3. Исследование зарядки аккумулятора от солнечной батареи и определение кпд регулятора заряда, аккумулятора и инвертора

При зарядке аккумулятора без регулятора заряда при токе, не превышающем значения в 8% от ёмкости аккумулятора, можно говорить не о зарядке, а только о подзарядке аккумулятора. Однако, в установке содержится регулятор заряда, который имеет несколько режимов зарядки аккумулятора: 1. Заряд максимальным током: на этой стадии батарея получает весь ток, поступающий от солнечных модулей. 2. ШИМ заряд: когда напряжение на аккумуляторе достигает определенного уровня, контроллер начинает поддерживать постоянное напряжение за счет ШИМ тока заряда. Это предотвращает перегрев и газообразование в аккумуляторе. Ток постепенно уменьшается по мере заряда аккумуляторной батареи. 3. Выравнивание: Многие батареи с жидким электролитом улучшают свою работу при периодическом заряде до газообразования, при этом выравниваются напряжения на различных банках АБ и происходит очищение пластин и перемешивание электролита. 4. Поддерживающий заряд: Когда АБ полностью заряжена, зарядное напряжение уменьшается для предотвращения дальнейшего нагрева или газообразования в батарее. АБ поддерживается в заряженном состоянии.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция, которая используется в контроллерах заряда аккумулятора для 100%-ной зарядки даже при низком значении входного тока.

В установке используется регулятор заряда Steca Solar с ШИМ. Регулятор заряда во время своей работы может изменять режим зарядки, но из-за высокой емкости батареи и низкого значения тока зарядки, требуется большое количество времени для изучения работы контроллера во всех его режимах. Поэтому изучим работу контролера в начальной стадии зарядки, когда значение тока примерно постоянно.[5]

3.1. Изучение процесса зарядки-разрядки аккумулятора. Определение КПД всей системы без солнечной батареи [6]

Исследуем КПД системы в целом, то есть системы, состоящей из солнечной батареи, регулятора заряда, аккумулятора и инвертора. Для этого разрядим аккумулятор до состояния, пока регулятор заряда автоматически не отключит нагрузку от аккумулятора. Отключение происходит при напряжении ниже 11 вольт под нагрузкой. Потом произведём зарядку аккумулятора в течение одного часа, затем подключаем нагрузку известной мощности. Зная среднюю мощность питания при зарядке, мощность потребителя, время заряда и разряда под нагрузкой, можно определить суммарный КПД. Основной принцип состоит в следующем: количество энергии, использованное потребителем от аккумулятора, равно количеству энергии потраченной на зарядку аккумулятора, умноженное на КПД всей системы.

Параметры процесса зарядки аккумулятора занесём в таблицу:

Табл. 3.1. Основные параметры на входе в регулятор заряда.

Временная зависимость изменения напряжения и тока на входе в регулятор заряда, при зарядке аккумулятора приведена в виде графиков на рис. 3.1 и рис. 3.2:

Рис. 3.1. Изменение напряжения во времени на входе в регулятор заряда.

Временная зависимость напряжения зарядки аккумулятора повторяет временную зависимость для питающего напряжения контроллера заряда, единственное отличие в том, что напряжение на аккумуляторе при зарядке ниже на 0.3-0.35 вольта, чем на контроллере заряда. По форме график изменения напряжения аккумулятора при зарядке полностью аналогичен графику на рис.3.1. Напряжение в начальный момент достаточно быстро возрастает, затем скорость роста замедляется.

Рис. 3.2. Изменение силы тока во времени на входе в регулятор заряда.

Значение тока на входе в контроллер заряда изменяется незначительно, несколько уменьшаясь от начального значения, что значит, что в начальный момент времени контроллер заряда действительно использует постоянный ток зарядки. Значения силы тока до регулятора заряда и после него во время всего процесса зарядки совпадают.

Мощность, получаемая контроллером заряда от солнечной батареи, примерно соответствует мощности для данного уровня освещённости при напряжении питания ламп в 240 вольт (см. табл. 2.4). Используем максимальное напряжение питания ламп, так как при этом получаем максимальный выход энергии с солнечной батареи, при этом лампы имеют наиболее эффективный спектральный состав.

Рис. 3.3. Процесс разрядки аккумулятора.

Зарядив аккумулятор, изучим процесс его разрядки (рис. 3.3). Потребителем служит инвертор Mobilen EP-75, к которому подсоединена энергосберегающая лампа на 11ватт. Падение напряжения на аккумуляторе при его разрядке приведено в табл. 3.2:

Табл. 3.2. Временная зависимость напряжения при разрядке аккумулятора.

Рис. 3.4. График изменения напряжения во времени при разрядке аккумулятора.

График изменения напряжения при зарядке и разрядке аккумулятора соответствует теоретической зависимости зарядки-разрядки для данного типа аккумуляторов (рис. 3.5):

Рис. 3.5. Теоретическое изменение напряжения при зарядке-разрядке.

При зарядке напряжение измерялось на входе в регулятор заряда, на самом же аккумуляторе напряжение было на 0.3-0.35 вольта ниже, следовательно, кривые зарядки и разрядки аккумулятора, полученные практически (рис. 3.1 и рис 3.2) соответствуют теоретическим, при процессе неполной зарядки.

КПД всей системы посчитаем по формуле:

(3.1)

где W_потр, [Вт] – мощность потребителя, t_потр, [час] – время потребления энергии (разрядки) до автоматического отключения, W_зар
ср, [Вт] – мощность источника зарядки аккумулятора, t_зар, [час] – время зарядки аккумулятора.

W_потр = 11 Вт,

W_зар = 2.107 Вт, (см. табл. 3.1),

t_потр = 8.5 мин = 0,1417 часа

t_зар = 1 час.

η = 0.7397 = 73.97%

Суммарный КПД регулятора заряда, аккумулятора и инвертора составил 74 процента, вычислим КПД каждого из этих устройств.

3.2. Определение КПД инвертора [6]

В п. 3.1. был рассчитан суммарный КПД для всей системы. Чтобы определить КПД инвертора, исследуем процесс зарядки-разрядки без инвертора. Сравнив КПД работы системы с инвертором и без него, можно достаточно точно определить его КПД. Процесс зарядки аккумулятора полностью аналогичен процессу зарядки в п.3.1. Для разрядки аккумулятора используем лампу постоянного напряжения на 12 вольт и примерно такой же мощности, что и в предыдущем случае: W_потр2 = 10 Вт. Изменение напряжения во времени в процессе разрядки аккумулятора приведена в табл. 3.3: