بحران انرژی در کامپیوترهای قابل حمل

وقتی Dave Saltzman قصد دارد به سفر تجاری برود باتری اصلی نوت‌بوک را شارژ نموده و با برداشتن درایو سی‌دی از یک باتری ثانویه استفاده می‌کند. در ضمن یک باتری اضافه نیز با خود بر می‌دارد. Saltzman که به عنوان مدیر سیستم در شرکت United Parcel Service کار می‌کند می‌گوید که این تعداد باتری برای مسافرت‌های طولانی کافی می‌باشد. او نیز مثل بسیاری از کاربران تمایل دارد در طول پروازهای طولانی کافی می‌باشد.
او نیز مثل بسیاری از کاربران تمایل دارد در طول پروازهای طولانی کار خود را ادامه دهد و از برنامه‌هایی مثل شبکه‌سازی بی‌سیم که انرژی زیادی مصرف می‌کنند، استفاده نماید. این الگوی استفاده تغییر یافته و تقاضا برای نوت‌بوک‌های سریعتر فاصله‌ای را بین توان فراهم شده توسط باتری و کارآیی سیستم ایجاد می‌کند. در حالیکه نوت‌بوک‌ها همچنان از قانون مور بهره‌ می‌برند باتری‌ها نمی‌توانند همگام با آنها پیشرفت نمایند. آینده این گونه ابزارهای محاسباتی به تکنولوژی الکتروشیمی که پیشرفت کندی برخوردار است، بستگی دارد. این به آن معنا نیست که باتری‌ها بهتر نشده‌اند.
‍Carl Pinto مدیر بخش تولید شرکت توشیبا می‌گوید: اگر از باتری های جدید در نوت‌بوک جدید در نوت‌بوک‌هایی استفاده کنیم که ۵ سال پیش ساخته شده‌اند عمر باتری ۸ ساعت خواهد بود. مسئله این است که دستگاه‌های موبایل به توان بیشتری نیاز دارند. تا چندی پیش سرمایه‌گذاری در تکنولوژی باتری بسیار اندک بود. Rob Enderle تحلیلگر Enderle Group در San Jose می‌گوید: در ۱۰۰ سال اخیر کار زیادی در رابطه با باتری‌ها انجام نشده است. Mike Trainor یکی از مدیران ارشد تکنولوژی موبایل در شرکت اینتل می‌گوید: عمر باتری یکی از سه معیار اصلی برای خرید نوت‌بوک محسوب می‌شود. فروشگاه‌های IT به سیستم ‌های ظریف‌تر با کارآیی بالاتر و امکانات بی‌سیم بیشتر نیاز دارند تا فضا را برای باتری‌ها کاهش دهند. شرکت اینتل تولید کننده بوردهای منطقی و چیپ‌ست‌هایی است که اکثر سازندگان نوت‌بوک از آنها استفاده می‌کنند.
چیپ‌ست موبایل Centrino اینتل مصرف انرژی را کاهش داده و زمان عملکرد دستگاه را از دو تا سه ساعت به پنج ساعت رسانده است. اما این مدت زمان هنوز برای کاربرانی که خواهان عمر باتری برای تمام مدت روز هستند کفایت نمی کند. ۸ ساعت عمر باتری به watt hours)wh۱۰۰) انرژی نیاز دارد اما در حال حار بهترین تکنولوژی باتری کمتر از wh۶۰ انرژی در اختیار کاربران می‌گذارد. Trainon اطمینان دارد که شرکت اینتل می‌توان تا پایان این دهه حداکثر ویژگی‌هایی را که می‌توان از قانون مور انتظار داشت، ارائه دهد در حالیکه مصرف انرژی را در همان میزان ۱۰۰wh نگاه دارد. اما با این وجود باز هم یک اختلاف توان باقی خواهد ماند. مسئله مهم این است: چگونه می‌توانیم انرژی بیشتری در سیستم داشته باشیم؟
فروشندگان اخیرا نسبت به این مشکل آگاه‌تر شده‌اند، اما بخش خصوصی و دولتی بیشتر بر روی تحقیقاتدر مورد مواد تشکیل دهنده باتری سرمایه‌گذاری می‌کنند تا طرح‌ اصلی باتری. این نوع سرمایه‌گذاری به ایجاد اختلاف توان فعلی کمک کرده است. Donald Sadowat پروفسور مهندسی مواد در MIT می‌گوید: در این مورد فقط یک جبنه مورد بررسی قرار گرفته و با این نوع تحقیقات ما اکنون ۷ یا ۸ سال عقب هستیم، برنامه‌های مربوط به مواد تشکیل دهنده باتری ها برای تحقیقات همه جا در دسترس نمی‌باشند.
در واقع این کاربران هستند که تحت تاثیر مشکل قرار می‌گیرند. Tony Scott مدیر ارشد تکنولوژی شرکت General Motors معتقد است که عمر باتری نوت‌بوک‌های مبتنی بر تکنولوژی Centrino بیست تا سی درصد پیشرفت داشته است اما زمان عملکرد واقعی هنوز کمتر از سه ساعت می‌باشد. این مدت زمان برای استفاده از نوت‌بوک‌ در جلسات کافی نیست. او می‌گوید: اگر دو جلسه یک ساعته پشت سر هم بر قرار شود و از نوت بوک در این جلسات استفاده کامل شود متوجه مشکلات خواهید شد. تصور نمی‌کنم استفاده کامل از نوت‌بوک در سه جلسه پشت سر هم امکانپذیر باشد. ما به مدت زمان ۸ ساعت استفاده نیاز داریم و این مشکلی است که با تعداد بیشماری از دستگاه‌های امروزی وجود دارد.
مشکلات Saltzman در مورد باتری فقط به نوت‌بوک‌ها محدود نمی شود. او کنترل ۲۰۰۰۰۰ دستگاه را که باتری کار می کنند (از جمله ابزارهای دستی که با امواج رادیویی کار می‌کنند و در حمل ونقل محدودیت توسط رانندگان مورد استفاده قرار می‌گیرند) در شرکت UPS بر عهده دارد. باتری دستگاه‌ها در هوای گرم یا سرد خوب شارژ نمی‌شوند بنابراین شارژ باتری‌ها باید در یک محل ویژه انجام شود. از آنجاییکه رانندگان گاهی اوقات تا ۱۰ ساعت در جاده هستند باید از باتری های بزرگتر استفاده کنند و استفاده از باتری‌های بزرگتر وزن دستگاه را افزایش می‌دهد. از نظر Saltzman چگالی بیشتر انرژی به منظور کاهش وزن باتری مناسب است. Kyrt Kelty مدیر بخش توسعه تجاری آزمایشگاه Panasonic Energy Solutions می‌گوید: تولید کنندگان باتری از زمانیکه باتری‌های یون لیتیوم ساخته‌ شده‌اند یعنی از اوایل دهه ۹۰، پیشرفت‌های چشمگیری را در رابطه با این نوع باتری‌ها نشان داده‌اند. در طی ۵ سال گذشته باتری‌های یون لیتیوم جایگزین تکنولوژی‌های Nickel Metal Hydride) NiMH) و Nickel Cadmium یا NiCd که در دستگاه‌های محاسباتی موبایل مورد استفاده قرار می‌گرفتند، شده‌اند. یون لیتیوم چگالی انرژی Volumetric بالاتری را ارائه می‌کند و موارد مربوط به حافظه که عمر باتری‌های Nicd را کاهش می‌دهد بر این نوع باتری‌ها تاثیری ندارد. باتری‌های یون لیتیوم از نظر محیطی نیز نسبت به باتری‌های NiCd ارجح می‌باشند. زیرا کادمیم یک ماده سمی بوده و مشکلاتی را برای محیط زیست به وجود می‌آورد.
در حالیکه باتری‌های مبتنی بر نیکل از نظر ظرفیت به حد نهایی رسیده و دیگر جای پیشرفت ندارند باتری‌های یون لیتیوم به توسعه خود ادامه می‌دهند. در سالهای اخیر ظرفیت به میزان ده درصد در سال افزایش یافته و رقابت، قیمت‌ها را به میزان ده تا ۲۰ درصد در سال کاهش داده است. گر چه باتری‌های یون لیتیوم هنوز به آن میزان ظرفیتی که از نظر تئوری برایشان در نظر گرفته شده نرسیده‌اند اما اعتقاد بر این است که ویژگی‌های آینده این نوع باتری‌ها اختلاف توان موجود را از بین می‌برد. چنین اعتقادی علاقه به تحقیقات در زمینه باتری را گسترش داده است. شرکت‌هایی مثل Electrovaya، پلیمریون لیتیوم را که از یک الکترونیک ژل مانند در آن استفاده می‌شود، به کار می‌گیرند. علیرغم تعهد اولیه، این تکنولوژی بسیار گران‌تر از یون لیتیوم بوده و از نظر چگالی انرژی پیشرفتی نداشته است. البته تکنولوژی فوق تنها یک مزیت دارد: این نوع باتری‌ها می‌توانند به شکل مسطح ساخته شوند بنابراین برای دستگاه‌های کوچک مناسب‌تر هستند اما باتری‌های یون لیتیوم تنها به شکل استوانه‌ای عرضه می‌شوند.
شرکت Pionics در ژاپن یک باتری پیش نمونه با چگالی انرژی ۶۰۰wh/liter را عرضه کرده است. بنا بر اظهارات Atakan Ozbek، تحلیلگر ارشد ABI Research، اکثر باتری‌های یون لیتیوم امروزی در محدوده ۲۰۰ تا ۲۵۰wh/liter قرار دارند. در حال حاضر بعضی از فروشندگان بر روی طرح‌هایی کار می‌کنند که از موادی مانند لیتیوم سولفور و لیتیوم فسفات در آنها استفاده شود. حتی ممکن است باتری‌های قلیایی قدیمی دوباره مورد استفاده قرار گیرند. Robert Zeiler، مدیر شرکت Znic Matrix Power در سانتاباربارا کالیفرنیا، می‌گوید، با باتری‌های قلیایی مبتنی بر روی، داشتن بیش از ده دوره شارژ مجدد مشکل می‌باشد. این شرکت الکترولیت قدیمی باتری قلیایی را با فرمول مبتنی بر پلیمر که تعداد دوره شارژ را افزایش می‌دهد، جایگزین ساخته است.
Zeiler در این مورد می‌گوید: ما می‌توانیم با یک چگالی انرژی ۶۰۰wh/Liter صدها سیکل داشته باشیم. شرکت قصد دارد تا سال ۲۰۰۶ با همکاری اینتل یک باتری نوت‌بوک تولید کند. در حالیکه اینتل در شرکت‌های پر آتیه سرمایه گذاری می‌کند، Trainer در مورد ادعاهای اولیه واقع بین می‌باشد. او می‌گوید: تا به حال ندیده‌ایم که تولید کننده‌ای این نوع باتری‌ها را در حجم زیاد تولید کند.
● مشکلات مربوط به مواد تشکیل دهنده باتری‌ها (تکنولوژی fuel-cell)
مدت زمان زیادی است که اکثر فروشندگان تکنولوژی fuel-cell را مد نظر قرار داده‌اند. بخش خصوصی و دولتی به طور اساسی بر روی تحقیقات مربوط به این تکنولوژی سرمایه‌گذاری نموده‌اند و بیش از ۶۰ شرکت بر روی طرح‌های باتری‌ها کار می‌کنند. در این تکنولوژی یک ماده سوختنی مانند هیدروژن یا متانول در یک فعل و انفعال الکتروشیمیایی با اکسیژن ترکیب می‌شود. معروفترین طرح یعنی باتری متانول مستقیم، از متانول یا ترکیب متانول و آب استفاده می‌کند. باتری‌های مبتنی بر fuel دارای چگالی انرژی بالاتر هستند و قابلیت جایگزین ساختن کارتریج ماده سوختنی وجود یک منبع تغذیه بی پایان را تضمین می‌کند.
Alan Soucy مدیر ارشد عملیات شرکت MicroFuel Cells می‌گوید، مقدار بسیار اندک یک سی‌سی ماده سوختنی می‌تواند ۱wh الکتریسیته تولید نماید که این مقدار الکتریسیته انرژی لازم برای دو ساعت استفاده از تلفن همراه را فراهم می‌سازد. اما این تکنولوژی با مشکلاتی نیز همراه است. سیستم‌های مبتنی بر سوخت پیچیده بوده و به یک موتور یا Stack، پمپ‌های کوچک، سنسورها ودیگر ابزارهای الکترونیکی، یک سیستم هواگیر و یک مخزن سوخت نیاز دارند. قراردادن تمامی این لوازم در یک باتری نوت‌بوک که بتوان آن را با قیمت مناسب به فروش رساند و نسبت به کارکرد آن اطمینان داشت مشکلاتی ایجاد می‌نماید.در ضمن باتری‌های مبتنی بر fuel چندان کارآمد نیستند زیرا ۷۰ درصد از انرژی را که تولید می‌کنند به گرما تبدیل نموده وتنها ده درصد انرژی برای باتری‌ها باقی می‌ماند و این مورد برای طراحان نوت‌بوک که قبلا نیز با مشکلات مربوط به افزایش دما مواجه بوده‌اند مسئله ساز است. تمام سیستم‌ها مقادیر اندکی دی‌اکسید کربن و بخار آب بیرون می‌دهند. باتری‌های مبتنی بر fuel به تنهایی جوابگو نبوده و توان لازم را فراهم نمی‌سازند، بنابراین طرح‌های اولیه این نوع باتری‌ها همچون پیش نمونه RFID یا Radio Frequency Identification reader با IP۳ به همراه یک باتری یون لیتیوم عرضه می‌شوند. باتری مبتنی بر IP۳ fuel علاوه بر فراهم ساختن انرژی به طور مستقیم برای خواننده RFID بتدریج باتری را شارژ می‌کند. دستگاه با یک کارتریج سوخت ۵۵ سی‌سی ۳۰ ساعت کار می‌کند (در مقایسه با ۱۰ ساعت باتری‌های قدیمی) تولید کنندگان دیگر در حال حاضر مشغول آزمایش برروی قطعات نیمه ‌هادی با تعداد بسیار زیاد خازن هستند که بتوانند انرژی اضافی را برای موانع ضروری در اختیار کاربر قرار دهند.
Pinto می‌گوید: بیشترین سرمایه‌گذاری توشیبا بر روی باتری‌های متبنی بر fuel می‌باشد. سه شرکت توشیبا، هیتاچی و NEC پیش نمونه‌ای از طرح‌های Awap bay خود را که به یک نوت بوک یا دستگاه دستی متصل می‌شود، نشان داده‌اند. اما محصولات واقعی تا زمان رفع مشکلات مربوط به استانداردها به بازار نخواهند آمد. برای پذیرش کامل یک محصول یک ترکیب سوخت استاندارد و طرح مناسب کارتریج مورد نیاز است. در ضمن رگلاتورها نیز باید از نظر ایمن بودن (به خصوص در هواپیماها) تصویب شوند. به دست آوردن تاییدیه Federal Aviation Administration برای حمل مخازن قابل اشتعال متان به وسیله هواپیما کار اسانی نیست بخصوص با ممنوعیت اخیر در مورد افروزنده‌های بوتان. Ozbek می‌گوید، سازندگان باتری های مبتنی بر fuel پیشرفت‌های مهمی در شش ماه گذشته داشته‌اند و توانسته‌اند اندازه باتری را تا ۵۰ درصد کاهش داده و چگالی انرژی یون لیتیوم را افزایش دهند.
اولین باتری‌های fuel در سال جاری عرضه خواهند شد. پس از آن چند هزار باتری در سال ۲۰۰۷ و تعداد بیشماری در سال ۲۰۱۰ در اختیار مصرف‌کنندگان قرار خواهد گرفت. تا آن زمان کاربران باید با نمایشگرهای کم نور و نه چندان واضح بسازند و از طرح‌هایی برای صرفه‌جویی در توان استفاده کنند. این طرح‌ها می‌توانند به کاربران کمک کنند. اما طرح‌های صرفه‌جویی کننده توان به تنهایی نمی‌توانند اختلاف‌ توان موجود را از بین ببرند. Sara Bradford تحلیلگر شرکت Frost & Sullivan در سان آنتونیو می‌گوید: وقتی صحبت از باتری‌های یون لیتیوم می‌شود، کاربرانی که به دنبال گزینه‌های ارزان می‌باشند با اشتیاق از این باتری‌ها استقبال می‌کنند. باتری‌های یون لیتیوم عموما ایمن هستند اما به سطح بالایی از کنترل کیفیت در فرآیند تولید نیاز دارند. کارخانه‌های سازنده این نوع باتری‌ها همیشه استاندارد‌های لازم را رعایت نمی‌کنند. در واقع این باتری‌ها بیشتر به عنوان باتری‌های جایگزین در هنگام بروز مشکلات مناسب می‌باشند.
Joe Lamoreux، قائم مقام و مدیر کل شرکت Valence در تگزاس می‌گوید، تحت شرایط خاص باتری‌های یون لیتیوم با گرم شدن بیش از حد ( تا ۸۰۰ درجه سلیسوس) از کار می‌افتند. valence یک باتری پلیمر یون لیتیوم خارجی برای نوت‌بوک ساخته است که اکسید کبالت را با یک تکنولوژی سودمندتر فسفات جایگزین می‌سازد. تکنولوژی فوق خطر گرمای بیش از حد را کاهش می‌دهد. اما این باتری‌ها بسیار گرانتر بوده و چگالی انرژی آنها نیز ۲۰ درصد کمتر از باتری‌های یون لیتیوم مبتنی بر کبالت می‌باشد. Donald Sadoway متخصص باتری و استاد مهندسی مواد در MIT ‌می‌گوید، استفاده نامناسب نیز می‌تواند باعث انفجار باتری شود. باتری‌ها به یک جریان شارژ خاص نیاز دارند. باتری‌های ارزان قیمت ممکن است مانند دیگر باتری‌ها به نظر آیند اما به جریان شارژ ضعیف‌تری نیاز دارند و هنگامی که کاربر آن را (با جریان شارژ بالاتر) بر روی شارژ قرار می‌دهد، باتری از کار می‌افتد، زیرا باتری باید با جریان ضعیف‌تری شارژ شود. در صورتیکه یک منبع انرژی خاص یک دستگاه به دستگاه دیگری وصل شود نیز همین اتفاق خواهد افتاد. این اتفاق معمولا می‌افتد زیرا بسیاری از منابع انرژی برای دستگاه‌های مختلف قابل اتصال هستند. بنابراین در صورتیکه دارای منابع انرژی مختلف هستید آنها را بر چسب‌گذاری نموده تا با یکدیگر اشتباه نگیرید.
Sadoway می‌گوید، اگر جریان بالای شارژ را به طور ناگهانی کاهش دهید باتری منفجر می‌شود. اگر واقعا می‌خواهید با بی احتیاطی عمل کنید جریان بالا را یکدفعه کاهش داده و باتری را با سرعت زیاد شارژ کنید. البته این مورد را تولید کنندگان باید در نظر داشته باشند. Kurt Kelty مدیر بخش توسعه تجاری آزمایشگاه Panasonic Energy Solutions می‌گوید: انفجار باتری در واقع یک کلمه اغراق‌آمیز است. در بعضی موارد فشار و دمای ایجاد شده توسط فعل وانفعالات شیمیمایی خارج از کنترل سبب باز شدن باتری می‌شود. در واقع مقداری دود از آن خارج می‌شود. اتفاقی که در اینجا می‌افتد این است که به علت رویداد حرارتی در داخل باتری، دما و فشار بالا رفته و به نقطه‌ای می‌رسد که باتری آسیب می‌بیند. بخش‌های داخلی در معرض اکسیژن و رطوبت هوا هستند که دود را ایجاد می‌کند. مصرف‌کنندگان که شکاف ایجاد شده را می‌بینند نتیجه‌گیری می‌کنند که باتری منفجر شده است.
اما گاهی اوقات باتری نشتی داشته و به دستگاه آسیب می‌رساند. در حال حاضر مشکل امنیت وجود دارد بخصوص در مورد باتری‌هایی که در چین تولید می‌شوند. بنابراین از آنجاییکه قیمت نوت‌بوک گران بوده و قیمت باتری‌های یون لیتیوم روز به روز کاهش می‌یابد، بهترین کاری که می‌توان انجام داد استفاده از باتری‌های جایگزین معروف می‌باشد. Sadoway می‌گوید، سعی کنید باتری‌هایی را خریداری کنید که تولید کنندگان اصلی تجهیزات توصیه نموده‌اند. اگر بخواهید به فکر کاهش هزینه باشید امنیت دستگاه خود را به خطر انداخته‌اید.
● افزایش عمر باتری
یک باتری لپ‌تاپ باید دو تا سه سال عمر کند اما بسیاری از کاربران بسیار کمتر از این زمان را دارند. در اینجا ۶ نکته برای حداکثر استفاده از باتری‌های یون لیتیوم آورده شده است:
▪ به دلیل ارزانی باتری آن را خریداری نکنید. این نوع باتری‌های ارزان قیمت در هنگام استفاده یا شارژ شدن بیش از اندازه داغ شده و از کار می‌افتند.
▪ همیشه از باتری و شارژر توصیه شده استفاده کنید. شارژری که جریان بسیار بالایی ایجاد می‌کند می‌تواند موجب خرابی باتری شود. از آنجاییکه سیم‌های منابع ذخیره مختلف قابل اتصال به دستگاه‌های مختلف هستند این سیم‌ها را بر چسب‌گذاری کنید تا آنها را با یکدیگر اشتباه نگیرید.
▪ در پایان روز و یا وقتی که لپ‌تاپ را استفاده نمی‌کنید آن را خاموش کنید.
▪ باتری‌ها را با ۴۰ درصد شارژ در یک محل خنک نگهداری کنید. نگهداری باتری در یخچال می‌تواند عمر باتری را حفظ کند.
▪ در صورت گرم‌شدن باتری شارژ کردن آن را متوقف سازید. داغ شدن زیاد باتری را نابود می‌کند.
▪ قبل از تخلیه شدن کامل باتری آن رامجددا شارژ نمایید. در مورد باتری‌های ثانویه و باتری‌های ذخیره نیز اینکار را انجام دهید.

نویسنده: Robert L.mitchell
مترجم: مریم‌ پویان‌پور

منبع : علم الکترونیک و کامپیوتر