تکنولوژی فایبر در صفحات ذخیره­ سازهای نیکل-کادمیوم نیروگاهی

با توجه به نیاز منابع تولید برق مستقیم در واحد های نیروگاهی همواره استفاده از بانک های باتری مورد توجه بوده، به این منظور استفاده از باتری که قابلیت اطمینان و کارایی بالایی داشته باشد همواره مورد توجه بوده است. با استفاده از دو نوع اصلی باتری اسیدی و نیکل کادمیوم می­ توان تا حدود زیادی این نیاز را مرتفع نمود. باتری نیکل کادمیوم با توجه به مزایای منحصر به فرد آن، امروزه مورد توجه صنایع مختلف می­ باشد. از جمله کاربردهای این باتری استفاده از آن در ایستگاه های بزرگ ذخیره سازی انرژی الکتریکی و به خصوص باتری خانه های نیروگاهی می­ باشد.

در حال حاضر در اکثر نیروگاه ها از باتری های اسیدی OPZS استفاده می­ شود اما مزیت های فراوانی که باتری نیکل کادمیوم ساختار فیبری (FNC) دارد می­ توان آن را رقیب جدی در برابر باتری های نیکل کادمیوم رایج یا OPZS اسیدی دانست. از طرفی باتری های نیکل کادمیوم رایج دارای ساختار POCKET PLATE بوده ولی در این مقاله قصد داریم ساختار صفحات و تکنولوژی خاصی از تولید صفحات نیکل کادمیوم را تشریح نماییم که به فایبر (FIBER) معروف است.

به منظور افزایش راندمان و بهبود عملکرد باتری های نیکل کادمیوم می­ توان به ساخت صفحات جدید با تکنولوژی فیبری بهره برد. تکنولوژی فیبری در واقع تولید صفحات مثبت و منفی باتری به صورت نانو لوله­ های تنیده شده در هم می­ باشد که به صورت صفحات باتری تولید می­ شود. با بهره گیری از این تکنولوژی و ساختار خاص صفحات، شاهد ویژگی های منحصر بفرد و قابلیت های ویژه ای از این نوع باتری ها می­ باشیم که می­ توان به موارد زیر اشاره کرد:

• چگالی ذخیره بار الکتریکی بالا
• طول عمر بالا
• ضریب پیر شوندگی کم (Aging Factor)
• عدم نیاز به هزینه های نگهداری و سوپروایزری
• عدم نیاز به تعویض الکترولیت
• خلوص و چگالی بالای صفحات باتری
• مقاومت داخلی بسیار پایین
• سهولت در تغییر سایز و ابعاد صفحات
• قابلیت ارائه ظرفیت بالا در مدت طول عمر باتری
• خاصیت کشسانی (الاستیسیته) بالای ساختار فایبر

 1. مقدمه

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

 2.مواد سازنده باتری

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

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

 3.طول عمر

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

 4.حساسیت به دما

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

  5.پدیده خود دشارژی (Self Discharge)

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

 6.نحوه افت ولتاژ در هنگام دشارژ

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

 7.سایز و وزن و پروسه ساخت

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

 8.سرعت شارژ

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

 9.جریان پیک دشارژ

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

 10.پدیده‌ی حافظه‌ای (Memory Effect) در باتریهای نیکل کادمیوم

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

 11.باتری نیکل کادمیوم فایبری

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

 Cd + 2 NiOOH + 2 H₂O <=> 2 Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂

 12.ساختار صفحات (الکترود) فایبر

به منظور افزایش راندمان و بهبود عملکرد باتری های نیکل کادمیوم می توان از ساخت صفحات جدید با تکنولوژی فایبر بهره برد.

تکنولوژی فایبر در واقع تولید صفحات مثبت و منفی باتری به صورت نانو لوله های تنیده شده در هم می باشد که به صورت صفحات باتری تولید می شوند. با بهره گیری از این تکنولوژی و ساختار خاص صفحات، شاهد ویژگی های منحصر بفرد و قابلیت های ویژه ای از این نوع باتری ها می باشیم که میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

 ویژگی های تکنولوژی صفحات فایبری FNC:

• خلوص بالایی صفحات
• چگالی بالای صفحات
• ضریب پیر شوندگی کم (Aging Factor)
• مقاومت داخلی بسیار پایین
• سهولت در تغییر سایز و ابعاد صفحات
• قابلیت ارائه ظرفیت بالا درطی طول عمر باتری
• خاصیت کشسانی (الاستیسیته) بالا

 مزایای استفادده از باتری های نیکل کادمیوم با تکنولوژی FNC نسبت به باتری های رایج:

• طول عمربالا (طول عمر بالای 25 سال)
• بازده دمایی وسیعتر (بازه دمایی 50- الی 60+)
• مقاومت مکانیکی بالا (تحمل بالای تنش های مکانیکی)
• مقاومت الکتروشیمیایی بالا (عدم ایجاد واکنش های شیمیایی مخرب درالکترود)
• قابلیت شارژ با جریان بالا (عدم انبساط الکترود در فرآیند شارژ و دشارژ)
• مقاومت داخلی پایین ( ضریب رسانایی بالای صفحات)
• عملکرد عالی در دماهای بسیار پایین و بالا (گرادیان پایین دما به تغییر ظرفیت)

 15.نتیجه­ گیری

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

با تولید کربنات در باتری، ظرفیت مفید باتری کاهش می یابد و همچنین باعث ایجاد رسوب و ناخالصی درون الکترولیت باتری می شود که این موضوع نیز نیاز به تعویض الکترولیت در اینگونه باتری ها را ضروری می نماید ولی در صورت استفاده از تکنولوژی صفحات فیبری FNC با توجه به چگالی و خلوص بالای این صفحات، دیگر نیاز به افزودن گرافیت در این باتری ها وجود ندارد لذا کربناتی در باتری تولید نمی شود و همچنین ناخالصی در الکترولیت به وجود نمی آید. بنابراین می توان نتیجه گرفت که با توجه به مزایای فراوان استفاده از تکنولوژی صفحات فایبری از جمله طول عمر بالا تا 3000 چرخه شارژ و دشارژ، جریان دهی و قابلیت ارائه توان بالا، قابلیت عملکرد مطلوب در دمای بسیار بالا (تا 60 درجه سانتی گراد)، بازدهی بالای شارژ مجدد و امکان قابلیت تسریع فرآیند شارژ، عدم تولید کربنات و ناخالصی در باتری، عدم نیاز به تعویض الکترولیت، کمینه افت ظرفیت مفید باتری (تا 2000 سیکل افت ظرفیت ندارد) و وجود فاکتور پیرشدگی ناچیز که تضمین طول عمر بالای این باتری می باشد، استفاده از باتری های FNC نسبت به دیگر باتری های نیکل کادمیوم و اسیدی به صرفه تر بوده و قابلیت اطمینان برق دهی را چندین برابر می کند.

16.منابع

1. IEEE Recommended Practice for Maintenance, Testing, and Replacement of Vented Lead-Acid Batteries for Stationary Applications. IEEE Std 450-2010 (Revision of IEEE Std 450-2002), 2011: p. 1-71
2. IEEE, IEEE Recommended Practice for Sizing Large Lead Storage Batteries for Generating Stations and Substations. 1994, IEEE
3. Battery Sizing and product. 2014; Available from: www.hoppecke.com
4. T.R.Crompton, “Battery Reference Book”, Third edition, 2000
5. Dr.-Ing. Wolfgang Fischer, “Stationary Lead-Acid Batteries An Introductory Handbook” second edition, 2014 
6. Milad Afzali, Mohsen Goudarzi, Abbas Hasani Azar, “ Increase lifetime and efficiency of vented fiber structure nickel cadmium battery for power plant and stationary system”  6th National Electrical Power Plant Conf. (V94-2), Tehran, 2016