باتری سرب اسید یک نوع باتری قابل شارژ است که با استفاده از واکنش‌های شیمیایی بین سرب، آب و اسید سولفوریک انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می‌کند. تکنولوژی پشت این باتری‌ها بیش از 160 سال قدمت دارد، اما به دلیل قدرتمند، ارزان و قابل اعتماد بودن، هنوز استفاده از آنها متداول است.
باتری‌های اسید-سرب برای ذخیره انرژی تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی گزینه خوبی هستند اما باتری‌هایی با تکنولوژی جدیدتر و فشرده‌تر می‌توانند مناسب‌تر باشند. در این مقاله به استفاده از باتری‌های اسید-سرب برای ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی، مقایسه آنها با باتری‌های دیگر و ساختار داخلی و نحوه عملکرد این باتری‌ها می‌پردازیم.
درادامه مقاله همراه ما باشید.
باتری سرب اسید چگونه کار می‌کند؟
اگر چه ساختار شیمیایی باتری‌های سرب اسید بسیار ساده است، اما نوشتن معادلات شیمیایی آن می‌تواند پیچیده باشد، بنابراین تلاش می‌کنیم با زبان ساده آن را تشریح کنیم:
ساده‌ترین نوع باتری سرب اسید از این سه مورد تشکیل شده است:
- یک صفحه فلزی ساخته شده از سرب و آنتیموان با بار منفی
- یک صفحه فلزی ساخته شده از دی اکسید سرب با بار مثبت
- مخلوطی از اسید سولفوریک و آب
صفحه منفی را آند، صفحه مثبت را کاتد و مخلوط آب/اسید را الکترولیت می‌نامند.
وقتی این صفحات در مخلوط الکترولیت قرار گرفته و به سیم متصل شوند، باتری آماده تولید برق است!
هنگامی که الکترون‌ها از باتری خارج می‌شوند، اسید موجود در الکترولیت شروع به چسبیدن روی سرب الکترودها می‌کند. در نتیجه روی سطوح بیرونی سولفات سرب تشکیل شده و یون‌های هیدروژن اضافی در آب را آزاد می‌کند.
با شارژکردن باتری، الکترون دوباره به داخل برمی‌گردد و پیوندهای الکتروشیمیایی بین سرب و سولفات را می‌شکند. سولفات با یون‌های هیدروژن آزاد موجود در الکترولیت مجددا ترکیب شده و اسیدسولفوریک را می‌سازد.
در طراحی سرب اسید یک اشکال وجود دارد. اگر باتری بیش از حد تخلیه شود، مقداری از سولفات سرب نمی‌تواند تجزیه و با هیدروژن آزاد ترکیب شود، و این باعث ایجاد یک پوشش دائمی روی صفحات سربی به نام سولفاته می‌شود. سولفاته شدن طول عمر باتری را تا حد زیادی کاهش می‌دهد.
برای اینکه باتری‌های سرب اسید عمری طولانی داشته باشند، نباید به طور منظم بیش از نیمی از ظرفیت خود تخلیه شوند.
باتری‌های خودرو در مقابل باتری‌های چرخه عمیق
باتری‌های خودرو برای ذخیره انرژی برای مصارف خانگی مناسب نیستند، زیرا به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا در مدت زمان کم، جریان زیادی برای روشن کردن خودرو تولید کنند. در واقع به این نوع باتری‌ها، باتری‌های راه‌انداز، روشنایی و احتراق (SLI) می‌گویند چون عمده کاربرد آنها این موارد است.
باتری‌های SLI از صفحات سربی نازک و متخلخل ساخته شده‌اند تا بتوانند حداکثر الکتریسیته ممکن را در واحد زمان از الکترولیت بکشند. این موج انرژی، جریان نامیده می‌شود و واحد آن آمپر است.
باتری‌های خودرو از 6 سلول سری تشکیل می‌شود. هنگامی‌که باتری به طور کامل شارژ شود، هر سلول حدود 2 ولت تولید می‌کند که منجر به ولتاژ کل 12 ولت می‌شود. حاصل‌ضرب ولتاژ (برحسب ولت) در جریان (برحسب آمپر) برابر است با توان برحسب وات.
باتری‌های چرخه عمیقی که برای ذخیره انرژی خورشیدی استفاده می‌شوند، برای تامین جریان لحظه‌ای، به منظور روشن کردن چیزی به کار نمی‌روند. در نتیجه در آنها از صفحات سربی ضخیم‌تری استفاده شده که دوام بیشتری دارند و انرژی آهسته‌تر و یکنواخت‌تری از الکترولیت می‌گیرند.
بانک باتری چرخه عمیق برای ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی
باتری‌های چرخه عمیق جعبه‌های مستطیلی بزرگی هستند که از مواد کامپوزیت پلاستیکی ساخته شده‌اند، و این باعث می‌شود به راحتی در کنار یکدیگر قرار بگیرند. با توجه به اینکه این باتری‌ها مجبور نیستند دستگاهی با جریان اولیه زیاد مثل ماشین را روشن کنند، می‌توانند به صورت جداگانه توان کمتری داشته باشند و با سیم به یکدیگر متصل شده و بانک باتری را بسازند.
بسیاری از باتری‌های چرخه عمیق تنها یک سلول بزرگ برای ذخیره انرژی دارند و 2 ولت تولید می‌کنند. هر چه سلول بزرگتر باشد می‌تواند انرژی بیشتری ذخیره کند. سایر طرح‌های 2، 3 و 6 سلولی به ترتیب در باتری‌های 4، 6 و 12 وات یافت می‌شوند. بانک‌های باتری ساخته شده برای ذخیره انرژی خورشیدی به همدیگر متصل شده و ولتاژ 12، 24 یا 48 ولت را تولید می‌کنند.
به عنوان مثال، شش باتری 2 ولتی را می‌توان به صورت سری برای ساخت یک بانک باتری 12 ولتی، یا چهار باتری 12 ولتی را می‌توان به صورت سری برای ساخت یک بانک باتری 48 ولتی سری کرد.
ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی بر حسب آمپر ساعت بیان می‌شود، به این معنی که با جریان 1 آمپر، چه مدت زمانی طول می:شد تا باتری کاملا تخلیه شود. شیلنگی را تصور کنید که به یک بشکه متصل است. باتری بزرگتر مانند بشکه بزرگتر است، زیرا انرژی (آب) بیشتری را در خود نگه می‌دارد.
برای مثال یک باتری 2 ولتی با گنجایش 1100 آمپر-ساعت را در نظر بگیرید. این باتری می‌تواند 55 آمپر را به مدت 20 ساعت تامین کند. این بدان معناست که در ولتاژ 2 ولت، باتری در هر لحظه 110 وات توان خروجی دارد (2 ولت در 55 آمپر = 110 وات).
سیم‌کشی سری باتری‌ها برای افزایش ولتاژ مانند افزایش فشار آب پشت شیلنگ است. بانک باتری قبلی را در نظر بگیرید: سری کردن شش باتری 2 ولتی انرژی ذخیره شده را افزایش نمی‌دهد، بلکه نرخ جریان در شیلنگ را افزایش می‌دهد.
در این مثال، این باتری‌های سری همچنان می‌توانند 55 آمپر را به مدت 20 ساعت تولید کنند، اما این بار آن را با ولتاژ 12 ولت تولید می‌کنند که در مجموع 660 وات (55 آمپر ضرب در 12 ولت) می‌شود.
موازی کردن دو باتری آمپراژ را افزایش می‌دهد، اما ولتاژ را تغییر نمی‌دهد. اتصال موازی به معنای متصل کردن پایانه‌های منفی و مثبت باتری‌ها به یکدیگر است. اگر باتری‌های 12 ولتی را به هم وصل می‌کنید، سیم‌کشی موازی قابل قبول است، اما اگر به یک بانک باتری 24 یا 48 ولتی نیاز دارید؛ باید به صورت سری-موازی سیم‌کشی کنید.
سیم‌کشی سری-موازی، همانطور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید کل انرژی ذخیره شده و ولتاژ را افزایش می‌دهد.
طراحی بانک باتری
طراحی یک بانک باتری برای ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی در اصل شامل ایجاد تعادل بین ولتاژ مناسب، جریان مناسب و مقدار مناسب انرژی ذخیره شده است.
اکثر خانه‌ها در مجموع به حدود 900 کیلووات‌ساعت (kWh) برق در ماه یا 30 کیلووات‌ساعت در روز نیاز دارند. برای پاسخگویی به این نیازها، به یک بانک باتری با قابلیت ذخیره 625 آمپرساعت با ولتاژ 48 ولت نیاز است.
یک قانون مهم در طراحی بانک باتری این است که جریان از 100 آمپر بیشتر نشود. ایده اصلی در اینجا این است که ولتاژ بانک باتری به حدی زیاد باشد که جریان از 100 آمپر تجاوز نکند.
هر چه شارژ باتری کم شود، ولتاژ آن کاهش می‌یابد، بنابراین مهم است که هنگام طراحی بانک باتری، این نکته را در نظر داشته باشید.
هنگامی‌که از لوازم خانگی استفاده می‌کنید، هر کدام به مقدار مشخصی برق نیاز دارند و اکثر آنها دارای توان کاری و توان راه اندازی بالاتری هستند. در حالت ایده‌آل، یک بانک باتری می‌تواند تمام نیازهای شما را در زمانی که چندین دستگاه در حال کار هستند، برآورده کند.
انواع مختلف باتری‌های سرب اسید با چرخه عمیق برای انرژی خورشیدی
اینجا قضیه جدی می‌شود. سه نوع باتری سرب اسید با چرخه عمیق وجود دارد و هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند؛ که عبارتند از:
- باتری‌های سرب اسید غوطه‌ور
- باتری‌های جذب شیشهای مات (AGM)
- باتری‌های ژله‌ای
نوع اول ارزان و بادوام است، اما برای حفظ تعادل الکترولیت با آب داخل محفظه باتری نیاز به تعمیر و نگهداری منظم دارد.
دو مورد دیگر در دسته‌بندی گسترده‌تری به نام “باتری‌های سرب اسید مهر و موم شده (سیلد لید اسید)” قرار می‌گیرند. اگرچه این نوع باتری‌ها با مهر و موم کردن الکترولیت داخل کیس و بدون نیاز به تعمیر و نگهداری طراحی شده‌اند، اما گران‌تر هستند و ممکن است عمر طولانی‌تری نداشته باشند.
باتری‌های سرب اسید غوطه‌ور
ساده‌ترین و کم‌هزینه‌ترین نوع باتری‌های چرخه عمیق، باتری‌های اسید سرب غوطه‌ور (FLA) هستند. این باتری‌ها به باتری ساده سرب اسید شکل زیر با صفحات سربی استوانه‌ای غوطه‌ور در محلول الکترولیت آب و اسید بسیار شبیه هستند.
باتری‌های FLA ممکن است ارزان باشند، اما مراقبت از آنها کمی پیچیده است، زیرا الکترولیت داخل محفظه باتری با گذشت زمان تبخیر می‌شود و نیاز به اضافه کردن آب مقطر در فواصل زمانی معین دارد. اگر به اندازه کافی آب اضافه نکنید، عمر باتری خیلی کم می‌شود.
از آنجایی که باتری‌های FLA برای باز شدن ساخته شده‌اند، باید در حالت عمودی نگهداری شوند و تهویه مناسبی برای جلوگیری از تجمع گاز هیدروژنی هنگام تخلیه باتری برای آنها فراهم شود. همانطور که در تصویر بالا نشان داده شده است، این بدان معناست که نگه داشتن یک بانک از باتری‌های FLA چرخه عمیق برای ذخیره انرژی خانه می‌تواند فضای زیادی را اشغال کند.
اگر به طور منظم از باتری‌های FLA مراقبت شده و بیشتر از نصف ظرفیت‌شان تخلیه نشود، می‌توانند از 5 تا 8 سال در یک مجموعه ذخیره‌سازی انرژی خانگی دوام بیاورند.
باتری‌های سیلد سرب اسید
همانطور که از نام آن پیداست، باتری‌های سرب اسید مهر و موم شده (SLA) قابل باز شدن نیستند و نیازی به پر کردن مجدد آب ندارند.
در عوض، آنها از یکی از این دو روش برای نگه داشتن تقریباً تمام آب موجود در الکترولیت داخل بدنه باتری استفاده می‌کنند – یا با افزودن جداکننده‌های فایبرگلاس جاذب بین صفحات مثبت و منفی یا استفاده از ژل به جای الکترولیت. این باعث می‌شود که بتوان باتری‌های SLA را به پهلو قرار داد و برای ذخیره‌سازی آسان روی هم چید.
علی‌رغم همه‌ی این پیشرفت‌ها، باتری‌های SLA هنوز باید برای جلوگیری از تجمع گاز هیدروژن تهویه داشته باشند. این دریچه تخلیه توسط یک سوپاپ، کنترل می‌شود، به همین دلیل است که باتری‌های SLA گاهی اوقات “سرب اسید تنظیم شده با شیر” یا باتری‌های VRLA نیز نامیده می‌شوند.
همانطور که در بالا اشاره شد، دو نوع اصلی از باتری‌های SLA وجود دارد: باتری‌های نمد شیشهای جذب‌کننده (AGM) و باتری‌های ژله‌ای.
باتری‌های AGM (نمد شیشهای جذب‌کننده)
باتری‌های AGM زمانی توسعه یافتند که سازندگان باتری به دنبال بهترین راه برای نگه داشتن الکترولیت در نزدیکی صفحات برای استفاده در کاربردهای با لرزش بالا مانند ماشین‌های گلف بودند.
در این نوع، جدا کننده از یک توری فایبرگلاس ظریف ساخته شده که به نوعی شبیه یک پد گاز است و بین صفحات منفی و مثبت هر یک از سلول‌های باتری قرار می‌گیرد.
از آنجایی که یک باتری AGM تقریباً تمام الکترولیت درون باتری را به دام می‌اندازد، می‌توان آن را بدون سولفاته شدن به میزان بیشتری تخلیه کرد.
تا 80 درصد ظرفیت باتری‌های AGM با کیفیت بالا را می‌توان در طی صدها چرخه تخلیه کرد این باتری‌ها معمولاً 4 تا 6 سال برای ذخیره انرژی خانه دوام می‌آورد. با این حال برای حداکثر شدن عمر باتری، تخلیه تا بیش از 50 درصد توصیه می‌شود.
اما مزایای باتری AGM بدون هزینه نیست و باتری‌های AGM معمولاً در هر کیلووات ساعت ذخیره انرژی، 1.5 تا 2 برابر باتری‌های FLA قیمت دارند. همچنین باتری‌های AGM فضای اندکی بیشتر را در هر کیلووات ساعت اشغال می‌کنند، اما از سوی دیگر، می‌توان آنها را در کنار هم قرار داد تا در فضای ذخیره‌سازی خانه صرفه‌جویی شود.
اگر انجام روال دقیق تست و آبیاری باتری‌های FLA برای شما دشوار است، گزینه‌های نصب بیشتر و عمر طولانی می‌خواهید، و مایلید برای آن هزینه کنید، باتری‌های AGM را برای ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی انتخاب کنید.
باتری‌های ژل
باتری‌های ژل مانند باتری‌های AGM برای نگه‌داشتن الکترولیت در داخل باتری و جلوگیری از تبخیر یا ریختن آن طراحی شده‌اند.
در طراحی این نوع باتری‌ها، اسید سولفوریک در یک ژل سیلیکا معلق است که باتری را بسیار پایدار می‌کند و در مدت زمان طولانی، میزان تخلیه پایینی نیز دارد.
باتری‌های ژل ایمن‌ترین باتری‌های سرب اسید هستند زیرا گاز هیدروژن بسیار کمی را از دریچه‌های خروجی خود آزاد می‌کنند. این باتری‌ها در مکان‌هایی که دمای بالا نگران‌کننده است عملکرد خوبی دارند و می‌توانند بیش از 50 درصد تخلیه شوند و طول عمر خود را حفظ کنند.
معایب باتری‌های ژله‌ای این است که در فضای مشابه در مقایسه با انواع دیگر باتری‌های سرب اسید انرژی کمتری را ذخیره می‌کنند و ژل در دماهای پایین عملکرد خوبی ندارد.
همچنین، باتری‌های ژله‌ای نیاز به شارژ دقیق با شارژرهای هوشمند خاصی دارند که برای محدود کردن ولتاژ مورد استفاده برای شارژ باتری‌ها و جلوگیری از شارژ بیش از حد طراحی شده‌اند. عدم استفاده از این شارژرها می‌تواند منجر به از بین رفتن باتری، سال‌ها قبل از عمر مفید خود شود.
اگر در آب و هوای گرم زندگی می‌کنید و نمی‌توانید باتری‌های خود را در مکانی خنک یا با تهویه مناسب نگهداری کنید، و همچنین اگر می‌توانید 100 درصد مطمئن شوید که هرگز در ولتاژهای خارج از محدوده خاص خود شارژ نمی‌شوند، باتری‌های ژله‌ای را برای ذخیره انرژی خورشیدی انتخاب کنید.
آیا باتری‌های سرب اسید بهتر از باتری‌های لیتیوم‌یونی هستند؟
پاسخ کوتاه به این سوال این است که خیر، باتری‌های سرب اسید بهتر از باتری‌های لیتیوم یونی نیستند.
البته قابل ذکر است که لیتیوم یون یک فناوری باتری جدیدتر است که مزایای خاصی نسبت به اسید سرب دارد، از جمله:
- چگالی انرژی بیشتر (انرژی بیشتر در فضای کوچکتر)
- تحمل‌پذیری بالاتر در مقابل تغییرات دما
- توانایی تخلیه منظم تا 80 درصد و همچنین تا 10 سال ماندگاری
به عنوان مثال، باتری لیتیوم یونی مانند Tesla Powerwall فقط حدود 4.5 فوت مکعب (0.127 متر مکعب) اشغال می‌کند، روی دیوار آویزان می‌شود، 13.5 کیلووات ساعت انرژی قابل استفاده را ذخیره می‌کند و دارای ضمانت نامه‌ای است که می‌گوید حداقل 10 سال دوام می‌آورد و بعد از این مدت باز هم می‌تواند 70 درصد ظرفیت اولیه خود را ذخیره کند. با تخلیه روزانه تا 80 درصد، چیزی حدود 33000 کیلووات ساعت انرژی را ارائه می‌دهد.
در حالی که یک بانک باتری سیکل عمیق متشکل از باتری‌های سرب اسید غوطه‌ور که می‌تواند تا 10.4 کیلووات ساعت را در روز تخلیه کند، 8.2 فوت مکعب بر روی زمین اشغال می‌کند، نیاز به تعمیر و نگهداری منظم دارد، و در مجموع حدود 7 سال دوام می‌آورد و حدود 28000 کیلووات ساعت انرژی را ارائه می‌دهد.
آیا باتری‌های سرب اسید ارزان‌تر از باتری‌های لیتیوم یونی هستند؟
چیزی به نام باتری کم‌هزینه وجود ندارد، اما البته بین این دو نوع باتری تفاوت قیمت وجود دارد. به طور متوسط استفاده از باتری‌های لیتیوم یونی 39 درصد هزینه بیشتری دارد.
نکات کلیدی
- باتری‌های سرب اسید برای ذخیره انرژی خورشیدی “باتری‌های چرخه عمیق” نامیده می‌شوند.
- انواع مختلف باتری‌های سرب اسید شامل سرب اسید غوطه‌ور است که نیاز به تعمیر و نگهداری منظم دارد و سرب اسید مهر و موم شده (سیلد) که نیازی به تعمیر و نگهداری ندارند اما هزینه بیشتری دارند.
- باتری‌های سرب اسید فناوری ذخیره‌سازی انرژی اثبات‌شده‌ای هستند، اما نسبت به مقدار انرژی‌ای که می‌توانند ذخیره کنند بزرگ و سنگین هستند.
- باتری‌های لیتیوم یونی چرخه عمیق، گران‌تر از تقریباً همه باتری‌های سرب اسید هستند، اما بسیار فشرده‌تراند و نیازی به تعمیر و نگهداری ندارند.
امیدواریم از این مقاله لذت برده باشید و کمکی به افزایش دانش شما در زمینه باتری‌های سرب اسید و انتخاب بهتر باتری مناسب برای ذخیره انرژی خورشیدی کرده باشیم.
برای آموزش‌ها، مقالات و پروژه‌های بیشتر الکترونیکی وبلاگ مارا دنبال کنید.
شما می‌توانید نظرات، انتقادات و پیشنهادات یا حتی سوالات خود را با ما در بخش دیدگاه در میان بگذارید.
