Wysokowydajne akumulatory i baterie w zastosowaniach przemysłowych

 

Nowoczesne akumulatory używane w przemyśle znacznie różnią się od tych rozwiązań, które stosowane były kilkanaście lat temu. Szereg nowatorskich technologii znajduje zastosowanie nie tylko w samych akumulatorach, ale również w urządzeniach niezbędnych do ich prawidłowej pracy. Chodzi tutaj np. o kontrolery ładowania. Warto więc przyjrzeć się nieco bliżej kilku rozwiązaniom w tym zakresie.

 

Nowoczesne akumulatory cechuje wiele zalet. Przede wszystkim ważna jest ognioodporność uzyskana przez to, że pojemnik, pokrywę i osłonę zaworu wytwarza się z trudnopalnej żywicy ABS. Należy wspomnieć przy tym o hermetycznej konstrukcji, która zapewnia całkowitą ochronę przed wyciekiem elektrolitu przez połączenia przy zaciskach lub zgrzewanie w obudowie akumulatora. Kluczową rolę odgrywa absorpcja elektrolitu. Wynika ona z faktu zastosowania technologii AGM (ang. absorbed glass mat). W efekcie elektrolit jest wchłonięty w gąbczastą strukturę separatorów z włókna szklanego. W nowoczesnych akumulatorach nie stosuje się żelu i substancji żelujących.

Ważny jest też mechanizm rekombinacji tlenu, który pozwala na kontrolowanie wytwarzania gazu podczas normalnej pracy. Tym sposobem gaz wytwarzany w procesie elektrolizy jest absorbowany i redukowany przez płyty ujemne. Efektywność rekombinacji tlenu sięga 99%.

Zwraca się uwagę na bezobsługowość, a więc dzięki szczelnej konstrukcji i zastosowaniu zjawiska rekombinacji tlenu akumulatory nie wymagają sprawdzania gęstości elektrolitu czy też uzupełniania wody. Ważna jest możliwość pracy w dowolnym położeniu (wyłączając położenie biegunami w dół). Wynika to ze szczelnej konstrukcji oraz absorpcji elektrolitu. Praca w dowolnej pozycji nie powoduje utraty pojemności, wycieku elektrolitu czy też skrócenia trwałości akumulatora.

Samouszczelniające zawory ciśnieniowe zapobiegają powstawaniu nadmiernego ciśnienia w przypadku przeładowania. Z kolei płyty ze stopu ołowiowo-wapniowego zapewniają trwałość oraz dobre właściwości eksploatacyjne podczas pracy buforowej i cyklicznej. Oprócz tego ułatwiają ładowanie po głębokim rozładowaniu oraz zapewniają wysoką gęstość energii. W nowoczesnych akumulatorach stawia się na odpowiednie charakterystyki ładowania nawet po głębokim rozładowaniu.

Specjalny materiał używany do konstrukcji separatorów zapewnia efektywną izolację, zapobiegając zwarciom elektrycznym pomiędzy płytami. Ważna jest przy tym duża porowatość, która pozwala na wchłonięcie odpowiedniej ilości elektrolitu, umożliwiając przemieszczanie jonów pomiędzy płytami. W warunkach przemysłowych z pewnością istotny jest szeroki zakres temperatur pracy. Stąd też akumulatory mogą być ładowane w temperaturze –15–50°C, co zapewnia elastyczność w planowaniu lokalizacji i rozmieszczeniu urządzeń współpracujących z akumulatorem.

Biorąc pod uwagę skład elektrolitu oraz budowę elektrod, zastosowanie znajduje kilka rodzajów akumulatorów. W akumulatorach kwasowo-ołowiowych elektrolit stanowi roztwór kwasu siarkowego. Elektroda „–” wykonywana jest z ołowiu (z dodatkami) w postaci siatki, a elektrodę „+” wytwarza się z tlenku ołowiu. Jako zalety akumulatora ołowiowego należy wymienić zdolność rozładowania dużym prądem przez krótki czas, prosty układ ładowania oraz niską cenę w stosunku do pojemności. Wadą jest natomiast stosunkowo duża masa przypadająca na jednostkę pojemności.

Niejednokrotnie zastosowane znajdują akumulatory NiCd, nazywane również bateriami alkalicznymi. Elektrody wytwarza się z wodorotlenku niklu i wodorotlenku kadmu, natomiast elektrolit jest w postaci półpłynnej lub stałej z silnie zasadowym odczynem. Warto zwrócić uwagę na akumulatory NiMH będące ulepszoną odmianą akumulatorów NiCd. Jedna elektroda wykonana jest z niklu, a drugą wytwarza się ze spieku metali ziem rzadkich w atmosferze wodoru. Kluczem elektrolitycznym jest gąbczasta struktura nasączona substancjami alkalicznymi oraz złożonym chemicznie katalizatorem. System elektrochemiczny ma zdolność do absorpcji gazów wydzielających się podczas ładowania. Chodzi głównie o wodór. Należy podkreślić, że akumulatory tego typu cechuje znaczna trwałość.

Dużym uznaniem cieszą się akumulatory Li-ion, w których jedna z elektrod jest wykonana z porowatego węgla, a druga z tlenków metalu. Elektrolitem są złożone chemicznie sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników. Warto wspomnieć o akumulatorach litowo-polimerowych, będących odmianą akumulatorów Li-ion. Cały ciekły elektrolit jest zastąpiony stałym elektrolitem polimerowym wykonanym z np. gąbek na bazie poliakrylonitrylu.

 

Akumulatory w technologii AGM

Nowoczesne akumulatory bazują na technologii AGM. Jako zalety wynikające ze stosowania akumulatorów wykonanych w tej technologii, w odniesieniu do akumulatorów żelowych, wymienia się przede wszystkim niższy koszt początkowy. Dodatkowo możliwe jest uzyskanie większej wartości natężenia prądu oraz mocy w przypadku krótkich czasów wyładowania. Maksymalna moc akumulatora w dużej mierze wynika z niskiej rezystancji wewnętrznej konstrukcji oraz skróconego czasu reakcji pomiędzy masą czynną płyty a elektrolitem. Na uwagę zasługuje wysoki poziom koncentracji energii oraz skuteczne odprowadzenie ciepła powstającego podczas przepływu prądu. Przy wszystkich powyższych zaletach akumulatory AGM mają jednak najkrótszy okres eksploatacji oraz najmniejszą liczbę cykli ładowania-rozładowania. Z tego względu nie bierze się ich pod uwagę przy projektowaniu magazynów energii większej mocy.

W konstrukcji takich akumulatorów elektrolit skupia się w separatorach wykonanych w postaci mat z włókna szklanego. Włókna tego typu umieszcza są pomiędzy płytami akumulatora wytwarzanymi z ołowiu. W efekcie eliminuje się możliwość wycieku elektrolitu w przypadku mechanicznego uszkodzenia akumulatora. System uszczelnienia akumulatorowego zawiera jednokierunkowy zawór ciśnieniowy (VRLA) otwierający się w momencie nadmiernego wzrostu ciśnienia nagromadzonych gazów. Takie zjawisko występuje np. w przypadku przeładowania akumulatora. Zawór odprowadza nadmiar powstałego gazu na zewnątrz po to, aby utrzymać bezpieczne ciśnienie we wnętrzu obudowy. Oprócz tego zapewniony jest wysoki poziom sprawności procesu nazywanego rekombinacją wewnętrzną, która jest charakterystyczna dla akumulatorów AGM. Należy pamiętać, że akumulatory tego typu montuje się w dowolnej pozycji.

Akumulatory znajdują zastosowanie m.in. w zasilaniu awaryjnym systemów automatyki i zabezpieczeń, a także w oświetleniu awaryjnym, urządzeniach techniki fotowoltaicznej oraz w sprzęcie przenośnym i mobilnym. Zastosowanie obejmuje również zasilacze UPS, systemy alarmowe i przeciwpożarowe, kasy i drukarki fiskalne, stacje bazowe GSM oraz siłownie telekomunikacyjne.

 

Automatyka załączania rezerwy

Akumulatory niejednokrotnie stanowią źródło zasilania w systemach załączania rezerwy. Powszechność internetu oraz sieci wewnętrznych pozwala na zaprojektowanie nowej generacji modułów automatyki SZR. Obecnie oprócz standardowej serii odpowiednich modułów oferowane są moduły z możliwością wizualizacji stanu rozdzielnicy i systemu sterowania oraz zdalnej parametryzacji automatyki.

Nowoczesne systemy są dedykowane do pracy z wieloma źródłami zasilania, łącznie z agregatami prądotwórczymi i akumulatorami. Ważna jest możliwość sterowania lokalnego poprzez panel dotykowy oraz zdalnie poprzez Ethernet i/lub internet. Warto zwrócić uwagę na możliwość wyboru trybu pracy, pracę ręczną lub automatyczną, odstawienie częściowe lub pełne automatyki i wizualizację systemu zasilania. Ważna jest parametryzacja systemu zasilania, podgląd aktualnych i historycznych zdarzeń i awarii. Przydatne rozwiązanie stanowi podgląd za pomocą kamer np. komory trafo lub poszczególnych sekcji rozdzielnicy.

Dostęp do systemu zabezpieczony jest kilkoma poziomami haseł i w zależności od uprawnień zalogowany użytkownik ma ograniczoną lub pełną swobodę podglądu i parametryzacji urządzeń.

Istnieje możliwość zastosowania modułów dla jednoczesnego zarządzania automatyką SZR średniego i niskiego napięcia. Tym sposobem zyskuje się obniżenie kosztów sterowania oraz pełną wizualizację i nadzór nad systemem zasilania. Właściwość w tym zakresie jest szczególnie istotna w systemach z wieloma wyłącznikami.

Generowana przez system lista zdarzeń i awarii może być eksportowana do arkuszy kalkulacyjnych lub zwykłych plików tekstowych i pobierana bezpośrednio z systemu lub poprzez wbudowany webserwer. Inną możliwością jest wysyłanie komunikatu po każdym zdarzeniu drogą e-mail lub SMS do wcześniej zdefiniowanych użytkowników.

Automatyka współpracuje poprzez sieć CANopen z modułami I/O znajdującymi się w pobliżu wyłączników mocy, zmniejszając w ten sposób okablowanie sterownicze rozdzielnicy, a jednocześnie zwiększając niezawodność działania. Moduły automatyki mogą być wyposażone w interfejsy Profibus lub Modbus.

 

Kontrolery ładowania

Do zapewnienia prawidłowej pracy akumulatora istotny jest prawidłowy dobór oraz zaawansowane regulatory ładowania. Odpowiadają one nie tylko za kontrolowanie stopnia rozładowania akumulatora, ale również za prawidłowe ładowanie. W niektórych regulatorach przewidziano trójpoziomowy algorytm ładowania z kompensacją temperaturową. Tym sposobem znacząco wydłuża się trwałość akumulatorów. W wielu rozwiązaniach zastosowano regulator typu master, który zarządza regulatorami typu slave. Zaletą takiego rozwiązania jest możliwość pracy kilku regulatorów z jedną baterią. Bezpieczeństwo montażu i użytkowania zapewni zabezpieczenie nadprądowe, przeciwzwarciowe i temperaturowe. Regulatory pracują z dowolnym napięciem wejściowym.

 

Baterie trakcyjne

Należy podkreślić, że w wielu maszynach zasilanych bateriami trakcyjnymi dla obniżenia kosztów bardzo często uwzględnia się baterie z płytami pastowanymi. Jeżeli maszyna jest intensywnie eksploatowana, niejednokrotnie trzeba wymienić baterię już po roku użytkowania. Warto więc zadbać o akumulatory lub ogniwa z płytą pancerną. Co prawda rozwiązania tego typu są droższe od baterii z płytą pastowaną o ok. 30–40%, jednak zyskuje się urządzenie nie tylko odporniejsze, ale co najważniejsze – trwalsze nawet trzykrotnie. Podkreśla się, że bateria trakcyjna z płytą pastowaną osiąga trwałość wynoszącą ok. 500 cykli. Z kolei bateria wyposażona w płytę pancerną ma trwałość osiągającą 1200–1500 cykli. Jeden cykl obejmuje naładowanie i rozładowanie baterii.

Czym się zatem różni bateria wykonana na płycie pastowanej od baterii z płytą pancerną? Przede wszystkim w płycie dodatniej pancernej masa aktywna stanowiąca mieszaninę tlenków ołowiu i rozmaitych dodatków zwiększających sprawność elektryczną i mechaniczną płyty otacza pręty rdzenia płyty w tkanych rurach (tzw. dynele) o odpowiedniej przewodności. W płycie pastowanej masa aktywna jest wprasowana w kratkę.

Zastosowanie dynela w płycie pancernej zwiększa wytrzymałość mechaniczną płyty. W efekcie zyskuje się zwiększenie odporności na wibracje, gazowanie oraz opadanie masy. Oprócz tego ważne jest zmniejszenie ryzyka wystąpienia zwarć i zwiększenie liczby cykli ładowania i rozładowania.

 

Podsumowanie

W wielu instalacjach przemysłowych istotną rolę odgrywają akumulatory. To właśnie dzięki nim zyskuje się możliwość gromadzenia i przechowywania energii.

Nowoczesne akumulatory mają wiele zalet. Przede wszystkim ważna jest ognioodporność uzyskana przez to, że pojemnik, pokrywa i osłona zaworu wytwarzane są z trudnopalnej żywicy ABS.

Jako zalety wynikające ze stosowania akumulatorów wykonanych w technologii AGM w odniesieniu do akumulatorów żelowych wymienia się przede wszystkim niższy koszt początkowy. Dodatkowo jest możliwość uzyskania większej wartości natężenia prądu oraz mocy w przypadku krótkich czasów wyładowania.

 

Marcin Sobczak

Oferta: automatyka magazynowa, case study, centrum logistyczne, dystrybucja, logistyka, magazyn, magazynier, operator logistyczny, palety, regały, studia przypadków, system wms, wózek widłowy, wózki widłowe

Background Image

Header Color

:

Content Color

:

Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług zgodnie z Polityką prywatności. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do cookie w Twojej przeglądarce lub w konfiguracji usługi. Polityka prywatności.