valoare semnificativă într-un sistem de aproximativ 12 V. La dimensionarea reală contează și tipul cablului, temperatura, modul de instalare, conexiunile și căderea de tensiune admisă.
Siguranța protejează în primul rând cablul, nu consumatorul
Valoarea nominală a siguranței trebuie aleasă astfel încât, în caz de defect, să întrerupă curentul înainte ca un cablu sau o conexiune să se supraîncălzească periculos.
Modalități și durată de încărcare
Un încărcător adecvat trebuie să corespundă bateriei nu doar ca tensiune, ci și ca tehnologie, profil de încărcare și curent maxim.
De la rețeaua de 230 V
Cu un încărcător AC potrivit bateriei. În general, aceasta oferă cea mai previzibilă performanță de încărcare.
De la panouri solare
Cu un controler de încărcare adecvat, domeniul corect de tensiune și un profil de încărcare configurat pentru baterie.
De la vehicul
De regulă printr-un încărcător DC–DC, care limitează și reglează energia preluată din sistemul electric al vehiculului.
De la generator
De obicei prin alimentarea unui încărcător de rețea potrivit bateriei. Generatorul trebuie să ofere puterea și calitatea corespunzătoare a ieșirii.
Estimare simplă a duratei de încărcare
Aproximativ: capacitatea care trebuie reîncărcată ÷ curentul de încărcare. Dacă într-o baterie de 100 Ah trebuie reintroduși 80 Ah cu un încărcător de 20 A, estimarea ideală minimă este de 4 ore.
Încărcarea reală poate dura mai mult din cauza pierderilor încărcătorului, limitării curentului, etapei finale de încărcare, BMS-ului, temperaturii și consumului din timpul încărcării.
Curentul de încărcare mai mare are limite
Curentul maxim de încărcare este limitat împreună de producătorul bateriei, BMS, cabluri, conectori, siguranțe și disiparea căldurii. Un încărcător supradimensionat nu înseamnă neapărat o încărcare mai rapidă sau mai sigură.
Ce înseamnă puterea nominală a unui panou solar?
Un panou cu putere nominală de 400 W poate furniza 400 W numai în condiții de laborator definite. Producția reală se modifică permanent.
Condiții de lumină
Momentul zilei, anotimpul, nebulozitatea, condițiile atmosferice și umbrirea influențează direct puterea instantanee.
Orientarea și unghiul de înclinare
Panoul produce cel mai mult atunci când este orientat corect față de lumina incidentă. Rezultatele unei instalații fixe și ale uneia reglabile pot fi diferite.
Pierderile sistemului
Temperatura panoului, controlerul de încărcare, cablurile, conexiunile și starea de încărcare a bateriei pot reduce energia valorificată.
Estimarea aproximativă a producției zilnice de energie
puterea nominală a panoului × ore echivalente de soare util × randamentul sistemului
De exemplu, 400 W × 4 ore × 0,75 ≈ 1200 Wh energie pe zi. Acesta este doar un exemplu orientativ, nu o producție garantată.