BATERIJE ELEKTRIČNIH AKUMULATORA KAO SAMOSTALNI

IZVOR ELEKTRIČNE ENERGIJE

Predmetni profesor: Dr Željko Despotović

VISOKA ŠKOLA ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA STRUKOVNIH STUDIJA-VIŠER, BEOGRADSTUDIJSKI PROGRAM: NOVE ENERGETSKE TEHNOLOGIJESPECIALISTIČKE STUDIJEPREDMET: SPECIJALNE ELEKTRIČNE INSTALACIJE

UVODSekundarni hemijski izvori električne struje –AKUMULATORI su veštački obnovljivi izvori električne energijeAkumulator je elektro-hemijski izvor energije koji oslobađa električnu energiju na kontrolisan način. Proces je reverzibilan, tj. može se više puta pretvarati hemijska u električnu energiju i obrnuto (mogu se puniti i prazniti). Broj ciklusa punjenja i pražnjenja je relativno veliki i može iznositi i do nekoliko hiljadaAkumulator se sastoji od jedne ili više ćelija koje imaju dve elektrode (katodu i anodu) koje su uronjene u elektrolit. Serijskim povezivanjem ćelija dobija se akumulatorska baterija nazivnog napona koji odgovara broju ćelija pomnoženim sa naponom jedne ćelije.Preovlađujući u primeni su: olovni akumulatori i čelični (nikl-kadmijumski tj. Ni-Cd)

PRIMENA AKUMULATORA

OLOVNI AKUMULATORI-princip

Pozitivna ploča je napravljena od olovo-dioksida (PbO2), a negativna ploča od sunđerastog olova (Pb).Kada se na akumulator priključi električni, kroz elektrolit (H2SO4)u akumulatoru će poteći struja koja će napajati potrošača. Ovo će dovesti do hemijske reakcije unutar akumulatora, pri čemu će se na obe ploče formirati olovo sulfat tj. doći će do pražnjenja akumulatora. Akumulator se može napuniti dovođenjem struje sa spoljašnjneg izvora napajanja. Priključivanjem spoljašnjeg izvora napajanja dolazi do stvaranja olovnog sulfata u polazne materijale, tj. u olovo dioksid i sunđerasto olovo. Kako se akumulator puni, elektricitet počinje da vrši dekompoziciju (hidrolizu) vode unutar elektrolita na njene sastavne elemente vodonik i kiseonik, koji se oslobađaju kao gas. To je uzrok “gasiranja” akumulatora tokom punjenja.

OLOVNI AKUMULATORI-karakteristike

HEMIJSKE KARAKTERISTIKE NAPONSKE KARAKTERISTIKE (napon/ćeliji u [V])

TIPIČNO “SAMOPRAŽNJENJE”

Na 20°C gubi se 0.2% kapaciteta u vremenu od 24h

U punom akumulatoru gustina sumporne kiseline (elektrolita) je ρ(H2S04)=1,25-1,30g/cm³, pri temperaturi od 20°C. Kada je akumulator prazan ρ(H2SO4)=1,15g/cm ³, pri temperaturi od 20°C. Elektromotorna sila olovnog akumulatora je oko 2,1V.

PROBLEM “GASIRANJA”

Olovne akumulatore možemo puniti različitim jačinama struje pazeći pri tome da napon po ćeliji ne bude veći od 2.4V, jer iznad tog napona dolazi do elektrolize vode. Tada se oslobađaju gasovi (vodonik i kiseonik), pa se stiče utisak da da elektrolit "ključa".Ova pojava se obično naziva GASIRANJE To se obično smatra znakom da je akumulator napunjen. Ako bi pustili da se akumulator puni i nakon početka “gasiranja” moglo bi doći do njegovog oštećenjaKako se rešava ovaj problem?

OLOVNI AKUMULATORI SA REKOMBINACIJOM GASA

Rešenje su olovni akumulatori sa rekombinacijomgasaKonstrukcijom rešen problem “gasiranja” i gubitkaelektrolitaIzmeđu ploča (pozitivne i negativne) akumulatora se nalazi specijalni separatorod silicijum dioksida. Separator omogućava dobru difuziju kiseonika od pozitivne elektrode (gde se on generiše) direktno do negativne elektrode (gde on reaguje i ponovo formira vodu)SIGURNOSNI VENTIL?

KAKVA JE ULOGA SIGURNOSNOG VENTILA?

Baterije poseduju sigurnosni ventil. On u normalnim radnim uslovima sprečava razmenu gasova sa okolinom (hermetički zatvorena baterija). U nenormalnim uslovima on se otvara i pušta gas van kućišta ukoliko pritisak gasa stvorenog unutar kućišta pređe određenu vrednost.Kvalitetni savremeni akumulatori imaju stepen rekombinacije > 95 %Konstrukcijom sa sigurnosnim ventilom je rešen problem gasiranja koji postoji kod klasičnih olovnih akumulatora!!!.

ČELIČNI AKUMULATORI-princip

Čelični, odnosno nikl-kadmijumski (Ni-Cd) akumulatori su znatno skuplji od olovnih, predstavlja prvu široko prihvaćenu bateriju opšte namene. Uprkos tome što imaju veliki životni vek (čak i do 3000 ciklusa), dobro podnošenje većih struja pražnjenja, otpornost na mehaničkevibracije, mane su im hemijski sastav koji je daleko od ekološki prihvatljivog (toksični kadmijum) i niska gustina energije.Aktivna masa napunjenog NiCd akumulatora na pozitivnoj elektrodi je nikl-hidroksid (Ni(OH)2 i nikl hidroksid(NiOOH), a na negativnoj elektrodi je kadmijum. Elektrolit je vodeni rastvor kalijum-hidroksida koji ne učestvuje u hemijskim reakcijama kao što to čini elektrolit u olovnom akumulatoru. Pri pražnjenju se troši, a pri punjenju stvara voda; gustina elektrolita malo se menja, nedovoljno da bi se merenjem gustine odredilo stanje punjenja. Ukupna jednačina reakcije za NiCd akumulatoru je:

ČELIČNI AKUMULATORI-karakteristike

HEMIJSKE KARAKTERISTIKE NAPONSKE KARAKTERISTIKE (napon/ćeliji u [V])

UPOREDNI PRIKAZ KARAKTERISTIKA OLOVNIH I ČELIČNIH AKUMULATORA

Čelični akumulatori su mehanički čvršći od olovnih Čelični akumulatori mogu da rade pri niskim temperaturama ambijenta, dok olovni ne moguOlovni akumulatori mogu da rade pri višim temperaturama ambijenta (20°C do 55°C), dok čelični takođe mogu, ali takav rad nije preporučljiv Čelični akumulatori su jednostavniji za održavanje u odnosu na olovneČelični akumulatori ne razvijaju korozivne gasove (nema problema“gasiranja”) Olovni akumulatori imaju veću iskoristivost (odnos energije iskorišćene pri pražnjenju i energije uložene pri punjenju) Olovni akumulatori imaju manju varijaciju napona - manja je razlika napona punjenja i pražnjenjaOlovni akumulatori imaju manje troškove proizvodnje od čeličnihNedostaci olovnih akumulatora (održavanje i korozivni gasovi) su prevaziđeni savremenom konstrukcijom sa rekombinacijom gasa

KAPACITET AKUMULATORA

Kapacitet akumulatora je ustvari električno naelektrisanje iskazano u amper-časovima (Ah) koje akumulator može dati pri pražnjenju stalnom strujom. NAELEKTRISANJE=STRUJA x VREMEKapacitet akumulatora se razlikuje za razne vrednosti struje pražnjenja i manji je ako je struja pražnjenja veća. Kapacitet akumulatora se može izraziti i preko energije koju on može dati, pa se umesto u amper-časovima može iskazati i u Watt-časovima (Wh).

NOMINALNI KAPACITET AKUMULATORA

Kao nominalni kapacitet obično se uzima kapacitet akumulatora pri desetočasovnom pražnjenju i označava se K10.

Tako na primer K10=600Ah znači da bi taj akumulator mogao davati stalnu struju pražnjenja 60A tokom 10h. U nekim slučajevima (karakterizacija akumulatora u foto naponskim sistemima) obično se navodi kapacitet pri pražnjenju tokom 100h; na primer: 12V, 50Ah (K100). To znači da je struja pražnjenja 0,5A. Kada je struja pražnjenja veća, kapacitet je manji; na primer, za navedeni akumulator pri struji I=4A, kapacitet K je 40Ah za vreme pražnjenja od 10h.

ZAVISNOST KAPACITETA OD VREMENA PRAŽNJENJA

vreme pražnjenja=vreme posle koga se baterija isprazni do kraja

Orijentaciona zavisnost kapaciteta od temperature oko nominalne temperature - raste sa njenim porastom temperature (0.5 % za 1 K)- opada sa smanjenjem temperature (0.75% za 1K)

Tokom pražnjenja napon na akumulatoru opada.

Pri izboru akumulatora treba voditi računa:

1. Napon ne sme biti manji od vrednosti date od strane proizvođača akumulatora, kako ne bi došlo do njegovog oštećenja

2. Napon ne sme opasti ispod vrednosti pri kojoj prijemnik još uvek može normalno da radi.

ENERGETSKO ISKORIŠĆENJE AKUMULATORA

Strujno iskorišćenje električnog akumulatora: odnos iskorišćene količine elektriciteta pri pražnjenju u odnosu na uloženu količinu elektriciteta pri punjenju akumulatora (pri optimalnim uslovima punjenja i pražnjenja)Iskorišćenje se kreće u opsegu 0.7 do 0.75 za NiCd i 0.85 do 0.95 za olovne akumulatoreStepen energetskog iskorišćenja predstavlja odnos dobijene i uložene energije (za olovne akumulatore je u opsegu 0.67 do 0.75)Strujno iskorišćenje i stepen iskorišćene snage se razlikuju zbog prirode procesa punjenja i pražnjenja akumulatora.

FORMIRANJE BATERIJE AKUMULATORA

Formiranje akumulatorskih baterija se ostvaruje rednim i (ili) paralelnim povezivanjem usvojenih akumulatorskih ćelija kako bi se postigli potrebni napon i potrebna struja u toku definisanog vremena za specificirane potrošačeREDNA VEZAPARALELNA VEZAREDNO-PARALELNA VEZA

REDNA VEZA AKUMULATORSKIH ĆELIJA

-STRUJA JE ISTA ZA SVE ĆELIJE

-PROTEKLO NAELEKTRISANJE (Ah) JE ISTO ZA SVE ĆELIJE

-UKUPNI NAPON SE DELI NA ĆELIJE U NIZU

-UKUPNI KAPACITET JE JEDNAK KAPACITETU POJEDINAČNE ĆELIJE

PARALELNA VEZA AKUMULATORSKIH ĆELIJA

-NAPON JE ISTI ZA ZA SVE ĆELIJE

-UKUPNO PROTEKLO NAELEKTRISANJE (Ah) SE DELI NA POJEDINE ĆELIJE

-UKUPNI KAPACITET SE DOBIJA SABIRANJEM KAPACITETA POJEDINIH ĆELIJA

REDNO-PARALELNA VEZA AKUMULATORSKIH ĆELIJA

-NAPON SE DELI NA ĆELIJE U GRANAMA

-STRUJA SE DELI NA ĆELIJE POGRANAMA

-KAPACITET SE DOBIJA SABIRANJEM KAPACITETA PO GRANAMA

MEHANIČKO GRUPISANJE BATERIJA

Fizičko grupisanje baterija se može ostvariti u:-u posebnim prostorijama, postavljanjem na stalke (dobijanje većih kapaciteta)-ormane, zajedno sa ostalom opremom (manjih kapaciteta, najčešće sa hermetičkizatvorenim baterijama)-u sanduke koji se montiraju u transportno sredstvo (na primer ispod železničkog vagona)

STRUJA KRATKOG SPOJA BATERIJE

Un- nominalni napon baterijeRun- ekvivalentni unutrašnji otpor redno paralelne veze baterijeRsp -električni otpor između krajeva baterije i mesta kratkog spoja

Unutrašnji električni otpor ćelije zavisi od stepenanjene ispražnjenosti. On raste sa pražnjenjem ćelija. Za ćelije većih kapaciteta ovaj je otpor manji, i obrnuto. Te podatke daje svaki proizvođač akumulatora.

ORIJENTACIONE VREDNOSTI UNUTRAŠNJIH OTPORNOSTI JEDNE OLOVNE ĆELIJE SE KREĆU U OPSEGU: 1-3mΩ/nn-kapacitet ćelije podeljen sa 100Ah

NAPON PRAZNOG HODA BATERIJE

Napon "praznog hoda" akumulatora (Uh) zavisi od stepena ispražnjenosti, odnosno koncentracije elektrolita ( ρ):

PUNJENJE AKUMULATORA

Olovne akumulatore možemo puniti različitim jačinama struje pazeći pri tome da napon akumulatora ne bude veći od 2.4V, jer iznad tog napona dolazi do elektrolize vodeTada se oslobađaju gasovi (vodonik i kiseonik), pa se čini da elektrolit "ključa". To se obično smatra znakom da je akumulator napunjen. Pri pražnjenju akumulator se upotrebljava samo do napona1,8V. ispod ovog napona ga ne treba prazniti, jer se akumulator više ne možeupotrebljavati ako mu se elektrode jače prekriju olovo-sulfatom. Olovni akumulatori obično se pune pod naponom od oko 2.25V po ćeliji, a ako se želi ubrzano puniti upotrebljava se napon oko 2.4V po ćeliji. Kada se postigne napon po ćeliji od 2.4V nastavlja se punjenje još nekoliko sati, a zatim se održava napon punjenja od 2.25V. Na početku punjenja napon akumulatora naglo raste, zatim je nekovreme stalan, pa raste do 2.4V pa i više, čak do 2.7V.

KONFIGURACIJE PUNJAČA AKUMULATORA

Izbor strategije punjenja je bitan zbog eksploatacionih svojstava: produženja životnog veka, boljeg iskorišćenja baterije, odabir ekonomičnog ispravljača i dovođenje baterije u stanje pogonske spremnostiBitna je konfiguracija sistema – veza ispravljač , baterija, prijemnik

ON-OFF kontrola punjenja/pražnjenja baterije

mreža

ispravljač

ON-OFF kontrolapunjenja/pražnjenja

POTROŠNJA

-Ispravljač je obično nekontrolisan (diodni)-Kontrola punjenja se ostvaruje prekidačkom funkcijom ON-OFF-Kada se vrši punjenje isključena je potrošnja-Kada je uključena potrošnja tada se baterija prazni ali nema punjenja

-Fleksibilno rešenje ALI!!!!!

KONTROLISANO PUNJENJE SA REGULISANIM ISPRAVLJAČEM

Fleksibilnost se značajno povećava ako se između baterije i prijemnika postavi regulisani pretvarač (najčešće čoper)

mreža regulisani ispravljač

baterijapotrošači

(ČOPER)

STRATEGIJE PUNJNENJA

PUNJENJENJE SA KONSTANTNIM NAPONOMPUNJENJE PO STRUJNO-NAPONSKOJ KARAKTERISTICI

PUNJENJE SA KONSTANTNIM NAPONOM

Broj ćelija=Maksimalni dozvoljeni napon na prijemniku / Maksimalni napon ćelije

Maksimalni napon po ćeliji pri punjnju za ovaj slučaj se usvaja da je 2V :

Minimalni napon ćelije=Minimalni dozvoljeni napon na prijemniku / Broj ćelija

Minimalni napon ćelije, Struja (snaga), Vreme napajanja →→ Izbor akumulatora iz kataloga

PUNJENJE PO STRUJNO NAPONSKOJ KARAKTERISTICI

Maksimalni napon po ćeliji pri punjnjenju za ovaj slučaj se usvaja da je 2.4V

-Do postizanja napona održavanja punjenje se ostvaruje sa konstantnomstrujom

-Nakon dostizanja napona održavanja struja se smanjuje do minimalne vrednosti

PUNJENJE PO STRUJNO NAPONSKOJ KARAKTERISTICI

Maksimalni napon po ćeliji pri punjnjenju za ovaj slučaj se usvaja da je 2.4V

-Do postizanja napona Umaxpunjenje se ostvaruje sa konstantnomstrujom

-Nakon dostizanja napona Umaxstruja se smanjuje do minimalne vrednosti Imin

-Nakon opadanja struje ispod minimalnevrednosti napon se smanjuje na napon

Održavanja, kada struja pada do nule

KATALOŠKI PODACI

Karakteristike se daju za:

- pražnjenje konstantnom strujom

- pražnjenje konstantnom snagom

Strujno opterećenje akumulatora (A) pri 25 °C i minimalnom naponu na akumulatoru od 1.7 V

Opterećenje akumulatora konstantnom snagom (W) pri 25 °C i minimalnom naponu na akumulatoru od 1.7 V

Strujno opterećenje akumulatora (A) pri 25°C

Opterećenje akumulatora konstantnom snagom (W) pri 25°C

Vremenska promena napona pri opterećivanju nominalnom desetočasovnom strujom

NAPONSKA KARAKTERISTIKA OLOVNE ĆELIJE U USTALJENOM DELU

Maj 2013