В современных условиях, когда во многих регионах страны электроэнергия подается с перебоями, все больше пользователей стремятся обеспечить себя альтернативными источниками питания. Владельцы бизнеса и частных домов часто покупают электрогенераторы, в то время как жители многоэтажек предпочитают источники бесперебойного питания, зарядные станции, системы с инверторами и аккумуляторными батареями. В таких случаях для максимального удовлетворения потребности в энергии, важно просчитать как долго будет работать та или иная АКБ батарея, ведь на рынке Украины представлены разнообразные варианты. Чтобы вам было проще ориентироваться в выборе оборудования, необходимого для монтажа резервных систем питания, мы подготовили статью. В ней мы расскажем как рассчитать на сколько хватит аккумулятора, что влияет на длительность его работы в целом и после 1 заряда, а также вы узнаете про нюансы эксплуатации систем с АКБ.
Расчет времени работы аккумулятора: параметры которыми не стоит пренебрегать
С каждым днем мы используем все больше приборов, которые работают с аккумуляторными батареями. Это электротранспорт (электровелосипеды, электросамокаты), источники бесперебойного питания и зарядные станции, солнечные электростанции, резервные системы питания с инверторами и АКБ, прочее. Длительность работы техники и оборудования, подключенного к резервным источникам энергии, напрямую зависит от того, на сколько хватит аккумулятора. Поэтому, прежде чем купить электротранспорт, ИБП, зарядную станцию, инвертор и аккумуляторы к нему, рекомендуем разобраться в том, как выполнить расчет времени работы аккумулятора с учетом планируемой нагрузки, условий эксплуатации и особенностей, присущих прочим компонентам системы.
Какие характеристики аккумулятора влияют на время его работы
Чтобы определиться с тем, сколько проработает холодильник от аккумулятора, как долго сможет питаться котел от ИБП или телевизор от зарядной станции, необходимо уточнить основные характеристики АКБ:
- Емкость — количество энергии, которую батарея может накопить или отдать при полном заряде. Отвечает за длительность автономной работы. Указывается в А·ч (ah) — Ампер·часах или мА·ч (mah) миллиампер·часах. В процессе эксплуатации оборудование деградирует, поэтому реальная может быть меньше, чем указанная в характеристиках. В формулах чаще всего указывается как Q, иногда С и Е.
- Напряжение — электрическое давление (разность потенциалов) на клеммах “+” и “-”. Измеряется в Вольтах (V, В). У автомобильных АКБ напряжение — 12 В, так же в продаже есть модели на 24 В, 48 В, 400 В, 600 В и другие. В описании аккумуляторов вы можете встретить обозначение U или V.
- Сила тока — показатель, отображающий сколько заряда в единицу времени аккумулятор может передавать. Чем выше значение силы тока, количество Ампер (А), тем больше мощность АКБ может обеспечивать на выходе. В характеристиках оборудования показатель может обозначаться знаком І.
- Мощность — отображает количество энергии, потребляемое приборами в процессе работы за 60 минут. Указывается в Ваттах (Вт), в некоторых случаях Вт·ч (Ватт ·часах). Часто в формулах обозначается как W или Р.
Далее мы приведем методики расчета времени работы различной техники от аккумуляторов, с учетом описанных выше характеристик.
Расчет времени работы аккумулятора: основные формулы
Когда к резервному источнику питания в качестве нагрузки подключен 1 прибор, чтобы определить в течение какого времени понравившаяся вам в магазине портативная электростанция или ИБП будут питать телевизор, холодильник, компьютер и прочую технику, можно использовать следующие формулы, описанные ниже.
Расчет времени работы АКБ: по емкости и силе тока
Если вам известна номинальная емкость аккумулятора и сила тока, которая характеризует прибор, выступающий в роли нагрузки, тогда можно использовать следующую формулу для расчета ориентировочного времени работа батареи.
где:
- Т — время в часах;
- Q — емкость АКБ в А·ч (ah);
- І — сила тока в А.
Если у вас емкость батареи (Q) указана в mah, тогда и сила тока должна быть в mА.
Расчет времени работы от аккумулятора по мощности
Также рассчитать ориентировочное время работы аккумуляторной батареи можно по формуле:
где:
- Т — время в часах;
- Wакб — мощность аккумулятора, измеряемая в Ватт·часы, Вт·ч, Wh;
- Wн — мощность прибора, который подключен в качестве нагрузки. Указывается в Ватт, Вт, W.
На первый взгляд формулы для расчета достаточно простые. Но они не учитывают ряд нюансов, поэтому могут быть использованы лишь для очень примерного подсчета времени, в течение которого приобретенное вами устройство бесперебойного питания может питать нагрузку. Чтобы рассчитать точнее, нужно учитывать факторы, про которые мы расскажем ниже.
Основные факторы, которые влияют на время работы аккумулятора
На продолжительность работы АКБ влияет множество факторов. Если вы планируете рассчитать на сколько времени хватает аккумулятора, рекомендуем учитывать в расчетах следующие параметры.
Тип нагрузки и уровень энергопотребления
Все электроприборы потребляют разное количество энергии в единицу времени, разряжая ИБП аккумулятор, который вы купили, с разной скоростью. Ряда приборов, таких как кондиционеры, электрообогреватели, холодильники, могут работать в экономном режиме или же на максимальной своей мощности. Управляя уровнем энергопотребления (выбирая режимы работы отдельных устройств), выступающих в качестве нагрузки, вы можете регулировать время работы всех АКБ входящих в систему резервного электропитания.
Также хотим отметить, что ряд приборов в процессе запуска потребляет больше энергии, чем в ходе работы — например, микроволновки, холодильники, стиральные машины, прочее. Поэтому при расчетах мощности нагрузки закладываются поправочные коэффициенты. Переменная нагрузка разряжает АКБ медленнее, чем постоянные нагрузки, особенно если они высокие.
Эксплуатационные условия
Те, кто читал нашу статью с рекомендациями о том как выбрать аккумуляторные батареи — знают, что каждый из типов АКБ может работать в определенных условиях. При низких температурах воздуха батареи разряжаются быстрее и часто теряют емкость. В холоде не стоит рассчитывать на то, что АКБ будет заряжено на 100 % даже если вы выждали достаточный промежуток времени для подзарядки. В жару оборудование может перегреваться, что также ускоряет его деградацию.
Техническое состояние и новизна аккумулятора
Каждый аккумулятор имеет свой ресурс — количество циклов заряда/разряда, но в процессе эксплуатации, даже если вы соблюдаете рекомендации производителя, оборудование деградирует. Фактическая емкость и мощность, которую способна выдавать устройство, снижаются.
Своевременное обслуживание системы
Даже если вы купили LiFePO4 аккумулятор, который в отличие от кислотных не нуждается в восполнении электролита, все же не стоит пренебрегать сервисным обслуживанием. Ведь при длительном хранении устройство постепенно разряжается. При глубоком разряде свинцово-кислотные АКБ проходят процесс сульфирования (терять более 30 % емкости), а не оснащенные BMS-платами литий-ионные (Li-ion) могут даже взорваться.
К тому же для поддержания работоспособности оборудования необходимо:
- Следить за чистотой и состоянием контактов.
- Проводить калибровку — периодически, контролируемо, полностью разряжать и заново заряжать АКБ, даже если она не используется в данный период времени.
Это только часть факторов, но даже учтя их, вы сможете более точно рассчитать на сколько хватит 100 амперного аккумулятора, который отработал 1-2 года, если к нему подключить только холодильник или же помимо этого периодически будет заряжаться ноутбук, работать электрочайник.
Коэффициент полезного действия инвертора
На длительность работы АКБ в системах энергоснабжения оснащенных инверторными преобразователями также влияет КПД инвертора. В большинстве случаев этот показатель варьируется от 80 до 95 %. Поэтому, рассчитывая время работы аккумулятора для инвертора, стоит учитывать, что оно будет на 10-20 % меньше, чем при работе сетей без инверторных преобразователей. КПД инвертора можно узнать в инструкции по эксплуатации, если данная информация вам недоступна, тогда при расчете можно взять усредненные показатели, например 0,85.
Формулы для расчета времени работы аккумулятора с учетом особенностей условий эксплуатации
Перед тем как посчитать на сколько хватит аккумулятора, определитесь с:
- Характеристиками устройств, которые будут выступать в качестве нагрузки — уточните их мощность, необходимую для работы силу тока.
- Тем, какую емкость аккумуляторной батареи вы можете использовать в расчетах.
В некоторых случаях, для обеспечения энергией всех необходимых приборов на объекте устанавливают не 1 аккумулятор, а несколько. Для этого можно купить аккумуляторы свинцово-кислотные, литиевые (Li-ion, LiFePO4) или любые другие, главное чтобы они были одного типа и имели одинаковое номинальное напряжение. При использовании нескольких элементов, можно суммировать их емкость для расчетов или же если они имеют разные коэффициенты деградации, тогда лучше рассчитать время работы каждого аккумулятора, а затем просуммировать показатели.
Для расчетов времени работы аккумулятора рекомендуем использовать следующую формулу:
где:
- Q — емкость аккумуляторной батареи (ah);
- U — напряжение АКБ (V);
- К1 — коэффициент деградации АКБ, который определяется сроком эксплуатации;
- К2 — коэффициент потери емкости, он определяется текущими условиями эксплуатации, например, внешней температурой;
- n — КПД инвертора, если вы не знаете данный показатель, используйте усредненное значение;
- W — суммарная мощность приборов, которые подключены к системе в качестве нагрузки, оптимально если заложен запас порядка 20 %. Измеряется в Ваттах в час.
Несмотря на то, что каждый в каждом конкретном случае емкость аккумуляторной батареи будет снижаться с разной скоростью, для простоты ориентирования приведем усредненные параметры:
- Если вы выберете свинцово-кислотные АКБ (SLA/AGM/GEL), то в 1 год они теряют от 15 до 30 % емкости, через 2 года емкость может снизиться на 40-60 %, через 3 — потери емкости могут достигать 80 %. Если были случаи глубокого разряда, процесс “старения” будет происходить гораздо быстрее.
- Литий-ионные (Li-ion) батареи в 1-й год эксплуатации теряют от 3 до 8 % емкости, через 2 года емкость может быть на 10-15 % ниже номинальной, а через 3 — на 25 %.
- Наименьшему “старению” подвергаются литий-железо-фосфатные (Calculating battery life) АКБ, которые в 1-й год теряют до 2 % емкости, через 2 года фактическая емкость будет меньше номинальной на 3-5 %, а через 3 года на 8 %.
Для пользователей бывает сложно определить коэффициенты К1 и К2, поэтому их часто исключают из расчетов или принимают равными 1. Тогда на сколько хватит аккумулятора 60 Ампер·часов или 100, 150 Ампер — зависит от мощности приборов, питание которых обеспечивается. Давайте проведем несколько расчетов на примерах.
Пример расчетов с периодической нагрузкой
Далеко не все оборудование потребляет энергию постоянно. Например, у нас есть маленький холодильник с номинальной мощностью 60 Вт, большую часть времени находится в состоянии ожидания. Компрессор запускается через каждые 10 минут только на 3 минуты, в остальное время расход энергии можно принять равным 0. В таком случае для расчета времени работы техники от аккумулятора сначала необходимо определить W холодильника.
где:
- Wр — реальная мощность оборудования, Вт/ч;
- Wн — номинальная мощность, что указанна в инструкции по эксплуатации, Вт/ч;
- tp — время работы оборудования, миг;
- ti — интервал, через который происходит энергопотребление, мин.
Тогда расчетная мощность холодильника для того, чтобы определить, как долго он сможет работать от АКБ будет следующей:
Так как нам нужно заложить запас мощности 20 %, для дальнейших расчетов будем использовать значение 21,6 Вт/ч.
Теперь давайте посчитаем параметры аккумулятора емкость которого 1000 mah — сколько Ватт в час он может обеспечить. Для этого 1000 * 24 / 1000 = 24 Вт/ч. Если данный аккумулятор у нас работает в системе без инвертора, то при 100 % заряде его хватит на:
24 / 21,6 = 1,1 часа
Если для питания холодильника использовать ИБП со встроенным инвертором, КПД которого 80 %, тогда время работы холодильника от аккумулятора будет:
24 * 0,8 / 21,6 = 0,9 часа
Пример расчетов с постоянной нагрузкой
Например, у вас есть аккумулятор 24 V, c емкостью (Q) 1 А ч или 1000 mah. На сколько хватает если питать от него 1 лампочку мощностью 7 Вт и роутер на 5 Вт. Система работает без инвертора. Действуем последовательно:
- Определяем суммарную нагрузку (Р), которая будет подключена к аккумулятору. Для этого суммируем мощности всех приборов: 7 + 5 = 12 Вт/час. Если заложить запас мощности 20 %, тогда Р = 14,4 Вт.
- Предположим, что аккумулятор новый, используется в помещении при температуре воздуха +22 °C, заряжен на 100 %, поэтому коэффициенты К1 и К2 равны 1.
- Тогда время его работы составит Т = 1 А·ч * 24 В / 14,4 Вт = 1,7 часа.
Если в системе будет задействован инвертор, КПД которого 90 %, то время работы оборудования от аккумулятора будет меньшим: Т = 1 А·ч * 24 В * 0,9 / 14,4 Вт = 1,5 часа.
В заключении хотим сказать, что все расчеты позволяют лишь ориентировочно оценить время работы аккумулятора с той или иной нагрузкой, ведь в процессе работы могут меняться факторы, которые влияют на фактический результат. При проведении расчетов рекомендуем следить за тем, чтобы все показатели соответствовали единой шкале. Например, если у вас сила тока в амперах, а емкость аккумулятора указана с обозначением mah — это миллиампер в час, то нужно перевести их в Ah (разделить на 1000). Если вам известна мощность аккумулятора и напряжение, которое он выдает, вы можете рассчитать его емкость — перевести Вт·ч в мА·ч. Для этого нужно использовать формулу:
где:
- Q — емкость АКБ в мА·ч;
- Wакб — мощность аккумулятора в Вт·ч
- U — напряжение АКБ (V).
Просчитывая ориентировочное время работы аккумуляторов, прежде чем приобрести комплектующие для систем резервного питания, или при выборе готовых решений (зарядных станций, ИБП) стоит помнить, что теоретические расчеты не гарантируют совпадение данных теми, что будут в реальности. Чтобы АКБ в процессе работы не разочаровали вас, служили максимально долго, учитывайте не только цены на аккумуляторы гелевые, свинцово-кислотные, литиевые, но и прочие параметры. Обязательно сопоставляйте фактические условия в которых будет использоваться оборудование с теми, которые рекомендует производитель.
Надеемся, что наша статья помогла вам понять как рассчитать время работы аккумулятора в источниках бесперебойного питания, системах резервного электроснабжения, укомплектованных инвесторами и в прочих случаях. Если у вас остались вопросы по данной схеме или вам нужна помощь в выборе зарядных станций, аккумуляторов и прочего оборудования, вы можете обратиться за консультацией к экспертам Венкон.
