Category Archives: Energiavarastotekniikat

Energiavarastojärjestelmän esittely

Hankkeessa on kehitetty turvallista energiavarastojärjestelmää, jossa lyijyakkuihin varastoidulla energialla voidaan käyttää tavallisia kuluttajalaitteita ja ladata esimerkiksi puhelimien tai tablettien akkuja. Energiavarastojärjestelmä on rakennettu kenen tahansa kuluttajan saatavilla olevista komponenteista, mutta järjestelmän kokoaminen vaatii melko hyvää asiantuntemusta sähkötekniikasta.

Akkujen tuottama 12 voltin tasajännite voidaan muuntaa vaihtosuuntaajalla (invertterillä) 230 voltin vaihtosähköksi. Puhelimien ja tablettien lataaminen onnistuu myös suoraan laitteen USB-liittimistä. Järjestelmä on tarkoitettu energialähteeksi kohteisiin, joissa ei ole mahdollista ottaa energiaa sähköverkosta.

Akkujen tukena on kaksi aurinkopaneelia, joiden tuottama energia voidaan joko ladata akkuihin tai käyttää suoraan kuormalaitteissa. Järjestelmä perustuu kuitenkin pääasiallisesti akkuihin varastoituun energiaan, eikä toimi täydellä kapasiteetilla pelkillä aurinkopaneeleilla. Paneelien nimellisteho on yhteensä 200 W, eli käytännössä niistä saadaan Suomen olosuhteissa hyvällä auringonpaisteella noin 150 W:n teho. Tämä johtuu siitä, että paneelien nimellisteho määritellään suuremmalla Auringon säteilyteholla, kuin mitä Suomessa saadaan.

Järjestelmän komponentit on koteloitu niin, että sitä on turvallista käyttää myös ulkona ja jopa sateella. Pelkän kotelon IP-luokka on 67, mutta luokka on käytännössä pienempi kylkeen lisättyjen liittimien ja alareunaan tehtyjen läpivientien vuoksi. IP-luokan arvioidaan muutostenkin kanssa olevan kuitenkin ulkokäyttöön sopiva 44. Käyttäjän täytyy tietysti itse huolehtia siitä, että myös käytettävät laitteet on suunniteltu ulkotiloihin. Järjestelmä koteloituna omassa telineessään on esitetty kuvassa 1.

Kuva 1: Energiavarastojärjestelmä.

Järjestelmän maksimiteho 230 V:n vaihtosähkölle on invertterin antoteho 300 W. Vaihtosähkölaitteille tarkoitettuja pistorasioita on kaksi kappaletta. Tämän lisäksi akusta voidaan ottaa energiaa tasasähköllä toimiviin USB-liittiminiin, sekä 12 V:n autosähköliittimeen (niin sanottu tupakansytytinliitin). Kotelossa olevat liittimet on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2: Energiavarastojärjestelmän liittimet. Ylimpänä 3 USB-liitintä, joissa jokaisessa on 2 erillistä USB-porttia, keskellä autosähköliitin, jonka virta on rajoitettu 10 A:iin ja alimmaisena 2 vaihtosähköpistorasiaa.

 

Yhden lyijyakun kapasiteetti on 105 Ah, mikä 12 V:n jännitteellä tarkoittaa energiassa 1260 Wh:a (1,26 kWh). Näin ollen maksimiteholla järjestelmällä voi käyttää vaihtosähköllä toimivia kulutuslaitteita noin 4 tunnin ajan, mikäli aurinkopaneeleista ei saada energiaa talteen. Järjestelmä on tarkoituksella tehty kapasiteetiltaan melko pieneksi, jotta se on liikuteltavissa. Hankkeessa on tarkoitus havainnollistaa sitä, että tämän tyyppinen järjestelmä soveltuu kesämökin, veneen tai muun vastaavan, väliaikaista sähköistystä vaativan, kohteen energiatarpeen kattamiseen. Vastaavan järjestelmän voisi yhtä hyvin suunnitella tukemaan suurempaakin tehon tarvetta. Käytännössä kyse on vain isomman akkukapasiteetin ja tehokkaamman invertterin hankinnasta. Esimerkiksi akkuja voisi kytkeä rinnan useampia, jolloin energiakapasiteetti on suurempi.

Järjestelmään haluttiin liittää kaksi aurinkopaneelia, koska laitteiston kenttätestejä tehtiin kesäaikaan. Paneelit on tarkoitettu nimenomaan akkujen tueksi, mutta pienemmillä kuormilla paneelit toki riittävät energialähteeksi. Paneelien yhteispinta-ala on noin 1,5 m2. Jos aurinkoiseen aikaan ei tarvita sähköä, pystytään paneeleilla lataamaan akkuja. Laitteistossa on säädin, joka ohjaa paneelien toimintapistettä siten, että paneeleista saadaan joka hetki paras mahdollinen teho. Säätimeen on liitetty erillinen näyttö, josta voidaan lukea paneelien, akun ja kuorman jännitteet ja virrat. Näytöstä nähdään esimerkiksi se, siirtyykö energiaa akkuun vai akusta pois. Säädin, näyttölaite ja invertteri on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3: Kotelo sisältä. Ylhäällä näyttöyksikkö, jonka alla säädin (harmaa) ja invertteri. Alareunassa vasemmalla pääkytkin, keskellä riviliittimet ja oikealla alhaalla vikavirtasuoja.

Teräskotelon mitat ovat 500 mm x 400 mm x 200 mm. Pienempäänkin tilaan tarvikkeet saisi mahtumaan, mutta koteloinnista haluttiin tehdä helposti esiteltävä ja selkeän näköinen. Johdotus on tehty niin, etteivät tasa- ja vaihtojännitekaapelit risteile keskenään, vaan 230 V:n alue on omansa. Jännitteiset osat on kosketussuojattu kotelon ollessa kiinni. 230 V:n pistorasiat ovat ulkoisesti suojausluokan 1 rasioita, mutta järjestelmää ei ole varsinaisesti tarkoitettu luokan 1 laitteiden virtalähteeksi, koska laitteessa ei ole varsinaista suojamaata, jonka tämän suojausluokan laitteet tarvitsevat, koska muutoin vikavirtasuoja ei voi toimia. Ilman vikavirtasuojaa viallisen luokan 1 laitteen käyttäjä altistuu sähköiskulle. Kotelo on kuitenkin mahdollista maadoittaa kuparisauvalla, jolloin järjestelmän vikavirtasuoja pääsee vikatilanteessa laukeamaan, eikä suojamaadoituksen vaativan laitteen käyttö aiheuta välitöntä riskiä.

Laitteiston eri osat on myös suojattu sulakkeilla, mikäli johtimissa kulkevat virrat vikatilanteessa nousevat liian suuriksi. Säätimessä ja invertterissä on omat sisäiset suojauksensa vikatilanteiden varalle.

Litiumioniakun toimintaperiaate

Lyijyakun toiminta perustuu sulfaatti- ja vetyionien siirtymiseen elektrolyytin läpi akun elektrodeille samalla kun elektronit kiertävät elektrodilta toiselle ulkoisen kuorman kautta. Vastaavasti litium-ioniakku perustuu positiivisten litiumionien siirtymiseen akun elektrodilta toiselle. Li-ioni -akun rakenne on varsinkin elektrodien osalta hyvin erilainen kuin lyijyakulla. Kuvassa 1 on esitetty kaaviokuva yhden litiumionikennon periaatteesta.

Li-ion
Kuva 1: Litiumioniakun toimintaperiaate.

Ladattavia litiumakkuja yritettiin 70- ja 80-luvuilla kehittää niin, että akun anodi oli metallista litiumia. Tällaisen akun energiatiheys (Wh/kg) on erittäin suuri, mutta metallisen litiumin reaktioherkkyys estää käytännössä sen soveltamisen anodimateriaalina. Li-ioni -akussa anodi on grafiittia ja katodina käytetään esimerkiksi kobolttipohjaista metallioksidia (LiCoO2). Litium on elektrodeissa varastoituneena kiderakenteen muodostamien kerrosten väleihin.

Akkua ladattaessa katodilla olevat litiumatomit luovuttavat elektronin ja näin muodostuvat positiiviset litiumionit pääsevät kulkemaan grafiittianodille elektrolyytin läpi. Varausta purettaessa elektronit ja litiumionit kulkevat päinvastaisiin suuntiin.

Elektrodien välissä on erotin, joka estää litiumin kulkeutumisen anodin ja katodin välillä, mutta litiumionit pääsevät kulkemaan sen läpi. Erotin on kuvassa 1 piirretty katkoviivana, mutta on itseasiassa elektrodien välissä oleva huokoinen polymeerikerros (esimerkiksi polyeteeniä), joka pitää sisällään nestemäisen elektrolyytin. Erotin voi myös muodostua useammasta kerroksesta. Ohut erotinkerros mahdollistaa sen, että koko akku voidaan valmistaa ohueksi. Erottimen huokoskoko on sellainen, että elektrolyyttiä on riittävästi, mutta toisaalta huokoset sulavat umpeen kennon ylikuumentuessa. Erotin materiaalin sulaminen estää ionien siirtymisen.

Erotin päästää kuitenkin aina pienen vuotovirran kulkemaan, joten Li-ioni –akkujen varaus hiljalleen heikkenee itsestään. Mikäli erotin rikkoutuu ja elektrodit joutuvat keskenään oikosulkuun, kasvaa kennon lämpötila niin suureksi, että katodimateriaalina käytetystä metallioksidista alkaa vapautua happea ja akku voi syttyä palamaan. Tämä on ongelmallinen tilanne, koska tällöin palamiseen tarvittavat lämpö ja happi syntyvät samasta lähteestä, jolloin palavan akun sammuttaminen ei onnistu tukahduttamalla.

Ensimmäisillä latauskerroilla anodin pintaan saostuu elektrolyytistä ohut kerros, joka koostuu mm. litiumista ja erilaisista elektrolyytin epäpuhtauksista, joita saattaa irrota esimerkiksi katodimetallista. Tämä kerros toimii samaan tapaan kuin erotinkin, mutta tämä kerros on kennon toiminnan kannalta keskeinen, koska se estää myöhemmin litiumin kertymisen anodin pintaan, mikä kuluttaisi kennossa olevaa litiumia. Kerroksen liikamuodostus estetään erilaisilla elektrolyytin lisäaineilla.

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 12 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.

Lyijyakun toimintaperiaate

Lyijyakku koostuu useammasta akkukennosta. Yhden kennon periaate on esitetty kuvassa 1. Kennon negatiivinen elektrodi on puhdasta lyijyä, kun positiivinen elektrodi on lyijydioksidia (PbO2). Elektrodeja kutsutaan katodiksi (–) ja anodiksi (+). Kenno vaatii toimiakseen elektrolyytin, joka lyijyakussa on rikkihappo (H2SO4), joka on liuenneena veteen. Tämä tarkoittaa sitä, että akkunesteessä on vapaita vety- (H+) ja sulfaatti-ioneja (SO42-).

Kuva 1: Lyijyakun kenno.

Kuva 1: Lyijyakun kenno.

Kun akusta otetaan jonkin laitteen käyttöön virtaa, täytyy akusta vapautua elektroneja. Tämä tapahtuu katodilla hapetusreaktiossa, jossa sulfaatti-ioni yhdistyy elektrodin lyijyn kanssa, jolloin reaktiosta jää yli kaksi elektronia (kuva 2). Elektrolyytissä olevien negatiivisten sulfaatti-ionien varaus siirtyy siis katodille. Elektrodin pintaan muodostuu tällöin lyijysulfaattia (PbSO4). Reaktio kokonaisuutena vapauttaa energiaa.

Kuva 2: Vasemmalla hapetusreaktio anodilla ja oikealla pelkistysreaktio katodilla.

Kuva 2: Vasemmalla hapetusreaktio katodilla ja oikealla pelkistysreaktio anodilla.

Anodilla vapaat vetyionit yhdistyvät lyijydioksidin hapen kanssa muodostaen vettä (kuva 2). Ulkoisen piirin läpi kiertävät elektronit yhdistyvät lyijyn kanssa, jolloin lyijy pelkistyy ja muodostaa sulfaatti-ionien kanssa lyijysulfaattia (kuva 2). Rikkihappoliuos laimenee, koska reaktiot kuluttavat ioneja ja samalla muodostuu lisää vettä. Myös tämä reaktio vapauttaa energiaa, ja yhteensä reaktiot tuottavat hieman yli 2 V kennojännitteen (kuva 3). Reaktioihin osallistuvien aineiden kemiallinen energia muuttuu siis sähköenergiaksi. Kun useampia kennoja kytketään sarjaan, saadaan akku, jonka jännite on kennojännitteiden summa, esimerkiksi 12 V.

Kuva 3: Lyijyakun molemmille elektrodeille muodostuu lyijysulfaattia.

Kuva 3: Lyijyakun molemmille elektrodeille muodostuu lyijysulfaattia.

Kun akkua ei käytetä, katodin ylimääräiset elektronit aiheuttavat sen, että sulfaatti-ionit eivät pääse lyijyn pintaan, koska samanmerkkiset varatut hiukkaset hylkivät toisiaan. Vastaavasti anodilla oleva elektronien vajaus aiheuttaa sen, että elektrodi on positiivisesti varattu, jolloin positiiviset vetyionit eivät pääse reagoimaan hapen kanssa. Kun akku kytketään ulkoiseen kuormaan, elektronit pääsevät kulkemaan katodilta anodille, jolloin edellä esitetyt reaktiot käynnistyvät. Samalla molemmille elektrodeille muodostuu lyijysulfaattia. Lyijysulfaatti on huono johde, joten vaikka sen muodostuminen on koko akun toimintaperiaatteen taustalla, huonontaa sulfaatin muodostuminen akun virranantokykyä.

Kun akku kytketään ulkoiseen virtalähteeseen, voidaan elektronien kulkusuunta vaihtaa, jolloin reaktiot tapahtuvat toiseen suuntaan. Tällöin lyijysulfaatti hajoaa ja elektrolyyttiliuos muuttuu vahvemmaksi, jolloin akku latautuu. Sähköenergiaa muutetaan tällöin kemialliseksi energiaksi. Lyijysulfaatti ei kuitenkaan hajoa täydellisesti, jolloin useiden purku- ja latauskertojen jälkeen akun kapasiteetti heikkenee.