Wiadomości do tej pory

Transkrypt

1 Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki Opracował: Mgr inż. Marek Staude

2 Wiadomości do tej pory Podstawowe pojęcia Elementy bierne Podstawowe prawa obwodów elektrycznych Moc w układach 1-fazowych Pomiary parametrów elementów i układów

3 Część 6 Akumulatory

4 Akumulator elektryczny Akumulator elektryczny rodzaj ogniwa galwanicznego, które może być wielokrotnie użytkowane i ładowane prądem elektrycznym. Wszystkie rodzaje akumulatorów elektrycznych gromadzą i później uwalniają energię elektryczną dzięki odwracalnym reakcjom chemicznym zachodzącym w elektrolicie oraz na styku elektrolitu i elektrod. Ogniwa dzielimy na pierwotne i wtórne. Pierwsze po wyczerpaniu nie nadają się do dalszego użytkowania, drugie można regenerować przez ładowanie. Przykładem ogniwa pierwotnego jest ogniwo Lecklanche'go. Ogniwami wtórnymi są akumulatory. W akumulatorach występują dwa cykle pracy. ładowanie w czasie którego akumulator jest odbiornikiem energii elektrycznej, wewnątrz akumulatora energia elektryczna jest przetwarzana na energię chemiczną, praca akumulator jest źródłem prądu elektrycznego na skutek przemiany energii chemicznej na energię elektryczną; rezultatem pracy jest stopniowe rozładowywanie akumulatora. 1

5 Ładunek elektryczny akumulatora Jednym z podstawowych parametrów akumulatora jest całkowity ładunek elektryczny (potocznie zwany pojemnością), zwykle wyrażany w amperogodzinach [Ah] lub jednostkach krotnych (w układzie SI jednostką ładunku jest kulomb, 1Ah = 3600C) jest to zdolność ogniwa do przechowywania ładunku elektrycznego (energii elektrycznej). Przykład: Akumulator samochodowy ma ładunek ok. 50 Ah, co oznacza, że jest zdolny dostarczać prąd 1 A przez 50 godzin, typowe akumulatorki miniaturowe rozmiaru R6 (AA) charakteryzują się ładunkiem rzędu mah, zatem prąd 100 ma mogą dostarczać przez 5 30 godzin. W trakcie ładowania przez akumulator prąd płynie w przeciwnym kierunku niż w trakcie jego pracy. Odwracalne reakcje chemiczne powodujące ładowanie i pracę są w istocie takie same, tyle że zachodzą w przeciwnym kierunku. W praktycznie każdym akumulatorze oprócz pożądanych, odwracalnych reakcji chemicznych zachodzą też jednak nieodwracalne reakcje uboczne, które powodują, że z czasem akumulator traci swoje właściwości. 2

6 Rodzaje akumulatorów elektrycznych Akumulator kwasowo-ołowiowy (akumulator Plantego) w którym elektrolitem jest roztwór kwasu siarkowego, katoda wykonana jest z ołowiu (z dodatkami), w formie siatki, zaś anoda jest wykonana z tlenku ołowiu(iv) PbO2 przyłączonego na ramce ołowianej tego rodzaju akumulatory są masowo wykorzystywane w samochodach. Zaletą akumulatora ołowiowego jest zdolność rozładowania dużym prądem przez krótki czas, prostota układu ładowania, niska cena w stosunku do pojemności. Wadą jest znaczna masa przypadająca na jednostkę pojemności. Akumulator NiFe (zasadowy systemu Edisona) oraz NiCd (zasadowy systemu Jungera) zwany też wtórną baterią alkaliczną w której elektrody są wykonane z wodorotlenku niklu i wodorotlenku żelaza (niklu), zaś elektrolitem są półpłynne lub stałe substancje o różnym składzie chemicznym u różnych producentów, ale zawsze posiadającym silnie zasadowy (inaczej alkaliczny) odczyn. 3

7 Rodzaje akumulatorów elektrycznych Akumulator NiMH ulepszona odmiana akumulatorów NiCd, w których jedna z elektrod jest wykonana z niklu, zaś druga elektroda ze spieku metali ziem rzadkich w atmosferze wodoru. Rolę klucza elektrolitycznego spełnia gąbczasta struktura nasączona substancjami alkalicznymi oraz złożonym chemicznie katalizatorem. System elektrochemiczny jest zdolny do absorpcji wydzielających się podczas ładowania gazów, szczególnie wodoru, dzięki czemu akumulator może być całkowicie szczelny i charakteryzować się długą żywotnością. Akumulator Li-ion w których jedna z elektrod jest wykonana z porowatego węgla a druga z tlenków metali, zaś rolę elektrolitu pełnią złożone chemicznie sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników. Akumulator litowo-polimerowy odmiana akumulatorów Li-ion, w których ciekły elektrolit jest zastąpiony stałym elektrolitem polimerowym wykonanym z np. gąbek na bazie poliakrylonitrylu. 4

8 Akumulator kwasowo-ołowiowy Akumulator kwasowo-ołowiowy jest szeroko stosowanym ogniwem wtórnym. Wykorzystuje się go w samochodach, pociągach, laboratoriach jako źródło prądu stałego. Podstawowym składnikiem jest ołów. Elektrody są wykonane z płyt ołowianych - kratownic - z wprasowanym w nie tlenkiem ołowiu(ii) (PbO). Po umieszczeniu płyt w naczyniu, które jest obudową akumulatora, wprowadza się 20% roztwór wodny kwasu siarkowego(vi) o gestości 1,15 g/cm 3 w temperaturze 25 o C. Stosowany jest również bardziej stężony kwas siarkowy (30%) zależnie od typu akumulatora. Po zetknięciu się kwasu siarkowego(vi) z płytami zachodzi reakcja PbO (s) + H 2 SO 4(c) --> PbSO 4(s) + H 2 O (c) i na płytach osadza się siarczan ołowiu; elektrody są jeszcze identyczne. 5

9 Akumulator kwasowo-ołowiowy Siła elektromotoryczna pojedynczego akumulatora ołowianego wynosi 2,2V i w małym stopniu zależy od temperatury. Dla uzyskania większej wartości napięć zasilających pojedyncze ogniwa łączy się szeregowo w baterię akumulatorów. W czasie pracy akumulatora należy nie dopuścić aby siła elektromotoryczna na pojedynczym ogniwie spadła poniżej 1,8V. Wtedy na elektrodach zachodzą procesy nieodwracalne. Między innymi tworzy się PbS (siarczek ołowiu). Mówimy wtedy że akumulator uległ zasiarczeniu. 6

10 Cechy akumulatorów kwasowo-ołowiowych Wrażliwość na wstrząsy Niska pojemność Wymaga ciągłej konserwacji Duża odporność na warunki zewnętrzne Niska cena Duży ciężar 7

11 Ładowanie akumulatorów kwasowoołowiowych Przy pomocy napięcia stałego (zmienna wartość prądu) Prąd ładowania nie może przekroczyć 1/3 pojemności akumulatora Przy pracy cyklicznej prąd ładowania powinien wynosić ok. 10% pojemności przy napięciu 2,4-2,5 V/ogniwo Przy pracy buforowej prąd ładowania powinien wynosić ok. 5% pojemności przy napięciu 2,25-2,3 V/ogniwo 8

12 Rozładowywanie i żywotność akumulatorów kwasowo-ołowiowych Akumulator kwasowo-ołowiowy jest zdolny do krótkotrwałego (< 5s) obciążenia prądem o wartości 15x większej od jego pojemności Żywotność wynosi około 3-5 lat (niektóre typy do 10 lat) Na żywotność wpływa ilość cykli ładowania (przeciętnie 500), które może wytrzymać akumulator zanim jego pojemność spadnie do 60% Żywotność zależy od tzw. głębokości ładowania, czyli % pojemności wykorzystywanej podczas rozładowania 9

13 Obchodzenie się z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi 1. Akumulator nie użytkowany podlega procesowi samowyładowania, należy więc nawet przy nieużywaniu ładować co 4 do 6 tygodni. 2. Akumulator nie powinien pozostawać w stanie wyładowania, bo wtedy siarczan ołowiu krystalizuje się na płytach i jest trudno rozpuszczalny w wodzie, przez co pojemność się zmniejsza. 3. Poziom elektrolitu powinien być większy od górnej krawędzi płyt. W miarę ubywania elektrolitu należy dolewać destylowanej wody. Należy też kontrolować aerometrem gęstość kwasu. 4. Stan wyładowania i naładowania można ocenić na podstawie zmian gęstości elektrolitu. 5. Przed ładowaniem akumulatorów przewoźnych i przenośnych należy wykręcić zamykające je korki aby gazy mogły się wydobywać 6. Pomieszczenie do ładowania akumulatorów powinno być dobrze przewietrzane. 7. Do pomieszczeń akumulatorowych nie wolno wchodzić z otwartym ogniem. 8. Używać chemicznie czystego kwasu siarkowego i wody destylowanej. Wlewać przy mieszaniu kwas do wody, a nie odwrotnie. Woda wlewana do kwasu powoduje rozpryskiwanie się, co grozi uszkodzeniem oczu i skóry. 9. Unikać zwarć, bo z uwagi na bardzo małą rezystancję wewnętrzną prąd zwarcia może zniszczyć akumulator (wykrzywienie, pękanie płyt - pod wpływem nierównomiernego nagrzewania się od tak dużych prądów zwarciowych). 10

14 Akumulator zasadowy Akumulatory zasadowe są stosowane rzadziej od kwasowych. Są bowiem kosztowniejsze (1,5-2,5 razy), mają mniejszą SEM i wykazują większe wahania napięcia podczas wyładowania i ładowania oraz mniejszą sprawność. Są za to trwalsze od ołowiowych, mogą być całkowicie wyładowane, dobrze znoszą zwarcia, są odporniejsze na wstrząsy i nie wymagają tak starannej obsługi. Napięcie ładowania wynosi 1,7 V; napięcie wyładowania około 1,2 V. Akumulatory zasadowe wyładowuje się do napięcia 1,05 V. Do ładowania akumulatorów zasadowych stosuje się źródła dające napięcie 1,35-1,85 V na jedno ogniwo kadmowo-niklowe lub 1,55-1,95 V na jedno ogniwo żelazo-niklowe. 11

15 Ładowanie akumulatorów zasadowych Przy pomocy stałego prądu Energia dostarczana do akumulatora jest równa 140% energii odzyskiwanej w czasie jego pracy Prąd ładowania wynosi 1,4 x pojemność akumulatora (Q) / czas ładowania (t) Typowy czas ładowania wynosi godzin Można stosować szybkie ładowanie, wymaga to jednak ścisłej kontroli (wzrost temperatury baterii). W przypadku zastosowania buforowego ogniwa należy ładować (podtrzymywać) ciągle prądem = 1-5% Q (Q = pojemność akumulatora) 12

16 Rozładowywanie i żywotność akumulatorów zasadowych Akumulator zasadowy ma stałe napięcia 1,2 V/ogniwo, które w końcowej wartości spada do 1 V/ogniwo. Następuje samorozładowanie około 1% / dobę. Akumulator można obciążyć krótkotrwale (< 5s) prądem o wartości 100x większej od jego pojemności W czasie pracy ciągłej wartości prądu nie powinna jednak przekraczać 8-10x pojemności w czasie 4-5 minut Żywotność wynosi przeciętnie 1000 cykli Najlepiej doprowadzić do rozładowania ogniw do 1V przed ich ponownym ładowaniem. Rozładowanie do wartości 0,2V może doprowadzić do zmiany polaryzacji ogniw. 13

17 Łączenie akumulatorów W przypadku, gdy z jednego ogniwa nie można uzyskać prądu o dostatecznie dużym natężeniu, łączy się ogniwa w baterie (akumulatory). Ogniwa można łączyć w baterie szeregowo, bądź równolegle. Jeżeli E = E 1 = E 2 = E 3 i R W = R W1 = R W2 = R W3 to schematy zastępcze uproszczą się do przedstawionych poniżej 14

18 Łączenie akumulatorów Przy połączeniu szeregowym biegun dodatni każdego ogniwa łączymy z ujemnym biegunem następnego. Biegunami tak połączonej baterii są bieguny skrajnych ogniw (one zawsze będą różnych znaków). Przy połączeniu równoległym wszystkie bieguny poszczególnych ogniw jednego znaku łączymy razem. Bieguny ujemne wszystkich ogniw tworzą więc wspólny biegun ujemny baterii, bieguny dodatnie - wspólny biegun dodatni. W praktyce łączy się w baterie tylko ogniwa jednakowe to znaczy o tej samej sile elektromotorycznej i o tym samym oporze wewnętrznym. Jest to uzasadnione tym by jedno ogniwo lub grupy ogniw nie pracowały na inne ogniwa lecz oddawały wszystkie tą samą moc do obciążenia. Takie równomierne obciążenie poszczególnych jednakowych ogniw daje w efekcie możliwość maksymalnego wykorzystania całej energii zgromadzonej w baterii - maksymalną i ich żywotność. Na powyższych rysunkach przedstawiono zarówno przypadek ogólny dowolnego łączenia ogniw jak i optymalnego dla przypadku równości SEM (siły elektromotorycznej) i oporu wewnętrznego każdego z nich - schematy zastępcze. 15

19 Utrzymanie i konserwacja akumulatorów Kontrola Należy sprawdzić wygląd zewnętrzny akumulatorów. Wierzch i klemy akumulatorów powinny być czyste, pozbawione wilgoci i korozji Płyn na wierzchu akumulatora może oznaczać przepełnienie podczas uzupełniania elektrolitu. Płyn na wierzchu akumulatorów żelowych i AGM może oznaczać ich przeładowanie, co prowadzi do obniżenia ich sprawności oraz żywotności Należy sprawdzić poprawność połączeń oraz stan przewodów. Należy wymienić uszkodzone przewody oraz docisnąć luźnie połączenia Czyszczenie i konserwacja Należy sprawdzić czy wszystkie korki wentylacyjne są poprawnie zamontowane Oczyścić wierzch akumulatora, klemy oraz przewody roztworem sody oczyszczonej z pomocą szmatki lub szczotki należy postępować ostrożnie, aby roztwór sody nie dostał się do komór akumulatora Opłukać wodą i osuszyć czystą szmatką Nanieść na klemy cienką warstwę wazeliny Otoczenie akumulatorów utrzymywać czyste i suche 16

20 Utrzymanie i konserwacja akumulatorów Uzupełnianie poziomu elektrolitu Akumulatory żelowe i AGM nie wymagają uzupełniania poziomu elektrolitu, gdyż nie ubywa go w trakcie użytkowania tego rodzaju akumulatorów. Akumulatory kwasowe (tzw. mokre) natomiast wymagają okresowego uzupełniania elektrolitu. Częstotliwość tej czynności uzależniona jest od warunków użytkowania. Zaleca się kontrolę nowych akumulatorów co kilka tygodni aby określić częstość dolewania wody. Z wiekiem akumulatorów, wymagają one częstszego uzupełniania poziomu elektrolitu. Procedurę dolewania wody należy przeprowadzić dla w pełni naładowanych akumulatorów. W przypadku akumulatorów rozładowanych lub częściowo naładowanych, jeżeli płyty akumulatorów są odsłonięte, należy przed ładowaniem dodać taką ilość wody aby płyty akumulatora zostały całkowicie przykryte elektrolitem Zdjąć korki wentylacyjne i odłożyć je wierzchem do spodu, aby do wewnętrznej części korka i do wnętrza akumulatora nie dostał się brud Sprawdzić poziom elektrolitu. Jeżeli poziom elektrolitu jest powyżej płyt akumulatora nie jest konieczne dolewanie wody. Jeżeli elektrolit jedynie granicznie przykrywa płyty, należy dolać wody do poziomu 3 mm poniżej krańca studzienki wentylacyjnej (plastikowa osłonka wewnątrz otworu pod korkiem wentylacyjnym) Należy dolewać jedynie wody destylowanej/demineralizowanej. Nie wolno uzupełniać elektrolitu kwasem! 17

21 Utrzymanie i konserwacja akumulatorów Przechowywanie Naładować akumulatory przed magazynowaniem. Przechowywać w chłodnym, suchym miejscu. Odłączyć akumulatory od zasilanych urządzeń celem wyeliminowania wystąpienia potencjalnych prądów pasożytniczych mogących rozładować akumulatory. Akumulatory ulegają samo-rozładowaniu w trakcie magazynowania. Należy śledzić zmiany gęstości elektrolitu i napięcie co 4 6 m-cy i doładować akumulator jeżeli jego stan naładowania wynosi 70% lub mniej pojemności. Tabela 4 podaje wartości napięcia i gęstości elektrolitu w zależności od stopnia rozładowania akumulatora. W przypadku wznowienia użytkowania magazynowanych akumulatorów,należy je ponownie naładować. 18

22 Utrzymanie i konserwacja akumulatorów Utrzymanie i konserwacja Pomiar gęstości elektrolitu (dot. Akumulatorow kwasowych) Napełnić i opróżnić aerometr 2 3 razy przed pobraniem właściwej próbki. Dokonać pomiaru dla wszystkich cel akumulatora. Dokonać korekty pomiaru dla danej temperatury pomiaru: dodając 0,004 na każde 5 o C powyżej 27 o C lub odejmując 0,004 na każde 5 o C poniżej 27 o C. Jeżeli odczyt w każdej celi akumulatora wynosi poniżej 1,250, akumulatory mogą być niedoładowane. Naładować ponownie akumulatory. Jeżeli w którykolwiek z akumulatorów różnica w pomiarach gęstości pomiędzy celami wynosi więcej niż 0,050 należy przeprowadzić ponowne formowanie zestawu. Jeżeli pomiary nadal wykazują taką różnicę, świadczyć to może o wadliwym akumulatorze.