×

هشدار

JUser: :_بارگذاری :نمی توان کاربر را با این شناسه بارگذاری کرد: 797

تکنولوژی فایبر در صفحات ذخیره­ سازهای نیکل-کادمیوم نیروگاهی

تکنولوژی فایبر در صفحات ذخیره­ سازهای نیکل-کادمیوم نیروگاهی

خلاصه

با توجه به نیاز منابع تولید برق مستقیم در واحد های نیروگاهی همواره استفاده از بانک های باتری مورد توجه بوده، به این منظور استفاده از باتری که قابلیت اطمینان و کارایی بالایی داشته باشد همواره مورد توجه بوده است. با استفاده از دو نوع اصلی باتری اسیدی و نیکل کادمیوم می­توان تا حدود زیادی این نیاز را مرتفع نمود. باتری نیکل کادمیوم با توجه به مزایای منحصر به فرد آن امروزه مورد توجه صنایع مختلف می­باشد از جمله کاربردهای این باتری استفاده از آن در ایستگاه های بزرگ ذخیره سازی انرژی الکتریکی و به خصوص باتری خانه های نیروگاهی می­باشد. در حال حاضر در اکثر نیروگاه ها از باتری های اسیدی OPZS استفاده می­شود اما مزیت های فراوانی که باتری نیکل کادمیوم FNC ساختار فیبری دارد می­توان آن را رقیب جدی در برابر باتری های نیکل کادمیوم رایج یاOPZS   اسیدی دانست. از طرفی باتری های نیکل کادمیوم رایج دارای ساختار صفحات نیکل کادمیوم بوده که بهPOCKET PLATE  معروف بوده ولی در این مقاله قصد داریم ساختار صفحات و تکنولوژی خاصی از تولید صفحات نیکل کادمیوم را تشریح نماییم که به فایبر FIBER معروف است.

به منظور افزایش راندمان و بهبود عملکرد باتری های نیکل کادمیوم می­توان به ساخت صفحات جدید با تکنولوژی فیبر بهره برد. تکنولوژی فیبری در واقع تولید صفحات مثبت و منفی باتری به صورت نانو لوله­ های تنیده شده در هم می­باشد که به صورت صفحات باتری تولید می­شود. با بهره گیری از این تکنولوژی و ساختار خاص صفحات، شاهد ویژگی های منحصر بفرد و قابلیت های ویژه ای از  این نوع باتری ها می­باشیم که می­توان به موارد زیر اشاره کرد: چگالی ذخیره بار الکتریکی بالا ،طول عمر بالا، پیر شدگی (aging factor) کم و عدم نیاز به هزینه های نگهداری و سوپروایزری و عدم نیاز به تعویض الکترولیت. با استفاده از ساختار فیبری می­توان خلوص و چگالی بالا و مقاومت داخلی بسیار پایین و سهولت در تغییر سایز و ابعاد صفحات و قابلیت ارائه ظرفیت بالا درطی طول عمر باتری را انتظار داشت.

 

کلمات کليدي: فایبری، باتری نیکل کادمیوم، بهینه سازی باتری خانه، افزایش طول عمر ،FNC,HOPPECKE

 

 

  1. مقدمه

امروزه باتری ها نقش بسیار اساسی در نیروگاه ها ایفا میکنند و در صورت نبود بخش باتریخانه در نیروگاه در مواقع بحرانی خسارات جبران ناپذیری وارد خواهد شد. باتری برای مصارف اضطراری نیروگاه و راه اندازی پمپ های DC در هنگام قطع برق استفاده میشوند. این پمپ ها روغن مورد نیاز برای یاتاقان های توربین را تامین میکنند.  باتری های مورد استفاده در اغلب نیروگاه ها باتری های OPZS هستند ، این باتری از خانواده باتری های دریچه دار با الکترولیت مایع اسید سولفوریک میباشد و دارای ولتاژ 2 ولت در هر سلول بوده و با ساختار صفحات لوله ای اش میتواند به نیاز های جریانی نیروگاهی پاسخ دهد ولی از معایب بزرگ این نوع باتری ها میتوان به طول عمر کم و هزینه های بالای نگهداری ان اشاره کرد.

 

 

  1. مواد سازنده باتری
  • باتری سرب اسید (Lead Acid): آند یا قطب مثبت از اکسید سرب (PbO2) وقطب منفی یا کاتد از سرب (Pb) تشکیل شده و الکترولیت آن محلول اسید سولفوریک (H2SO4) و آب (H2O) می‌باشد. اسید سولفوریک خالص عموما بین 25 تا 40 درصد از کل محلول را تشکیل می‌دهد.
  • باتری نیکل کادمیوم (Nickel Cadmium): هیدرات نیکل (NiOOH) بخش عمده قطب مثبت را تشکیل می‌دهد در حالیکه کادمیوم اسفنجی (Cd) عنصر غالب در مواد تشکیل دهنده قطب منفی است. محلول هیدروکسید پتاسیم (KOH) در آب نیز نقش الکترولیت باتری را دارد. غلظت هیدروکسید پتاسیم عموما بین 20 تا 35 درصد از کل محلول الکترولیت است.

باتریهای نیکل کادمیوم حدودا بین 2 تا 4 بار گرانتر از نمونه مشابه خود از نوع سرب اسید هستند. البته بسته به کیفیت و نوع آلیاژ و تکنیک ساخت باتری این امکان وجود دارد که این اختلاف بیشتر از 5 برابر نیز بشود. به همین دلیل سرمایه اولیه مورد نیاز برای تامین نیروی بکاپ از باتریهای نیکل-کادمیومی بسیار بالاتر تمام خواهد شد. پس چرا همچنان طیفی از مصرف کنندگان سراغ باتریهای نیکل میروند؟ که میتوان موارد زیر را مطرح کرد

 

  1. طول عمر

یک قانون کلی در ارتباط با طول عمر اکثر انواع باتریها وجود دارد، و آن اینکه با افزایش تعداد دشارژ باتری طول عمر آن کم خواهد شد. اما هر دو باتری نیکل و سربی به عمق دشارژ نیز حساس هستند. به این معنی که اگر فرضا باتری بطور متوسط 30 درصد دشارژ شود طول عمر آن بسیار بیشتر از حالتیست که بطور متوسط تا 80 درصد دشارژ می‌گردد. گرچه باتریهای نیکل کادمیوم بسیار گرانتر از باتریهای سرب اسیدی هستند اما تعداد سیکلهایی که می‌توان آنها را دشارژ کرد بسیار بیشتر از باتری‌های سربی است. همانطور که دیده می‌شود با افزایش عمق دشارژ به بیش از 50 درصد، تفاوت عملکرد دو باتری به خوبی مشهود می‌گردد.

 

  1. حساسیت به دما

باتریهای سرب اسیدی بیشتر برای عملکرد در محیط 10 تا 35 درجه سانتیگراد پیشنهاد می‌شوند، زیرا نسبت به تغییرات دما حساسیت زیادی از خود نشان می‌دهند. ظرفیت ظاهری باتریهای سرب اسیدی نسبت به کاهش دما سریعا افت می‌کند و از طرفی دیگر نیز با افزایش دما عمر متوسط آنها به شدت کاهش می‌یابد (با افزایش هر 10 درجه طول عمر مفید باتریهای سرب اسیدی نصف می‌شود!). اما باتریهای نیکل کادمیوم نسبت به تغییر دما حساسیت کمتری از خود نشان می‌دهند. بویژه در مواردی که باتری می‌بایست در دماهای پایین مورد استفاده قرار گیرد بهترین گزینه استفاده از باتریهای نیکل است. بازه دمایی مناسب برای عملکرد باتری نیکل کادمیم چیزی بین 60 تا 20- درجه سانتیگراد است. البته طول عمر متوسط آن نیز با افزایش دما کاهش می‌یابد.

 

 

5.پدیده خود دشارژی (Self Discharge)

حتی درصورتیکه هر کدام از این دو نوع باتری به مدار متصل نباشند نیز، بعد از گذشت مدتی دشارژ می‌شوند. به این پدیده خود دشارژی می‌گویند سرعت این پدیده در باتریهای نیکل کادمیوم چندین برابر باتریهای سرب اسیدی است. باتریهای نیکل بسته به آلیاژ مورد استفاده در ساختشان و همچنین دمای محیط، حتی امکان دارد که روزانه 1 درصد از ظرفیتشان را در هنگام انبارش از دست بدهند. این مساله نیاز به شارژ مجدد باتری در هنگام استفاده و همچنین اتلاف انرژی را سبب می‌شود. اشاره به این تفاوت نیز ضروریست که گرچه خود دشارژی در باتریهای نیکل چندین برابر باتریهای سربی است، اما باتریهای نیکل را می‌توان حتی بطور دشارژ کامل نیز انبارش نمود، اما همانطور که در مقاله آشنایی بیشتر با باتریهای سرب اسیدی توضیح داده شد، باتریهای سرب اسیدی را نمی‌بایست با سطح شارژ پایین نگهداری کرد. زیرا در این صورت باتری سولفاته شده و طول عمر مفید آن بشدت کاهش می‌یابد.


 شکل 1: پدیده خود دشارژی (Self Discharge)

 

  1. نحوه افت ولتاژ در هنگام دشارژ

ولتاژ باتریهای نیکل کادمیوم تقریبا تا لحظات آخر افت چندانی ندارد و می‌توان با تقریب، آن را ثابت فرض کرد. اما ولتاژ پایانه‌ی باتریهای سرب اسیدی در هنگام دشارژ، به تدریج کاهش می‌یابد.

 

  1. سایز و وزن و پروسه ساخت

باتریهای سرب اسیدی روند ساخت ساده‌تری از باتریهای نیکل کادمیومی دارند. اما در عین حال نسبت انرژی ذخیره شده در باتری نسبت به وزن آن، یکی از کمترین مقادیر بین انواع باتریهاست (Wh/kg 30-50). درصورتیکه چگالی انرژی به وزن در باتریهای نیکل کادمیوم چیزی بین Wh/kg 45-80 می‌باشد. این بدان معنی است که باتریهای نیکل-کادمیوم 30 درصد انرژی بیشتری نسبت به باتریهای سرب اسیدی در یک وزن برابر، در خود ذخیره می‌کنند. پس در مواردی که وزن مجموعه باتریها مهم است استفاده از باتریهای نیکل کادمیوم توصیه می‌شود.

 

 

  1. سرعت شارژ

باتریهای نیکل کادمیوم را می‌توان در زمانهای کوتاهی همچون 1 ساعت نیز شارژ نمود درصورتیکه شارژ سریع باتریهای سرب اسیدی در زمانی کمتر از 4 ساعت توصیه نمی‌شود و عموما چیزی در حدود 8 تا 10 ساعت را برای شارژ آنها مناسب می‌دانند.

 

 

  1. جریان پیک دشارژ

دشارژ باتریهای سرب اسیدی با جریانی بیشتر از 5 برابر جریان نامی آن توصیه نمی‌شود (فرضا باتری 9 آمپر ساعت را نباید با جریانی بیش از 45 آمپر دشارژ کرد) اما می‌توان باتریهای نیکل کادمیوم را حتی با جریان‌های 10 تا 15 برابر جریان نامی خود نیز دشارژ نمود.

 

 

  1. پدیده‌ی حافظه‌ای (Memory Effect) در باتریهای نیکل

یکی از مهمترین نقاط ضعف باتریهای نیکل نسبت به سربی، وجود "پدیده حافظه" در باتری است. اگر باتری را چندین بار فرضا تا 60 درصد ظرفیتش دشارژ کرده و مجددا شارژ نماییم. باتری حدود 60 درصد را به "حافظه" سپرده و اگر بار دیگر باتری را بخواهیم بیشتر از 60 درصد دشارژ نماییم این بار ناگهان ولتاژ خروجی باتری افت شدیدی می‌نماید. این پدیده باعث می‌شود که نتوان از ظرفیت باتری به طور مناسب استفاده نمود. بویژه در کاربردهای یوپی اسی که باتریها به حالت آماده به کار بوده و مرتبا شارژ و دشارژ نمی‌شوند این پدیده باعث می‌شود که نتوان از کل ظرفیت نصب شده‌ی باتریها استفاده بهینه نمود.

 

 

 

  1. باتری نیکل کادمیوم فایبری

باتری‌های نیکل–کادمیم(Nickel–cadmium battery) : NiCd گونه‌ای از باتری‌های قابل شارژ هستند که در آن از نیکل اکسید و کادمیم به صورت فلز به عنوان الکترود استفاده شده است .واکنش های شیمیایی زیر در صفحات مثبت و منفی باتری بوجود می آید.

2 NiOOH + 2 H O + 2 e - 2 Ni(OH) + 2 OH

Cd + 2 OH - Cd(OH) + 2 e

Cd - Cd + 2 e

 

 

  1. ساختار صفحات(الکترود) فایبر

به منظور افزایش راندمان و بهبود عملکرد باتری های نیکل کادمیوم میتوان به ساخت صفحات جدید با تکنولوژی فیبری بهره برد .

تکنولوژی فیبر در واقع تولید صفحات مثبت و منفی باتری به صورت نانو لوله های تنیده شده در هم میباشد که به صورت صفخات باتری تولید میشود. با بهره گیری از این تکنولوژی و ساختار خاص صفحات، شاهد ویژگی های منحصر بفرد و قابلیت های ویژه ای از  این نوع باتری ها می باشیم که میتوان به موارد زیر اشاره کرد: چگالی ذخیره بار الکتریکی بالا طول عمر بالا پیر شدگی (aging factor) کم و عدم نیاز به هزینه های نگهداری و سوپروایزری و عدم نیاز به تعویض الکترولیت میتوان اشاره کرد

 

 

شکل 2: تفاوت سه ساختار باتری نیکل کادمیوم

ویژگی های صفحات فایبر در تکنولوژی : FNC

-خلوص بالایی صفحات

-چگالی بالای صفحات

-مقاومت داخلی بسیار پایین

-سهولت در تغییر سایز و ابعاد صفحات

-قابلیت ارائه ظرفیت بالا درطی طول عمر باتری

-خاصیت کشسانی (الاستیسیته)  بالای ساختار فایبر

در صورت استفاده از این ساختار صفحات فایبری  میتوان انتظار داشت در مقایسه با باتری های نیکل کادمیوم رایج مزایای زیر را داشت :

مشخصات عمومی صفحات (الکترود ها ) در باتری های FNC:

-طول عمربالا  ( طول عمر بالای 25 سال )

-بازده دمایی وسیعتر( بازه دمایی -50 الی + 60)

-مقاومت مکانیکی بالا (تحمل بالای تنش های مکانیکی)

-مقاومت الکتروشیمیایی بالا (عدم ایجاد واکنش های شیمیایی  مخرب درالکترود)

-قابلیت شارژ با جریان بالا (عدم انبساط الکترود در فرآیند شارژ و دشارژ)

-مقاومت داخلی پایین ( ضریب رسانایی بالای صفحات)

-عملکرد عالی در دماهای بسیار پایین و بالا (گرادیان پایین دما به تغییرظرفیت)

 

  1. نتیجه­گیری

عملکرد باتری های FNC  با توجه به اینه الیاژ های نیکل و کادمیوم دارای ضریب هدایت الکتریکی به نسبت بالایی نمیباشند سازندگان این باتری ها جهت افزایش رسانش الکتریکی این باتری به آن گرافیت اضافه مینمایند در نتیجه رسانش صفحات نیکل کادمیوم در باتری های معمولی افزایش میابد ولی نکته منفی این عمل در طول عمر باتری نمایان شده و در فرایند های شارژ و دشارژ باتری در اثر تولید گاز هیدروژن و اکسیژن این عناصر با کربن حاصل از گرافیت واکنش داده و تولید کربنات مینماید.

 


شکل 3: تولید کربنات در باتری و کاهش ظرفیت مفید باتری

از این رو ظرفیت مفید باتری کاهش میابد و همچنین تولید کربنات باعث ایجاد رسوب و نا خالصی درون الکترولیت باتری میشود که این موضوع نیز نیاز به تعویض الکترولیت در اینگونه باتری ها را ضروری مینماید ولی در صورت استفاده از تکنولوژی صفحات فیبری FNC  با توجه به چگالی و خلوص بالای این صفحات نیکل کادمیوم نیاز به افزودن گرافیت در این باتری ها وجود ندارد لذا کربناتی در باتری تولید نمیشود و همچنین ناخالصی در الکترولیت بوجود نمی اید پس در صورت استفاده از باتری نیکل کادمیوم FNC در مقایسه با سایر باتری های رایج میتوان به مزایای زیر اشاره نمود با توجه به موارد بالا میتوان به صورت کلی نتیجه گیری کرد که با استفاده از ساختار صفحات باتری های FNC میتوان طول عمر بالا تا 3000 چرخه شارژ و دشارژ  وجریان دهی بالا و قابلیت ارائه توان بالا - جریان دشارژ تا 15Cقابل حصول است  و قابلیت عملکرد مطلوب در دمای بسیار بالا (تا 60°C)  و همچنین بازدهی بالای شارژ مجدد و امکان قابلیت تسریع فرآیند شارژ،  عدم تولید کربنات و ناخالصی در باتری و عدم نیاز به تعویض الکترولیت و کمینه افت ظرفیت مفید باتری (تا 2000 سیکل افت ظرفیت ندارد) و وجود فاکتور پیرشدگی ناچیز که تضمین طول عمر بالای  این باتری میباشد همچنین در باتری های FNC مشکل اثر حافظه حل شده و این موضوع از ویژگی های مهم این تکنولوژی میباشد.

 

  1. منابع

[1] IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Vented Lead-Acid Batteries for Stationary Applications. IEEE Std 450-2010 (Revision of IEEE Std 450-2002), 2011: p. 1-71.

 

[2] IEEE, IEEE Recommended Practice for Sizing Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations. 1994, IEEE.

 

[3] Battery Sizing and prduct. 2014; Available from: wwwhoppecke.com.

 

[4] T.R.Crompton, “Battery Reference Book”, Third edition, 2000.

 

[5] Dr.-Ing. Wolfgang Fischer, “Stationary Lead-Acid Batteries An Introductory Handbook” second edition, 2014.

 

[6] Milad Afzali, Mohsen Goudarzi, Abbas Hasani Azar, “ Increase lifetime and effecincy of vented fibre structure nickel cadmium battery for power plant and stationary system”  6th National Electrical Power Plant Conf. (V94-2), Tehran, 2016.

 

 

[*] Corresponding author: توضیحات مربوط به نويسنده اوّل

Email: