Συσσωρευτές στα Φωτοβολταϊκά Συστήματα

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Τσιουμπρή Ελένης του Βασιλείου Αριθμός Μητρώου:5471 Θέμα Συσσωρευτές στα Φωτοβολταϊκά Συστήματα Αντιμετώπιση των συνηθισμένων προβλημάτων των συσσωρευτών μολύβδου οξέος στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα. Επιβλέπων Σώρας Κωνσταντίνος, Αναπληρωτής Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Οκτώβριος 2012

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Συσσωρευτές στα Φωτοβολταϊκά Συστήματα Αντιμετώπιση των συνηθισμένων προβλημάτων των συσσωρευτών μολύβδου οξέος στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα. Της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Τσιουμπρή Ελένης του Βασιλείου Αριθμός Μητρώου:5471 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Σώρας Κωνσταντίνος Αναπληρωτής Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Φακωτάκης Νίκος Καθηγητής

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: Συσσωρευτές στα Φωτοβολταϊκά Συστήματα Αντιμετώπιση των συνηθισμένων προβλημάτων των συσσωρευτών μολύβδου οξέος στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα. Φοιτήτρια: Τσιουμπρή Ελένη Επιβλέπων: Σώρας Κωνσταντίνος, Αναπληρωτής Καθηγητής Περίληψη: Η εμπειρία έχει δείξει ότι στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα, η μπαταρία είναι το πιο αδύναμο στοιχείο αφού το προσδόκιμο ζωής της είναι συνήθως αρκετά μικρότερο από ότι όλων των άλλων στοιχείων του συστήματος και για το λόγο αυτό είναι και το πιο ακριβό στοιχείο με το 30% ή και περισσότερο του κόστους ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος καθ όλη τη διάρκεια της ζωής του να οφείλεται στο σύστημα αποθήκευσης. Αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι η μελέτη των προβλημάτων που αντιμετωπίζουν οι μπαταρίες μολύβδου οξέος (που είναι ο βασικός τύπος μπαταριών που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση στα φωτοβολταϊκά συστήματα) και οι τρόποι αντιμετώπισής τους με σκοπό αφενός την επέκταση της διάρκειας της χρήσιμης ζωής των μπαταριών αυτών και αφετέρου τη μείωση του κόστους συντήρησης και αντικατάστασής τους. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στο πρόβλημα της θειίκωσης, το οποίο έχει αποδειχθεί ο σημαντικότερος παράγοντας γήρανσης και τελικά καταστροφής της πλειοψηφίας των μπαταριών μολύβδου οξέος που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα και παρουσιάζονται τεχνικές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόληψη και την αντιμετώπιση του πολύ σοβαρού αυτού προβλήματος.

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε κατά το ακαδημαϊκό έτος στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη των προβλημάτων που αντιμετωπίζουν οι μπαταρίες μολύβδου οξέος που χρησιμοποιούνται στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα και οι τρόποι αντιμετώπισής τους με στόχο την εξαγωγή συμπερασμάτων για την καλύτερη δυνατή συντήρηση των μπαταριών που θα έχει ως αποτέλεσμα τη μειώση του κόστους και την αύξηση της διάρκειας ζωής τους. Στο 1 ο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή, ενώ στο 2 ο κεφάλαιο δίνονται ορισμένες γενικές πληροφορίες για τα φωτοβολταϊκά συστήματα και αναφέρονται οι λόγοι που οδηγούν στην ανάγκη για αποθήκευση στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Στο 3 ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η δομή και η λειτουργία του βασικού συστατικού στοιχείου της μπαταρίας, και γίνεται αναφορά στους τύπους μπαταριών που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα καθώς επίσης και στις λειτουργίες που επιτελούν. Στο 4 ο κεφάλαιο δίνονται ορισμοί και αναλύονται κάποια μεγέθη που σχετίζονται με τις μπαταρίες και τη λειτουργία τους. Η αναφορά στα μεγέθη αυτά είναι απαραίτητη προϋπόθεση για να μπορεί ο αναγνώστης να παρακολουθήσει το περιεχόμενο των επόμενων κεφαλαίων. Το 5 ο κεφάλαιο ασχολείται με τις μπαταρίες μολύβδου οξέος, οι οποίες είναι μέχρι σήμερα οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μπαταρίες στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα. Μελετάται η δομή και η λειτουργία τους καθώς επίσης και οι διάφοροι τύποι μπαταριών μολύβδου οξέος. Ακόμη, παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μπαταριών αυτών και γίνεται αναφορά σε άλλες εφαρμογές τους, εκτός από τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Στο 6 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι μπαταρίες νικελίου καδμίου και οι μπαταρίες ιόντων λιθίου. Οι μπαταρίες νικελίου καδμίου έχουν χρησιμοποιηθεί σε περιορισμένο βαθμό στα φωτοβολταϊκά συστήματα ενώ η χρήση των μπαταριών ιόντων λιθίου σε αυτά έχει ξεκινήσει πρόσφατα. Στο 7 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι πυκνωτές διπλού στρώματος, γνωστοί ως supercapacitors, και εξετάζεται η δυνατότητα χρήσης τους σε αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα. Στο 8 ο κεφάλαιο αναλύονται οι διαδικασίες φόρτισης και εκφόρτισης των μπαταριών μολύβδου οξέος, οι οποίες είναι ζωτικής σημασίας για την καλή λειτουργία τους καθ όλη τη διάρκεια της ζωής τους. Ακόμη, παρουσιάζονται οι διαφορετικές μέθοδοι φόρτισης που έχουν αναπτυχθεί έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η καλύτερη δυνατή λειτουργία κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες. Στο 9 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι περιφερειακές συσκευές που συμβάλλουν στη σωστή λειτουργία της μπαταρίας. 1

5 Στο 10 ο κεφάλαιο εξετάζονται τα προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι μπαταρίες μολύβδου οξέος και τα οποία οδηγούν στην πρόωρη γήρανσή τους και δίνονται λύσεις για την όσο το δυνατόν καλύτερη αντιμετώπισή τους. Το 11 ο κεφάλαιο ασχολείται με τη θειίκωση που είναι το πιο σημαντικό πρόβλημα των μπαταριών μολύβδου οξέος, το οποίο ευθύνεται για την κατάρρευση των περισσότερων μπαταριών σε φωτοβολταϊκά συστήματα και παρουσιάζονται τρόποι πρόληψης και αντιμετώπισής του. Στο 12 ο κεφάλαιο αναπτύσσεται η διαδικασία σωστού υπολογισμού της απαιτούμενης χωρητικότητας ενός συγκεκριμένου τύπου μπαταρίας για ένα συγκεκριμένο φωτοβολταϊκό σύστημα. Το 13 ο κεφάλαιο περιγράφει τις διαδικασίες συντήρησης της μπαταρίας, ενώ το 14 ο κεφάλαιο ασχολείται με την αποθήκευση, την αντικατάσταση και την απόρριψη των μπαταριών. Στο 15 ο κεφάλαιο αναφέρονται τα σημαντικότερα θέματα που μελετήθηκαν στην εργασία αυτή και παρατίθενται τα συμπεράσματα που προκύπτουν για την βελτίωση των μπαταριών μολύβδου οξέος καθώς και προτάσεις για περαιτέρω μελέτη. Στο τέλος της εργασίας παρατίθεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε για την πραγματοποίησή της και στο παράρτημα δίνονται οι προδιαγραφές (standards) για τις μπαταρίες αποθήκευσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή της διπλωματικής μου εργασίας κύριο Σώρα Κωνσταντίνο καθώς επίσης και τον κύριο Πρέσσα Σταύρο, του οποίου η βοήθεια συνέβαλε καθοριστικά στην πραγματοποίηση αυτής της εργασίας. Τέλος, θέλω να ευχαριστήσω τους γονείς μου για τη στήριξή τους κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. 2

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ 1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 3 Κεφάλαιο 1: ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Πότε εφευρέθηκε η μπαταρία; 9 Κεφάλαιο 2: ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Τι είναι τα φωτοβολταϊκά; Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα Η ανάγκη για αποθήκευση 17 Κεφάλαιο 3: ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ Δομή του βασικού στοιχείου και ηλεκτροχημικές αντιδράσεις Ταξινόμηση στοιχείων και μπαταριών Πρωτεύουσες μπαταρίες Δευτερεύουσες μπαταρίες Μπαταρίες αποθήκευσης Μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα Τι λειτουργία επιτελούν στο φωτοβολταϊκό σύστημα; Απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιούν 25 Κεφάλαιο 4: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΜΠΑΤΑΡΙΑΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑ Χωρητικότητα Τάση Στάθμη φόρτισης Βάθος εκφόρτισης Κύκλος / Κύκλος ζωής Αποδοτικότητα Μέρες αυτονομίας 33 3

7 4.8 Ρεύμα μπαταρίας Χρόνος ζωής Αυτοεκφόρτιση Κατάσταση υγείας Ρυθμός εκφόρτισης, ρυθμός φόρτισης Ενεργειακό περιεχόμενο Ειδική ενέργεια, ενεργειακή πυκνότητα Εσωτερική αντίσταση Ειδικό βάρος Ειδική ισχύς 39 Κεφάλαιο 5: ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΜΟΛΥΒΔΟΥ ΟΞΕΟΣ Γενικά για τις μπαταρίες μολύβδου οξέος Η χημεία των μπαταριών μολύβδου οξέος Τύποι μπαταριών μολύβδου οξέος Μπαταρίες μολύβδου οξέος ανοικτής ή κλειστής κατασκευής Μπαταρίες μαζικής παραγωγής ή βιομηχανικού τύπου Άλλες εφαρμογές των μπαταριών μολύβδου οξέος 66 Κεφάλαιο 6: ΑΛΛΟΥ ΤΥΠΟΥ ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ (ΝiCd, Li ion) Μπαταρίες νικελίου καδμίου Γενικά για τις μπαταρίες νικελίου καδμίου Η χημεία των μπαταριών νικελίου καδμίου Προβλήματα που αντιμετωπίζουν Μπαταρίες ιόντων λιθίου Γενικά για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου Χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου Ασφάλεια των μπαταριών ιόντων λιθίου Γήρανση των μπαταριών ιόντων λιθίου 86 4

8 6.2.5 Προστασία των μπαταριών ιόντων λιθίου Πρόσφατες εξελίξεις των μπαταριών ιόντων λιθίου στα φωτοβολταϊκά συστήματα 88 Κεφάλαιο 7: ΠΥΚΝΩΤΕΣ ΔΙΠΛΟΥ ΣΤΡΩΜΑΤΟΣ Γενικά Πυκνωτές διπλού στρώματος στο τοπίο του ενεργειακού εφοδιασμού Υλικά των ηλεκτροδίων για τους πυκνωτές διπλού στρώματος Επιπτώσεις Πυκνωτές διπλού στρώματος στα φωτοβολταϊκά συστήματα 94 Κεφάλαιο 8: ΦΟΡΤΙΣΗ ΕΚΦΟΡΤΙΣΗ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ ΜΟΛΥΒΔΟΥ ΟΞΕΟΣ Γενικά για τη φόρτιση Χωρητικότητα μπαταρίας, ρεύμα εκφόρτισης και ρεύμα φόρτισης Συντελεστής φόρτισης Χρόνος φόρτισης Τάση αεριοποίησης Γενικές αρχές φόρτισης μπαταριών μολύβδου οξέος Μέθοδοι φόρτισης μπαταριών μολύβδου οξέος Φόρτιση σταθερού ρεύματος Φόρτιση σταθερού δυναμικού Φόρτιση πλήρωσης Παλμική φόρτιση Φόρτιση συντήρησης Σταθερή φόρτιση / Φόρτιση αναμονής Ταχεία φόρτιση Φόρτιση μπαταριών μολύβδου οξέος ρυθμιζόμενων από βαλβίδα VRLA Φόρτιση σταθερής τάσης Γρήγορη φόρτιση Σταθερή φόρτιση / Φόρτιση αναμονής 112 5

9 8.3.4 Φόρτιση σταθερού ρεύματος Φόρτιση με ρεύμα πλήρωσης Παράλληλη φόρτιση / Φόρτιση σε σειρά Αποδοτικότητα ρεύματος φόρτισης 118 Κεφάλαιο 9: ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΑ ΜΠΑΤΑΡΙΑΣ Ελεγκτές φόρτισης Προστασία από υπερφόρτιση Προστασία από υπερεκφόρτιση Σχεδιασμοί ελεγκτών φόρτισης Επιλογή του ελεγκτή φόρτισης Διαστασιολόγηση των ελεγκτών φόρτισης Λειτουργία χωρίς ελεγκτή φόρτισης Φορτιστές Ισοσταθμιστές φόρτισης Συστήματα παρακολούθησης Μετρητές στάθμης φόρτισης Συστήματα ανάδευσης ηλεκτρολύτη Ανασυνδυαστές 130 Κεφάλαιο 10: ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΛΥΣΕΙΣ Στρωμάτωση του ηλεκτρολύτη Θειίκωση Διάβρωση (corrosion) Διάβρωση (erosion) Βραχυκυκλώματα Ανάστροφη φόρτιση Σχηματισμός πάγου Απώλεια νερού 139 6

10 10.9 Υποβάθμιση του ενεργού υλικού του θετικού ηλεκτροδίου Παγίδευση φυσσαλίδων αερίου Λοιπά προβλήματα Γενικοί κανόνες διαχείρισης της μπαταρίας 142 Κεφάλαιο 11: ΘΕΙΙΚΩΣΗ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ ΜΟΛΥΒΔΟΥ ΟΞΕΟΣ: ΠΡΟΛΗΨΗ ΚΑΙ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ Θειίκωση το σημαντικότερο πρόβλημα των μπαταριών μολύβδου οξέος Διάρκεια ζωής της μπαταρίας ανάγκη για παρακολούθηση Παρακολούθηση της μπαταρίας σε επίπεδο στοιχείου Ένα παράδειγμα συστήματος παρακολούθησης μπαταριών μολύβδου οξέος με παρακολούθηση μεμονωμένων στοιχείων Ένας αποτελεσματικός αλγόριθμος φόρτισης για μπαταρίες μολύβδου οξέος στα φωτοβολταϊκά συστήματα Ανάκτηση της χωρητικότητας σε μια μπαταρία που έχει υποστεί θειίκωση αποθειίκωση Ανάκτηση χωρητικότητας μιας μπαταρίας μολύβδου οξέος που έχει υποστεί θειίκωση χρησιμοποιώντας φόρτιση με έλεγχο της πίεσης 150 Κεφάλαιο 12: ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΠΑΤΑΡΙΑΣ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ Υπολογισμός μεγέθους μπαταρίας για ένα φωτοβολταϊκό σύστημα Επιλογή της κατάλληλης τάσης Καθορισμός μέγιστων βαθών εκφόρτισης Καθορισμός μέγιστου ρυθμού φόρτισης Υπολογισμός τεσσάρων χωρητικοτήτων Διόρθωση της επιλεγμένης χωρητικότητας Τελικός καθορισμός της μπαταρίας 156 Κεφάλαιο 13: ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ Γενικά Σχετικά με την επιλογή του φορτιστή Αποφυγή υπερεκφόρτισης 158 7

11 13.4 Διατήρηση του επιπέδου του ηλεκτρολύτη Καθαριότητα Αποφυγή υψηλών θερμοκρασιών Παροχή φορτίου εξισορρόπησης Προδιαγραφές ασφαλείας Δοκιμές Περιβάλλον της μπαταρίας Αερισμός Έλεγχος θερμοκρασίας 163 Κεφάλαιο 14: ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ, ΑΝΤΙΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΡΡΙΨΗ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ Αποθήκευση Αντικατάσταση Απόρριψη 166 Κεφάλαιο 15: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ 167 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 171 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 175 8

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ 1.1 Πότε εφευρέθηκε η μπαταρία; Μια από τις πιο αξιοσημείωτες ανακαλύψεις των τελευταίων 400 ετών είναι ο ηλεκτρισμός. Ιστορικά, ως έννοια, ο ηλεκτρισμός έχει τις ρίζες του στην παρατήρηση του Θαλή του Μιλήσιου, το 600 π.χ. περίπου, ότι ένα κομμάτι ήλεκτρου που τρίβεται σε ξηρό ύφασμα έλκει μικρά κομμάτια άχυρου. Δηλαδή, ο όρος ηλεκτρισμός περιγράφει το φαινόμενο που παρατηρείται στο ήλεκτρο [1]. Παρά το γεγονός ότι ο ηλεκτρισμός υπήρχε ανέκαθεν, παρέμεινε για αιώνες ένα ανεξήγητο φαινόμενο, μέχρι το 1600 περίπου, όταν ο Άγγλος επιστήμονας William Gilbert πραγματοποίησε μια εκτενή μελέτη γύρω από τον ηλεκτρισμό και το μαγνητισμό, η οποία ήταν και η αρχή μιας σειράς ανακαλύψεων και εξελίξεων, μερικές από τις οποίες αναφέρονται στη συνέχεια. Η πρακτική χρήση του ηλεκτρισμού δεν ήταν στη διάθεσή μας πριν από το 19 ο αιώνα, όποτε άρχισε η σταδιακή ανάπτυξη διαφόρων τεχνικών εφαρμογών του. Η παλαιότερη μέθοδος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ήταν με τη δημιουργία ενός στατικού φορτίου. Το 1660, ο Otto von Guericke κατασκεύασε την πρώτη ηλεκτρική μηχανή που αποτελείτο από μία μεγάλη σφαίρα θείου, που με την τριβή και την περιστροφή προσέλκυε φτερά και μικρά κομμάτια χαρτιού. Ο Guericke ήταν σε θέση να αποδείξει ότι οι σπινθήρες που δημιουργήθηκαν ήταν πραγματικά ηλεκτρικοί. Η πρώτη προτεινόμενη χρήση του στατικού ηλεκτρισμού ήταν το επονομαζόμενο «ηλεκτρικό πιστόλι». Εφευρέθηκε από τον Alessandro Volta ( ) και ήταν ένα ηλεκτρικό σύρμα τοποθετημένο σε ένα δοχείο γεμάτο με μεθάνιο. Στέλνοντας έναν ηλεκτρικό σπινθήρα μέσα από το σύρμα, στο δοχείο συνέβαινε έκρηξη. Ο Volta τότε σκέφτηκε να χρησιμοποιήσει αυτή την εφεύρεση για να παράσχει επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων, που όμως κάλυπταν μόνο ένα Boolean bit. Ένα σύρμα σιδήρου υποστηριζόμενο από ξύλινους στύλους θα συνέδεε το Κόμο με το Μιλάνο της Ιταλίας. Στο άκρο του δέκτη, το σύρμα θα κατέληγε σε ένα δοχείο γεμάτο με μεθάνιο. Με εντολή, ένας ηλεκτρικός σπινθήρας αποστελλόταν μέσω του σύρματος, ο οποίος θα πυροδοτούσε το ηλεκτρικό πιστόλι για να σηματοδοτήσει ένα κωδικοποιημένο γεγονός. Αυτός ο σύνδεσμος επικοινωνίας δεν πραγματοποιήθηκε ποτέ. Το 1791, δουλεύοντας στο πανεπιστήμιο της Μπολόνια, ο Luigi Galvani ανακάλυψε ότι ο μυς ενός βατράχου συστελλόταν όταν ερχόταν σε επαφή με ένα μεταλλικό αντικείμενο. Το φαινόμενο αυτό έγινε γνωστό ως ζωικός ηλεκτρισμός ένας κακός 9

13 χαρακτηρισμός, αφού η θεωρία αργότερα διαψεύστηκε. Ορμώμενος από αυτά τα πειράματα, ο Volta ξεκίνησε μια σειρά πειραμάτων χρησιμοποιώντας ψευδάργυρο, μόλυβδο, κασσίτερο ή σίδηρο σαν θετικά ηλεκτρόδια. Χαλκός, ασήμι, χρυσός ή γραφίτης χρησιμοποιήθηκαν σαν αρνητικά ηλεκτρόδια. Ο Volta ανακάλυψε το 1800 ότι μια συνεχής ροή ηλεκτρικής ισχύος παραγόταν όταν χρησιμοποιούνταν συγκεκριμένα υγρά σαν αγωγοί για την προώθηση μιας χημικής αντίδρασης μεταξύ των μετάλλων ή των ηλεκτροδίων. Αυτό οδήγησε στην εφεύρεση του πρώτου βολταϊκού στοιχείου, γνωστότερο ως μπαταρία. Ο Volta ανακάλυψε επίσης ότι η τάση θα αυξανόταν όταν βολταϊκά στοιχεία τοποθετούνταν το ένα πάνω στο άλλο. Την ίδια χρονιά, ο Volta παρουσίασε την ανακάλυψή του για μια συνεχή πηγή ηλεκτρισμού στην Royal Society του Λονδίνου. Τα πειράματα πλέον δεν περιορίζονταν σε μια σύντομη εμφάνιση σπινθήρων που διαρκούσε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου. Μια φαινομενικά ατελείωτη ροή ηλεκτρικού ρεύματος ήταν πια διαθέσιμη. Η Γαλλία ήταν από τις πρώτες χώρες που αναγνώρισε επίσημα τις ανακαλύψεις του Volta. Εκείνη την περίοδο, η Γαλλία κατείχε υψηλή θέση στις επιστημονικές εξελίξεις και οι νέες ιδέες βρήκαν θερμή υποδοχή για να υποστηρίξουν την πολιτική ατζέντα. Μετά από πρόταση, ο Volta παρευρέθηκε στο Γαλλικό Ινστιτούτο σε μια σειρά από διαλέξεις στις οποίες ήταν παρών ο Ναπολέων Βοναπάρτης ως μέλος του Ινστιτούτου. Νέες ανακαλύψεις έγιναν όταν ο Sir Humphry Davy, εφευρέτης του λαμπτήρα ασφαλείας των ανθρακορύχων, εγκατέστησε τη μεγαλύτερη και πιο ισχυρή ηλεκτρική μπαταρία στα θυσαυροφυλάκια του Βασιλικού Ινστιτούτου του Λονδίνου. Συνέδεσε τη μπαταρία σε ηλεκτρόδια από κάρβουνο και παρήγαγε το πρώτο ηλεκτρικό φως. Όπως αναφέρθηκε από μάρτυρες ο βολταϊκός λαμπτήρας τόξων του παρήγαγε «τη λαμπρότερη ανερχόμενη αψίδα φωτός που είχαν ποτέ δει». Οι σημαντικότερες έρευνες του Davy αφιερώθηκαν στην ηλεκτροχημεία. Μετά από τα πειράματα του Galvani και την ανακάλυψη του βολταϊκού στοιχείου, το ενδιαφέρον για το γαλβανικό ηλεκτρισμό είχε εξαπλωθεί αρκετά. Ο Davy άρχισε να εξετάζει τα χημικά αποτελέσματα του ηλεκτρισμού το Σύντομα βρήκε ότι περνώντας ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από κάποιες ουσίες, αυτές οι ουσίες αποσυντίθονταν, μια διαδικασία που αργότερα ονομάστηκε ηλεκτρόλυση. Η παραγόμενη τάση σχετιζόταν άμεσα με την ικανότητα αντίδρασης του ηλεκτρολύτη με το μέταλλο. Προφανώς, ο Davy κατάλαβε ότι οι ενέργειες της ηλεκτρόλυσης και του βολταϊκού στοιχείου ήταν οι ίδιες. Το 1802, ο Δρ. William Cruickshank σχεδίασε την πρώτη ηλεκτρική μπαταρία ικανή για μαζική παραγωγή. Ο Cruickshank είχε τακτοποιήσει τετραγωνικά φύλλα χαλκού, τα οποία συγκόλλησε στις άκρες, μαζί με φύλλα ψευδαργύρου ίσου μεγέθους. Τα φύλλα αυτά τοποθετήθηκαν σε ένα μακρύ, ορθογώνιο, ξύλινο κιβώτιο το οποίο σφραγίστηκε με τσιμέντο. Αυλάκια στο κιβώτιο κρατούσαν τις μεταλλικές πλάκες στη θέση τους. Το κιβώτιο στη συνέχεια το γέμισε με έναν ηλεκτρολύτη άλμης ή αποδυναμωμένου οξέος. 10

14 Η τρίτη μέθοδος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ανακαλύφθηκε σχετικά αργά ηλεκτρισμός μέσω μαγνητισμού. Το 1820, ο Andre Marie Ampere ( ), είχε παρατηρήσει ότι καλώδια που μετέφεραν ηλεκτρικό ρεύμα, κάποιες φορές προσέλκυαν το ένα το άλλο ενώ άλλες φορές απωθούνταν. Το 1831, ο Michael Faraday ( ) παρουσίασε πώς ένας δίσκος χαλκού ήταν σε θέση να παρέχει μια σταθερή ροή ηλεκτρικής ενέργειας όταν περιστρεφόταν σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Ο Faraday, βοηθώντας τον Davy και την ερευνητική του ομάδα, πέτυχε την παραγωγή μιας ατέλειωτης ηλεκτρικής δύναμης εφόσον η κίνηση μεταξύ μιας σπείρας και ενός μαγνήτη συνεχιζόταν. Έτσι εφευρέθηκε η ηλεκτρική γεννήτρια. Η διαδικασία αυτή αντιστράφηκε και ανακαλύφθηκε ο ηλεκτρικός κινητήρας. Σύντομα έκτοτε, αναπτύχθηκαν οι μετασχηματιστές, οι οποίοι θα μπορούσαν να μετατρέπουν την ηλετρική ενέργεια σε μια επιθυμητή τάση. Το 1833, ο Faraday έθεσε τις βάσεις της ηλεκτροχημείας με το Νόμο του Faraday, που περιγράφει το ποσό μείωσης που εμφανίζεται σε ένα ηλεκτρολυτικό στοιχείο. Το 1836, ο John F. Daniell, ένας Άγγλος χημικός, ανέπτυξε μια βελτιωμένη μπαταρία που παρήγαγε σταθερότερο ρεύμα από τη συσκευή του Volta. Μέχρι τότε, όλες οι μπαταρίες αποτελούνταν από πρωτεύοντα στοιχεία, πράγμα που σήμαινε ότι δεν μπορούσαν να επαναφορτιστούν. Το 1859, ο Γάλλος φυσικός Gaston Plante εφηύρε την πρώτη επαναφορτιζόμενη μπαταρία. Αυτή η δευτερεύουσα μπαταρία, είχε τις βάσεις τις στη χημεία μολύβδου οξέος, ένα σύστημα που χρησιμοποιείται ακόμη σήμερα. Προς το τέλος του 1800, τεράστιες γεννήτριες και μετασχηματιστές κατασκευάζονταν. Γραμμές μετάδοσης εγκαταστάθηκαν και η ηλεκτρική ενέργεια έγινε διαθέσιμη στην ανθρωπότητα για την παραγωγή φωτός, θέρμανσης και κίνησης. Στις αρχές του 20ού αιώνα, η χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας βελτιώθηκε περαιτέρω. Η εφεύρεση του σωλήνα κενού επέτρεψε την παραγωγή ελεγχόμενων σημάτων, ενισχύσεων και ήχου. Σύντομα έκτοτε, εφευρέθηκε το ραδιόφωνο, το οποίο κατέστησε την ασύρματη επικοινωνία δυνατή. Το 1899, ο Waldemar Jungner από τη Σουηδία εφηύρε τη μπαταρία νικελίου καδμίου, που χρησιμοποιούσε νικέλιο για το θετικό ηλεκτρόδιο και κάδμιο για το αρνητικό. Δύο χρόνια αργότερα, ο Edison παρήγαγε ένα εναλλακτικό σχέδιο, αντικαθιστώντας το κάδμιο με σίδηρο. Λόγω των υψηλών υλικών δαπανών έναντι των ξηρών στοιχείων ή των μπαταριών αποθήκευσης μολύβδου οξέος οι πρακτικές εφαρμογές των μπαταριών νικελίου καδμίου και νικελίου σιδήρου περιορίστηκαν. Δεν είχαν επιτευχθεί μεγάλες βελτιώσεις, πριν οι Shlecht και Ackermann να εφεύρουν το ηλεκτρόδιο συμπυκνωμένων πόλων το Αυτές οι πρόοδοι αντικατοπτρίστηκαν στα υψηλότερα ρεύματα φορτίου και στην αύξηση της μακροζωίας. Η μπαταρία νικελίου καδμίου κλειστού τύπου όπως την ξέρουμε σήμερα έγινε διαθέσιμη μόνο όταν ο Neumann κατάφερε να σφραγίσει τελείως τη μπαταρία το 1947 [2]. 11

15 Παρά το γεγονός ότι στο πέρασμα των χρόνων έχουν γίνει κρίσιμες βελτιώσεις, η πρόοδος των μπαταριών είναι οριακή σε σχέση με τις τεράστιες προόδους που έχουν σημειωθεί στη μικροηλεκτρονική. Όσο οι μπαταρίες στηρίζονται σε ηλεκτροχημικές διαδικασίες, οι περιορισμοί θα επικρατούν. Στις παρακάτω εικόνες φαίνονται ο Alessandro Volta (εικόνα 1.1) και η βολταϊκή μπαταρία (εικόνα 1.2). Εικόνα 1.1: Alessandro Volta Εικόνα 1.2: Βολταϊκή μπαταρία 12

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΑ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 2.1 Τι είναι τα φωτοβολταϊκά; Τα φωτοβολταϊκά είναι η τεχνολογία που παράγει ηλεκτρική ισχύ συνεχούς ρεύματος (DC) η οποία μετριέται σε Watts (W) ή kilowatts (kw), από ημιαγωγούς όταν αυτοί φωτίζονται από φωτόνια. Για όσο χρονικό διάστημα το φως λάμπει στο ηλιακό κύτταρο (η ονομασία για το βασικό συστατικό στοιχείο του φωτοβολταϊκού συστήματος), αυτό παράγει ηλεκτρική ισχύ. Όταν το φως σταματάει να υπάρχει, σταματάει και η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας[3]. Η απ ευθείας μετατροπή της ηλιακής σε ηλεκτρική ενέργεια επιτυγχάνεται με τη βοήθεια των ηλιακών κυττάρων, των οποίων την αρχή λειτουργίας αποτελεί το φωτοβολταϊκό φαινόμενο[4]. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1839 από τον Henry Becquerel, ο οποίος παρατήρησε την ανάπτυξη τάσης μεταξύ δύο ηλεκτροδίων μέσα σε ηλεκτρολύτη όταν ηλιακό φως πέσει σε ένα από αυτά. Με λίγα λόγια, το φωτοβολταϊκό φαινόμενο πρόκειται για την απορρόφηση της ενέργειας του φωτός από τα ηλεκτρόνια των ατόμων του φωτοβολταϊκού στοιχείου και την απόδραση των ηλεκτρονίων αυτών από τις κανονικές τους θέσεις με αποτέλεσμα τη δημιουργία ρεύματος. Το ηλεκτρικό πεδίο που προϋπάρχει στο φωτοβολταϊκό στοιχείο οδηγεί το ρεύμα στο φορτίο. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο πραγματοποιείται σε ένα λεπτό στρώμα κατάλληλου υλικού, π.χ. πυριτίου, όταν ζεύγη οπών ηλεκτρονίων δημιουργούνται από την πρόσπτωση ηλιακών φωτονίων, ενώ η ασυνέχεια του δυναμικού του κυττάρου διαχωρίζει τις οπές από τα ηλεκτρόνια και δημιουργεί διαφορά δυναμικού[5]. Η περαιτέρω ανάλυση του φωτοβολταϊκού φαινομένου δεν κρίνεται αναγκαία αφού ξεφεύγει από τα όρια της παρούσας εργασίας. Παρακάτω παρουσιάζονται επιγραμματικά ορισμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των φωτοβολταϊκών συστημάτων. Πλεονεκτήματα: Η πηγή «καυσίμου» είναι τεράστια και ουσιαστικά άπειρη. Δεν υπάρχουν εκπομπές ή καύσεις ή διάθεση ραδιενεργών αποβλήτων, επομένως δε συμβάλλουν αισθητά στην παγκόσμια κλιματική αλλαγή ή μόλυνση. Χαμηλό κόστος λειτουργίας (αφού δεν υπάρχει καύσιμο). Δεν υπάρχουν κινητά μέρη (απαιτούν ελάχιστη συντήρηση). Λειτουργία σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Υψηλή αξιοπιστία (περισσότερο από 20 χρόνια). 13

17 Γρήγορη εγκατάσταση. Μπορούν να ενσωματωθούν σε νέες ή υπάρχουσες εγκαταστάσεις. Μπορούν να εγκατασταθούν σχεδόν σε οποιοδήποτε σημείο. Η ημερήσια παραγωγή μπορεί να καλύψει την τοπική ζήτηση. Υψηλή αποδοχή από το κοινό. Εξαιρετικό ιστορικό ασφαλείας. Μειονεκτήματα: Η πηγή «καυσίμου» είναι διάχυτη (το φως του ήλιου είναι μιας σχετικά χαμηλής πυκνότητας ενέργεια δεν έχουμε πάντα την ίδια ποσότητα ακτινοβολίας). Υψηλό κόστος εγκατάστασης. Φτωχώτερη αξιοπιστία των βοηθητικών στοιχείων του συστήματος, συμπεριλαμβανομένων και των στοιχείων αποθήκευσης. Έλλειψη ευρέως εμπορικά διαθέσιμων ολοκληρωμένων συστημάτων για εγκατάσταση μέχρι στιγμής. Έλλειψη οικονομικά αποδοτικής αποθήκευσης ενέργειας. Από τα παραπάνω παρατηρούμε ότι συχνά, τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι σχεδόν αντίθετα με αυτά των συμβατικών πηγών παραγωγής ενέργειας (ορυκτά καύσιμα). Για παράδειγμα, η παραγωγή ενέργειας από συμβατικές πηγές έχει μειονεκτήματα όπως: ευρύ φάσμα περιβαλλοντικά επικίνδυνων εκπομπών, μέρη που υφίστανται φθορά, σταθερά αυξανόμενο κόστος καυσίμου, μικρή αποδοχή από την κοινή γνώμη. Κανένα μειονέκτημα από τα παραπάνω δε συναντάται σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα. Ανάμεσα στα μειονεκτήματα των φωτοβολταϊκών συστημάτων, εντοπίζουμε ορισμένα που δεν είναι τεχνικά αλλά σχετίζονται με οικονομικά στοιχεία ή με την υποδομή. Αυτά αντισταθμίζονται μερικώς από μια πολύ υψηλή αποδοχή από το κοινό εφ όσον είναι μια πολύ φιλική προς το περιβάλλον πηγή ενέργειας. Κοινό χαρακτηριστικό των φωτοβολταϊκών και των συμβατικών συστημάτων είναι ότι και τα δύο είναι πολύ αξιόπιστα όμως στερούνται το πλεονέκτημα της αποθήκευσης. Υπάρχουν τρεις μεγάλες κατηγορίες στις οποίες διακρίνονται τα φωτοβολταϊκά συστήματα. Αυτές είναι: Συστήματα διασυνδεδεμένα με το δίκτυο (grid connected). Ένα τέτοιου είδους σύστημα είναι συνδεδεμένο με ένα μεγάλο ανεξάρτητο δίκτυο (το δίκτυο της ΔΕΗ) το οποίο τροφοδοτεί με την παραγόμενη ισχύ. Υβριδικά συστήματα (hybrid systems). Αυτά τα συστήματα συνδυάζουν τα φωτοβολταϊκά με άλλες μορφές παραγωγής ενέργειας, συνήθως με γεννήτριες diesel. Πολλές φορές χρησιμοποιούν και άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, για παράδειγμα αιολική. Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα (stand alone pv systems). Στα συστήματα αυτά δε συνεισφέρουν άλλες πηγές ενέργειας, ούτε υπάρχει σύνδεση με το δίκτυο πόλεως επομένως η ολικά απαιτούμενη από το φορτίο ενέργεια πρέπει να δίνεται εξ ολοκλήρου από τη διάταξη των φωτοβολταϊκών. 14

18 Στο παρακάτω διάγραμμα (σχήμα 2.1) φαίνεται η αναμενόμενη εγκατεστημένη ισχύς (σε GW) που θα προέρχεται από φωτοβολταϊκά συστήματα στην Ευρώπη μέχρι το 2020[6]. Σχήμα 2.1: Αναμενόμενη εγκατεστημένη ισχύς από φ/β συστήματα στην Ευρώπη μέχρι το Αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα. Η συνηθέστερη και ίσως και η πληρέστερη εφαρμογή της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας είναι η κατασκευή αυτόνομων φωτοβολταϊκών συστημάτων. Εγκαταστάσεων, δηλαδή, που λειτουργούν αυτοδύναμα για την τροφοδότηση καθορισμένων καταναλώσεων, χωρίς να συνδέονται με μεγάλα κεντρικά ηλεκτρικά δίκτυα διανομής, από τα οποία θα μπορούσαν να αντλούν συμπληρωματική ηλεκτρική ενέργεια ή να στέλνουν την ενδεχόμενη περίσσεια της παραγόμενης φωτοβολταϊκής ηλεκτρικής ενέργειας[7]. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα καθιστούν δυνατή την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας για διάφορους σκοπούς. Έχουν πολύ υψηλή αξιοπιστία και αποτελούν μια πηγή ενέργειας που δεν μολύνει το περιβάλλον και είναι κατάλληλη για πληθώρα εφαρμογών [8]. Το βασικό συστατικό ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος, όπως άλλωστε και κάθε φωτοβολταϊκής εγκατάστασης είναι η φωτοβολταϊκή γεννήτρια, στους ηλιακούς συλλέκτες της οποίας γίνεται η μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Συνήθως το σύστημα περιλαμβάνει επίσης, ανάλογα με το είδος της κατανάλωσης και το βαθμό της απαιτούμενης αξιοπιστίας τα παρακάτω: συσσωρευτές για την αποθήκευση της περίσσειας της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να χρησιμοποιηθεί όταν η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι ανεπαρκής ή ανύπαρκτη, διατάξεις για τη ρύθμιση και τη μετατροπή της τάσης και τη ρύθμιση της ισχύος της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να αυξηθεί η απόδοση του συστήματος, 15

19 άλλες διατάξεις προστασίας και ελέγχου και, συχνά, μια βοηθητική γεννήτρια συνήθως ένα ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος που να λειτουργεί με καύση βενζίνης ή πετρελαίου diesel, για την αντιμετώπιση έκτακτων περιστάσεων (συντήρηση ή βλάβη του συστήματος, τροφοδότηση πρόσθετων φορτίων, επικουρική λειτουργία σε απρόβλεπτα μεγάλες περιόδους χαμηλής ηλιακής ακτινοβολίας κλπ). Ο συμπληρωματικός εξοπλισμός των φωτοβολταϊκών συστημάτων, πέρα από τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια, ονομάζεται συνήθως BOS, από τα αρχικά της αγγλικής έκφρασης balance of the system (υπόλοιπα του συστήματος). Στο σχήμα που ακολουθεί φαίνεται η δομή ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος. Σχήμα 2.2: Αυτόνομο Φωτοβολταϊκό Σύστημα 16

20 2.3 Η ανάγκη για αποθήκευση. Ο σχεδιασμός ενός αυτόνομου φωτοβολταϊκού συστήματος στηρίζεται στη μέση ηλεκτρική κατανάλωση του συστήματος και στη μέση ηλιακή ακτινοβολία που δέχονται οι συλλέκτες στην επιλεγμένη κρίσιμη περίοδο λειτουργίας του (π.χ. ένα θερινό ή χειμερινό μήνα, μια εποχή του έτους ή και ολόκληρο το έτος). Όμως οι μέσες τιμές είναι στατιστικά μεγέθη που μπορεί να αποκλίνουν σημαντικά από ενδεχόμενες πραγματικές συνθήκες[7]. Επίσης, ένα αξιόπιστο σύστημα πρέπει να παρέχει επαρκή ηλεκτρική ενέργεια για την ικανοποίηση της ζήτησης και στα χρονικά διαστήματα που δεν υπάρχει αντίστοιχη ηλιακή ακτινοβολία. Προφανώς, τα διαστήματα αυτά είναι κυρίως οι νυχτερινές ώρες, οι συννεφιασμένες ημέρες και οι χρονικές αιχμές τις κατανάλωσης. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα που είναι συνδεδεμένα με κεντρικά ηλεκτρικά δίκτυα διανομής, αντλούν από αυτά την απαιτούμενη συμπληρωματική ηλεκτρική ενέργεια. Επίσης διοχετεύουν προς τα δίκτυα την ενδεχόμενη περίσσεια της παραγόμενης φωτοβολταϊκής ηλεκτρικής ενέργειας όταν υπερβαίνει την κατανάλωση του συστήματος. Όμως, τα απομονωμένα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα δεν έχουν αυτή τη δυνατότητα ενεργειακής ανταλλαγής. Η αυτονομία των συστημάτων αυτών απαιτεί μπαταρίες, στις οποίες θα αποθηκεύεται η ηλεκτρική ενέργεια που θα παράγεται από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια και θα χρησιμοποιείται κατά τις βραδινές ώρες ή σε περιόδους όπου η ηλιακή ακτινοβολία δε θα είναι επαρκής για να καλύψει τις ανάγκες του συστήματος[8]. Η ποσότητα της ηλεκτρικής ενέργειας που πρέπει να προνοείται να αποθηκεύεται, εξαρτάται από τις τοπικές συνθήκες και απαιτήσεις και κυρίως το μέγιστο πλήθος των πιθανών συνεχών ημερών συννεφιάς, τις αιχμές της κατανάλωσης και το βαθμό αξιοπιστίας που θα πρέπει να παρουσιάζει το σύστημα, σε συνδυασμό με την ύπαρξη ή όχι βοηθητικών ενεργειακών πηγών. Συνήθως από τα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα ζητείται να εξασφαλίζουν μια αυτοδυναμία τουλάχιστον 3 έως 10 ημερών περίπου[7]. Σε ειδικές περιπτώσεις, η φωτοβολταϊκή ενέργεια μπορεί, με νέα μετατροπή, να αποθηκευτεί σε μη ηλεκτρική μορφή. Π.χ. να κινήσει ηλεκτρικές αντλίες που μεταφέρουν νερό σε υπερυψωμένες δεξαμενές, από όπου στη συνέχεια, με την πτώση του νερού, παράγεται πάλι ηλεκτρική ενέργεια με τη βοήθεια μικρών υδροηλεκτρικών σταθμών. Επίσης, μπορεί να ηλεκτρολύσει νερό και να παράγει υδρογόνο, το οποίο αποθηκεύεται σε αεριοφυλάκια και χρησιμοποιείται στη συνέχεια ως καύσιμο σε μικρούς θερμοηλεκτρικούς σταθμούς. Στις περισσότερες περιπτώσεις, όμως, η αποθήκευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας στα αυτόνομα φωτοβολταϊκά συστήματα γίνεται σε ηλεκτρικούς συσσωρευτές, οι οποίοι είναι και το αντικείμενο αυτής της εργασίας. 17

21 18

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ 3.1 Δομή του βασικού στοιχείου και ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Μια μπαταρία είναι μια συσκευή που μετατρέπει τη χημική ενέργεια που εμπεριέχεται στα ενεργά υλικά της απ ευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης οξείδωσης μείωσης (oxidation reduction, redox). Στην περίπτωση ενός επαναφορτιζόμενου συστήματος, η μπαταρία επαναφορτίζεται με αντιστροφή αυτής της διαδικασίας. Αυτός ο τύπος αντίδρασης περιλαμβάνει τη μεταφορά ηλεκτρονίων από ένα υλικό σε άλλο δια μέσου ενός ηλεκτρικού κυκλώματος. Σε μια μη ηλεκτροχημική redox αντίδραση, όπως είναι οι διαδικασία της σκουριάς και της καύσης, η μεταφορά των ηλεκτρονίων πραγματοποιείται απ ευθείας και μόνο η θερμότητα εμπλέκεται σε αυτή την αντίδραση. Επειδή η μπαταρία μετατρέπει ηλεκτροχημικά τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική, δεν υπόκειται, όπως οι μηχανές εσωτερικής καύσης, στους περιορισμούς του κύκλου Carnot που υπαγορεύει ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Για αυτό το λόγο, οι μπαταρίες είναι σε θέση να παρουσιάζουν υψηλότερη απόδοση στη μετατροπή ενέργειας[9]. Ενώ συχνά χρησιμοποιείται ο όρος «μπαταρία», η βασική ηλεκτροχημική μονάδα στην οποία αναφέρεται είναι το «στοιχείο». Μια μπαταρία αποτελείται από ένα ή περισσότερα τέτοια στοιχεία, σε συνδεσμολογία σειράς ή παράλληλη ή συνδυασμό των δύο ανάλογα με την επιθυμητή τάση και χωρητικότητα εξόδου. Το στοιχείο αποτελείται από τα παρακάτω συστατικά: Το ηλεκτρόδιο ανόδου ή αρνητικό ηλεκτρόδιο (το ηλεκτρόδιο μείωσης ή καυσίμου), το οποίο παραχωρεί ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κύκλωμα και οξειδώνεται κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Το ηλεκτρόδιο καθόδου ή θετικό ηλεκτρόδιο (το ηλεκτρόδιο οξείδωσης), το οποίο δέχεται ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα και μειώνεται κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής διαδικασίας. Τον ηλεκτρολύτη (ιοντικό αγωγό), ο οποίος παρέχει το μέσο για τη μεταφορά του φορτίου, με τη μορφή ιόντων, μέσα στο στοιχείο ανάμεσα στην άνοδο και την κάθοδο. Ο ηλεκτρολύτης είναι τυπικά ένα υγρό, όπως το νερό ή άλλοι διαλύτες, με διαλυμένα άλατα, οξέα ή αλκάλια να μεταδίδουν την ιοντική αγωγιμότητα. Μερικές μπαταρίες χρησιμοποιούν στερεούς ηλεκτρολύτες, οι οποίοι είναι ιοντικοί αγωγοί στη θερμοκρασία λειτουργίας του στοιχείου. 19

23 Οι χημικές και ηλεκτροχημικές αντιδράσεις των ηλεκτροδίων συμβαίνουν και στα δύο ηλεκτρόδια και απελευθερώνουν ή απορροφούν ηλεκτρόνια σύμφωνα με τις παρακάτω σχέσεις: ή Τα Ν και P δηλώνουν το αρνητικό (negative) και το θετικό (positive) ηλεκτρόδιο αντίστοιχα και τα Sred και Sox δηλώνουν τις καταστάσεις μείωσης (reduction state) και οξείδωσης (oxidation state) αντίστοιχα των χημικών ενώσεων που αντιδρούν και n είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εμπλέκονται στη διαδικασία. Η δυνατότητα του διαχωρισμού της αντίδρασης του στοιχείου σε δύο ξεχωριστές αντιδράσεις ηλεκτροδίων είναι βασική προϋπόθεση για την πραγματοποίηση οποιουδήποτε ηλεκτροχημικού στοιχείου. Μόνο τότε μπορεί η ανταλλαγή των ηλεκτρονίων που συνδέεται με τις αντιδράσεις των ηλεκτροδίων να συλλεχθεί σαν ένα ρεύμα που ρέει μέσα από τον καταναλωτή (ή τη συσκευή φόρτισης) και η ενέργεια εισόδου ή εξόδου που συνδέεται με τη χημική αντίδραση να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Διαφορετικά, η αντίδραση θα εμφανιζόταν απλώς ως μια χημική αντίδραση. Θα γινόταν ανταλλαγή του ηλεκτρικού φορτίου απ ευθείας ανάμεσα στις αντιδρώσες ουσίες και η ενέργεια που θα απελευθερωνόταν θα μετατρεπόταν κυρίως σε θερμότητα και σε κάποιο βαθμό σε ενεργειακή ένταση (volume energy)[3]. Το σύστημα της ηλεκτροχημικής αποθήκευσης βασίζεται στη μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική και αντίστροφα. Το ποσό της ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί σε ένα στοιχείο καθορίζεται από το διαφορετικό ενεργειακό περιεχόμενο των χημικών ουσιών που αναπαριστά την κατάσταση φόρτισης και εκφόρτισης. Συνεπώς, οι χαρακτηριστικές παράμετροι του συστήματος καθορίζονται από ένα σύνολο ηλεκτροχημικών αντιδράσεων και τις ενεργειακές μεταβολές που συνδέονται με αυτές τις αντιδράσεις. Συνολικά, αυτές οι αντιδράσεις αποτελούν τις αντιδράσεις στοιχείου που χαρακτηρίζουν το σύστημα της μπαταρίας. Οι συνδυασμοί των υλικών ανόδου και καθόδου που έχουν τα περισσότερα πλεονεκτήματα είναι αυτοί που θα είναι ελαφρύτεροι και θα δίνουν υψηλή τάση και χωρητικότητα στοιχείου. Παρ όλα αυτά, τέτοιοι συνδυασμοί μπορεί να μην είναι πάντα πρακτικοί, εξαιτίας της αντιδραστικότητας με άλλα συστατικά του στοιχείου, της πόλωσης, της δυσκολίας στο χειρισμό, του υψηλού κόστους και άλλων ατελειών[9]. Σε ένα πρακτικό σύστημα, η άνοδος επιλέγεται με βάση τις ακόλουθες ιδιότητες: να έχει αποδοτικότητα σαν παράγοντας μείωσης, καλή αγωγιμότητα, σταθερότητα, ευκολία κατασκευής και χαμηλό κόστος. Το υδρογόνο είναι ελκυστικό σαν υλικό ανόδου, αλλά προφανώς, πρέπει να περιοριστεί με κάποιο τρόπο, κάτι που μειώνει αποτελεσματικά την ηλεκτροχημική ισοδυναμία του (electrochemical equivalence). Πρακτικά, κυρίως μέταλλα χρησιμοποιούνται σαν το υλικό ανόδου. Ο ψευδάργυρος έχει κυριαρχήσει σαν άνοδος, λόγω των ευνοϊκών του ιδιοτήτων. Το λίθιο, το ελαφρύτερο μέταλλο, με υψηλή ηλεκτροχημική ισοδυναμία, έχει γίνει μια αρκετά ελκυστική άνοδος, αφού έχουν 20

24 αναπτυχθεί κατάλληλοι και συμβατοί ηλεκτρολύτες και σχεδιασμοί στοιχείων για να ελέγχουν τη δραστηριότητά του. Η κάθοδος πρέπει να είναι ένας αποδοτικός παράγοντας οξείδωσης, να είναι σταθερή στην επαφή με τον ηλεκτρολύτη και να έχει μια χρήσιμη τάση λειτουργίας. Το οξυγόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατευθείαν από τον ατμοσφαιρικό αέρα, τραβώντας το μέσα στο στοιχείο όπως στη μπαταρία ψευδάργυρου/αέρα (zinc/air battery). Παρ όλα αυτά, τα περισσότερα συνήθη υλικά καθόδου είναι μεταλλικά οξείδια. Άλλα υλικά καθόδου, όπως τα αλογόνα και τα οξυαλογονίδια, το θείο και τα οξείδιά του, χρησιμοποιούνται για ειδικά συστήματα μπαταριών. Ο ηλεκτρολύτης πρέπει να έχει καλή ιοντική αγωγιμότητα αλλά να μην είναι ηλεκτρονικά αγώγιμος, γιατί αυτό θα προκαλούσε εσωτερικό βραχυκύκλωμα. Άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά είναι η μη αντιδραστικότητα με τα υλικά των ηλεκτροδίων, μικρή αλλαγή των ιδιοτήτων με αλλαγή της θερμοκρασίας, ασφάλεια στο χειρισμό και χαμηλό κόστος. Οι περισσότεροι ηλεκτρολύτες είναι υδάτινα διαλύματα, αλλά υπάρχουν σημαντικές εξαιρέσεις όπως, για παράδειγμα, στις μπαταρίες θερμικής ανόδου ή ανόδου λιθίου, όπου λιωμένο αλάτι και άλλοι μη υδάτινοι ηλεκτρολύτες χρησιμοποιούνται για να αποφευχθεί η αντίδραση της ανόδου με τον ηλεκτρολύτη. Φυσικά, τα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου είναι ηλεκτρονικά απομονωμένα στο στοιχείο για την αποφυγή εσωτερικού βραχυκυκλώματος, αλλά περιβάλλονται από τον ηλεκτρολύτη. Σε πρακτικούς σχεδιασμούς στοιχείων ένα υλικό διαχωρισμού χρησιμοποιείται για να χωρίζει τα ηλεκτρόδια ανόδου και καθόδου μηχανικά. Ο διαχωριστής, όμως, είναι διαπερατός από τον ηλεκτρολύτη για να διατηρείται η επιθυμητή ιοντική αγωγιμότητα. Σε ορισμένες περιπτώσεις ο ηλεκτρολύτης ακινητοποιείται για ένα σχεδιασμό χωρίς διαρροή (non spill design). Ηλεκτρικά αγώγιμες δομές ή υλικά μπορούν επίσης να προστεθούν στα ηλεκτρόδια για μείωση της εσωτερικής αντίστασης. Το στοιχείο μπορεί να κατασκευαστεί σε διάφορους σχηματισμούς κυλινδρικό, επίπεδο, πρισματικό και τα μέρη του στοιχείου σχεδιάζονται για να διευκολύνουν το συγκεκριμένο σχήμα. Τα στοιχεία σφραγίζονται με ποικίλους τρόπους για να αποφευχθεί διαρροή και στέγνωμα. Κάποια στοιχεία είναι εφοδιασμένα με συσκευές εξαερισμού ή άλλα μέσα που επιτρέπουν στα συσσωρευμένα αέρια να διαφύγουν. Κατάλληλες θήκες ή δοχεία, μέσα για τερματική σύνδεση και τιτλοφόρηση προστίθενται για να ολοκληρωθεί η κατασκευή του στοιχείου και της μπαταρίας. 3.2 Ταξινόμηση στοιχείων και μπαταριών. Τα ηλεκτροχημικά στοιχεία και οι μπαταρίες χαρακτηρίζονται ως πρωτεύουσες (μη επαναφορτιζόμενες) ή δευτερεύουσες (επαναφορτιζόμενες), με βάση την ικανότητά τους να επαναφορτίζονται ηλεκτρικά. Αυτές οι 2 μεγάλες κατηγορίες περιέχουν υποκατηγορίες που έχουν να κάνουν με συγκεκριμένες δομές ή σχεδιασμούς[9]. 21

25 3.2.1 Πρωτεύουσες μπαταρίες (primary batteries). Αυτές οι μπαταρίες δεν έχουν τη δυνατότητα εύκολης ή αποτελεσματικής ηλεκτρικής επαναφόρτισης και, για το λόγο αυτό, εκφορτίζονται μια φορά και στη συνέχεια απορρίπτονται. Πολλά πρωτεύοντα στοιχεία στα οποία ο ηλεκτρολύτης περιέχεται σε ένα απορροφητικό ή διαχωριστικό υλικό (δεν υπάρχει ελεύθερος ή υγρός ηλεκτρολύτης) ονομάζονται «ξηρά στοιχεία». Η πρωτεύουσα μπαταρία είναι μια βολική, συνήθως οικονομική, ελαφριά πηγή συσκευασμένης ενέργειας για φορητές ηλεκτρονικές και ηλεκτρικές συσκευές, φωτισμό, φωτογραφικό εξοπλισμό, παιχνίδια, εφεδρικές μνήμες και μια σειρά από άλλες εφαρμογές. Γενικά, τα πλεονεκτήματα των πρωτευουσών μπαταριών είναι καλή διάρκεια ζωής «ραφιού» (shelf life), υψηλή ενεργειακή πυκνότητα σε χαμηλούς έως μέτριους ρυθμούς εκφόρτισης, μικρή (ή καθόλου) ανάγκη για συντήρηση και ευκολία στη χρήση. Παρ όλο που μεγάλες πρωτεύουσες μπαταρίες υψηλής χωρητικότητας χρησιμοποιούνται σε στρατιωτικές εφαρμογές, σηματοδότηση, ενέργεια αναμονής (standby power) και αλλού, η συντριπτική πλειοψηφία των πρωτευουσών μπαταριών είναι οι γνωστές σε όλους μας μπαταρίες ενός κυλινδρικού στοιχείου και flat button ή πολυκυτταρικές μπαταρίες που χρησιμοποιούν αυτά τα στοιχεία σαν συστατικά Δευτερεύουσες ή επαναφορτιζόμενες μπαταρίες (secondary or rechargeable). Αυτές οι μπαταρίες μπορούν να επαναφορτιστούν ηλεκτρικά, μετά από την εκφόρτισή τους, στην αρχική τους κατάσταση με τη διαδικασία ροής ρεύματος μέσα από αυτές στην αντίθετη όμως κατεύθυνση από αυτή του ρεύματος εκφόρτισης. Είναι συσκευές αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας και είναι επίσης γνωστές σαν «μπαταρίες αποθήκευσης» (storage batteries) ή «συσσωρευτές» (accumulators). Οι εφαρμογές των δευτερευουσών μπαταριών χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες: Εφαρμογές στις οποίες η δευτερεύουσα μπαταρία χρησιμοποιείται σαν μια συσκευή αποθήκευσης ενέργειας, που συνήθως είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένη και φορτίζεται από μια κύρια πηγή ενέργειας και μεταφέρει την ενέργειά της στο φορτίο όταν της ζητηθεί. Παραδείγματα αυτής της κατηγορίας είναι συστήματα αυτοκινήτων και αεροσκαφών, πηγές ενέργειας αναμονής (UPS) για να μην υπάρξει αποτυχία σε περίπτωση ανάγκης, υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα και συστήματα στάσιμης ενεργειακής αποθήκευσης (stationary energy storage SES) για ηλεκτρική χρήση ανύψωσης φορτίου. Εφαρμογές στις οποίες η δευτερεύουσα μπαταρία χρησιμοποιείται ή εκφορτίζεται ουσιαστικά σαν μια πρωτεύουσα μπαταρία, αλλά αντί να απορρίπτεται μετά τη χρήση επαναφορτίζεται. Οι δευτερεύουσες μπαταρίες χρησιμοποιούνται κατ αυτό τον τρόπο, για παράδειγμα, σε φορητές ηλεκτρονικές καταναλώσεις, ηλεκτρικά εργαλεία, ηλεκτρικά οχήματα κλπ, για μείωση του κόστους (αφού μπορούν να επαναφορτιστούν αντί να αντικατασταθούν) και σε εφαρμογές που απαιτούν άντληση ενέργειας πέρα από τα όρια μιας πρωτεύουσας μπαταρίας. 22

26 Οι δευτερεύουσες μπαταρίες χαρακτηρίζονται (εκτός από την ικανότητά τους να επαναφορτίζονται) από υψηλή πυκνότητα ισχύος, υψηλό ρυθμό εκφόρτισης, επίπεδες καμπύλες εκφόρτισης και καλές επιδόσεις σε χαμηλές θερμοκρασίες. Οι ενεργειακές τους πυκνότητες είναι γενικά χαμηλότερες από αυτές των πρωτευουσών μπαταριών και η κατακράτηση φορτίου (charge retention) είναι επίσης φτωχότερη από ότι στις περισσότερες πρωτεύουσες μπαταρίες, όμως η χωρητικότητα που χάνεται σε μια δευτερεύουσα μπαταρία μπορεί να ανακτηθεί με την επαναφόρτιση. Μερικές μπαταρίες, γνωστές σαν «μηχανικά επαναφορτιζόμενες», «επαναφορτίζονται» αντικαθιστώντας το εκφορτισμένο ή απεμπλουτισμένο ηλεκτρόδιο, συνήθως το μέταλλο της ανόδου με ένα καινούριο. Κάποιες από τις μπαταρίες μετάλλου/αέρος (metal/air) είναι χαρακτηριστικές αυτού του τύπου μπαταρίας Μπαταρίες αποθήκευσης (reserve batteries). Σε αυτούς τους τύπους, ένα βασικό συστατικό χωρίζεται από την υπόλοιπη μπαταρία πριν από την ενεργοποίησή της. Σε αυτήν την κατάσταση ο κίνδυνος χημικής αλλοίωσης ή αυτοεκφόρτισης ουσιαστικά εξαλείφεται και έτσι η μπαταρία μπορεί να αποθηκευτεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Συνήθως το συστατικό που απομονώνεται είναι ο ηλεκτρολύτης. Σε άλλα συστήματα, όπως η θερμική μπαταρία, η μπαταρία είναι ανενεργή μέχρι να θερμανθεί, λιώνοντας έναν στερεό ηλεκτρολύτη ο οποίος μετά γίνεται αγώγιμος. Ο σχεδιασμός των μπαταριών αποθήκευσης χρησιμοποιείται για να ανταποκριθεί σε υπερβολικά μεγάλες ή περιβαλλοντικά ακραίες απαιτήσεις αποθήκευσης οι οποίες δεν μπορούν να ικανοποιηθούν από μια «ενεργή» μπαταρία που έχει σχεδιαστεί για τα ίδια χαρακτηριστικά απόδοσης. Τέτοιες μπαταρίες χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, για να αποδώσουν μεγάλη ισχύ για σχετικά μικρά χρονικά διαστήματα σε πυραύλους, τορπίλλες και άλλα οπλικά συστήματα. 3.3 Μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα. Από όσα αναφέρθηκαν παραπάνω, γίνεται φανερό ότι οι μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Μερικά παραδείγματα επαναφορτιζόμενων συστημάτων μπαταριών είναι: Μολύβδου οξέος ( Lead acid) Νικελίου καδμίου (Nickel cadmium) Νικελίου σιδήρου (Νickel iron) Υδριδικές νικελίου (Νickel hydride) Επαναφορτιζόμενες λιθίου διάφορων τύπων 23

27 Από αυτές μόνο οι μολύβδου οξέος και σε μικρό βαθμό οι νικελίου καδμίου χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα μέχρι σήμερα. Οι μπαταρίες νικελίου σιδήρου σπάνια χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές, και υποφέρουν από έναν ιδιαίτερα υψηλό ρυθμό αυτοεκφόρτισης κάτι το οποίο τις καθιστά ακατάλληλες για τις περισσότερες φωτοβολταϊκές εφαρμογες. Οι υδριδικές μπαταρίες νικελίου και οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου είναι σχετικά σύγχρονες εξελίξεις και οι κύριες εφαρμογές τους μέχρι σήμερα είναι σε υψηλής αξίας ηλεκτρονικά αγαθά όπως είναι τα κινητά τηλέφωνα και οι φορητοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές. Δεν είναι ευρέως διαθέσιμες στις μεγάλες χωρητικότητες (εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες Ah) που απαιτούνται σε μεγάλα φωτοβολταϊκά συστήματα. Είναι αρκετά πιο ακριβές ανά kwh σήμερα με σχέση με τις μπαταρίες μολύβδου οξέος και συχνά χρειάζονται μια κάπως περίπλοκη προστασία για το κύκλωμα φόρτισής τους, κάτι το οποίο δεν είναι εύκολο να πραγματοποιηθεί με τη μεταβλητή φύση των ρευμάτων φόρτισης των φωτοβολταϊκών. Τα τελευταία χρόνια, ωστόσο, η πρόοδος που έχει σημειωθεί στις μπαταρίες λιθίου έχει ανοίξει το δρόμο για τη χρησιμοποίησή τους σε φωτοβολταϊκά συστήματα. Υπάρχουν και άλλοι τύποι επαναφορτιζόμενων μπαταριών υπό ανάπτυξη για μελλοντικές εφαρμογές μπαταριών σε ηλεκτρικά οχήματα ή ανύψωση φορτίου. Δεν είναι εμπορικά διαθέσιμοι ακόμα, εκτός από κάποιες περιορισμένες περιπτώσεις. Δεν υπάρχει κάτι που να δηλώνει προς το παρόν ότι κάποιες από αυτές τις μπαταρίες θα έχουν τις απαιτούμενες ιδιότητες ή την τιμή για να είναι ανταγωνιστικές στα φωτοβολταϊκά συστήματα αλλά μπορούμε πάντα να ελπίζουμε. 3.4 Τι λειτουργία επιτελούν στο φωτοβολταϊκό σύστημα; Υπάρχουν τρεις κύριες λειτουργίες που μια μπαταρία επιτελεί σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα: Δρα σαν ένα βοηθητικό ποσό ενέργειας για να εξαλείψει την αναντιστοιχία μεταξύ της διαθέσιμης από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία ισχύος και της απαιτούμενης από το φορτίο ισχύος. Η ισχύς που παράγει ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο ή συστοιχία κάθε στιγμή ποικίλει ανάλογα με την ποσότητα ακτινοβολίας που προσκρούει σε αυτή (και είναι μηδέν το βράδυ). Στα περισσότερα ηλεκτρικά φορτία χρειάζεται να αποδίδεται ένα σταθερό ποσό ισχύος. Η μπαταρία παρέχει ισχύ όταν η φωτοβολταϊκή συστοιχία δεν παράγει τίποτα κατά τη διάρκεια της νύχτας ή όταν παράγει λιγότερη ισχύ από όση απαιτεί το ηλεκτρικό φορτίο κατα τη διάρκεια της ημέρας. Επίσης, η μπαταρία, απορροφά την περίσσεια ισχύος από την φωτοβολταϊκή συστοιχία όταν αυτή παράγει περισσότερη ισχύ από ότι το φορτίο απαιτεί. Η μπαταρία παρέχει ένα αποθεματικό ενέργειας (αυτονομία του συστήματος) το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατά τη διάρκεια μερικών ημερών πολύ συννεφιασμένου καιρού, ή σε κάποια περίπτωση ανάγκης εάν παρουσιαστεί βλάβη σε κάποιο τμήμα του φωτοβολταϊκού συστήματος. Η μπαταρία αποτρέπει μεγάλες, πιθανόν καταστροφικές, διακυμάνσεις τάσης. Μια φωτοβολταϊκή συστοιχία μπορεί να αποδόσει ισχύ σε κάθε σημείο μεταξύ 24

28 βραχυκυκλώματος και ανοικτού κυκλώματος, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του φορτίου που είναι συνδεδεμένο σε αυτήν. Σε ένα σύστημα ονομαστικής τάσης 12V, για παράδειγμα, αυτό σημαίνει ότι οποιαδήποτε τιμή μεταξύ 0V και περίπου 20V είναι πιθανό να προκύψει από τη φωτοβολταϊκή συστοιχία. Πολλά φορτία δεν μπορούν να λειτουργήσουν σε ένα τόσο μεγάλο εύρος τάσεων. Η τοποθέτηση μιας μπαταρίας μεταξύ της φωτοβολταϊκής συστοιχίας και του φορτίου διασφαλίζει ότι το φορτίο δε θα βλέπει τίποτα έξω από το εύρος τάσεων στο οποίο η μπαταρία μπορεί να λειτουργήσει στην περίπτωση ενός συστήματος 12V από περίπου 9,5 V σε βαθειά εκφόρτιση μέχρι περίπου 16V υπό συνθήκες ακραίας φόρτισης[10]. 3.5 Απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιούν. Οι απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιούν τα συστήματα αποθήκευσης σε ένα αυτόνομο σύστημα παραγωγής ισχύος είναι πολυάριθμες. Μερικές από αυτές έρχονται σε αντίθεση η μία με την άλλη και επομένως δεν μπορούν να ικανοποιηθούν ταυτόχρονα. Ορισμένες από τις πιο σημαντικές απαιτήσεις παρουσιάζονται παρακάτω: Υψηλή ενεργειακή απόδοση Μεγάλη διάρκεια ζωής (σε χρόνια) Μεγάλη διάρκεια ζωής από την άποψη της απόδοσης χωρητικότητας Χαμηλό κόστος Καλή αποδοτικότητα φόρτισης ακόμα και σε πολύ μικρά ρεύματα Χαμηλός ρυθμός αυτοεκφόρτισης Μικρές απαιτήσεις συντήρησης Υψηλή διαθεσιμότητα παγκοσμίως Υψηλή διαθεσιμότητα ενέργειας Εύκολη εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης Χαμηλή έκθεση σε ακατάλληλες συνθήκες Εύκολα ανακυκλώσιμη Χαμηλή τοξικότητα των υλικών Ασφαλής συμπεριφορά σε περίπτωση υπερφόρτισης ή βαθειάς εκφόρτισης Εύκολη επεκτασιμότητα τάσης και χωρητικότητας μέσω συνδέσεων σε σειρά και παράλληλα Μικρό χάσμα τάσης μεταξύ φόρτισης και εκφόρτισης (επιτρέπει τη σύνδεση φορτίων κατευθείαν στη μπαταρία) Ικανότητα γρήγορης φόρτισης Κανένα φαινόμενο μνήμης Χαμηλές εκρηκτικές δυνατότητες Υψηλή αξιοπιστία στη λειτουργία πολύς χρόνος μεταξύ αστοχιών Ο σχεδιασμός αυτόνομων συστημάτων παροχής ενέργειας θα πρέπει να εξετάζει τις ιδιότητες και τις απαιτήσεις του συστήματος αποθήκευσης από την αρχή. Αν σχεδιαστεί το 25

29 σύστημα και στη συνέχεια προστεθεί το σύστημα αποθήκευσης, θα έχουμε αμελήσει τις πολυάρθιμες αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στη μπαταρία, τα περιφερειακά και συνολικά στο σχεδιασμό και τον έλεγχο όλου του συστήματος. Ως εκ τούτου, μόνο ένας ολοκληρωμένος προγραμματισμός του συστήματος μας επιτρέπει να κάνουμε χρήση όλων των συνεργειών και να σχεδιάσουμε συστήματα τα οποία θα είναι σε θέση να λειτουργούν με το ελάχιστο κόστος καθ όλη τη διάρκεια ζωής τους[3]. 26

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΜΠΑΤΑΡΙΑΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑ Στο κεφάλαιο αυτό αναλύονται διάφορα μεγέθη σχετικά με τις μπαταρίες και τη λειτουργία τους, ορισμένα από τα οποία έχουν ήδη αναφερθεί παραπάνω. Η σχετική γνώση των μεγεθών αυτών είναι απαραίτητη για την κατανόηση των επόμενων κεφαλαίων. 4.1 Χωρητικότητα Χωρητικότητα μιας μπαταρίας C (από την αγγλική λέξη capacity) είναι το συνολικό ηλεκτρικό φορτίο που μπορούμε να πάρουμε από μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες εκφόρτισης (ρυθμό εκφόρτισης, τάση και θερμοκρασία). Η χωρητικότητα που μπορεί να δώσει μια μπαταρία είναι άμεσα συνδεδεμένη με το ποσό των υλικών ανόδου και καθόδου (δηλαδή των ενεργών υλικών) που περιέχει[11]. Η χωρητικότητα ενός στοιχείου/μπαταρίας μετριέται συνήθως σε αμπερ ώρες (Ah) και καθορίζεται από ένα σταθερό ρεύμα εκφόρτισης που εκφορτίζει τη μπαταρία μέχρι μια ορισμένη τελική τάση εκφόρτισης (συνήθως 1.75 V περίπου). Η χωρητικότητα εξαρτάται σημαντικά από το ρεύμα εκφόρτισης και τη θερμοκρασία[3]. Ο υπολογισμός της χωρητικότητας γίνεται πολλαπλασιάζοντας την τιμή του ρεύματος εκφόρτισης με το χρόνο που χρειάζεται για να φτάσει η μπαταρία στην τελική τάση. Οι κατασκευαστές μπαταριών μπορούν να ορίσουν οι ίδιοι το ρεύμα και την τελική τάση εκφόρτισης. Ο όρος που χρησιμοποιείται συνήθως για να περιγράψει την ικανότητα της μπαταρίας να μεταφέρει ρεύμα είναι η ονομαστική της χωρητικότητα. Οι κατασκευαστές συχνά καθορίζουν την ονομαστική χωρητικότητα των μπαταριών τους σε αμπερ ώρες για ένα συγκεκριμένο ρυθμό εκφόρτισης. Για παράδειγμα, αυτό σημαίνει ότι μια μπαταρία 200Ah (για ένα ρυθμό 10 ωρών) θα μεταφέρει 20 Α ρεύματος για 10 ώρες κάτω από κανονικές συνθήκες θερμοκρασίας ( 25 ο C ή 77 ο F). Εναλλακτικά, ένας ρυθμός εκφόρτισης μπορεί να καθορίζεται από το ρυθμό φόρτισης, C rate, ο οποίος εκφράζεται σαν ένα πολλαπλάσιο της ονομαστικής χωρητικότητας του στοιχείου ή της μπαταρίας. Για παράδειγμα, μια μπαταρία μπορεί να έχει χωρητικότητα 200 Ah για ένα ρυθμό εκφόρτισης C/10. Ο ρυθμός εκφόρτισης καθορίζεται από την παρακάτω εξίσωση: Η χωρητικότητα της μπαταρίας ποικίλει για διάφορους ρυθμούς εκφόρτισης. Όσο πιο μεγάλος είναι ο ρυθμός εκφόρτισης, τόσο μικρότερη είναι η χωρητικότητα του στοιχείου. Χαμηλότεροι ρυθμοί εκφόρτισης έχουν ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη χωρητικότητα. Οι κατασκευαστές μπαταριών συνήθως ορίζουν μερικούς ρυθμούς εκφόρτισης (σε αμπέρ) μαζί με τους χρόνους εκφόρτισης που συνδέονται με αυτούς (σε ώρες). Η χωρητικότητα της 27

31 μπαταρίας για κάθε έναν από αυτούς τους ρυθμούς εκφόρτισης υπολογίζεται όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Η ονομαστική χωρητικότητα για τις μπαταρίες μολύβδου οξέος συνήθως καθορίζεται για ρυθμούς 8-, 10- ή 20-ωρών (C/8, C/10, C/20). Οι UPS μπαταρίες βαθμονομούνται σε 8 ωρών χωρητικότητες και οι μπαταρίες τηλεπικοινωνιών σε 10 ωρών χωρητικότητες[12]. Η χωρητικότητα όλων των μπαταριών μολύβδου οξέος (για δεδομένη τελική τάση) μειώνεται στις χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό συμβαίνει λόγω πολλών παραγόντων μεταξύ των οποίων είναι η αυξημένη αντίσταση και ο μειωμένος ρυθμός διάχυσης στον ηλεκτρολύτη. Το δεύτερο φαινόμενο σημαίνει ότι οι μπαταρίες μολύβδου οξέος με μεγάλο απόθεμα οξέος τείνουν να χάνουν περισσότερη χωρητικότητα στις χαμηλές θερμοκρασίες από ότι αυτές που έχουν μικρότερο όγκο οξέος. Οι ονομαστικές χωρητικότητες συνήθως αναφέρονται σε θερμοκρασία λειτουργίας 20 ο C. Αν μια μπαταρία χρειάζεται να παρέχει αυτονομία σε χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας, είναι συνήθης πρακτική να αυξάνεται η ονομαστική χωρητικότητα για να ληφθεί υπ όψιν η μειωμένη χωρητικότητα για τη χειρότερη θερμοκρασία. Οι χωρητικότητες αυξάνονται ελαφρώς για θερμοκρασίες πάνω από 20 ο C αλλά δεν είναι φυσιολογικό να μειώνεται η καθορισμένη χωρητικότητα της μπαταρίας λόγω αυτού. Στις χωρητικότητες που δίνονται από τον κατασκευαστή πρέπει να αναφέρεται η τελική τάση στην οποία αυτές εφαρμόζονται. Για μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα, η τάση αυτή είναι συνήθως μεταξύ 1.75V και 1.85V ανά στοιχείο. Όταν συγκρίνονται δύο διαφορετικές μπαταρίες, πρέπει οι προς σύγκριση χωρητικότητες να είναι ως προς την ίδια τελική τάση. Προφανώς, όσο χαμηλότερη είναι η τελική τάση, τόσο μεγαλύτερη θα είναι η διαθέσιμη χωρητικότητα. 4.2 Τάση Για να είναι ικανό ένα στοιχείο ή μια μπαταρία να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα εξωτερικό κύκλωμα, πρέπει να υπάρχει μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στο θετικό και το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Αυτή η διαφορά δυναμικού, η οποία μετριέται σε volts αναφέρεται ως τάση του στοιχείου ή της μπαταρίας. Ένα μόνο στοιχείο μολύβδου οξέος έχει διαφορά δυναμικού περίπου 2 V υπό φορτίο. Ένα πλήρως εκφορτισμένο στοιχείο μολύβδου οξέος έχει διαφορά δυναμικού περίπου 1.75 V, ανάλογα με το ρυθμό εκφόρτισης[12]. Η τάση ισορροπίας ενός στοιχείου είναι συνάρτηση της συγκέντρωσης του ηλεκτρολύτη και της θερμοκρασίας. Η τάση ανοικτού κυκλώματος (OCV) μπορεί να μετρηθεί εάν κανένα εξωτερικό ρεύμα δε διαρέει τη μπαταρία. Αυτή ταυτίζεται με την τάση ισορροπίας αν όλες οι εσωτερικές υπερτάσεις, που προκαλούνται κυρίως από διαδικασίες διάχυσης, έχουν σταθεροποιηθεί. Ο χρόνος για να επιτευχθεί αυτό το στάδιο εξαρτάται από την τεχνολογία της μπαταρίας και τις συνθήκες λειτουργίας και κυμαίνεται από μερικά δευτερόλεπτα μέχρι πολλές ώρες. Η OCV μιας μπαταρίας εξαρτάται από το πρότυπο 28

32 δυναμικό των χρησιμοποιούμενων ενεργών υλικών και το ποσό του φορτίου που απομένει. Το λίθιο χρησιμοποιείται ευρέως ως άνοδος σε πρωτεύουσες και δευτερεύσουσες μπαταρίες γιατί προσφέρει το υψηλότερο πρότυπο δυναμικό από όλες τις χημείες των μπαταριών[11]. Η τάση του στοιχείου υπό φορτίο, η τάση κλειστού κυκλώματος (CCV), εξαρτάται από το ρεύμα, τη στάθμη φόρτισης και το ιστορικό του στοιχείου, όπως τη διάρκεια ζωής του ή το χρόνο αποθήκευσης. Τυπικά, οι ονομαστικές τάσεις των στοιχείων είναι μεταξύ 1.2 και 3.6 V. Ως εκ τούτου, αρκετά στοιχεία συνδέονται συνήθως σε σειρά για να χτίσουν μια αλυσίδα με μεγαλύτερη ονομαστική τάση. Επομένως, η ονομαστική τάση μιας μπαταρίας καθορίζεται από τον αριθμό των στοιχείων που είναι συνδεδεμένα σε σειρά επί την ονομαστική τάση του ενός στοιχείου. Οι μπαταρίες συχνά πωλούνται σε δομές, στις οποίες είναι ενσωματωμένα και συνδεδεμένα σε σειρά μερικά στοιχεία με μόνο ένα σετ ακροδεκτών[3]. Ένα γνωστό παράδειγμα είναι οι SLI μπαταρίες αυτοκινήτων, όπου 6 στοιχεία συνδέονται σε σειρά αλλά πωλούνται ως ένα μπλοκ των 12 V. (Το SLI προέρχεται από τις λέξεις starting, lighting, ignition που σημαίνουν εκκίνηση, φωτισμός και ανάφλεξη.) Η τελική τάση φόρτισης (end-of-charge voltage) καθορίζει ένα άνω όριο για την τάση. Η φόρτιση μιας μπαταρίας δε σταματά όταν φτάσει την τελική τάση φόρτισης ( όπως συμβαίνει με την τελική τάση εκφόρτισης end-of-discharge voltage), αλλά το ρεύμα φόρτισης μειώνεται κατάλληλα για να διατηρεί την τελική τάση φόρτισης με την πάροδο του χρόνου. 4.3 Στάθμη φόρτισης Η στάθμη φόρτισης (state of charge SOC) δίνει τη χωρητικότητα που μπορεί να εκφορτιστεί από μια μπαταρία σε μια συγκεκριμένη στιγμή. Εκατό τοις εκατό στάθμη φόρτισης σημαίνει ότι η μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη, ενώ 0% στάθμη φόρτισης σημαίνει ότι η ονομαστική χωρητικότητα έχει εκφορτιστεί[3]. Για τη λειτουργία και τη διαχείριση της ενέργειας στα αυτόνομα συστήματα παραγωγής ενέργειας, η χωρητικότητα της μπαταρίας και η πραγματική στάθμη φόρτισης είναι οι πιο σημαντικές παράμετροι. Ο καθορισμός της στάθμης φόρτισης είναι δύσκολος σε αυτόνομα συστήματα παραγωγής ενέργειας με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας επειδή η πλήρης φόρτιση της μπαταρίας όπως γίνεται συχνά με τους συμβατικούς φορτιστές μπαταρίας είναι πολύ ασυνήθιστη. Αν μας δίνεται η στάθμη φόρτισης, το ερώτημα που εγείρεται είναι ποια είναι η σημασία των συγκεκριμένων τιμών. Υπάρχουν επιμέρους ορισμοί για τη χωρητικότητα της μπαταρίας και οι αντίστοιχοι ορισμοί για τη στάθμη φόρτισης. Η μετρούμενη χωρητικότητα μιας μπαταρίας μπορεί να είναι μικρότερη ή ακόμα και μεγαλύτερη από την ονομαστική χωρητικότητα που δίνεται από τον κατασκευαστή. Καθ όλη τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, η μετρούμενη χωρητικότητα μειώνεται όλο και περισσότερο λόγω των 29

33 επιπτώσεων της γήρανσης. Η πρακτική χωρητικότητα είναι μικρότερη από τη μετρούμενη χωρητικότητα. Λόγω των ειδικών συνθηκών των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, οι μπαταρίες δεν επαναφορτίζονται πλήρως σχεδόν ποτέ (ο αριθμός των ωρών φόρτισης είναι περιορισμένος). Η μέγιστη στάθμη φόρτισης που μπορεί να επιτευχθεί κατά τη φυσιολογική λειτουργία του συστήματος ονομάζεται στάθμη φόρτισης πλήρους ακτινοβολίας (solar-full state of charge). Επίσης, το σύστημα καθορίζει ένα κριτήριο τέλους εκφόρτισης για να αποφευχθεί η βαθειά εκφόρτιση της μπαταρίας και κατά συνέπεια η επιτάχυνση της γήρανσης, το οποίο συνήθως διαφέρει από τα κριτήρια τέλους εκφόρτισης που χρησιμοποιούνται στους ελέγχους της χωρητικότητας. Έτσι, η πρακτική χωρητικότητα της μπαταρίας είναι μικρότερη από τη μετρούμενη χωρητικότητα[3]. Η ονομαστική χωρητικότητα ορίζεται ως η χωρητικότητα για εκφόρτιση 10 ωρών (C/10). Αυτή είναι η βάση για τον καθορισμό της στάθμης φόρτισης. Η ονομαστική χωρητικότητα δεν αλλάζει κατά τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, ενώ η μετρούμενη χωρητικότητα μεταβάλλεται με το χρόνο. Η στάθμη φόρτισης που σχετίζεται με τη μετρούμενη χωρητικότητα ονομάζεται σχετική στάθμη φόρτισης (relative state of charge SOC r ). Η στάθμη φόρτισης που σχετίζεται με την πρακτική χωρητικότητα λέγεται πρακτική στάθμη φόρτισης (practical state of charge SOC p ). Η SOC p είναι 100% αν μια solar-full στάθμη φόρτισης έχει αποκτηθεί. 4.4 Βάθος εκφόρτισης Το βάθος εκφόρτισης (depth of discharge DOD) είναι το κλάσμα ή το ποσοστό της χωρητικότητας που έχει αφαιρεθεί από την πλήρως φορτισμένη μπαταρία. Το αντίθετο, δηλαδή, από τη στάθμη φόρτισης που όπως είδαμε παραπάνω είναι το ποσοστό της χωρητικότητας που είναι ακόμα διαθέσιμη στη μπαταρία. Παρακάτω φαίνεται η απλή σχέση μεταξύ των δύο: Πίνακας 4.1: Σχέση μεταξύ SOC και DOD Στάθμη φόρτισης (SOC) Βάθος εκφόρτισης (DOD) 100% 0% 75% 25% 50% 50% 25% 75% 0% 100% Παρ όλα αυτά, αυτές οι τιμές για τη στάθμη φόρτισης και το βάθος εκφόρτισης συνήθως αναφέρονται στην ονομαστική χωρητικότητα (π.χ. τη χωρητικότητα για το ρυθμό των 10 ωρών). Για χαμηλότερα ρεύματα εκφόρτισης, μπορεί να συναντήσουμε αναφορές για DOD 30

34 μεγαλύτερο του 100%. Αυτό απλά σημαίνει ότι η μπαταρία μπορεί να παράγει περισσότερο από το 100% της ονομαστικής της χωρητικότητας σε ρυθμούς εκφόρτισης χαμηλότερους από τον ονομαστικό ρυθμό εκφόρτισης[10]. 4.5 Κύκλος / Κύκλος ζωής Με τον όρο κύκλος, περιγράφουμε την επαναλαμβανόμενη διαδικασία εκφόρτισης και φόρτισης που συμβαίνει σε μια μπαταρία σε λειτουργία. Ένας κύκλος ισοδυναμεί με μια εκφόρτιση που ακολουθείται από μια φόρτιση. Ο κύκλος ζωής είναι ένα μέτρο του πόσους κύκλους μια μπαταρία μπορεί να δώσει κατά τη διάρκεια της χρήσιμης ζωής της. Συνήθως αντιστοιχεί στον αριθμό των κύκλων εκφόρτισης για ένα συγκεκριμένο DOD που η μπαταρία μπορεί να πραγματοποιήσει πριν η διαθέσιμη χωρητικότητά της μειωθεί σε ένα συγκεκριμένο ποσοστό (συνήθως 80%) της αρχικής χωρητικότητας. Ο κύκλος ζωής εξαρτάται σε πολύ μεγάλο βαθμό από το βάθος του κάθε κύκλου. Εάν ο κύκλος ζωής μετριέται πειραματικά για ένα υψηλό DOD, τότε σε χαμηλότερα DODs το αποτέλεσμα του γινομένου του αριθμού των κύκλων επί το DOD είναι περίπου σταθερό, δηλαδή ο κύκλος εργασιών της χωρητικότητας (capacity turnover) είναι περίπου ο ίδιος για χαμηλότερα DODs. Χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή όταν αναλύουμε τον κύκλο ζωής που δίνεται από τους κατασκευαστές μπαταρίας. Συνήθως μετριέται σε σχετικά μεγάλα ρεύματα (μικρούς χρόνους εκφόρτισης) και το αναγραφόμενο DOD συχνά αναφέρεται στη χωρητικότητα που είναι διαθέσιμη σε αυτό το μικρό χρόνο εκφότρισης. Ας δώσουμε ένα πιο συγκεκριμένο παράδειγμα. Ένας κατασκευαστής δίνει κύκλο ζωής 400 κύκλων για 50% DOD για το προϊόν του. Σχολαστικότερη παρατήρηση των στοιχείων που δίνει ο κατασκευαστής δείχνουν ότι αυτό έγινε για ρυθμό εκφόρτισης 5 ωρών και το DOD που αναγράφεται αναφέρεται στη χωρητικότητα για αυτό το ρυθμό. Η ονομαστική χωρητικότητα αυτής της μπαταρίας όμως έχει υπολογιστεί για ρυθμό εκφόρτισης 20 ωρών και η χωρητικότητα για ρυθμό εκφόρτισης 5 ωρών είναι το 85% της ονομαστικής χωρητικότητας. Παρ όλο που ο κύκλος εργασιών της χωρητικότητας είναι 400 x 50% = 200 για τον ρυθμό των 5 ωρών, όταν αναφερόμαστε στις πραγματικές Ah είναι μόνο 400 x 50% x 85% =170 για την ονομαστική χωρητικότητα (για ρυθμό 20 ωρών). Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να περιμένουμε μόνο 340 κύκλους σε 50% DOD για την ονομαστική χωρητικότητα, όχι 400. Στις δοκιμές του κύκλου ζωής, στις μπαταρίες πραγματοποιείται μια πλήρης επαναφόρτιση μετά από κάθε εκφόρτιση. Στα φωτοβολταϊκά συστήματα, η επαναφόρτιση δεν είναι τόσο πλήρης. Είναι δηλαδή συνετό, σαν παράγοντας ασφάλειας, να φθείρεται κάπως ο κύκλος ζωής όταν χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των χρόνων ζωής σε φωτοβολταϊκά συστήματα. Συνήθως χρησιμοποιείται ένα ποσοστό 80% του κύκλου ζωής που προκύπτει από τις δοκιμές. Έτσι, στο παραπάνω παράδειγμα για την μπαταρία που ξεκίνησε στους 400 κύκλους για 50% DOD και μειώθηκε στους 340 κύκλους για το 31

35 πραγματικό 50% DOD, θα παίρναμε μόνο 272 τέτοιους κύκλους σε συνθήκες φωτοβολταϊκού συστήματος. Τα πρώτα χρόνια του σχεδιασμού φωτοβολταϊκών συστημάτων, η «εύκολη λύση» για την αύξηση της ζωής της μπαταρίας όταν αυτή ήταν απογοητευτικά χαμηλή σε κάποιες περιπτώσεις, ήταν η αναζήτηση μιας μπαταρίας με αυξημένο κύκλο ζωής. Δυστυχώς, ο κύκλος ζωής δεν είναι ο μόνος παράγοντας που καθορίζει το χρόνο ζωής της μπαταρίας στα φωτοβολταϊκά συστήματα και σε μερικές περιπτώσεις αυτή η αλλαγή οδηγούσε σε ακόμα μικρότερο χρόνο ζωής[10]. Στα αυτόνομα συστήματα παρατηρούνται πολλοί μερικοί κύκλοι (partial cycles) μέσα σε έναν μακρόκυκλο (macrocycle). Ένας μακρόκυκλος είναι ο χρόνος μεταξύ 2 πλήρως φορτισμένων καταστάσεων, ενώ ο μερικός κύκλος ορίζεται ως η μεταφορά φορτίου μέσα στο χρόνο της αλλαγής της κατεύθυνσης του ρεύματος της μπαταρίας. Γενικά, η μεταφορά φορτίου της μπαταρίας στα αυτόνομα συστήματα παραγωγής ενέργειας καθορίζεται από της απόδοση χωρητικότητας (capacity throughput). Αυτή δίνεται από τις συσσωρευμένες αμπερ ώρες που έχουν εκφορτιστεί από τη μπαταρία δια την ονομαστική χωρητικότητα. Ο αριθμός που προκύπτει είναι επίσημα ισοδύναμος με τον αριθμό των 100% DOD κύκλων που πραγματοποιούνται κατά τη διάρκεια της ζωής της μπαταρίας. Αυτός ο κανονικοποιημένος αριθμός αναφέρεται ως απόδοση χωρητικότητας[3]. 4.6 Αποδοτικότητα Η αποδοτικότητα αμπερ ωρών η Αh ορίζεται ως ο λόγος των αμπερ ωρών που εκφορτίζονται από τη μπαταρία προς τις αμπερ ώρες που φορτίζονται στην μπαταρία μέσα σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο (τυπικές περίοδοι είναι ένας μήνας ή ένας χρόνος ή μια περίοδος ανάμεσα σε δύο διαδικασίες πλήρους φόρτισης). Συχνά, αντί για την αποδοτικότητα αμπερ ωρών χρησιμοποιείται ο παράγοντας φόρτισης, ο οποίος ορίζεται ως 1/ η Ah. Για μια βιώσιμη λειτουργία μπαταρίας είναι απαραίτητοι παράγοντες φόρτισης μεγαλύτεροι της μονάδας. Η αποδοτικότητα ενέργειας η Wh είναι ο λόγος της ενέργειας που εκφορτίζεται από μια μπαταρία προς την ενέργεια που φορτίζεται σε μια μπαταρία μέσα σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο[3]. Η ενεργειακή αποδοτικότητα μιας μπαταρίας είναι χαμηλότερη από την αποδοτικότητα αμπερ ωρών διότι οι μπαταρίες εκφορτίζονται σε χαμηλότερη τάση από ότι φορτίζονται. Επειδή η αποδοτικότητα αμπερ ωρών είναι κοντά στη μονάδα, θεωρείται πιο βολικό να δουλεύουμε σε Ah όταν υπολογίζουμε πόση φόρτιση χρειάζεται για να αντικατασταθεί ένα συγκεκριμένο ποσό εκφόρτισης σε φωτοβολταϊκούς (και άλλους) υπολογισμούς. Παρ όλα αυτά, επειδή η αποδοτικότητα αμπερ ωρών για μια πλήρη επαναφόρτιση είναι πάντα ελάχιστα μικρότερη της μονάδας, πρέπει να τροφοδοτηθεί η μπαταρία με λίγο περισσότερες Ah από όσες πραγματικά καταναλώνονται στη διαδιακασία φόρτισης. Αυτό το επιπρόσθετο φορτίο, ή η υπερφόρτιση, καταναλώνεται από άλλες, ανεπιθύμητες, χημικές αντιδράσεις μέσα στη μπαταρία. Στις μπαταρίες 32

36 μολύβδου οξέος και νικελίου καδμίου, αυτές είναι η παραγωγή αερίων οξυγόνου από το νερό στο θετικό ηλεκτρόδιο και στις ανοικτές μπαταρίες, η παραγωγή αερίων υδρογόνου από το νερό στο αρνητικό ηλεκτρόδιο[10]. 4.7 Μέρες αυτονομίας Το μέγεθος μιας μπαταρίας δίνεται από το ονομαστικό ενεργειακό περιεχόμενο (energy content) σε κατάσταση πλήρους φόρτισης. Για να εκφράσουμε το σχετικό μέγεθος μιας μπαταρίας σε σχέση με το φορτίο στα αυτόνομα συστήματα παραγωγής ενέργειας, χρησιμοποιείται συχνά ο όρος μέρες αυτονομίας. Οι μέρες αυτονομίας καθορίζονται από το λόγο του ονομαστικού ενεργειακού περιεχομένου της μπαταρίας (kwh) προς τη μέση ημερήσια ενεργειακή κατανάλωση (kwh/ημέρα). Επομένως, η μονάδα είναι οι «μέρες» και εκφράζει το χρονικό διάστημα για το οποίο το σύστημα μπορεί να τροφοδοτείται μόνο από την πλήρως φορτισμένη μπαταρία[3]. 4.8 Ρεύμα μπαταρίας Τα ρεύματα μπαταρίας δίνονται συνήθως σε σχέση με το μέγεθος της μπαταρίας. Ο λόγος είναι ότι οι εντάσεις και οι εξαρτώμενες από το ρεύμα ηλεκτρικές ιδιότητες σχετίζονται με συγκεκριμένα φορτία στα ηλεκτρόδια όσον αφορά τα ενεργά υλικά. Για μεγαλύτερες χωρητικότητες που έχουν δημιουργηθεί από την παράλληλη σύνδεση ηλεκτροδίων ή κυττάρων ή από μεγαλύτερα ηλεκτρόδια, η κανονικοποίηση του ρεύματος ως προς την χωρητικότητα είναι ένα κατάλληλο μέτρο. Ως εκ τούτου, τα ρεύματα μπαταρίας εκφράζονται ως πολλαπλάσια της χωρητικότητας σε αμπερ ώρες ή ως πολλαπλάσια του ρεύματος εκφόρτισης που καθορίζεται από τη χωρητικότητα. Για μια μπαταρία με χωρητικότητα C = 100 Ah, ένα ρεύμα 10 Α ορίζεται ως 0.1 x C. Στο παράδειγμα, τα 100 Α καλούνται C rate. Το I 10 είναι το ρεύμα που εκφορτίζει μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία μέσα σε 10 ώρες στην καθορισμένη τελική τάση εκφόρτισης. Η τυπική ονοματολογία για τη χωρητικότητα είναι Cx, όπου x είναι ο χρόνος μέσα στον οποίο η μπαταρία εκφορτίζεται. Για παράδειγμα, C 10 = 10 h x I 10 ή C 10 = 100 Ah, I 10 = 10 A = 0.1 x C 10. Αξίζει να σημειωθεί ότι το 1 x I 10 δεν είναι ισοδύναμο με το 10 x I 100 αφού η χωρητικότητα C 100 είναι γενικά μεγαλύτερη από τη χωρητικότητα C 10 [3]. 4.9 Χρόνος ζωής Ο χρόνος ζωής μιας μπαταρίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες λειτουργίας και από τις στρατηγικές ελέγχου. Ο όρος χρόνος ζωής, έχει διαφορετική σημασία για τις πρωτεύουσες και για τις δευτερεύουσες μπαταρίες. Ο χρόνος ζωής (ή ζωή 33

37 «ραφιού» - shelf life) στις πρωτεύουσες μπαταρίες περιορίζεται από την αυτοεκφόρτισή τους και ορίζεται συνήθως σαν ο χρόνος που χρειάζεται η μπαταρία για να φτάσει το 90% της αρχικής της χωρητικότητας. Αντίθετα, ο χρόνος ζωής των δευτερευουσών μπαταριών ορίζεται σαν τη διάρκεια ικανοποιητικής επίδοσης που μετράται σε χρόνια (float ή ημερολογιακός χρόνος ζωής) ή σαν τον αριθμό των κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης (κύκλος ζωής). Το κριτήριο τέλους ζωής για τις δευτερεύουσες μπαταρίες καθορίζεται συνήθως από το χρόνο που απαιτείται για να φτάσει η μπαταρία το 80% της αρχικής της χωρητικότητας. Ο αριθμός των κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης τυπικά αυξάνεται καθώς μειώνεται το DOD. Και οι δύο τύποι χρόνου ζωής των δευτερευουσών μπαταριών, επηρεάζονται από έναν αριθμό συνθηκών, μεταξύ αυτών από τη θερμοκρασία κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, το DOD, το ρεύμα φόρτισης και εκφόρτισης, τη μέθοδο ελέγχου της φόρτισης, την έκθεση σε υπερφόρτιση και/ή υπερεκφόρτιση και τη διάρκεια και τις συνθήκες αποθήκευσης Αυτοεκφόρτιση Αυτοεκφόρτιση ονομάζεται η απώλεια φορτίου σε μια μπαταρία αν αυτή αφεθεί σε κατάσταση ανοικτού κυκλώματος για υπολογίσιμο χρονικό διάστημα. Για παράδειγμα, σε μια πρωτεύουσα μπαταρία που είναι τοποθετημένη στο ράφι ενός καταστήματος για μερικά χρόνια δε θα έχει απομείνει ολόκληρη η χωρητικότητά της. Για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης συνήθως αντιστοιχεί σε ένα ποσοστό χωρητικότητας που χάνεται ανά μήνα όταν αρχίζουμε με μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία, πρέπει όμως να αναφέρεται μαζί με τη θερμοκρασία της μπαταρίας. Σε πολλές περιπτώσεις, ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης διπλασιάζεται για κάθε αύξηση 10 ο C στη θερμοκρασία της μπαταρίας. Στους περισσότερους υπολογισμούς για φωτοβολταϊκές μπαταρίες, ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης των προτιμώμενων τύπων μπαταριών είναι χαμηλός (μεταξύ 1 και 4% ανά μήνα σε θερμοκρασία ο C ) και η αυτοεκφόρτιση απαιτεί τόσο μικρό ποσοστό επιπρόσθετης φόρτισης συγκριτικά με το φορτίο (ή ακόμα και τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό ελέγχου) που μπορεί εύκολα να αγνοηθεί[10] Κατάσταση υγείας Η κατάσταση της υγείας ορίζεται σαν ο λόγος της πραγματικά μετρούμενης χωρητικότητας και της ονομαστικής χωρητικότητας. Η κατάσταση υγείας υποδεικνύει σε ποιο βαθμό η μπαταρία είναι ακόμα ικανή να πληροί τις απαιτήσεις του συστήματος. Σύμφωνα με τα πρότυπα, οι μπαταρίες μολύβδου οξέος είναι στο τέλος της ζωής τους αν η κατάσταση της υγείας τους είναι κάτω από 80%. Παρ όλα αυτά, οι μπαταρίες μπορούν να λειτουργήσουν για πολύ περισσότερο, οι μέρες αυτονομίας τους όμως μειώνονται αναλόγως και το σύστημα μπορεί να μην είναι σε θέση να ικανοποιήσει πλέον τις ενεργειακές απαιτήσεις. Μπαταρίες που λειτουργούν σε κατάσταση υγείας περίπου 50% συναντώνται συχνά, κυρίως σε υβριδικά συστήματα. Αυτό έχει σαν συνέπεια το μερίδιο της γεννήτριας να αυξάνεται[3]. 34

38 4.12 Ρυθμός εκφόρτισης, ρυθμός φόρτισης Οι ρυθμοί εκφόρτισης και φόρτισης είναι βολικές κλίμακες για τη σύγκριση ρευμάτων στα οποία φορτίζονται οι μπαταρίες, ανεξάρτητα από τη χωρητικότητά τους. Εκφράζονται ως ένας αριθμός ωρών, π.χ. ο ρυθμός 10 ωρών, 240 ωρών κλπ. Το ρεύμα στο οποίο αντιστοιχούν είναι η κατάλληλη ολική χωρητικότητα εκφόρτισης διαιρεμένη με τον αριθμό των ωρών[10]: Για παράδειγμα, C/10 (ρυθμός 10 ωρών) είναι ένα ρεύμα που ισούται με την ονομαστική χωρητικότητα σε Ah διαιρεμένη δια Ενεργειακό περιεχόμενο Στη γενική της μορφή, η ενέργεια σε Wh που μπορεί να αποδώσει η μπαταρία αναπαρίσταται από το γινόμενο E = Όπου U η τάση σε V, I το ρεύμα εκφόρτισης σε Α και t ο χρόνος εκφόρτισης σε ώρες[13]. Οι μετρήσεις χωρητικότητας συνήθως διεξάγονται σε ένα φορτίο σταθερού ρεύματος και η ενέργεια εξόδου υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας τη χωρητικότητα που μετρήθηκε επί την τάση εκφόρτισης. Ως εκ τούτου, είτε χρησιμοποιείται το ακριβές ολοκλήρωμα της παραπάνω εξίσωσης είτε μέσες τάσεις. Αντίστοιχοι όροι είναι: Αρχική τάση εκφόρτισης: τάση τη στιγμή που εφαρμόζεται το φορτίο. Μέση τάση εκφόρτισης: η μέση τιμή της τάσης καθ όλη τη διάρκεια της εκφόρτισης. Τάση εκφόρτισης στο μέσο της διαδρομής: η τάση όταν το 50% της χωρητικότητας έχει εκφορτιστεί (περίπου ίση με τη μέση τάση). Για εκφόρτιση με σταθερή αντίσταση, όπως συνήθως συμβαίνει στις πρωτεύουσες μπαταρίες, με R(Ω) = σταθερό ωμικό φορτίο, εφαρμόζεται η παρακάτω σχέση: E = 35

39 4.14 Ειδική ενέργεια, ενεργειακή πυκνότητα Για τη σύγκριση συστημάτων, έχει γίνει κοινή πρακτική να συσχετίζεται το ενεργειακό περιεχόμενο μιας δοσμένης μπαταρίας με το βάρος ή τον όγκο της. Η σχετική με το βάρος ενέργεια ονομάζεται ειδική ενέργεια και μετριέται σε Wh/kg. Μια τυπική τιμή για την ειδική ενέργεια μιας μπαταρίας έλξης (traction battery) μολύβδου οξέος είναι 25 Wh/kg. Για σύγκριση, παρατίθεται ότι μια σύγχρονη μπαταρία ιόντων λιθίου προσφέρει περίπου 125 Wh/kg[13]. Η σχετική με τον όγκο ενέργεια ονομάζεται ενεργειακή πυκνότητα και συναντάται με τις μονάδες Wh/L ή Wh/cm 3. Η ενεργειακή πυκνότητα έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τις μπαταρίες που σχεδιάζονται να τροφοδοτούν φορητό εξοπλισμό. Σε τέτοιου είδους εφαρμογές, το μέγεθος της μπαταρίας είναι συνήθως πιο σημαντικό από ότι το βάρος της. Τα σημερινά συστήματα καλύπτουν ένα εύρος από 150 mwh/cm 3 (ψευδάργυρος/ άνθρακας) μέχρι 1.2 Wh/cm 3 (alkaline zinc / αέρας). Πολλές πρόοδοι έχουν σημειωθεί στην τεχνολογία των μπαταριών τα τελευταία χρόνια, τόσο μέσω της συνεχούς βελτίωσης ενός συγκεκριμένου ηλεκτροχημικού συστήματος όσο και μέσω της ανάπτυξης και εισαγωγής μπαταριών διαφορετικής χημικής σύστασης. Όμως οι μπαταρίες δε συμβαδίζουν με τις εξελίξεις στην τεχνολογία των ηλεκτρονικών, όπου οι επιδόσεις διπλασιάζονται κάθε 18 μήνες, ένα φαινόμενο γνωστό ως ο νόμος του Moore. Οι μπαταρίες, λοιπόν, αντίθετα με τις ηλεκτρονικές συσκευές, καταναλώνουν υλικά όταν παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια και υπάρχουν θεωρητικοί περιορισμοί στο ποσό της ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να αποδοθεί ηλεκτροχημικά από τα διαθέσιμα υλικά. Το άνω όριο τώρα επιτυγχάνεται εφόσον τα περισσότερα από τα υλικά που είναι ικανά να λειτουργήσουν ως ενεργά υλικά έχουν διερευνηθεί και η λίστα των ανεξερεύνητων υλικών μικραίνει. Όπως φαίνεται στον πίνακα 4.2, εκτός από μερικά συστήματα, όπου το βάρος του ενεργού υλικού της καθόδου δεν περιλαμβάνεται στον υπολογισμό, οι τιμές για τη θεωρητική ενεργειακή πυκνότητα δεν υπερβαίνουν τις 1500 Wh/L. Οι περισσότερες από τις τιμές είναι, στην πραγματικότητα, χαμηλότερες. Τα δεδομένα στον πίνακα αυτό, δείχνουν επίσης ότι η ειδική ενέργεια που παρέχεται από αυτές τις μπαταρίες (με βάση τις πραγματικές επιδόσεις όταν έχουμε εκφόρτιση υπό βέλτιστες συνθήκες) δεν υπερβαίνει τις 450 Wh/kg. Ομοίως, οι τιμές της ενεργειακής πυκνότητας δεν υπερβαίνουν τις 1000 Wh/L. Αξίζει, ακόμα, να σημειωθεί ότι οι τιμές για τα επαναφορτιζόμενα συστήματα είναι χαμηλότερες από αυτές στις πρωτεύουσες μπαταρίες, κατά ένα μέρος λόγω του πιο περιορισμένου εύρους υλικών που μπορούν να επαναφορτιστούν πρακτικά και της ανάγκης για σχεδιασμούς που θα βελτιώνουν την επαναφόρτιση και τον κύκλο ζωής[9]. 36

40 Πίνακας 4.2: Τάση, Χωρητικότητα και Ειδική Ενέργεια των κύριων συστημάτων επαναφορτιζόμενων μπαταριών - θεωρητικές και πρακτικές τιμές Αναγνωρίζοντας αυτούς τους περιορισμούς, όταν θα διερευνούνται νέα συστήματα μπαταριών, θα είναι πολύ πιο δύσκολο να αναπτυχθεί ένα νέο σύστημα μπαταρίας το οποίο θα έχει σημαντικά υψηλότερη ενεργειακή έξοδο και ταυτόχρονα θα πληροί τις προϋποθέσεις ενός επιτυχημένου εμπορικού προϊόντος, συμπεριλαμβανομένης της διαθεσιμότητας των υλικών, του αποδεκτού κόστους και της ασφάλειας και προστασίας του περιβάλλοντος. Η έρευνα και η ανάπτυξη στις μπαταρίες θα εστιάσουν στη μείωση της αναλογίας ανενεργών προς ενεργών υλικών με σκοπό τη βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας, στην αύξηση της απόδοσης μετατροπής και ικανότητας επαναφόρτησης, στη μεγιστοποίηση της απόδοσης υπό τις πιο αυστηρές συνθήκες λειτουργίας και στην ενίσχυση της ασφάλειας και προστασίας του περιβάλλοντος Εσωτερική αντίσταση Η εσωτερική αντίσταση χαρακτηρίζει την ικανότητα της μπαταρίας να χειρίζεται ένα συγκεκριμένο φορτίο. Καθορίζει την ισχύ εξόδου της μπαταρίας και μια γενική απαίτηση είναι η DC εσωτερική αντίσταση να είναι σημαντικά χαμηλότερη από αυτή της συσκευής (1/10 ή λιγότερο), διαφορετικά η πτώση τάσης που θα προκληθεί από την απαίτηση ρεύματος της συσκευής κατανάλωσης θα περιόριζε την διάρκεια της λειτουργίας της μπαταρίας πολύ νωρίς. Η ερμηνεία του όρου «εσωτερική αντίσταση» θέλει προσοχή, γιατί δεν είναι απλά μια ωμική αντίσταση και ο καθορισμός της εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο 37

41 χρησιμοποιείται καθώς επίσης και από τη στάθμη φόρτισης της μπαταρίας. Στα περισσότερα συστήματα μπαταριών, η εσωτερική αντίσταση αυξάνεται όταν η μπαταρία πλησιάζει το τέλος της εκφόρτισης λόγω της μειωμένης αγωγιμότητας των ενώσεων που έχουν σχηματιστεί. Κυρίως, εφαρμόζεται η μέθοδος συνεχούς ρεύματος, όπου η τελική τάση συγκρίνεται σε 2 διαφορετικά φορτία. Η μπαταρία φορτίζεται για μερικά δευτερόλεπτα με το ρεύμα i 1 και προκύπτει η τάση U 1. Στη συνέχεια, το ρεύμα αυξάνεται στην τιμή i 2 και η τάση της μπαταρίας μειώνεται στην τιμή U 2 και η εσωτερική αντίσταση R i υπολογίζεται σύμφωνα με τη σχέση Αυτό το R i περιλαμβάνει την ωμική αντίσταση ανάμεσα στα ηλεκτρόδια και τον ηλεκτρολύτη καθώς επίσης και την υπέρταση στα όρια φάσης μεταξύ των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη. Η παραπάνω εξίσωση υποδεικνύει ότι η υπέρταση είναι σχετικά μικρή σε σύγκριση με την ωμική πτώση τάσης. Για μπαταρίες με υδάτινο ηλεκτρολύτη, η εσωτερική αντίσταση μπορεί να καθοριστεί με αυτή τη μέθοδο μόνο για την εκφόρτιση. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης αυτό δεν είναι δυνατό λόγω της υψηλής υπέρτασης των αντιδράσεων αεριοποίησης. Όταν μια διαδικασία διάχυσης περιορίζει τη μεταφορά των αντιδρώντων σωματιδίων και δημιουργεί ένα ρεύμα περιορισμού, η αύξηση της τάσης δεν μπορεί πια να αυξήσει το ρεύμα. Η παραπάνω εξίσωση θα οδηγούσε σε αυτή την περίπτωση σε Ri. Ένα παράδειγμα τέτοιας συμπεριφοράς είναι το σύστημα αέρα/ψευδαργύρου: με την άυξηση του ρεύματος i η μεταφορά του οξυγόνου, που καθορίζεται από το ρυθμό διάχυσης, και η τάση υπό ένα μεγαλύτερο φορτίο καταρρέουν. Το ρεύμα βραχυκυκλώματος έχει ενδιαφέρον, ιδιαίτερα για μεγάλες στάσιμες μπαταρίες, εφόσον αναπαριστά το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να δώσει η μπαταρία για μια μικρή χρονική περίοδο. Η τιμή του βοηθάει στην εκτίμηση του μεγέθους μιας ασφάλειας που μπορεί να λειτουργεί μαζί με την μπαταρία. Το ρεύμα βραχυκυκλώματος καθορίζεται από την παραπάνω εξίσωση με προέκταση του αποτελέσματος για μηδενική τάση. Αναπαριστά μια δυναμική παράμετρο, η οποία μειώνεται γρήγορα με τη διαδικασία της εκφόρτισης. Οι τιμές που δίνονται πάντα αναφέρονται σε φορτισμένη μπαταρία, αν δε διευκρινίζεται το αντίθετο. Η AC εσωτερική αντίσταση μιας μπαταρίας είναι μια σύνθετη παράμετρος με δυσκολία στην ερμηνεία, αφού η AC συμπεριφορά μιας μπαταρίας μπορεί μόνο να προσεγγιστεί από ένα ισοδύναμο κύκλωμα με πολλά στοιχεία. Τις τελευταίες δεκαετίες, το ωμικό μέρος της αντίστασης έχει αποκτήσει μεγαλύτερη σημασία ως μια δυνατότητα ελέγχου της κατάστασης των ρυθμιζόμενων από βαλβίδα μπαταριών μολύβδου οξέος, οι οποίες διαφορετικά θα μπορούσαν να καθοριστούν μόνο από την εκφόρτιση. Η αντίσταση μετράται κυρίως σε μια συχνότητα 1000Hz. Σε μια τόσο μεγάλη συχνότητα δε δίνει καμία πληροφορία για την ηλεκτροχημεία της μπαταρίας παρά μόνο για τα ωμικά στοιχεία του, 38

42 συμπεριλαμβανομένου του ηλεκτρολύτη. Οι τιμές που προκύπτουν χρησιμοποιούνται μόνο για τη σύγκριση και τον εντοπισμό ελαττωματικών κυττάρων σε μια σειρά[13] Ειδικό βάρος Ειδικό βάρος (specific gravity) ονομάζεται ο λόγος ενός διαλύματος προς έναν ίσο όγκο νερού σε μια καθορισμένη θερμοκρασία. Το μέγεθος αυτό χρησιμοποιείται σαν δείκτης για τη στάθμη φόρτισης ενός στοιχείου ή μιας μπαταρίας[12] Ειδική ισχύς Η ειδική ισχύς (specific power) δείχνει την ικανότητα φόρτισης ή το ποσό του ρεύματος που μπορεί να τροφοδοτήσει η μπαταρία. Μπαταρίες για εργαλεία ισχύος παρουσιάζουν υψηλή ειδική ισχύ αλλά μειωμένη ειδική ενέργεια[14]. Ειδική ισχύς σημαίνει χαμηλή εσωτερική αντίσταση. Μια μπαταρία μπορεί να έχει υψηλή ειδική ενέργεια αλλά χαμηλή ειδική ισχύ, όπως είναι η περίπτωση της αλκαλικής μπαταρίας. Εναλλακτικά, μια μπαταρία μπορεί να έχει χαμηλή ειδική ενέργεια αλλά να μπορεί να αποδόσει μεγάλη ειδική ισχύ, κάτι το οποίο είναι δυνατό με τους supercapacitors. 39

43 40

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ ΜΟΛΥΒΔΟΥ ΟΞΕΟΣ 5.1 Γενικά για τις μπαταρίες μολύβδου οξέος. Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος (lead acid, L-A) εφευρέθηκαν το 1859 από τον Γάλλο φυσικό Gaston Planté και είναι ο πιο παλιός τύπος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας. Είναι εμπορικά διαθέσιμες για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας εδώ και περισσότερο από 100 χρόνια. Έχουν αποτελέσει, και παραμένουν ακόμα και σήμερα, το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο σύστημα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας για δεκαετίες. Χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι και στα δύο ηλεκτρόδια χρησιμοποιείται ο μόλυβδος σαν ενεργό υλικό, όπως θα δούμε παρακάτω. Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών από SLI μπαταρίες σε αυτοκίνητα και φορτηγά μέχρι UPS, από μπαταρίες ανύψωσης φορτίου για σταθεροποίηση του δικτύου μέχρι μπαταρίες έλξης (περονοφόρα ανυψωτικά οχήματα και άλλα) και φυσικά αυτόνομα συστήματα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Διαφορετικοί σχεδιασμοί έχουν αναπτυχθεί για διαφορετικές εφαρμογές έτσι ώστε να καλύπτονται οι κάθε είδους απαιτήσεις. Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος είναι μακράν ο φθηνότερος τύπος μπαταρίας συγκριτικά με όλα τα άλλα άμεσα διαθέσιμα συστήματα αποθήκευσης με κατάλληλα χαρακτηριστικά ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις που θέτει ένα αυτόνομο σύστημα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Παρά το γεγονός ότι η μπαταρία μολύβδου οξέος είναι η λιγότερο ακριβή μπαταρία αποθήκευσης για κάθε σχεδόν εφαρμογή, τα χαρακτηριστικά και η απόδοσή της είναι πολύ ικανοποιητικά. Ένα αρκετά σημαντικό μειονέκτημα των μπαταριών μολύβδου οξέος είναι το χαμηλό ειδικό σταθμικό ενεργειακό περιεχόμενο (specific gravimetric energy content) λόγω του υψηλού μοριακού βάρους του μολύβδου. Παρ όλα αυτά, αυτή δεν είναι μια παράμετρος μεγάλης σημασίας για τα αυτόνομα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αφού η μπαταρία είναι σταθερή[3]. Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος αποτέλεσαν για πολλά χρόνια την πρώτη επιλογή για τα αυτόνομα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και με αρκετά καλή αποτελεσματικότητα και αυτό δε φαίνεται να αλλάζει άμεσα. 5.2 Η χημεία των μπαταριών μολύβδου οξέος. Στην κατάσταση φόρτισης οι μπαταρίες μολύβδου οξέος αποτελούνται από ένα θετικό ηλεκτρόδιο με διοξείδιο του μολύβδου (PbO 2 ) σαν ενεργό υλικό και ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο στο οποίο το ενεργό υλικό είναι μεγάλης επιφάνειας σπογγώδης μόλυβδος 41

45 (Pb). Και τα δύο ηλεκτρόδια περιέχουν ένα πλέγμα στήριξης, κατασκευασμένο από σκληρά κράματα μολύβδου.οι φυσικές και χημικές ιδιότητες αυτών των υλικών φαίνονται στον πίνακα 5.1. Πίνακας 5.1: Φυσικές και χημικές ιδιότητες μολύβδου και οξειδίων του μολύβδου Τυπικά, ένα φορτισμένο θετικό ηλεκτρόδιο περιέχει και α-pbo 2 (ορθορομβικό) και β-pbo 2 (τετράγωνο). Το δυναμικό ισορροπίας του α-pbo 2 είναι πιο θετικό κατά 0.01 V από αυτό του β-pbo 2. Ο τύπος α έχει επίσης μια μεγαλύτερη, πιο συμπαγή μορφολογία κρυστάλλου που είναι λιγότερο ενεργή ηλεκτροχημικά και ελαφρώς χαμηλότερη σε χωρητικότητα ανά μονάδα βάρους. Παρ όλα αυτά προάγει ένα μεγαλύτερο κύκλο ζωής[9]. Ανάμεσα στα ηλεκτρόδια, τοποθετείται ένας διαχωριστής που ως σκοπό έχει να αποτρέψει βραχυκυκλώματα μεταξύ των ηλεκτροδίων. Ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται διάλυμα θειικού οξέος σε νερό (περίπου g/l, πυκνότητα kg/l)[10]. Τα κύρια χαρακτηριστικά και ιδιότητες του ηλεκτρολύτη θειικού οξέος, που εφαρμόζονται στη λειτουργία της μπαταρίας μολύβδου οξέος, φαίνονται στον πίνακα 5.2[9]. 42

46 Πίνακας 5.2: Ιδιότητες διαλυμάτων θειικού οξέος Παρακάτω φαίνεται επίσης ένα διάγραμμα που δείχνει τα σημεία ψύξης των διαλυμάτων θειικού οξέος σε διάφορες συγκεντρώσεις (σχήμα 5.1). Το σημείο ψύξης υδάτινων διαλυμάτων θειικού οξέος ποικίλει σημαντικά σε σχέση με τη συγκέντρωση. Πρέπει λοιπόν οι μπαταρίες να σχεδιάζονται έτσι ώστε η συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη να είναι πάνω από την τιμή στην οποία ο ηλεκτρολύτης θα πάγωνε κατά την έκθεση στο αναμενόμενο κρύο. Εναλλακτικά, η μπαταρία μπορεί να μονώνεται ή να θερμαίνεται έτσι ώστε η θερμοκρασία της να παραμένει πάνω από τη θερμοκρασία ψύξης του ηλεκτρολύτη. Στο σχήμα 5.2 φαίνεται η ειδική αντίσταση διαλυμμάτων θειικού οξέος σε διάφορες τιμές ειδικού βάρους σα συνάρτηση της θερμοκρασίας από -40 ως 40 ο C. Σχήμα 5.1: Σημεία ψύξης διαλυμάτων θειικού οξέος σε διαφορες συγκεντρώσεις 43

47 Σχήμα 5.2:Ειδική αντίσταση διαλυμάτων θειικού οξέος σε διάφορες τιμές ειδικού βάρους σα συνάρτηση της θερμοκρασίας Η επιλογή του ειδικού βάρους του ηλεκτρολύτη εξαρτάται από την εφαρμογή και από τις απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιούνται. Μερικά παραδείγματα φαίνονται στον πίνακα 5.3. Η συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη πρέπει να είναι αρκετά υψηλή για να επιτυγχάνεται καλή ιοντική αγωγιμότητα και για να ικανοποιούνται οι ηλεκτροχημικές απαιτήσεις, αλλά όχι τόσο υψηλή ώστε να προκαλέσει διάβρωση σε μέρη του στοιχείου, η οποία θα αύξανε την αυτοεκφόρτιση και θα μείωνε τη ζωή της μπαταρίας. Η συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη μειώνεται σκόπιμα σε θερμά κλίματα. Κατά την εκφόρτιση, το ειδικό βάρος μειώνεται κατ αναλογία με τις αμπερ ώρες που εκφορτίζονται, όπως φαίνεται στον πίνακα

48 Πίνακας 5.3: Ειδικό βάρος του ηλεκτρολύτη σε πλήρες φορτίο στους 25 ο C Πίνακας 5.4:Ειδικό βάρος ηλεκτρολύτη μπαταριών μολύβδου οξέος σε διαφορετικές στάθμες φόρτισης για τους παρακάτω σχεδιασμούς σχεδιασμούς: Α-μπαταρία ηλεκτρικού οχήματος, Β-μπαταρία έλξης, C-μπαταρία SLI και D-σταθερή μπαταρία Το ειδικό βάρος είναι επομένως ένα μέσο για να ελέγχεται η στάθμη φόρτισης της μπαταρίας. Κατά τη φόρτιση, η αλλαγή στο ειδικό βάρος θα έπρεπε να είναι ανάλογη με τις αμπερ ώρες με τις οποίες φορτίζεται το στοιχείο. Παρ όλα αυτά, υπάρχει μια καθυστέρηση, καθώς η πλήρης ανάμειξη του ηλεκτρολύτη δεν πραγματοποιείται μέχρι να ξεκινήσει η αεριοποίηση προς το τέλος της φόρτισης. Όπως είδαμε παραπάνω, τα ειδικά βάρη για διάφορους τύπους μπαταριών μολύβδου οξέος δίνονται στον πίνακα 5.3 και η μεταβολή του ειδικού βάρους για διάφορες στάθμες φόρτισης φαίνεται στον πίνακα 5.4. Μία σύγκριση με τα δεδομένα για το σημείο ψύξης θα δείξει ότι ο τύπος Α ψύχεται στους - 30 ο C όταν είναι η μπαταρία είναι πλήρως εκφορτισμένη ενώ ο τύπος D ψύχεται στους -5 ο C περίπου, ένας παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπόψιν κατά το σχεδιασμό της μπαταρίας και του περιβάλλοντος που θα τοποθετηθεί. Η συγκέντρωση του οξέος για τις περισσότερες μπαταρίες μολύβδου οξέος που προορίζονται για χρήση σε εύκρατα κλίματα είναι συνήθως μεταξύ 1.26 και 1.28 ειδικό βάρος. Υψηλότερης συγκέντρωσης ηλεκτρολύτες τείνουν να επιτίθενται σε κάποιους διαχωριστές ή άλλα μέρη του στοιχείου, ενώ χαμηλότερης συγκέντρωσης ηλεκτρολύτες τείνουν να είναι ανεπαρκώς αγώγιμοι σε ένα μερικώς φορτισμένο στοιχείο και ψύχονται σε χαμηλές θερμοκρασίες. 45

49 Το σχήμα 5.3 παριστάνει τη μέθοδο προετοιμασίας διαλυμάτων θειικού οξέος οποιουδήποτε ειδικού βάρους από πυκνό θειικό οξύ. Σχήμα 5.3: Προετοιμασία διαλυμάτων θειικού οξέος οποιουδήποτε ειδικού βάρους από πυκνό θειικό οξύ Οι παρακάτω αντιδράσεις περιγράφουν τις χημικές διεργασίες που πραγματοποιούνται σε ένα στοιχείο μολύβδου οξέος: Θετικό ηλεκτρόδιο Αρνητικό ηλεκτρόδιο Αντίδραση στοιχείου Το διοξείδιο του μολύβδου και ο μόλυβδος μετατρέπονται και τα δύο σε θειικό μόλυβδο (PbSO 4 ) κατά την εκφόρτιση. Ο μηχανισμός φόρτισης εκφόρτισης, γνωστός ως αντίδραση διπλής θείωσης (double sulphate reaction) φαίνεται γραφικά στο σχήμα

50 Σχήμα 5.4: Αντιδράσεις εκφόρτισης και φόρτισης του κυττάρου μολύβδου οξέος: (a) Αντιδράσεις εκφόρτισης, (b) Αντιδράσεις φόρτισης Παρατηρούμε ότι ο ηλεκτρολύτης (θειικό οξύ) λαμβάνοντας μέρος στις βασικές αντιδράσεις φόρτισης και εκφόρτισης, καταναλώνεται κατά την εκφόρτιση και αναγεννάται κατά τη φόρτιση. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, καθώς το θειικό οξύ του ηλεκτρολύτη καταναλώνεται, παράγοντας νερό, ο ηλεκτρολύτης είναι ένα «ενεργό» υλικό και σε συγκεκριμένους σχεδιασμούς μπαταριών μπορεί να ένα περιοριστικό για τη χωρητικότητα υλικό. Η κατανάλωση και αναγέννηση του θειικού οξέος σημαίνει αφενός ότι η συγκέντρωση του οξέος (ή πυκνότητα) αλλάζει μεταξύ φόρτισης και εκφόρτισης και αφετέρου ότι χρειάζεται επαρκής ποσότητα οξέος και στα δύο ηλεκτρόδια όταν η μπαταρία εκφορτίζεται προκειμένου να επιτευχθεί η πλήρης χωρητικότητα. Η συγκέντρωση του θειικού οξέος κατά την εκφόρτιση της μπαταρίας μειώνεται γραμμικά με την στάθμη φόρτισης (SOC). Αυτή είναι μια σημαντική διαφορά σε σχέση με σχεδόν όλους τους άλλους τύπους μπαταριών, όπου ο ηλεκτρολύτης λειτουργεί μόνο σαν ένας αγωγός ιόντων. Στις μπαταρίες μολύβδου οξέος λειτουργεί επίσης ως η πηγή των ιόντων που αντισταθμίζουν το διαλυμένο στον ηλεκτρολύτη φορτίο από την ηλεκτροχημική διαδικασία. Έτσι, ο 47

51 ηλεκτρολύτης υπόκειται σε δομικές αλλαγές όπως και τα υλικά των ηλεκτροδίων. Αυτός είναι ένας σημαντικός λόγος για ορισμένα χαρακτηριστικά και φαινόμενα γήρανσης της μπαταρίας που θα αναφερθούν αργότερα. Καθώς το στοιχείο πλησιάζει την πλήρη φόρτιση και το μεγαλύτερο μέρος του PbSO 4 έχει μετατραπεί σε Pb ή PbO 2, η τάση φόρτισης του στοιχείου γίνεται μεγαλύτερη από την τάση αεριοποίησης (περίπου 2.39 V/στοιχείο) και ξεκινούν οι αντιδράσεις υπερφόρτισης, που έχουν ως αποτέλεσμα την παραγωγή υδρογόνου και οξυγόνου (αεριοποίηση) και την επακόλουθη απώλεια νερού. Αρνητικό ηλεκτρόδιο Θετικό ηλεκτρόδιο Συνολική Αντίδραση Η αεριοποίηση και η απώλεια νερού θα αναλυθούν περισσότερο στο κεφάλαιο 10 (Προβλήματα Λύσεις). Τα γενικά χαρακτηριστικά επίδοσης ενός στοιχείου μολύβδου οξέος κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση φαίνονται στο σχήμα 5.5. Καθώς το στοιχείο εκφορτίζεται, η τάση μειώνεται λόγω εξάντλησης του υλικού, απωλειών στην εσωτερική αντίσταση και λόγω πόλωσης. Αν το ρεύμα εκφόρτισης είναι σταθερό, η τάση υπό φορτίο μειώνεται ομαλά μέχρι την τάση αποκοπής και το ειδικό βάρος μειώνεται ανάλογα με τις αμπερ ώρες που εκφορτίζονται. Σχήμα 5.5:Τυπικά χαρακτηριστικά τάσης και ειδικού βάρους ενός κυττάρου μολύβδου οξέος σε φόρτιση και εκφόρτιση σταθερού ρυθμού Μια ανάλυση της συμπεριφοράς του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου μπορεί να γίνει αν μετρηθεί η τάση μεταξύ κάθε ηλεκτροδίου και ενός ηλεκτροδίου αναφοράς, η οποία ονομάζεται τάση ημίσεως στοιχείου. Το σχήμα 5.6 απεικονίζει αυτή την ανάλυση χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρόδιο αναφοράς από κάδμιο. 48

52 Σχήμα 5.6: Τυπικές καμπύλες φόρτισης εκφόρτισης ενός κυττάρου μολύβδου οξέος Η αγορά, ωστόσο, απομακρύνεται από τη χρήση ηλεκτροδίων αναφοράς από κάδμιο και στρέφεται σε πιο σταθερά υλικά όπως είναι το υδρογόνο σε πλατίνα, που όμως δεν είναι πρακτικό για τις περισσότερες μετρήσεις σε μπαταρίες μολύβδου οξέος. Ακόμη χρησιμοποιούνται συστήματα με βάση το θείο ως ηλεκτρόδια αναφοράς καθώς επίσης και με υδράργυρο ή θειικό υδράργυρο. Ένα νέο ηλεκτρόδιο αναφοράς Pb/H 2 SO 4 /PbO 2 έχει κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Το ηλεκτρόδιο αυτό μετρά την πόλωση στη φόρτιση ή την εκφόρτιση απευθείας, χωρίς να υπάρχει ανάγκη διόρθωσης διάφορων θερμικών συντελεστών. Η αλλαγή στην πόλωση μεταξύ της αρχής και του τέλους της εκφόρτισης είναι τυπικά από 50 ως μερικές εκατοντάδες mv και η χωρητικότητα του στοιχείου περιορίζεται από την ομάδα των ηλεκτροδίων (θετικά ή αρνητικά) που έχει τη μεγαλύτερη αλλαγή στην πόλωση κατά την εκφόρτιση. Όταν η αλλαγή και στις δύο ομάδες είναι περίπου η ίδια, ο περιορισμός της χωρητικότητας οφείλεται περισσότερο στην εξάντληση του H 2 SO 4 του ηλεκτρολύτη παρά στην εξάντληση του Pb ή PbO 2 στα ηλεκτρόδια. Στη φόρτιση, η πόλωση είναι ένα καλό μέτρο ότι το θετικό και το αρνητικό ηλεκτρόδιο έχουν επαναφορτιστεί: οι πολώσεις των ηλεκτροδίων αλλάζουν κατά περισσότερο από 60mV μεταξύ αρχής και τέλους της επαναφόρτισης. Οι τάσεις πόλωσης σταθεροποιούνται σε κάποια τιμή, όταν οι πλάκες έχουν επαναφορτιστεί και εκλύουν αέρια ελεύθερα. Η ηλεκτροχημική ισορροπία αποτελείται πάντα από δύο αντιδράσεις, τη βασική αντίδραση και την αντίστροφή της. Η σχέση που προκύπτει μεταξύ ρεύματος και τάσης καλείται «καμπύλη ρεύματος/τάσης» ή «καμπύλη ρεύματος/δυναμικού». Η βασική και η αντίστροφη αντίδραση ενός αυθαίρετου ηλεκτροδίου φαίνονται στο σχήμα 5.7. Ο οριζόντιος άξονας παριστάνει το δυναμικό του ηλεκτροδίου σε σχέση με το δυναμικό ισορροπίας Ε ο. Ο κατακόρυφος άξονας παριστάνει την πυκνότητα ρεύματος, που είναι συνώνυμη με την ταχύτητα της αντίδρασης. 49

53 Σχήμα 5.7: Βασική και αντίστροφη αντίδραση ενός αυθαίρετου ηλεκτροδίου Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται η καμπύλη ρεύματος/τάσης για ένα ηλεκτρόδιο μολύβδου μιας μπαταρίας μολύβδου οξέος. Η καμπύλη αυτή βασίζεται στην εξίσωση Butler-Volmer[3]. Η εκθετική σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος βασίζεται στο γεγονός ότι η αντίδραση φόρτισης/εκφόρτισης, στην οποία τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται ή απορροφούνται (η επονομαζόμενη αντίδραση μεταφοράς) μπορεί να περιγραφεί κατά προσέγγιση από έναν εκθετικό νόμο, ο οποίος καλείται εξίσωση Butler-Volmer. Στην παραπάνω σχέση το i είναι η πυκνότητα του ρεύματος, το i o η πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής, το Ε το πραγματικό δυναμικό, το Ε ο το δυναμικό ανοικτού κυκλώματος του ηλεκτροδίου και το α ο παράγοντας μεταφοράς που περιγράφει την αποδοτικότητα της υπέρτασης στις αντιδράσεις (προς τα εμπρός και προς τα πίσω αντιδράσεις). Η διαφορά Ε-Ε ο καλείται υπέρταση ή πόλωση. Η διαφορά εκφράζει την επιπλέον ενέργεια τάσης (additional energy voltage) που απαιτείται για να εξαναγκάσει το ρεύμα μέσα από την επιφάνεια. Η εκθετική σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος σημαίνει ότι η αύξηση του ρεύματος μπορεί να είναι τεράστια, όταν η υπέρταση υπερβαίνει ορισμένες τιμές. 50

54 Η τάση ισορροπίας Ε ο καθορίζεται από το σημείο στο οποίο η βασική και η αντίστροφη αντίδραση είναι εξίσου γρήγορες. Στις μπαταρίες μολύβδου οξέος, αυτό το σημείο είναι εκεί όπου η διάλυση και η εναπόθεση μετάλλου εξισορροπούνται, πράγμα το οποίο σημαίνει ότι οι πυκνότητες ρεύματος της προς τα εμπρός και της αντίστροφης αντίδρασης είναι ίσες. Αυτό το δυναμικό ισορροπίας αναπαριστά μια δυναμική ισορροπία: ροή ρεύματος εμφανίζεται και στις δύο κατευθύνσεις αλλά δεν φαίνεται εξωτερικά. Η πυκνότητα ρεύματος για την ευθεία και την αντίστροφη αντίδραση στην τάση ανοικτού κυκλώματος καλείται πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής (i o ) και περιγράφει το ρυθμό με τον οποίο επιτυγχάνεται αυτή η ισορροπία. Η πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής παριστάνει μια σημαντική κινητική παράμετρο. Υψηλή πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής σημαίνει ότι το δυναμικό ισορροπίας είναι μάλλον σταθερό, ενώ μια χαμηλή πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής δείχνει ότι το δυναμικό του ηλεκτροδίου θα πολωθεί ακόμα και όταν πολύ μικρές πυκνότητες ρεύματος ρέουν μέσω του ηλεκτροδίου. Από την άλλη, είναι σημαντικό οι ανεπιθύμητες παράπλευρες αντιδράσεις να έχουν σχετικά μικρές πυκνότητες ρεύματος ανταλλαγής. Στο ηλεκτρόδιο του μολύβδου, η πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής για την αντίδραση φόρτισης/εκφόρτισης είναι της τάξης του 10-5 A/cm 2 ενώ για την παραγωγή υδρογόνου είναι μόνο της τάξης του A/cm 2. Επομένως, η εξέλιξη του υδρογόνου στην τάση ανοικτού κυκλώματος είναι κάπως μικρή. Αξίζει να σημειωθεί, ότι η πυκνότητα ρεύματος που προκαλείται από τη ροή ρεύματος μέσα από το ηλεκτρόδιο κατά τη φόρτιση ή την εκφόρτιση μιας μπαταρίας μολύβδου οξέος (περίπου 10 ώρες εκφόρτιση ή φόρτιση) είναι της τάξης του 10-5 A/cm 2 ως 10-6 A/cm 2 για το ηλεκτρόδιο μολύβδου (υποθέτουμε χωρητικότητα του ηλεκτροδίου μολύβδου g/ah, εσωτερική επιφάνεια του ενεργού υλικού του μολύβδου 0.5 m 2 /g και ρεύμα εκφόρτισης 0.1 A/Ah). Αυτό δίνει μια αίσθηση για την πολύ υψηλή δραστηριότητα σε συνθήκες ισορροπίας. Στη βιβλιογραφία συναντώνται απλουστευμένες εκφράσεις της εξίσωσης Butler Volmer. Για υψηλές υπερτάσεις που προκαλούνται από την ηλεκτροχημική διαδικασία μεταφοράς φορτίου, η επονομαζόμενη εξίσωση Tafel είναι μια κατάλληλη προσέγγιση. Σε ημιλογαριθμικό χαρτί προκύπτουν ευθείες που ονομάζονται ευθείες Tafel. Για μαθηματικούς λόγους, το α θεωρείται θετικό για θετικά ρεύματα και αρνητικό για αρνητικά ρεύματα. Για χαμηλές υπερτάσεις, η πρώτης τάξης προσέγγιση των εκθετικών όρων στην εξίσωση Butler Volmer δίνει την παρακάτω εξίσωση 51

55 Ηλεκτροχημικές αντιδράσεις, χημικές αντιδράσεις καθώς επίσης και διαδικασίες μεταφοράς οι οποίες προηγούνται ή ακολουθούν το βήμα φόρτισης/εκφόρτισης, οδηγούν σε αλλαγές στη συγκέντρωση των αντιδρώντων ουσιών στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων και ως εκ τούτου μπορεί να αλλάξουν της καμπύλες φόρτισης εκφόρτισης. Κάθε ένα από αυτά τα βήματα μπορεί να προκαλέσει μια υπέρταση. Αν η διάδοση ενός από τα αντιδρώντα στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου είναι το αργότερο βήμα, τότε η συγκέντρωση αυτής της ουσίας μειώνεται ολοένα και περισσότερο καθώς αυξάνεται η υπέρταση. Ένα όριο επιτυγχάνεται όταν η συγκέντρωση του αντιδρώντος μειώνεται στο μηδέν στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Από αυτό το σημείο, περαιτέρω αύξηση στην υπέρταση δεν επιφέρει επιπλέον αύξηση στο ρεύμα. Στην πραγματικότητα, με αύξηση της υπέρτασης συνήθως μια παράπλευρη αντίδραση γίνεται κυρίαρχη και το ρεύμα πηγαίνει σ αυτή την αντίδραση. Αυτό συμβαίνει στην περίπτωση της εξέλιξης του υδρογόνου στο ηλεκτρόδιο μολύβδου. Αν το ηλεκτρόδιο είναι πλήρως φορτισμένο και η υπερφόρτιση αυξάνει, το ρεύμα που πηγαίνει στην αντίδραση της εξέλιξης του υδρογόνου αναλαμβάνει ολόκληρο το ρεύμα μέσω των ηλεκτροδίων. Αυτό συμβαίνει παρ όλο που η πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής για την εξέλιξη του υδρογόνου είναι αρκετές δεκάδες μικρότερη από αυτή της αντίδρασης φόρτισης εκφόρτισης του μολύβδου. Οι διαδικασίες διάχυσης μπορούν να χαρακτηριστούν από ένα περιοριστικό ρεύμα i lim, το οποίο περιγράφει τη μέγιστη ροή φορέων φορτίου που μπορούν να μεταφερθούν μέσω της διάχυσης στην τοποθεσία της αντίδρασης. Η υπέρταση αυτής της διαδικασίας διάχυσης μπορεί να περιγραφεί από την ακόλουθη εξίσωση. Ένα φαινόμενο που δεν περιγράφεται συχνά επαρκώς είναι η «παραγωγή» των φορέων φορτίου από μια χημική διαδικασία. Συνήθως, αυτό εμπεριέχεται στην υπέρταση της διάχυσης, αλλά για μια βαθύτερη κατανόηση των διεργασιών της μπαταρίας και των φαινομένων γήρανσης αξίζει να διαχωρίζονται αυτά τα φαινόμενα (η διάχυση δεν επηρεάζεται άμεσα από τη γήρανση). Από την ηλεκτροχημική διαδικασία που περιγράφεται από την εξίσωση Butler Volmer ή από την εξίσωση Tafel, φορτισμένα ιόντα απελευθερώνονται στον ηλεκτρολύτη κατά τη διαδικασία εκφόρτισης. Αυτό έχει σα συνέπεια την αύξηση της συγκέντρωσης c των φορτισμένων ιόντων στον ηλεκτρολύτη πάνω από τη συγκέντρωση ισορροπίας c 0 (ορίζεται από τη διαλυτότητα των ιόντων στον ηλεκτρολύτη) με αποτέλεσμα μια υπέρταση συγκέντρωσης (conc). Μόλις η συγκέντρωση όλων των ειδών σε ένα διάλυμα αποκλίνει από τη συγκέντρωση ισορροπίας του, πραγματοποιούνται χημικές διεργασίες που οδηγούνται από τη βαθμωτή συγκέντρωση (concentration gradients). Στην περίπτωση του ηλεκτροδίου του μολύβδου, διαλυμένα ιόντα Pb 2+ σχηματίζουν κρυστάλλους θειικού μολύβδου (PbSO 4 ) με 52

56 SO Ο ρυθμός σχηματισμού των θειικών κρυστάλλων (και η διάλυση των κρυστάλλων κατά τη φόρτιση) καθορίζει τη συγκέντρωση των φορτισμένων ιόντων στον ηλεκτρολύτη και ως εκ τούτου την υπέρταση συγκέντρωσης. Ο ρυθμός σχηματισμού και διάλυσης των θειικών κρυστάλλων εξαρτάται σημαντικά από το μέγεθος, το σχήμα και τον αριθμό τους. Οι παράμετροι αυτές εξαρτώνται από τις συνθήκες λειτουργίας της μπαταρίας και από τη γήρανση του ενεργού υλικού. Επομένως, η γήρανση της μπαταρίας και η δομή του ενεργού υλικού αντανακλάται από τις τιμές της υπέρτασης συγκέντρωσης και της υπέρτασης μεταφοράς φορτίου. Η υπέρταση διάχυσης περιγράφει τη μεταφορά ιόντων που είναι διαθέσιμα σε επαρκή όγκο (στη μπαταρία μολύβδου οξέος αυτά είναι τα ιόντα SO 4 2- ), δηλαδή ένα κλασικό φαινόμενο μεταφοράς. Η υπέρταση συγκέντρωσης περιγράφει την παραγωγή σε σχέση με την απορρόφηση των ιόντων από μια χημική διεργασία. Οι χημικές διεργασίες οδηγούνται πάντα από τη βαθμωτή συγκέντρωση. Οι ηλεκτροχημικές διεργασίες οδηγούνται από τα εξωτερικά ρεύματα. Ως εκ τούτου, η ηλεκτροχημική διεργασία πρέπει να πραγματοποιείται ακριβώς στο ρυθμό που δίνεται από το εξωτερικό ρεύμα. Ο ρυθμός της χημικής διεργασίας εξαρτάται μόνο από τη συγκέντρωση των ιόντων. Όσον αφορά τη διαδικασία φόρτισης εκφόρτισης σε μια μπαταρία, αυτό σημαίνει ότι η ηλεκτροχημική διεργασία ακολουθεί χωρίς καθυστέρηση οποιαδήποτε αλλαγή στην εξωτερική ροή ρεύματος. Οι χημικές διεργασίες έχουν σταθερές χρόνου καθώς ο ρυθμός της διεργασίας εξαρτάται από τη συγκέντρωση στον ηλεκτρολύτη. Σε συνθήκες σταθερής φόρτισης και εκφόρτισης, οι ρυθμοί της ηλεκτροχημικής και της χημικής διεργασίας πρέπει να είναι ισοδύναμοι. Αυτό σημαίνει ότι ο λόγος της συγκέντρωσης ιόντων προς τη συγκέντρωση ισορροπίας στον ηλεκτρολύτη είναι σταθερός. Όλες οι διεργασίες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Η εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης k μιας χημικής αντίδρασης από την εξίσωση Arrhenius (το C είναι μια σταθερά και το E A η ενέργεια ενεργοποίησης) εκφράζεται από την παρακάτω σχέση. Η ενέργεια ενεργοποίησης για πολλές διεργασίες είναι της τάξης των 50 kj/mole. Από αυτή την εμπειρία προέρχεται ο κανόνας ότι «αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 Κ αυξάνει το ρυθμό αντίδρασης κατά ένα παράγοντα 2». Τα παραπάνω αποτελούν περιγραφή του τι συμβαίνει στο ηλεκτρόδιο του μολύβδου το οποίο περιγράφεται από από την εξίσωση 53

57 όπως έχει αναφερθεί και προηγουμένως. Ακολουθεί σχηματική περιγραφή των όσων προαναφέρθηκαν. Σχήμα 5.8: Σχηματική περιγραφή της διαδικασίας φόρτισης/εκφόρτισης στο ηλεκτρόδιο μολύβδου μιας μπαταρίας μολύβδου οξέος Το φορτισμένο ηλεκτρόδιο αποτελείται από μόλυβδο (Pb) σε στερεά κατάσταση. Όταν εμφανίζεται ένα ρεύμα εκφόρτισης, δύο ηλεκτρόνια εγκαταλείπουν το μεταλλικό μόλυβδο και πραγματοποιείται η διάλυση των ιόντων Pb 2+ στον ηλεκτρολύτη. Μέσω της διάχυσης, τα φορτισμένα ιόντα μεταφέρονται μακριά από την επιφάνεια της αντίδρασης. Καθώς τα φορτισμένα ιόντα προκαλούν ανισορροπία στον αριθμό θετικών και αρνητικών ιόντων στον ηλεκτρολύτη, αρνητικά φορτισμένα ιόντα είναι απαραίτητα για να 2- αντισταθμίσουν το θετικό πλεόνασμα. Παρέχονται ως ιόντα SO 4 από τον ηλεκτρολύτη 2- θειικού οξέος. Τα ιόντα SO 4 μεταφέρονται μέσω της διάχυσης από τον όγκο του ελεύθερου ηλεκτρολύτη στη θέση της αντίδρασης της ηλεκτροχημικής διαδικασίας. Εκεί, τα ιόντα Pb και SO 4 συναντώνται και σχηματίζουν PbSO 4 μέσω μιας χημικής διεργασίας κατακρήμνισης. Αυτό, τελικά, έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό των κρυστάλλων PbSO 4. Κατά τη φόρτιση, λαμβάνει χώρα η αντίστροφη διαδικασία. Ιόντα Pb 2+ αφήνουν τον ηλεκτρολύτη για να σχηματίσουν στερεό μόλυβδο (Pb) κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής διεργασίας κατακρήμνισης. Αυτά τα ιόντα μεταφέρονται μέσω της διάχυσης στη θέση της αντίδρασης. Για να σταθεροποιηθεί η συγκέντρωση των Pb 2+ ιόντων στον ηλεκτρολύτη, λαμβάνει χώρα μια χημική διεργασία διάλυσης των κρυστάλλων PbSO 4. Επειδή τα θετικά ιόντα απομακρύνονται από τον ηλεκτρολύτη μέσω της ηλεκτροχημικής διεργασίας κατακρήμνισης, τα ιόντα SO 4 2- πρέπει να μεταφερθούν μακριά από τη θέση της αντίδρασης για να διασφαλιστεί η ουδετερότητα του ηλεκτρικού φορτίου. Όλες αυτές οι διεργασίες προκαλούν υπερτάσεις. 1. Η ηλεκτροχημική διάλυση όσον αφορά την κατακρήμνηση περιγράφεται από την εξίσωση Butler Volmer. 2. Η μεταφορά των ιόντων Pb 2+ περιγράφεται από το νόμο διάχυσης και έχει ως αποτέλεσμα υπερτάσεις διάχυσης. 54

58 3. Η μεταφορά των ιόντων SO 4 2- περιγράφεται από το νόμο της διάχυσης, το νόμο της μετανάστευσης φορτισμένων ιόντων σε ένα ηλεκτρικό πεδίο και από δυναμική υγρών που προκαλείται από την αλλαγή στον πορώδη όγκο κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση και έχει ως αποτέλεσμα υπερτάσεις διάχυσης. 4. Η χημική κατακρήμνιση ή η διάλυση των κρυστάλλων PbSO 4 που προκαλείται από αποκλίσεις στη συγκέντρωση ιόντων στον ηλεκτρολύτη από τη συγκέντρωση ισορροπίας και έχει ως αποτέλεσμα υπερτάσεις συγκέντρωσης. Όλες οι διεργασίες εξαρτώνται από τη θερμοκρασία καθώς επίσης και από τη συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη. Η συγκέντρωση επηρεάζει την πυκνότητα ρεύματος ισορροπίας της διεργασίας 1, το ρυθμό διάχυσης των ιόντων στις διεργασίες 2 και 3 και έχει ισχυρό αντίκτυπο στη συγκέντρωση ισορροπίας των ιόντων Pb 2+ και ως εκ τούτου στη διεργασία 4. Η γήρανση της μπαταρίας και οι συνθήκες λειτουργίας (μεγάλα ρεύματα, μικρά ρεύματα και παλμικά ρεύματα) έχουν σημαντικό αντίκτυπο στις υπερτάσεις που προκαλούνται από τις διεργασίες 1 και 4. Αυτό συμβαίνει κυρίως λόγω αλλαγών στην εσωτερική ενεργή επιφάνεια στην πλευρά του φορτισμένου ενεργού υλικού (Pb) καθώς επίσης και στην πλευρά του PbSO 4. Η ονομαστική τάση στο σύστημα μιας μπαταρίας μολύβδου οξέος είναι 2.0 V/στοιχείο, ενώ η τάση ανοικτού κυκλώματος μιας φορτισμένης μπαταρίας είναι περίπου 2.1 V/στοιχείο, ανάλογα με τη συγκεντρωση του ηλεκτρολύτη. Η τελική τάση εκφόρτισης στα φωτοβολταϊκά συστήματα είναι 1.8V/στοιχείο ενώ η τυπική τελική τάση φόρτισής τους κυμαίνεται μεταξύ 2.3 και 2.5V/στοιχείο ανάλογα με τον τύπο της μπαταρίας, του ελεγκτή φόρτισης και του συστήματος. Η σχέση τάσης ανοικτού κυκλώματος στάθμης φόρτισης (SOC) είναι μεταβλητή αλλά σχετικά ανάλογη. Ωστόσο, εάν διακοπεί η φόρτιση ή η εκφόρτιση για να μετρηθεί η τάση ανοικτού κυκλώματος, μπορεί να χρειαστεί μεγάλο χρονικό διάστημα (πολλές ώρες) μέχρι να σταθεροποιηθεί αρκετά ώστε να δώσει μια τιμή που θα ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα. Χαρακτηριστικά τάσης ανοικτού κυκλώματος: η τάση ανοικτού κυκλώματος για ένα σύστημα μπαταρίας είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας και της συγκέντρωσης του ηλεκτρολύτη, όπως εκφράζεται στην εξίσωση Nernst για το στοιχείο μολύβδου οξέος[9]. E = Εφόσον η συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη ποικίλει, οι σχετικές δραστηριότητες των H 2 SO 4 και H 2 O στην εξίσωση Nernst αλλάζουν. Ένα διάγραμμα της τάσης ανοικτού κυκλώματος σε σχέση με τη συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη στους 25 ο C δίνεται στο σχήμα

59 Σχήμα 5.9: Τάση ανοικτού κυκλώματος κυττάρου μολύβδου οξέος σαν συνάρτηση του ειδικού βάρους του ηλεκτρολύτη Το διάγραμμα είναι πρακτικά γραμμικό για ειδικό βάρος πάνω από 1.10 αλλά εμφανίζει σημαντικές παρεκκλίσεις σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις. Η τάση ανοικτού κυκλώματος επηρεάζεται επίσης από τη θερμοκρασία. Ο συντελεστής θερμοκρασίας της τάσης ανοικτού κυκλώματος για τη μπαταρία μολύβδου οξέος φαίνεται στο σχήμα Όπου το de/dt είναι θετικό, όπως πάνω από 0.5 Molar H 2 SO 4, το αντίστροφο δυναμικό του συστήματος (reversible potential) αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Κάτω από 0.5Μ, ο Σχήμα 5.10: Συντελεστής θερμοκρασίας τάσης ανοικτού κυκλώματος ενός κυττάρου μολύβδου οξέος σαν συνάρτηση του ειδικού βάρους του ηλεκτρολύτη συντελεστής θερμοκρασίας είναι αρνητικός. Οι περισσότερες μπαταρίες μολύβδου οξέος λειτουργούν σε πάνω από 2 Μ H 2 SO 4 (1.120 ειδικό βάρος) και έχουν ένα θερμικό συντελεστή περίπου +0.2mV/ ο C. 56

60 Το δυναμικό ανοικτού κυκλώματος του θετικού ηλεκτροδίου σε μία πλήρως φορτισμένη μπαταρία είναι περίπου V ως προς το πρότυπο ηλεκτρόδιο υδρογόνου. Το δυναμικό του αρνητικού ηλεκτροδίου είναι περίπου V ως προς το πρότυπο ηλεκτρόδιο υδρογόνου. Η σχέση μεταξύ συγκέντρωσης του ηλεκτρολύτη και δυναμικού του ηλεκτροδίου σε σχέση με το δυναμικό του στοιχείου φαίνεται από το διάγραμμα του σχήματος Η εξάρτηση του δυναμικού ανοικτού κυκλώματος από τη θερμοκρασία είναι μόνο 0.2 mv/k. Επομένως, μπορεί να αμεληθεί για πρακτικούς λόγους[3]. Σχήμα 5.11:Σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης του οξέος σε ποσοστό επί τοις εκατό, mol/l ή πυκνότητα και του δυναμικού εξισορρόπησης του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου με το δυναμικό του στοιχείου Επιπλέον, υπάρχει η σημαντική παράπλευρη αντίδραση η ηλεκτρόλυση του νερού. Καθώς ο ηλεκτρολύτης είναι υδάτινος και η τάση του στοιχείου είναι περίπου 2 V και μπορεί να φτάσει μέχρι τα 2.5 V, η ηλεκτρόλυση του νερού λαμβάνει χώρα συνεχώς. Υδρογόνο και οξυγόνο παράγονται στο αρνητικό και στο θετικό ηλεκτρόδιο αντίστοιχα. Η παραγωγή υδρογόνου ξεκινάει σε δυναμικά ηλεκτροδίου πιο αρνητικά από 0V ως προς το πρότυπο ηλεκτρόδιο υδρογόνου. Η εξέλιξη του οξυγόνου ξεκινά σε δυναμικά ηλεκτροδίου πιο θετικά από 1.23 V. Ευτυχώς, οι καλούμενες υπερτάσεις στα ηλεκτρόδια μολύβδου για την παραγωγή αερίων είναι πολύ υψηλές και ως εκ τούτου η παραγωγή αερίων αναστέλλεται σε μεγάλο βαθμό. Αυτό επιτρέπει στην μπαταρία μολύβδου οξέος να είναι σταθερή ακόμα και σε υψηλά δυναμικά στοιχείου, της τάξης των 2V. Ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης που προκαλείται από την αεριοποίηση είναι περίπου 2 με 5% ανά μήνα. 57

61 Θετικό ηλεκτρόδιο Αρνητικό ηλεκτρόδιο Αντίδραση στοιχείου 5.3 Τύποι μπαταριών μολύβδου οξέος Πολλοί διαφορετικοί τύποι μπαταριών μολύβδου οξέος κατασκευάζονται για διαφορετικές εφαρμογές. Η αγορά των φωτοβολταϊκών σήμερα δεν είναι αρκετά μεγάλη ώστε να δικαιολογεί την κατασκευή ενός ριζικά διαφορετικού σχεδιασμού μπαταρίας μολύβδου οξέος από αυτούς που κατασκευάζονται σε μεγάλες ποσότητες για άλλες χρήσεις, αν και κάποιοι ελαφρώς τροποποιημένοι «ηλιακοί» τύποι μπαταριών είναι διαθέσιμοι. Μπορούμε να κατηγοριοποιήσουμε τις μπαταρίες μολύβδου οξέος με δύο τρόπους: Ανοικτή ή κλειστή κατασκευή Μαζικής παραγωγής ή βιομηχανικοί τύποι Υπάρχει μια ευρεία γκάμα μπαταριών μολύβδου οξέος από τις οποίες μπορούμε να επιλέξουμε όταν σχεδιάζουμε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα και υπάρχει πάντα ένας συμβιβασμός ανάμεσα στο κόστος και στο προσδόκιμο ζωής της μπαταρίας. Για να είμαστε σε θέση να κατανοήσουμε τις διαφορές ανάμεσα στους διαθέσιμους τύπους μπαταριών, είναι απαραίτητο να καταλάβουμε σε ένα βαθμό πώς αυτοί διαφέρουν κατασκευαστικά[10]. Εξετάζουμε τις διαφορές στην κατασκευή ως εξής: Τύπος ηλεκτροδίων Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα έχουν έναν από τους παρακάτω τύπους ηλεκτροδίων[12] Η απλούστερη μέθοδος για την κατασκευή των ηλεκτροδίων των μπαταριών μολύβδου οξέος είναι τα ηλεκτρόδια planté, τα οποία παίρνουν το ονομά τους από τον εφευρέτη της μπαταρίας μολύβδου οξέος. Ένα ηλεκτρόδιο planté, είναι απλώς μια επίπεδη πλάκα που αποτελείται από καθαρό μόλυβδο. Εφόσον η χωρητικότητα μιας μπαταρίας μολύβδου οξέος είναι ανάλογη της επιφάνειας των ηλεκτροδίων που είναι εκτεθειμένη στον ηλεκτρολύτη, διάφορα συστήματα χρησιμοποιούνται για να αυξήσουν την επιφάνεια των ηλεκτροδίων ανά μονάδα όγκου ή βάρους. Οι πλάκες planté έχουν αυλάκια ή είναι διάτρητες 58

62 για να αυξήσουν τη συνολική επιφάνειά τους. Μια τυπική πλάκα planté φαίνεται στο παρακάτω σχήμα (5.12). Σχήμα 5.12: Τυπική πλάκα planté Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος για να αυξηθεί η επιφάνεια είναι να μετατραπεί το ενεργό υλικό σε μια κόλλα που ενεργεί σα σφουγγάρι εκεί που ο ηλεκτρολύτης γεμίζει όλους τους πόρους. Η κόλλα, ή το ενεργό υλικό, τοποθετείται σε ένα πλαίσιο ή πλέγμα που το υποστηρίζει μηχανικά και χρησιμεύει ως ο ηλεκτρικός αγωγός που μεταφέρει το ρεύμα τόσο κατά την φόρτιση όσο και κατά την εκφόρτιση. Ο πιο συνήθης σχεδιασμός ηλεκτροδίου στην μπαταρία μολύβδου οξέος σήμερα είναι αυτός της επικολλημένης πλάκας, επίσης γνωστή ως επίπεδη πλάκα (pasted flat plate). Η δομή του πλέγματος μοιάζει με κηρήθρα με την κόλλα να γεμίζει όλα τα ορθογώνια παράθυρα στο πλέγμα. Στο σχήμα 5.13 φαίνεται μια τυπική κατασκευή ενός επικολλημένου επίπεδου πλέγματος. Η κατασκευή της επίπεδης πλάκας χρησιμοποιείται σαν το αρνητικό ηλεκτρόδιο σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις και λειτουργεί σαν θετικό ηλεκτρόδιο στις περισσότερες εφαρμογές αναμονής. 59

63 Σχήμα 5.13: Επίπεδη πλάκα Τα θετικά ηλεκτρόδια έχουν συνήθως κατασκευή επικολλημένων ή σωληνωτών πλακών (tubular plates). Αυτές χρησιμοποιούνται ευρέως ως το θετικό ηλεκτρόδιο μερικών μεγάλων βιομηχανικών μπαταριών μολύβδου οξέος που προορίζονται για εφαρμογές μεγάλων κύκλων. Η κατασκευή αυτή χρησιμοποιεί ένα πλαίσιο που αποτελείται από μια σειρά από κάθετα αγκάθια συνδεδεμένα σε μια κοινή ράχη. Η κόλλα κρατείται σε μικρο πορώδεις, μη αγώγιμους κυλίνδρους που τοποθετούνται σε κάθε αγκάθι. Ο κύκλος ζωής είναι μεγαλύτερος επειδή το ενεργό υλικό συγκρατείται πιο σταθερά στους συνδεδεμένους σωλήνες. Τα αγκάθια που μεταφέρουν το ρεύμα είναι περισσότερο προστατευμένα από τη διάβρωση. Οι επονομαζόμενες μπαταρίες θετικού ηλεκτροδίου έχουν στην πραγματικότητα ένα θετικό σωληνωτό ηλεκτρόδιο και ένα επίπεδο αρνητικό ηλεκτρόδιο. Μια απλοποιημένη μορφή της κατασκευής του σωληνωτού ηλεκτροδίου φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 5.1:Απλοποιημένη μορφή του σωληνωτού ηλεκτροδίου 60