Aku

Allikas: Vikipeedia

Akumulaator ehk aku ehk akupatarei kujutab endast energia salvestamiseks mõeldud seadet.[1] Sellist seadet saab pärast tühjenemist, olenevalt seadme konkreetsest liigist mõnisada kuni mõni tuhat korda uuesti laadida. Termin "akumulaator" tuleneb ladinakeelsest sõnast accumulator 'koguja'.

Akudesse akumuleeritakse (salvestatakse, laetakse) energiat selle hilisema kasutamise eesmärgil.

Akumuleeritud energia järgi eristatakse järgmiseid akumulaatoreid:

ja teisi energia kogujaid selle hilisema kasutamise eesmärgil.

Akude klassid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Akud klassifitseeritakse nendes kasutatavate elektrolüüdi omaduste järgi happelisteks, kergelt happelisteks ja aluselisteks. Elektrolüüdi oleku järgi saab akud jagada „märg-“ või „kuivelementideks“. Märgelementides on elektrolüüt vedel ja kuivelementides tahke või pulbri kujul.

Akud jagunevad nelja klassi järgmiselt: käivitus-, jõu-, statsionaar- ja väikeakud. Nende peamine erinevus seisneb materjalis ja ülesehituses, mis mõjutab akude tühjakslaadimise- ja tsüklite karakteristikat ning kasutegurit.

Jõuakud ( Traction batteries, Motive power batteries )[muuda | redigeeri lähteteksti]

Selle klassi pliiakude tüübid on Avatud (FLA - Flooded Lead Acid), AGM, Geel ning Avatud toruplaat (OpzS) ja Geel toruplaat (OpzV). Jõuakud töötavad suure tsüklite arvuga süvatühjenemise (50-80% mahtuvusest) režiimil. Nende kasutusalaks on elektriga töötavad sõidukid ja seadmed nagu laotõstukid, golfikärud, puhastusseadmed. Liitiumakusid valitakse jõuakudeks hübriid- ja elektriautode ehitusel. Kuigi nende hind on kõrgem on neil paremad tehnilised parameetrid nagu kaal, mõõtmed, lubatud laadimise vool ja tühjenemise aste.

Lame- või toruplaat avatud pliiakud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Lame- või toruplaat avatud pliiakud (Flooded Batteries, Open-Vent Batteries) ehk happeakud on kõige levinum akutüüp päikese- ja tuuleenergia salvestamisel. Võrreldes suletud pliiakutega on nende hind odavam ja neil on suurem tsüklite arv. Avatud akud vajavad võrreldes suletud akudega rohkem hooldust. Kuna laadimisel eraldub akudest plahvatusohtlik vesinik, siis peavad avatud akud asuma ventileeritud ruumis ja nende happetaset tuleb jälgida akupurkides. Kui akuruumi temperatuur ei lange alla 0° C, võib paigaldada happetaseme jälgimise automaatika, mis lisab vastavalt vajadusele destilleeritud vett.

Suletud pliiakud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Suletud pliiakud (VRLA - valve-regulated lead-acid batteries, sealed batteries) jagunevad lameplaat AGM akudeks (Absorbed Glass Mat battery) ja lame- või toruplaat Geelakudeks (Gel cell battery). AGM akude puhul on akuplaatide vahel klaaskiudmaterjal, mis on immutatud elektrolüüdiga. Geelakude puhul on elektrolüüt geeli kujul. Suletud pliiakud on hooldusvabad ja ohutumad, sest elektrolüüt ei voola purunenud korpusest välja. Neid ei pea hoidma ventileeritud ruumis, sest laadimisel tekkinud gaas kondenseerub akukorpuses uuesti veeks. Tuleb jälgida, et laadimiskontroller võimaldaks häälestada laadimisprotsessi parameetreid VRLA akudele sobivaks. Kui pinge ja vool ületavad normi, tõuseb akukorpuses surve ja rakendub VRLA kaitseventiil kuna aku ei suuda jooksvalt happeaurusid veeks kondenseerida. Kui seda juhtub tihti, siis muutub see aku väga kiiresti kasutuskõlbmatuks.

Käivitusakud ehk autoakud (SLI – Starting, Lighting and Ignition)[muuda | redigeeri lähteteksti]

Selle klassi pliiakude tüübid on Avatud, AGM ja Geel. Käivitusakude eeliseks on suure voolu võimaldamine lühikese aja jooksul. Seejuures omab käivitusaku väikest tühjakslaadimise tsüklite arvu ning ei sobi kasutamiseks näiteks taastuvenergia süsteemis kus süvatühjenemise režiim häviks aku kiiresti. Mõnede autode ja väikelaevade tarvis toodetakse käivitusakusid, mis on kombineeritud töötama ka süvatühjenemise režiimil. Eestis on need akud kasutusel paljudes väikestes autonoomsetes taastuvenergia süsteemides. 50% tühjenemise puhul on nende käivitusakude tsüklite arv 200-500.

Statsionaarsed akud ehk UPS-i akud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Selle klassi pliiakude tüübid on AGM ja Geel. Neid iseloomustab pikk eluiga ooterežiimisl, väike tsüklite arv ja sügavtühjenemine näiteks elektri katkestuse korral. Statsionaarseid akusid kasutatakse UPS-ide ja signalisatsiooni seadmete juures, kus nende ülesanne on tagada elektri varustus.

Väikeakud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Selle klassi peamised tüübid on Ni-Cd, Ni-Mh, Li-ion ja LiPo. Väikeakusid iseloomustab suur vastupidavus pidevale süvatühjenemisele, suure energiatüheduse tõttu väikesed mõõdud ja kaal, hea madala temperatuuri taluvus ning nad on hooldevabad. Neid akusid kasutatakse peamiselt elektroonikaseadmetes, elektritööriistades ja mobiiltelefonides.

Akude tüübid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pliiaku[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pliiakud on ühed vanimad ja kõige laialdasemalt kasutuses olevad akud. Seetõttu on need odavad, pika elueaga, kiire reageerimisajaga ja madala isetühjenemismääraga seadmed. Pliiakud suudavad saavutada täisvõimsuse millisekundite jooksul ja nende keskmine kogukasutegur on 75-85% ning eluiga umbes 5 aastat seejuures laadimis/tühjenemistsüklite arv on 250-1000. Neid kasutatakse peamiselt sisepõlemismootoriga autode käivitamiseks või starteri abil auto käivitamiseks. Samuti kasutatakse pliiakusid suure tühjaks laadimise sügavusega rakendustes ja katkematu toiteallikana või tagavaratoiteallikana seadmetes, kus on vajalik väike ja stabiilne võimsus pika aja jooksul.

Nikkel-kaadmium (NiCd) akud[muuda | redigeeri lähteteksti]

NiCd aku positiivse elektroodi moodustab nikkeloksiid-hüdroksiid ja negatiivse elektroodi metalliline kaadmium. Elektroode eraldab üksteisest nailonist vahesein. Elektrolüüdi moodustab kaaliumhüdroksiidilahus. Aku tühjenemisel reageerib nikkeloksiid-hüdroksiid veega mille tulemusel tekib nikkelhüdroksiidi ja hüdroksiidi ioon, negatiivsel elektroodil moodustub samal ajal kaadmiumhüdroksiid. See protsess on pööratav, kuid laadimisel moodustuvad hapnik (positiivsel elektroodil) ja vesinik (negatiivsel elektroodil) mistõttu on vajalik akumulaatori õhutamine ning aeg-ajalt vee lisamine.

NiCd aku kasutegur on tavaliselt 60-70% ja eluiga 10-15 aastat, seejuures laadimis/tühjenemistsüklite arv on 1000 ja pulbrist valmistatud elektroodidega akudel kuni 3500. Suletud NiCd akusid kasutatakse elektroonikaseadmetes, kus on määraval kohal väike kaal, kompaktsus ja korduvkasutus (näiteks kaugjuhtimispuldid). Ventileeritud NiCd akusid kasutatakse peamiselt lennuki- ja diiselmootorite starterite toiteallikatena, kus määraval kohal on suur energiatihedus massi- ja ruumalaühiku kohta. Samuti sobivad need NiCd akud ideaalselt kaitseks pingelohkude vastu ja toite katkematuse tagamiseks keerulistes oludes. Nende vastupidavuse tõttu kõrgetele temperatuuridele kasutatakse neid järjest enam päikeseenergia salvestamiseks.

Naatrium-väävel (NaS) akud[muuda | redigeeri lähteteksti]

NaS akud moodustuvad silindrilistest elektrokeemilistest elementidest, mille moodustavad veeldatud naatrium ja positiivne elektrood veeldatud väävlist. Tühjenemisel liiguvad naatriumi ioonid positiivsesse elektroodi läbi elektrolüüdi milleks on tahke B-alumiiniumoksiid. Seal toimub reageerimine väävliga mille tulemusena moodustub polüväävel-naatrium. Laadimisel on protsess pööratud ja positiivsel elektroodil moodustub naatriumioonide kiht.


Elektrolüüdi juhitavuse ja väävli ning naatriumi vedela oleku tagab iselooreitud kest, mille temperatuur peab olema üle 270 °C. Tüüpiliselt tagatakse akus temperatuuri vahemik 320-340 °C ja laadimis/tühjenemistükli kasutegur on 86-89%. NaS akud on kasutusel energia kvaliteedi tagamisel ja koormuste juhtimisel kuna NaS akud on võimelised arendama impulssvõimsust ka pikaajalisel tühjaks laadimisel. Samuti kasutatakse NaS akusid elektrivõrkudes.

Läbivooluakud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Läbivooluakud töötavad sarnasel tööpõhimõttel – kaks elektrolüüti pumbatakse akuelementide kogumikku, kus need omavahel reageerivad ning selle reaktsiooni tulemusena saab akust ammutada energiat.

Vanaadium-redoks (VR) akud[muuda | redigeeri lähteteksti]

VR akude ehitusse kuuluvad akuelemendid, elektrolüüdi mahutussüsteemid, juhtimis- ning muundurisüsteemid. VR akude energiasalvestamine toimub elektroodil kahe erinevat tüüpi vanaadiumdioodi omavahelise reageerimise tõttu väävelhappe elektrolüüdis. Akuelementide arv näitab akuseadme võimsust ja elektrolüüdi mahuti suurus energiamahutavust. Aku tühjenemisel voolavad elektrolüüdid ühte akuelementidesse, kus nad vahetavad läbi membraani vesinikioone. Protsessi käigus toimub iseeraldumine, mille tulemusena vanaadiumi ioonide olek muutub ning potensiaalse energia saab muundada elektriks. Aku laadimisel on protsess vastupidine.

VR akude kasutegur on kuni 85% ja elektrilüütide vahekord jääb peale igat tsüklit samaks, sest laadimise ja tühjenemise käigus toimub sama keemiline protsess. Elektrolüüdi eluiga on piiramatu ja seda on võimalik korduvkasutada, seega töötsüklite täis saamisel vahetatakse välja ainult akuelementide osa. Töötsüklite arv ulatub 10 000 täis-tühjaks laadimistsüklini, mis teeb umbes 7-15 aastar. VR akusid tohib täiesti tühjaks laadia ilma et nende jõudlus väheneks. VR akusid on võimalik kasutada peamiselt katkematute toiteallikatena, kooruste silumiseks, tippude lõikamiseks, elektrivõrkudes ja taastuvenergia integreerimiseks. Neile leidub mitmeid energiasalvestuse rakendusi, sest akude võimsus ja energiamahtuvus pole omavahel sõltuvuses. Samas igas kasutusvaldkonnas leidub VR akudele altlernatiive, mis on võrreldes VR akudega palju paremad. Seetõttu kasutatakse VR akusid tavaliselt olukorras kus mitmekülgne kasutamine on äärmiselt tähtis ja eelkõige taastuvenergia integreerimiseks.

Polüsulfiid bromiid akud (PSB)[muuda | redigeeri lähteteksti]

PCB aku tööpõhimõte

Polüsulfiid bromiid akude tööpõhimõte ja ülesehitus sarnaneb VR akudele. Elektrolüüdi moodustab positiivsel poolele naatriumbromiid ja negatiivse poole naatrium polüsulfiid. Aku tühjenemisel voolavad elektrolüüdid akuelementi, kus toimub reaktsioon membraanil. Sarnaselt VR akudega toimub protsessi käigus iseeraldumine ning laadimisel on protsess vastupidine.

Nende akude töötemperatuur on vahemikus 20-40 °C. Kasutegur on 75% ja nagu VR akudel on ka PSB akude laadimise ja tühjenemise keemiline protsess täpselt sama. Eluiga on umbes 2000 tsüklit, mis sõltub suuresti rakendusest milleks PSB akusid kasutatakse. Neid kasutatakse kõikides energiasalvestuse rakendustes, k.a. Koormuse tasandamisel, tippude lõikamisel ja taastuvenergia integreerimisel. PSB akudel on kiire reageerimisaeg ja nimivõimsus saavutatakse täis laetud akudel 20 ms jooksul. Tavatingimustes saab PSB aku täis- või tühjaks laadida 0,1s vältel, mis võimaldab neid kasutada sageduse või pinge reguleerimisel.

Tsink bromiid (ZnBr) akud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ülesehituse poolest on ZnBr akud sarnased eelmistega kuid nende tööpõhimõte on teine. Laadimisel voolavad mõlemad elektrolüüdid akuelementidesse, mida eraldab mikroopidega membraan. Elektroodidel on selles elektro-keemilises protsessis oluline tähtsus sest nad osalevad selles protsessis. Laadimisel galvaniseerub tsink anoodilt elektroodile ja bromiin eraldub katoodilt. Elektrolüüti lisatakse lisaaineid et hoida ära bromiidi reageerimist, mismõttu väheneb elemendi isetühjenemine ja suureneb süsteemi turvalisus. Aku tühjenemisel toimub protsess vastupidi.

ZnBr akude töötemperatuur on vahemikus 20-50 °C. Kuna elektrolüüti ei kasutata protsessi käigus, siis seda on võimalik korduvkasutada. Akuelementides kasutatav membraan vananeb ning seetõttu piirab aku eluiga umbes 2000 laadimis-tühjenemis tsüklile. ZnBr akut tohib täiesti tühjaks laadida ning seda tüüpi akul puudub mäluefekt. Aku kasutegur on 75-80% ja võrreldes teiste läbivooluakudega kõige kõrgem energiatihedus. Neid kasutatakse peamiselt katkematu toiteallika rakendustes, koormuse juhtimisel, päikeseelektrijaamades, alajaamades ning ülekande- ja jaotusvõrkudes.

Akude laadimine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuna akud tühjenevad kasutamisel ja ka seismisel, tuleb akusid laadida. Akude keskmiseks isetühjenemine on umbes 1% päevas (20° C juures). Kõrgematel temperatuuridel see suureneb ning 0° juures ja madalamatel temperatuuridel peatub. Tavaliste akude ja uute kiirlaadimisakude laadimine toimub vooluga, mille tugevus on ligikaudu kümnendik tema nimimahutavusest. Kiirlaadimisakusid on lubatud laadida vooluga, mille väärtus on kahekordne aku nimimahutavusest. Kiirlaadimisaku, mis on rohkem kui nädala kasutamatult seisnud, tuleks soovitavalt esimest korda laadida normaalse vooluga.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kirjandus[muuda | redigeeri lähteteksti]

1. K. Lipp, 30. 05. 08, Mida peaks teadma patareidest ja akudest, http://www.bioneer.ee/eluviis/tarbimine/aid-491/Mida-peaks-teadma-patareidest-ja-akudest 11. detsember 2014

2. A. Rosin, S. Link, I. Drovtar, Energiasalvestid ja salvestustehnoloogiad, 2013, lk 19-26, http://www.energiatalgud.ee/img_auth.php/6/6b/Energia_lokaalse_tootmise_anal%C3%BC%C3%BCs_b%C3%BCroohoonele_Energiasalvestus_ja_salvestustehnoloogiad.pdf 11. detsember 2014

3. http://entsyklopeedia.ee/artikkel/akumulaator3 25. november 2014

4. http://home.roboticlab.eu/_media/et/abimaterjalid/akude_laadimine.pdf 11. detsember 2014

5. http://www.taastuvenergia.ee/aku-klassid.html 11. detsember 2014

6. http://www.taastuvenergia.ee/autonoomse-elektrisusteemi-akud.html 11. detsember 2014