Системи безперебійного електропостачання дозволяють в екстрених випадках без збоїв у роботі забезпечувати електроживлення до відновлення зовнішнього електропостачання або підключення автономних джерел живлення. Ці системи зібрані із застосуванням особливого обладнання - джерел безперебійного живлення (ДБЖ), призначених для живлення від акумуляторів.

Акумулятор - це хімічне джерело струму, здатне багаторазово перетворювати хімічну енергію в електричну та акумулювати, запасати її на тривалий час. Спрощено акумулятор можна подати так: два електроди, у вигляді пластин, поміщені в розчин сірчаної кислоти з щільністю 1,27-1,29 г/см3. При цьому позитивний електрод виконаний з двоокису свинцю (PbO2), а негативний зі свинцю (Pb). При проходженні струму між ними протікають окисно-відновлювальні реакції.

При розряді відбувається хімічна реакція, в результаті якої активна маса обох електродів почне змінювати свій хімічний склад, перетворюючись з губчастого свинцю та його двоокису на сірчанокислий свинець (сульфат свинцю - PbSO4), а щільність електроліту почне падати. В результаті всередині батареї утворюється спрямований рух іонів і в ланцюзі потече електричний струм. При заряді акумулятора відбувається зворотний процес - напрямок струму змінюється на протилежний, активні маси відновлюють свій первісний хімічний склад, а щільність електроліту зростає. Цей процес, званий циклом, може бути багаторазовим. Кількість електричної енергії, що при цьому припадає, залежить від площі активної взаємодії електродів і електроліту та його обсягу. Номінальна напруга, що виробляється таким акумулятором, становить 2 вольти. Для більшого значення напруги одиночні акумулятори з'єднують послідовно. Наприклад: 12-вольтовий акумулятор складається з, послідовно з'єднаних у загальному корпусі, шести акумуляторів.

Основний принцип роботи будь-якого акумуляторного елемента - протікання в ньому електрохімічної реакції, тобто при додатку до контактів елемента постійної напруги, на його пластинах (електродах) накопичується електрична енергія, а при додатку навантаження відбувається її витрачання. Протікає така реакція протягом великої кількості циклів заряду/розряду.

Як вибрати акумулятор?

Для того, щоб правильно вибрати акумуляторну батарею, необхідно мати як мінімум базове уявлення про основні технічні характеристики АКБ, адже здебільшого вибір пристрою відбувається залежно від показників апарата. Нижче наведено основні технічні характеристики та параметри акумуляторних батарей.

• Тип акумулятора.
• Напруга батареї.
• Ємність аккумулятору.

Також при виборі АКБ приділяють увагу таким параметрам як внутрішній опір, хімічний склад, саморозрядний струм, заявлений термін служби акумулятора.

Залежно від використовуваного матеріалу електродів і типу електроліту, що використовується, існують різні варіації акумуляторних елементів, кожен з яких має свої особливості.

Різновиди акумуляторів

З рідким електролітом (автомобільні акумулятори).  Не будемо зупинятися докладно, оскільки цей тип акумуляторів заборонено для використання в побутових умовах. І не тільки тому, що дані АКБ виділяють шкідливі випаровування та потребують постійного обслуговування. Стартерні акумулятори, що використовуються в автомобілях, не підходять для роботи в циклічному або буферному режимі. У них інше призначення - короткочасно видавати великі пускові струми, а в решту часу заряджатися від генератора двигуна. Стартерні автомобільні акумулятори не переносять глибокі розряди і не розраховані на режим: заряд-розряд-заряд, в якому працюють батареї для котла або насоси опалення. У результаті ви дихайте шкідливими випарами, а ваш акумулятор виводить з ладу джерело безперебійного живлення через коротке замикання пластин. 

1. Свинцеві акумулятори для джерел безперебійного живлення поділяються на:

• AGM  - з ізоляцією зі скловолоконної тканини. Краще захищені від коротких замикань, легше переносять коливання напруги під час заряджання, повільніше розряджаються в режимі очікування. Недолік - глибокий розряд для них згубний.
• GEL  - з гелевим електролітом, який доданий діоксид кремнію. Найкраще переносять високі навантаження, швидше заряджаються, стійкі до глибокого розряду. Недолік – бояться коротких замикань та перепадів напруги, швидше розряджаються у черговому режимі.
• Карбонові акумулятори  – наступне покоління розвитку акумуляції енергії. У них використовується свинцево-вуглецева анодна пластина, що покращує розрядні характеристики АКБ і продовжує термін служби батареї – понад 1200 циклів при 80% DOD. Такі моделі не бояться розгерметизації, добре працюють при високих та низьких температурах.
• Тягові акумулятори  - це пристрої, розроблені для тривалої та інтенсивної роботи. Вони принципово відрізняються від звичних стартерних (автомобільних) акумуляторів. Тягові АКБ призначені для тривалої та інтенсивної роботи. Їхнім безпосереднім завданням є безперервне постачання харчуванням різної техніки, механізмів і т.д. Коли стартерний акумулятор призначений для подачі струму на запуск пристрою.

• А чим відрізняється мультигелевий акумулятор від AGM акумулятора?  Мультигелевий акумулятор це акумулятор який виробляється за технологією AGM, але деякі виробники називають такі акумулятори мультигелеві.

Незважаючи на солідний вік технології, свинцеві акумулятори досі застосовуються в системах резервного живлення, автомобільному транспорті, системах накопичення відновлюваних джерел енергії.

Для джерел безперебійного живлення (ДБЖ) використовують свинцеві акумулятори певного типу. Такими акумуляторами є джерела живлення типу AGM (Absorbent Glass Mat), у яких абсорбованим електролітом (не рідким) просочений спеціальний пористий мат зі скловолокна. До переваг свинцевих акумуляторів відносяться їх низька вартість та можливість роботи у широкому діапазоні температур навколишнього середовища (від - 40 до + 40 ° С). Іноді свинцеві акумулятори, виконані за технологією AGM , помилково називають гелевими. Це не так. Насправді гелеві акумулятори - окремий тип свинцевих джерел живлення.
Гелевими називаються акумулятори, електролітом у яких виступає розчин сірчаної кислоти у желеподібному стані. Принцип роботи гелевого акумулятора аналогічний принципу роботи звичайних свинцево-кислотних АКБ - заряджене джерело повільно віддає заряд (застосовується в сонячній енергетиці, живленні крісел для інвалідів, гольф-карів і т.д.). Під час цього процесу напруга падає, а густина електроліту зменшується. Гелеві джерела живлення вимогливі до напруги, сили струму, «глибини» розряду, тому використання зарядок, що не регулюються, може зіпсувати АКБ.

AGM

AGM розшифровується як абсорбуючі скляні мати. Фактично, це звичайна склотканина, розташована між позитивними та негативними свинцевими пластинами. У цій склотканини в "пов'язаному" стані знаходиться електроліт. Завдяки тому, що електроліт перебуває у зв'язаному стані, можлива експлуатація батарей у будь-якому положенні (наприклад, на боці).

AGM акумулятори є найдешевшими (за винятком автомобільних) з типовим терміном служби – 5 років. Однак існують моделі і з 10-річним терміном служби. Типова модель здатна витримувати до 200 циклів розряду з глибиною 100%, до 350 – з глибиною 50% та до 800 – з глибиною 30%.

Застосовувати акумулятори AGM доцільно в системах резервного живлення, тобто. там, де циклування (розряди) буде досить поодиноким. За умови дотримання оптимального температурного режиму (15-25 градусів Цельсія) і якщо не залишати батарею в розрядженому стані, модель AGM прослужить заявлений виробником термін служби.

ГЕЛЬ

GEL розшифровується як гель, а не гелій, що іноді зустрічається. У гелевих акумуляторах як сепаратор між свинцевими пластинами застосовується силікагель, яким заливається простір між пластинами в процесі виробництва. Силікагель після застигання є твердою речовиною з величезною кількістю пір, в яких утримується електроліт. Завдяки тому, що силікагель повністю займає простір між пластинами, в акумуляторних гелевих батареях практично неможливе осипання свинцевих пластин і як наслідок, закорочування і вихід з ладу.

Крім того, така конструкція дозволила покращити якісні характеристики гелевих акумуляторів, а саме, кількість циклів розряду та стійкість до глибоких (100%) розрядів. І якщо їх номінальний термін служби не відрізняється від терміну служби акумуляторних батарей технології AGM і тут також існують моделі з 5- та 10-річним терміном, то кількість циклів типової гелевої батареї в середньому на 50% вище. Типова модель технології GEL здатна витримувати до 350 циклів розряду з глибиною 100%, до 550 – з глибиною 50% та до 1200 – з глибиною 30%.

Провівши аналіз та порівняння основних характеристик AGM та гелевих акумуляторів, Ви побачите що гелеві АКБ більш вимогливі до таких параметрів як струму та напруги заряду, не стійка до пускових струмів обладнання, яке підключається до ДБЖ (насоси опалення, вентилятор твердопаливного котла тощо). .Тому AGM акумулятори більш популярні серед покупців через свою нижчу вартість порівняно з гелевими акумуляторами. Технологія AGM АКБ сучасніша порівняно з гелевими АКБ. У чому відмінність GEL акумулятора та AGM акумулятора крім ціни на АКБ? У таблиці нижче Ви можете побачити порівняння гелевих та AGM акумуляторів за основними параметрами:

 Переваги та недоліки АКБ свинцевих акумуляторів

 Застосування АКБ

Що таке сульфатація

Не можна просто так взяти і використовувати звичайний автомобільний акумулятор, наприклад, у будинку на колесах, човні або як автономне джерело живлення. Точніше, можна. Але через короткий час він деградує, і його доведеться викинути. Багато хто через це проходили, коли намагалися використовувати звичайні стартерні батареї як ДБЖ для домашнього сервера або як буфер для сонячної батареї.
Щоб батарея не вмирала від глибокого розряду, її внутрішня структура має бути оптимізована для таких сценаріїв. Наприклад, для свинцево-кислотних акумуляторів потрібні товстіші пластини іншої конфігурації. Як альтернатива є літій-іонний варіант, але він дорогий у перерахунку на енергію, що запасається. У звичайній ситуації класичні свинцево-кислотні батареї, як і раніше, - найдешевший спосіб запасти енергію.

Свинцево-кислотні акумулятори поступово витісняються літієм у багатьох сферах, насамперед — там, де потрібна мала вага та висока енергоємність. Умовний телефон із пластинами свинцю був би дуже специфічним девайсом. Проте вони досі актуальні там, де потрібно запасти великий обсяг енергії за помірну ціну, а вага особливо некритична.

Все б добре, але свинцево-кислотні мають одну дуже неприємну особливість — вони катастрофічно швидко деградують при надмірному розряді. У міру розряду свинець на катоді з діоксиду поступово перетворюється на сульфат. На аноді аналогічно йде утворення сульфату свинцю, але не з оксиду, та якщо з чистого губчастого свинцю.
Реакція на позитивному електроді (зарядка йде зліва направо):


Реакція на негативному електроді (зарядка йде зліва направо):



У нормі ця реакція майже оборотна. Чим дрібнодисперсніші кристали сульфату свинцю утворюються, тим легше протікає зворотна реакція при зарядці. Кристали дрібні, а внутрішній опір пластини невеликий, поки батарея не сильно розряджена. Грубо кажучи, коли ви розрядили батарею на 20-30% - все добре. До 100% можна буде зарядити практично без втрат.

Якщо акумулятор розряджати досить сильно, а тим більше в нуль і потримати деякий час у розрядженому стані, кристали сульфату свинцю стануть настільки великими (процес перекристалізації), що почнуть деактивувати активну масу, перетворюючи її на баласт і розриваючи внутрішню структуру пластин. Більші кристали сульфату свинцю, що утворюються на поверхні, сумно відваляться від основної маси і осядуть на дні акумулятора. З цього моменту вони не зможуть брати участь у реакції заряду. Але навіть кристали, що залишилися на пластині, через свій високий опір дуже неохоче перетворюватимуться назад на металевий свинець і оксид. Сумарна робоча площа пластин різко знижується, і батарея відправляється на утилізацію. Особливо сильно постраждає типова АКБ від вібрації у розрядженому стані – це прискорить обсипання пластин.

2. Літій-іонні (Li-ion) акумулятори

Для організації автономних та резервних систем електропостачання потрібні АКБ іншого типу – здатні швидко накопичувати енергію від електромережі чи альтернативних джерел та під час роботи стабільно віддавати її для роботи обладнання. Найкраще для вирішення таких завдань підходять Li-ion батареї, зокрема моделі підвиду LiFePO4.

Майже всі сучасні мобільні пристрої оснащені літій-іонними акумуляторами. Саме їхня розробка дала поштовх до розвитку легких та мініатюрних джерел харчування. Сильними сторонами Li-ion є висока щільність енергії, що акумулюється. Саме тому ці акумулятори використовуються для електромобілів, самокатів, велосипедів, ручного електроінструменту та інших пристроїв з електродвигунами.
Варто зазначити, що «літій-іонний акумулятор» – це узагальнена назва цілої групи електрохімічних елементів, переносником заряду, в яких виступають іони літію. Різниця полягає у складі матеріалу катода та типі електроліту.
Li-ion акумулятори при високій питомій ємності мають малу вагу. Для їхньої зарядки потрібно не так багато часу. У них практично відсутній ефект пам'яті та саморозряд.

При тому, що буквально кілька типів акумуляторів, які застосовуються, і свинцеві - це швидке рішення, але дороге. Якщо вартість цієї системи розділити на кількість циклів, ви отримаєте дорогу вартість зберігання. Вартість зберігання енергії = вартість обладнання/кількість циклів, скільки цей акумулятор витримає. Можна йти двома шляхами. Можна шукати дешевшу систему. А можна збільшити кількість циклів, Тому що така система дорожча,

На сьогоднішній день найбільш оптимальними є залізо-фосфатні акумулятори, кращі моделі яких витримують до 6000 циклів. і якщо ми говоримо, що акумулятор виробляє 1 цикл на день, це 365 циклів на рік. За 10 років – 3600 циклів, за 20 років – 7000 циклів. Якщо кілька циклів на день, то все одно оптимальнішими будуть літій-залізо-фосфатні системи", 

Літієві та свинцево-кислотні акумулятори – основні відмінності:

Вартість.  Класичні свинцево-кислотні AGM, AGM мультигель і GEL акумулятори значно дешевші за інноваційні LiFePO4.

Ресурс роботи.  Ресурс свинцево-кислотного акумулятора, залежно від типу батареї та умов експлуатації, становить від 400 до 1400 циклів, в середньому термін експлуатації цих акумуляторів – близько 2 років. Мінімальний ресурс літій-залізо-фосфатних АКБ – 2000 циклів, така батарея прослужить у середньому близько 5 років.

Ремонтнопридатність.  Літієвий акумулятор складається з деякої кількості осередків (банок), якщо один елемент з якоїсь причини вийде з ладу, його можна легко замінити. Свинцево-кислотні акумулятори не ремонтуються.

Заряджання батареї..  Акумулятори LiFePO4 не бояться великих струмів і мають відсутність «ефекту пам'яті», тобто. їх можна заряджати у час, не чекаючи повної розрядки. Завдяки вбудованій BMS (Battery Management System) платі рівень заряду/розряду літієвих батарей контролюється автоматично. Крім того, швидкість зарядки літій-залізо-фосфатних АКБ на 70% вища, ніж у свинцево-кислотних.

Втрата ємності.  Будь-яка акумуляторна батарея втрачає ємність у процесі експлуатації. На практиці перевірено, що літій-залізо-фосфатні акумулятори, завдяки вбудованій BMS, мають мінімальну втрату ємності, на відміну від свинцево-кислотних АКБ.

Свинцеві та гелеві VS. літій-іонні акумулятори в сучасних системах резервування

1. Свинцево-кислотні лужні акумулятори – це все одна група акумуляторів, яка має високий саморозряд у порівнянні з літій-іонними (ЛІ). Якщо матимуть саморозряд у середньому 6% протягом року, то свинцево-кислотні такий самий відсоток отримають протягом дня. Тому системи резервування, які використовують як ємність живлення гелеві або лужні акумулятори, будуть потребувати постійної підзарядки, тим самим істотно знижуючи ефективність сонячної генерації.
2. Якщо будинок підключено до зовнішньої мережі та система резервування заряджена літій-іонними акумуляторами, то, зарядившись, вони більше не споживатимуть електроенергію. Це одна із суттєвих переваг у порівнянні з іншими типами акумуляторів.
3. Якщо ви підключите до системи резервування на базі гелевих акумуляторів сонячні панелі, основна частина отриманої енергії буде витрачатися на заряд самих акумуляторів. Тобто, не буде можливості використовувати сонячну енергію в момент споживання.
4. З літій-іонними батареями ситуація інша. Сонячну енергію можна буде використовувати і на живлення навантаження в моменті, і підзарядку батарей, якщо вони були розряджені. Батареї зарядяться набагато швидше за рівних умов, вони зберігатимуть заряд і не споживатимуть енергію протягом дня через низький саморозряд. Тобто вся “сонячна” електрика буде спрямована на навантаження.
5. Системи ДБЖ із лужними та гелевими акумуляторами вимагають постійної зарядки для підтримки власної роботи. Характеристики циклів заряду/розряду вкрай низькі порівняно з літієм-іоном. На наш досвід, застосування цих акумуляторів обґрунтовано лише при терміні резервування не більше 30 хвилин. Так, при термінах резервування годину і більше, кількість АКБ істотно зростає, а продуктивність вже через два роки становитиме менше 50% від початкової.
6. Літій-іонним акумуляторам потрібно мінімум енергії для підтримки власної роботи, кількість їх циклів більша, в середньому, в 5 разів. Дані акумулятори в рази менші за розмірами та легшими за вагою, і не вимогливі до глибини розряду.