باتری ها در صنایع

بازدید: 67 بازدید
زمان مطالعه: 7
post

در این مطلب درباره کاربردهای منحصر به فرد باتری ها و ویژگی هایی 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 می شوند. این باتری نوظهور فوق‌العاده برای جلب توجه رسانه‌ها نیز وعده می‌دهد که اکثر نیازهای وسایل نقلیه الکتریکی را برآورده کند. به هر حال تحرکات جمعی کاملا بر پایه احساسات پیش می رود و به محیط زیست توجهی ندارد.

از سوی دیگر فضای صنعتی محافظه‌کارتر است و به نظر می‌رسد به آهستگی پیش می رود؛ هرچند که اینطور نیست! صنعت منطقی است و با تمرکز بر قابلیت اطمینان، صرفه جویی، طول عمر و ایمنی، محدودیت های باتری ها را درک می کند و عجله ای ندارد.

 

باتری های خودرو های باربر

در ویلچرها، اسکوترها و اتومبیل های گلف اغلب از باتری های سرب اسید استفاده می شود. باتری های سرب اسید با وجود وزن سنگین، به خوبی کار می‌کنند و تنها تلاش‌های کمی برای جایگزینی آن ها با سیستم‌های دیگر انجام شده است؛ به طور مثال در برخی از کاربرد ها 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 می تواند کمتر از سرب اسید باشد. مزیت دیگر Li-ion نسبت به باتری های مبتنی بر سرب و نیکل، نیاز به تعمیر و نگهداری کمتر است. لیتیم یون را می توان 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 می شوند. در لیفتراک ها، وزن سنگین باتری مشکلی ایجاد نمی کند؛ اما زمان شارژ طولانی یک نقطه ضعف برای انبارهایی است که 24 ساعت شبانه روز کار می کنند. برخی از لیفتراک ها دارای سلول های سوختی هستند که باتری را در حین استفاده شارژ می کنند.

باتری را می توان 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 می ماند.

هرچه وسیله نقلیه سنگین تر باشد، استفاده از باتری در آن نامناسب تر می شود؛ اما این موضوع مانع نمی‌شود که مهندسان به دنبال جایگزینی باتری های بزرگ با موتور احتراق داخلی که بسیار آلاینده است، نباشند. یکی از این کاربردها، سیستم خودروی هدایت شونده خودکار (AGV) در بنادر کشتی است. AGV ها 24 ساعت شبانه روز کار می کنند و نمی توان این وسایله 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 باتری های بسیار بزرگ به دلیل وزن، طول شارژ و سایر زیرساخت ها محدودیت هایی دارند و اگر سوزاندن سوخت فسیلی مطرح نباشد، پیل سوختی ممکن است بتواند مشکل سیستم های باربری بزرگ را حل کند.

با این حال هنوز هیچ راه حل اقتصادی برای تامین باتری سیستم های بابری بزرگ وجود ندارد و نمی توان 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؛ وظیفه ای که باتری برای دستیابی به آن در تقلا است.

باتری ها در حمل و نقل هوایی

وظیفه باتری‌های درون هواپیما تغذیه سیستم‌های جهت یابی 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 راه اندازی APU را فراهم می کند. در صورت خرابی موتور، باتری ها باید از 30دقیقه تا 3ساعت انرژی تامین کنند. هر هواپیما همچنین باید باتری کافی برای فرود ایمن داشته باشد. در طول پرواز برق را ژنراتورها تامین می کنند و در صورت لزوم مانند یک خودرو، باتری را می‌توان قطع کرد.

اکثر هواپیماهای تجاری از نیکل کادمیوم غرقابی (تر) استفاده می کنند. راه اندازی یک هواپیمای بزرگ با چرخاندن APU که یک موتور توربین کوچک در قسمت دم هواپیما است، آغاز می شود. این فرایند به طور قابل توجهی زمان بیشتری می برد 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 می کشد و 15 کیلو وات انرژی مصرف می کند. پس از راه اندازی، یک کمپرسور هوا یا پمپ هیدرولیک موتورهای جت بزرگ را یک به یک راه اندازی می کند.

هواپیماهای کوچکتر اغلب دارای باتری سرب اسید مهر و موم شده هستند. اسید سرب اگرچه از NiCd سنگین تر است ولی نیاز به نگهداری کمتری دارد. باتری‌های 12 و 24 ولت هوانوردی به جای CCA (یعنی میزان آمپری که یک باتری می تواند 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 موتورجنگنده‌های جت مدرن و همینطور بوئینگ 787 دریم لاینر، لیتیوم یون به کار می رود. ایرباس 350 گزینه ای از هر دو نوع شیمی را ارائه می دهد. از آنجایی که عملکرد هواپیمای مسافربری از حالت هیدرولیکی به الکتریکی تغییر می کند، به باتری های بزرگتری نیز نیازمند است. لیتیوم یون با چگالی انرژی بالاتر این نیاز را بهتر از نیکل کادمیم و اسید سرب برآورده می کند. با این حال، شکست غیرمنتظره Li-ion به همراه عواقب جدی ممکن است هواپیماسازان را به سمت NiCd برگرداند. همه این باتری ها در معرض خرابی هستند. همچنین خرابی های حرارتی در استفاده از NiCd گزارش شده است؛ اما می توان آنها را بهتر از Li-ion مدیریت کرد.

NiCd  دوام و خدمات قابل اعتمادی را ارائه می دهد؛ اما نیاز به تعمیر و نگهداری بالایی دارد که شامل بکارگیری باتری برای حذف اثر حافظه می شود. 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 می شود. باتری های NiCd کوچکتر نیازهای خدماتی متفاوتی دارند.

اگرچه هواپیماها باتری های مختلف زیادی را حمل می کنند؛ اما تنها هدف استفاده از این باتری ها روشن کردن موتور و تامین نیروی پشتیبان در هنگام خاموش بودن موتورها است. هواپیماهای بزرگ با سوخت فسیلی به پرواز ادامه می دهند؛ زیرا استفاده از باتری‌ هنوز برای پیشرانه این هواپیماها عملی نیست. در حال حاضر هواپیماهای کوچکی که با باتری کار می کنند برای آموزش خلبانی و پروازهای کوتاه و فقط آزمایشی هستند. وزن و قابلیت اطمینان باتری های فرسوده نیز همچنان نگرانی اصلی باقی می ماند.

 

 باتری های صنعت هوافضا

ماهواره های اولیه از باتری های NiCd استفاده می کردند و این منجر به کشف پدیده “حافظه” شد. باتری از یک برنامه دشارژ معمول پیروی می کرد؛ اما زمانی که انرژی بیشتری نیاز بود، باتری می توانست به خاطر بیاورد. ولتاژ گویی در اعتراض به اضافه کاری ناخواسته کاهش می یافت.

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 حدود 1000 دلار است و ظاهری شبیه یک موتور بخار کوچک با یک مخزن فشار فولادی دارد.

Li-ion باتری انتخابی برای ماهواره ها است. سبک وزن، شارژ آسان، بادوام و دارای چرخه خوبی است. Li-ion می تواند 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 سیاره ای برای اشاره به مدت زمان یک روز خورشیدی در مریخ استفاده می شود. سلول های  43Ah که دو عدد از آنها به صورت موازی هستند دارای حداکثر نرخ دشارژ 0.55C هستند.

ناسا می خواهد باتری های 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، سلول های لیتیوم یون بزرگ 140 آمپر ساعتی در حال توسعه هستند که وعده داده شده است تا 18 سال دوام خواهند آورد.

 

باتری های ثابت

با انتخاب رو به رشد باتری ها برای سیستم های ذخیره انرژی (ESS)، انتخاب نباید تنها بر اساس قیمت باشد. هزینه هر کیلووات ساعت بدون بررسی کل هزینه ها که شامل هزینه به ازای هر چرخه، طول عمر و جایگزینی نهایی است، چیز زیادی به ما نمی گوید.

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 بوده اند. 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 نمی کند. باتری های ثابت بزرگ عمدتاً غرقابی اند و نیاز به بررسی منظم سطح الکترولیت دارند. نیاز به رسیدگی را می توان 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 می شود که VRLA را می توان نصب و سپس فراموش کرد! اما این موضوع اغلب به حدی اغراق آمیز در نظر گرفته می شود که این باتری ها به طور کامل بدون رسیدگی رها می شوند. 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 می شود. 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 می تواند به سرعت با حداقل استرس شارژ شود.

در بسیاری از مواقع نیز از لیتیوم یون به عنوان باتری ثابت استفاده می شود. لیتیوم یون مزایای زیادی دارد؛ اما در دمای پایین به خوبی نیکل و اسید سرب عمل نمی کند. 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 نمی کنند 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 می شود که تاسیسات ESS به تنهایی در آفریقای جنوبی تا سال 2021 به 1500 مگاوات ساعت برسد. باتری های مورد بررسی عبارتند از: باتری های جریانی، لیتیوم یون، سرب اسید و روی-برم. روی-برم نوعی باتری هیبریدی است که می تواند به عنوان یک دستگاه آبکاری در نظر گرفته شود. در طول شارژ، فلز روی بر روی الکترودهای رسانا قرار می گیرد که برم را تشکیل می دهند. این فرآیند در هنگام دشارژ معکوس می شود. یکی دیگر از باتری های پیشرو ESS باتری سدیم-گوگرد با تحمل دمای بالا است.

ذخیره انرژی برای تامین پیک سایی برق چیز جدیدی نیست. نیروگاه های برق آبی در شب از برق اضافی برای پمپاژ آب به مخزن برای استفاده در روز بعد استفاده می کنند. 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 حفره های بزرگ زیرزمینی و بالن های زیر آب نیز برای ذخیره انرژی استفاده می شود.

چرخ طیار ها نیز به عنوان ذخیره کننده انرژی عمل می کنند. موتورهای الکتریکی بزرگ هنگامی که انرژی اضافی برای تامین کمبودهای انرژی در دسترس باشد، سرعت چرخ طیار های یک تنی را افزایش می دهند. چرخ طیار های پرسرعت با بیش از 30000 دور در دقیقه روی یاتاقان های مغناطیسی در یک محفظه خلاء می چرخند. موتورهای الکتریکی / ژنراتورهای دارای آهنرباهای دائمی، انرژی جنبشی را در صورت نیاز شارژ و دشارژ می کنند.

چرخ طیارهای مدرن جایگزین فولاد با الیاف کربن شده اند 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 می کند.

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 می چرخاند. موتور با تبدیل شدن به یک ژنراتور، انرژی را دوباره به برق تبدیل می کرد. هر بار شارژ می توانست 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 می کرد.

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 می شود. لیتیوم یون برخلاف سرب اسید (هنگامی که در فواصل معین به طور کامل شارژ نمی شود) از سولفاته شدن رنج نمی برد. این موضوع هنگامی که تقاضا از عرضه بیشتر است می تواند یک اشکال بزرگ در نصب و راه اندازی باشد. Li-ion همچنین دارای مزیت وزن سبک و نیمه قابل حمل بودن برای نصب در مکان های 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.

جدول1 مقایسه هزینه لیتیوم یون با سرب اسید را برای کاربردهای ذخیره سازی شبکه ارائه می دهد. اگرچه قیمت اولیه لیتیوم یون بالاتر از اسید سرب است اما هزینه به ازای هر چرخه در کاربردهای چرخه عمیق کمتر است. گفته می شود که لی-یون سهم بیشتر بازار را به دست می آورد، اما اسید سرب نیز سنگر خود را حفظ خواهد کرد.

 

جدول 1: مقایسه هزینه سرب اسید و لیتیوم یون برای انرژی های تجدیدپذیر

یون لیتیوم هزینه اولیه بالاتری دارد اما هزینه هر چرخه آن کمتر است. قیمت ها 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 یافته اند. چندین توربین در کنار هم یک مزرعه بادی را تشکیل می دهند که 30-300 مگاوات انرژی تولید می کند. برای درک یک مگاوات انرژی باید بگوییم که 1مگاوات می تواند 50 خانه یا یک فروشگاه والمارت را تغذیه کند.

همه سیستم های انرژی تجدیدپذیر شامل باتری های تسطیح بار نیستند؛ زیرا باتری ها به سادگی می توانند خیلی بزرگ شوند و سرمایه گذاری روی آن همیشه توجیه اقتصادی ندارد. یک مزرعه بادی 30 مگاواتی اگر توسط باتری ها 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 می گویند 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 می شود، به تثبیت ولتاژ در خطوط انتقال کمک می کند.

آیا این مقاله برای شما مفید بود؟
بله
تقریبا
خیر
دسته بندی باتری انواع باتری
اشتراک گذاری

نوشته های مرتبط

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سبد خرید

هیچ محصولی در سبد خرید نیست.

ورود به سایت
question