Статья: Мобильный фотоэлектрический источник питания для применения в условиях низких температур

Для определения фактических характеристик аккумуляторов различных типов при низких температурах были испытаны образцы аккумуляторов с использованием климатической камеры КХТ 450 М (ООО «Завод испытательного оборудования “Патриот”») и химических анализаторов тока АСК150.24.1750.1 и АСК2.5.10.8 (ООО «Яростанмаш»). Перечень испытанных аккумуляторов с указанием некоторых ключевых характеристик приведен в табл. 1. Энергоемкость в нормальных климатических условиях (НКУ) определена при регистрации разрядной кривой третьего цикла заряда-разряда аккумулятора током 0,1С при комнатной температуре (С -- сила тока заряда или разряда в относительных единицах, определяемых как отношение фактической силы тока в амперах при испытаниях к энергоемкости данного аккумулятора в ампер-часах).

Остаточная энергоемкость аккумуляторов, полностью заряженных при комнатной температуре, определялась при разряде различными токами после суточной выдержки в климатической камере при заданной температуре (в диапазоне 0...-40°С). Результаты, полученные при силе тока 0,1С, в относительных единицах энергоемкости аккумулятора представлены в табл. 2 и на рис. 5. Диапазон рабочих напряжений при циклировании, а также при отдельных зарядах и разрядах выбран следующим образом:

2.8— 3,65 В для LiC₆||LiFePO₄;

2.8— 4,2 В для LiC₆||LiNMC.

Таблица 2. Остаточная энергоемкость, % номинальной энергоемкости (ток разряда -- 0,1С)

Видно, что даже при достаточно щадящем режиме разряда (токи 0,1С) стандартные аккумуляторы типоразмера 18650 оказываются полностью неработоспособными уже при температуре -20°С. На основе данных табл. 2 были построены аппроксимационные зависимости доступной энергоемкости аккумуляторов различных типов от температуры для дальнейшего использования в расчетах энергетического баланса портативного источника питания.

Портативный источник питания был также испытан на разряд максимальной и номинальной мощностью в экстремальных климатических условиях. Полный заряд аккумуляторной батареи источника осуществлялся при нормальных климатических условиях от стабилизированного лабораторного источника питания Gophert CPS 6017. Разряд проводился с помощью анализатора химических источников тока АСК150.24.1750.1. Для имитации разряда в условиях низких температур источник питания с полностью заряженной аккумуляторной батареей помещался в климатическую камеру КХТ 450 М и выдерживался при -40°С около двух суток. За это время температура аккумуляторной батареи сравнивалась с температурой в камере, что контролировалось средствами встроенного программного обеспечения (ПО) контроллера заряда. Далее с помощью анализатора химических источников тока АСК150.24.1750.1 проводился разряд источника номинальной мощностью 100 Вт. При этом на вход устройства подавалось питание от стабилизированного лабораторного источника (33,1 В при 5,7 А), который выступил в силу ограничений климаткамеры в качестве имитатора солнечной батареи. В связи с заданными встроенным ПО запретами на заряд аккумуляторов при температурах ниже 0°С в таких условиях заряд аккумуляторной батареи не начался, и вся энергия использовалась нагревателем аккумуляторной батареи. Прогрев аккумуляторной батареи до температуры 5°С, при которой разрешен заряд аккумуля-торов с графитовым анодом, произошел за 40 мин (температура в климаткамере оставалась на уровне -40±1°С), при этом на нагрев было затрачено около 120 Вт-ч энергии. Результаты экспериментов представлены на рис. 3.

Рис. 3. Динамика изменения мощности и напряжения на элементах портативного источника питания во время испытаний при -40°С (СБ - солнечная батарея, АБ - аккумуляторная батарея)

Fig. 3. Dynamicsofchangesinpowerandvoltageontheelementsof a portablepowersupplyduringtestingat -40°C (СБ - solarbattery, АБ - rechargeablebattery)

С учетом результатов климатических испытаний аккумуляторов данного типа разряд источника питания на нагрузку был начат при достижении температуры аккумуляторной батареи 6,3°С. При этом был отключен имитатор солнечной батареи (т. е. заряд портативного источника питания от солнечной батареи не проводился), и изделие в таких условиях проработало на номинальной мощности 2,3 ч. Таким образом, была протестирована работа источника питания не только при низких температурах, но и при неблагоприятных условиях по солнечной радиации.

Расчетно-аналитические исследования для оценки выработки энергии источником питания в различных климатических условиях разных регионов России

Для определения эффективности применения разрабатываемого источника питания в широком диапазоне значений температуры и инсоляции, характерных для разных регионов, был разработан алгоритм расчета энергетического баланса портативного фотоэлектрического источника питания. Цель расчета -- оценка выработки (производительности) автономного фотоэлектрического портативного источника питания. В основе алгоритма лежит почасовой расчет средствами MS Excel энергетического баланса установки с использованием климатических данных (инсоляции, температуры), данных по нагрузке потребителя и технических параметров компонентов установки.

Первым этапом расчета была подготовка исходных данных о солнечной радиации и температуре. В качестве входных климатических данных использовались средние суточные температуры и суточные величины суммарной солнечной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, из глобальной климатической базы NASA POWER [14] за 2017--2018 гг. Пересчет суточных сумм солнечной радиации на произвольный угол наклона фотоэлектрических модулей осуществлялся с использованием подхода, описанного в [15] посредством оригинальной программы КМ-2016в.2.1. В результате пересчета для конкретной географической точки формируется годовая последовательность часовых значений температуры и часовых сумм суммарной солнечной радиации, приходящей на наклонную поверхность с заданным углом. На основе полученных данных рассчитывалась рабочая температура фотоэлектрических преобразователей в составе модуля.

Таблица 3. Оценка выработки и степени покрытия нагрузки для различных мест расположения установки

Алгоритм расчета соответствует алгоритму работы контроллера, который при наличии солнечной радиации осуществляет питание нагрузки и заряд аккумуляторной батареи. При температуре аккумуляторной батареи ниже заданной установки проводится ее предварительный подогрев. При отсутствии солнечной радиации или ее недостаточном уровне питание потребителей идет от встроенной аккумуляторной батареи. Разряд батареи прекращается, как только одна из групп аккумуляторов в составе батареи достигает напряжения 2,8 В. В расчетах производительности источника питания учитывалась зависимость КПД котроллера заряда от входной мощности.

Поскольку в алгоритм был заложено в качестве приоритета распределения энергии от солнечной батареи питание нагрузки, то на каждом шаге расчета во времени определялась разность потенциальной выработки солнечной батареи и величины нагрузки. Если она отрицательна, вся выработанная солнечной батареей энергия считается поглощенной нагрузкой. Если разница оказывается положительной, проверяется возможность ее поглощения аккумуляторной батареей. Поскольку для безопасного заряда аккумуляторной батареи необходим ее нагрев, нагрев в устройстве может осуществляться только от солнечной батареи, и полученные значения требуемой энергии для нагрева сравниваются на каждом шаге расчета с энергией, доступной в данный час от солнечной батареи.

Таким образом, энергобаланс портативного источника питания за каждый час складывается из энергии, выработанной солнечной батареей, энергии на нагрев аккумулятора, потерь энергии на теплообмен с окружающей средой и энергии, пошедшей в нагрузку и аккумулятор от солнечной батареи. Последняя часть энергии равна разности выработки солнечной батареи и энергии на поддержание заданного диапазона температуры для оптимальной работы аккумуляторной батареи.

После расчета энергии в аккумуляторе к концу часа выполняется проверка покрытия нагрузки за данный час. Количество часов покрытия нагрузки определяет степень гарантированности за расчетный период.

Результаты и обсуждение

Для определения производительности источника питания были проведены расчеты энергетического баланса при постоянной нагрузке мощностью 60 Вт и выбранном для экспериментального образца источника питания аккумулятора -- LiC₆||LiNMC (природный графит), номинальная энергоемкость аккумуляторной батареи 1,2 кВт-ч, мощность 240 Вт.

Расчеты степени гарантированности покрытия нагрузки выполнялись для ряда регионов вне зоны действия централизованной сети, в которых разрабатываемый источник может быть востребован. Это Башкирия и Дагестан с большим количеством пчеловодческих хозяйств, Калмыкия с отгонным животноводством, Приморье и Якутия, где действуют скотоводческие, фермерские хозяйства, артели косарей, охотников и рыболовов, а также Архангельская область как пример региона с низким уровнем инсоляции и среднегодовых температур. В ходе выполнения расчетов помимо региональных климатических условий в виде инсоляции и температуры варьировался тип аккумулятора в составе накопителя. При этом количество аккумуляторов в батарее подбиралось таким образом, чтобы доступная энергоемкость с учетом допустимой глубины разряда для всех типов рассматриваемых аккумуляторов составляла примерно 0,4 кВт-ч. Результаты расчетов представлены в табл. 3. Были выполнены также оценки влияния температурной зависимости параметров аккумуляторной батареи на степень гарантированности покрытия нагрузки. Для этого рассчитывалась величина Ау = (у - у₀)/ у₀, где у -- степень гарантированности покрытия нагрузки с учетом температурной зависимости аккумуляторной батареи, а у₀-- без учета этой зависимости.

Рис. 4. Степень гарантированности покрытия нагрузки в зависимости от массы изделия (а) и энергоемкости аккумуляторной батареи (б) при фиксированной мощности солнечной батареи. Степень гарантированности покрытия нагрузки в зависимости от массы (в) и мощности солнечной батареи (г) при фиксированной энергоемкости

Fig. 4. The degree of load coverage guarantee depending on the mass of the portable power supply (a) and the battery energy intensity (б) at a fixed power of the solar battery. The degree of load coverage guarantee depending on themass (в) and the power of the solar battery (г) at a fixed energy intensity

Как показали результаты, учет температурной зависимости энергоемкости аккумуляторной батареи в наибольшей степени влияет на степень гарантированности электропитания и выработку установки в регионах с холодными зимами. Существенное снижение выработки и гарантированности в зимний период характерны для всех рассмотренных сценариев независимо от типа аккумулятора, поскольку в холодный период снижается интенсивность работы первичного источника энергии -- солнечной батареи, что не позволяет не только подогревать аккумуляторы, но и заряжать их, а также передавать энергию в нагрузку. Оценки влияния мощности солнечной батареи и энергоемкости аккумуляторной батареи, а также типа используемых аккумуляторов на степень гарантированности покрытия нагрузки для условий Республики Саха (Якутия) (поселок Мирный) представлены на рис. 4.

Видно, что вариация мощности солнечной батареи имеет существенно более серьезное влияние на степень гарантированности, так как увеличивает выработку энергии по всему расчетному периоду, а аккумуляторная батарея позволяет лишь использовать излишки выработки солнечной батареи для обеспечения электропитания потребителя в бессолнечные периоды. Использование аккумуляторов с отрицательным электродом на основе литированного нанотитаната существенно ухудшает массогабаритные характеристики источника питания, что, несмотря на выдающуюся морозостойкость, делает их малопригодными именно для работы в составе портативных систем.

Выводы

Представлена схема разработанного авторами портативного автономного источника питания на основе солнечной фотоэлектрической системы.

Для его эффективного использования в суровых климатических условиях, характерных в том числе для Арктической зоны Российской Федерации, предложен алгоритм работы контроллера заряда в составе источника, предусматривающий первичный нагрев аккумуляторной батареи для повышения эффективности ее работы.

Типы аккумуляторов в составе источника питания подобраны на основе климатических испытаний ряда зарубежных устройств.

Показана перспективность использования для портативных применений высокоемких систем, несмотря на существенное падение фактической энергоемкости при глубоком охлаждении аккумуляторной батареи, так как использование аккумуляторов с литированным нанотитанатным материалом анода существенно увеличивает массу изделия при сравнимых с другими типами накопителей показателях гарантированности энергопитания потребителя.

Расчеты подтвердили целесообразность использования аккумуляторов на основе искусственного углеродного материала в качестве анода с катодом в виде смеси литированных оксидов переходных металлов; установлена целесообразность увеличения мощности солнечной батареи до 330 Вт.

Расчеты также показали следующее: разогрев аккумулятора не оказывает существенного влияния на показатели гарантированности, так как основную роль в энергобалансе играет доступная от солнечной батареи мощность, максимальная в теплое время года.

Портативный источник питания, использующий солнечную энергию, изготовлен при финансовой поддержке Федерального государственного бюджетного учреждения «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» (договор (соглашение) № 2872ГС1/45454 от 27 марта 2019 г.).