سایناکو | تولید کننده و وارد کننده باتری و یوپیاس
S-2114 : باتری ها در صنایع
Batteries in Industries
در این مطلب درباره کاربردهای منحصر به فرد باتریها و ویژگیهایی که هنگام انتخاب باتری باید به دنبال آن باشیم، خواهیم آموخت.
مصرف کنندگان اولین کسانی هستند که به سرعت درباره پیشرفت به ظاهر غیر منتظره یک باتری مطلع میشوند. ظهور باتریهای جدید برای جلب توجه رسانهها وعده میدهد که اکثر نیازهای وسایل نقلیه الکتریکی را برآورده کند. به هر حال تحرکات جمعی کاملا بر پایه احساسات پیش میرود و به محیط زیست توجهی ندارد.
از سوی دیگر، فضای صنعتی محافظهکارتر است و به نظر میرسد به آهستگی پیش میرود؛ هرچند که اینطور نیست! صنعت منطقی است و با تمرکز بر قابلیت اطمینان، صرفه جویی، طول عمر و ایمنی، محدودیتهای باتریها را درک میکند و عجلهای ندارد.
پیشنهاد : سازندههای باتری و انواع باتری
باتریهای خودروهای باربر
در ویلچرها، اسکوترها و اتومبیلهای گلف، اغلب از باتریهای سرب اسید استفاده میشود. باتریهای سرب اسید با وجود وزن زیاد، به خوبی کار میکنند و تلاش زیادی برای جایگزینی آنها با سیستمهای دیگر انجام نشده است؛ به طور مثال فقط در برخی از کاربردها، باتری لید اسید با لیتیم یون (Li-ion) جایگزین شده است.
اگرچه لیتیوم یون گرانتر از سرب اسید است؛ اما به دلیل عمر طولانی تر، هزینه آن به ازای هر چرخه میتواند کمتر از سرب اسید باشد. مزیت دیگر Li-ion نسبت به باتریهای مبتنی بر سرب و نیکل، نیاز به تعمیر و نگهداری کمتر است. لیتیم یون را میتوان در هر وضعیت شارژی بدون عوارض جانبی رها کرد. در مقابل، نیکل کادمیم (NiCd) و نیکل هیدرید فلز (NiMH) برای جلوگیری از اثر حافظه، نیاز به دشارژ کامل دارند؛ همچنین اسید سرب برای جلوگیری از سولفاته شدن نیاز به شارژ اشباع دارد.
بیشتر ویلچرها، ماشینهای گلف و لیفتراکها هنوز با باتری سرب اسید تغذیه میشوند. در لیفتراکها، وزن سنگین باتری مشکلی ایجاد نمیکند؛ اما زمان شارژ طولانی یک نقطه ضعف برای انبارهایی است که 24 ساعت شبانه روز کار میکنند. برخی از لیفتراکها دارای سلولهای سوختی هستند که باتری را در حین استفاده شارژ میکنند.
باتری را میتوان کوچکتر کرد؛ اما حذف نه! زیرا سلول سوختی قدرت کمی را تحویل میدهد و در صورت تقاضای بیشتر، سرعت انتقال پایینی دارد. در نتیجه باتری منبع تغذیه اصلی این خودروها باقی میماند.
هرچه وسیله نقلیه سنگینتر باشد، استفاده از باتری در آن نامناسبتر میشود؛ اما این موضوع مانع نمیشود که مهندسان به دنبال جایگزینی باتریهای بزرگ با موتور احتراق داخلی که بسیار آلاینده است، نباشند. یکی از این کاربردها، سیستم خودروی هدایت شونده خودکار (AGV) در بنادر کشتی است. AGVها 24 ساعت شبانه روز کار میکنند و نمیتوان این وسایل نقلیه را برای فواصل طولانی در شارژ نگه داشت. این مشکل تا حدی با جایگزین کردن باتری سرب اسید بسیار بزرگ 10 تنی و 300 کیلووات ساعتی با باتری لیتیوم یون سبکتر و با سرعت شارژ بیشتر، حل شده است. به هر حال باتریهای بسیار بزرگ به دلیل وزن، مدت شارژ و سایر زیرساختها، محدودیتهایی دارند و اگر سوزاندن سوخت فسیلی مطرح نباشد، پیل سوختی ممکن است بتواند مشکل سیستمهای باربری بزرگ را نیز حل کند.
با این حال، هنوز هیچ راه حل اقتصادی برای تامین باتری سیستمهای باربری بزرگ وجود ندارد و نمیتوان به طور کامل از سوزاندن سوخت فسیلی جلوگیری کرد. در حالی که یک باتری مدرن لیتیوم یون حدود 150 وات ساعت بر کیلوگرم انرژی ارائه می کند، ارزش کالری خالص (NCV) سوخت فسیلی بیش از 12000 وات ساعت بر کیلوگرم است. انرژی باتری در مقایسه با سوخت فسیلی حتی در راندمان کمتر از 25 درصد یک موتور ICE هم کوچک است. علاوه بر این، ICE می تواند در سرما و گرمای شدید کار کند؛ وظیفهای که باتری برای دستیابی به آن در تقلا است.
باتریها در حمل و نقل هوایی
وظیفه باتریهای درون هواپیما، تغذیه سیستمهای جهتیابی و اضطراری در هنگام پرواز اضطراری یا در زمانی است که واحد برق کمکی (APU) خاموش است. باتری انرژی لازم برای ترمز، عملیات زمینی و راهاندازی APU را فراهم می کند. در صورت خرابی موتور، باتریها باید از 30 دقیقه تا 3ساعت انرژی تامین کنند. همچنین هر هواپیما باید باتری کافی برای فرود ایمن داشته باشد. در طول پرواز برق را ژنراتورها تامین میکنند و در صورت لزوم، مانند یک خودرو، باتری را میتوان قطع کرد.
اکثر هواپیماهای تجاری از نیکل کادمیوم غرقابی (تر) استفاده میکنند. راه اندازی یک هواپیمای بزرگ با چرخاندن APU که یک موتور توربین کوچک در قسمت دم هواپیما است، آغاز میشود. این فرایند به طور قابل توجهی زمان بیشتری میبرد و به انرژی بیشتری نسبت به موتورهای رفت و برگشتی با اندازه مشابه نیاز دارد.
سرعت قرقره APU باید به اندازه کافی بالا باشد تا فشرده سازی برای احتراق خودپایدار حاصل شود. راه اندازی حدود 15 ثانیه طول میکشد و 15 کیلو وات انرژی مصرف میکند. پس از راهاندازی، یک کمپرسور هوا یا پمپ هیدرولیک موتورهای جت بزرگ را یک به یک راه اندازی میکند.
هواپیماهای کوچکتر، اغلب دارای باتری سرب اسید مهر و موم شده هستند. اسید سرب اگرچه از NiCd سنگینتر است؛ ولی نیاز به نگهداری کمتری دارد. باتریهای 12 و 24 ولت هوانوردی به جای CCA (یعنی میزان آمپری که یک باتری میتواند در دمای 0 درجه در 30 دقیقه تولید کند) که در صنعت خودرو رایج است، دارای رتبهبندی IPP (قدرت اوج جریان) و IPR (نرخ قدرت جریان) هستند. IPP و IPR استاندارد کمیسیون بینالمللی الکتروتکنیکی برای باتریهای هواپیما و FAA TSO-C173 هستند که به باتری اجازه میدهد هر موتور را به مدت 25 تا 40 ثانیه در جریان بالا بچرخاند.
در موتور جنگندههای جت مدرن و همینطور بوئینگ 787 دریم لاینر، لیتیوم یون به کار میرود. ایرباس 350 گزینهای از هر دو نوع شیمی را ارائه می دهد. از آنجایی که عملکرد هواپیمای مسافربری از حالت هیدرولیکی به الکتریکی تغییر میکند، به باتریهای بزرگتری نیز نیازمند است. لیتیوم یون با چگالی انرژی بالاتر این نیاز را بهتر از نیکل کادمیم و اسید سرب برآورده میکند. ب
ا این حال، شکست غیرمنتظره Li-ion به همراه عواقب جدی ممکن است هواپیماسازان را به سمت NiCd برگرداند. همه این باتریها در معرض خرابی هستند. همچنین خرابیهای حرارتی در استفاده از NiCd گزارش شده است؛ اما میتوان آنها را بهتر از Li-ion مدیریت کرد.
NiCd دوام و خدمات قابل اعتمادی را ارائه میدهد؛ اما نیاز به تعمیر و نگهداری بالایی دارد که شامل بکارگیری باتری برای حذف اثر حافظه میشود. سرویس باتری شامل دشارژ کامل و اتصال کوتاه کردن هر سلول به مدت 24 ساعت با یک بند است؛ ظرفیت باتری نیز با آنالایزر باتری بررسی میشود. باتریهای NiCd کوچکتر نیازهای خدماتی متفاوتی دارند.
اگرچه هواپیماها باتریهای مختلف زیادی را حمل میکنند؛ اما تنها هدف استفاده از این باتریها روشن کردن موتور و تامین نیروی پشتیبان در هنگام خاموش بودن موتورها است. هواپیماهای بزرگ با سوخت فسیلی به پرواز ادامه میدهند؛ زیرا استفاده از باتری هنوز برای پیشرانه این هواپیماها عملی نیست. در حال حاضر هواپیماهای کوچکی که با باتری کار میکنند برای آموزش خلبانی و پروازهای کوتاه و فقط آزمایشی هستند. وزن و قابلیت اطمینان باتریهای فرسوده نیز همچنان نگرانی اصلی باقی میماند.
باتریهای صنعت هوافضا
ماهوارههای اولیه از باتریهای NiCd استفاده میکردند و این منجر به کشف پدیده “حافظه” شد. باتری از یک برنامه دشارژ معمول پیروی میکرد؛ اما زمانی که انرژی بیشتری نیاز بود، باتری میتوانست ولتاژ را به خاطر بیاورد.
نیکل هیدروژن به عنوان باتری با عمر خارق العاده طولانی جایگزین نیکل کادمیم شد. کارآفرینان سعی کردند این باتری شگفتانگیز را برای استفاده تجاری معرفی کنند؛ اما قیمت بالا و اندازه بزرگ آن استقبال بازار را به همراه نداشت. قیمت هر سلول این باتری حدود 1000 دلار است و ظاهری شبیه یک موتور بخار کوچک با یک مخزن فشار فولادی دارد.
Li-ion باتری انتخابی برای ماهوارهها است. سبک وزن، شارژ آسان، بادوام و دارای چرخه خوبی است. Li-ion میتواند برای مدت طولانی در هر وضعیت شارژی بدون عوارض جانبی باقی بماند. این باتری نرخ خودتخلیه کمی دارد و عملاً به تعمیر و نگهداری نیاز ندارد.
مریخ نورد “کنجکاوی” از سلولهای اکسید نیکل لیتیومی مخصوصی (LiNiCo) به فرم S2P8 (هشت سلول بهصورت سری و دو سلول موازی) استفاده میکند که برای افزایش طول عمر فقط تا حدی شارژ و دشارژ میشود. در این وضعیت، طول عمر چهار سال و تقریباً sol 700 است.
اصطلاح sol توسط ستاره شناسان برای اشاره به مدت زمان یک روز خورشیدی در مریخ استفاده میشود. سلولهایAh 43 که دو عدد از آنها به صورت موازی هستند، دارای حداکثر نرخ دشارژ 0.55C هستند.
ناسا میخواهد باتریهای لیتیوم یونی 7سال و 37000 چرخه با عمق دشارژ 40 تا 60 درصد دوام بیاورند. آزمایشگاههای ناسا نشان میدهند که پایان عمر با رشد لایه SEI روی آند، از دست دادن مواد کاتد، از دست دادن مسیر رسانا، آبکاری لیتیوم فلزی و اکسیداسیون الکترولیت مرتبط است. علاوه بر این، سلولهای لیتیوم یون بزرگ 140 آمپر ساعتی در حال توسعه هستند که وعده داده شده است تا 18 سال دوام خواهند آورد.
باتریهای ثابت
با انتخاب رو به رشد باتریها برای سیستمهای ذخیره انرژی(ESS)، انتخاب نباید تنها بر اساس قیمت باشد. هزینه هر کیلووات ساعت، بدون بررسی کل هزینهها که شامل هزینه به ازای هر چرخه، طول عمر و جایگزینی نهایی است، چیز زیادی به ما نمیگوید.
سرب اسید فقط برای کارهایی که به طور منظم نیاز به دشارژ ندارند، مناسب است. باتری سدیم سولفور برای سیستمهای بزرگی که نیاز به دشارژ منظم دارند، به خوبی کار میکند؛ در حالی که یون لیتیوم برای سیستمهای کوچک تا متوسط که دشارژ کوتاه با قابلیت شارژ سریع چند بار در روز را ارائه میکنند، توصیه میشود.
باتری های ثابت به طور معمول از نوع سرب اسید بودهاند. در این کاربردها، اندازه و وزن کمتر مورد دغدغه است؛ چون که باتری ها به ندرت دشارژ می شوند، تعداد چرخه های محدود مشکلی ایجاد نمیکند. باتریهای ثابت بزرگ عمدتاً غرقابیاند و نیاز به بررسی منظم سطح الکترولیت دارند. نیاز به رسیدگی را میتوان با سیستم آبیاری خودکار کاهش داد.
اسید سرب تنظیم شده با شیر (VRLA) نسخه ای با نیاز به رسیگی کمتر نسبت به اسید سرب غرقابی است. گفته میشود که VRLA را میتوان نصب و سپس فراموش کرد! اما این موضوع اغلب به حدی اغراق آمیز در نظر گرفته میشود که این باتریها به طور کامل بدون رسیدگی رها میشوند. رسیدگی شامل بررسی ولتاژ، مقاومت داخلی و گاهی اوقات سطوح ظرفیت است.
در مواردی که باتری در معرض دمای گرم و سرد است و همچنین مواردی که نیاز به چرخه عمیق دارند، اغلب از نیکل-کادمیم غرقابی استفاده میشود. این باتریها نسبت به اسید سرب مقاومتر هستند؛ اما قیمتشان نیز تقریباً چهار برابر است. باتریهای نیکل کادمیوم غرقابی غیر متخلخل هستند و نسبت به نسخههای متخلخل و مهر و موم شده کمتر در معرض پدیده حافظه قرار میگیرند؛ اما هنوز مقداری رسیدگی مورد نیاز است. نیکل کادمیوم تنها باتری است که میتواند به سرعت با حداقل استرس شارژ شود.
در بسیاری از مواقع نیز از لیتیوم یون به عنوان باتری ثابت استفاده میشود. لیتیوم یون مزایای زیادی دارد؛ اما در دمای پایین به خوبی نیکل و اسید سرب عمل نمیکند. باتری دیگری که برای استفاده ثابت در حال بازگشت است، نیکل-آهن(NiFe) است. توماس ادیسون NiFe را برای استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی تبلیغ کرد؛ اما در نهایت به دلیل هزینه و نرخ خود دشارژ بالا، این باتری در مقابل اسید سرب بازنده شد. هرچند بهبودهای صورت گرفته برخی از ایرادات را از بین برده است و دوام برتر این باتری مورد توجه مجدد قرار گرفته است.
سیستمهای ذخیرهسازی انرژی (باتریهای ذخیرهسازی شبکه)
منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید جریان ثابتی از انرژی را ارائه نمیکنند و همیشه با تقاضای کاربر هماهنگ نیستند. برای ارائه یک سرویس یکپارچه، به سیستمهای بزرگ ذخیرهسازی انرژی(ESS) به نام باتریهای تسطیح بار یا شبکه ذخیرهسازی نیاز است.
ESS از یک مسیر رشد بزرگ برای حرکت از زغال سنگ و نفت به سوی منابع تجدیدپذیر برخوردار است. تخمین زده میشود که تاسیسات ESS به تنهایی در آفریقای جنوبی تا سال 2021 به 1500 مگاوات ساعت برسد. باتریهای مورد بررسی عبارتند از: باتریهای جریانی، لیتیوم یون، سرب اسید و روی-برم. روی-برم نوعی باتری هیبریدی است که میتواند به عنوان یک دستگاه آبکاری در نظر گرفته شود.
در طول شارژ، فلز روی بر روی الکترودهای رسانا قرار میگیرد که برم را تشکیل می دهند. این فرآیند در هنگام دشارژ معکوس میشود. یکی دیگر از باتریهای پیشرو ESS باتری سدیم-گوگرد با تحمل دمای بالا است.
ذخیره انرژی برای تامین پیک سایی برق چیز جدیدی نیست. نیروگاههای برق آبی در شب از برق اضافی برای پمپاژ آب به مخزن برای استفاده در روز بعد استفاده میکنند. مدیریت مایع پمپاژ شده با ضریب راندمان 70 تا 85 درصد، آسانتر از تنظیم دقیق ژنراتورها بر اساس برق مورد نیاز است. پمپاژ هوای فشرده به حفرههای بزرگ زیرزمینی و بالنهای زیر آب نیز برای ذخیره انرژی استفاده میشود.
چرخ طیارها نیز به عنوان ذخیره کننده انرژی عمل میکنند. موتورهای الکتریکی بزرگ هنگامی که انرژی اضافی برای تامین کمبودهای انرژی در دسترس باشد، سرعت چرخ طیارهای یک تنی را افزایش میدهند. چرخ طیارهای پرسرعت با بیش از 30000 دور در دقیقه روی یاتاقانهای مغناطیسی در یک محفظه خلاء میچرخند. موتورهای الکتریکی/ژنراتورهای دارای آهنرباهای دائمی، انرژی جنبشی را در صورت نیاز شارژ و دشارژ میکنند.
چرخ طیارهای مدرن جایگزین فولاد با الیاف کربن شدهاند تا در برابر چرخش های بالاتر تا 60000 دور در دقیقه مقاومت کنند. انرژی با مجذور سرعت افزایش مییابد و با کاهش وزن، چهار برابر توان تولید میکند. در صورت از کار افتادن چرخ طیار، محفظه از خروج ترکش جلوگیری میکند.
استفاده از چرخ طیار برای ذخیره انرژی جنبشی چیز جدیدی نیست. در دهههای 1940 و 1950، اتوبوسهای شهری در سوئیس با چرخهای طیار حرکت میکردند. یک موتور الکتریکی یک چرخ طیار 3 تنی را در 3 دقیقه تا 3000 دور در دقیقه میچرخاند. موتور با تبدیل شدن به یک ژنراتور، انرژی را دوباره به برق تبدیل میکرد. هر بار شارژ میتوانست اتوبوس را در یک جاده صاف، 6 کیلومتر (3.75 مایل) پیش ببرد. این اتوبوس ها بدون آلودگی بودند؛ اما ژیروسکوپ در برابر تغییر جهت در یک جاده بادخیز مقاومت میکرد.
تسطیح بار به دلیل ردپای کوچک (این اصطلاح برای توصیف اجزایی استفاده میشود که فضای کمتری اشغال میکنند)، تعمیر و نگهداری کم و عمر طولانی لیتیوم یون، به سمت آن جذب میشود. لیتیوم یون برخلاف سرب اسید (هنگامی که در فواصل معین به طور کامل شارژ نمیشود) از سولفاته شدن رنج نمیبرد.
این موضوع هنگامی که تقاضا از عرضه بیشتر است می تواند یک اشکال بزرگ در نصب و راهاندازی باشد؛ همچنین Li-ion دارای مزیت وزن سبک و نیمه قابل حمل بودن برای نصب در مکانهای دوردست است. از نکات منفی Li-ion قیمت بالا و عملکرد پایین آن در دمای سرد است. یکی دیگر از مشکلات آن، عدم توانایی در شارژ زیر دمای صفر است.
جدول ۱ مقایسه هزینه لیتیوم یون با سرب اسید را برای کاربردهای ذخیرهسازی شبکه ارائه میدهد. اگرچه قیمت اولیه لیتیوم یون بالاتر از اسید سرب است؛ اما هزینه به ازای هر چرخه در کاربردهای چرخه عمیق کمتر است. گفته میشود که لیتیوم-یون سهم بیشتر بازار را به دست میآورد، اما اسید سرب نیز سنگر خود را حفظ خواهد کرد.
جدول ۱ – مقایسه هزینه سرب اسید و لیتیوم یون برای انرژیهای تجدیدپذیر
یون لیتیوم هزینه اولیه بالاتری دارد اما هزینه هر چرخه آن کمتر است. قیمتها تخمین زده شده است.
انرژی خروجی یک توربین بادی صنعتی بزرگ، 1مگاوات (MW) و حتی بیشتر است؛ بزرگترین توربین ها به تولید 10 مگاوات انرژی نیز دست یافتهاند. چندین توربین در کنار هم یک مزرعه بادی را تشکیل میدهند که 30-300 مگاوات انرژی تولید میکند. برای درک یک مگاوات انرژی، باید بگوییم که 1مگاوات میتواند 50 خانه یا یک فروشگاه والمارت را تغذیه کند.
سیستمهای انرژی تجدیدپذیر، همگی دارای باتریهای تسطیح بار نیستند؛ زیرا باتریها به سادگی میتوانند خیلی بزرگ شوند و سرمایه گذاری روی آن همیشه توجیه اقتصادی ندارد. یک مزرعه بادی 30 مگاواتی اگر توسط باتریها پشتیبانی شود، از باتری ذخیره حدود 15 مگاواتی استفاده می کند؛ این انرژی معادل 20000 باتری استارت یا 176 اتومبیل تسلا S 85 با باتری 85 کیلووات ساعتی است. همچنین هزینه ذخیره انرژی در باتری بالا است و برخی میگویند که هزینه آن دو برابر تغذیه مستقیم است.
سیستم مدیریت باتری (BMS) شارژ باتری را در حدود 50 درصد نگه میدارد تا امکان جذب انرژی در هنگام وزش باد و تحویل آن به هنگام تقاضای زیاد بار را فراهم کند. BMS مدرن می تواند در کمتر از یک ثانیه از شارژ به دشارژ تبدیل شود. این موضوع که به عنوان تنظیم فرکانس نیز شناخته میشود، به تثبیت ولتاژ در خطوط انتقال کمک میکند.
منبع : باتری یونیورسیتی
