Интерпретация параметров аккумуляторов и листов спецификаций

Аккумуляторы являются конечным коммерческим продуктом, который поставляется клиентам и для которого требуются некоторые данные, предоставляемые производителями, чтобы позволить клиентам оценить производительность различных типов аккумуляторов с точки зрения номинальной емкости, допустимого DOD и диапазоны рабочих температур. Большинство спецификаций содержат некоторые кривые, которые проектировщик фотоэлектрических систем должен уметь интерпретировать в соответствии с передовыми методами проектирования.

В этом разделе мы обсудим основные параметры аккумуляторов и основные факторы, влияющие на работоспособность аккумулятора.

Первыми важными параметрами являются номинальные напряжение и емкость аккумулятора.

Каждая батарея имеет определенное напряжение и емкость. Как кратко обсуждалось ранее, внутри каждой батареи есть ячейки, которые формируют уровень напряжения , и это номинальное напряжение батареи является номинальным напряжением, при котором батарея должна работать.

Емкость относится к количеству заряда, которое батарея может обеспечить при номинальном напряжении, которое прямо пропорционально количеству электродного материала в батарее.

Единицей измерения емкости аккумулятора является ампер-час или ампер-час, обозначаемый как (Ач). Емкость также может быть выражена через энергоемкость батареи. Энергоемкость представляет собой номинальное напряжение батареи в вольтах, умноженное на емкость батареи в ампер-часах, что дает общую энергетическую емкость батареи в ватт-часах (Втч). В общем, это общее количество энергии, которое может хранить устройство.

Вам должно быть интересно, какое значение имеют ампер-часы как единица емкости батареи? Само устройство дает нам некоторые важные подсказки о свойствах батареи. Совершенно новая батарея емкостью 100 ампер-часов теоретически может обеспечивать ток силой 1 А в течение 100 часов при комнатной температуре. На практике это не так из-за нескольких факторов, как мы увидим позже.

C-рейтинг

Перейдем к другому важному параметру батареи, который называется C-рейтинг. C-rate — это скорость разряда батареи относительно ее емкости. «Число» C-скорости — это не что иное, как ток разряда, при котором батарея разряжается, сверх номинальной емкости батареи. Он рассчитывается следующим образом:

«Число» C=IdisCnon

Где

«I _dis » — ток разряда

«C _non » — номинальная емкость батареи

Скорость разрядки иногда называют C/”число”, и это число представляет собой количество часов, в течение которых батарея полностью разряжается. Другими словами, это значение, обратное предыдущему обозначению, и рассчитывается следующим образом:

CI “Число”=CnonIdis

Например, показатель C, равный 1C, для аккумулятора емкостью 100 А·ч будет соответствовать току разряда. 100 А в течение 1 часа. Или это может быть представлено как C/1. С другой стороны, C-скорость 2C для той же батареи будет соответствовать разрядному току 200 А в течение получаса. Или его можно представить как C/0,5. Точно так же C-скорость 0,05C подразумевает разрядный ток 5 А в течение 20 часов. Или он может быть представлен как C/20. Наконец, та же батарея может быть разряжена током 1 А в течение 100 часов, что соответствует 0,01°C или C/100. В общем, C-rate зависит от зарядного и разрядного тока.

Эффективность

Поскольку не существует системы преобразования энергии со 100% КПД, термин эффективность представляет собой способность системы передавать энергию от входа системы к выходу. Каждый тип батареи имеет разный рейтинг эффективности, как описано в EME 812 (9.3. Хранение батареи — Таблица 9.1), и обычно мы говорим об эффективности как заряда, так и разряда.

Эффективность батареи — это отношение общего входа системы хранения к общему выходу системы хранения. Например, если при зарядке в батарею закачивается 10 кВтч, а при разрядке можно эффективно извлечь только 8 кВтч, то эффективность системы хранения в оба конца составляет 80%.

Давайте обсудим еще один важный параметр батареи, состояние заряда или SOC . Он определяется как процент емкости батареи, доступной для разрядки, поэтому, таким образом, батарея с номинальной емкостью 100 Ач, которая была разряжена на 20 Ач, имела SOC 80%. Еще одним параметром, дополняющим SOC, является глубина разряда или DOD , которая представляет собой процент емкости батареи, которая была разряжена. Таким образом, батарея емкостью 100 Ач, которая была разряжена на 20 Ач, имеет DOD 20%. Другими словами, DOD и SOC дополняют друг друга.

Теперь мы подошли к очень важному параметру: срок службы циклов батареи. Срок службы определяется как количество циклов зарядки и разрядки, после которых емкость аккумулятора падает ниже 80% от номинального значения. Обычно срок службы указывается в виде абсолютного числа. Однако, если быть более точным, на срок службы и другие параметры батареи влияет изменение условий окружающей среды, таких как температура в данном случае.

Так какая связь между параметрами батареи? Срок службы сильно зависит от глубины разряда. Это можно увидеть на рис. 3.6 для типичной залитой свинцово-кислотной батареи. Если мы посмотрим на эффективную емкость свинцово-кислотной батареи при разной глубине разряда (DOD), то увидим, что количество циклов уменьшается по мере увеличения DOD.

Рисунок 3.6: Эффективная емкость (%) в зависимости от количества циклов при различных значениях глубины разряда для залитой свинцово-кислотной батареи.

Авторы и права: Разработано с использованием SAM

Срок службы также зависит от температуры. Батарея работает дольше при более низких температурах эксплуатации. Кроме того, из рис. 3.6 видно, что при определенной температуре продолжительность цикла нелинейно зависит от глубины разряда. Чем меньше DOD, тем выше срок службы цикла. Однако такой более высокий срок службы также будет означать, что те дополнительные циклы, которые вы получаете, могут помочь вам только при меньшей глубине разряда. Таким образом, можно сказать, что батарея прослужит дольше, если средний DOD можно будет уменьшить по сравнению с ее нормальной работой. Кроме того, следует строго контролировать перегрев батареи. Перегрев может произойти из-за перезарядки и последующего перенапряжения свинцово-кислотной батареи. Мы узнаем больше о напряжении и контроле заряда батареи в следующем разделе.

Хотя срок службы батареи увеличивается при более низких температурах, необходимо учитывать еще один эффект. Температура также влияет на емкость аккумулятора при обычном использовании. Как видно на рисунке 3.7, чем ниже температура, тем ниже емкость аккумулятора. Чем выше температура, тем выше емкость аккумулятора.

Рисунок 3.7: эффективная емкость (%) в зависимости от температуры для залитой свинцово-кислотной батареи

Авторы и права: разработано с использованием SAM

Reflection

Почему емкость увеличивается с температурой?

Щелкните для ответа…

ОТВЕТ: Это связано с тем, что при высоких температурах химические вещества в аккумуляторе более активны, и, следовательно, химическая активность увеличивает емкость аккумулятора. Наоборот, химическая активность снижается при более низких температурах, которые снижают емкость

Факторы старения батареи

Это может показаться ненаучным, но даже при высоких температурах возможно достичь выше номинальной емкости батареи. Однако такие высокие температуры серьезно вредят здоровью батареи.

Когда мы говорим, что батарея имеет ограниченный срок службы или что она полностью «разряжена», что именно это означает? Связано ли это с эффектом старения свинцово-кислотного аккумулятора?

Существует несколько факторов, способствующих старению любой батареи. Сульфатация является одной из основных причин старения. И если батарея не полностью заряжена после сильного разряда, это приводит к росту кристаллов сульфата, которые не могут быть полностью преобразованы обратно в свинец или оксид свинца. В результате батарея медленно теряет массу активного материала и, следовательно, разрядная емкость будет ниже. Коррозия свинцовой сетки на электроде является еще одним распространенным фактором старения. Это приводит к увеличению сопротивления сетки из-за высоких положительных потенциалов.

Двигаясь дальше, когда батарея теряет влагу, это вызывает высыхание электролита, что происходит при высоких зарядных напряжениях, что приводит к потере воды. Это называется эффектом выделения газа и может ограничивать срок службы батареи. Об этом следует позаботиться при плановом техническом обслуживании путем добавления в аккумулятор дистиллированной воды.

Исследователи разработали необслуживаемые свинцово-кислотные батареи для солнечных систем с очень длительным сроком службы. Тем не менее, это также продукты высокого класса и могут быть более дорогими.

Reflection

Как определить, предпочтительна ли батарея необслуживаемого типа, если она предназначена для фотоэлектрических приложений?

Щелкните для ответа…

ОТВЕТ: Это определяется количеством необходимых батарей и доступностью для текущего обслуживания. Предпочтительно иметь необслуживаемые батареи, когда установка недоступна или если системе требуется большое количество батарей.

После того, как мы рассмотрели все основные параметры батареи и характеристические кривые, дизайнер сможет сделать лучший выбор продукта в зависимости от области применения. Но как дизайнеры ставят эти батареи на место? Есть ли только один размер для всех батарей, и он масштабируемый? Или они изготавливают батарею индивидуального дизайна для каждого проекта? Мы ответим на эти вопросы в следующем разделе.

Новые требования SARA штата Калифорния для фотоэлектрических систем и хранения аккумуляторов

Schnackel Engineers | 5 июля 2022 г.

Как мы сообщали в нашем недавнем блоге «Обзор изменений раздела 24, часть 6, 2022 г.», Энергетический кодекс Калифорнии вносит многочисленные изменения 1 января 2023 г. . Одним из самых больших требований является установка фотоэлектрических систем и аккумуляторных батарей в новых нежилых проектах.

Здесь мы рассмотрим основные детали новых требований SARA штата Калифорния к фотоэлектрическим системам и хранению аккумуляторов.

Требования к фотоэлектрической системе

Ранее кодекс требовал, чтобы проекты определяли площади крыш для будущих солнечных установок (Solar Ready) и резервировали место для инверторов, измерительного оборудования и путей для трубопроводов, связанных с будущей установкой фотоэлектрической системы. Основываясь на этих предыдущих требованиях, раздел 140.10 теперь определяет новые положения, в том числе положение о расширенных размерах, называемое SARA (зона крыши с доступом к солнечной энергии).

SARA включает площадь крыши здания (способную конструктивно поддерживать фотоэлектрическую систему) и площади крыши всех крытых парковок, навесов и других недавно построенных конструкций, способных поддерживать фотоэлектрическую систему.

Для этого цикла кодов затрагивается только новое строительство, и только определенные типы зданий должны соответствовать новым требованиям. The following lists which project types are affected:

• Grocery
• High-Rise Multifamily
• Office
• Financial Institutions
• Unleased Tenant Space
• Retail
• School
• Warehouse
• Auditorium
• Convention Center
• Hotel/Motel
• Library
• Medical Office Building/Clinic
• Restaurant
• Theater

For mixed жилых зданий, содержащих один или несколько вышеперечисленных типов зданий (составляющих не менее 80 процентов площади здания), общая мощность фотоэлектрической системы для здания рассчитывается с использованием уравнения 140. 10-A (см. ниже). ) для каждого из указанных выше типов пространств, а затем их суммирование.

Для обеспечения соответствия Совместные приложения* (в частности, JA11) содержат подробные определения/инструкции для ориентации системы, затенения, проверки доступа к солнечному свету, требований к мониторингу системы, требований к подключению, сертификатов и доступности, а также правоохранительного органа.

*Если вы не знакомы с Совместными приложениями, они представляют собой руководство «Как сделать» Кодекса Раздела 24. Нормы могут требовать определенного U-фактора для сборки здания. В одном из разделов JA, посвященном этой сборке, будет указано, как ее построить, чтобы она соответствовала желаемому/требуемому U-фактору.

Существует несколько изъятий/исключений из новых положений SARA:

• Любая зона с возможностью SARA, которая получает менее 70 процентов годового доступа к солнечной энергии (определено в 140.10(a)2 и JA11).
• Занятые крыши согласно Строительному кодексу штата Калифорния, раздел 503.1.4.
• Участок крыши, недоступный из-за соответствия другим требованиям строительных норм и правил.
• Если общая сумма всех доступных SARA составляет менее трех процентов кондиционируемой площади пола.
• Если требуемый размер фотоэлектрической системы меньше 4 кВт постоянного тока.
• Если размер SARA меньше 80 квадратных футов.
• Здания с конструкциями крыш, утвержденными правоохранительными органами, в которых правоохранительные органы определяют, что установка фотоэлектрической системы невозможна.
• Здания с несколькими арендаторами в районах, где недоступна либо программа Virtual Net Metering (VNEM), либо общественная программа использования солнечной энергии.

Расчет площади крыши для доступа к солнечной энергии определяется меньшим результатом следующих методов:

Метод 1 –

УРАВНЕНИЕ 140. 10-A ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

kWPVdc = (CFA x A)/1000

Мощность системы PVc = кВт dPVc.

CFA = Кондиционированная площадь пола в квадратных футах.

A = коэффициент мощности PV, указанный в таблице 140.10-A для типа здания (ниже).

Таблица 140.10-A – Коэффициенты мощности фотоэлектрических систем

Метод 2 –

Второй метод определения размера фотоэлектрических систем заключается в суммировании всех доступных площадей солнечных крыш (SARA), а затем умножении на 14 Вт/фут². . Опять же, выбирается меньший размер фотоэлектрической системы, определенный двумя методами.

Требования к системе хранения аккумуляторных батарей

Здания, требуемые в соответствии с Разделом 140.10(a) для установки фотоэлектрической системы, также должны иметь систему хранения аккумуляторных батарей, отвечающую минимальным квалификационным требованиям Совместного справочного приложения JA12. Как и в случае с фотоэлектрическими системами, в Совместных приложениях (JA 12) содержатся подробные определения/инструкции для целей и области применения, квалификационных требований, требований к присоединению и измерению полезной энергии, а также правоохранительного органа.

Номинальная энергоемкость аккумулятора и номинальная мощность определяются по уравнению 140.10-B и уравнению 140.10-C. Как и в случае фотоэлектрических систем, когда в здании имеется более одного типа помещений, перечисленных в таблице 140.10-B, уравнения номинальной энергоемкости и номинальной мощности выполняются для каждого типа помещения, а затем суммируются для получения общей емкости аккумуляторной системы.

Как и в случае с требованиями к фотоэлектрической системе, существует несколько исключений из положений 140.10(b):

• Система хранения аккумуляторов не требуется, если размер установленной фотоэлектрической системы составляет менее 15 процентов от установленного размера по уравнению 140.10-A.
• Аккумуляторная система не требуется, если номинальная мощность аккумуляторной системы здания менее 10 кВтч.
• Для зданий с несколькими арендаторами энергоемкость и мощность аккумуляторной системы хранения данных основываются на площади арендаторов с кондиционируемой площадью более 5000 квадратных футов. Для одноквартирных зданий с кондиционируемой площадью менее 5000 квадратных футов требуется аккумуляторная система хранения.
• В климатической зоне 1 система хранения аккумуляторов не требуется для офисов, школ и складов.

Размер системы хранения батареи определяется по приведенным ниже расчетам:

Уравнение 140,10-B-баттер.

Где :

кВт·ч = Номинальная полезная энергоемкость аккумуляторной системы в кВт·ч.

kWPVdc = мощность фотоэлектрической системы, требуемая разделом 140.10(a) в кВт постоянного тока. B = коэффициент мощности батареи, указанный в таблице 140.10-B для типа здания.

D = номинальная эффективность одного цикла зарядки-разрядки от переменного тока к переменному (туда-обратно) системы хранения батарей.

УРАВНЕНИЕ 140.10-C – НОМИНАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ АККУМУЛЯТОРА

кВтбат = кВтPVdc x C0002 kWbatt = Мощность аккумуляторной системы в кВт постоянного тока.

kWPVdc = мощность фотоэлектрической системы, требуемая разделом 140.10(a), в кВт постоянного тока.

C = коэффициент мощности батареи, указанный в таблице 140.10-B для типа здания.

Таблица 140.10-B – Коэффициенты емкости аккумуляторной батареи

Еще один вариант удовлетворения требований к фотоэлектрической системе и системе аккумуляторной батареи – это совместная совместная система выработки солнечной электроэнергии или система аккумуляторной батареи.

Если одобрено комиссией, общие солнечные системы сообщества, другие общие системы возобновляемых источников энергии сообщества, общие системы хранения аккумуляторных батарей или комбинация этих систем могут использоваться для частичного или полного соответствия требованиям к фотоэлектрической системе и системе хранения аккумуляторов. Разделов 140.0(c), 150.1(a)3 или 170.0(a)3 Раздела 24.

Итог

В Энергетический кодекс штата Калифорния внесены существенные поправки, которые вступают в силу 1 января 2023 г.