Визначення потужності подачі за допомогою графіка Рагона
Основи виробництва енергії
Природа пропонує багато способів виробництва енергії. Більшість із них здійснюється шляхом горіння, механічного руху, фотосинтезу або електрохімічної реакції, як-от у батареї. Електрохімічна реакція створює потенціал напруги, а множення напруги на силу струму, що протікає при замиканні електричного кола, забезпечує енергію. Потужність вимірюється у ватах на честь Джеймса Ватта, розробника парового двигуна у XVIII столітті.
Найпростішим проявом батарейки є лимон. Вбивання оцинкованого цвяха та мідної монети в лимон створює напругу. Ця квазібатарея не видає багато енергії; її система подачі струму дуже погана, і будь-яке електричне навантаження призводить до падіння напруги.
Усі джерела енергії мають обмеження, і споживану енергію необхідно використовувати ретельно, щоб не перевищувати дозволене навантаження. Аналогію можна провести з велосипедистом, який вибирає найкраще передавальне число для передачі енергії в рух. На рівній дорозі висока передача забезпечує швидкий рух із помірним обертанням педалей (висока напруга). Підйом на пагорб із таким самим обертанням педалей збільшує крутний момент (високий струм). Зусилля на педалі — це потужність у ватах (Вт), а витривалість до виснаження визначає енергію у ват-годинах (Вт·год).
Рисунок 1: Аналогія з велосипедистом.
Енергія — це добуток потужності та часу, вимірюється у ват-годинах (Вт·год); потужність — це потік енергії в будь-який момент часу, вимірюється у ватах.
Енергія, потужність та ємність
Ємність акумулятора вимірюється в амперах/годинах (А·год); вона вказує, яку силу струму акумулятор може видавати за годину. Подібно до рідини в контейнері, енергія може виділятися повільно протягом тривалого періоду часу або швидко за короткий час. Кількість рідини, яку вміщує контейнер, аналогічна енергії в акумуляторі; швидкість виділення рідини аналогічна потужності.
Приклади батарей
Лужна батарейка має низьку потужність з відносно високою питомою енергією (ємністю). Вона добре підходить для ліхтарика або подібного світлового навантаження. Для порівняння, більшість акумуляторних батарей мають високу навантажувальну здатність для живлення електроінструментів та запуску двигунів внутрішнього згоряння, але ці батарейки мають меншу ємність, ніж первинні аналоги.
Графік Рагоне
Зв'язок між енергією та потужністю найкраще зобразити за допомогою графіка Рагона. Названий на честь Девіда В. Рагона, графік Рагона розміщує енергію у Вт·год на горизонтальній осі x, а потужність у Вт·год — на вертикальній осі y. Отримана крива потужності забезпечує чітку розмежувальну лінію того, який рівень потужності може забезпечити акумулятор. Графік Рагона є логарифмічним, що дозволяє відображати профілі продуктивності надзвичайно високої та низької потужності. У деяких таблицях розташування Вт та Вт·год може бути протилежним.
На рисунку 2 показано графік Рагоне, що відображає енергію розряду та потужність розряду чотирьох літій-іонних систем, упакованих у елементи 18650. Діагональні лінії на полі показують час, протягом якого елементи акумулятора можуть віддавати енергію за різних умов навантаження. Представлені хімічні склади акумуляторів є найпоширенішими літій-іонними системами на основі живлення, до яких належать літій-залізофосфат (LFP), літій-марганецьоксид (LMO) та нікель-марганець-кобальт (NMC).
Рисунок 2: Графік Рагона, що відображає літій-іонні елементи 18650
Порівнюється потужність розряду та енергія чотирьох літій-іонних систем як функція часу.
APR18650M1 – це літій-залізофосфатний (LiFePO4) акумулятор ємністю 1100 мАг та безперервним струмом розряду 30 А. Sony US18650VT та Sanyo UR18650W – це літій-іонні елементи на основі марганцю ємністю 1500 мАг кожен з безперервним струмом розряду 20 А. Sanyo UR18650F – це елемент ємністю 2600 мАг для помірного розряду 5 А. Цей елемент забезпечує найвищу енергію розряду, але має найнижчу потужність розряду.
Акумулятори LiFePO4
Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)
Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.
Купити
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження
Купити
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy
КупитиSanyo UR18650F має найвищу питому енергію та може живити ноутбук або електровелосипед протягом багатьох годин при помірному навантаженні. Sanyo UR18650W, для порівняння, має нижчу питому енергію, але може видавати струм 20 А. A123 має найнижчу питому енергію, але пропонує найвищу потужність, забезпечуючи 30 А безперервного струму.
Графік Рагоне допомагає вибрати найкращу літій-іонну систему для забезпечення максимальної потужності розряду та оптимальної енергії розряду як функції часу розряду. Якщо застосування вимагає дуже високого струму розряду, діагональна лінія 3,3 хвилини на графіку вказує на A123 (акумулятор 1) як на хороший вибір, він може видавати до 40 Вт потужності протягом 3,3 хвилини. Sanyo F (акумулятор 4) трохи нижчий і видає близько 36 Вт. Зосереджуючись на часі розряду та слідуючи лінії розряду 33 хвилини нижче, Акумулятор 1 (A123) видає лише 5,8 Вт протягом 33 хвилин, перш ніж енергія виснажується, тоді як Акумулятор 4 більшої ємності (Sanyo F) може видавати приблизно 17 Вт протягом того ж часу, його обмеженням є нижча потужність.
Виробники акумуляторів використовують графік Рагоне для нових елементів, умова, яка діє лише протягом короткого часу. Розраховуючи пороги потужності та енергії, інженери-конструктори повинні враховувати зниження заряду акумулятора, спричинене циклічним розрядом та старінням. Проектуйте системи з живленням від акумулятора, які все ще забезпечують повну функціональність, навіть якщо акумулятор розрядився до 70 або 80 відсотків. Ще одним фактором, який слід враховувати, є температура, оскільки акумулятори втрачають заряд, коли вони холодні. Графік Рагоне не показує цих розбіжностей, і інженер-конструктор повинен враховувати ці неідеальні умови, вивчаючи специфікації виробника.
Практичне застосування
Слід зазначити, що повне навантаження акумулятора збільшує навантаження та скорочує термін його служби. Коли постійно потрібне високе споживання струму, акумуляторний блок слід збільшити. Tesla робить це у своїх автомобілях Model S, подвоюючи та потроюючи розмір акумулятора порівняно з іншими електромобілями; BMW i3 використовує меншу, але міцнішу літій-іонну систему. Аналогію можна провести з важкою вантажівкою, оснащеною великим дизельним двигуном для забезпечення тривалої та довговічної служби, на відміну від встановлення потужного двигуна спортивного автомобіля з аналогічною потужністю.
Вплив зовнішніх факторів
Графік Рагоне також підходить для розрахунку потреб в потужності інших джерел енергії та пристроїв зберігання, таких як конденсатори, маховики, проточні батареї та паливні елементи. Паливні елементи та двигуни внутрішнього згоряння, що отримують паливо з резервуара, створюють конфлікт, оскільки подача енергії може бути безперервною. Це спотворює вимірювання Вт·год автономної батареї (або велосипедиста) для визначення доступної власної енергії до необхідності підзарядки.
Використання в альтернативній енергетиці
Подібні графіки також використовуються для встановлення оптимального співвідношення енергії та потужності та стану навантаження відновлюваних джерел енергії, таких як сонячні елементи та вітрові турбіни. Прикладом такої діаграми є відстеження точки максимальної потужності (MPPT), що використовується в контролерах заряду для заряджання акумуляторів від відновлюваних ресурсів. MPPT дозволяє оптимальну передачу потужності без перевантаження джерела, коли живлення низьке під час граничних умов.
Сонячні контролери
Регулювання та керування потоком енергії сонячних панелей для правильного розподілу та захисту енергосистем
Сонячний контролер Victron BlueSolar MPPT 150V/60A-MC4
Високопродуктивний сонячний контролер з технологією MPPT нового покоління, розроблений для застосування у системах 12 В, 24 В та 48 В.
Купити
Сонячний контролер Victron BlueSolar MPPT 100V/20A
Завдяки наявності виходу для навантаження, BlueSolar MPPT 100/20 може керувати живленням пристроїв або освітленням, а у зв’язці з BatteryProtect — автоматизувати роботу навіть складніших систем.
Купити
Сонячний контролер Victron SmartSolar MPPT RS 450V/200A-MC4
Завдяки максимальній вхідній напрузі PV до 450 В, струму заряду до 200 А, а також вбудованому Bluetooth, VE.Can і VE.Direct, ця модель втілює потужність, інтелект та надійність в одному корпусі.
Купити
