فصل چهارم

سیستم‌های ذخيره انرژي

1-4 كليات و تعاريف

انرژي موردنیاز براي توليد نيروي برق را می‌توان به طرق مختلف ذخيره كرد. براي مثال، سوخت‌های مايع و گازي نوعي انرژي ذخیره‌شده هستند كه در موتورها و توربين، براي راه‌اندازی و فعال ساختن مولدها، به كار گرفته می‌شوند. در اين فصل، دو سيستم ذخيره انرژي عمده، يعني سیستم‌های باتري و سيستمهاي ذخيره انرژي مكانيكي موردبررسی و تحقيق قرار می‌گیرند.

سیستم‌های باتري انرژي را در سلول‌های الكتروشيميايي كه انرژي شيميايي به انرژي الكتريكي تبديل می‌کنند، ذخيره می‌کنند (شكل 1-4). سلول‌های مذكور از نوع ذخيره قابل شارژ مجدد بوده و براي كاربردهاي پشتيبان طراحی‌شده‌اند. همچنين اين سلول‌ها را سلول‌های ساكن يا ثابت می‌نامند چون براي سرويس در مکان‌های ثابت و دائمی طراحی‌شده‌اند. هر باتري از دو يا چند سلول متصل به يكديگر ازنظر الكتريكي و به شكل سري، موازي يا تركيبي از هر دو، تشكيل يافته تا ولتاژ يا ظرفيت باتري (برحسب آمپرساعت يا وات‌ساعت) لازم براي كاربرد موردنظر را تأمین كند. اين انرژي را می‌توان مستقیماً به‌منظور فعال‌سازی تجهيزات dc به کاربرد، يا بر اساس يكي از دو روش: الف) به كار گرفتن موتور dc به‌منظور تحريك مولد ac ب) به کار گرفتن مولد dc - ac ايستا (به‌عنوان‌مثال، اينورترايستا)، انرژي مذكور را به نيروي برق قابل‌استفاده تبديل كرد.

سیستم‌های مكانيكي انرژي را به شكل انرژي كينتيك (Kinetic) در اجرام چرخان ذخيره می‌کنند. با استفاده از انرژي كينتيك جهت تحريك مولد ac، اين انرژي به نيروي برق مفيد تبدل می‌شود.

در اين فصل، همچنين روش‌هایي كه بر اساس آن‌ها مجموعه‌های موتور ـ ژنراتور و اينورترهاي ايستا به نحوي پیکربندی‌شده‌اند تا به‌صورت سیستم‌هایي با ویژگی‌های نيروي برق مناسب و سیستم‌های نيروي برق بدون وقفه عمل كنند، موردبحث قرار می‌گیرد. هر سيستم به‌صورتي طراحي می‌شود كه يك يا چند از اهداف زير را تحقق بخشد:

- نيروي برق را فيلتر، تنظيم و آماده براي استفاده در كامپيوترهاي حساس و ساير تجهيزات الكترونيكي نمايد.

- بار را از منبع نيرو جدا و ايزوله كند.

- در صورت خرابي در نيروي برق، امكان از کار انداختن قابل‌کنترل آن فراهم باشد.

- بازه زماني بين لحظه، وقوع خرابي در نيروي برق و لحظه شروع مولد برق اضطراري پشتيبان و ارائه نيرو به بار تا حد امكان كوتاه و آني باشد.

- نيروي برق دائمی و پیوسته‌ای را به نحوي تأمین كند كه خرابی‌های نيرو در آن وقفه‌ای ايجاد نخواهد کرد.

بايد توجه كرد كه آماده‌سازی و ايجاد ویژگی‌های مناسب در نيروي برق و ايزولاسيون از مزاياي مهم سیستم‌های ذخيره انرژي هستند. درواقع اكثر سیستم‌های نيروي برق بدون وقفه (UPS) بيشتر به‌منظور ايجاد ویژگی‌های

الف) باتري منفذ دار

ب) باتري اسيد سربي با دريچه قابل تنظيم شکل 4 -1: تجهيزات باتري ثابت

مناسب در نيروي برق نصب می‌شوند تا به‌عنوان نيروي برق پشتيبان و علت آن عدم نياز بسياري از مشكلات مرتبط با نيروي برق به باتري و ورود آن به شبكه است.

بنابراين در انتخاب هر سيستم، بايد به كيفيت نيروي برق خروجي برحسب اعوجاج هارمونيك، پايداري، ظرفيت اضافه‌بار، حفاظت اضافه‌بار و قابليت اطمينان، توجه دقيق و بااحتیاطی به عمل آيد.

تفاوت اوليه در دو سيستم ذخيره انرژي عبارت است از این‌که، باتري را می‌توان به نحوي انتخاب كرد كه قادر به تأمین دقايق يا ساعاتي از زمان پشتيباني باشد، درحالی‌که سيستم ذخيره انرژي مكانيكي در عمل محدوديت زمان كمتر از 10 ثانيه را دارا است. باتری‌های مورداستفاده در سيستم UPS اکثراً داراي زمان پشتيباني 15 دقيقه می‌باشند و در اين مدت‌زمان اگر نيروي برق عادي بازنگردد مولد اضطراري می‌تواند وارد مدار شود.

بدين دليل، اغلب سیستم‌های UPS (ايستا يا چرخان) از باتری‌ها به‌عنوان منبع نيروي برق پشتيبان اوليه، استفاده می‌کنند. يك استثناي قابل‌توجه در اين مورد، سيستم موتور ـ ژنراتور / ماشين (MG) است كه در بخش 8-5-4 بررسي می‌شود. استثنای ديگر موتور ـ ژنراتور / ماشين ـ ژنراتور توصیف‌شده در بخش 4-5-9 می‌باشد. كليه سیستم‌های ديگر موجود در زمان حاضر، نيروي dc حاصل از باتري را توسط اينورتر، ژنراتور ac يا تركيبي از هر دو به نيروي برق ac تبديل می‌کند.

اين فصل سیستم‌های مذكور را بررسي كرده و در ابتدا دو سيستم ذخيره انرژي يعني الكتروشيميايي (باتري) و اينرسي (مكانيكي) را موردبحث قرار می‌دهد. سپس دو روش اساسي مطرح براي تبديل انرژي ذخیره‌شده به نيروي برق ac يعني ژنراتور ac و اينورترايستا براي مواردي موردتحقیق قرار می‌دهد كه در آن‌ها نيروي برق dc حاصل از باتري مستقیماً در دستگاه‌های نيازمند به نيروي برق dc به کار گرفته نمی‌شوند. سیستم‌های UPS ايستا در بخش 4-4 موردبررسی قرار می‌گیرند. سیستم‌های UPS چرخان و موتور ـ ژنراتورها در بخش 4-5 شرح داده می‌شوند. هر دو نوع سیستم‌های UPS يك يا چند هدف مندرج در اين بخش را برآورده می‌سازند. به‌منظور آشنايي با تعاريف و مفاهيم واژه‌های به‌کاررفته در اين فصل‌به‌فصل اول اين نشريه رجوع كنيد.

2-4 سیستم‌های باتري

1-2-4 مقدمه

باتري پرکاربردترین منبع موجود براي تأمین نيروي برق اضطراري يا پشتيبان بوده و نيز می‌تواند، در صورت به كار گرفتن با ساير دستگاه‌ها منبعي با تنوع زياد باشد. طرح‌های باتري مختلفي وجود دارد به‌طوری‌که هر يك از آن‌ها الزامات خاص يك كاربرد بخصوص را برآورده می‌سازند. براي مثال، می‌توان باتری‌ها را به‌عنوان راه‌اندازی، روشنايي، احتراق (SLI)1 يا صنعتي توصيف يا مشخص كرد. باتری‌های (SLI) شامل باتری‌های مورداستفاده در اتومبیل‌ها، كاربردهاي دريايي، ارابه گلف، کامیون‌ها و غيره می‌باشد. باتری‌های (SLI) خارج از اهداف و دامنه

 1- Starting, Lighting, Ignition

پوشش اين نشريه بوده و موردبررسی و تحقيق قرار نخواهند گرفت. باتری‌های صنعتي شامل انواع باتری‌های نيروي برق محرك و حركت دهنده، راه‌آهن و پشتيبان (شامل باتری‌های ثابت) می‌باشد. باتری‌های نيروي برق محرك در كاربردهايي مانند کامیون‌های بالابر تجهيزات، دستگاه‌های معدن، تجهيزات زميني خطوط هوايي و ماشین‌های الكتريكي به کار می‌روند. باتری‌های راه‌آهن، همان‌گونه كه عنوان آن بيان می‌کند در لوكوموتيوها، سیگنال‌های خطوط راه‌آهن، روشنايي و يا تهويه هواي واگن‌ها و جابجايي مردم به كار گرفته می‌شوند. باتری‌های نوع پشتيبان با توجه به ارتباط آن‌ها با اهداف اين نشريه، از اهميت خاصي در اين فصل برخوردار است. اين نوع باتری‌ها در كاربردهاي زير مورداستفاده قرار می‌گیرند.

- سي ستمهاي مخابراتي

- ایستگاه‌های فرعي الكتريكي

- ایستگاه‌های توليد برق

- سيستمهـاي UPS

- كنترل صنعتي

- روشنايي اضطراري

- سيستمهـاي حفاظت / هشدار

- سيستمهـاي فتوولتايي خورشيدي

سيستم باتري پشتيبان از سه بخش اصلي، باتري، شارژ کننده و بار تشكيل يافته است. هنگامی‌که باتري در ارتباط با UPS به کار می‌رود، آن را بخشي از سيستم UPS تلقي می‌کنند. باتري ثابت طراحی‌شده براي سرويس پشتيبان، اغلب در حالت شناور كامل (Full Float) عمل كرده و به‌ندرت در آن چرخه شارژ مجدد پس از دشارژ در طول عمر سرويس اين باتري رخ می‌دهد.

عمليات شناور كامل بر اساس باتري، شارژ و بار كه به‌صورت موازي به يكديگر اتصال یافته‌اند مشخص می‌شود (شكل 2-4). در عملیات عادي، شارژ کننده نيروي برق بار را تأمین كرده و درعین‌حال مقدار كوچكي از جريان شارژ را به باتري اعمال می‌کند تا آن در حالت شارژ باقي بماند. تنها درزمانی باتري نيروي برق بار را تأمین می‌کند كه شارژ کننده در دسترس نبوده يا جريان موردنیاز بار از جريان اسمي خروجي شارژ کننده تجاوز نمايد.

2-2-4 باتری‌های ثابت در سرويس پشتيبان

دو نوع باتري ثابت در كاربردهاي پشتيبان به کار می‌روند: نوع اسيد ـ سربي (شكل 3-4) و نوع نيكل ـ كادميوم (NiCd) (شكل 4-4). از ميان اين دو نوع باتري، اسيد ـ سربي اغلب مورداستفاده قرار می‌گیرد. باتري اسيد ـ سربي در مقايسه با نوع نيكل ـ كادميوم معادل هزينه كمتري داشته و براي ايجاد ولتاژ معيني به سلولهاي كمتري نيازمند بوده و در ظرفیت‌های بزرگ‌تر، بيشتر از سلول‌های نيكل ـ كادميوم، در دسترس می‌باشند. در اروپا، باتری‌های نيكل ـ كادميوم بيشتر استفاده می‌شوند. هر دو نوع باتري به‌صورت طرح‌های متعددي وجود داشته و اين طرح‌ها در هر كاربرد خاص می‌تواند سبب ارجحيت يك نوع باتري بر نوع ديگر باشد. اگرچه در اين فصل بررسي مختصري دراین‌باره پیش‌بینی‌شده است، سازندگان باتري می‌توانند جزييات اضافي را براي هر طرح ارائه دهند.

شكل 4 -2: عمليات شناور باتري ثابت

1-2-2-4 باتری‌های اسيد ـ سربي

سلول اسيد ـ سربي قدیمی‌ترین باتري ثانويه (يعني قابل شارژ مجدد) می‌باشد. اولين باتري اسيد ـ سربي تجارتي توسط Gaston Planté در سال 1866 توسعه و ساخته شد. صفحات اين باتري از سرب خالص ساخته‌شده بود و تا امروز، صفحات سرب خالص جامد را نوع Planté می‌نامند. سلول‌های اسيد ـ سربي داراي ولتاژ مدارباز اسمي Vdc2 بوده و درنتیجه می‌توان بااتصال سري 12، 24، 60 يا 120 سلول، باتري با ولتاژ به ترتيب 24، 48، 120 يا 240 ولت dc را طراحي و ساخت. اين موضوع در جدول 4- 1 نشان داده‌شده است، به‌هرحال تعداد واقعي سلولهاي (و مشابها ولتاژهاي شناور و متعادل) مورداستفاده در هر تأسیسات بخصوص تابعی از طراحي سيستم است. هنگامی‌که تجهيزات dc مانند کنترل‌های وسايل سويچينگ، رله‌ها، تايمرها و

شكل 4 -3: سلول اسيد ـ سربي ثابت (نوع منفذ دار)

شكل 4 -4 سلول نيكل ـ كادميوم ثابت

جدول 4 -1: تعداد نوعي سلول‌ها در بات ريها

 12 24 32 48 120 ولتاژ اسمي باتري

 6 12 16 24 60 تعداد سلول‌های اسيد ـ سربي

 9 19 24 37 92 تعداد سلول‌های نيكل ـ كادميوم

 14 28 37 56 140 ولتاژ شارژ مجدد ـ متعددل سازي

 13/3 26/6 36 53 133 ولتاژ شناور

 10/5 21 28 42 105 ولتاژ انتهايي

 14- 10/5 28-21 37-28 56-42 140- 105 پنجره ولتاژ

یادآوری‌ها:

1- تغيير تعداد سلول‌ها براي يك كاربرد بخصوص امر غیرمعمول نيست.

2- هدف از جدول فوق ارائه اطلاعات عمومي است. اعداد مندرج در آن به‌منظور توصيف مناسب و سهل داده‌ها، گرد شده‌اند. براي كسب اطلاعات بيشتر در مورد معيارهاي انتخاب تعداد سلول‌های موردنیاز در تأسیسات باتري و نيز ولتاژهای شناور و متعادل‌سازی،

 IEEE Std 115 - و IEEE Std 1184،IEEE Std 485 خواننده بايد به فصل 6 استاندارد. رجوع كند

غيره) از باتري تغذیه‌شده و به محدودیت‌هاي ولتاژ سيستم وابسته هستند، می‌توآن‌یک باتري با يك تا چهار سلول كمتر به كار گرفت تا بدون تجاوز از حداكثر ولتاژ اسمي تجهيزات متصل به باتري، پتانسيل موردنیاز شارژ کننده كاهش يابد. براي مثال اگر وسايل و اقلام حساس به ولتاژ (با ولتاژ اسمي 10٪ ± Vdc۵١٢) بارهاي يك شينه dc كه مستقیماً توسط باتري تغذيه می‌شود را تشكيل دهند، باتري Vdc125 اسمي مركب از 58 سلول (در مقايسه با 60 سلول) قادر به محدود كردن ولتاژ متعادل‌سازی به Vdc 135 بجاي Vdc140 خواهد بود مشروط بر آن‌که سلول‌ها را با ولتاژ V 33/2 به ازاء هر سلول شارژ كند. هنگامی‌که تأسیسات از تعداد کاهش‌یافته‌ای از سلول‌ها بهره می‌برد، براي ارائه سرويس به بار، پیش‌بینی سلولي با ظرفيت بزرگ‌تر ضروري است، چون به ولتاژ و شارژ انتهايي بالاتري براي برآورده ساختن الزامات ولتاژ حداقل نياز می‌باشد. اطلاعات در مورد انتخاب تعداد سلول‌های يك باتري (همچنين اطلاعات در مورد اندازه باتري) را می‌توان در استاندارد IEEE Std 485 يافت. ضمناً بايد اضافه كرد كه در صنعت، باتری‌های V120 و V240 را اغلب به‌عنوان به ترتيب V 125 و V 250 نام می‌برند.

سلول‌های اسيد ـ سربي به‌صورت منفذ دار يا از نوع دريچه قابل تنظيم می‌باشند. می‌توان آن‌ها را به‌صورت واحدهای انفرادي (يعني سلول‌های منفرد و تكي) يا واحدهاي چند سلولي پياده كرد. هنگامی‌که ظرفیت بیشتری از ظرفيت موجود در یک‌رشته باتري تنها موردنیاز است، می‌توان رشته‌های باتری‌های انفرادي را موازي كرده و ظرفيت مورد لزوم را به دست آورد.