Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

  • View
    1.202

  • Download
    7

Embed Size (px)

Text of Kontrola Kapaciteta Baterija - Seminar

TEHNIKO VELEUILITE U ZAGREBUSpecijalistiki diplomski struni studij elektrotehnike

KONTROLA KAPACITETA BATERIJA-Seminarski rad-

Kolegij: UPRAVLJANJE KVALITETOM

Danilo Kosori Domagoj Devi Ivan Grani Mario Valjak Vladimir Vuzem

Zagreb, veljaa 2011.

2

Sadraj:

1. UVOD........................................................................................................................4 2. BATERIJE KAO SPREMNICI ELEKTRINE ENERGIJE.......................................5 3. ISPITIVANJE KAPACITETA BATERIJA...............................................................10 4. EKOLOKO ZBRINJAVANJE NEISPRAVNIH BATERIJA..................................16 5. ZAKLJUAK..........................................................................................................17 Kolege,........................................................................................................................17 6. LITERATURA.........................................................................................................18

1. UVOD

Dananji svijet je nezamisliv bez baterija, jer je ona prisutna u mnogim elektronikim ureajima. Vrijeme rada ureaja je odreeno njezinim kapacitetom, a kapacitet ovisi o dosta stvari, najee je to radna okolina. U ovome vremenu kada su elektroniki ureaji sve zahtjevniji od baterija se oekuje da budu pouzdane, to kompaktnije i lake te dovoljnog kapaciteta. Iz gornje navedenih razloga u ovom seminaru bavit emo se kontrolom kapaciteta baterija na nain da emo uzorkovati 10 mjerenja na 20 baterija istog tipa. Iz tih podataka mogue je uvidjeti da li je baterija kapacitivno ispravna. Dobiveni podatke uvrstili smo u tablicu te smo iz nje izradili Xsr-R kontrolnu kartu., koja slui za kontrolu procesa mjerljivih varijabli. Cilj ovog seminara je kako jednostavnom metodom priblino odrediti realni kapacitet baterije jer je to svojstvo bitno zbog mnogih kritinih procesa i ureaja koje ona napaja ( bolnice,banke, aerodrome, telekomunikacijske operatere). Ukoliko kapacitet baterije nije zadovoljavajui tj. ako pravilno ne ispunjava svoje zadae, baterija postoje neupotrebljiva i potencijalno opasna za okolinu. Zbog toga ju je potrebno ekoloki zbrinuti, o emu e takoer biti predloeno rjeenje.

4

2. BATERIJE KAO SPREMNICI ELEKTRINE ENERGIJE2.1. Povijest Prva prava baterija nastala je 1799. godine i napravio ju je Volta po kojoj je dobila i ime - Voltin kup ili Voltina hrpa (Volta's pile). Princip je bio vrlo jednostavan stavimo otopinu H2SO4 ili KOH izmeu bakra i cinka i dobili smo bateriju. Cink oksidira, ali bakar ovdje ne reducira, nego to ini kisik iz elektrolita, jer bakar u ovom sluaju se ne moe reducirati (plemenitiji je od cinka). Voltin rad je potaknuto talijanskog fiziara i lijenika Luigia Galvania , koji je 1780. primijetio da secirane ablje noge kada ih udari iskra iz Lajdenska boca , vanjski izvor elektrine energije. 1786 on je primijetio da se trzanje dogodi tijekom oluja s grmljavinom. Nakon mnogo godina Galvani je nauio kako proizvesti trzanje bez koritenja bilo kakvih vanjskih izvora elektrine energije. 1791 je objavio izvjee o "ivotinjskoj elektrinoj energiji." On je stvorio strujni krug se sastojao od abljih nogu (FL) i dva razliita metala A i B, svaki metalni je dodirivao ablju nogu i sebe ime se stvarao krug -FL-BA-FL-B ... itd. U modernom smislu, ablje noge su sluile kao elektrolit i senzor , a metali je sluio kao elektrode. On je primijetio da iako su abe mrtve, noge e se micati kad ih se dotakne s metalima. Sljedea baterija bila je nainjena od ekoloki prihvatljivog mangana (Mn) i cinka. Napravio ju je Leclanche 1866.godine. Imala je napon od 1,5V i koristila je vrlo sloene kemijske procese te je esto znala 'curiti' zbog unutranje korozije materijala. Prva 'alkalna' baterija nastala je 1940.godine i u njoj se kao elektrolit upotrebljava kalijev hidroksid (KOH). Ova baterija ba nije ekoloki prihvatljiva zbog velikog udjela kadmija i ive. Meutim, njezina velika prednost je ak pet do osam puta dulje trajanje od baterija sa cinkom i bakrom! 2.2 VRSTE BATERIJA Baterije se klasificiraju u dvije iroke kategorije, svaki tip s prednostima i nedostacima. Primarne baterije nepovratno (unutar granica praktinosti) pretvaraju kemijsku energiju u elektrinu energiju. Kad je poetna opskrba reaktanata iscrpljena, energija se ne moe lako vratiti na bateriju elektrinim putem.

Sekundarne baterije se mogu puniti ,tj, one mogu svoje kemijske reakcije okrenuti da dobavljaju elektrinu energiju u eliju , obnavljajui njihov originalan sastav. Najnovija primarna baterija (primarne baterije su one koje se ne mogu puniti) je litijska baterija. Ima dugi ivotni vijek, veliki kapacitet, lagana je i malena i moe se upotrebljavati u temperaturnom rasponu od -30 do +60 C. Takve baterije upotrebljavaju se u pejsmejkerima zbog svoje postojanosti i organskih elektrolita. 5

S vremenom je dolo i do uporabe raznih hibrida baterija i gorivih elija. (Razlika izmeu baterije i gorive elije je ta to baterija ima spremnik energije i kada se on potroi, bateriju treba napuniti ili baciti, dok kod gorive elije imamo konstantan tok energije.) Jedan od takvih hibrida bila je tzv. cink-zrak elija koja se upotrebljavala za slune aparate zbog svojih vrlo malih dimenzija. Baterije koje upotrebljavamo u mobitelima i slunim ureajima mogu se ponovno puniti, pa takve baterije nazivamo sekundarnima. Prva takva baterija bila je nikal-kadmijska (NiCd) koja je imala vrlo dobru uinkovitost, ali je i bila vrlo opasna za ljudski organizam zbog upotrebe kadmija koji uzrokuje oteenja bubrega, a u enskom organizmu moe dovesti do zamjene kalcija kadmijem to vodi do teih posljedica. Kod NiCd baterija takoer je zamijeen tzv. memory efekt - baterija 'pamti' ako je niste dobro napunili te se nikada vie ne puni iznad te razine. Sljedea se razvila nikal-metal-hidridna (NiMH) baterija koja se brzo puni, ali je isto tako i vrlo skupa te se najee koristi za hibridna vozila. Baterija koja se najee upotrebljuje u mobitelima je litij-ionska baterija. Litij ima najvei potencijal u elektrokemiji i najbolji je materijal za izradu baterija. Noviji tip baterija koje e se tek poeti vie koristiti u budunosti je litij-polimerska baterija sastavljena od nekoliko slojeva razliitih materijala i koja se pokazala najstabilnijom i najboljom dosad, ali je jo uvijek preskupa za svakodnevnu potronju.

2.3 NAIN RADA BATERIJE Svaka baterija sastoji se od osnovne tri komponente - anode, katode i elektrolita. Anoda oksidira, odnosno otputa elektrone dok se na katodi odvija redukcija, tj. proces prihvaanja elektrona. Elektrolit slui odvajanju anode i katode, odnosno kao spremnik kemijske energije. On mora biti dobar vodi protona, ali slab vodi elektrona, tj mora usporavati reakciju prebacivanja elektrona sa anode na katodu kroz elektrolit eda bi to vie elektrona prolo kroz vodie koje bi spojili na izvode elektroda (struja). Kada se elektrolit 'potroi', tj. kada svi elektroni prijeu s anode na katodu, bateriju moemo baciti.

Slika 2.3.1Leclanshe-ov lanak 6

Negativni pol (anoda) je cinana aica. Pozitivni pol (katoda) je ugljeni tapi u smjesi manganovog dioksida (MnO2) i ugljene praine (aa). Elektrolit je vodena otopina amonijevog klorida (NH4Cl(aq) ) i cinkovog klorida (ZnCl2) koja je dodavanjem kroba pretvorena u pastu. Zatvaranjem strujnog kruga izmeu negativnog i pozitivnog pola (iskoritavanja "baterije"), poinju reakcije: anodna reakcija na negativnom polu (aici):

Zn Zn2+ + 2e

katodna reakcija na pozitivnom polu (tapiu):

2MnO2 + 2e- + 2NH4+ Mn2O3 + 2NH3 + H2O

Zbrajanjem tih dviju reakcija dobivamo:

Zn + 2MnO2 + 2NH4+ Zn2+ + Mn2O3 + 2NH3 + H2O

Napon zbog oksidacije cinka iznosi -0,76V, a napon zbog redukcije bakra iznosi 0,34V. Kada to oduzmemo dobijemo napon od 1,10V (oduzimamo napon oksidacije od napona redukcije). Ako bi zamijenili cink i bakar dobili bi negativan napon od -1,10V.

Slika 2.3.2Princip rada baterije

Dakle, na negativnom se polu oslobaaju dva elektrona koja putuju kroz potroa (gdje obavljaju odreeni rad) te dolaze do pozitivnog pola, gdje sudjeluju u kemijskoj reakciji. Kad se sav cink na aici "potroi" (odnosno kad veina cinka otpusti po dva elektrona), kemijska reakcija vie nije mogua pa kaemo da je "baterija prazna". Leclanchov lanak nije ponovo punjiv, odnosno nakon "potronje" cinka postaje neupotrebljiv. Pokuaj punjenja baterija koje nisu za to predviene, redovito e rezultirati eksplodiranjem, ili u najmanju ruku "napuhavanjem" baterije s curenjem agresivog elektrolita koji nagriza ureaje u koje je baterija uloena.

7

Slika 2.3.2Nekoliko vrsti baterija. Lijevo gore: akubaterija za fotoaparat

Novi Leclanshe-ov lanak (cink-ugljen) daje napon od 1,5 V. Neke vrste baterija (Litijeve, Nikal-kadmijum i dr.) mogu meutim imati i manji radni napon, tj. 1,2 V po lanku. Za vee napone, kombinira se (povezuje se u seriju) vie lanaka. Baterije imaju mali kapacitet, pa se koriste za ureaje s malom potronjom struje. Za veu potronju koristimo akumulatore ili ispravljae, koji prikljueni na gradsku elektrinu mreu, postaju istosmjernim izvorom. Ispravljai se esto ugrauju u ureaj koga napajaju.

Ideju baterije, koja zapravo i nije izgledala kao baterija, moemo pronai u reakciji koju je koristila tzv. Daniellova elija. Daniell je cink stavio u otopinu cinkova sulfata, a bakar u otopinu bakrova sulfata. Na taj nain dobio je realcije oksidacije i redukcije, kao to smo spomenuli gore.

Ovisnost o temperaturi 8

2.4 UPOTREBA BATERIJA Dok nam prijenosna i runa raunala ve odavno rade na litij-ionskim i litijpolimerskim baterijama, ostali prenosivi ureaji kao to su discmani, mp3 playeri i digitalni fotoaparat jo uvijek uglavnom ovise o kapacitetu starijih, ali jo uvijek vrlo upotrebljivih akumulatorskih elija nikal-kadmijskog i nikal-metal-hidridnog tipa. Alkalijske baterije -