Litiumioniakku aurinkopaneelijärjestelmän osana

Abstract

Litiumi on akkuteollisuudessa kiinnostavin alkuaine kahdesta syystä, jotka molemmat johtuvat sen paikasta alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä. Litiumi on kaikkein elektropositiivisin alkuaine ja samaan aikaan kolmanneksi kevein kaikista alkuaineista. Koska akkukennon kyky sitoa energia si-säänsä on suoraan riippuvainen kennojännitteeseen, litiumikenno saavuttaa poikkeuksellisen suuria energiatiheyksiä. Tiedeyhteisö ja akkuteollisuus alkoivat keskittyä litiumi-ioniakkuihin, kun alkoi käydä selväksi, että litiumimetalliakut ovat aivan liian epävakaita käytettäväksi turvallisesti. Litiumioni-kennojen turvallisuus suhteessa litiumimetalli johtuu siitä, että se ei sisällä ollenkaan metallista litiumia.

Tehtäessä tätä työtä kävi selväksi, että mitään järkeviä vertailuihin pohjautuvia ennusteita ei pystyt-täisi tekemään, koska valtaosa litiumioni valmistajista kieltäytyvät myymästä suurienergia-akkuja yk-sityishenkilöille. Tämä selkeästi osoittaa, että teollisuus ei itsekään usko heidän tuotteidensa olevan valmiita yksityishenkilöiden käytettäväksi. Myös se vähä tieto, mitä hinnoista oli saatavilla, selkeästi osoitti, että vaikka lyijyakku joudutaan uusimaan kolme kertaa litiumioniakun syklielinaikana, ei se siltikään pysty kilpailemaan lyijyakun kanssa kokonaiskustannuksissa. Tämä yhdessä sen kanssa, että akkuteollisuus pelkää yhden riittävän näyttävän julkisen akkupalon voivan tuhota koko alan, viittaa siihen, että litiumioniakut eivät valtaa aurinkoenergia markkinoita ainakaan seuraavaan kymmenen vuoden aikana.

Työn osana rakennettiin ohjausjärjestelmä kääntyvälle aurinkopaneelistolle, joka sijaitsee Savonia-AMK Varkauden kampuksen katolla. Aurinkopaneelijärjestelmään kuuluu neljä aurinkopaneelia, jotka on ryhmitetty kahden ryhmiksi. Kummallakin ryhmällä on oma tukirakenne, joka sisältää lineaaritoi-milaitteen, mikä kääntää paneeleja noin sadan asteen sektorissa, jonka halkaisija osoittaa etelään. Aurinkopaneelijärjestelmä kokonaisuudessaan voidaan jakaa kahteen osaan: sähköntuontantoon liit-tyviin järjestelmiin ja kääntömekanismiin liittyviin järjestelmiin. Itse ohjain perustuu Arduino mikro-kontrollorialustalle, johon on liitetty LCD näyttö ja 4x4 sähkömekaaninen näppäimistö käyttöliittymää varten. Ohjaimen perussuunnitteluajatuksena on paneeliryhmän kokonaiskääntökulman haluttuun määrään sektoreita ja liitetään jokaiseen vektoriin kellonaika jolloin siihen siirrytään. Aloittaen koko-naiskääntökulman idän puoleiselta sivulta aamulla, paneelit kääntyvät sektorista toiseen käyttäjän ohjelmoiman aika taulun mukaisesti kunnes saavutaan kokonaiskääntökulman lännen puoleiselle lai-dalle ja päivittäinen ohjelma päättyy.

Lithium is the element of choice for battery makers for two reasons which both derive from its location at the table of elements. Lithium is the most electropositive element in the entire table of elements and also the third lightest element overall. Since the amount of energy a cell can store is directly proportional to the cell voltage the lithium cell can reach some extremely high energy to weight ratios in battery cells. The scientific community and the industry started to focus on lithium-ion batteries when it became clear that lithium-metal batteries were far too unstable to use and no cure was in sight. The safety of lithium-ion cells when compared to lithium-metal comes from the fact that when properly working lithium-ion cell contains no metallic lithium.

During the thesis it became clear that no real comparison based predictions could be made because most of the lithium-ion manufacturers refuse to sell their large energy lithium-ion batteries to regular consumers. This clearly demonstrates that the industry itself doesn't believe its products are ready to be used by regular consumers. Also it is clear with what little data about prices could be found that even if lead -acid battery needs to be replaced 3 times during the lifetime of a lithium-ion battery the lithium-ion still can't compete in overall cost with lead-acid batteries. This with the industry’s fear of the stigma of ”death by fireball” suggests that lithium-ion won't take over this market in the next 10 years.

A control system was built for the turning solar panel array located at the top of the roof at Savonia University of Applied Sciences Varkaus campus. The solar panel array has four solar panels in groups of two. Each group has its separate support structure which includes a linear actuator which turns the panels in about 100 degrees angle facing south. The overall system could be divided into two halves: one dealing with power generation and the other one with the turning mechanism for the panels. The controller for the system is based on Arduino microcontroller board with LCD-display and 4x4 mechanical keyboard as physical user interface. The basic design relied on dividing the full turning angle to a group of smaller vectors and giving each vector a turning time when it can be entered. Starting from east side in the morning the panels would then turn from sector to sector according to the timetable given by the user until a full turn angle was spent, panels facing west side of the full turn angle and daily program was completed.