Akumulátory
Pomineme-li některé speciální druhy akumulátorů, pak nám pro praktické použití v oblasti vodní mikroenergetiky zůstává akumulátor olověný a akumulátor kadmio- či ocelo-niklový. Každý z nich má své přednosti, ale i některá negativa o kterých je potřeba vědět.
Pokud tedy uvažujete o použití akumulátoru, zamyslete se, jaký bude jeho denní provozní režim a jak často ho budete během roku využívat.
Pak použijte niklo-kadmiové články, které nepříznivé provozní podmínky hravě zvládnou. Budete se však muset smířit s horší účinností, vyšší cenou, větším kolísáním napětí a v mnoha případech i s menší kapacitou.
Pak použijte olověný akumulátor. Budete-li věnovat akumulátoru pravidelnou péči, získáte vysokou účinnost a možnost odebírat velké proudy při malém kolísání napětí.
Pak použijte hermetický olověný akumulátor. Získáte vysokou účinnost, akumulátor se nevyleje, snadno se přepravuje a může být v jakékoli poloze.
Dobře si promyslete také jakou použijete kapacitu akumulátoru. Není vždy nejvýhodnější použít co největší. Velký akumulátor má úměrně větší i své vnitřní ztráty. Ty budete muset uhradit z nabíjecího zdroje. Máte-li tedy k dispozici slabý nabíjecí zdroj, použijte raději akumulátor malý, pouze takový, který sice bezezbytku pokryje vaše potřeby, ale bez přehnané výkonové rezervy.
Následující výpočet předpokládá, že dobíjecí zařízení pracuje nepřetržitě, tedy i v době odběru a proud nabíječe se tak dělí mezi akumulátor a spotřebič. Napětí vybitého i nabitého akumulátoru uváděné ve výpočtu je měřeno při odpojeném nabíječi. Akumulátor při připojeném nabíječi je nabit tehdy, dosáhne-li „konečné napětí“, kdy se nabíjení ukončí nabíjecí automatikou, ručně nebo samovolně tím, že nabíječ prostě vyšší napětí není schopen dodat.
(Pokud zadáváte ve formuláři desetiny, použijte k jejich oddělení tečku, nikoliv desetinnou čárku.)
V dnešní době snadno získatelný pod pojmem „autobaterie“ o jmenovitém napětí 12 voltů v nejrůznějších provedeních s kapacitami od 35 do 150 ampérhodin. K výhodám tohoto typu akumulátoru patří účinnost přes 82%, malý pokles napětí při zatížení, velký vybíjecí proud, dobrý poměr mezi rozměry a kapacitou. Nesnáší však nárazy a velmi ho ničí dlouhodobé vybití. I když není používán, musí být skladován nabitý, jinak neodvratně sulfatuje. Protože samovolným vybíjením se jeho kapacita zcela vyčerpá během 6 měsíců, je nutné jej pravidelně dobíjet i když není jinak využíván a nesmíte na něj zapomenout. To omezuje a komplikuje jeho sezónní provoz. Průměrná životnost akumulátoru se uvádí přibližně na 350 plných nabíjecích cyklů. Pokud je vybíjení pouze částečné, je životnost akumulátoru výrazně vyšší. Přesto je omezena časově a to přibližně na 4-6 let. Konec životnosti se projevuje nezadržitelným poklesem kapacity. Akumulátor se sice snadno nabíjí, ale také rychle vybíjí. Bez neustálého dobíjení ztrácí napětí, z horších článků stálým nabíjením rychle ubývá elektrolyt. Když nakonec dojde k definitivnímu poškození jednoho či více článků je baterie dále pro celkově nízké napětí nepoužitelná.
Nový akumulátor koupíme již naplněný a někdy i nabitý. Pokud ne, plní se vodným roztokem kyseliny sírové o hustotě 1,28 o teplotě 15…25°C do výšky 5…10mm nad desky. Elektrolyt musí být naředěn na správnou hustotu ještě před nalitím do akumulátoru, nikoliv potom, protože se chemickými reakcemi změní. Není ani vhodné dávat koncentraci „pro jistotu“ vyšší, protože to zkracuje životnost akumulátoru a zrychluje sulfataci. Po třech hodinách po naplnění je nutno začít akumulátor nabíjet a to pokud možno bez přerušení, až do úplného nabití. Zcela nový akumulátor získá plnou kapacitu až po několika vybíjecích cyklech. Ty by měly proběhnout řádně a pod dohledem.
Nabíjecí proud dodávaný dynamem či jiným zdrojem by měl být roven desetině kapacity (např. akumulátor o kapacitě 55Ah je podle tohoto pravidla vhodné nabíjet proudem 5,5A). Krátkodobě může nabíjecí proud dosáhnout hodnoty jedné třetiny kapacity (např. zmíněný akumulátor o kapacitě 55Ah je tedy možné po omezenou dobu nabíjet proudem 15A). Není vhodné dělat to často (ač to autoopraváři řádi dělají), prudkými procesy a deformací desek se zkracuje životnost akumulátoru. Naopak proud může být klidně nižší a to až desetinásobně (nic tedy nepokazíte, bude-li vaše malé dynamo dodávat pouze 0,5A), někdy to horšímu akumulátoru i prospěje a vrátí se mu část ztracené kapacity. Proudem menším než 0,2A akumulátor v rozumném čase již nenabijete, pouze udržíte jeho plnou kapacitu a zabráníte tak nežádoucí sulfataci.
Akumulátor lze považovat za plně nabitý, přesáhne-li hustota jeho elektrolytu 1,25 [kg/ltr.]. Při dosažení napětí 2,4V na jeden článek (tzn. 14,4V u dvanáctivoltové autobaterie) začíná akumulátor plynovat. Článek je v tomto okamžiku nabitý téměř na plnou kapacitu. Je-li nabíjení řízeno automatikou, měla by právě při tomto napětí nabíjení omezit nebo zcela ukončit. Totéž platí o všech akumulátorech, necháváte-li nabíjecí soustrojí během týdne bez dozoru, protože za tuto dobu dokáže i poměrně malý nabíjecí proud, není-li včas omezen, akumulátor vyvařit natolik, že dojde k obnažení elektrod. Napětí se měří při probíhajícím nabíjení a při jmenovitém nabíjecím proudu. Dosáhne-li článek napětí 2,7V (tzn. 16V u dvanáctivoltové autobaterie) musí být od dynama neprodleně odpojen, protože se už veškerý nabíjecí proud spotřebovává pouze na tvorbu plynů a proto rychle ubývá elektrolytu a ten se nežádoucím způsobem koncentruje.
Používáte-li akumulátor stacionárně, je vhodné jednou za čas nechat dojít nabíjení až do závěrečného stádia varu a to i za cenu ručního zásahu do nabíjecí automatiky nebo s ním opatrně zašplouchat. Dojde tak k promíchání elektrolytu, který se bez tohoto zásahu rád rozděluje na různě husté vrstvy, které zvyšují samovybíjení.
Během provozu elektrolytu ubývá. Nedolévejte však už kyselinu, ale pouze vysoce kvalitní destilovanou vodu (jakékoli náhražky ve formě zaručeně čisté dešťovky jsou vraždou!!) a to vždy jen před začátkem nabíjení. Desky akumulátoru nesmí zůstat nikdy vynořeny, jinak se nevratně zničí. Dolejete-li takto poškozený akumulátor, bude již navždy trpět zvýšeným samovybíjením.
Plně nabitý akumulátor je mrazuvzdorný až do teplot okolo -30°C. Mrazová odolnost s jeho vybíjením však velmi rychle klesá. Zcela vybitý akumulátor mrzne již při několika málo stupních pod nulou a zničí se.
Z olověného akumulátoru tohoto typu lze odebírat krátkodobě stovky ampér. Pro trvalý odběr však počítejte s proudem nanejvýš do jedné třetiny jeho kapacity (např. akumulátor o kapacitě 55Ah by mohl být vybíjen proudem 15A a dodával by jej asi 3,5 hodiny).
Akumulátor se považuje za vybitý, klesne-li napětí jednoho článku pod 1,8V (tzn. 10,8V u dvanáctivoltové autobaterie). Od toho okamžiku se akumulátor ničí a nelze ho ve vybitém stavu ponechat, protože by začala probíhat rychlá sulfatace. Po hlubokém vybití je potřeba akumulátor bezpodmínečně alespoň částečně nabít. Odebíráte-li z něj za provozu jen malý proud, pokles napětí není tak markantní a akumulátor je velmi vážně vybit ještě dříve, než dosáhne spodního kritického napětí. Proto zejména při nenápadně malých odběrech (rádio, alarm, osvětlení LEDdiodami) buďte velmi opatrní a nikdy jej zcela nevyčerpávejte.
Rozpoznat za provozu zbývající kapacitu akumulátoru podle údaje voltmetru je obtížné, protože napětí dlouhou dobu setrvává na stejné hodnotě a teprve v závěru vybíjení rychle klesá a to již může být škodlivé. Jediný spolehlivý způsob je měření hustoty elektrolytu.
V souvislosti s tím vzpomínám, že před pětatřiceti lety se u filmových kamer používaly malé olověné akumulátory, které měly po straně každého článku vylisováno plastové okénko. Tudy bylo vidět dovnitř na pět různobarevných kuliček vyrobených z kyselinovzdorného plastu s různou hustotou. Podle toho, kolik kuliček v elektrolytu plavalo a kolik jich už spadlo ke dnu, dalo se na první pohled určit, kolik náboje v baterii zbývá a který článek je nejslabší. Škoda, že v dnešní době výrobci na tak jednoduchou signalizaci zapomněli a nutí nás pálit si prsty v kyselině při manipulaci s neforemným balónkem a křehkým skleněným hustoměrem.)
Rád bych připomenul všem sběratelům z autovrakovišť, že na tomto místě se nevyplatí šetřit a použít vysloužilý akumulátor. Připravíte si zbytečně spoustu nečekaných problémů. Kupte si akumulátor nový, nepoznamenaný silnými proudovými nárazy, s nerozdrobenými elektrodami a bez usazeného kalu na dně.
Tento bezúdržbový akumulátor je v dnešní době často používaný pro napájení alarmů a záložních zdrojů pro počítače. Narozdíl od obyčejné autobaterie je jeho elektrolyt gelovité konzistence, takže mu nevadí manipulace a může být montován v libovolné poloze, aniž by tím utrpěla jeho funkce. Stejně jako všechny olověné akumulátory vyniká vysokou účinností. Vyrábí se v kapacitách od jednotek do desítky ampérhodin a obstojí jen u mikroelektráren o výkonu jednotek wattů. Při jeho použití je nutno držet se návodu výrobce. Většinou se uvádí, že nabíjecí proud může dosahovat až třetiny kapacity, totéž platí o trvalém proudu vybíjecím. Krátkodobý vybíjecí proud může po dobu 5 sekund dosahovat maximální hodnoty 40A. Ač se na první pohled zdá, že jsou tyto akumulátory mechanicky značně odolné, ve skutečnosti nemají rády vibrace a tvrdé otřesy. Jsou také velmi citlivé na přebíjení a na hluboké vybití. Při jejich použití musíte bezpodmínečně použít dobře seřízenou nabíjecí automatiku nebo omezit napětí nabíječe na takovou hodnotu, kdy na jeden článek akumulátoru připadá napětí jen 2,3V (tzn. 13,8V pro dvanáctivoltový akumulátor, či 6,9V pro šestivoltový). Chcete-li dosáhnout co nejdelší životnosti při menší kapacitě, nastavte jen 2,26V na článek (tzn.13,6V pro dvanáctivoltový, či 6,8V pro šestivoltový akumulátor.) Jak je na první pohled vidět, je to méně než u akumulátoru otevřeného, který může volně plynovat. Nelze si tedy myslet, že akumulátor prostě jen tak, bez ničeho, přes noc připojíte na dynamko a je o nabíjení postaráno. Pokud máte štěstí, že se vám do rána baterie nenafoukne, zcela určitě jste jí výrazně zkrátili život. Stejně jako autobaterii je nutné tento akumulátor skladovat v nabitém stavu a v období mimo provoz občas oživit. Mrazuvzdornost v nabitém stavu je do -60°C a životnost přes 6 let.
Velké články jsou v dnešní době získatelné z vojenského výprodeje, baterií železničních vagónů a různých průmyslových aplikací. K získání baterie o napětí 12 voltů je zapotřebí 10 článků. Ty se vyrábějí v nejrůznějších provedeních s kapacitami od 10 do 150 ampérhodin. Některé druhy mají plastové obaly, jiné jsou plechové. V tom případě musí být odděleny izolantem, protože nádoba má většinou kladný náboj. K výhodám tohoto typu akumulátoru patří dlouhá životnost, vysoká odolnost k otřesům, necitlivost na hluboké a dlouhodobé vybití. Nevýhodou je velký rozdíl napětí při nabíjení a zatížení, malý vybíjecí proud, špatná účinnost (okolo 60%) a špatný poměr mezi rozměry a kapacitou (článků je mnoho a ve srovnání s olověnými jsou při stejné kapacitě rozměrově velké). Když není používán může být skladován zcela vybitý, aniž by se to na něm nějak negativně podepsalo. Pokud byl před odstavením nabitý, samovolným vybíjením se jeho kapacita vyčerpá během 6 měsíců. To umožňuje jeho sezónní provoz bez nebezpečí poškození. Průměrná životnost akumulátoru se uvádí přibližně na 10…20 let. Není však výjimkou, že sem tam nějaký akumulátor pracuje uspokojivě ještě po 40-ti letech. Tvrdívá se, že tyto články trpí tzv. paměťovým efektem (tj. snižování kapacity, nejsou-li před začátkem nabíjení zcela vybité). Tento efekt není tak zásadní, jak se o něm tvrdí a může dělat nanejvýš 10% kapacity. Mylně je zaměňován s postupným a nezadržitelným poklesem kapacity článků způsobeným provozem a stárnutím. Často jsou provozovány na chatách a chalupách baterie s datem výroby ze sedmdesátých let minulého století a je zcela logické, že mají dnes již sotva čtvrtinovou kapacitu. Naopak pokud je vybíjení pouze částečné, je životnost akumulátoru výrazně vyšší. Časem dochází také k deformacím elektrod a vydutí nádoby. Život zdeformovaného článku potom končí většinou náhle vnitřním zkratem.
Akumulátorový článek se plní vodným roztokem hydroxidu draselného nebo sodného a to zásadně tehdy, je-li akumulátor vybitý. Hydroxid sodný je dostupnější a na většinu aplikací dostatečný, zatím co s hydroxidem draselným získá článek vyšší výkon za velkých mrazů. Jinak mezi nimi není výraznější rozdíl a lze je i vzájemně míchat. Někdy se přidává i malé množství hydroxidu lithného pro zvětšení kapacity a výkonu. Hydroxid se musí skladovat v uzavřených nádobách, jinak zvětrá a je nepoužitelný. Granulovaný hydroxid je nutno rozpustit v čisté destilované vodě (velmi opatrně, jedná se o žíravinu, roztok se při přípravě samovolně prudce zahřívá a mohl by začít i vřít). Máte-li k dispozici hydroxid sodný, rozpusťte množství cca 0,22 kg na každý litr vody, při použití hydroxidu draselného více, cca 0,3kg (koncentrace nemá zásadní vliv na kapacitu článku, ale je zvolena tak, aby měl článek co nejmenší vnitřní odpor a tím i výkon). Roztok nechejte v uzavřené láhvi ochladit a zbavit případného kalu. Pak s ním akumulátor naplňte do výšky 5…10mm nad desky. Ze staršího nebo dlouho používaného akumulátoru je vhodné po několika letech elektrolyt vylít, bezprostředně potom třikrát po sobě vypláchnou destilovanou vodou a pak jej naplnit novým elektrolytem. Za provozu se výplach a výměna elektrolytu provádí po 100 úplných vybíjecích cyklech. Akumulátor je potřeba po výměně hydroxidu nechat výrazně přebít. Po nabití se nechá připojený ještě nejméně dvojnásobnou dobu. Desky akumulátoru nesmí zůstat nikdy dlouho na vzduchu, hydroxid by se změnil na nefunkční sodu, která by se musela mnoha proplachy odstraňovat. I zátky článků musí být vždy plně funkční a gumičky těsnit. Musí umožňovat unikání plynů, ale nevpouštět žádný vzduch dovnitř. Při nabíjení je však můžete dočasně odšroubovat.
Po dvou hodinách od naplnění je možno začít akumulátor nabíjet.
Nabíjecí proud dodávaný dynamem či jiným zdrojem by měl být roven čtvrtině až pětině kapacity článku (tzn. 2…2,5A do desetiampérhodinového článku), ale zezačátku může být použito i zrychlené nabíjení dvojnásobným proudem (tzn. 4A do desetiampérhodinového článku), je však zapotřebí hlídat jeho teplotu, která nesmí překročit 40°C, jinak je potřeba nabíjení přerušit. Pro dokončení nabíjení (aby článek moc nevřel) je potřeba použít proud slabší, rovný jedné desetině kapacity, stejně jako u olověného akumulátoru. Výše uvedené proudy však používejte pouze tehdy, jste-li v časové tísni, protože snižují životnost akumulátoru. Při trvalém dobíjení raději použijte proud rovný jedné dvacetině kapacity (tzn. 0,5A do desetiampérhodinového článku) i méně, klidně jedné padesátiny (tzn. 0,2A do desetiampérhodinového článku).
Akumulátor lze považovat za plně nabitý při dosažení napětí 1,7…1,8V na jeden článek (tzn. 17…18V u dvanáctivoltové autobaterie). Je-li nabíjení řízeno automatikou, měla by právě při tomto napětí nabíjení omezit nebo ukončit. Napětí se měří při probíhajícím nabíjení a při jmenovitém nabíjecím proudu. Podle plynování článku se dá na stav nabíjení usuzovat jen zčásti, protože akumulátor syčí ještě mnohem dříve, než je nabitý. Nabitý akumulátor je potřeba nechat 4 až 5 hodin odplynovat a raději s ním nemanipulovat, aby nedošlo k vystříknutí elektrolytu. Zcela nový akumulátor získá plnou kapacitu až po několika vybíjecích cyklech.
Během provozu elektrolytu ubývá. Nedolévejte však už roztok hydroxidu, ale pouze destilovanou a to před začátkem nabíjení. Desky akumulátoru by neměly zůstat vynořeny, jinak se akumulátor nabije pouze částečně. Není to však tak kritické jako v případě akumulátoru olověného. Akumulátor je mrazuvzdorný až do teplot okolo -30°C, bez ohledu zda je vybitý či nabitý. Z niklokadmiového akumulátoru lze odebírat proudem nanejvýš do jedné čtvrtiny jeho kapacity (např. akumulátor o kapacitě 10Ah by mohl být vybíjen proudem 2,5A a dodával by jej asi 4 hodiny). Akumulátor se považuje za vybitý, klesne-li napětí jednoho článku pod 1,05V (tzn. 10,5V u dvanáctivoltové baterie). Akumulátor lze ve vybitém stavu ponechat libovolně dlouho a neškodí mu to. Rozpoznat za provozu zbývající kapacitu akumulátoru podle měření hustoty elektrolytu nelze, řídit se můžete pouze podle údaje voltmetru a zkušeností.
je v podstatě shodný s výše uvedeným typem (provedení, elektrolyt, provoz i údržba), rozdíl spočívá pouze v tom, že má horší účinnost a ještě vyšší rozdíl napětí při nabíjení a vybíjení. Naopak neobsahuje ekologicky problémové kadmium, ale pouze železné a niklové sloučeniny. Pokud však máte volbu, raději sáhněte po článku niklokadmiovém.
Akumulátory nikdy neumisťujte ke kamnům nebo jinému otevřenému ohni, který by mohl zapálit výbušnou kyslíkovodíkovou směs, která z nich uniká. Nesmějí se umísťovat ani na půdu, odkud (kdyby je roztrhl mráz) protékal elektrolyt do spodních pater. Nesmí být ani v dosahu dětí a nepovolaných osob. Akumulátor má stát na zemi v dobře větraném místě, opatřen krytem svorek či propojů a bránícím zkratu i potřísnění elektrolytem. Bezprostředně ke svorce akumulátoru umístěte tavnou pojistku, která by akumulátor odpojila při zkratu v přívodním vedení. Svorky a spoje potřete olejem, aby nekorodovaly. Nánosy solí a potřísněná místa očistěte. Kyselinu neutralizujte vápnem, hydroxid sodný či draselný naopak octem. Akumulátor který dosloužil (snad s vyjímkou oceloniklového) se stává nebezpečným odpadem. Nepatří tedy do popelnice ani do lesa jak to mnozí dělají, ale k recyklaci.