Energija na plovilu - Akumulatorji

ZAKAJ VSAK AKUMULATOR NI PRIMEREN ZA PLOVILO ?
POGLAVJE:
1. Uvod
2. Primerjava akumulatorjev avto-jadrnica-motorna barka
3. Svinčeni akumulatorji - sestava
4. Kapaciteta, praznenje in polnjenje
5. Mokri (wet) in želatinasti (gel) elektrolit
6. Staranje akumulatorja
7. Sulfatizacija
8. Prekomerno polnjenje
9. Primerjava startnih in cikličnih akumulatorjev

Energija in instrumenti na barki
avtor: Iztok Šušteršič

1. UVOD
Brez energije na barki ne moremo zagnati motorja, poslušati radia, piti prijetno hladnega piva, uporabiti navigacijskih naprav niti splakniti vse bolj popularnih električnih stranišč. Hoteli ali ne postajamo čedalje bolj odvisni od naprav na plovilu. Daljših potovanj si niti zamisliti ne moremo brez dobrega avtopilota. Nekateri “kapitani” pa niso sposobni niti navigirati brez uporabe elekronskih pripomočkov.

Elektronske naprave na plovilih so zelo vplivale na varnost in ugodje plovbe. Po izkušnjah vemo, da so razmere na morju izredno neprijazne za vse sestavne dele plovila. Najbolj nepredvidljive so okvare elektronskih naprav in elektro instalacije, katere nihče preventivno ne vzdržuje. Vsa popravila in servis se izvaja, ko neka naprava že odpove. Težave na plovilu izvirajo iz povišane vlage, oksidacije konaktov in predvsem zaradi neprimernega energetsko neuravnoteženega sistema.
    Zaradi neuravnoteženega sistema napajanja se je že marsikateri lastnik znašel v nezavidljivih težavah. Ko po mirni noči na sidru ob vključeni sidrni luči, radiu in hladilniku proti jutru vreme pokaže svoje zobe, se pogosto zgodi, da motorja ni možno zagnati. Kmalu ugotovimo, da tudi sidra ne moremo dvigniti. Ročke za sidrno vitlo ni pri roki energije pa že zdavnaj ni več. Pravi pomorci se bodo znali iz takih težav rešiti, ostalim pa svetujem, da nekaj storijo za zaneslivejši in pravilno dimenzioniran sistem napajanja, ki bo izpolnjeval potrebe in predvsem način uporabe plovila. Težav nepravilno dimenzioniranega sistema ne bomo rešili z zasilnimi popravili, kajti kmalu morda že za vogalom marine bomo imeli zopet prazne akumulatorske baterije ali pa se bo pokazala nova napaka. Pogosto menjavanje akumulatorskih baterij se izkaže za sizifovo delo, saj nam neuravnotežen sistem lahko uniči nove baterije že v mesecu dni. S tem pa samo obremenjujemo lasten žep in naravo.

Lahko rečemo, da je sistem uravnotežen oziroma pravilno dimenzioniran šele takrat, ko izpolnjuje potrebe lastnika plovila z nekaj rezerve. Veliko novih plovil prihaja direktno iz proizvodnega traku z sistemom, ki je dimenzioniran za minimalne energetske potrebe, kar je logično, saj mora biti plovilo čim cenejše za trg. Obenem je tudi nemogoče vnaprej predvideti način uporabe plovila in lastnikove potrebe, kar vse močno vpliva na pravilno dimenzioniranje napajalnega sistema.

Ta brošura je namenjena vsem navtikom, ki želijo svoje plovilo polno uporabljati in na njem uživati in seveda tistim, ki so siti večnih popravil. Največkrat se težav ne lotimo globalno, ker ne poznamo izvora težav. Ta brošura naj bi vam pomagala bolje razumeti, kaj pomeni pravilno dimenzioniran in energetsko uravnotežen sistem napajanja. Vesel bom pripomb in nasvetov, katere lahko pošljete na našo elektronsko pošto (info(pri)harpoon.si) katere bom uporabil pri izdaji nove brošure.

2. PRIMERJAVA AKUMULATORJEV avto-jadrnica-motorna barka
Akumulatorska baterija (12V ) v vozilu služi samo za zagon motorja, saj alternator zagotavlja energijo za celotno potrebo vozila in seveda kanček za polnjenje akumulatorja. Starter ob zagonu motorja potrebuje velik zagonski tok.  Recimo da starter potrebuje za uspešen start motorja 400A, kar je zelo velik starter (normalno 200A). Za izračun recimo, da traja zagon motorja 15 sekund, kar je zopet zelo veliko (normalno do 6 sek). Tako je moral naš zagonski akumulator oddati 400÷(4×60)=1,66Ah. “Tako malo!”, boste rekli. Ob zagnanem motorju alternator napolni akumulator na polno stanje v nekaj manj kot minuti.

Ob normalni uporabi vozila je akumulator praktično vedno poln. Večje porabe energije v vozilu ne pokriva energija akumulatorja temveč alternator, ki je dimenzioniran za vsako vozilo posebej. Tak sistem je energetsko uravnotežen, saj je porabljena energija ob zagonu dopolnjena v izredno kratkem času.

Na jadrnici se srečamo s popolnoma drugačnim režimom delovanja. Na jadrnici motor startamo le občasno, zato večino časa akumulator samostojno napaja električne porabnike. Akumulator se zaradi tega izprazni globje, kot v katerem koli drugem plovilu ali vozilu. V kratkih presledkih, ko motor deluje pa je zelo malo časa za polnjenje akumutorjev. Idealni sistem na jadrnici bi moral imeti kvalitetne ciklične akumulatorje, katere bi bilo možno izprazniti čim globlje, močan alternator in obvezno kvaliteten pametni alternator regulator, da bi lahko porabljeno energijo nadomestili v čim krajšem času. Cikličnim akumulatorjem in regulatorjem alternatorjev je namenjeno posebno poglavje v nadaljevanju.

Motorna plovila imajo drugačne značilnosti, ki so nekje med avtom in jadrnico. Motor na motornem plovilu bo deloval daljši čas. Vso potrebno energijo med plovbo bo tako zagotavljal alternator. Tudi za polnjenje akumulatorjev je na razpolago več časa. Zadeve pa se takoj spremenijo, če želimo ob polnem udobju preživeti noč na sidru. Takrat so energetske razmere podobne tistim na jadrnici. Na večjih plovilih zagotavljajo potrebno energijo generatorji, ki s polnilci polnijo tudi akumulatorje. Če želi lastnik dragega plovila uživati na sidru brez ropota generatorja lahko uporabi DC/AC konverter. Konverterji imajo majhne izkoristke in so izredno požrešni. Generator se bo zopet vklopil po sorazmerno kratkem času. Če bi želeli ta čas podaljšati, bi bilo potrebno povečati kapaciteo sistema. Zaradi velike porabe so presledki med delovanjem generatorja izredno kratki in tako imamo tudi miru zelo malo. Na manjših motornih plovilih, kjer nimamo vgrajenega generatorja je potrebno energetski sistem dimenzioniratii specifični uporabi in razpoložljivim virom za polnjenje. Uporabiti je potrebno ciklične akumulatorje katere lahko globlje praznimo in hiter kvaliteten način polnenja iz alternatorja in omrežnega priključka v marini ali generatorja.

Sistemi napajanja v vozilu in na plovilu nimajo kaj dosti skupnega, zato me kar zmrazi, ko me kdo poskuša pregovoriti, da so za njegovo barko dovolj dobri startni avomobilski akumulatorji. Ponavadi se tak lastnik prekomerno ukvarja z okvarami na plovilu in niti ne opazi, da dejansko meče denar skozi okno (v vodo) brez kakršnega koli učinka. Obenem tudi obremenjuje naravo z najstrupenejšimi odpadki med katere vsekakor sodijo tudi izrabljeni akumulatorji.

3. SVINČENI AKUMULATOR - SESTAVA
Svinčeni akumulator je lahko sestavljen iz več celic. Če imamo šest celic zaporedno povezanih v istem ohišju dobimo 12V akumulator. Vsako celico sestavlja več negativnih in pozitivnih plošč med katerimi je elektrolit oziroma žveplena kislina. Vse pozitivne plošče so povezane skupaj in ravno tako negativne. Napetost ene celice je vedno 2,1V ne glede na površino ali debelino negativnih in pozitivnih plošč. Napetost ene celice in kemični proces, ki se odvija v akumulatorju je izražen v sledeči kemijski formuli: PbO2+Pb+2H2SO4<>2PbSO4+H2O. Če v žvepleno kislino pomočimo svinec in svinčevdioksid lahko izmerimo napetost 2,1V. Različne napetosti dobimo, če pomočimo v elektrolit različne materiale. Če za elektrolit vzamemo slano vodo in dva različna materiala dobimo galvanski člen, ki na barki povzroča rjavenje in hitro propadanje materiala. Tej temi bom v prihodnosti posvetil več časa in pripravil poseben članek.

4. KAPACITETA, PRAZNENJE IN POLNJENJE
Da bi lažje razumeli akumulatorje opisane v naslednji točki prej razjasnim nekaj pojmov.

Kapaciteta akumulatorske baterije ni stvar kemije temveč količine svinca v celici. Več kot je aktivnega materiala več energije lahko akumulator shrani. Velike in masivne plošče bodo imele nazivno napetost še vedno samo 2,1V in nič več le veliko več elektronov lahko shranijo, kot če so celice lažje in tanjše. Ne glede na tip akumulatorja je njegova teža premosorazmerna kapaciteti. Razlike med izvedbami akumulatorjev so samo v dopustni globini praznenja do katere akumulator lahko praznimo brez škodljivega (večjega) vpliva na življensko dobo. Seveda je treba vedeti, da je VSE akumulatorje po globokem praznenju potrebno obvezno v čimkrajšem času napolniti. 

Oddajanje shranjene energije v plošči je odvisno od sposobnosti reagiranja kisline v elektrolitu z aktivnim materialom v plošči. Logično je da kislina v elektrolitu ob praznjenju najprej reagira z aktivnim materialom na površini in le počasi prehaja skozi porozno ploščo do aktivnega materiala znotraj plošče. Hitrost prehajanja elektrolita omejuje količino oddane energije v danem času. Debelejša kot je plošča počasneje elektrolit (difuzira) pronica skozi njo. Akumulator torej lahko oddaja energijo le postopoma. Enako velja za polnenje. Če mora akumulator v krakem času oddati veliko energije bo kislina v elekrolitu reagirala najprej z površino plošč nato pa bo napetost padla saj elektrolit še ni uspel pronicati v ploščo. Podobno kot pri startu avtomobila malce počakaš in zopet lahko staraš motor.

Ob polnjenju akumulatorja mora voda pronicati skozi ploščo in odplakovati kislino. Hitrost polnjenja je omejena s hitrostjo pronicanja vode v ploščo in izhajanja kisline iz nje.

5. MOKRI (WET) IN ŽELATINASTI (GEL) ELEKTROLIT
Klasični akumulatorji (mokri, wet) imajo tekoči elektrolit in jih je enostavno vzdrževati. Občasno je potrebno kontrolirati količino elektrolita in po potrebi doliti destilirane vode. Ob polnjenju akumulatorja lahko pride do uplinjanja, kjer voda razpade na svoje elementarne dele vodik in kisik. Uplinjanje je izrazitio v zadnji fazi polnjenja, če sistemi polnjenja ne prilagajajo polnenja dejanskemu stanju napolnjenosti in temperaturi akumuatorja. Plošča iz poroznega svinca je zelo krhka, zato ji v fazi izdelave dodajo antimon, ki jo utrdi na nosilno mrežo. Obenem se plošči podaljša življenjska doba saj preprečuje razpadanje plošče. Antimon pa ima tudi stranske učinke. Prvi je da povzroča zaradi internih galvanskih tokov v celici samopraznenje na daljši časovni rok, ki nikakor ni zanemarljiv. Višja kot je temperatura intenzivnejše je samopraznjenje. Samopraznenje lahko znaša celo do 1% kapacitete dnevno, zato je izjemno pomembno, da je na takem plovilu vgrajen solarni panel za vzdrževanje akumulatorjev. Antimon tudi pospešuje uplinjanje, zato je kvalitetno polnjenje z minimalnim uplinjanjem izredno pomembno.

V gel akumulatorjih je elektrolit podoben želatini. Sposobnost prehajanja elektrolita v ploščo je močno zmanjšana, zato so plošče relativno tanke. Želatine ne moremo dopolnjevati, zato je izrednega pomena, da želatinaste baterije polnimo brez uplinjanja. Gel akumulatorji so zaprti in ne zahtevajo servisiranja.

Uplinjanje je manjše kot pri mokrih akumulatorjih saj za učvrstitev celic na mrežo uporabljajo kalcij, ki ne pospešuje uplinjanja in ima zato tudi manjše samopraznenje. V gel akumulatorjih ob polnjenju pritisk naraste zaradi uplinjanja elektrolita, ki se deloma zopet regenerira. Če vodik in kisik iz akumumulatorja lahko nemoteno izhajata potem se elektrolit hitro izsuši in uniči akumulator.

Na podobnem principu so izdelani tudi AGM akumulatorji, ki z izvedbo celice rešujejo problem višjih praznilnih tokov in hitrega polnenja

Včasih tudi za določen mokri akumulator najdemo podatek, da ga ni potrebno servisirati, kar največkrat ne drži saj ponujajo akumulator, ki ima več elektrolita kot je potrebno. Ko se gladina zniža pa ni možno doliti destilirane vode, ker je “maintenance free” in tako je neuporaben prej čeprav so plošče še v dobrem stanju.

POVZETEK:
- MOKRI: tekoč elektrolit, antimon za čvrstost, večje uplinjanje zaradi antimona, samopraznjenje, omejena hitrost praznjenja in polnjenja, dolga življenska doba, malo vzdrževanja.
- AGM: Podoben Gelu le da ima večjo površino plošč in lahko odda za kratek čas tudi višje tokove, kar je uporabno tudi za startanje manjših predvsem izvenkrmnih motorjev.
- GEL: želatinast elektrolit, tanke plošče, kalcij za čvrstost, manj uplinjanja, samopraznenje zanemarljivo, hitrost polnjenja omejena z uplinjanjem, brez vzdrževanja.

6. STARANJE AKUMULATORJA
Ob polnjenju in praznjenju akumulatorja prehaja svinec v svinčev dioksid in obratno. Ob vsakem ciklu se oslabi vez med svincem in nosilno mrežo kljub dodanemu antimonu. Če nebi bilo v plošči dodanega antimona, ki utrjuje vez, bi bila življenjska doba akumulaorja izredno kratka, do 50 ciklov. Še posebno hitro razpadajo celice startnih akumulatorjev katere globoko praznimo, ker imajo zelo tanke plošče. Nekaj malega materiala tudi odpade in se nalaga na dnu celice. S tem pojavom se počasi a vzrajno zmanjšuje kapaciteta akumulatorja. V plovilih nenehno valovanje pozroča tudi valovanje v notranjosti akumulatorja in elektrolit dejansko spira razrahljan material s plošč. V skrajnem primeru sprani material na dnu celice lahko povzroči kratek stik in galvanskega člena ni več. Torej imajo akumulatorji z debelejšimi ploščami daljšo življenjsko dobo, če ga ciklično polnimo in praznimo.

Avtomobilski akumulatorji služijo predvsem za start in stalno napajajo le uro in sprejemnik daljinskega odklepanja v vozilu. Vozilo je možno startati celo po 4 tednih. V takem vozilu ima kvaliteten akumulator življenjsko dobo tudi več kot 6 let. Iz izkušenj lahko navedem, da imajo luksuzna vozila višjega cenovnega ranga vgrajenih celo vrsto naprav, ki vsaka zase ne porabi veliko energije, vendar ko vse skupaj seštejemo dobimo relativno zelo veliko porabo (0,2 do 1A). V takem vozilu mora akumulator zagotavljati visoke zagonske tokove za start vozila in skozi daljša časovna obdobja mirovanja vozila, napajanje ure, radia, računalnikov. V mirovanju se računalnik v vozilu, po zaustavitvi motorja samodejno vključuje. Najprej pogosto, nato čedalje redkeje. Če vozilo miruje ga je možno startati le do 10 dni. Kvaliteten akumulator pod temi pogoji delovanja zdrži maksimalno 2 do 3 leta.

Priporočilo: Za globoko praznenje na plovilih obvezno uporabite ciklične akumulatorje. Težji kot je boljši je!!

7. SULFATIZACIJA
Svinčev sulfat, ki se tvori na plošči je kratek čas po praznjenju mehak. Kadar akumulator takoj polnimo le ta relativno hitro in enostavno prehaja v kislino. V kolikor izpraznjen akumulator dlje časa stoji svinčev sulfat postane trd (kristalizira). Kristaliziran svinčev sulfat izgubi sposobnost prehajanja v kislino in tako na plošči povzroči področje skozi katerega elekrolit ne more prehajati. Akumulator izgublja na kapaciteti in procesa ni možno ustaviti. Do sulfatizacije pride tudi zaradi nepravilnega polnjenja še posebej če akumulatorja ne napolnimo vedno do konca. Sulfatizacija je zelo pogost pojav na akumulatorskih baterijah na barkah, kjer se s pomočjo ločilnih diod lahko hkrati polnijo, servisna (hišna), startna in morda baterija za sidrno vitlo ali “bow thruster”. Tak akumulator se nikoli ne napolni do kraja zaradi padca napetosti na ločilnih diodah. O tem več v poglavju ločilne diode.

Do sulfatizacije pride tudi zaradi samopraznjenja akumulatorja. Dve poglavji nazaj smo podrobneje spoznali razliko med mokrimi (wet) in želatinastimi (gel) akumulatorji. Do sulfatizacije pride zaradi tega pojava pri obeh tipih akumulatorja izrazitejša pa je pri mokrih zaradi dodanega antimona. Višja kot je zunanja temperatura hitrejše je samopraznjenje.

PRIPOROČILO: Akumulatorji naj bodo čimprej napolnjeni še posebej poleti. Ne uporabljajte ločilnih diod oziroma sistemov polnjenja, ki nikoli ne napolnijo akumulatorjev do kraja.

8. PREKOMERNO POLNJENJE
Prekomerno polnjenje je ravno tako škodljivo, kot če premalo polnimo akumulator. Ob prekomernem polnjenju se elektrolit pospešeno uplinja. Nivo elektrolita zaradi tega naglo upada. Če izhlapele vode ne nadomesimo takoj, se plošče izsušijo in kljub kasneje dodani destilirani vodi izsušeni deli plošč osanejo za vedno neuporabni. Še posebej občutljivi so želatinasti akumulatorji, saj jim ne moremo nadomestiti izgubljenega elektrolita. Pozitivna plošča celice zaradi povečanega galvanskega učinka prične razpadati. Najprej upade zmožnost prenašanja velikih tokov kasneje pa poziivna plošča popolnoma razpade. Akumulator je popolnoma neuporaben že v nekaj tednih. Akumulatorji z debelimi ploščami (cikični) so veliko odpornejši na pojav prekomernega polnjenja kot akumulatorji s tankimi ploščami (startni).

9. PRIMERJAVA STARTNIH IN CIKLIČNIH BATERIJ
Iz prej opisanih pojavov ste lahko odkrili, da akumulatorske baterije v navtiki globoko praznimo, zato startne vsekakor niso prava izbira. Startni akumulatorji so narejeni za zagon motorja in morajo biti sposobni oddati velike zagonske tokove v izredno kratkem času. Poraba energije je kljub velikim tokovom izredno majhna, komaj nekaj Ah za start motorja. Da bi lahko akumulator v krakem času oddal veliko energije mora imeti tanke plošče, tako da elektolit lažje prodre do aktivnega dela plošče v čim krajšem času. Zelo pomembno je, da je površina celic čim večja in da je plošč čim več. Večja kot je skupna površina celic večji tok lahko akumulator odda ob zagonu motorja. Tanke celice z majhno gostoto aktivnega materiala nimajo sposobnosti oddajati energijo daljši čas ampak zato lahko oddajo veliko energije v kratkem času, kar je natanko to zaradi česar so narejene.
Se nadaljuje.

Iztok Šušteršič
4,2,2002, nazadnje dopolnjeno 2014, 5/2017


Avtorska pravica na tekst je v celoti pridržana. Prepovedano je uporabiti celoto ali del za kakršno koli objavo ali uporabo brez (pisnega) dovoljenja avtorja!


TABELA:stopnja napolnjenosti neobremenjenega akumulatorja po vsaj eni uri mirovanja po polnjenju.

napolnjenosti
napetost
celice
napetost akumulatorja
100% 2,12V 12,70V
90% 2,08V 12,50V
 80%  2,07V  12,42V
 70%  2,05V  12,32V
 60%  2,03V  12,20V
 50%  2,01V  12,06V
 40%  1,98V  11,90V
 30%   1,96V   11,75V
 20%   1,93V  11,58V
 10%  1,89V   11,31V
0 1,75V 10,50V

Napetost polnenja: 14,2- 14,4V
Maksimalna napetost polnenja: 14,75V
Priporočljivo polnenje:
   - startni tok do 10%  (do napetosti celice 2V)
    -maX tok polnjenja tekočih WET akumulatorjev do 30% nazivne kapacitete (MAX 33%)
   - maX tok polnjenja AGM
   - max tok polnjena GEL do 10% nazivne kapacitete

 

Če želite ohraniti življensko dobo akumulatorjev jih nikoli ne izpraznite pod 40% oziroma do 2,03V. Vse kar presega to mejo ZELO ŠKODUJE svinčenim akumulatorjem ne glede na tip izvedbe še posebej če jih takoj za tem ne napolnimo.

Povezave:
Baterije in akumulatorji (stran 48), avtor Gregor Maček. Odličen opis in primerjava različnih tipov akumulatorjev.