اصول باطریها

اصول باطریها

امروزه با توسعه روز افزون صنعتی مواجهیم و نیاز به منابع انرژی در حال افزایش است استفاده از الکتریسیته بعنوان منبع انرژی  جزو لاینفک هر صنعتی است و بدون آن بسیاری کارها ناممکن خواهد بود . حتی از ریز ترین وسیله تاعظیم ترین تاسیسات صنعتی بدون برق قادر به کار نیستند ، ولتاژ کاری همه دستگاهها از یک نوع نیستند و در صنعت برق شامل دو دسته، برق مستقیم ( DIRECT CURRENT)  یا DC  و متناوب  (ALTERNATE CURRENT) یا AC  میشود برق AC در نیروگاهها بطور گسترده و در ولتاژهای بسیار بزرگ تولید و عرضه میشود اما ولتاژ مستقیم بدلیل اینکه فرکانس در آن صفر است و زمان تناوب در آن بی نهایت لذا ولتاژی بدون نوسان وصاف و در نمودار ولتاژ و جریان بدون داشتن موجهای سینوسی نمودار میشود و از آن در تغذیه رله های الکترونیکی بسیار پیشرفته و حساس  استفاده میشود که حتی در نبود برق متناوب قادر به تولید و استفاده این ولتاژ    ( DC) خواهیم بود . ساده ترین منبع انرژی ولتاژ مستقیم   بــاطــریــهــــــا هستند که بطور گسترده در وسایل قابل حمل و متحرک استفاده میشود و در اندازه های میلیمتری تا چندین دسی متری ساخته میشود .

 در صنعت برق هم از باطریها بعنوان منابع انرژی الکتریکی مستقیم در سطح وسیعی استفاده می گردد که در نبود ولتاژ متناوب به راحتی میتوان از آن بعنوان ولتاژ متناوب  ( توسط اینورترها ) استفاده نمود  . برق مستقیم به عنوان محافظ  برق متناوب عمل میکند ( در پستهای فوق توزیع و انتقال ).  لذا آگاهی از طرز کار و شناخت کلی آن و تهیه و نگهداری و ارتقا آنها میبایست فرا گرفته شود. باطریها تنها دستگاههایی هستند که در آنها فرایند شیمیایی در پستهای برق جهت تولید برق صورت میگیرد و محصولات تولیدی دیگری هم غیر از ولتاژ دارد که می تواند خطر آفرین باشند( گازها) باطریها اگر در مدار هم نباشند باید بطرز خاصی از آنها نگهداری نمود  پس با شناخت کامل از طرز رفتار آنها با این دستگاهها ، کار میکنیم . در شناخت باطریها باید به نکات ایمنی فوق العاده دقت نمود زیرا ممکن است اشتباهی غیر قابل جبران بوجود آید ( مثلا تراوش یک قطره اسید سولفوریک به درون چشم ) برای نگهداری از باطریهای در حال استفاده( معمولا برای تولید ولتاژ در حد نرمال) از شارژرها استفاده میشود . شارژرها ولتاژ متناوب را طی فرایندی به ولتاژ مستقیم تبدیل میکنند اما شارژرها نمیتوانند بعنوان منبع دائمی ولتاژ مستقیم استفاده شوند لذا آنها را موازی با باطریها در برابر مصرف کننده ها قرار میدهند.

در این کتابچه سعی به شناخت باطریها و شارژرها و اصول کلی استفاده از این دستگاهها جهت استفاده ، بخصوص در پستهای برق شده و مطالب آن در چهارچوب استانداردهای رایج دنیا و بخصوص IEC   درج گردیده . امید که مورد استفاده و رضایت خاطر علاقه مندان قرار بگیرد .

بــاطــریــهــــا:

بطور کلی میان هر تیغه فلزی با کاتیونهای مربوط به آن فلز بصورت محلول ممکن است اختلاف پتانسیلی برقرار شود. هر اندازه فلز به کار رفته فعالتر باشد بار الکتریکی منفی که از این راه در تیغه جمع میشود بیشتر خواهد شد و از آنجا اختلاف پتانسیل بزرگتری بین محلول و تیغه فلزی روی خواهد داد.

در مورد فلزات غیر فعال مانند مس و نقره نیز ممکن است تعدادی از یونهای فلزی که در محلول است به فلز وارد شده و تیغه نسبت به محلول دارای یک بار الکتریکی مثبت شود . بطور کلی میان هر فلز با نماد M و محلول کاتیون از آن M (aq)  تعادل زیر برقرار است :     ) الکترون e =)                   M(aq) + ne    M(s)=                            به تیغه فلزی در محلول کاتیونی الکترود گفته میشود و از زوج نمودن دو الکترود مناسب یک سلول الکتروشیمیایی تشکیل میشود و یکی از الکترودها که بار منفی بیشتری دارد آند ( قطب منفی ) و دیگری کاتد ( قطب مثبت ) میشود که باعث ایجاد ولتاژ شده که در تمام فلزات ولتاژ در حد کافی جهت مقاصد کاری نرمال نمی باشد.

ولتاژ یک سلول علاوه بر فلزات بکار رفته تابع عوامل دیگری مانند دما و غلظت محلول یونی بکار گرفته شده نیز میباشد ولتاژ برخی از سلولها با افزایش دما (در غلظت ثابت ) افزایش و در برخی هم نیز کاهش می یابد و در غلظت نیز هر اندازه غلظت واکنش دهنده ها بیشتر باشد و غلظت محصولات کمتر,  نیروی محرکه تولیدی بیشتر خواهد بود در نتیجه در یک سلول برای افزایش ولتاژ باید آند رقیق تر و کاتد غلیظ تر باشد.برای نسبت دادن پتانسیل الکتریکی به هر الکترودی آن را با الکترود استاندارد می سنجند . الکترود استاندارد H بعنوان الکترود مرجع پذیرفته شده و پتانسیل الکتریکی آن در هر دمایی صفر در نظر گرفته شده است . در این الکترود گاز هیدرون در فشار یک اتمسفر از اطراف یک تیغه پلاتینی پلاتین دار دمیده میشود و از آنجا تعادل زیر برقرار می گردد:

                                                         H2(g) = 2H(aq) +2e       :   E = 0.000 volt                                            

برای ارزیابی الکترود مورد مطالعه  M  آنرا با الکترود استاندارد زوج نموده تا یک سلول ولتایی حاصل شود و پتانسیل الکترودی آنرا اندازه گیری کرده , ممکن است  M  قطب مثبت و یا منفی شود.

جدول پتانسیل  استاندارد

             ولت

Li (aq)+ 2 ē  → Li(s) ……………………………………………….………………-3.05

Cd² (aq)+2ē → Cd (s)……………………………………………............................-0.40

Pbso4 (s) + 2   ē→  Pb (s) + so4² (aq)……………………………………..………..-0.31

Ni² (aq) + 2 ē→Ni (s)………………………………………………………………..-0.25

Pb²  (aq) +2 ē→Pb(s)………………………………………………………………..0.13

2H (aq) + 2ē→ H 2 (g)……………………………………………………………… 0.00

 So4²(aq) + 4 H(aq)+ 2 ē → So2(g) +2H2o……………………..………………….+0.20

Pbo2 (s) +4H (aq) + so4 ² (aq)+2ē→Pbso4 + 2H2o……………………………….+1.70

F2 (g) + 2 ē→ 2f (aq)……………………………………………………………….+2.87

                                                                                                                                                            پتانسیل های کاهشی استاندارد در دمای 25 درجه سانتیگراد و فشار یک اتمسفر میباشند.

گونه ای که پتانسیل کاهشی آن مثبت تر است (طبق جدول بالا ) کاتد انتخاب میشود .

گالوانی یک دانشمند ایتالیایی بود و شهرتش بخاطر انجام آزمایشات در مورد اثرات جریان الکتریسیته بر بافتهای زنده بوده  او مشاهده نمود که در زمان رعد و برق ، دو چنگال را اگر با عصبهای پاهای یک قورباغه مرده وصل کند ، ماهیچه ها تکان میخورد ، گالوانی بر این عقیده بوده که نوعی جدید از الکتریسیته را کشف کرده است.

اما نخستین تلاش برای ساخت پیل توسط ولتا صورت گرفت ،ولتا دانشمندی ایتالیایی بود و در سال 1794 توضیح داد که چرا وقتی پای قورباغه را با دو فلز مختلف تماس پیدا می کند ، تکان می خورد . وی نشان داد که در اثر اختلاف پتانسیل بوجود آمده بین دو فلز است ولتا در سال 1796  با الکترودهای نقره و روی که با صفحات نمناک از یکدیگر جدا شده بودند وبا اتصال  چند صفحه  به یکدیگراولین پیل را ساخت و در سال 1860 اولین سل قابل شارژ را پلانته اختراع نمود و شش سال بعد جرج لکلانژ سل کلرید آمونیوم – دی اکسید منگنز را اختراع کرد. اما اولین سل قلیایی را لالاندِ و شاپِِرُن ( LALANDE – CHAPERON) در سال 1881 ساختند که بصورت الکترودهای مس و روی در محلول  KOH  بوده است.

طرح باطری قلیایی ادیسون نیز از اکسید نیکل و آهن بوده که در سال 1900 بجای آهن از مواد فعالتر مانند کادمیوم استفاده گردید و در اروپا بالاخص آلمان بروی طرح ادیسون مطالعات زیادی انجام گرفت که نهایتا در سال 1928,  آلمانیها نوع جدید و یکپارچه این نوع باطریها  را به ثبت رساندند .

اما کاوش های جدید نشان می دهد  پیل الکتریکی را ایرانیان  اختراع کردند ایرانیان تقریبا ۱۷۵۰ سال پیش باتری را اختراع نمودند و از آن بطرز ماهرانه و عالمانه ای استفاده می نمودند. در سال 1330 خورشیدی، باستان شناس آلمانی ویلهلم کونیک و همکارانش در نزدیکی تیسفون ابزارهایی از دوران اشکانیان را یافتند. پس از بررسی معلوم شد که این ابزارها پیل‌های الکتریکی هستند که به دست ایرانیان در دوران اشکانیان ساخته شده و به کار برده می‌شده‌اند. او این پیل‌های تیسفون را Baghdad Battery  نامید. اکتشاف این اختراع ایرانیان به اندازه‌ای تعجب و شگفتی جهانیان را بر انگیخت که حتی برخی از دانشمندان اروپایی و امریکایی این اختراع ایرانیان را به موجودات فضایی و ساکنان فراهوشمند سیارات دیگر که با بشقاب‌های پرنده و کشتی‌های فضایی به زمین آمده‌ بودند، نسبت دادند، و آن را فراتر از دانش اندیشمندان و پژوهشگران ایرانی دانستند. برای ایشان پذیرفتنی نبود که ایرانیان 1500 سال پیش از گالوانی ایتالیایی(1786 میلادی) پیل الکتریکی را اختراع نموده باشند. (برای آگاهی بیشتر می‌توانید به کتاب ارابه خدایان نوشته اریک‌فن‌دنیکن مراجعه کنید.)                                                       

 

 

ایرانیان از این پیل‌های الکتریکی جریان برق تولید می‌کردند و از آن برای آبکاری اشیا زینتی سود می‌جستند. اما در پهنه دریانوردی ایرانیان از این اختراع جهت آبکاری ابزارهای آهنی در کشتی و جلوگیری از زنگ زدن و تخریب آنها استفاده می‌کردند.

امروزه باطریهای مورد استفاده در مقاصد صنعتی اغلب باطریهای اسیدی ( سربی – اسیدی ) و قلیایی است که جنس صفحات آنها در مطالب جلوتر مورد بحث قرار می گیرد .

ظرفیت در باطریها :

ظرفیت باطریها بر حسب آمپر – ساعت بیان میشود و آن عبارتست از مقدار جریان در ساعت کارکرد باطریها . در باطریهای اسیدی ظرفیت در ده ساعت و در باطریهای قلیایی ظرفیت در پنج ساعت بیان می شود یعنی اگر ظرفیت یک باطری  اسیدی 120 آمپر ساعت است این باطری میتواند در مدت 10 ساعت 12 آمپر جریان دهد و در باطری قلیایی اگر ظرفیت 145 آمپرساعت باشد یعنی باطری میتواند در مدت 5 ساعت  29 آمپر جریان دهد . ظرفیت باطریها بستگی به اندازه ,  حجم و مساحت صفحات سلول دارد با افزایش تعداد صفحات ( که بطور سری به یکدیگر اتصال دارند ) ظرفیت نیز افزایش می یابد البته بیان ظرفیت در باطریها نمیتواند بطور عملی قطعی باشد و به عوامل محیطی همچون دما بستگی دارد در صورت پایین آامدن درجه حرارت ظرفیت کم می شود و اگر درجه حرارت بالا رود ظرفیت نیز بیشتر خواهد شد بطور تقریب میتوان گفت در هریک درجه حرارت اختلاف ( در دمای 20 درجه )حدودا %1 تغییر در ظرفیت بوجود می آید . در باطریهای اسیدی در صورتیکه تخلیه با جریان کمی باشد ظرفیت افزایش و بیشتر می شود و همینطور بالعکس.

-نکات ایمنی:

اسید سولفوریک ، اسید بسیار قوی و خورنده می‌باشد. نوشیدن آن باعث آسیب‌های شدید دائمی در دهان و سایر بافت‌های مورد تماس می‌شود. تنفس آن بسیار خطرناک بوده و باعث آسیب‌های جدی می‌شود. در صورت تماس با پوست و چشم باعث سوزش و ایجاد زخم می‌شود. در صورت تماس پوست و چشم با آن ، باید با آب فراوان شستشو داده و سپس از محلول بی‌کربنات سدیم یک

درصد برای شستشو موضع مورد تماس استفاده گردد.علامت هشدار خورندگی آن مانند نمونه زیر است.

 

شروع کار در باطریخانه ها خوب است قبل از شروع درب و پنجره ها را برای مدتی باز نگه داشت تا هوا عوض شود . لباس مخصوص و یا حداقل روپوش چرمی یا پلاستیکی بر تن کرد . هنگام کار با باطریها از داشتن لوازم فلزی همچون انگشتر و ساعت باید اجتناب نمود تا موجب اتصال بین قطب های باطریها نگردد در هنگام کار با باطریها اگر سطح باطریها پائین تر از کمر باشد باید با یک دست پشت کمر را نگه داشته و با دست دیگر مشغول کار شد تا از فشار وارده بر کمر جلو گیری گردد ( از آنجا که تعداد سل ها ممکن است زیاد باشد در مدت زمان طولانی در چنین وضعیتی صدماتی بر کمر ممکن است وارد شود ) پس از هر چند وقت نیز یک بار به راست ایستاده و مجددا کار را پیگیری می نمائیم .

وسایل کار باطریهای قلیایی با باطریهای اسیدی باید مجزا باشد .

در صورت آغشته شدن بدن با اسید یا مود قلیایی باید سریعا با آب معمولی کاملا شسته شود .

اگر محلول پتاس به صورت تماس پیدا کرد باید سریعا با محلول 10% اسید بوریک شستشو داد .

توصیه میشود پس از کار با باطریها از آنجا که باطریخانه مملو از گازهای مضر بخصوص ترکیبات سربی است از شیر تازه استفاده نمود تا از مسمومیت ویا بیماری شغلی جلوگیری نمود .

امروزه  باطریهای به انواع گوناگونی تقسیم می شوند :

1-           باطریهای خشک ( لکلانشه ) باطریهای اتومبیل.

2-        باطریهای قلیایی

3-         باطریهای جیوه ای ( مانند باطریهای ساعتهای مچی و ماشین حسابها که غیر قابل تجزیه بوده و بخاطر ترکیبات جیوه ای سمی می باشند )

4-         باطریهای سربی

5-         باطریهای سوختی

6-         باطری آلومنیوم – هوا ( ولتازی حدود 7/2 داشته که در صورت تولید بالا و پایین آوردن قیمت بسیار مناسب خواهد بود)

باطریهای مورد بحث ما باطریهای صنعتی بوده که در صنایع مختلف جهت تامین ولتاژ تغذیه برق مستقیم ( DC ) مورد استفاده قرارمی گیرند و عموما شامل باطریهای سربی – اسیدی و در کنارش باطریهای قلیایی میباشند.برتری این نوع باطریها بر انواع دیگر قابلیت پر شدن پس از هر استفاده ( دشارژ) میباشد . این نوع باطریها هم به عنوان مولد انرژی الکتریکی و هم ذخیره کننده عمل میکنند . انتخاب تیپ باطریها با توجه به عواملی همچون قیمت , دوام ,استحکام ثابت ماندن ولتاژ , نوع کار و مخارج نگهداری صورت میگیرد. انتخاب بی قاعده باطری باعث خرابی باطری و لطمه خوردن به کلیه قطعات و مصرف کننده ها خواهد شد .

اادامه دارد...