20.09.2015
Plii-happelisi akupatareisid kasutatakse katkematute toiteallikate süsteemides (KTA), telekommunikatsioonis, vastuvõtu ja edastamise sideseadmetes, elektrienergia avariitoite, avariivalgustuse ja signalisatsioonisüsteemides, turva- ja tuletõrjesüsteemides, elektrilistes kassaaparaatides, autonoomsetes seadmetes jms reservtoiteallikana.
Tundub, et kõik on äärmiselt selge, sest on olemas suur hulk kaubamärke, mis toodavad akupatareisid ja et parem on usaldada tuntut (laialdaselt reklaamitud) brände, kuna nende akud on paremad, kuid osutub, et kõik ei olegi nii lihtne.
Akuks nimetatakse keemilist vooluallikat, mille tööpõhimõte põhineb pöörduvate elektrikeemiliste protsesside kasutamises.
Tööpõhimõte: Elektrienergia akumuleerumine akus toimub, kui seda läbib vool välisest toiteallikast. Selle protsessiga, mida nimetatakse aku laadimiseks, kaasneb elektrienergia muundumine keemiliseks. Aku tühjakslaadimise korral toimub keemilise energia vastupidine pöördumine elektrienergiaks.
EHITUS, PÕHILISED PARAMEETRID
Ehitus. Lihtsaim plii-aku koosneb positiivsest elektroodist, mille aktiivseks aineks on pliidioksiid (tumepruuni värvi) ja negatiivsest elektroodist, mille aktiivseks aineks on poorne plii (halli värvi). Kui mõlemad elektroodid asetada elektrolüüdiga anumasse (väävelhappe lahus destilleeritud vees), siis tekib elektroodide vahele potentsiaalide erinevus. Kaasaegsetes akudes kujutavad elektroodid endast pliist võresid, millele on peale kantud aktiivne mass (plaadid). Esialgu kujutab võre aktiivne mass endast pliipulbrit koos legeerivatest materjalidest lisanditega, mis annavad plaatidele vajalikud tehnoloogilised omadused.
Kui akudega ühendada koormus, siis aktiivmassiga pliist plaadid koos elektrolüüdiga ja koormusega moodustavad suletud ahela. Aku sees algab keemiline reaktsioon, mille tulemusel mõlema elektroodi aktiivne mass hakkab muutma oma esialgset koostist ja elektrolüüdi tihedus hakkab vähenema. Selle tulemusena hakkab ahelas voolama elektrivool. See protsess kujutab endast aku tühjakslaadimist. Akule välise toiteallika juurdeühendamisel algab vastupidine protsess – laadimine. Laadimisel plaatide aktiivne mass taastab oma esialgse koostise, elektrolüüdi tihedus kasvab.
Üheks plii-happeliste akude põhiliseks omaduseks on selle mahtuvus.
Aku mahtuvuseks nimetatakse elektri kogust, mis täielikult laetud aku annab ära selle tühjakslaadimisel kuni lubatud lõpliku jääkpingeni. Aku mahtuvust mõõdetakse amper-tundides ja määratakse, kui laadimisvoolu suuruse (amprites) ja laadimisaja (tundides) korrutis.
Kuna aku poolt äraantav vool tekib keemilise reaktsiooni tulemusel, siis ei ole aku mahtuvus konstantne suurus.
Aku tühjakslaadimise mahtuvus sõltub reast konstruktiivsetest parameetritest, samuti aku ekspluatatsiooni tingimustest. Kõige olulisemateks konstruktiivseteks parameetriteks on aktiivse massi ja elektrolüüdi kogus, aku elektroodide paksus ja geomeetrilised mõõtmed. Peamisteks tehnoloogilisteks parameetriteks, mis mõjutavad aku mahtuvusele on aktiivsete materjalide retseptuur ja nende poorsus. Ekspluatatsiooni parameetrid – elektrolüüdi temperatuur ja tühjakslaadimise voolu tugevus – osutavad samuti olulist mõju tühjakslaadimise mahule.
Keemiline reaktsioon aktiivse massi ja elektrolüüdi vahel toimub aktiivse massi osakeste pinnal.
Sellepärast tehakse see poorsena, et materjal hästi imbuks läbi elektrolüüdiga ja selleks, et reaktsioonis osaleks selle maksimaalne maht. Tühjakslaadimise voolu suuruse kasvamisega kiireneb aktiivse massi pindmiste kihtide laeng suuremal määral, kui sügavamates kihtides. Selle tulemusel toimub pooride suudmetes pliisulfaadi suurenemine kiiremini, kui sügavuses ja poor sulgub sulfaadiga kiiremini, kui jõuab reageerida selle sisemine kiht (pliisulfiidi erimaht on suurem plii ja pliidioksiidi erimahtudest). Elektrolüüdi poori sisse difusiooni peatumise põhjusel peatub reaktsioon selles. Jätelikult, mida suurem on tühjakslaadimise vool, seda väiksem on aku mahtuvus. Näitena võib tuua aku SV12500 (C – 50 A∙h, patarei mahtuvus) tühjakslaadimise omadused.
Plii-happelise aku nominaalseks mahtuvuseks on kombeks pidada mahtu, mis saadakse 20 tunnise tühjakslaadimise korral, st vooluga 0,05C (C – aku mahtuvus Ah).
Juhul, kui järguvool tõuseb kuni 50 A (1C), töötab aku 30 minutit (0,5 h) ja annab koormusesse 50 × 0,5 = 25 A∙h. Aku mahtuvus sellise tühjakslaadimise voolu korral on kaks korda väiksem.
TOOTMISE TEHNOLOOGIAD
Keemia seisukohast on kõik protsessid plii-happelistes akudes identsed. Erinevused akude ekspluatatsiooni omadustes on tingitud konstruktsioonist ja kasutatavast tehnoloogiast. Autoakud on tavaliselt teistest odavamad.
Tuleb märkida, et autakud on vähekõlblikud kasutamiseks tagavara toiteallikana.
Autoaku konstruktsioon näeb ette suhteliselt suurt vaba elektrolüüdi kogust (ekspluatatsiooni eripärade tõttu: võimsad starteri tühjakslaadimise voolud, töö talvel). Sellise konstruktsiooni korral on keeruline tagada plaatide paketi mingisugust fikseerimist.
Aku sügava tühjakslaadimise korral toimub positiivse elektrolüüdi aktiivsete masside kobenemine, mis auto starterakus toob kaasa aktiivse massi lihkumise ja mahtuvuse kadumise. Autoakude laeng allpool jääkpinge tasemest 11,2 V – on ebasoovitatav. Enamik akutoitega olmeseadmetest lülitavad patarei välja, kui jääkpinge on tasemel 9,5 – 10,5 V.
Selliste seadmete jaoks sobivad reservtoiteallikana palju paremini hermeetilised plii-happelised akud (VRLA), mida valmistatakse kahe tehnoloogia järgi.
Esimene ja kõige levinum tehnoloogia – Absorptive Glass Mat (AGM) mittehooldatavate hermeetiliste plii-happeliste akude alaliik, milles kasutatakse poorset täiteainet, klaasvillast separaatorit, mida on immutatud vedela elektrolüüdiga. Selline konstruktsioon võimaldab hoida elektrolüüti separaatori poorides sarnaselt käsnaga.
Teine, Gelled Electrolite (GEL), või geelakud (milles elektrolüüt on geelipärases olekus) – mittehooldatavate hermeetiliste plii-happeliste akude alaliik, milles elektrolüüdi immobiliseerimine (liikumatus) saavutatakse väävelhappele räniühenduste lisamise teel.
Plaadid on mõlemal alaliigil ühesugused, kuid rekombineerumise füüsikaline päritolu (tänu millele saavutatakse hermeetilisus) on erinev. AGM akud on odavamad, nad võimaldavad saavutada suuri tühjaks- ja täislaadimise voolusid, on vähem kriitilised laengu tingimustele, ei karda lühiajalist lühist. See ongi tinginud AGM akude laialdase kasutuse. Geelakusid on otstarbekas kasutada seal, kus nende eelis – suur ressurss tsüklilises režiimis (geel fikseerib plaatide materjali efektiivsemalt, vähendades nende kulumist sügavate tühjakslaadimiste režiimis, sellepärast on tsükliline ressurss geelakudel kõrgem, kui AGM akudel) – on nõutud (näiteks autonoomsetes toitesüsteemides päikesepatareidel). Enamustes teistes seadmetes, kus rakendatakse puhver lisalaadimise režiimi koos harvade tühjakslaadimistega, kasutatakse geelakusid piisavalt harva.
VALIK
Tuleb märkida, et reaalne akupatareide töövältus määratakse täis- ja tühjakslaadimise tsüklite maksimaalse arvuga ja reaalsetes töötingimustes ulatub see harva kuni nominaalse ekspluatatsiooni tähtajani 5–10 aastat (töövältuse aeg aastates on tinglik suurus).
Samuti tuleb aru saada, et pinge 12 V klemmidel ei garanteeri kuidagi nominaalse mahtuvuse olemasolu patareil ja see tähendab, et pinge järgi ei saa hinnata patarei seisundit.
Akupatarei ostmisel tuleb pöörata juhinduda selle seadme tooja soovitustest, mille jaoks on see ettenähtud.
Katkematu toite allikate jaoks, millel on suhteliselt suur väljundvõimsus ja lühike autonoomse töö periood (kuni 30 minutit), tuleb patareide vahetamist teha ühte ja sama tüüpi mudeliga (ühesugune tüüp, mahtuvus ja pinge).
Akude valikul katkematu toite allikatele pikaajalise rakendumisajaga (näiteks gaasikatelde töö tagamiseks) tuleb samuti juhinduda seadme tootja soovitustest. On ilmne, et mida suurem on aku mahtuvus, seda pikem on KTA-i autonoomse töö aeg.
Voolutugevus, mis on vajalik aku laadimiseks on proportsionaalne selle mahtuvusega. Ligikaudne suhe on 1:10. See tähendab, et 100 Ah mahtuvusega aku laadimiseks on vaja voolutugevust umbes 10 A.
Enamusel KTA on sisseehitatud laadimisseadmed, mis on arvestatud tööks kindla mahtuvusega akudega. Suurema või väiksema mahtuvusega akude kasutamine ei ole soovitatav.
Kõik tootjad märgivad aku mahtuvuse, mis sobib konkreetse KTA mudeli jaoks. Kui UPS-ile sobivad erineva mahtuvusega akud, siis peab seadmes olema laengu voolu juhtplokk. Loomulikult on sellised KTA-id oluliselt kallimad. Kuid igal juhul on isegi sellistel KTA-idel oma laetavate akude diapasoon.
Tuleb samuti märkida, et akudel on piiratud säilitusaeg, sellepärast on oluline pöörata tähelepanu ka tootmise kuupäevale.
Happelised akud
PLII-HAPPELISED AKUD, OTSTARVE, MÄÄRATLUS, KASUTUSALA, TÖÖPÕHIMÕTE
Plii-happelisi akupatareisid kasutatakse katkematute toiteallikate süsteemides (KTA), telekommunikatsioonis, vastuvõtu ja edastamise sideseadmetes, elektrienergia avariitoite, avariivalgustuse ja signalisatsioonisüsteemides, turva- ja tuletõrjesüsteemides, elektrilistes kassaaparaatides, autonoomsetes seadmetes jms reservtoiteallikana.
Tundub, et kõik on äärmiselt selge, sest on olemas suur hulk kaubamärke, mis toodavad akupatareisid ja et parem on usaldada tuntut (laialdaselt reklaamitud) brände, kuna nende akud on paremad, kuid osutub, et kõik ei olegi nii lihtne.
Akuks nimetatakse keemilist vooluallikat, mille tööpõhimõte põhineb pöörduvate elektrikeemiliste protsesside kasutamises.
Plii-happelisi akupatarei RL 12-50 |
Aku on võimeline talletama (akumuleerima) endas elektrienergiat ja vajadust mööda seda ära andma välisesse võrku.
Tööpõhimõte: Elektrienergia akumuleerumine akus toimub, kui seda läbib vool välisest toiteallikast. Selle protsessiga, mida nimetatakse aku laadimiseks, kaasneb elektrienergia muundumine keemiliseks. Aku tühjakslaadimise korral toimub keemilise energia vastupidine pöördumine elektrienergiaks.
EHITUS, PÕHILISED PARAMEETRID
Ehitus. Lihtsaim plii-aku koosneb positiivsest elektroodist, mille aktiivseks aineks on pliidioksiid (tumepruuni värvi) ja negatiivsest elektroodist, mille aktiivseks aineks on poorne plii (halli värvi). Kui mõlemad elektroodid asetada elektrolüüdiga anumasse (väävelhappe lahus destilleeritud vees), siis tekib elektroodide vahele potentsiaalide erinevus. Kaasaegsetes akudes kujutavad elektroodid endast pliist võresid, millele on peale kantud aktiivne mass (plaadid). Esialgu kujutab võre aktiivne mass endast pliipulbrit koos legeerivatest materjalidest lisanditega, mis annavad plaatidele vajalikud tehnoloogilised omadused.
Kui akudega ühendada koormus, siis aktiivmassiga pliist plaadid koos elektrolüüdiga ja koormusega moodustavad suletud ahela. Aku sees algab keemiline reaktsioon, mille tulemusel mõlema elektroodi aktiivne mass hakkab muutma oma esialgset koostist ja elektrolüüdi tihedus hakkab vähenema. Selle tulemusena hakkab ahelas voolama elektrivool. See protsess kujutab endast aku tühjakslaadimist. Akule välise toiteallika juurdeühendamisel algab vastupidine protsess – laadimine. Laadimisel plaatide aktiivne mass taastab oma esialgse koostise, elektrolüüdi tihedus kasvab.
Üheks plii-happeliste akude põhiliseks omaduseks on selle mahtuvus.
Aku mahtuvuseks nimetatakse elektri kogust, mis täielikult laetud aku annab ära selle tühjakslaadimisel kuni lubatud lõpliku jääkpingeni. Aku mahtuvust mõõdetakse amper-tundides ja määratakse, kui laadimisvoolu suuruse (amprites) ja laadimisaja (tundides) korrutis.
Kuna aku poolt äraantav vool tekib keemilise reaktsiooni tulemusel, siis ei ole aku mahtuvus konstantne suurus.
Aku tühjakslaadimise mahtuvus sõltub reast konstruktiivsetest parameetritest, samuti aku ekspluatatsiooni tingimustest. Kõige olulisemateks konstruktiivseteks parameetriteks on aktiivse massi ja elektrolüüdi kogus, aku elektroodide paksus ja geomeetrilised mõõtmed. Peamisteks tehnoloogilisteks parameetriteks, mis mõjutavad aku mahtuvusele on aktiivsete materjalide retseptuur ja nende poorsus. Ekspluatatsiooni parameetrid – elektrolüüdi temperatuur ja tühjakslaadimise voolu tugevus – osutavad samuti olulist mõju tühjakslaadimise mahule.
Keemiline reaktsioon aktiivse massi ja elektrolüüdi vahel toimub aktiivse massi osakeste pinnal.
Sellepärast tehakse see poorsena, et materjal hästi imbuks läbi elektrolüüdiga ja selleks, et reaktsioonis osaleks selle maksimaalne maht. Tühjakslaadimise voolu suuruse kasvamisega kiireneb aktiivse massi pindmiste kihtide laeng suuremal määral, kui sügavamates kihtides. Selle tulemusel toimub pooride suudmetes pliisulfaadi suurenemine kiiremini, kui sügavuses ja poor sulgub sulfaadiga kiiremini, kui jõuab reageerida selle sisemine kiht (pliisulfiidi erimaht on suurem plii ja pliidioksiidi erimahtudest). Elektrolüüdi poori sisse difusiooni peatumise põhjusel peatub reaktsioon selles. Jätelikult, mida suurem on tühjakslaadimise vool, seda väiksem on aku mahtuvus. Näitena võib tuua aku SV12500 (C – 50 A∙h, patarei mahtuvus) tühjakslaadimise omadused.
Toodud graafikust on näha, et tühjakslaadimise voolu 0,05C korral (0,05 × 50 = 2,5 A, selle patarei jaoks) kestab aku tühjakslaadimine 20 tundi ja annab koormusesse 2,5 × 20 = 50 A∙h (50 A∙h – aku nominaalmahtuvus). Tühjakslaadimise maht, mille jaoks on aku arvestatud ja mis märgitakse tootja poolt, nimetatakse nominaalseks mahtuvuseks.
Plii-happelise aku nominaalseks mahtuvuseks on kombeks pidada mahtu, mis saadakse 20 tunnise tühjakslaadimise korral, st vooluga 0,05C (C – aku mahtuvus Ah).
Juhul, kui järguvool tõuseb kuni 50 A (1C), töötab aku 30 minutit (0,5 h) ja annab koormusesse 50 × 0,5 = 25 A∙h. Aku mahtuvus sellise tühjakslaadimise voolu korral on kaks korda väiksem.
TOOTMISE TEHNOLOOGIAD
Keemia seisukohast on kõik protsessid plii-happelistes akudes identsed. Erinevused akude ekspluatatsiooni omadustes on tingitud konstruktsioonist ja kasutatavast tehnoloogiast. Autoakud on tavaliselt teistest odavamad.
Tuleb märkida, et autakud on vähekõlblikud kasutamiseks tagavara toiteallikana.
Autoaku konstruktsioon näeb ette suhteliselt suurt vaba elektrolüüdi kogust (ekspluatatsiooni eripärade tõttu: võimsad starteri tühjakslaadimise voolud, töö talvel). Sellise konstruktsiooni korral on keeruline tagada plaatide paketi mingisugust fikseerimist.
Aku sügava tühjakslaadimise korral toimub positiivse elektrolüüdi aktiivsete masside kobenemine, mis auto starterakus toob kaasa aktiivse massi lihkumise ja mahtuvuse kadumise. Autoakude laeng allpool jääkpinge tasemest 11,2 V – on ebasoovitatav. Enamik akutoitega olmeseadmetest lülitavad patarei välja, kui jääkpinge on tasemel 9,5 – 10,5 V.
Selliste seadmete jaoks sobivad reservtoiteallikana palju paremini hermeetilised plii-happelised akud (VRLA), mida valmistatakse kahe tehnoloogia järgi.
Esimene ja kõige levinum tehnoloogia – Absorptive Glass Mat (AGM) mittehooldatavate hermeetiliste plii-happeliste akude alaliik, milles kasutatakse poorset täiteainet, klaasvillast separaatorit, mida on immutatud vedela elektrolüüdiga. Selline konstruktsioon võimaldab hoida elektrolüüti separaatori poorides sarnaselt käsnaga.
Teine, Gelled Electrolite (GEL), või geelakud (milles elektrolüüt on geelipärases olekus) – mittehooldatavate hermeetiliste plii-happeliste akude alaliik, milles elektrolüüdi immobiliseerimine (liikumatus) saavutatakse väävelhappele räniühenduste lisamise teel.
Plaadid on mõlemal alaliigil ühesugused, kuid rekombineerumise füüsikaline päritolu (tänu millele saavutatakse hermeetilisus) on erinev. AGM akud on odavamad, nad võimaldavad saavutada suuri tühjaks- ja täislaadimise voolusid, on vähem kriitilised laengu tingimustele, ei karda lühiajalist lühist. See ongi tinginud AGM akude laialdase kasutuse. Geelakusid on otstarbekas kasutada seal, kus nende eelis – suur ressurss tsüklilises režiimis (geel fikseerib plaatide materjali efektiivsemalt, vähendades nende kulumist sügavate tühjakslaadimiste režiimis, sellepärast on tsükliline ressurss geelakudel kõrgem, kui AGM akudel) – on nõutud (näiteks autonoomsetes toitesüsteemides päikesepatareidel). Enamustes teistes seadmetes, kus rakendatakse puhver lisalaadimise režiimi koos harvade tühjakslaadimistega, kasutatakse geelakusid piisavalt harva.
VALIK
Tuleb märkida, et reaalne akupatareide töövältus määratakse täis- ja tühjakslaadimise tsüklite maksimaalse arvuga ja reaalsetes töötingimustes ulatub see harva kuni nominaalse ekspluatatsiooni tähtajani 5–10 aastat (töövältuse aeg aastates on tinglik suurus).
Samuti tuleb aru saada, et pinge 12 V klemmidel ei garanteeri kuidagi nominaalse mahtuvuse olemasolu patareil ja see tähendab, et pinge järgi ei saa hinnata patarei seisundit.
Akupatarei ostmisel tuleb pöörata juhinduda selle seadme tooja soovitustest, mille jaoks on see ettenähtud.
Katkematu toite allikate jaoks, millel on suhteliselt suur väljundvõimsus ja lühike autonoomse töö periood (kuni 30 minutit), tuleb patareide vahetamist teha ühte ja sama tüüpi mudeliga (ühesugune tüüp, mahtuvus ja pinge).
Akude valikul katkematu toite allikatele pikaajalise rakendumisajaga (näiteks gaasikatelde töö tagamiseks) tuleb samuti juhinduda seadme tootja soovitustest. On ilmne, et mida suurem on aku mahtuvus, seda pikem on KTA-i autonoomse töö aeg.
Voolutugevus, mis on vajalik aku laadimiseks on proportsionaalne selle mahtuvusega. Ligikaudne suhe on 1:10. See tähendab, et 100 Ah mahtuvusega aku laadimiseks on vaja voolutugevust umbes 10 A.
Enamusel KTA on sisseehitatud laadimisseadmed, mis on arvestatud tööks kindla mahtuvusega akudega. Suurema või väiksema mahtuvusega akude kasutamine ei ole soovitatav.
Kõik tootjad märgivad aku mahtuvuse, mis sobib konkreetse KTA mudeli jaoks. Kui UPS-ile sobivad erineva mahtuvusega akud, siis peab seadmes olema laengu voolu juhtplokk. Loomulikult on sellised KTA-id oluliselt kallimad. Kuid igal juhul on isegi sellistel KTA-idel oma laetavate akude diapasoon.
Tuleb samuti märkida, et akudel on piiratud säilitusaeg, sellepärast on oluline pöörata tähelepanu ka tootmise kuupäevale.
