Akumulatory bezobsługowe SLA
Akumulatory są elektrochemicznymi źródłami zasilania. W wyniku zachodzących reakcji chemicznych powstaje energia elektryczna. Akumulator - w zależności od wymaganego napięcia zasilania - składa się z jednego lub więcej ogniw. W akumulatorach stosuje się ogniwa wtórne (ładowalne), w których mamy do czynienia z odwracalną reakcją chemiczną. Po doprowadzeniu napięcia z zewnątrz ogniwo wtórne kumuluje energię, którą następnie może oddawać.
Bezobsługowe akumulatory ołowiowo-kwasowe oznaczane są oznaczane najczęsciej jako SLA (Sealed Lead-Acid - szczelne ołowiowo-kwasowe). Często stosuje się również w stosunku do tych akumulatorów nazwę VRLA (Valve Regulated Lead-Acid - ołowiowo-kwasowe regulowane zaworami). Dzięki swoim zaletom oraz właściwościom eksploatacyjnym coraz powszechniej zastępują tradycyjne (mokre) akumulatory kwasowe i zasadowe.
Akumulatory SLA serii Acumax
Zalety akumulatorów SLA:
- nie wymagają uzupełniania wody i konserwacji elektrolitu (pomiary gęstości, poziomu itp.),
- mogą pracować w dowolnej pozycji, nie mają bowiem płynnego elektrolitu,
- przy normalnej eksploatacji nie wydzielają gazów,
- dzięki szczelnym obudowom są bezpieczne w eksploatacji i nieszkodliwe dla otoczenia (nie ma kwaśnych oparów i niebezpieczeństwa poparzenia kwasem siarkowym),
- nie wymagają pomieszczeń ze specjalną, wymuszoną wentylacją,
- w porównaniu z klasycznymi akumulatorami mają niższą oporność wewnętrzną i są średnio o 70% mniejsze i o 50% lżejsze przy tej samej pojemności.
Technologie akumulatorów bezobsługowych
Akumulatory bezobsługowe wykonywane są obecnie w dwóch technologiach różniących się sposobem wiązania elektrolitu. W technologii AGM (Absorbed Glass Mat) cały elektrolit jest uwięziony (wchłonięty) w separatorach z włókna szklanego o wielkiej porowatości. Separatory te są umieszczane między płytami ołowianymi. Wykorzystywane jest tu zjawisko napięcia powierzchniowego w komórkach separatora wykonanego z odpowiedniej maty szklanej. Akumulatory wykonane w technologii AGM mają niższą rezystancję wewnętrzną, niż akumulatory wykonywane w technologii żelowej. To zaś oznacza wyższe napięcie na zaciskach i dłuższy czas pracy. Jest to szczegolnie zauważalne przy rozładowywaniu akumulatyora dużym prądem. Przy tych samych gabarytach mają również nieco większą pojemność od akumulatorów żelowych, gdyż część elektrolitu w akumulatorach żelowych stanowi czynnik żelujący.
W technologii żelowej elektrolit jest unieruchomiony przez dodanie do niego niewielkiej ilości krzemionki SiO2. Rekombinację gazów umożliwiają kanaliki tlenowe w strukturze żelu. Akumulatory żelowe lepiej odprowadzają ciepło wytwarzane w akumulatorze przy przepływie prądu. Dzięki dużej pojemności cieplnej akumulatory żelowe zapewniają wysokie bezpieczeństwo pracy w podwyższonych temperaturach. Są również bardziej odporne na wibracje i wstrząsy. Ta zaleta ma znaczenie przy zastosowaniach mobilnych i przenośnych. Akumulatory żelowe charakteryzują się również dużą odpornością na przeładowanie i głębokie rozładowanie, czym niestety nie mogą pochwalić się akumulatory wykonywane w technologii AGM. Akumulatory żelowe mogą być regenerowane nawet po wielogodzinnych zwarciach. Ich rezystancja wewnętrzna jest jednak większa niż akumulatorów AGM.
Konstrukcja akumulatorów
W akumulatorach SLA płyty dodatnia i ujemna są wykonane siatkach za stopów niskowapniowych ze śladowym dodatkiem innych metali. Dodatki stopowe są stosowane w celu redukcji do minimum ewolucji wodoru przy płycie ujemnej (redukcja utraty wody) oraz ograniczenie wielkości korozji i wzrostu płyt. Elektroda ujemna jest wykonywana z gąbczastego ołowiu Pb, zaś elektroda ujemna jest wykonywana z PbO2. I na tych płytach zachodzą reakcje chemiczne. Płyty są oddzielone separatorem z włókna szklanego o dużej odporności termicznej i dużej odporności na utlenianie. Całość okrywa obudowa z ABS, PCV lub PP charakteryzująca się dużą odpornością na działanie kwasu i dużą wytrzymałością mechaniczną.
Konstrukcja akumulatora AGM serii HP KOBE
Elektrolit jest pochłonięty przez separator międzypłytowy (w postaci maty szklanej) i w ten sposób uwięziony między płytami. Gaz powstający w trakcie elektrolizy na płycie dodatniej jest przekazywany za pośrednictwem specjalnego separatora do płyty ujemnej, gdzie jest rekombinowany do postaci siarczanu ołowiu i wody. Takie rozwiązanie eliminuje konieczność uzupełniania elektrolitu, jak to się dzieje w przypadku klasycznego akumulatora, gdzie tlen i wodór są wydalane do atmosfery. Ponieważ elektrolit utrzymywany jest między elektrodami dzięki specjalnej konstrukcji płyt, akumulator może pracować w każdej pozycji.
Każde ogniwo akumulatora bezobsługowego (6 woltowy - 3 ogniwa, 12 woltowy - 6 ogniw) posiada jednokierunkowy, samouszczelniający się zawór bezpieczeństwa. Zawór ten otwiera się w przypadku wzrostu ciśnienia wewnątrz akumulatora (np. przy przeładowaniu) i wypuszcza gazy na zewnątrz chroniąc obudowę akumulatora przed rozsadzeniem.
Żywotność akumulatorów
Po długim użytkowaniu akumulatora następuje zużycie elektrod. Efektywny okres żywotności standardowego akumulatora AGM wynosi od trzech do pięciu lat przy pracy rezerwowej i około 200 cykli (1 cykl, to 100% wyładowania) przy pracy cyklicznej. Po tym okresie nie jest możliwe przywrócenie jego pojemności.
Żywotność akumulatora Europower serii EP przy pracy cyklicznej
Najważniejsze czynniki wpływające na skrócenie żywotności akumulatora, to:
- wielokrotne głębokie wyładowania,
- wysoki prąd wyładowania w pracy cyklicznej,
- nadmierny prąd ładowania akumulatora,
- przeładowanie akumulatora,
- zbyt niska lub zbyt wysoka temperatura otoczenia.
Temperatura pracy
Znamionowa temperatura pracy akumulatorów AGM wynosi 20°C. Należy podkreślić, że praca akumulatorów bezobsługowych w podwyższonych temperaturach powoduje dramatyczne skrócenie ich żywotności. Praca w podwyższonej temperaturze może powodować wysychanie i rozbieganie termiczne ogniw akumulatora. Zasadniczy wpływ na to mają:
- mała pojemność cieplna,
- brak rezerwy elektrolitu,
- ograniczona emisja ciepła do otoczenia.
Żywotność zmniejsza się nawet o połowę na każdy wzrost temperatury o 8°C powyżej znamionowej temperatury pracy. Oznacza to, że akumulator eksploatowany w 28°C zachowa 50% a w 36°C tylko 25% projektowanej żywotności. W celu uzyskania maksymalnej żywotności akumulatora pracującego buforowo należy:
- umieszczać akumulator z dala od urządzeń będących źródłem ciepła (np. transformator, radiator),
- zachować przynajmniej 1,5cm odstępu wokół akumulatora oraz stosować urządzenia z otworami wentylacyjnymi w obudowie dla zapewnienia swobodnej cyrkulacji powietrza, zastosować efektywną naturalną lub wymuszoną wentylację,
- stosować zasilacz z kompensacją temperaturową napięcia ładowania, jeśli temperatura pracy będzie znacznie przekraczać 20°C.
Żywotność akumulatora Europower przy pracy buforowej
w zależności od temperatury pracy
Podczas pracy w niskich temperaturach należy uwzględnić spadek pojemności akumulatora i dobierać ją z odpowiednim zapasem. W temperaturze 0°C pozostaje do dyspozycji użytkownika około 85%, a w -10°C i -20°C odpowiednio 75% i 65% pojemności znamionowej.
Zastosowania akumulatorów
Przy pracy buforowej (zasilanie awaryjne) - akumulator jest cały czas podłączony do układu ładowania i stanowi awaryjne źródło zasilania w przypadku zaniku napięcia sieciowego. Po naładowaniu akumulator pobiera minimalny prąd konserwujący, który uzupełnia jego samorozładowanie. Główne obszary zastosowań to:
- zasilacze awaryjne UPS,
- systemy alarmowe,
- oświetlenie awaryjne,
- centrale telefoniczne,
- kasy fiskalne itp.
W takich przypadkach mogą być stosowane zarówno akumulatory uniwersalne (np. akumulatory serii EP Europower), jak i akumulatory dedykowane do pracy buforowej (np. akumulatory serii EV Europower). Akumulatory dedykowane do pracy buforowej mają z reguły nieco większą pojemność przy tych samych rozmiarach.
Akumulator uniwersalny EP7,2-12 Europower
Przy pracy cyklicznej - akumulator jest podstawowym źródłem zasilania urządzenia i po rozładowaniu jest odłączany od obciążenia i ponownie ładowany. Główne obszary zastosowań to urządzenia przenośne i mobilne:
- przenośny sprzęt RTV,
- przenośne narzędzia,
- przenośny sprzęt pomiarowo-kontrolny,
- elektroniczny sprzęt medyczny,
- zabawki.
W takich miejscach mogą być stosowane zarówno akumulatory uniwersalne (np. akumulatory serii EP Europower), jak i akumulatory dedykowane do pracy cyklicznej (np. akumulatory serii EC Europower). Akumulatory konstruowane specjalnie do pracy cyklicznej zdecydowanie lepiej znoszą głębokie rozładowania, niż akumulatory uniwersalne. Jak widać z poniżej zamieszczonej charakterystyki akumulator serii EC Europower wytrzymuje 400 cykli rozładowania 100% (przy zachowaniu 60% pojemności), podczas gdy akumulator serii EP wytrzymuje tylko około 220 takich samych cykli rozładowania (patrz charakterystyka żywotności akumulatora EP przy pracy cyklicznej przedstawiona nieco wcześniej).
Żywotność akumulatora Europower serii EC przy pracy cyklicznej
Głębokość rozładowania
Szczelne akumulatory ołowiowo-kwasowe AGM są wrażliwe na powtarzające się nadmierne (zbyt głębokie) rozładowania. Nadmierne rozładowanie akumulatora powoduje ograniczenie jego możliwości magazynowania energii, zmniejszenie pojemności i skrócenie żywotności. Przyczyną nadmiernego rozładowania może być również pozostawienie rozładowanego akumulatora przez dłuższy czas bez ładowania. Zbyt głęboko rozładowywane akumulatory ulegają zasiarczeniu, które objawia się częściową, nieodwracalną utratą dostępnej pojemności.
Związek pomiędzy prądem rozładowania a końcowym napięciem rozładowania został przedstawiony w tabeli 1. Nie należy rozładowywać akumulatora do napięć niższych niż podane w tabeli. Na przykład końcowe napięcie rozładowania akumulatora 12V o pojemności 7Ah, z którego pobierany jest prąd o wartości 0,7A (0,1C) wynosi 10,5V (6 ogniw * 1,75V/ogniwo).
|
Prąd rozładowania |
Końcowe napięcie rozładowania |
|
[A] |
[V/ogniwo] |
|
I < 0,2 C |
1,75 |
|
0,2 C< I < 0,5 C |
1,70 |
|
0,5 C< I < 1,0 C |
1,55 |
|
1,0 C> I |
1,30 |
| *C - pojemność akumulatora | |
Chociaż niebezpieczeństwo nadmiernego rozładowania występuje głównie podczas pracy cyklicznej, to również w czasie pracy buforowej należy zabezpieczyć się przed zbytnim obniżeniem napięcia akumulatora w czasie długich przerw w zasilaniu z sieci energetycznej. Rozwiązaniem jest zastosowanie układu odłączającego akumulator od obciążenia, gdy napięcie na jego zaciskach osiągnie minimalny, dopuszczalny poziom.
Parametry ładowania akumulatorów
Akumulatory AGM powinny być ładowane metodą stałonapięciową z ograniczeniem prądowym. Początkowy prąd ładowania nie powinien być większy niż 0,3C [A] (zalecany 0,1C [A] gdzie C - pojemność akumulatora).
Napięcie ładowania podczas pracy buforowej powinno zawierać się w zakresie od 2,25 do 2,30 V/ogniwo (zalecane 2,275V/ogniwo ) czyli od 13,5 do 13,8V dla akumulatorów 12V. Przy dużych wahaniach temperatury pracy należy zastosować zasilacz z układem kompensacji temperaturowej napięcia ładowania, który zmniejsza napięcie ładowania przy wzroście temperatury. Współczynnik kompensacji temperaturowej wynosi -3,3 [mV/°C/ogniwo] od 20°C. Napięcie ładowania powinno być dobrze stabilizowane a jego tętnienia nie powinny przekraczać 1,5%. Małe i lekkie ładowarki impulsowe o dużej sprawności spełniają z reguły te wymagania z zapasem.
Ładowarka LC-2212 do akumulatorów SLA
pojemności 6-12Ah/12V
Składowanie
Sprawność akumulatora jest określana stosunkiem energii, którą można pobrać z akumulatora do energii dostarczonej w procesie ładowania. Akumulator posiada pewną rezystancję wewnętrzną, można więc pobrać z niego mniej energii, niż dostarczono. Dzięki wyeliminowaniu antymonu z płyt akumulatora i zastosowaniu stopu wapniowego oraz związaniu elektrolitu w żelu (lub macie szklanej), akumulatory charakteryzują się niskim współczynnikiem samorozładowania. Dzięki temu akumulatory mogą być przechowywane bez konieczności doładowywania przez długi czas.
Charakterystyka samorozładowania akumulatora w zależności od temperatury
Temperatura składowania akumulatorów powinna zawierać się w zakresie temperatur od -20°C do +40°C. Wskazane jest, aby temperatura nie przekraczała przechowywania nie przekraczała 20°C. Graniczną temperaturą przechowywania (jak również pracy) jest temperatura +55°C. Składowanie akumulatorów poza zakresem zalecanych temperatur może prowadzic do utraty pojemności, zwarcia ogniw lub zmniejszenia żywotności. Akumulatorow nie należy przechowywać na otwartej przestrzeni, gdzie mogą być narażone na niekorzystne warunki atmosferyczne. Najlepszym miejscem przechowywania są pomieszczenia chłodne i suche.
Podczas długiego składowania akumulatorów należy co pewien czas przeprowadzać doładowywanie. Przy temperaturze składowania poniżej 20 stopni ładowanie uzupełniające należy przeprowadzać co 12 miesięcy, zaś w temperaturze 20-30 stopni akumulatory należy doładowywać co 8 miesięcy.
Autor: Aleksy Kordiukiewicz
Ofertę wielu rodzin akumulatorów SLA na napięcie 6V i 12V oraz ładowarek wraz z ich opisami, fotografiami i kartami katalogowymi można obejrzeć w naszym katalogu internetowym.
