Akkutekniikan peruskäsitteitä

Akkutekniikassa käytetään suurta joukkoa erilaisia sähköteknisiä ja energiaan tai tehoon liittyviä suureita ja yksiköitä. Tämän postauksen tarkoituksena on hieman avata ja havainnollistaa näitä käsitteitä peruskaavojen avulla.

Akkujen kapasiteetti ilmoitetaan joko ampeeritunteina Ah tai wattitunteina Wh. Jos järjestelmän kapasiteetti on 100 Ah, tarkoittaa se karkeasti sitä, että 2 A:n virtaa voidaan ottaa akusta 50 h ajan. Käytännössä akut eivät kuitenkaan varaustilansa laskiessa pysty jatkuvasti samaa virtaa antamaan, vaan virranantokyky heikkenee varauksen laskiessa.

$$t = \frac{100~\mathrm{Ah}}{2~\mathrm{A}}=50~\mathrm{h}.$$

Sähköteho lasketaan jännitteen ja virran tulona, ja tehon yksikkö on watti, W. Sähköenergia on teho kerrottuna ajalla, jolloin energian yksikkönä käytetään usein wattituntia Wh. Mikäli laitteen ottoteho on 100 W ja sitä käytetään 12 ajan, on kulutettu energia 1200 Wh eli 1,2 kWh.

$$E=P \cdot t = 100~\mathrm{W} \cdot 12~\mathrm{h} = 1200~\mathrm{Wh}.$$

Jos akun jännite on 12 V ja kapasiteetti 100 Ah, on akkuun mahdollista varastoida 1200 Wh energiaa. Mikäli laitteen kuluttama teho on esimerkiksi 50 W, voisi laitetta käyttää kyseisellä akulla 24 h ajan.

$$t=\frac{E}{P}=\frac{100~\mathrm{Ah}\cdot12~\mathrm{V}}{50~\mathrm{W}}=24~\mathrm{h}.$$

Kannettavissa energialähteissä, jotka perustuvat tasavirtaa antaviin akkuihin tai akustoihin, on invertteri, joka muuntaa akun antaman tasavirran kuluttajalaitteiden vaatimaksi vaihtovirraksi. Samalla voidaan esimerkiksi 12 V jännite nostaa 220 V:iin. Jos laitteen ottoteho on 220 V jännitteellä 100 W:a, vaati se toimiakseen hieman alle 0,5 A virran.

$$P=U\cdot I \rightarrow I=\frac{P}{U}=\frac{100~\mathrm{W}}{220~\mathrm{V}}=0,45~\mathrm{A}.$$

Edellä laskettu virta olisi siis invertterin antama virta. Akusta otetaan kuitenkin tällöin suurempi virta, koska akusta otettava teho on 100 W, mutta 12 V jännitteellä, joten akusta otettava virta on

$$I=\frac{P}{U}=\frac{100~\mathrm{W}}{12~\mathrm{V}}=8,3~\mathrm{A}.$$

Tällöin siis 100 Ah akkua voisi käyttää noin 12 h ajan. Laitteen ottotehon avulla akun kesto voidaan kuitenkin arvioida samoin kuin aiemmassa esimerkissä kaavalla

$$t=\frac{E}{P}=\frac{1200~\mathrm{Wh}}{100~\mathrm{W}}=12~\mathrm{h}.$$

Näiden kaavojen avulla voi yksinkertaisesti arvioida markkinoilla olevien laitteiden soveltuvuutta omiin tarpeisiin, tai vastaavasti laskemalla selvittää millaisella energiavarastolla oman energiatarpeen pystyy johdottomasti täyttämään.

Pienemmissä varaenergiajärjestelmissä, jotka on tarkoitettu esimerkiksi matkapuhelimen akun lataamiseen, käytetään kapasiteetin yksikön edessä kerrointa milli, eli yksikkö on mAh tai mWh. Jos puhelimen lataukseen tarkoitetun varaston kapasiteetti on 12000 mWh, tarkoittaa se samaa kuin 12 Wh. Yksiköiden kanssa on siten syytä olla huolellinen.

Lasketaan vielä esimerkkinä pienen jääkaapin kuluttama energia. Oletetaan, että kaappia ei jatkuvasti availla, vaan se pidetään pääosin suljettuna. Kompressorin käyntiajaksi oletetaan yhteensä 6 h vuorokaudessa. Tyypillisen jääkaapin kompressorin ottoteho on noin 100 W ja käyttöjännite 220 V. Vuorokaudessa tarvittava energia on näin ollen

$$E=100~\mathrm{W} \cdot 6~\mathrm{h}=600~\mathrm{Wh}.$$

Mikäli käytössä on noin 1200 Wh järjestelmä, voitaisiin jääkaappi pitää toiminnassa noin 2 vuorokautta. Järjestelmää valittaessa tai suunniteltaessa on kuitenkin huomioitava myös se, millaisia laitteita on tarkoitus johdottomalla järjestelmällä käyttää. Erilaiset koneet ja laitteet saattavat käynnistyäkseen tarvita hetkellisesti huomattavan suuria virtoja, joita energiavarastot eivät välttämättä pysty tuottamaan. Järjestelmissä on usein ylivirtasuoja, joka estää varaston ylikuormittamisen tällaisessa tilanteessa, jolloin tietysti laitekaan ei käynnisty.

Comments are closed.

Post Navigation