12. AUTONÓMNE ZDROJE Elektrochemické články. výhody: nezávislosť na sieti galvanické oddelenie od siete, prípadne iných obvodov

Transcript

1 12 AUTONÓMNE ZDROJE výhdy: nezávislsť na sieti galvanické ddelenie d siete, prípadne iných bvdv pužívané : elektrchemické články slárne články tepelné články (termčlánky) palivvé články kndenzátry s veľku kapacitu (C > 1F) 121 Elektrchemické články Parametre : výstupné (svrkvé) napätie [V] kapacita článku C [Ah, mah] vnútrný dpr R i Výstupné napätie závisí d tzv elektrchemickéh ptenciálu materiálv elektród V praxi hdnty 1 až 1,5 V (4V, 2V) na článk Kapacita článku - využiteľná energia Ah, mah rzmer - súčin I t pri vybíjaní (resp i nabíjaní), prakticky nie len ak súčin nrmálny vybíjací (nabíjací) prúd je 0,1 C hdnta 0,5 C je pre väčšinu článkv dsť veľký vybíjací prúd Kapacita závisí d : typu článku veľksti, resp rzmerv článku (pri tm istm type) - priam úmerne teplty - pre nízke teplty môže klesnúť pd nepužiteľnú hdntu, dej je vratný Pznámka: Kapacita je najčastejšie definvaná pre vybíjanie prúdm 0,2 C pre určité knečné napätie (napr 1V) U akumulátrv predchádza nabitie prúdm 0,1 C za definvaný čas (14 16 hd) Veľksti článkv sú nrmalizvané (pdľa kapacity) Príklady značení : mikrtužkvý - AAA resp LR03 (alkalický článk) tužkvý článk - AA (veľksť), resp R6 (salmiakvý článk) LR6 (alkalický článk) RA6 (alkalický nabíjací článk) RC6 (NiCd článk) HR6 (NiMH článk) malý (baby) mnčlánk - C, resp R14, LR14, RC14 veľký mnčlánk - D, resp R20, atď plchá batéria - 3 články R12 v sérii 3R12

2 Dátum - záručná dba, (min 70 % nm C) Spájanie článkv Paralelné spájanie článkv je zásadne zakázané! Sérivé radenie článkv (vyššie napätie) - rvnaký typ s rvnaku kapacitu - rvnaký stupeň vybitia (vek) Pznámka: NiCd, NiMH max 6 čl v sérii Najslabší sa prvý vybije (až prepóluje) a pri veľkm pčte článkv sa t ťažšie identifikuje Prvnanie rôznych, najčastejšie pužívaných (väčších) typv článkv je v tabuľke : názv typ C[Ah] typ C[Ah] typ C[Ah] typ C[Ah] typ C[Ah] rzmery:φ x l [mm] mikrtužk R03 0,8 LR03 1 RC03 0,18 HR03 0,7-0,9 RA03 0,9 AAA 10,5 x 44,5 tužkvý R6 1 LR6 2-3 RC6 0,6-1 HR6 1,3-2,5 RA6 1,8 AA 14,5 x 50,5 malý mnčl R LR14 6 RC14 1,2-2,5 HR14 3,5 - C 26,5 x 50,0 veľký mnč R LR20 12 RC HR20 4,5-7 - D 34,2 x 61,5 9 V bater 6F22 0,3 6LR61 0,5-0,7 RC22 0,1 HR22 0, ,5 x 17,5 x 67 plchá bater 3R12 1,8-2 3LR druh salmiakvý alkalický NiCd - akku NiMH - akku alk RAM Gmbíkvé typy: LR mah - alkalická (φ 11 x 5,5 mm) SR mah - silverxid (striebrzinkvá) (φ 11 x 5,5 mm) SR927W - 55 mah - silverxid (striebrzinkvá) (φ 11 x 2 mm) CR mah - lítivá (φ 20 x 1,5 mm) CR mah - lítivá (φ 20 x 3,2 mm) 1211 Primárne články Salmiakvý článk nazývaný tiež "Léclanché- v", aleb zink-uhlíkvý (zinc-carbn) uhlík, - zinkvá nádbka deplarizátr (kysličvadl) kl elektródy je burel (MnO 2 ) elektrlyt je rztk, (resp pasta) chlridu amónneh (salmiaku) NH 4 Cl zinkvá nádba chlrid, vzniká H 2 O, zriedená pasta môže vytiecť Vytečenie článku - žieraviny vážne pškdenie zariadenia "leakprf" (savá vrstva, tesniaca fólia, plechvý kryt) napätie je 1,5V (menšie úbytk na R i ) Mdifikácia je článk "Heavy Duty": - salmiak je nahradený chlridm zinčnatým, č je slabšia žieravina

3 - nevzniká vľná vda - s vybíjaním však klesá i svrkvé napätie (naprázdn) až na 1,3V Alkalický článk (alkaline cell) je druhý najviac pužívaný článk elektróda je zmes uhlíka s burelm, - elektróda je zrnitý zink Elektrlyt je hydrxid draselný KOH Celk je v ceľvm plášti, č je kladný pól ešte je pridaný vnkajší tesniaci bal napätie je 1,5 1,55 V, pri vybíjaní väčšinu klesá, i naprázdn môže byť1,3 V väčšia kapacita, (dbervé prúdy), dlhšia skladvateľnsť, pracujú pri - 30 C Pznámka: Pre malé dbery nie sú až tak výhdné, leb sú drahšie a majú väčšiu hmtnsť Články sa nesmú zahrievať a dbíjať! Ortuťvý článk (mercury cell) Napätie 1,35 V knštantné pčas celéh vybíjania Kvázi referenčný zdrj, eklgicky nevhdný Striebrzinkvý (silverxid) článk Svrkvé napätie 1,55 V, elektrlyt NaOH, resp KOH Väčšia kapacita (prúdy), drahé Lítivý článk je dsť variabilný (primárny článk!) svrkvé napätie d 1 d 4 V Najčastejšie sú 3 V články, menej časté 1,5 V ak náhrada "klasických" 1,5 V malé samvybíjanie, asi 1% kapacity rčne! (NiCd asi 20% mesačne) dlhdbé malé dbery - hdinky, kalkulačky, niektré pamäte v PC Pznámka: Lítium tvrí tzv tuhý elektrlyt, pri styku s vdu (netesný článk) vybuchuje! Zinkvzduchvý (zinc-air) v pdstate salmiakvý článk deplarizátr je vzdušný kyslík

4 zink vzd 1000 lithium 800 silverx 650 rtuťvý alkalický leclanche [ mwh ] cm Obr Sekundárne články - akumulátry V súčasnsti najrzšírenejšie typy : lvený pre pužitie v autmbilch a pre iné veľké prúdvé dbery NiCd a NiMH špeciálne - lítium iónvé, lítivé plymérvé, alkalické RAM Olvený akumulátr (lead acid) Elektródy sú lvené, iné druhy na a - elektróde elektrlyt je asi 30% H 2 SO 4 napätie je 2 2,2 V Mení sa pdľa stavu nabitia veľmi malý vnútrný dpr ( niekľk mω ) pri skrate vyské prúdy (> 100 A) tepelný výbuch akumulátra Stav nabitia pdľa : napätia - ak je na článk < 2 V je vybitý - pri nabíjaní (pripjená nabíjačka) ak U svr > 2,7 V je nabitý hustty elektrlytu : hustta 1,1 je vybitý hustta 1,4 je nabitý Pznámky k vlastnstiam a údržbe nízke teplty - zmenšenie kapacity článku (batérie) - zamrznutie elektrlytu: je pri nabitm článku (hustta 1,4) asi pri - 35 C, pri vybitm (hust 1,1) pri C nebezpečie výbuchu - pri nabíjaní kyslík a vdík traskavú zmes nabíjanie je na % nminálnej kapacity C Pznámka: Nvé typy sú uzavreté, prakticky bezúdržbvé, v zime sa bčas nabíjajú Tesné lvené akumulátry (sealed lead acid) lvené akumulátry s pastvitým elektrlytm princíp a vlastnsti sú pdbné klasickým Pužitie ak zálžný zdrj s veľku kapacitu pre veľké prúdy

5 Pznámka: Všetky lvené akumulátry majú pmerne veľkú hmtnsť (lv 12,6 kg/dm 3 ), treba zvážiť vhdnsť pre prensné zariadenia Niklkadmivé (NiCd) akumulátry (nm napätie 1,2 V) elektróda hydrxid niklu, NiO(OH) vyrbený spekaním prachu (sintrvanie) - elektróda kadmium, elektrlyticky nanášané na ceľ elektródy i separátr sú pórvité a v pórch je netekutý elektrlyt KOH pórvité elektródy phlcujú plyny pri nabíjaní i vybíjaní tzv tesné články pistný ventil na 1,5 MPa prevádzkvé teplty sú C Pznámka: Pužívajú sa aj NiCd akku s tekutým elektrlytm KOH Pzr, nezameniť si s lvenými akku- elektrlyt H 2 SO 4 Vlastnsti pravidelná kntrla, nabíjanie, prípadne i vybíjanie pre úplné cykly Pčet cyklv (5000), č je max pčet pri správnej údržbe Pri nesprávnej údržbe pdstatne menej (pklesm kapacity) NiCd články sa majú skladvať v vybitm stave (mžné i niekľk rkv) Nabíjanie a údržba NiCd (aj NiMH) článkv Najvhdnejšie je pre články tzv "nrmálne" nabíjanie prúdm cca 0,1 C Niekedy sa mu hvrí tiež pmalé: články sa nabíjajú na cca 140 % (NiMH 160%) kapacity C 14 (16) hdín Zrýchlené nabíjanie : - väčšie prúdy 0,2 0,33 C (0,5 1 C) - slídnejšia kntrla nabíjania (najmä teplty) Pri nabíjaní 4 fázy : ukladanie energie d akt hmty pkles účinnsti nabíjania, časť energie rbí neptrebné (plyny, tepl,) stav plnéh nabitia len vývj tepla a plynv Určenie stavu nabitia : meraním času (pre I nab = knš) meraním teplty prekrčí cca 40 C (max 60 C) sledvanie zmeny du/dt na článku Pznámka: Vyská teplta znižuje živtnsť (pčet cyklv) článku, vzniká pri rýchlm nabíjaní, resp prebíjaní článkv Skladvacia vyská teplta zvyšuje samvybíjanie

6 Pamäťvý jav najmä pri zvýšených tepltách (rýchle nabíjanie) pri neúplnm nabití (vybití) - zníženíe kapacity i pre ďalšie cykly vznik kryštálv na elektródach, narastajú pri prebíjaní, rzpúšťajú sa pri vybíjaní dstrániť vybitím pd 1 V a znvu nabitím, najlepšie nrmálnym integrvaný bvd ICS 1700 (1702) : - nabíjací prúd hdnty 1 C 983 ms - pauza 2 ms - vybitie prúdm 2,5 C 5 ms - pauza 10 ms Udržvací režim (TRICKLE mde) - prúdm 0,025-0,05C sa udržuje plné nabitie Optimálne je 2,3 až 4 fázvé nabíjanie: Na začiatku - predfrmátvanie 1 fáza - rýchle nabitie 0,5-1 C na 90 % C 2 fáza - prúd 0,1 C (1-2 hd) nabije na 100 % 3 fáza - TRICKLE režim - udržiavací prúd 0,025-0,5C Priebeh "zptimalizvanéh" nabíjania je na Obr 167 U du dt - du I = 1C I = 0,25C I = 0,01-0,05C t 1 - predfrmátvanie 2 - rýchle 3 - záverečné 4 - trickle Obr167 Nikelmetalhydridvé (NiMH) akumulátry (nm napätie 1,2V) základ - špeciálna kvvá zliatina, značme si ju M, pre vybitý stav pri nabíjaní sa M zlúči s vdíkm na MH - metalhydrid

7 Vlastnsti NiMH článkv : vyššia kapacita, (napr AA majú mah) malý, resp nulvý pamäťvý jav eklgicky výhdnejšie (bez kadmia) menej citlivé na prebitie pre menšie prúdy ak NiCd mžných cyklv pri skladvaní- cca raz mesačne nabiť nabíjajú sa na cca 160 % kapacity C (pri I = 0,1 C) vyššie samvybíjanie???? vyššie zahriatie pri nabíjaní (najmä rýchlm) v maxime plchá nabíjacia krivka - šetrvanie a systém nabíjania a vybíjania je rvnaký ak u NiCd - nemajú pamäťvý jav netreba zbytčne vybíjať - výhdné je aplikvať neúplné cykly predlžuje sa ich živtnsť - treba však ptm určiť stav nabitia (teplta, du/dt) Pznámka: Firma Sany pnúka NiMH typ "Anylp" bez samvybíjania - p rku 85 % (Pdbne GP - "RECYKO") Menšia kapacita (AA 2000 mah) Ocelniklvé NiFe akumulátry (nm napätie 1,3V) Lítium - iónvé akumulátry (nm napätie 3,7V) Napätie sa mení d 2,5V (vybitý) p 4V (plne nabitý) Kapacita dsť vyská, AA rzmer má cca 1400 mah (pri 3 nás napätí!) Častejšie sú neštandardné tvary Nabíjacie napätie je max 4,2V, nab prúd I nab < 0,7C, p nabití je asi 0,07 C Vybíjanie by mal byť na U min = 3V Pčet cyklv je asi , dbíjateľné kedykľvek nemajú samvybíjanie a pamäťvý jav drahé, v puzdre bsahuju kntrlne a chranne bvdy, inak az nebezpecne (pri zahriati velkými prúdmi vybuch) xidujú elektródy starnú i bez pužívania (p 2-3 rkch citelne) Nabíjanie a vybíjanie LiIn akumulátrv - priebeh je na br168

8 4,2 U,I U U 3,5 3,0 0,5-1,5 C I uknčiť vybíjanie (na min 3 V) t t Obr168 Lítivé - plymérvé akumulátry (nm napätie 3,7V) Majú plchý tvar, hrúbka h = 3-4 mm, pri rzmerch 9 x 4 cm je C asi 500 mah, 500 cyklv, 15 g Alkalické RAM akumulátry (nm napätie 1,5V) (RAM rechargeable alkaline manganese) Dbíjateľné primárne články neúplné vybíjanie časté nabíjanie malé samvybíjanie (4-5 rkv), bez pamäťvéh efektu dbíjanie kedykľvek (neúplné cykly), netreba kntrlvať pčet cyklv (tereticky) kapacita pstupne klesá (AA klesne p 500 cyklch na 500 mah) pstupne klesá i svrkvé napätie (i naprázdn) až na 1,2V vyšší R i - menšie vybíjacie prúdy ( 0,1-0,2 C) ptreba špeciálnych nabíjačiek - nabíja sa knštantným napätím (nm 1,65 V) 122 Slárne články kremíkvé ftdiódy špeciálnej knštrukcie v hradlvm režime na jeden článk asi 0,4 V, pre vyššie napätia d série Prúd závisí d plchy článku a značne d svetlenia Pre intenzity svetlenia : E = 1000 lx získame cca 0,5 ma/cm 2 E = 9000 lx získame cca 5 ma/cm 2 Prensné - "vreckvé" nabíjačky: - 9 x 19 cm, 4 AA články, prúd 40 ma / článk (plné slnk, Str Európa) - 8 x 6 x 1,5 cm (160g) 4 x 500 mah/deň - 33 x 33 cm 12 V / 400 ma (5 W) 10 ks 1100 mah pri 3-4 hd slnka

9 123 Palivvé články Ich rzvj nastal najmä v súvislsti s kzmickým výskumm Princíp kyslík - vdíkvéh článku je na br 169 I = 250 ma/cm 2 U = 0,87V O 2 H 2 O OH - OH C 4,5MPa H 2 O 2 KOH H 2 OH - OH - H O 2 elektródy - prézny nikel Obr 169 DMFC - metanlvý článk (DMFC Direct Metanl Fuel Cell) anóda _ záťaž ~ 0,7V katóda paliv (metanl vda) e _ H vzduch (kyslík) CH OH H O 3 2 CO 6H 2 6e CO 2 _ H H 3/2 O 6H _ 2 6e 3 H O 2 vda plymérmembrána (elektrlyt) platinvané uhlíkvé elektródy Obr170 "Odpad" je vda a CO 2 Výkny sú d W d kw 125 ml metanlu vyrbí cca 150 Wh (Smart fuel cell C 25: 125 ml 7 hd prevádzky ntebku)

10 124 Kndenzátry s veľku kapacitu (supercapacitr) Špeciálna technlógia - rádve 100-ky, až 1000-ky Faradv (Princíp je na br 171) na AL dske je vrstva aktívneh uhlia (nvé - altrp uhlíka nantrubica) AL uhlie = elektróda s veľku plchu separátr ddeľuje "elektródy" v priestre je elektrlyt H 2 SO 4 elektróda i elektrlyt sú vdivé na styčnej plche sa zhrmaždia ióny ak sa neprekrčí disciačné napätie (2-3 V), nespja sa vzniká EDL (Electrchemic Duble Layer), "dielektrikum" hrúbky nm malé d, veľké S veľká kapacita C (už 5000 F Al _ elektróda H SO 2 4 akt uhlie separátr elektróda akt uhlie Al _ Obr 171 Výhdy: nabíjacích cyklv pri živtnsti 7 10 rkv - R i rádve mω - veľká η (až 95 %), malé zahrievanie - rýchle nabitie (vybitie) - rádve sekundy veľké prúdy - teplty : C Nevýhdy:

11 - menšia výkn hustta (5 Wh/kg, Pb accu 40 Wh/kg) - malé U (d 3 V) - väčšie samvybíjanie? - expnenciálne vybíjanie regulačné bvdy Príklad : (Pwer Cap) kndenzátry 470 F/ 3V (390 mah) a 1500 F/ 3V, (1250 mah) Pznámka: Tiet kndenzátry nie sú vhdné na filtráciu a treba rešpektvať ich prevádzkvé napätie Lítium - iónvý kndenzátr hybrid : supercapacitr LiIn akumulátr vyššia energia, vyššie U (3,8-4 V) 13 ŠPECIÁLNE ZDROJE Z mnhých zdrjv si píšeme : referenčné napäťvé zdrje referenčné prúdvé zdrje napäťvé násbiče 131 Referenčné napäťvé zdrje referenčná dióda referenčný napäťvý zdrj (bvykle integrvaná frma) I r ZD R 1 D 1 R 2 D 2 R 3 U n napájacie napätie referenčný zdrj referenčné napätie U výst a) Obr 172 b) 132 Referenčné prúdvé zdrje Na br 173 je bvd, nazvaný "Hwlandv zapjenie"

12 R 2 U 1 u 2 i1 u 1 - R i 1 3 R 3 u 4 U 2 u 3 u z i z Rz R 4 i 4 u výst Obr 173 Ak analyzujeme zapjenie, predpkladajme, že : R 2 = R 4, U 2 > U 1, i z = i 3 i i z = U 2 U 1 4 R 1 R R 3 3 i z nie je závislý na dpre R z, teda záťaži prúd je mžné nastavvať pdľa vzťahu zmenu U 2, U 1, aleb R 3 Pre neuzemnenú záťaž je mžné pužiť i jednduchšie zapjenia 133 Násbiče napätia pre malý výst výkn keď ptrebujeme vyššie napätie ak máme k dispzícii zvýšenie výstupnéh napätia tereticky nebmedzene max reálny, tj pužiťeľný násbiaci faktr je kl 10 Pzr, napájanie je striedavé! - C 3 C C 1 ~ U M ~ 2U M ~ 2U M U M ~ uzemnenie je mžné u vst D 1 D 2 ~ 2 U M ~ 2 U ~ M 2U M - C 2 D 3 - Obr 174 D 4 D 5 D 6 C 4 C 6 U výst -

13 zvlený násbiaci faktr "m" hdnta kapacity C i (sú rvnaké) je : C 2 m (m 2) R L f a pre výber diódy : U KA 2 U M Ak už bl spmenuté, max reálny faktr "m" je 6 10, R L je dpr záťaže Výstup len z kapacity C 2 zdvjvač napätia Zdvjvač na br 175 " Greinacherv" zapjenie u D R i 1 u 1 C ~ u 1 u 2 Obr 175 D 2 C u 2 -