У сучасних умовах, коли в багатьох регіонах країни електроенергія подається з перебоями, все більше користувачів прагнуть забезпечити себе альтернативними джерелами живлення. Власники бізнесу та приватних будинків часто купують електрогенератори, тоді як мешканці багатоповерхівок віддають перевагу джерелам безперебійного живлення, зарядним станціям, системам з інверторами та акумуляторними батареями. У таких випадках для максимального задоволення потреби в енергії, важливо прорахувати, як довго буде працювати та чи інша АКБ батарея, адже на ринку України представлені різноманітні варіанти. Щоб вам було простіше орієнтуватися у виборі обладнання, необхідного для монтажу резервних систем живлення, ми підготували статтю. У ній ми розповімо, як розрахувати, на скільки вистачить акумулятора, що впливає на тривалість його роботи в цілому та після 1 заряду, а також ви дізнаєтеся про нюанси експлуатації систем з АКБ.
Розрахунок часу роботи акумулятора: параметри, якими не варто нехтувати
З кожним днем ми використовуємо все більше приладів, які працюють з акумуляторними батареями. Це електротранспорт (електровелосипеди, електросамокати), джерела безперебійного живлення та зарядні станції, сонячні електростанції, резервні системи живлення з інверторами та АКБ, інше. Тривалість роботи техніки та обладнання, підключеного до резервних джерел енергії, безпосередньо залежить від того, на скільки вистачить акумулятора. Тому, перш ніж купити електротранспорт, ДБЖ, зарядну станцію, інвертор та акумулятори до нього, рекомендуємо розібратися в тому, як виконати розрахунок часу роботи акумулятора з урахуванням планованого навантаження, умов експлуатації та особливостей, властивих іншим компонентам системи.
Які характеристики акумулятора впливають на час його роботи
Щоб визначитися з тим, скільки пропрацює холодильник від акумулятора, як довго зможе живитися котел від ДБЖ або телевізор від зарядної станції, необхідно уточнити основні характеристики АКБ:
- Ємність — кількість енергії, яку батарея може накопичити або віддати при повному заряді. Відповідає за тривалість автономної роботи. Вказується в А·год (ah) — Ампер-годинах або мА·год (mah) міліампер·годинах. В процесі експлуатації обладнання деградує, тому реальна може бути менше, ніж вказана в характеристиках. У формулах найчастіше вказується як Q, іноді С та Е.
- Напруга — електричний тиск (різниця потенціалів) на клемах «+» та «-». Вимірюється у вольтах (V, В). У автомобільних АКБ напруга — 12 В, також у продажу є моделі на 24 В, 48 В, 400 В, 600 В та інші. В описі акумуляторів ви можете зустріти позначення U або V.
- Сила струму — показник, що відображає, скільки заряду в одиницю часу акумулятор може передавати. Чим вище значення сили струму, кількість Ампер (А), тим більшу потужність АКБ може забезпечувати на виході. У характеристиках обладнання показник може позначатися знаком І.
- Потужність — відображає кількість енергії, що споживається приладами в процесі роботи за 60 хвилин. Вказується у ватах (Вт), в деяких випадках Вт·год (Ват·годинах). Часто в формулах позначається як W або Р.
Далі ми наведемо методики розрахунку часу роботи різної техніки від акумуляторів, з урахуванням описаних вище характеристик.
Розрахунок часу роботи акумулятора: основні формули
Коли до резервного джерела живлення як навантаження підключений 1 прилад, щоб визначити протягом якого часу сподобалася вам в магазині портативна електростанція або ДБЖ, будуть живити телевізор, холодильник, комп'ютер та іншу техніку, можна використовувати наступні формули, описані нижче.
Розрахунок часу роботи АКБ: за ємністю та силою струму
Якщо вам відома номінальна ємність акумулятора та сила струму, яка характеризує прилад, що виступає в ролі навантаження, тоді можна використовувати наступну формулу для розрахунку орієнтовного часу роботи батареї.
де:
- Т — час в годинах;
- Q — ємність АКБ в А·год (ah);
- І — сила струму в А.
Якщо у вас ємність батареї (Q) вказана в mah, тоді та сила струму повинна бути в mА.
Розрахунок часу роботи від акумулятора за потужністю
Також розрахувати орієнтовний час роботи акумуляторної батареї можна за формулою:
де:
- Т — час у годинах;
- Wакб — потужність акумулятора, вимірювана у Ват·годинах, Вт·год, Wh;
- Wн — потужність приладу, який підключений як навантаження. Вказується у Ватах, Вт, W.
На перший погляд, формули для розрахунку досить прості. Але вони не враховують ряд нюансів, тому можуть бути використані лише для дуже приблизного підрахунку часу, протягом якого придбаний вами пристрій безперебійного живлення може живити навантаження. Щоб розрахувати точніше, потрібно враховувати фактори, про які ми розповімо нижче.
Основні фактори, які впливають на час роботи акумулятора
На тривалість роботи АКБ впливає безліч факторів. Якщо ви плануєте розрахувати, на скільки часу вистачає акумулятора, рекомендуємо враховувати в розрахунках наступні параметри.
Тип навантаження та рівень енергоспоживання
Всі електроприлади споживають різну кількість енергії за одиницю часу, розряджаючи ДБЖ акумулятор, який ви купили, з різною швидкістю. Ряд приладів, таких як кондиціонери, електрообігрівачі, холодильники, можуть працювати в економному режимі або ж на максимальній своїй потужності. Керуючи рівнем енергоспоживання (вибираючи режими роботи окремих пристроїв), що виступають як навантаження, ви можете регулювати час роботи всіх АКБ, що входять в систему резервного електроживлення.
Також хочемо зазначити, що ряд приладів в процесі запуску споживає більше енергії, ніж в ході роботи — наприклад, мікрохвильовки, холодильники, пральні машини, інше. Тому при розрахунках потужності навантаження закладаються виправні коефіцієнти. Змінне навантаження розряджає АКБ повільніше, ніж постійні навантаження, особливо якщо вони високі.
Експлуатаційні умови
Ті, хто читав нашу статтю з рекомендаціями про те, як вибрати акумуляторні батареї — знають, що кожен з типів АКБ може працювати в певних умовах. При низьких температурах повітря батареї розряджаються швидше та часто втрачають ємність. У холоді не варто розраховувати на те, що АКБ буде заряджена на 100%, навіть якщо ви почекали достатній проміжок часу для підзарядки. У спеку обладнання може перегріватися, що також прискорює його деградацію.
Технічний стан та новизна акумулятора
Кожен акумулятор має свій ресурс — кількість циклів заряду/розряду, але в процесі експлуатації, навіть якщо ви дотримуєтеся рекомендацій виробника, обладнання деградує. Фактична ємність та потужність, яку здатний видавати пристрій, знижуються.
Своєчасне обслуговування системи
Навіть якщо ви купили LiFePO4 акумулятор, який на відміну від кислотних не потребує поповнення електроліту, все ж не варто нехтувати сервісним обслуговуванням. Адже при тривалому зберіганні пристрій поступово розряджається. При глибокому розряді свинцево-кислотні АКБ проходять процес сульфування (втрачають понад 30 % ємності), а не оснащені BMS-платами літій-іонні (Li-ion) можуть навіть вибухнути.
До того ж для підтримки працездатності обладнання необхідно:
- Стежити за чистотою та станом контактів.
- Проводити калібрування — періодично, контрольовано, повністю розряджати та заново заряджати АКБ, навіть якщо вона не використовується в даний період часу.
Це тільки частина факторів, але навіть врахувавши їх, ви зможете більш точно розрахувати, на скільки вистачить 100 амперного акумулятора, який відпрацював 1-2 роки, якщо до нього підключити лише холодильник або ж, крім цього, періодично заряджатиметься ноутбук, працюватиме електрочайник.
Коефіцієнт корисної дії інвертора
На тривалість роботи АКБ в системах енергопостачання, оснащених інверторними перетворювачами, також впливає ККД інвертора. У більшості випадків цей показник варіюється від 80 до 95 %. Тому, розраховуючи час роботи акумулятора для інвертора, варто враховувати, що він буде на 10-20 % менше, ніж при роботі мереж без інверторних перетворювачів. ККД інвертора можна дізнатися в інструкції з експлуатації, якщо ця інформація вам недоступна, тоді при розрахунку можна взяти усереднені показники, наприклад 0,85.
Формули для розрахунку часу роботи акумулятора з урахуванням особливостей умов експлуатації
Перед тим як порахувати, на скільки вистачить акумулятора, визначтеся з:
- Характеристиками пристроїв, які будуть виступати як навантаження — уточніть їх потужність, необхідну для роботи силу струму.
- Тим, яку ємність акумуляторної батареї ви можете використовувати в розрахунках.
У деяких випадках, для забезпечення енергією всіх необхідних приладів на об'єкті встановлюють не 1 акумулятор, а кілька. Для цього можна купити акумулятори свинцево-кислотні, літієві (Li-ion, LiFePO4) або будь-які інші, головне, щоб вони були одного типу та мали однакову номінальну напругу. При використанні декількох елементів, можна підсумувати їх ємність для розрахунків або ж якщо вони мають різні коефіцієнти деградації, тоді краще розрахувати час роботи кожного акумулятора, а потім підсумувати показники.
Для розрахунків часу роботи акумулятора рекомендуємо використовувати наступну формулу:
де:
- Q — ємність акумуляторної батареї (ah);
- U — напруга АКБ (V);
- К1 — коефіцієнт деградації АКБ, який визначається терміном експлуатації;
- К2 — коефіцієнт втрати ємності, він визначається поточними умовами експлуатації, наприклад, зовнішньою температурою;
- n — ККД інвертора, якщо ви не знаєте цей показник, використовуйте усереднене значення;
- W — сумарна потужність приладів, які підключені до системи як навантаження, оптимально якщо закладений запас близько 20 %. Вимірюється у Ватах на годину.
Попри те, що в кожному конкретному випадку ємність акумуляторної батареї буде знижуватися з різною швидкістю, для простоти орієнтування наведемо усереднені параметри:
- Якщо ви виберете свинцево-кислотні АКБ (SLA/AGM/GEL), то за 1 рік вони втрачають від 15 до 30 % ємності, через 2 роки ємність може знизитися на 40-60 %, через 3 роки – втрати ємності можуть досягати 80 %. Якщо були випадки глибокого розряду, процес «старіння» відбуватиметься набагато швидше.
- Літій-іонні (Li-ion) батареї в 1-й рік експлуатації втрачають від 3 до 8 % ємності, через 2 роки ємність може бути на 10-15 % нижчою за номінальну, а через 3 — на 25 %.
- Найменшому «старінню» піддаються літій-залізо-фосфатні (LiFePO4) АКБ, які в 1-й рік втрачають до 2% ємності, через 2 роки фактична ємність буде менше номінальної на 3-5 %, а через 3 роки на 8 %.
Для користувачів буває складно визначити коефіцієнти К1 та К2, тому їх часто виключають з розрахунків або приймають рівними 1. Тоді, на скільки вистачить акумулятора 60 Ампер·годин або 100, 150 Ампер — залежить від потужності приладів, живлення яких забезпечується. Проведімо кілька розрахунків на прикладах.
Приклад розрахунків з періодичним навантаженням
Далеко не все обладнання споживає енергію постійно. Наприклад, у нас є маленький холодильник з номінальною потужністю 60 Вт, який більшу частину часу перебуває в стані очікування. Компресор запускається кожні 10 хвилин тільки на 3 хвилини, в інший час витрата енергії можна прийняти рівною 0. У такому випадку для розрахунку часу роботи техніки від акумулятора спочатку необхідно визначити W холодильника.
де:
- Wр — реальна потужність обладнання, Вт/год;
- Wн — номінальна потужність, що вказана в інструкції з експлуатації, Вт/год;
- tp — час роботи обладнання, мить;
- ti — інтервал, через який відбувається енергоспоживання, хв.
Тоді розрахункова потужність холодильника для того, щоб визначити, як довго він зможе працювати від АКБ, буде наступною:
Оскільки нам потрібно закласти запас потужності 20 %, для подальших розрахунків будемо використовувати значення 21,6 Вт/год.
Тепер давайте порахуємо параметри акумулятора ємністю 1000 мАг — скільки Ват на годину він може забезпечити. Для цього 1000 * 24 / 1000 = 24 Вт/год. Якщо даний акумулятор у нас працює в системі без інвертора, то при 100% заряді його вистачить на:
24 / 21,6 = 1,1 години
Якщо для живлення холодильника використовувати ДБЖ з вбудованим інвертором, ККД якого 80%, тоді час роботи холодильника від акумулятора буде:
24 * 0,8 / 21,6 = 0,9 години
Приклад розрахунків з постійним навантаженням
Наприклад, у вас є акумулятор 24 V, з ємністю (Q) 1 А год або 1000 mah. На скільки вистачає, якщо живити від нього 1 лампочку потужністю 7 Вт та роутер на 5 Вт. Система працює без інвертора. Діємо послідовно:
- Визначаємо сумарне навантаження (Р), яке буде підключено до акумулятора. Для цього підсумовуємо потужності всіх приладів: 7 + 5 = 12 Вт/год. Якщо закласти запас потужності 20 %, тоді Р = 14,4 Вт.
- Припустимо, що акумулятор новий, використовується в приміщенні при температурі повітря +22 °C, заряджений на 100 %, тому коефіцієнти К1 та К2 дорівнюють 1.
- Тоді час його роботи складе Т = 1 А·год * 24 В / 14,4 Вт = 1,7 години.
Якщо ж в системі буде залучений інвертор, ККД якого 90%, то час роботи обладнання від акумулятора буде меншим: Т = 1 А·год * 24 В * 0,9 / 14,4 Вт = 1,5 години.
На закінчення хочемо сказати, що всі розрахунки дозволяють лише орієнтовно оцінити час роботи акумулятора з тим чи іншим навантаженням, адже в процесі роботи можуть змінюватися фактори, які впливають на фактичний результат. При проведенні розрахунків рекомендуємо стежити за тим, щоб всі показники відповідали єдиній шкалі. Наприклад, якщо у вас сила струму в Амперах, а ємність акумулятора вказана з позначенням mah — це міліампер на годину, то потрібно перевести їх в Ah (розділити на 1000). Якщо вам відома потужність акумулятора та напруга, яку він видає, ви можете розрахувати його ємність — перевести Вт·год в мА·год. Для цього потрібно використовувати формулу:
де:
- Q — ємність АКБ в мА·год;
- Wакб — потужність акумулятора в Вт·год
- U — напруга АКБ (V).
Прораховуючи орієнтовний час роботи акумуляторів, перш ніж придбати комплектуючі для систем резервного живлення, або при виборі готових рішень (зарядних станцій, ДБЖ), варто пам'ятати, що теоретичні розрахунки не гарантують збіг даних з тими, що будуть в реальності. Щоб АКБ в процесі роботи не розчарували вас, служили максимально довго, враховуйте не тільки ціни на акумулятори гелеві, свинцево-кислотні, літієві, але й інші параметри. Обов'язково зіставляйте фактичні умови, в яких буде використовуватися обладнання, з тими, які рекомендує виробник.
Сподіваємося, що наша стаття допомогла вам зрозуміти, як розрахувати час роботи акумулятора в джерелах безперебійного живлення, системах резервного електропостачання, укомплектованих інвесторами, та в інших випадках. Якщо у вас залишилися питання щодо даної схеми або вам потрібна допомога у виборі зарядних станцій, акумуляторів та іншого обладнання, ви можете звернутися за консультацією до експертів Венкон.
