Определение мощности подачи с помощью графика Рагона
Основы производства энергии
Природа предлагает много способов производства энергии. Большинство из них осуществляется путем горения, механического движения, фотосинтеза или электрохимической реакции, как в батарее. Электрохимическая реакция создает потенциал напряжения, а умножение напряжения на силу тока, протекающего при замыкании электрической цепи, обеспечивает энергию. Мощность измеряется в ваттах в честь Джеймса Уатта, разработчика парового двигателя в XVIII веке.
Простейшим проявлением батарейки является лимон. Втыкание оцинкованного гвоздя и медной монеты в лимон создает напряжение. Эта квази-батарея не выдает много энергии; её система подачи тока очень плохая, и любая электрическая нагрузка приводит к падению напряжения.
Все источники энергии имеют ограничения, и потребляемую энергию необходимо использовать осторожно, чтобы не превышать допустимую нагрузку. Аналогию можно провести с велосипедистом, который выбирает лучшее передаточное число для преобразования энергии в движение. На ровной дороге высокая передача обеспечивает быстрое движение с умеренным вращением педалей (высокое напряжение). Подъем на холм с таким же вращением педалей увеличивает крутящий момент (высокий ток). Усилие на педали — это мощность в ваттах (Вт), а выносливость до истощения определяет энергию в ватт-часах (Вт·ч).
Рисунок 1: Аналогия с велосипедистом.
Энергия — это произведение мощности на время, измеряется в ватт-часах (Вт·ч); мощность — это поток энергии в любой момент времени, измеряется в ваттах.
Энергия, мощность и ёмкость
Ёмкость аккумулятора измеряется в ампер-часах (А·ч); она указывает, какую силу тока аккумулятор может выдавать в течение часа. Подобно жидкости в контейнере, энергия может выделяться медленно в течение длительного периода времени или быстро за короткое время. Количество жидкости, которое вмещает контейнер, аналогично энергии в аккумуляторе; скорость выделения жидкости аналогична мощности.
Примеры батарей
Щелочная батарейка имеет низкую мощность с относительно высокой удельной энергией (ёмкостью). Она хорошо подходит для фонарика или подобной световой нагрузки. Для сравнения, большинство аккумуляторных батарей имеют высокую нагрузочную способность для питания электроинструментов и запуска двигателей внутреннего сгорания, но эти батарейки имеют меньшую ёмкость, чем первичные аналоги.
График Рагона
Связь между энергией и мощностью лучше всего изобразить с помощью графика Рагона. Названный в честь Дэвида В. Рагона, график Рагона размещает энергию в Вт·ч по горизонтальной оси x, а мощность в Вт — по вертикальной оси y. Полученная кривая мощности обеспечивает чёткую разграничительную линию того, какой уровень мощности может обеспечить аккумулятор. График Рагона является логарифмическим, что позволяет отображать профили производительности чрезвычайно высокой и низкой мощности. В некоторых таблицах расположение Вт и Вт·ч может быть противоположным.
На рисунке 2 показан график Рагона, отображающий энергию разряда и мощность разряда четырех литий-ионных систем, упакованных в элементы 18650. Диагональные линии на поле показывают время, в течение которого элементы аккумулятора могут отдавать энергию при различных условиях нагрузки. Представленные химические составы аккумуляторов являются наиболее распространенными литий-ионными системами на основе питания, к которым относятся литий-железо-фосфат (LFP), литий-марганец-оксид (LMO) и никель-марганец-кобальт (NMC).
Рисунок 2: График Рагона, отображающий литий-ионные элементы 18650
Сравнивается мощность разряда и энергия четырех литий-ионных систем как функция времени.
APR18650M1 – это литий-железо-фосфатный (LiFePO4) аккумулятор ёмкостью 1100 мАч и непрерывным током разряда 30 А. Sony US18650VT и Sanyo UR18650W – это литий-ионные элементы на основе марганца ёмкостью 1500 мАч каждый с непрерывным током разряда 20 А. Sanyo UR18650F – это элемент ёмкостью 2600 мАч для умеренного разряда 5 А. Этот элемент обеспечивает самую высокую энергию разряда, но имеет самую низкую мощность разряда.
Аккумуляторы LiFePO4
Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)
Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.
Купить
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки
Купить
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy
КупитьSanyo UR18650F имеет самую высокую удельную энергию и может питать ноутбук или электровелосипед в течение многих часов при умеренной нагрузке. Sanyo UR18650W, для сравнения, имеет более низкую удельную энергию, но может выдавать ток 20 А. A123 имеет самую низкую удельную энергию, но предлагает самую высокую мощность, обеспечивая 30 А непрерывного тока.
График Рагона помогает выбрать лучшую литий-ионную систему для обеспечения максимальной мощности разряда и оптимальной энергии разряда как функции времени разряда. Если применение требует очень высокого тока разряда, диагональная линия 3,3 минуты на графике указывает на A123 (аккумулятор 1) как на хороший выбор, он может выдавать до 40 Вт мощности в течение 3,3 минуты. Sanyo F (аккумулятор 4) немного ниже и выдает около 36 Вт. Сосредотачиваясь на времени разряда и следуя линии разряда 33 минуты ниже, Аккумулятор 1 (A123) выдает лишь 5,8 Вт в течение 33 минут, прежде чем энергия истощается, тогда как Аккумулятор 4 большей ёмкости (Sanyo F) может выдавать примерно 17 Вт в течение того же времени, его ограничением является более низкая мощность.
Производители аккумуляторов используют график Рагона для новых элементов, условие, которое действует лишь в течение короткого времени. Рассчитывая пороги мощности и энергии, инженеры-конструкторы должны учитывать снижение заряда аккумулятора, вызванное циклическим разрядом и старением. Проектируйте системы с питанием от аккумулятора, которые все еще обеспечивают полную функциональность, даже если аккумулятор разрядился до 70 или 80 процентов. Еще одним фактором, который следует учитывать, является температура, поскольку аккумуляторы теряют заряд, когда они холодные. График Рагона не показывает этих расхождений, и инженер-конструктор должен учитывать эти неидеальные условия, изучая спецификации производителя.
Практическое применение
Следует отметить, что полная нагрузка аккумулятора увеличивает нагрузку и сокращает срок его службы. Когда постоянно требуется высокое потребление тока, аккумуляторный блок следует увеличить. Tesla делает это в своих автомобилях Model S, удваивая и утраивая размер аккумулятора по сравнению с другими электромобилями; BMW i3 использует меньшую, но более прочную литий-ионную систему. Аналогию можно провести с тяжелым грузовиком, оснащенным большим дизельным двигателем для обеспечения длительной и долговечной службы, в отличие от установки мощного двигателя спортивного автомобиля с аналогичной мощностью.
Влияние внешних факторов
График Рагона также подходит для расчета потребностей в мощности других источников энергии и устройств хранения, таких как конденсаторы, маховики, проточные батареи и топливные элементы. Топливные элементы и двигатели внутреннего сгорания, получающие топливо из резервуара, создают конфликт, поскольку подача энергии может быть непрерывной. Это искажает измерение Вт·ч автономной батареи (или велосипедиста) для определения доступной собственной энергии до необходимости подзарядки.
Использование в альтернативной энергетике
Подобные графики также используются для установления оптимального соотношения энергии и мощности и состояния нагрузки возобновляемых источников энергии, таких как солнечные элементы и ветровые турбины. Примером такой диаграммы является отслеживание точки максимальной мощности (MPPT), используемое в контроллерах заряда для зарядки аккумуляторов от возобновляемых ресурсов. MPPT позволяет оптимальную передачу мощности без перегрузки источника, когда питание низкое во время граничных условий.
Солнечные контроллеры
Регулирование и управление потоком энергии солнечных панелей для правильного распределения и защиты энергосистем
Солнечный контроллер Victron BlueSolar MPPT 150V/60A-MC4
Высокопроизводительный солнечный контроллер с технологией MPPT нового поколения, разработанный для применения в системах 12 В, 24 В и 48 В.
Купить
Солнечный контроллер Victron BlueSolar MPPT 100V/20A
Благодаря наличию выхода для нагрузки, BlueSolar MPPT 100/20 может управлять питанием устройств или освещением, а в связке с BatteryProtect — автоматизировать работу даже более сложных систем.
Купить
Солнечный контроллер Victron SmartSolar MPPT RS 450V/200A-MC4
Благодаря максимальному входному напряжению PV до 450 В, току заряда до 200 А, а также встроенным Bluetooth, VE.Can и VE.Direct, эта модель объединяет мощность, интеллект и надежность в одном корпусе.
Купить
