VISOKA ŠKOLA ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA STRUKOVNIH STUDIJA-VIŠER, BEOGRAD STUDIJSKI PROGRAM: NOVE ENERGETSKE TEHNOLOGIJE SPECIALISTIČKE STUDIJE PREDMET: SPECIJALNE ELEKTRIČNE INSTALACIJE
BATERIJE ELEKTRIČNIH AKUMULATORA KAO SAMOSTALNI IZVOR ELEKTRIČNE ENERGIJE
Predmetni profesor: Dr Željko Despotovi ć
UVOD Sekundarni
hemijski izvori elektri čne struje – AKUMULATORI su veštački obno obnovlji vljivi vi izv izvori ori elektr elektriične energije Akumulator je elektro-hemijski izvor energije koji oslobađa električnu energiju na kontrolisan na čin. 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 hiljada jedne ili više ćelija koje imaju dve Akumulator se sastoji od jedne elektrode (katodu i anodu) koje su uronjene u elektrolit. Serijskim povezivanjem ćelija dobija se akumulatorska baterija baterija nazivnog nazivnog napona napona koji odgovara odgovara broju ćelija pomnoženim sa naponom jedne ćelije. Preovlađujući u primeni su: olovni akumulatori i čelični (niklkadm kadmijijum umski ski tj. tj. Ni-Cd 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)=1,251,30g/cm³, pri temperaturi od 20°C. Kada je akumulator prazan ρ(H2SO4)=1,15 g/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 oštećenja Kako se rešava ovaj problem?
OLOVNI AKUMULATORI SA REKOMBINACIJOM GASA Rešenje su olovni akumulatori sa rekombinacijom gasa Konstrukcijom rešen problem “gasiranja” i gubitka elektrolita Između 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 ve ćih struja pražnjenja, otpornost na mehani čke vibracije, 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 mehani čki čvršći od olovnih Čelični akumulatori mogu da rade pri niskim temperaturama ambijenta, dok olovni ne mogu Olovni 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 olovne Čelični 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 pražnjenja Olovni akumulatori imaju manje troškove proizvodnje od čeličnih Nedostaci 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 VREME Kapacitet 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 Wattčasovima (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 Tokom pražnjenja napon na akumulatoru opada. Pri izboru akumulatora treba voditi računa:
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)
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 akumulatore Stepen 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 potrošače
REDNA VEZA PARALELNA VEZA REDNO-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 PO GRANAMA -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 hermetički zatvorenim baterijama) -u sanduke koji se montiraju u transportno sredstvo (na primer ispod železničkog vagona)
STRUJA KRATKOG SPOJA BATERIJE
Un- nominalni napon baterije Run- ekvivalentni unutrašnji otpor redno paralelne veze baterije Rsp -električni otpor između krajeva baterije i mesta kratkog spoja ORIJENTACIONE VREDNOSTI UNUTRAŠNJIH OTPORNOSTI JEDNE OLOVNE ĆELIJE SE KREĆU U OPSEGU: 1-3mΩ/n n-kapacitet ćelije podeljen sa 100Ah Unutrašnji električni otpor ćelije zavisi od stepena njene ispražnjenosti. On raste sa pražnjenjem ćelija. Za ćelije većih kapaciteta ovaj je otpor manji, i obrnuto. Te podatke daje svaki proizvođač akumulatora.
NAPON PRAZNOG HODA BATERIJE Napon
"praznog hoda" akumulatora (Uh) zavisi od stepena ispražnjenosti, odnosno koncentracije elektrolita ( ρ):
PUNJENJE AKUMULATORA
Olovne akumulatore možemo puniti razli čitim jačinama struje pazeći pri tome da napon akumulatora ne bude ve ći od 2.4V, jer iznad tog napona dolazi do elektrolize vode Tada 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 može upotrebljavati ako mu se elektrode jače prekriju olovo-sulfatom. Olovni akumulatori obi čno 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 neko vreme 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 spremnosti Bitna je konfiguracija sistema – veza ispravljač , baterija, prijemnik
ON-OFF kontrola punjenja/pražnjenja baterije ispravljač POTROŠNJA
mreža
ON-OFF kontrola punjenja/pražnjenja
-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)
baterija potrošači
mreža
regulisani ispravljač (ČOPER)
STRATEGIJE PUNJNENJA PUNJENJENJE
SA KONSTANTNIM
NAPONOM PUNJENJE 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 konstantnom strujom -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 Umax punjenje se ostvaruje sa konstantnom strujom -Nakon dostizanja napona Umax struja se smanjuje do minimalne vrednosti Imin -Nakon opadanja struje ispod minimalne vrednosti 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
