***** Testa laddbara batterier Kort version Ett laddbart batteri laddar man upp med energi från solceller eller från elnätet. Men får man tillbaka lika mycket energi som man stoppar in? Så här kan du göra Koppla sladdar från solcellerna in i energimätaren och från energimätaren ut till ett helt urladdat batteri. Plus till plus (röd) och minus till minus (svart) Ladda batteriet och mät energin. Koppla bort solcellerna. Koppla nu batteriet in i energimätaren. Ut från energimätaren skall strömmen gå genom ett motstånd. Kolla om du fick tillbaka all energi du laddat in. Hur många procent fick du tillbaka? Vad tror du händer med den energi du inte fick tillbaka? 1
***** Mera om Testa laddbara batterier Syfte Eleverna får tillfälle att upptäcka att den nyttiga energin minskar vid t.ex. lagring i ett batteri. Förkunskaper Man kan utföra experimentet efter instruktionerna med nästan inga förkunskaper. För naturvetarelever på gymnasium eller högskola kan kunskaper om elektrisk energi och samband med spänning, ström och tid fördjupa utbytet av experimentet. Kommentarer till experimenten Batteriet urladdas genom ett motstånd. Med för litet motstånd blir inre spänningsfallet stort och en stor del av energin avges som värme inne i batteriet, dvs. det får liten verkningsgrad. 100 ohm kan vara lagom för R6-batterier. Man bör ladda batteriet ganska fullt för att kunna jämföra in- och urladdning. Experimentet tardå flera timmar. Exempel: Batteri med kapaciteten 1300 mah = 1,3 Ah = 4680 As. Spänning 2,4 V nominellt (två batterier i serie). Energi 2,4*4680 Vas = 11232 Ws. Laddning: Batteriet laddades från spänningsaggregat med konstant spänning och ström: 3,0 V och 445 ma. Tid 8310 s. Uppmätt energi 11560 Ws. Urladdning: först i 100 ohm, 21-23 ma, spänning 2,80-2,55 V, pågår 18 h (65000 s), uppmätt 4235 Ws sedan i 20 ohm, 107-102 ma, 2,44-2,33 V. Efter 4 h har spänningen sjunkit till 0,30 V, 13 ma. Total energi 8917 Ws Verkningsgrad 8917/11560 = 77% Detta experiment tar alltså över 6 timmar (även om det till största delen sköter sig själv). Lämpligen bör man stoppa urladdningen vid spänningen 2,0 V, då batteriet är nästan odugligt. Därefter sjunker spänningen snabbt (se diagram nedan) 2
Snabbtest: Om man vill göra ett snabbtest kan man starta med helt urladdade batterier och ladda t.ex med c:a 400 ma (liten solcell i starkt solljus) under 3 minuter. Urladdningen görs i 20 ohm, vilket ger c:a 100 ma. Urladdning får fortgå tills spänningen sjunker till 1,0V per cell, dvs 2,0 V för de två cellerna som används. (Spänningen sjunker mycket snabbt därefter, se diagram) Resultat med upp- och urladdning tre gånger i följd: Tabell 1: Inladdad och urladdad energi vid test av laddbara batterier. Försök nr Inladdad energi / Ws Urladdad energi / Ws Verkningsgrad / % 1 220 66 30 2 201 104 52 3 200 130 65 Verkningsgraden tycks öka, vilket bör bero på kvarstående laddning från föregående mätning. Upp- och urladdning av R6-batterier Energi / Ws 300 200 100 0 0 200 400 600 Tid / s Urladdning Uppladdning Figur 1. Inladdad och urladdad energi vid test av laddbara batterier. Försök 3. 3
Upp- och urladdning av 2 R6 batterier Spänning / V 3 2 1 0 0 200 400 600 Tid / s urladdning uppladdning Figur 2. Batterispänning vid uppladdning och urladdning. Försök 3. Slutsatser Den nyttiga energin minskar vid upp- och urladdning av ett batteri. Verkningsgraden blir mindre än 100%. Den energi som inte kommer ut som nyttig elektrisk energi omvandlas till värme i resistansen i ledningar och i batteriet själv. Tillämpningar Laddningsbara batterier används i massor av apparater i hemmet mobiltelefoner, kameror, videokameror, rakapparater mm. Om batteriet laddas fullt och inte får ligga alltför länge (flera månader) före urladdning, kan verkningsgraden vara uppåt 80%. Det går alltså bra att lagra elenergi från t.ex. solceller på detta sätt. Det är vanligt att man gör det i små solcellsanläggningar för en fjällstuga, en fyr etc. Fördelarna är många: överskottsenergi från solcellen kan lagras och energin från solcellen kan utnyttjas maximalt. Batteriet kan ge ström även när solen inte lyser. Batteriet stabiliserar spänningen från solcellen och kan få solcellen att arbete med maximal verkningsgrad. Detta visas i andra experiment: Elförsörjning med solceller och Lagra elenergi. Denna utrustning behöver du Laddningsbara batterier, t. ex. 2 st 1,5 V NiMH-batterier, storlek R6 med hållare (Elmaterielfirma). Solceller (t.ex. Zenit ab läromedel nr 16-000500, 2 st seriekopplade). Energimätare (t.ex Zenit ab läromedel nr 16-001507). Motstånd t.ex. 20 ohm, gärna variabelt 0-100 ohm. (Experimentmaterielfirma) 4
Belysning: solen eller stark lampa (minst en halv meters avstånd till 500 W halogenlampa, risk för överhettning). Man kan också ladda batteriet från ett spänningsaggregat (experimentmaterielfirma). Litteratur Areskoug, Mats, Miljöfysik. Energi och klimat. 1999. ISBN 91-44-01114-8. Bl a solenergiutnyttjande, solfångare, solceller behandlas. Många experiment beskrivs. Grundläggande högskolenivå (eller fördjupning på gymnasiet). Bason Frank: Solstrålning, solceller, solenergi. SolData Publishing 2002. Teori, experiment och tillämpningar kring solceller. Gymnasienivå. På danska. Boysen, A. (red) Solsverige 1991, 92, 93, 94, 95, del 6. Larsons förlag, Box 3063, 18303 Täby. Informativa artiklar om solenergins möjligheter och aktuella läge. Gymnasienivå. Eckerman Pelle, Grähs Gunna. Solkatt, vindstrut och vattenhjul. Bonnier, Carlsen 1997. Idérik experimentbok för barn. Martin Green: Solceller. Från solceller till elektricitet. Svensk byggtjänst 2002. Solceller och solcellssystem. Tillämpningsexempel i bostadshus och i utvecklingsländer. Gymnasienivå. Weblänkar http://www.pvschools.net/public/pvschools.htm PV-school project. Skolor med solcellsinstallation beskrivs och data från elproduktionen ges. Ej tillgänglig 030919. http://www.soldata.dk/ SolData. Experiment på bl. a solceller. Försäljning av bra solceller och annan utrustning, samt experimentbeskrivningar och litteratur. Gymnasienivå. På danska. http://britneyspears.ac/basics.htm Solcellsteori. Från gymnasie- till avancerad högskolenivå. http://www.eere.energy.gov/pv/ US Depertment of Energy. Omfattande läromedel om hur solceller fungerar. Gymnasienivå. Mycket bra. På engelska. 5