Impianti navali B. Parte 7. II semestre

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1 Impianti navali B Parte 7 II semestre 2013 [email protected] [email protected] 1

2 Batterie di accumulatori accumulatore di carica elettrica dispositivo che accumula energia in forma chimica e la restituisce in forma elettrica consente di fornire alimentazione all'impianto elettrico in assenza di produzione 2

3 Batterie di accumulatori Def: la capacità di un accumulatore è la quantità di elettricità che esso può fornire durante una scarica completa: dove T S è il tempo di scarica La capacita' di un accumulatore è espressa in [Ah] 3

4 Batterie di accumulatori (I) La tensione ai capi dell'accumulatore diminuisce durante la scarica, di conseguenza anche la corrente. La capacita' di un accumulatore e' ottenuta sperimentalmente applicando un carico elettronico a corrente costante, misurando il tempo di scarica T S per arrivare alla tensione minima ammissibile di circa 1,75V per cella. La capacità di una batteria dipende principalmente dalla corrente di scarica e tende a diminuire all aumentare di questa, perché si sviluppa calore. Normalmente la capacità si riferisce ad una scarica di 10 ore 4

5 Batterie di accumulatori (II) Def: l energia che un accumulatore può fornire nella scarica completa si ricava dal prodotto della capacità per la tensione media di scarica. L'energia è espressa in [Wh]. L energia restituita dall'accumulatore durante la scarica è inferiore a quella fornita durante la carica. 5

6 Batterie di accumulatori (III) Def: il rapporto tra Q S numero di amperora restituito nella scarica e Q C numero di amperora forniti durante la carica e' definito rendimento in capacità dell accumulatore η C = Q S / Q C Questo rendimento può anche raggiungere valori del 90%. 6

7 Batterie di accumulatori (IV) E' tuttavia necessario considerare che la tensione media di carica V C è superiore a quella di scarica V S Def: definiamo pertanto il rendimento di energia η = V s Q s / (V c Q c ) In questo caso, il rendimento scende sensibilmente: per un accumulatore nuovo al piombo si ha un rendimento tipico di circa 75-80%. 7

8 Batterie di accumulatori (V) Def: caratteristica molto importante di un accumulatore è la densita' di energia, definita dal rapporto energia/volume espresso in [Wh/dm 3 ] o anche dal rapporto energia/peso espresso in [Wh/kg] noto come energia specifica La densita' di energia dipende dalla tecnologia costruttiva dell'accumulatore. Il prezzo dell'accumulatore cresce all aumentare di questo parametro. 8

9 Batterie di accumulatori (VI) Un altro interessante parametro è il numero di cicli di carica/scarica che contraddistingue la vita media della batteria e conseguentemente il suo costo La temperatura di utilizzo va sempre considerata nei parametri di progetto, in particolare qualora si debba operare in zone fredde ed all esterno 9

10 Tipologie di accumulatori Gli accumulatori possono essere: ad acido, cioè con elettrolito acido e con elettrodi di piombo; alcalini, cioè, con elettrolito basico ed elettrodi vari (FeNi, NiCd, NiMH) 10

11 Accumulatori al piombo (I) 11

12 Accumulatori al piombo (II) La f.e.m. prodotta da un elemento di un accumulatore al piombo è di circa 2V per ottenere tensioni maggiori occorre utilizzare batterie con più elementi in serie durante il processo di scarica dell'accumulatore, e' bene che la tensione ai capi di ciascuna cella non scenda al di sotto del valore 1.75 V, per prevenire il deterioramento (solfatazione). 12

13 Accumulatori al piombo (III) 13

14 Accumulatori al piombo (IV) Tipologie di accumulatori al piombo: batterie aperte o con fori di sfogo: permettono la fuoriuscita dei gas attraverso piccoli fori sulla parte superiore o sui tappi degli elementi che servono per ripristinare il livello della soluzione acida batterie sigillate o con valvole di regolazione dove uno speciale sistema catalizzatore, all interno della batteria, è usato per ricombinare in acqua l idrogeno e l ossigeno sviluppati batterie con elettrolito gelatinoso, solitamente di bassa capacità, usate prevalentemente in apparecchiature elettroniche o per impieghi speciali. 14

15 Accumulatori al piombo (V) La capacità delle batterie dipende anche dalla temperatura 15

16 Accumulatori al piombo (V) punto di lavoro ottimale intorno ai 20 C per temperature inferiori ai 20 C - la capacità diminuisce: a 20 si riduce a circa il 60%, - in climi freddi occorre isolare termicamente le batterie per temperature superiori ai 20 C, ad esempio in climi equatoriali, - la capacità aumenta con effetti tuttavia di corrosione degli elettrodi - che riducono sensibilmente la vita media della batteria 16

17 Accumulatori al piombo (VI) Tipologie di batterie di accumulatori per i diversi impieghi: batterie a scarica rapida, per l avviamento dei motori - forniscono elevate correnti per pochi secondi - anche diverse volte nella giornata batterie a scarica normale, usate per alimentare le utenze ordinarie - forniscono energia per tutto il tempo in cui non operano i generatori - la tensione non deve mai scendere sotto il valore consentito (10,5V per una batteria da 12V) - se si prevede una scarica notevole della batteria, si devono usare batterie a ciclo profondo (deep cycle) 17

18 Accumulatori al piombo (VII) batterie per trazione simili alle precedenti - con maggiore corrente erogata in minore tempo di scarica - usate per i sistemi a trazione o propulsione elettrica batterie in tampone - la batteria e' normalmente in carica (utilizzatore), - diventa generatore nei brevi momenti in cui manca l alimentazione - usate nei sistemi di emergenza e negli UPS (Uninterruptible Power Supply) 18

19 Accumulatori al piombo (VIII) Evoluzione tecnologica della batteria al piombo 19

20 Accumulatori al piombo (IX) impiegano speciali elettrodi a spirale, le celle sono cilindriche l elettrolita è imbevuto in una fibra attorno alle lamine di piombo puro, avvolte a spirale (tecnologia Spiracell ) involucro sigillato, montabili in qualsiasi posizione, resistenti ad urti e vibrazioni, quindi particolarmente adatte all impiego su imbarcazioni capacità inalterata anche per una elevata corrente di scarica: - una batteria da 50 Ah può erogare 25A in due ore, 20

21 Accumulatori al piombo (X) ha una densità di energia di circa 71 Wh/dm 3 (60 nelle normali batterie) ed una energia specifica di 34 Wh/kg. sopporta elevate correnti di carica (cariche rapide) ha una durata due o tre volte superiore non ha emissioni gassose in condizioni d impiego normali non sono commercializzate con capacità maggiore di 75 Ah i costi sono più elevati 21

22 Accumulatori al Ferro-Nichel Catodo in idrossido di nichel Anodo in ferro Elettrolito soluzione acquosa al 21% di idrossido di Potassio tensione di carica è intorno a 1.8V tensione di scarica di circa 1.2V Batterie molto più costose di quelle al piombo molto robuste e di maggior durata 22

23 Accumulatori al Ferro-Nichel Sopportano senza danni, a differenza di quelle al piombo, cortocircuiti e scariche rapide oltre il valore minimo di tensione. Vengono utilizzate per applicazioni off-grid, dove sono previste ricariche giornaliere e possono avere una vita di oltre 20 anni. 23

24 Accumulatori al Nichel-Cadmio sono simili a quelli al Ferro-Nichel tipicamente commercializzati in contenitore cilindrico, per maggiori capacità esistono anche celle rettangolari sono molto diffusi nelle apparecchiature portatili per la loro leggerezza si caricano a corrente costante o con speciali circuiti elettronici sono sigillati e non richiedono manutenzione presentano l effetto memoria: la loro capacità dipende dallo stato di carica che avevano prima della carica stessa 24

25 Accumulatori al Nichel-Cadmio per avere le massime prestazioni occorre che la batteria sia completamente scarica prima di caricarla. 25

26 Accumulatori al Nichel-Metal-Idrato (Ni-MH) minore effetto memoria, maggiore capacità meno inquinanti, non usando il tossico Cadmio Per impieghi pesanti sono ancora preferibili i primi NiCd, che hanno generalmente una vita (numero di cicli di carica/scarica) più elevata. 26

27 Accumulatori al Nichel-Metal-Idrato (Ni-MH) I migliori caricabatteria per queste tipologie di accumulatori lavorano a corrente costante, continua od impulsata (carica rapida), controllando sia la tensione sia la temperatura della batteria durante il tempo di carica. La carica lenta, effettuata in ore ad 1/10 della corrente calcolata su una capacità di un ora allunga la durata di queste batterie es.: Ic=230mA per Q=2300 mah 27

28 Accumulatori agli ioni di Litio raggiungono i più alti valori di energia specifica (120 Wh/kg) e densità di energia (270 Wh/dm 3 ) trovano applicazione nelle apparecchiature portatili a tensione tipica di una cella è di circa 3,6V Il loro costo è però molto elevato, sono quindi da utilizzare solo nei casi in cui occorre ridurre drasticamente i pesi ed gli ingombri imbarcati. 28

29 Confronto tra accumulatori Alcuni dati di targa delle principali tipologie 29

30 Isolatore di batterie Se devono essere caricati due sistemi di batterie diversi (ma con la stessa tensione), ad esempio, le batterie di avviamento e quelle per le utenze in CC di bordo, si utilizza un particolare dispositivo che prende il nome di isolatore di batterie. Partendo dalla stessa sorgente, come un caricabatteria od un alternatore asse, si possono caricare le batterie mantenendole separate tra loro. Questa funzione si realizza mediante due o più diodi a semiconduttore ad elevata corrente diretta, posti in serie ad ogni batteria. 30

31 Isolatore di batterie L inserzione del diodo procura una piccola caduta di tensione (circa 0,7V per diodo) dovuta alla giunzione del semiconduttore di cui andrebbe tenuto conto per il caricabatteria. 31