KURŞUN-ASİT AKÜLER: KAPSAMLI TEKNİK REHBER

EKA SİSTEM | AKÜ TEKNOLOJİLERİ, ENERJİ DEPOLAMA VE ENDÜSTRİYEL GÜÇ SİSTEMLERİ

Kurşun-asit aküler, elektrik enerjisinin elektrokimyasal yöntemlerle depolanmasını sağlayan, şarj edilebilir ve endüstride uzun yıllardır kullanılan enerji depolama sistemleridir. Kesintisiz güç kaynaklarından (UPS) telekomünikasyon altyapılarına, enerji santrallerinden endüstriyel redresör sistemlerine, güvenlik uygulamalarından güneş enerjisi depolama çözümlerine kadar geniş bir kullanım alanına sahiptir.

Kurşun-asit akü teknolojisi; yüksek anlık akım sağlama kapasitesi, oturmuş üretim altyapısı, farklı kullanım senaryolarına uygun tasarımları, yaygın servis imkânları ve birçok uygulamada ekonomik yatırım maliyeti nedeniyle önemini korumaktadır.

Bununla birlikte, bir kurşun-asit akünün güvenilirliği yalnızca nominal kapasitesine bağlı değildir. Akü kimyası, elektrot yapısı, elektrolit teknolojisi, şarj karakteristiği, çalışma sıcaklığı, deşarj derinliği ve bakım koşulları, sistem performansını doğrudan etkiler.

Bu teknik rehberde kurşun-asit akülerin çalışma prensipleri, çeşitleri, elektriksel özellikleri, boyutlandırılması, şarj yöntemleri, kullanım ömürleri, bakım gereksinimleri ve arıza mekanizmaları mühendislik bakış açısıyla incelenmektedir.

1. Kurşun-asit akü nedir?

Kurşun-asit akü, pozitif ve negatif elektrotları arasında gerçekleşen tersinir kimyasal reaksiyonlarla elektrik enerjisini depolayan sekonder, yani tekrar şarj edilebilir bir batarya türüdür.

Temel bileşenleri şunlardır:

• Pozitif plaka: Kurşun dioksit (PbO₂)

• Negatif plaka: Süngerimsi kurşun (Pb)

• Elektrolit: Sülfürik asit (H₂SO₄) ve su

• Separatör: Pozitif ve negatif plakaları elektriksel olarak ayıran, iyon geçişine izin veren malzeme

• Hücre kabı: Kimyasal ve mekanik dayanım sağlayan muhafaza

• Akım toplayıcı ve kutup bağlantıları: Elektriksel iletimi sağlayan metalik bileşenler

• Havalandırma veya emniyet valfi: Akünün tasarımına göre gaz yönetimini sağlayan düzenek

1.1. Hücre gerilimi ve akü yapısı

Bir kurşun-asit hücresinin nominal gerilimi yaklaşık 2 V DC'dir. Tam dolu ve dinlenmiş bir hücrenin açık devre gerilimi ise sıcaklık ve elektrolit özelliklerine bağlı olarak genellikle 2,1 V civarındadır.

Seri bağlanan hücreler farklı nominal gerilim seviyelerini oluşturur.

110 V ve 220 V DC endüstriyel sistemlerde belirtilen değerler nominal gerilimlerdir. Gerçek çalışma ve şarj gerilimleri hücre sayısına, akü teknolojisine ve redresör ayarlarına göre değişir.

2. Kurşun-asit aküler nasıl çalışır?

Kurşun-asit akülerde elektriksel enerji ile kimyasal enerji arasında çift yönlü dönüşüm gerçekleşir.

2.1. Deşarj reaksiyonu

Akü bir elektrik yüküne bağlandığında pozitif ve negatif elektrotlarda kimyasal reaksiyonlar meydana gelir. Bu sırada her iki elektrotta da kurşun sülfat (PbSO₄) oluşur ve elektrolitteki sülfürik asit derişimi azalır.

Toplam deşarj reaksiyonu:

Deşarj sırasında:

• Negatif plaka kurşun sülfata dönüşür.

• Pozitif plaka kurşun sülfata dönüşür.

• Elektrolitteki sülfürik asit miktarı azalır.

• Elektrolitin yoğunluğu düşer.

• Akünün kullanılabilir enerjisi azalır.

2.2. Şarj reaksiyonu

Aküye uygun gerilim ve akımda haricî bir DC enerji kaynağı uygulandığında reaksiyon ters yönde gerçekleşir.

Şarj sırasında kurşun sülfat yeniden aktif plaka malzemelerine dönüşür ve elektrolitteki sülfürik asit derişimi artar.

Ancak bu dönüşüm her koşulda yüzde yüz verimli değildir. İç direnç kayıpları, yan reaksiyonlar, sıcaklık ve akünün yaşlanması nedeniyle şarj sırasında verilen enerjinin tamamı geri kazanılamaz.

3. Kurşun-asit akü çeşitleri

Kurşun-asit aküler başlıca elektrolitin fiziksel durumuna, plaka tasarımına ve kullanım amacına göre sınıflandırılır.

3.1. Sulu tip kurşun-asit aküler (Flooded / VLA)

Elektrolitin sıvı hâlde bulunduğu, uygun tasarımlarda elektrolit seviyesi ve yoğunluğunun ölçülebildiği akülerdir. Enerji santralleri, endüstriyel DC sistemler ve bazı çekiş uygulamalarında kullanılır. Tipine göre saf su ilavesi ve periyodik bakım gerekebilir.

3.2. AGM aküler (Absorbent Glass Mat)

Elektrolitin cam elyaf separatörlerde tutulduğu VRLA akülerdir. Düşük iç dirençleri ve yüksek akım verebilme kabiliyetleri nedeniyle UPS, haberleşme, alarm ve acil güç sistemlerinde yaygındır. Çeşitli tipleri yüksek güçlü kısa süreli deşarjlar için optimize edilir.

3.3. Jel aküler (GEL)

Elektrolitin silika katkılarıyla jel kıvamına getirildiği valf regülasyonlu akülerdir. Özellikle çevrimsel kullanımlar için geliştirilmiş modelleri bulunur. Güneş enerjisi sistemleri, karavanlar, mobil uygulamalar ve bazı endüstriyel enerji depolama sistemlerinde tercih edilir.

3.4. OPzV aküler

Tübüler pozitif plaka ve jel elektrolit teknolojisinin birlikte kullanıldığı endüstriyel akülerdir. Uzun süreli sabit tesis uygulamaları ve uygun modellerde çevrimsel enerji depolama için tasarlanır.

3.5. OPzS aküler

Sıvı elektrolitli, tübüler pozitif plakalı sabit tesis aküleridir. Uzun tasarım ömrü, dayanıklı plaka yapısı ve endüstriyel kullanıma uygunlukları nedeniyle enerji üretim tesislerinde, trafo merkezlerinde ve büyük DC güç sistemlerinde kullanılır.

3.6. AGM, GEL ve sulu tip akü karşılaştırması

Önemli: AGM, GEL veya sulu tip teknolojilerden biri bütün uygulamalarda diğerlerinden üstün değildir. Akü seçiminde üreticinin deşarj tabloları, çevrim ömrü, tasarım ömrü ve şarj koşulları birlikte değerlendirilmelidir.

Örneğin Victron Energy, belirli AGM ürünlerinde düşük iç direnci ve yüksek akımlı deşarj performansını; GEL ürünlerinde ise çevrimsel kullanım dayanımını öne çıkarmaktadır. Victron Energy+1

4. Kurşun-asit akülerin temel elektriksel parametreleri

Akü seçiminin doğru yapılabilmesi için kataloglarda belirtilen teknik değerlerin ne anlama geldiği bilinmelidir.

4.1. Nominal gerilim (V)

Nominal gerilim, akünün tanımlandığı standart elektriksel gerilim seviyesidir. Örneğin 12 V akü altı seri hücreden oluşur.

Nominal gerilim, akünün sürekli olarak tam 12 V üreteceği anlamına gelmez. Şarj, deşarj, sıcaklık ve yük akımına göre terminal gerilimi değişir.

4.2. Nominal kapasite (Ah)

Akünün belirli koşullarda sağlayabildiği elektrik yükü miktarıdır.

Burada:

• $Q$: Kapasite (Ah)

• $I$: Deşarj akımı (A)

• $t$: Deşarj süresi (saat)

Örneğin 100 Ah kapasiteli bir akü, kapasitesinin tanımlandığı koşullarda teorik olarak 20 saat boyunca 5 A akım sağlayabilir.

Ancak aynı akünün 100 A akımı bir saat boyunca sağlayabileceği varsayılamaz. Yüksek deşarj akımlarında kullanılabilir kapasite azalır.

4.3. C5, C10, C20 ve C100 kapasite değerleri

Akü kapasitesi belirli bir deşarj süresine göre tanımlanır.

Örneğin C20 değeri 100 Ah olan bir akünün C5 kapasitesi daha düşük olabilir.

Bu nedenle farklı akülerin kapasite değerleri karşılaştırılırken aynı deşarj süresi, sıcaklık ve deşarj sonu gerilimi esas alınmalıdır.

4.4. Deşarj sonu gerilimi (End Voltage)

Deşarj sonu gerilimi, üreticinin belirli bir deşarj koşulu için tanımladığı minimum terminal gerilimidir.

Örneğin 12 V bir akünün bazı deşarj testlerinde hücre başına 1,80 V sınırı kullanılması, toplamda 10,8 V anlamına gelir. Ancak yüksek akımlı ve kısa süreli UPS uygulamalarında üreticinin izin verdiği farklı son gerilim değerleri bulunabilir.

Deşarj sonu gerilimi bütün uygulamalar için sabit bir değer değildir. Deşarj süresi, akım, sıcaklık ve akü teknolojisi dikkate alınmalıdır.

4.5. İç direnç (Internal Resistance)

Akünün içerisindeki elektriksel ve elektrokimyasal süreçlerin akım geçişine gösterdiği toplam direnci temsil eder.

İç direnç, özellikle yüksek akımlı uygulamalarda kritik bir parametredir.

Basitleştirilmiş gerilim düşümü:

Örnek:

• Deşarj akımı: 100 A

• Akü iç direnci: 5 mΩ

Yük altında yalnızca iç direnç nedeniyle yaklaşık 0,5 V anlık gerilim düşümü oluşabilir. Gerçek terminal gerilimi ayrıca akünün şarj durumu, sıcaklığı ve elektrokimyasal kutuplaşmasından etkilenir.

İç direncin zamanla artması; yaşlanma, sülfatlaşma, bağlantı sorunları veya elektrolit kaybı gibi problemlere işaret edebilir.

4.6. Akü enerjisi (Wh)

Akünün nominal enerji içeriği yaklaşık olarak aşağıdaki formülle hesaplanabilir:

Örneğin:

Bu akünün nominal enerji değeri yaklaşık 1,2 kWh'dir.

Ancak tamamı her koşulda kullanılabilir değildir. Gerçek kullanılabilir enerji, deşarj hızı, son gerilim, akü sağlığı, sıcaklık ve sistem verimine bağlıdır.

5. Deşarj karakteristiği ve Peukert etkisi

Kurşun-asit akülerin kapasitesi, deşarj akımı arttıkça genellikle düşer. Bu davranış Peukert etkisiyle açıklanır.

Basitleştirilmiş Peukert bağıntısı:

Burada $k$, akünün deşarj karakteristiğine bağlı Peukert katsayısıdır. Birçok kurşun-asit akü için 1'den büyük olmakla birlikte kesin değer ürünün yapısına ve çalışma koşullarına bağlıdır.

Aynı aküde:

• Düşük akımda daha uzun süreli deşarj gerçekleşir.

• Yüksek akımda kullanılabilir kapasite azalır.

• Akü yaşlandıkça yüksek akım performansı bozulabilir.

• Düşük sıcaklıklarda kapasite düşüşü daha belirgin olabilir.

Gerçek katalog örneği: Deşarj süresinin kapasiteye etkisi

Victron AGM Deep Cycle akülerinin yayımlanmış teknik verilerinde 20 saatlik kapasite %100 kabul edildiğinde, deşarj süresi kısaldıkça kullanılabilir kapasitenin azaldığı görülmektedir.

• 20 saat: Referans kapasitenin yüzdesi 100%
• 10 saat: Referans kapasitenin yüzdesi 92%
• 5 saat: Referans kapasitenin yüzdesi 85%
• 3 saat: Referans kapasitenin yüzdesi 78%
• 1 saat: Referans kapasitenin yüzdesi 65%
• 30 dk: Referans kapasitenin yüzdesi 55%
• 10 dk: Referans kapasitenin yüzdesi 38%

Kaynak: Victron Energy AGM Deep Cycle teknik verileri. Üreticinin belirttiği deşarj sonu gerilimleri süreye göre değişmektedir.

UPS sistemleri için neden önemlidir?

UPS sistemlerinde aküler çoğunlukla 5, 10, 15 veya 30 dakika gibi kısa süreli, yüksek güç taleplerine maruz kalır.

Böyle bir uygulamada yalnızca Ah kapasitesine göre hesaplama yapmak hatalı seçimle sonuçlanabilir.

Doğru boyutlandırmada üreticinin:

• Sabit güç deşarj tablosu (W/hücre)

• Sabit akım deşarj tablosu (A)

• Deşarj sonu gerilimi

• Çalışma sıcaklığı

• Akü yaşlanma faktörü

birlikte incelenmelidir.

Özellikle UPS sistemlerinde W/hücre (W/cell) tablosuna göre hesaplama, nominal Ah kapasitesi üzerinden yapılan basit hesaplamadan çok daha güvenilirdir.

6. Kurşun-asit aküler nasıl şarj edilir?

Doğru şarj yöntemi, akü performansını ve servis ömrünü belirleyen en önemli faktörlerden biridir.

Yetersiz şarj sülfatlaşmayı hızlandırırken aşırı şarj pozitif plaka korozyonu, gaz oluşumu, su kaybı ve sıcaklık artışına neden olabilir.

6.1. Üç aşamalı şarj yöntemi

Gerilim (temsili)

Akım (temsili)

Aşama 1 — Bulk (sabit akım): Aküye şarj cihazının ve üreticinin izin verdiği sınırlar içinde kontrollü akım verilir. Terminal gerilimi hedef absorpsiyon seviyesine kadar yükselir.

Aşama 2 — Absorption (sabit gerilim): Gerilim belirlenen seviyede tutulurken akünün kabul ettiği şarj akımı azalır. Bu aşama akünün tam şarja yaklaşmasını sağlar.

Aşama 3 — Float (tampon şarj): Akü şarjını korumak amacıyla daha düşük bir gerilimde tutulur. UPS, redresör ve endüstriyel DC sistemlerin çoğunda bu çalışma yöntemi kullanılır.

6.2. AGM ve GEL için örnek şarj gerilimleri

Aşağıdaki değerler, Victron Energy'nin belirli AGM ve GEL Deep Cycle ürünleri için yayımladığı 12 V akü şarj değerleridir.

Bu değerlerden hareketle bütün AGM akülere 14,6 V veya bütün GEL akülere 14,4 V uygulanması doğru değildir.

Üreticinin teknik dokümanında belirtilen şarj gerilimleri esas alınmalıdır.

6.3. Float şarjı ve equalize şarjı

Float şarjı, akünün sürekli hazır durumda tutulmasını sağlar. Endüstriyel DC sistemlerde redresör normal çalışma sırasında hem yükleri besler hem de akünün şarj durumunu korur.

Equalize şarjı, uygun akü tiplerinde hücreler arasındaki şarj dengesizliklerinin giderilmesine yönelik kontrollü bir işlemdir. Özellikle bazı sulu tip akülerde uygulanır.

VRLA akülerde üreticinin açıkça izin vermediği yüksek gerilimli eşitleme şarjı uygulanmamalıdır. Aşırı şarj nedeniyle meydana gelen gaz tahliyesi, geri kazanılamayan elektrolit kaybına yol açabilir.

6.4. Şarj akımı nasıl belirlenir?

Şarj akımı, akü kapasitesine ve ürünün kabul edebildiği akıma göre seçilir.

Örnek olarak 100 Ah kapasiteli bir akü için 0,1C şarj akımı:

Victron'un ilgili VRLA ürünleri için tercih edilen şarj akımı üst sınırı 0,2C olarak belirtilmiştir. Bu değer bütün kurşun-asit aküler için evrensel bir limit değildir. victronenergy.com

Redresör seçilirken akü şarj akımına ek olarak sürekli yük akımı da dikkate alınmalıdır.

Bu bağıntı ilk kapasite hesabını verir. Nihai seçimde yedeklilik, arıza senaryosu, şarj süresi, sıcaklık ve üreticinin akım sınırlamaları değerlendirilir.

7. Sıcaklığın akü kapasitesine ve ömrüne etkisi

Kurşun-asit akülerin çalışma sıcaklığı, hem performansını hem de ömrünü doğrudan etkiler.

Düşük sıcaklıklar deşarj kapasitesini azaltırken yüksek sıcaklıklar elektrokimyasal yaşlanmayı hızlandırır.

7.1. Sıcaklık ve servis ömrü

Aşağıdaki örnek, Victron AGM ve GEL Deep Cycle akülerin float çalışma koşullarındaki yayımlanmış tasarım ömrü verileridir.

• 20°C: AGM (yıl) 10, GEL (yıl) 12
• 30°C: AGM (yıl) 4, GEL (yıl) 6
• 40°C: AGM (yıl) 2, GEL (yıl) 3

Kaynak: Victron Energy AGM/GEL veri sayfası; float çalışma koşulları. 20°C AGM değeri 7–10 yıl aralığındadır; grafikte üst sınır gösterilmiştir.

20°C'de 12 yıl tasarım ömrü belirtilen örnek bir GEL akünün 40°C'deki beklenen tasarım ömrü yalnızca 3 yıl olarak verilmektedir. victronenergy.com

Bu nedenle özellikle UPS akü odalarında sıcaklığın kontrol altında tutulması kritik önem taşır.

7.2. Sıcaklık kompanzasyonu

Şarj gerilimi sıcaklığa göre düzeltilmelidir. Sıcaklık yükseldiğinde şarj gerilimi düşürülür; sıcaklık azaldığında uygun sınırlar içinde artırılır.

Örnek kompanzasyon bağıntısı:

Burada:

• $V_T$: Akü sıcaklığındaki hedef gerilim

• $V_{25}$: 25°C'deki referans gerilim

• $n$: Seri hücre sayısı

• $\alpha$: Hücre başına sıcaklık katsayısı (V/°C)

• $T$: Akü sıcaklığı (°C)

Kurşun-asit aküler için bazı kaynaklarda –3 mV/hücre/°C, bazı üreticilerde –4 mV/hücre/°C değerleri kullanılır. BU-403: Charging Lead Acid+1

Örnek: 110 V DC akü grubunda sıcaklık kompanzasyonu

55 hücreli bir sistemde 25°C float geriliminin hücre başına 2,27 V olarak seçildiğini ve kompanzasyon katsayısının –3 mV/hücre/°C olduğunu varsayalım.

İnteraktif sıcaklık kompanzasyonu hesaplayıcısı

35°C

25°C referans gerilimi

124,85 V

Hesaplanan float gerilimi

123,20 V

8. Kurşun-asit akülerde çevrim ömrü ve deşarj derinliği

Akülerin kullanım ömrü, yalnızca takvim yılı ile değerlendirilmez. Şarj ve deşarj döngüleri de akünün yaşlanmasına neden olur.

DOD (Depth of Discharge) akü kapasitesinin ne kadarının deşarj edildiğini ifade eder.

Örneğin 100 Ah kapasiteli bir aküden 50 Ah çekilmesi, kapasite referansı değişmediği varsayımıyla %50 deşarj derinliğine karşılık gelir.

Genel olarak deşarj derinliği arttıkça dayanılabilen çevrim sayısı azalır.

Üretici verileriyle çevrim ömrü karşılaştırması

Bu tablo, güneş enerjisi ve sık şarj-deşarj yapılan uygulamalarda doğru akü teknolojisinin seçilmesinin neden önemli olduğunu gösterir.

Buna karşılık UPS uygulamalarında aküler çoğu zaman sürekli float şarjında bekler ve kesinti sırasında kısa süreli yüksek akımla deşarj olur. Bu durumda takvim ömrü, sıcaklık ve yüksek güçlü deşarj performansı öncelik kazanır.

9. Kurşun-asit akülerin başlıca arıza mekanizmaları

9.1. Sülfatlaşma (Sulfation)

Deşarj sırasında kurşun sülfat oluşması normaldir. Ancak akünün uzun süre düşük şarj seviyesinde tutulması, kurşun sülfatın daha zor geri dönüştürülebilen kristal yapılar oluşturmasına neden olabilir.

Belirtileri:

• Kullanılabilir kapasitenin azalması

• Şarj kabulünün bozulması

• Deşarj süresinin kısalması

• İç direnç artışı

• Şarj sırasında anormal gerilim davranışı

Sülfatlaşmanın önlenmesinde doğru şarj ve depolama prosedürleri önemlidir. İleri derecede sülfatlaşmış akülerin tamamen geri kazanılacağı garanti edilemez. Battery University

9.2. Plaka korozyonu

Özellikle pozitif plaka ızgaralarında görülen korozyon, akünün zamanla kapasite kaybetmesine neden olabilir.

Yüksek sıcaklık ve uygunsuz şarj gerilimi korozyon hızını artıran etkenlerdir.

9.3. Termal kaçak (Thermal Runaway)

Bazı koşullarda artan akü sıcaklığı şarj akımını ve ısı üretimini artırabilir. Artan ısı, durumu daha da ağırlaştırarak kontrolsüz bir sürece yol açabilir.

VRLA akülerde ciddi bir güvenlik riskidir.

Koruma için doğru şarj gerilimi, sıcaklık ölçümü, akım sınırlaması ve uygun havalandırma önemlidir.

9.4. Elektrolit kaybı ve kuruma

Özellikle aşırı şarj edilen VRLA akülerde emniyet valflerinden gaz çıkışı meydana gelebilir. Kaybedilen su normal kullanımda yeniden tamamlanamaz.

Bu durum iç direnç yükselmesi ve kapasite azalmasıyla sonuçlanabilir.

9.5. Hücre kısa devresi

Plaka deformasyonu, aktif malzeme dökülmesi, separatör hasarı veya diğer iç arızalar hücre kısa devresine yol açabilir.

Seri akü gruplarında tek bir hücre arızası tüm sistem performansını etkileyebilir.

9.6. Bağlantı problemleri

Gevşek, oksitlenmiş veya yanlış torkla sıkılmış kutup bağlantıları yüksek temas direncine neden olabilir.

Bu durum:

• Lokal ısınma

• Gerilim düşümü

• Enerji kaybı

• Yangın riski

• Akü grupları arasında dengesizlik

gibi sorunlar oluşturabilir.

10. Akü kapasitesi nasıl hesaplanır?

Kurşun-asit akü sistemlerinin doğru boyutlandırılması; yük gücü, sistem gerilimi, istenen yedekleme süresi, deşarj karakteristiği, sıcaklık ve yaşlanma payı dikkate alınarak yapılmalıdır.

10.1. Temel kapasite hesabı

Sabit akım çeken bir DC yük için ilk yaklaşım:

Örneğin:

• Sistem gerilimi: 48 V DC

• Yük akımı: 20 A

• İstenen yedekleme süresi: 5 saat

Bu yalnızca ideal kapasite hesabıdır. Gerçekte 100 Ah değerine sıcaklık, yaşlanma, kapasitenin tanımlandığı deşarj süresi ve son gerilim gibi faktörler uygulanmalıdır.

10.2. Mühendislik düzeltmeleri

İlk ön boyutlandırma için şu yaklaşım kullanılabilir:

Burada:

• $K_a$: Yaşlanma faktörü

• $K_d$: Deşarj hızı ve kullanılabilir kapasite düzeltme faktörü

• $K_T$: Sıcaklıkta kullanılabilir kapasite katsayısı

Bu formül bir ön seçim yöntemidir. Nihai hesaplamada akünün üretici tarafından yayımlanan sabit akım veya sabit güç deşarj verileri kullanılmalıdır. Katsayılar birbirini mükerrer karşılamamalıdır.

10.3. Örnek: 48 V DC sistem

Aşağıdaki hesabı tamamen varsayımsal katsayılarla gerçekleştirelim:

Bu örnekte 153 Ah ön kapasite elde edilir. Ancak seçim doğrudan 150 Ah veya 160 Ah akü olarak kesinleştirilemez. Aday ürünlerin gerçek deşarj tabloları kontrol edilmelidir.

10.4. İnteraktif ön kapasite hesaplayıcısı

DC akü kapasitesi ön hesaplama aracı

Hesaplanan ön kapasite

152,8 Ah

Üst tam sayı: 153 Ah

11. UPS uygulamalarında akü seçimi

UPS sistemlerinde akü seçiminin temel amacı, şebeke enerjisi kesildiğinde kritik yüklerin belirlenen süre boyunca çalışmasını sağlamaktır.

Özellikle yüksek güçte çalışan online UPS sistemlerinde aküler kısa sürede yüksek miktarda enerji sağlamalıdır.

11.1. UPS akü kapasitesini etkileyen parametreler

• UPS çıkışındaki aktif yük gücü (kW)

• İnverter verimi

• DC bara gerilim aralığı

• Seri akü sayısı

• Paralel akü grubu sayısı

• Gerekli yedekleme süresi

• Üreticinin W/hücre deşarj verileri

• Akülerin çalışma sıcaklığı

• Yaşlanma ve performans payı

11.2. UPS için örnek hesaplama

10 kW çıkış yükü bulunan bir UPS sistemi düşünelim.

Varsayımlar:

• Aktif yük: 10.000 W

• İnverter verimi: %92

• Seri hücre sayısı: 192

• Yedekleme süresi: 15 dakika

• Paralel kol sayısı: 1

Akülerden talep edilen yaklaşık DC güç:

Hücre başına güç:

Bu sonuç, her hücrenin nominal koşullar altında yaklaşık 56,6 W gücü karşılaması gerektiğini gösteren ilk değerdir.

Bir sonraki aşamada 15 dakikalık deşarj süresi için üreticinin W/hücre tablosu incelenmelidir. İnverterin gerçek DC çalışma aralığı, deşarj sonu gerilimi, sıcaklık ve yaşlanma payı ayrıca hesaba katılmalıdır.

Mühendislik açısından önemli nokta: UPS akülerinin seçimi yalnızca Ah değerine göre değil, belirli süre ve son gerilimde sağlayabildiği güç kapasitesine göre yapılmalıdır.

12. Endüstriyel redresör sistemlerinde akü seçimi

Endüstriyel DC güç sistemlerinde aküler, yüklerin şebeke kesintileri sırasında enerjisiz kalmamasını sağlar.

Bu sistemler özellikle aşağıdaki alanlarda kullanılır:

• Elektrik üretim santralleri

• Trafo merkezleri ve şalt tesisleri

• Koruma ve kumanda sistemleri

• DC motor ve açma-kapama mekanizmaları

• Petrol, gaz ve petrokimya tesisleri

• Endüstriyel otomasyon ve kontrol sistemleri

12.1. Redresör ve akü birlikte nasıl çalışır?

Normal işletmede redresör, AC enerjiyi DC enerjiye dönüştürerek yükleri besler ve akü grubunun şarj durumunu korur.

Şebeke enerjisi kesildiğinde akü grubu DC yükleri kesintisiz olarak beslemeye devam eder.

Şebeke geri geldiğinde redresör yeniden yükü beslerken akünün şarjını tamamlar.

12.2. DC yük profili neden önemlidir?

Endüstriyel sistemlerde yük tüketimi her zaman sabit değildir.

Örneğin 110 V DC bir koruma-kumanda sisteminde:

• Sürekli yükler 10 A çekebilir.

• Alarm ve kumanda yükleri belirli süre çalışabilir.

• Kesici açma veya kapama bobinleri kısa süreli yüksek akım talep edebilir.

• Birden fazla kesici operasyonu arka arkaya gerçekleşebilir.

Bu nedenle endüstriyel akü kapasitesi hesaplarında zaman dilimlerine ayrılmış yük profili kullanılmalıdır.

Doğru mühendislik hesabı, sürekli yüklerin toplam tüketimi yanında anlık operasyon akımlarının, operasyon sıralamasının ve minimum sistem geriliminin değerlendirilmesini gerektirir.

13. Seri ve paralel akü bağlantıları

13.1. Seri bağlantı

Seri bağlantıda akülerin gerilimleri toplanır, Ah kapasitesi ise ideal olarak değişmez.

Örnek:

Dört adet 12 V 100 Ah akü seri bağlandığında nominal olarak:

elde edilir.

13.2. Paralel bağlantı

Paralel bağlantıda nominal gerilim değişmez, kapasite toplanır.

Örneğin dört adet 12 V 100 Ah akünün paralel bağlanmasıyla nominal 12 V 400 Ah kapasite elde edilir.

Paralel gruplarda eşit akım dağılımı önemlidir. Bağlantı kablolarının uzunluğu ve kesiti, temas dirençleri, akülerin yaşı ve iç dirençleri dikkate alınmalıdır.

Özellikle yüksek kapasiteli sistemlerde her paralel kol için uygun DC kısa devre ve aşırı akım koruması değerlendirilmelidir.

13.3. Farklı yaş ve kapasitedeki aküler birlikte kullanılabilir mi?

Genel mühendislik yaklaşımı olarak farklı marka, yaş, kapasite veya teknolojideki akülerin aynı seri grupta karıştırılmasından kaçınılmalıdır.

Böyle bir bağlantı:

• Hücreler arası dengesizliğe

• Şarj ve deşarj performansı farklılıklarına

• Bazı akülerin aşırı zorlanmasına

• Toplam sistem kapasitesinin düşmesine

neden olabilir.

Yeni ve eski akülerin birlikte kullanılması ancak üretici onayı, teknik değerlendirme ve uygun testlerle ele alınmalıdır.

14. Akü bakım ve periyodik kontrol işlemleri

Kurşun-asit akülerde bakım ihtiyacı teknolojiye göre değişmekle birlikte tüm akü sistemlerinin belirli aralıklarla izlenmesi gerekir.

VRLA akülerde su ilavesinin yapılmaması, bu akülerin hiçbir bakım veya kontrol gerektirmediği anlamına gelmez.

14.1. Görsel kontroller

• Akü kabında şişme, çatlama veya deformasyon

• Elektrolit sızıntısı

• Kutup başlarında oksitlenme

• Kablo bağlantılarında gevşeme

• Raf ve mekanik bağlantıların durumu

• Ortam sıcaklığı ve havalandırma

• Akü etiketleri ve kimlik bilgileri

14.2. Elektriksel kontroller

• Toplam akü grubu gerilimi

• Hücre veya monoblok gerilimleri

• Float şarj gerilimi

• Şarj akımı

• DC dalgalanma (ripple) bileşenleri

• Hücre iç direnci veya iletkenliği

• Bağlantı dirençleri

• Sıcaklık dağılımı

14.3. Sulu tip akülerde ilave kontroller

Sulu akülerde, üreticinin izin verdiği bakım prosedürlerine göre elektrolit seviyesi ve özgül ağırlığı izlenebilir.

Saf su ilavesi yalnızca uygun akü tiplerinde, üreticinin talimatlarına göre gerçekleştirilmelidir.

VRLA AGM veya GEL aküler açılarak su ilavesi yapılmamalıdır.

14.4. Örnek bakım programı

Aşağıdaki plan genel bir teknik örnektir. Kesin periyotlar akü üreticisinin talimatlarına, tesis kritikliğine ve geçerli standarda göre oluşturulmalıdır.

İç direnç ölçümlerinde tek bir mutlak sınırdan ziyade üretici referansı, ilk devreye alma verileri ve zaman içindeki değişim eğilimi önemlidir.

15. Akü kapasite testi nasıl yapılır?

Kapasite testi, akünün belirlenen koşullarda ne kadar enerji veya elektrik yükü sağlayabildiğini ölçmek amacıyla yapılan kontrollü deşarj işlemidir.

15.1. Test aşamaları

1. Akü teknolojisinin, nominal kapasitesinin ve üretici test koşullarının doğrulanması
2. Akünün uygun prosedürle tam şarja getirilmesi
3. Test yükü, deşarj süresi ve son gerilimin belirlenmesi
4. Kalibre edilmiş uygun test cihazlarıyla kontrollü deşarj yapılması
5. Gerilim, akım, sıcaklık ve süre kayıtlarının tutulması
6. Testin üretici limitlerinde sonlandırılması ve akünün yeniden şarj edilmesi
7. Ölçümlerin sıcaklık ve test prosedürü şartlarına göre düzeltilerek değerlendirilmesi

15.2. Kapasite yüzdesi nasıl yorumlanır?

Uygun test ve düzeltme koşullarında:

Örneğin, referans kapasitesi 100 Ah ve düzeltilmiş ölçüm kapasitesi 82 Ah olan bir aküde:

sonucu elde edilir.

Birçok sabit tesis uygulamasında nominal kapasitenin %80 seviyesine yaklaşılması önemli bir değerlendirme ve değiştirme planlama göstergesidir. Ancak bu eşik bütün aküler için tek başına yeterli bir değiştirme kriteri değildir.

IEEE 1188-2025, VRLA sabit tesis akülerinin bakım, test ve değiştirme değerlendirmelerini; IEEE 450-2020 ise havalandırmalı sabit tesis kurşun-asit akülerini kapsamaktadır. IEEE 1188-2025+1

Kritik uyarı: Çalışmakta olan koruma sistemlerinde, enerji santrallerinde ve kritik UPS tesislerinde kapasite testi, yedek enerji sürekliliği güvence altına alınmadan yapılmamalıdır.

16. Akü iç direnç testi ile kapasite testi aynı şey midir?

Hayır. İki test farklı amaçlara hizmet eder.

İç direnç ölçümü, arızalanma eğiliminde olan akülerin erken tespitine yardımcı olur. Ancak iç direnci normal görünen bir akünün gerekli deşarj süresini mutlaka karşılayacağı varsayılamaz.

Kritik uygulamalarda iç direnç, sıcaklık, gerilim ve kapasite testleri birbirini tamamlayan yöntemler olarak değerlendirilmelidir.

17. Akülerin depolanması ve raf ömrü

Kurşun-asit aküler kullanılmadıkları dönemlerde de kendi kendine deşarj olur.

Bu oran:

• Akü teknolojisine

• Üretim kalitesine

• Şarj durumuna

• Depolama sıcaklığına

• Depolama süresine

bağlı olarak değişir.

Örneğin Victron, ilgili VRLA ürünlerinde 20°C'de aylık kendi kendine deşarj oranını %2'nin altında belirtmektedir. Ancak bu değer bütün aküler için geçerli değildir. victronenergy.com

Depolamada dikkat edilmesi gerekenler:

• Aküler mümkün olduğunca serin, kuru ve uygun havalandırmalı ortamda tutulmalıdır.

• Akünün depolamaya uygun şarj seviyesi sağlanmalıdır.

• Üreticinin belirttiği azami depolama ve yeniden şarj süreleri takip edilmelidir.

• Aküler uzun süre düşük şarj seviyesinde bırakılmamalıdır.

• Depolama sırasında şişme, sızıntı veya aşırı sıcaklık belirtileri kontrol edilmelidir.

Uzun süre düşük şarj seviyesinde depolanan akülerde geri dönüşü zor kapasite kayıpları oluşabilir.

18. Kurşun-asit akülerde güvenlik

Kurşun-asit aküler kimyasal, elektriksel ve mekanik riskler barındıran enerji depolama ekipmanlarıdır.

Özellikle yüksek kapasiteli endüstriyel akü gruplarında kısa devre enerjisi çok yüksek olabilir.

18.1. Hidrojen gazı oluşumu

Kurşun-asit akülerin şarjı sırasında hidrojen ve oksijen gazı oluşabilir.

Hidrojen uygun konsantrasyonlarda hava ile patlayıcı karışım oluşturabilir. Dolayısıyla akü odalarının havalandırılması, elektriksel ekipman seçimi ve ateşleme kaynaklarının kontrolü önemlidir.

VRLA aküler normal koşullarda gazların önemli bir bölümünü hücre içerisinde yeniden birleştirse de bunlar tamamen gaz çıkarmayan aküler değildir.

18.2. Sülfürik asit tehlikesi

Sulu tip akülerde elektrolit, ciddi kimyasal yanıklara yol açabilen sülfürik asit içerir.

Bakım personelinin uygun kişisel koruyucu donanım kullanması, dökülme ve göz teması gibi olaylar için acil müdahale düzenlemelerinin bulunması gerekir.

18.3. DC kısa devre tehlikesi

Büyük akü gruplarında çok yüksek kısa devre akımları oluşabilir.

Bu nedenle:

• Uygun DC sigorta ve devre kesiciler kullanılmalıdır.

• Koruma ekipmanları DC gerilim ve kesme kapasitesine uygun olmalıdır.

• Enerjili bölümlerde uygun yalıtımlı ekipman kullanılmalıdır.

• Bakım sırasında ark ve kısa devre riskleri değerlendirilmelidir.

• Kutuplar ve açık iletken bölümler kazara temasa karşı korunmalıdır.

18.4. Akü odası ve havalandırma tasarımı

Endüstriyel akü odalarının tasarımında IEC 62485-2 standardı önemli bir referanstır.

Bu standart sabit tesis akülerinde elektriksel tehlikeler, gaz emisyonu ve elektrolitten kaynaklanan risklerle ilgili güvenlik gereksinimlerini kapsar. IEC

Gerekli havalandırma debisi; akü sayısı, şarj akımı, akü teknolojisi, olası gaz üretimi ve ilgili hesap koşullarına göre belirlenmelidir.

Sadece akü odasının hacmine bakılarak güvenli havalandırma kapasitesi belirlendiği varsayılmamalıdır.

19. Akü seçiminde dikkate alınması gereken standartlar

Kurşun-asit akülerin tasarım, test, kurulum ve bakım süreçlerinde çeşitli uluslararası standartlardan yararlanılır.

Örnek standart kaynakları: IEC+4

Bir ürünün herhangi bir standarda uygun olarak tasarlanması veya test edilmiş olması, diğer bütün standartları da karşıladığı anlamına gelmez. Projeye özgü teknik şartname, güncel standardın kapsamı ve üreticinin uygunluk belgeleri birlikte incelenmelidir.

20. Kurşun-asit aküler ile lityum akülerin karşılaştırılması

Son yıllarda lityum tabanlı akü sistemlerinin yaygınlaşması, kurşun-asit teknolojilerinin uygulama bazında yeniden değerlendirilmesini gerekli kılmıştır.

Kurşun-asit aküler, özellikle şebeke yedeği olarak uzun süre float durumunda bekleyen ve seyrek deşarj edilen birçok endüstriyel sistemde ekonomik bir seçenek olmaya devam etmektedir.

Buna karşılık yüksek çevrim sayısı, düşük ağırlık, yüksek enerji yoğunluğu ve hızlı şarj gerektiren projelerde lityum tabanlı çözümler avantaj sağlayabilir.

Teknoloji seçimi yalnızca ilk yatırım maliyetine göre değil, toplam sahip olma maliyeti (TCO), kullanım profili, güvenlik, bakım ve beklenen servis ömrüne göre yapılmalıdır.

21. Kurşun-asit aküler hakkında sık sorulan sorular

Kurşun-asit akülerin ömrü kaç yıldır?

Ürün teknolojisine ve tasarımına göre değişir. Bazı VRLA aküler 3–5 yıllık, bazı endüstriyel modeller 10–12 yıllık veya daha uzun tasarım ömrü sınıflarında bulunabilir. Gerçek kullanım ömrü sıcaklık, şarj koşulları ve deşarj çevrimlerinden etkilenir.

AGM akü ile jel akü arasındaki fark nedir?

AGM aküler elektroliti cam elyaf separatörlerde tutarken jel akülerde elektrolit jel kıvamındadır. AGM aküler yüksek akımlı UPS uygulamalarında, çevrimsel kullanıma uygun GEL aküler ise bazı enerji depolama uygulamalarında avantaj sağlayabilir.

12 V kurşun-asit akü kaç volt ile şarj edilir?

Ürün tipine ve sıcaklığa bağlıdır. Örneğin belirli AGM ürünlerinde 14,2–14,6 V absorpsiyon ve 13,5–13,8 V float gerilimleri kullanılabilir. Kesin ayar için üretici dokümanı esas alınmalıdır.

Akü tamamen boşalırsa tekrar kullanılabilir mi?

Bazı aküler derin deşarj sonrasında yeniden şarj edilebilir. Ancak uzun süre düşük şarj seviyesinde kalmış akülerde sülfatlaşma ve kalıcı kapasite kaybı oluşabilir. Yeniden şarj ve değerlendirme işlemi üreticinin güvenli prosedürlerine göre yapılmalıdır.

UPS aküsünün sağlam olduğu nasıl anlaşılır?

Yalnızca terminal gerilimi ölçülerek kesin karar verilemez. Görsel kontrol, sıcaklık, iç direnç, bağlantı durumu ve uygun kapasite veya yük testleri birlikte değerlendirilmelidir.

Akünün amper-saat kapasitesi artırılabilir mi?

Akünün kendi nominal kapasitesi dışarıdan artırılamaz. Ancak sistemde uygun özellikli akülerle paralel grup oluşturularak toplam nominal kapasite artırılabilir. Bu işlemin şarj cihazı, koruma sistemi ve bağlantılarla uyumlu olması gerekir.

AGM ve GEL akülere saf su eklenebilir mi?

Hayır. Normal bakımda VRLA AGM ve GEL aküler açılarak su ilavesi yapılmaz.

Aküleri sürekli şarjda tutmak zararlı mıdır?

Akü türüne uygun bir float şarj sisteminde sürekli bağlı tutulmaları normaldir. Ancak hatalı şarj gerilimi, yüksek sıcaklık veya aşırı dalgalanma akünün ömrünü azaltabilir.

Aküler neden şişer?

Aşırı şarj, yüksek sıcaklık, iç arızalar ve aşırı gaz oluşumu gibi sebepler gövde deformasyonuna neden olabilir. Şişmiş bir akü güvenlik riski açısından değerlendirilmelidir; kullanılmaya devam edilmesi önerilmez.

Akülerin iç direnç değeri ne olmalıdır?

Bütün aküler için tek bir doğru iç direnç değeri yoktur. Kapasite, tasarım, yaş, sıcaklık ve üretici özelliklerine göre değişir. Referans değerlerle ve geçmiş ölçümlerle karşılaştırılmalıdır.

22. EKA Sistem ile akü sistemlerinde mühendislik çözümleri

Kurşun-asit aküler, kritik güç altyapılarının güvenilir çalışmasında temel bileşenlerden biridir. Ancak doğru akü teknolojisinin seçilmesi, sistem performansının yalnızca ilk aşamasıdır.

Akü gruplarının teknik şartnamelere uygun boyutlandırılması, doğru redresör ve UPS sistemleriyle entegrasyonu, şarj parametrelerinin belirlenmesi, uygun koruma ekipmanlarının seçilmesi ve periyodik testlerinin gerçekleştirilmesi sistem güvenilirliğini doğrudan etkiler.

EKA Sistem, endüstriyel aküler, redresörler ve kesintisiz güç sistemleri alanındaki mühendislik ve teknik servis çalışmaları kapsamında işletmelerin enerji sürekliliği ihtiyaçlarına yönelik çözümler sunar.

Proje ihtiyaçlarına göre akü teknolojisinin değerlendirilmesi, kapasite hesaplamaları, sistem tasarımı, devreye alma ve bakım süreçlerinin birlikte ele alınması; uzun vadede daha güvenilir, sürdürülebilir ve ekonomik enerji altyapılarının oluşturulmasına yardımcı olur.

Teknik bilgi ve proje desteği: EKA Sistem web sitesini ziyaret edin.

23. Teknik kaynaklar ve ileri okuma

Bu rehberdeki teknik parametrelerin doğrulanmasında başvurulan temel kaynaklar:

1. Teknik föyü görüntüle · PDF

2. Battery University — Charging Lead Acid

3. Battery University — Sulfation and How to Prevent It

4. IEC 62485-2 — Stationary Battery Safety

5. IEEE 1188-2025 — VRLA Battery Maintenance and Testing

6. IEEE 450-2020 — Vented Lead-Acid Battery Maintenance

Bu dokümanda verilen sayısal örnekler, ürün seçimi veya sahada şarj ayarı için tek başına talimat niteliğinde değildir. Nihai tasarımda ilgili üreticinin güncel teknik kataloğu ve uygulamaya yönelik standartlar kullanılmalıdır.