Рассмотрим ситуацию подробнее. Наиболее распространённой минимальной конфигурацией АСЭС можно считать комплект из солнечной панели мощностью 100 Вт, свинцово-кислотного аккумулятора ёмкостью 100 А·ч, контроллера и инвертора 600 Вт. Такая конфигурация обеспечивает минимальные потребности в освещении, работу вибрационного насоса и зарядку аккумуляторного инструмента и гаджетов.
Но присоединить к системе холодильник с компрессором мощностью 60 Вт не получится, мощности данной системы не хватит для запуска холодильника. Всё дело в пусковом токе компрессора. Для запуска требуется система в два раза дороже и мощнее — 2×100 А·ч, инвертор — от 1,5 кВт. Но и эта система не является оптимальной, в ней быстро выходят из строя аккумуляторы, самая дорогостоящая часть АСЭС. Получается несоответствие — система с инвертором позволяет запустить электрорубанок мощностью 650 Вт и циркулярную пилу мощностью 800 Вт, но не позволяет устойчиво запустить холодильник, потребляющий 60 Вт. В чём же дело? Всё дело в пусковых токах, ведь пила и рубанок запускаются на «холостом ходу», а компрессор — нет.
Частые запуски электроприборов с высокими пусковыми токами вызывают существенное снижение ресурса химического аккумулятора и приводят к неоправданным затратам. Снизить эти затраты позволяют гибридные накопители энергии, состоящие из химического аккумулятора и суперконденсатора (СК).
Суперконденсатор, имеющий свои недостатки, обладает великолепным преимуществом — огромным количеством циклов, на порядки превосходящим число рабочих циклов химического аккумулятора. Было бы эффективно создать такую конструкцию гибридного накопителя электрической энергии, в котором относительно небольшие, но продолжительные токи нагрузки обеспечивались бы энергией химического аккумулятора, а кратковременные, но значительные пусковые токи обеспечивались бы энергией суперконденсатора.
Рис. 1. Результаты измерения
Попробуем измерить пусковой ток холодильника при питании от аккумулятора 100 А·ч и инвертора 1,2 кВт. Результаты измерения представлены на рис. 1. Как видно из данного рисунка, при пуске холодильника пусковой ток достигает значения 115 А на 0,7 с, продолжительность пускового процесса составляет 0,9 с. За это время выделяется энергия порядка 0,28 Вт·ч. Затем в течение двух минут работает компрессор, потребляя ток 8 А и через шесть минут процесс повторяется. Значения тока измерены на стороне напряжением 12 В, то есть на аккумуляторе.
Возникает вопрос — расходуется ли при этом цикл химического аккумулятора? Несмотря на кажущиеся микроскопические значения энергии, расходующиеся при пуске компрессора, можно предположить, что какая-то часть ресурса аккумулятора при этом расходуется.
Рис. 2. Зависимость рабочих циклов свинцово-кислотной АКБ от глубины разряда
Рассмотрим типовой график зависимости рабочих циклов свинцово-кислотного аккумулятора от глубины разряда (рис. 2). Как видно из рисунка, с достаточной точностью можно утверждать, что снижение глубины разряда химического аккумулятора вдвое увеличивает его ресурс в те же два раза. Можно предположить, что снижение значения пускового тока в два раза позволит вдвое увеличить его срок службы. Рассмотрим, как это можно сделать с помощью суперконденсатора.
Известны различные конструкции гибридных накопителей энергии, состоящие из химических аккумуляторов и суперконденсаторов [2]. В связи со спецификой потребителя маломощных АСЭС наибольший интерес вызывают конструкции, обладающие максимальной простотой (например, параллельное соединение аккумулятора и суперконденсатора [3]), которые упрощённо можно изобразить на рис. 3.
Рис. 3. Упрощённые схемы гибридных накопителей энергии
Изображённая на рис. 3 схема гибридного накопителя энергии предполагает включение и отключение в нужные моменты времени аккумулятора и суперконденсатора. Недостатком такого решения является достаточная сложность коммутации постоянных токов значительной величины. В идеальном случае было бы эффективно весь пусковой ток питать от суперконденсатора, а остальные токи — непосредственно от аккумулятора.
В результате была рассмотрена конструкция, давно известная и применявшаяся для выравнивания распределения токов и напряжений в многоэлементных выпрямительно-инверторных преобразователях, а именно применение индуктивности. Аналогичные схемы, использующие индуктивность, связывающую химический аккумулятор и суперконденсатор, известны и имеют различные непринципиальные отличия. По ряду причин, в том числе и конструкционных особенностей, было выбрано решение, представленное на рис. 4.
Рис. 4. Принципиальная схема гибридного накопителя энергии
Как эта схема работает? При резком увеличении тока нагрузки происходит увеличение омического сопротивления индуктивностей, и относительно значительная часть энергии поступает на нагрузку от суперконденсатора. После снижения нарастания тока сопротивление индуктивностей снижается, и ток поступает преимущественно от АКБ. Величины и параметры индуктивностей L1 и L2 подбираются сообразно параметрам химического аккумулятора, нагрузки и технических характеристик инвертора.
Несмотря на кажущуюся простоту данной схемы, создать её адекватную математическую модель не удалось. Это вызвано тем, что на сегодняшний момент отсутствует адекватная электрическая схема замещения суперконденсатора.
Нелинейность электрических параметров электрохимических суперконденсаторов существенно ограничивает применение известных методов и средств измерений традиционных электролитических конденсаторов для их измерения. В научных публикациях отмечается, что электрическая ёмкость и активное внутреннее сопротивление электрохимических СК являются частотно зависимыми и нелинейными параметрами [4]. В связи с этой нелинейностью была произведена серия экспериментов по подбору параметров индуктивностей, которые бы позволили получить максимальный результат.
В настоящее время доступны суперконденсаторные сборки ёмкостью 20 Ф и 83 Ф, номинальным напряжением 12 В. Рассмотрим сочетание химического аккумулятора с номинальным напряжением 12 В, суперконденсатором 20 Ф и различной суммарной индуктивностью до 29 мГн (рис. 5).
Рис. 5. Ток аккумулятора при параметрах 20 Ф и 29 мГн
Общий пусковой ток достигал значения 153 А, ток от аккумулятора — 112 А, то есть снижение величины тока составило 27%. При дальнейшем увеличении суммарной индуктивности происходило нерасчётное снижение напряжение на вводах инвертора, что вызывали срабатывание защит инвертора.
Более выгодные результаты были получены при использовании суперконденсаторной сборки 83 Ф 16 В и различными суммарными индуктивностями (рис. 6).
Рис. 6. Токи при значениях индуктивности бустера от 0 до 44 мГн
Серия экспериментов с суперконденсаторной сборкой ёмкостью 83 Ф 16 В и различными индуктивностями значениями от 0 до 44 мГн показала следующее. Без применения СК максимальное значение тока составляло 118 А, простое параллельное соединение с суперконденсаторной сборкой позволили снизить этот ток до 102 А, то есть на 14%, увеличение величины индуктивности до 44 мГн позволило снижать значение тока дальше, и при значении 44 мГн ток составил 74 А, что соответствует снижению на 37%.
На основе проведённых исследований был создан суперконденсаторный буфер БСК-83/** с суперконденсатором 83 Ф, номинальным напряжением 16 В и различными значениями суммарной индуктивности (фото 1). Буфер БСК конструктивно представляет собой приставку к химическому аккумулятору, прикрепляемую непосредственно на аккумулятор. Возможно исполнение с креплением на другие поверхности.
Фото 1. Суперконденсаторный буфер БСК-83/**
Выводы
1. Гибридные накопители энергии, состоящие из химического аккумулятора и суперконденсатора, позволяют объединить преимущества обоих устройств, увеличить их срок службы и получить значительный экономический эффект.
2. Использование индуктивности в цепях гибридного накопителя энергии, позволяют снизить пусковой ток на 37% и увеличить срок службы химического аккумулятора.
3. Аналогичные результаты могут быть получены при использовании других видов химических аккумуляторов и в других областях электротехники (системы оперативного тока электроподстанций, приводы различных исполнительных устройств оперативного тока и т. д.).
