آشنایی با باتری صنعتی:
در دنياي امروز با تمام جذابيت ، سرعت و ابتكارات ،وابستگي به برق غير قابل انكار مي باشد. دنياي بدون برق غير قابل تصور و دنيايي تاريك و بي حركت است . هر چند كه پيشرفت غير قابل تصور در دهه اخير به وقوع پيوسته است اما تا كنون بشر نتوانسته از وابستگي به اين صنعت و هنر بي نياز شود و بدون اغراق بازوي تواناي تمامي صنايع و روشنايي تمامي منازل و ويترين هاي زيبا به آن وابسته است. بشرتا کنون نتوانسته است به نحو مطلوب اين انرژي را ذخيره سازد به نحوي كه هر لحظه كه اين انرژي از توليد باز ايستاد ، تمامي حركت ها به سكون و خسارت تبديل مي شود . شايد از هر كس بپرسيد كه چگونه ميتوان برق را ذخيره نمود فقط نام يك وسيله را بداند و آن باتری است. از محاسن انرژي برق، سرعت، قدرت، تحول پذيري و انتقال را مي توان نام برد كه اين محاسن در انرژي هاي ديگر به راحتي بوجود نمي آيد . همچنين ذخيره غير مستقيم برق از طريق تبديل به انرژي هاي ديگر مانند ذخيره آب در سد يا مخازن با ارتفاع بالا، يا روش هاي ديگر سرعت و قابليت بالایی ندارند. پس تنها جانشين اين صنعت تا كنون وجود نداشته و ساخته نشده است . اما در مورد باتری، به عنوان ذخيره كننده محدود كه آن هم از خود انرژي برق تغذيه مي گردد، مي توان نام برد و اين تنها نوع ذخيره كننده شناخته شده با قابليت بالا مي باشد. هم اكنون هيچ دستگاهي كه بتواند بدون اتصال موقت به برق شبكه كارائي داشته باشد ، بدون باتری متصور نيست . تقريبا تمامي تجهيزات خانگي و صنعتي كه در هنگام قطع برق ، كارائي دارند به اين وسيله متصل هستند. كنترل تلوزیون، اسباب بازي ، جاروي دستي ، لب تاپ ، موبايل،باطری شارژر،UPS و… تماما از باتری بعنوان پشتيبان استفاده مي كنند.
تاریخچه باتری:
هرگاه نام باتری يا برق گفته مي شود همگي به ياد اديسون مي افتند ولي در اصل سازنده باتری شخص ديگري است. در سال ۱۶۰۰ آقاي گيلبرت اين خاصيت را در
حيوانات مشاهده كرد. اما در چند سال بعد يعني سال ۱۸۰۰ ، ولتا اولين باتری آزمايشگاهي را ساخت او ۲ سال بعد اولين سري باتری هاي قابل استفاده در خانه و
صنعت را به توليد رسانيد. اين نوع باتری كه اولين نمونه ساخته شده بود بوسيله جعبه و با پالستر سيمان، با ورقه هاي كلفت فلز در داخل ساخته شد و پدر تمامي باتری ها نام گرفت. بتدريج ساخت باتری ها پيشرفت نمود و طرح هاي جديد به بازار روانه شد. باتری نيكل كادميم ۱۸۹۹ و سرب اسيد ۱۸۵۹ و نيكل آهن ۱۹۰۱ …در سال هاي اخير انواع باتری با ساختمان داخلي ثابت ولي كيفيت باال ساخته شده است . تقريبا كل باتری ساخته شده در حال حاضر ۶ نوع مي باشد:
Ni Cd 1.25v/cell Ni MH 1.25 v/cell
Li-ion 3.6v/cell Li-ion polymer 3.6v/cell
Lead Acid 2 v/cell Reusable Alkalin 1.5v/cell
باتری هاي موجود ، نيكل كادميم ، نيكل متال ، ليتيم يون ، ليتيم يون پليمر ،سرب اسيد و الكالين مي باشند كه ولتاژهر كدام از آنها به تفكيك نوشته شده است. از ۶ نوع باتری گفته شده فقط ۲ نوع آن صنعتي بوده كه عبارتند از باتری سرب اسيد و نيكل كادميم . اين دو نوع در ظرفيت هاي باال و مختلف ساخته مي شوند. اما ۴ نوع ديگر از انواع پرتابل و دارای حجم كوچك مي باشند كه بعضي از آنها يكبار مصرف (الكالين كه باتری هاي قلمي از اين نوع هستند) و بعضي ها قابل شارژ مانند باتری موبايل يا كامپيوتر دستي هستند.
باتری هاي صنعتي:
اين نوع باتری كه از جنس سرب اسيد يا نيكل كادميم هستند وداراي قابليت هاي فراوان و ظرفيت هاي مختلف و قابل شارژ در تمامي دستگاههاي صنعتي ،خودرو و غيره قابل استفاده مي‌باشند . باتری اسيدی بيشتر بصورت يک پارچه ساخته ميشود اما باطری نيکل کادميم باتوجه به وزن و نياز به جابجايی بيشتر بصورت تک سلول است . ولتاژ ارائه شده هر سلول در جدول ولتاژ باال ارايه شده است . چنانچه بخواهيم از ولتاژ باالتر استفاده نمائيم، بايد چند سلول را با يكديگر سري نمود. مثال باتری ماشين از سري شدن ۶ سلول ۲ ولتي سازنده ولتاژ ۱۲ ولت ماشين مي باشند. همانطور كه گفته شد باتری هاي سرب اسيد با ولتاژ هر سلول ۲ ولت و نيكل كادميم ۲۵/۱ ولت ساخته مي شوند كه اين ولتاژ استاندارد و همگاني مي باشد.
مشخصه اصلي در انتخاب باتری صنعتی:
مشخصه وزن نسبت به ظرفیت:
اين مشخصه با عدد وات ساعت بر كيلوگرم بيان می شود و بيانگر ظرفيت قابل ذخيره باتری نسبت به وزن خود مي باشد. هر چقدر اين عدد بزرگتر باشد ، باتری كيفيت بالاتری دارد. در مقايسه بين باتری هاي نيكل كادميم و سرب اسيد ، باتری هاي نيكل كادميم كنوني بين ۴۵ تا ۸۰ وات بر كيلوگرم انرژي ارائه مي دهند ولي باتری سرب اسيد ۳۰ تا ۵۰ وات بر كيلوگرم. پس در اين مقايسه مي توان قابليت باتری نيكل كادميم را برتر دانست.
طول عمر باتری:
طول عمر به تنهايي نمي تواند بيانگر کيفيت باالی باتری باشد، مسلم است كه اگر هر باتری را بدون الكتروليت در محل خنك نگه داشت ساليان دراز عمر مي كنند. بنابراين پارامتر اصلي در اين مشخصه تعداد شارژ و دشارژ است. همچنين سازنده شرايط محيطي مطلوب را بر شمرده و تنها در اين حالت است كه تعداد شارژ و دشارژ پيش بيني شده بوقوع مي پيوندد. دماي ۲۰ تا ۲۵ درجه سانتي گراد، سرعت شارژ و مصرف بار به صورت معقول ، خود افزاينده عمر باتری مي باشد. در مقايسه باتری ها ميتوان بيان نمود كه باتری هاي نيكل كادميم به صورت معمول حداقل ۱۵۰۰ بار شارژ و دشارژ مي شوند ولي باتری هاي اسيدي ۲۰۰ تا ۳۰۰ بار.
پارامترهاي عمده شارژ :
شامل شارژ سريع ، اورشارژ ، جريان مصرف، زمان تخليه، تعميرات و قدرت ارائه شده مي باشند. هر كدام از پارامترهاي فوق بستگي كامل به نوع مصرف كننده و عوامل محيطي دارد. مثال در مورد UPS مي توان در نظر گرفت كه درهر سال چند بار قطع برق وجود دارد و يا در نظر گرفتن
ظرفيت بار مصرفی UPS و مدت زمان قطع برق در هرمرحله. مثال اگر تعداد قطع برق كم است، مثلا هر ماه يك بار بنابراين پارامتر شارژ سريع نياز نمي باشد و
ظرفيت شارژر وباطری ها کاهش ميابد.
هزینه:
يكي از پارامتر هاي اصلي انتخاب باتری در بين مصرف كنندگان قيمت باتری مي باشد. مصرف كننده معموال اولين چيزي كه در نظر مي گيرد اين پارامتر
است و مسلما اگر اطالعات فني نداشته باشد به سراغ ارزان ترين قيمت مي رود. در صورتيكه شما به عنوان متخصص برق انتخاب باتری را برعهده داريد بايد
بدانيد كه قطع برق در مصرف كننده چه مقدار زيان به همراه دارد . در اين حالت آخرين پارامتر قيمت باتری مي باشد.
تخلیه خود به خود Discharge Self:
تخليه خود به خود باتری با توجه به ساختمان داخلي و فعل و انفعاالت شيميايي امري طبيعي مي باشد. اين مورد را ميتوان در تمامي باتری ها يافت . هر گاه باتری يكبار مصرف تاريخ گذشته بخريد، اين مورد باعث اتمام شارژ باتری شده و عمال باتری غير قابل استفاده مي باشد.
تخليه خود به خود در باتريهاي نيكل كادميم كمتر از باتری اسيدي مي باشد.
ظرفیت باتری:
در صورتيكه هر باتری به مصرف كننده وصل باشد و جريان I آمپر را در T ساعت به مصرف كننده تحويل دهد ، ظرفيت آن به اين صورت
محاسبه مي شود.
C = I . T
I جريان باتری بر حسب آمپر
T زمان ارائه جريان به مصرف كننده بر حسب ساعت
C ظرفيت باتری بر حسب آمپر ساعت
مثال : در صورتيكه باتری نيكل كادميم تيپ SBH79 بتواند مصرف كننده ائي را در
طول ۵ ساعت با جريان ۶/۱۴ آمپر تغذيه نمايد ، ظرفيت آن چقدر است؟
C = I . T = 14.6 × ۵ = ۷۷٫۰۰ Ah
حال اگر اين باتری با جريان ۸ آمپر در طول ۱۰ ساعت مصرف كننده را تغذيه نمايد؟
C = I . T =8 × ۱۰ =۸۰ Ah
فرمول ارائه شده در مورد باتری در هنگامي صدق مي كند كه مقدار جريان مصرفی معلوم و زمان نيز مشخص باشد، ولي از مقدار ظرفيت نمي توان زمان يا جريان را
محاسبه نمود. به زبان ساده تر اين فرمول يك طرفه مي باشد. چرا ؟ ظرفيت يك باتری به عوامل مختلف بستگي دارد : دماي كار، جريان، زمان و ولتاژ
شارژ. بنابراين سازنده سعي بر ارائه منحني و جداول گوناگون كه با شرايط كار باتری متناسب هستند مي نمايد که مقدار جريان يا زمان استفاده از باتری را مي بايست براساس آن جداول درنظر گرفت.
عوامل موثر در تغییر ظرفیت:
باتری نيكل كادميم پس از گذشت زمان متناسب با ظرفيت مورد استفاده روزانه، تغيير ظرفيت داده و به ظرفيت جديد مي رسد ،فرض نمائيد يك باتری ۵۰۰ آمپر ساعتي پس از گذشت ۲ سال، روزانه فقط ۵۰ آمپر ساعت شارژ و تخليه مي شود، پس از مدتی اين باتری به ظرفيت ۵۰ آمپر ساعت تقليل يافته و يك باتری Ah 50 مي شود. به اين پديده Effect Memory مي گويند. در اصل اين وضعيت، باعث عدم شركت اليه هاي زيرين قطب ها در پروسه واكنش شيميايي شده و ظرفيت باتری بشدت كاهش پيدا مي كند. در اين حالت نياز است كه هر ۶ ماه يكبار باتری تحت تخليه كامل و شارژ مجدد قرار گيرد. به اين عمل باز یافت باتری گويند. در مشخصات باتری نيكل كادميم شارژ و تخليه سريع و كامل را مي توان انجام داد، اما عمل شارژ و دشارژ شناور و طوالني نيز باتری را به حالت Effect Memory سوق مي دهد. در زيردو نمودار مقايسه ائي طول عمر باتری نيكل كادميم و باتری اسيدي ارايه شده است در جدولP11، باتری نيكل تا حدود ۸۰۰ بار تخليه داراي ظرفيت ثابت نامي مي باشد و از آن به بعد با كاهش ظرفيت روبرو است. اين مقدار تا ۱۲۰۰ بار تخليه ادامه داشته و به ۷۰ % ظرفيت نامي خواهيم رسيد. عمال ۷۰% ظرفيت نامي به مشابه اتمام طول عمر باتری مي باشد، اما در باتری اسيدي بر طبق جدول P12 از ابتداي كار كاهش طول عمر پديدار گشته وعمال اين طول عمر به درصد تخيله بازمی گردد. در تخليه ۳۰ %طول عمر به ۱۲۰۰ بار ودر۵۰ %به حدود ۵۰۰ بار و در ۱۰۰ %به ۲۰۰ بار کاهش ميبايد.
اثر دما برطول عمر باتری:
قبل از بررسي منحني هاي دما مي توان به اين مطلب رسيد كه ، در تمامي واكنش هاي شيميايي دما يكي از عوامل اصلي و موثر مي باشد. اثر دما بر ظرفيت و طول عمر باتری اثر گذار است. با توجه به منحني p13 اثر دماي محيط بر طول عمر باتری را مي توان مشاهده نمود. نصب باتری در محل هاي مختلف به علت كاربرد فراوان آن مي باشد و معموال تهويه مناسب هواي باتری خانه در همه جا امكان پذير نمي باشدو اين موجب افزايش دمای باتری ميگردد. بنابراين بررسي اثرات دما بر باتری جزو الينفك شناخت و خريد باتری مي باشد. بر طبق منحنی p13 در باتری هاي نيكل كادميم منحني خطي بين دما و طول عمر نشان دهنده اين مطلب است كه طول عمر پيشنهادي سازنده در دماي ْ۲۵c صادق است و با افزايش دما، طول عمر به صورت خطي كاهش مي يابد، به طوريكه در دماي ۴۵ درجه
سانتي گراد طول عمر باتری به حدود ۶۵ درصد و در دماي ۵۵ درجه به حدود ۴۵ درصد كاهش مي يابد. پس بنابراين تهويه باتری عمال عامل موثر در طول عمر ميباشد. همچنين در باتری هاي اسيدي منحني درجه ۲ نزولي دماي ايده ال را cْ ۲۵ و در دماي cْ ۳۰ طول عمر ۳۰ درصد و در دماي c ْ۴۰ طول عمر به ۶۵ %كاهش مي يابد. از اين منحني مي توان كاهش شديد طول عمر باتری اسيدي را در دماي باال پيش بيني نمود به طوريكه مي توان اظهار داشت به هيچ عنوان باتری اسيدي قابليت توان دهي در دماي بالا را ندارد.
ساختمان داخلي باتری:
به بيان ساده ساختمان داخلي باتری تشكيل شده است از دو صفحه هادي و الكتروليت بين آنهاست. در تعيين ظرفيت باتری عوامل مهم در نوع و سطح صفحات خالصه ميشوند. هر چقدر سطح مفيد صفحات روبروي يكديگر بيشتر باشد، ظرفيت باتریافزايش مي يابد. جهت اين كار مي توان از ترفند هاي مختلف كمك گرفت. در باتری هاي يكبار مصرف و خانگي پيچيدن صفحات مثبت ومنفي كه در بين آنها جداکننده و الكتروليت وجود دارد به دور هم و تشكيل يك پيچک ، عاملي موثر و پسنديده مي باشد. اما در باتری هاي صنعتي به علت ضخيم بودن صفحات كه علت آن نيز به خاطر جريان مصرفي زياد است، امكان پيچيدن صفحات وجود ندارد. در اين نوع باتری ها از روش شانه ائي استفاده مي شود. قطب هاي مثبت و منفي كه مانند شانه هائي که داراي صفحات زياد مي باشند در بين يكديگر قرار گرفته و بوسيله يك جداکننده عايق که البته مي بايست قابليت عبور يا جذب الكتروليت را داشته باشد، از يكديگر جدا ميشوند. اين عايق مي تواند از جنس نمد، پارچه يا مواد ديگر باشد. اعمال تعداد صفحات زياد هر قطب عامل اصلي باال بردن ظرفيت باتری است و ضخامت باالي صفحات توانايي ارائه جريان باال را دارا مي باشد