باتری عنصر ذخیره‌ساز انرژی در سیستم‌های سولار

مقدمه :

باتری در یک سیستم سولار در حکم منبع ذخیره انرژی می‌باشد. زیرا در طول شب یا روزهای ابری که انرژی تابشی قابل دریافت خورشید یا صفر بوده و یا ناکافی می‌باشد، نیاز به یک منبع دخیره انرژی هست تا در هنگام کافی بودن میزان تابش، اضافه تولید نسبت به مصرف لجظه‌ای در آن ذخیره گردد.

باتری چیست؟

باتری یا پیل الکتریکی منبع ذخیره انرژی الکتریکی است که در درون آن با انجام واکنش‌های شیمیایی، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. به عبارت دیگر، باتری‌ها مولدهایی هستند که انرژی شیمیایی را تبدیل به انرژی الکتریکی می‌نمایند.

انرژی قابل دریافت در قطب‌ها به ازای واحد بار الکتریکی را نیروی محرکه الکتریکی (Electromotive Force یا EMF) باتری می‌گویند و آن را با واحد ولت اندازه‌گیری می‌کنند.

باتری‌ها معمولا از کنار هم قرار دادن حداقل دو صفحه فلزی یا آلیاژی متفاوت در داخل یک محلول شیمیایی بوجود می‌آیند. یکی از این دو صفحه دارای خاصیت الکترون دهی بیشتر (مثبت یا آند) و دیگری دارای خاصیت الکترون‌گیری بیشتر (منفی یا کاتد) می‌باشد. محلول شیمیایی که باعث ایجاد ارتباط بین این دو صفحه می‌گردد، الکترولیت نام دارد.

هر باتری یک مقاومت داخلی (r) دارد. اختلاف پتانسیل بین قطب‌های باتری (v) زمانی که جریان I از آن می‌گذرد برابر است با:

V=E_emf – I×R

سرعت این فرایند تبدیل انرژی با گذشت زمان و افزایش مقاومت الکتریکی داخلی، رو به کاهش می‌گذارد که خود را به صورت کاهش اختلاف پتانسیل یا همان ولتاژ نشان می‌دهد. مقدار مقاومت داخلی به نوع باتری و تکنولوژی ساخت آن وابسته است.

ساختار باتری :

معمولاً هر باتری از یک یا چند سلول کوچک داخلی تشکیل شده است. سلول‌ها برای افزایش جریان با هم موازی یا برای افزایش ولتاژ با هم سری می‌گردند. هر سلول از دو نیم سلول تشکیل شده که به واسطه الکترولیت که هادی یون‌های مثبت و منفی می‌باشد، با هم سری شده‌اند.

با اتصال باتری به بار، یون‌های منفی از طریق سیم‌های هادی به بار وارد شده و بعد از ایجاد انرژی در آن (انرژی گرمایی، انرژی جنبشی، انرژی تابشی و غیره) به سمت یون‌های مثبت حرکت می‌کنند و به تدریج یون‌های مثبت (که در اینجا حفره‌ها هستند) را خنثی می‌کنند. با گذشت زمان، یون‌های مثبت بیشتری خنثی شده و به تدریج انرژی باتری کم می‌گردد و مقاومت داخلی آن افزایش می‌یابد تا اینکه با تخلیه کامل ظرفیت بر حسب آمپرساعت و به حداقل رسیدن انرژی داخلی ذخیره شده، اصطلاحاً گفته می‌شود که باتری خالی شده است.

مثلاً یک باتری ۶۰ آمپرساعت از نظر تئوری می‌تواند جریان ۶۰ آمپر را تا ۱ ساعت تأمین نماید و بعد از گذشت این زمان، به صورت کامل تخلیه می‌شود. با کاهش جریان دریافتی می‌توان مدت زمان کارایی آن را افزایش داد. به این منظور باید عوامل کاهنده ظرفیت مانند دما، لرزش و مقدار مجاز جریان خروجی را نیز کنترل نمود.

به عنوان مثال باتری ۶۰ آمپرساعتی از نظر تئوری باید جریان ۲۰ آمپر را برای مدت زمان ۳ ساعت تامین کند. اما در عمل با توجه به ساختار باتری و همچنین دمای محیط، ممکن است این زمان حتی به یک ساعت نیز نرسد.

نحوه تولید انرژی در باتری :

اصول کلی عملکرد کلیه‌ باتری‌ها تقریباً مشابه یکدیگر است. پس با فهم آن چه که درون یک نوع ساده رخ می‌دهد، می‌توان به درک مناسبی از شیوه‌ کلی کار سایر انواع نیز دست یافت. به عنوان نمونه، شکل ۱ اصول باتری کربن-روی را نشان می‌دهد که یکی از ساده ترین باتری‌هایی است که می‌توان ساخت و گاهی آن را«باتری استاندارد کربنی» نیز می‌نامند:

• فرض کنید ظرفی حاوی اسید سولفوریک داریم. اگر میله ای از جنس روی را در این محلول قرار دهید، اسید شروع به خوردن روی می‌کند. حباب‌های هیدروژن روی میله ظاهر می‌شود و محلول در اثر حرارت حاصل از واکنش شیمیایی، گرم خواهد شد. آن چه روی می‌دهد، تقریباً به ترتیب زیر است:

• مولکول‌های اسید به سه یون تفکیک می‌شوند: دو یون  H⁺  و یک یون SO_۴^۲-

• اتم‌های روی دو الکترون از دست می‌دهند و به یون‌های Zn2⁺ تبدیل می‌شوند.

•  یون‌‌های  Zn^۲+ با یون‌های  SO_۴^۲- ترکیب شده و به صورت ZnSO_۴ درمی‌آید که در اسید حل می‌شود.

•  یون‌های هیدروژن الکترون‌هایی را که اتم‌های روی از دست داده‌اند، جذب می‌کنند و به صورت مولکول H_۲ (گاز هیدروژن) در می‌آیند و این گاز همان حباب‌هایی است که روی میله دیده می‌شود.

•  حال اگر میله‌ای از جنس کربن نیز در محلول قرار دهیم (اسید روی این میله اثری ندارد) و آن را با سیم به میله‌ی نخست متصل کنیم، شرایط تغییر کرده و به صورت زیر درمی‌آید:

•   الکترون‌ها از طریق سیم به سمت میله‌ی کربنی می‌روند و در آنجا جذب یون‌های هیدروژن می‌شوند و این بار حباب‌های گاز هیدروژن روی میله کربنی تشکیل می‌گردند.

•  در این حالت گرمای کمتری آزاد می‌شود، زیرا بخشی از انرژی شیمیایی حاصل از واکنش صرف جریان الکترون‌ها شده است. یعنی در حالت نخست انرژی شیمیایی فقط به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود، ولی در حالت دوم بخشی از آن به انرژی الکتریکی و بخشی دیگر به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود.

 •  انرژی الکتریکی حاصل از این پیل ساده می‌تواند یک لامپ چراغ قوه را روشن کرده یا یک موتور کوچک را به چرخش در آورد.

•  با گذشت زمان، میله‌ی روی به تدریج در اسید حل ‌شده و تعداد یون‌های آزاد هیدروژن موجود در محلول نیز به تدریج کاهش می‌یابند، تا این که سرانجام اصطلاحاً باتری «تمام» می‌شود.

به دو میله‌ی به کار رفته در باتری، «الکترود» می‌گویند و  محلول حاوی یون‌ها (در مثال بالا اسید سولفوریک) نیز «الکترولیت» نامیده می‌شود.

شکل ۱ : دیاگرام یک باتری ساده کربن-روی

شکل ۲ : اصول عملکرد یک باتری لیتیوم-یون نوع لیتیوم-فسفات آهن

واکنش‌های شیمیایی درون باتری :

در واکنش‌های اکسیداسیون-احیاء (Redox : Reduction-Oxidation)، آند الکترودی است که در آن واکنش اکسایش صورت می‌گیرد و کاتد، الکترودی است که در آن واکنش احیاء انجام می‌شود. شکل ۳، یک باتری روی-مس (باتری دنیل) را همراه با محاسبه پتانسیل استاندارد سلول نشان می‌دهد. با توجه به این تعریف، قطب منفی در حین مصرف که اصطلاحا دشارژ (Discharge) نامیده می‌شود، به عنوان آند عمل می‌کند و در هنگام شارژ (Charge) همان قطب منفی، نقش کاتد را دارد، ولی همواره قطب مثبت و منفی در شارژ و دشارژ ثابت است (شکل ۴).

شکل ۳ : واکنش‌های شیمیایی یک باتری روی-مس

برای روشن شدن موضوع مثال دیگری می‌زنیم:

الکترود گرافیت در باتری لیتیوم-یون چه در حین شارژ و چه در حین دشارژ پایانه منفی است. یعنی اگر آن را به یک بار (مصرف کننده) متصل کنیم، گرافیت قطب منفی را تشکیل می‌دهد و در هنگام شارژ نیز باید قطب منفی شارژر را به الکترود منفی گرافیت متصل کنیم.

شکل ۴: جابجایی آند و کاتد و ثابت بودن قطب‌های مثبت و منفی در حین شارژ و دشارژ باتری

محاسبه ولتاژ و ظرفیت باتری :

شکل ۵ نحوه محاسبه ولتاژ یک باتری ساده روی-مس و شکل ۶ نحووه محاسبه ظرفیت ن را که از موازی شدن دو نیم‌سلول آند و کاتد بدست آمده است را نشان می‌دهند:

شکل ۵ : نحوه محاسبه ولتاژ باتری ساده مس-روی

شکل ۶ : نحوه محاسبه ظرفیت باتری ساده مس-روی

در یک باتری فرسوده مقاومت داخلی به قدری زیاد است که با عبور جریان، ولتاژ به سرعت افت می‌کند و باتری قابلیت تأمین انرژی الکتریکی مفید را ندارد.

شارژ باتری :

در باتری‌های قابل شارژ (یا نوع ثانویه Secondary Batteries در مقابل نوع غیرقابل شارژ یا اولیه Primary Batteries یا خشک) با گذراندن جریان در جهت عکس جریان حالت دشارژ، می‌توان باتری را دوباره باردار یا شارژ کرد. در فرایند شارژ، انرژی پتانسیل شیمیایی دوباره در آن ذخیره می‌شود.

باید توجه داشت که به خاطر راندمان ناقص فرایندهای تبدیل انرژی، تعداد دفعات شارژ محدود است. در انواع اولیه یا خشک، در اثر واکنش‌های شیمیایی یک‌طرفه انرژی‌زا بین الکترود آند (قطب مثبت) و الکترود کاتد (قطب منفی) با الکترولیتی که محیط بین آند و کاتد را پر می‌نماید، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود که این واکنش‌ها برای شارژ دوباره، قابل برگشت یا دوطرفه نیستند.

اما در انواع ثانویه قابل شارژ، این واکنش‌ها برگشت‌پذیر یا همان دوطرفه هستند.

به عنوان مثال در باتری‌های شارژشونده از انرژی خورشید، انرژی الکترومغناطیسی تابشی پس از فرآیند جداسازی‌های بارهای مثبت و منفی درون سلول خورشیدی به شکل انرژی الکتریکی در می‌آید و مجموعه باتری‌ها را شارژ می‌نماید.

جهت مطالعه چگونگی تبدیل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی به واسطه پدیده فتوولتاییک در پنل‌های سولار، به این مطلب مراجعه نمایید.

جهت قراردادی و واقعی جریان :

طبق قراداد، جهت حامل‌های بار مثبت به عنوان جهت جریان درنظر گرفته می‌شود که البته عکس جهت حرکت الکترون‌ها به عنوان جهت واقعی جریان است.

در وضعیت شارژ، قطب مثبت آند و قطب منفی کاتد می‌باشد و جهت قراردادی جریان از قطب مثبت به سمت قطب منفی است. (در فرهنگ عامیانه، به قطب‌ها سر مثبت و منفی نیز گفته می‌شود).

اما در وضعیت دشارژ، قطب مثبت کاتد و قطب منفی آند بوده و جهت قراردادی جریان از قطب منفی به سمت قطب مثبت است که همین وضعیت به عنوان مبنای قراردادی آند و کاتد درنظر گرفته می‌شود.

* جهت مطالعه بیشتر در مورد تعریف پارامترهای باتری مانند ظرفیت، انرژی، ضریب خوددشارژی و غیره به این مطلب مراجعه نمایید.

* جهت مطالعه بیشتر در مورد تعریف روش‌های نگهداری اصولی باتری جهت حداکثر نمودن عمر مفید آن به این مطلب مراجعه نمایید.

* جهت مطالعه مرجع ترجمه نشده به این منبع مراجعه نمایید.