अल्ट्राबैटरी

अल्ट्राबैटरी का स्कीमैटिक आरेख

अल्ट्राबैटरी फुरुकावा बैटरी कंपनी लिमिटेड द्वारा व्यावसायीकरण की गई लेड एसिड बैटरी बैटरी विधि का ट्रेडमार्क है। अल्ट्राबैटरी में ऋणात्मक प्लेटों के लिए स्पंजी लेड सक्रिय सामग्री पर पतली कार्बन परतें होती हैं। मूल विचार जो सामान्य इलेक्ट्रोलाइट के साथ एकल सेल में लेड-एसिड बैटरी विधि के साथ अल्ट्राकैपेसिटर विधिको जोड़ता है, वह राष्ट्रमंडल वैज्ञानिक और औद्योगिक अनुसंधान संगठन (सीएसआईआरओ) से आया था।

परिचय

संयुक्त स्तर अमेरिका की सैंडिया राष्ट्रीय प्रयोगशालाओं, ^[1] एडवांस्ड लीड-एसिड बैटरी कंसोर्टियम (एएलएबीसी) हैं| ^[2] कॉमनवेल्थ साइंटिफिक एंड इंडस्ट्रियल रिसर्च ऑर्गनाइजेशन (सीएसआईआरओ) हैं | ^[3] ^[4] ^[5] और ईस्ट द्वारा वाणिज्यिक परीक्षण जैसे स्वतंत्र प्रयोगशालाओं द्वारा किए गए अनुसंधान पेन मैन्युफैक्चरिंग, फुरुकावा बैटरी और इकोल्ट ने संकेत दिया है कि पारंपरिक वाल्व रेगुलेटेड लेड एसिड (वीआरएलए) बैटरियों की तुलना में, अल्ट्राबैटरी विधिमें उच्च ऊर्जा दक्षता, लंबा जीवनकाल और आंशिक चार्ज स्थिति (एसओसी) स्थितियों के तहत उत्तम चार्ज स्वीकृति होती है।

दो प्रौद्योगिकियों को बैटरी सेल में संयोजित करने का अर्थ है कि अल्ट्राबैटरी पारंपरिक लेड एसिड प्रौद्योगिकियों की तुलना में बहुत कुशलता से कार्य करती है^[6] मुख्य रूप से इस तथ्य के कारण कि इसे आंशिक चार्ज अवस्था (पीएसओसी) में लंबे समय तक संचालित किया जा सकता है, जबकि पारंपरिक लेड एसिड बैटरियां सामान्यतः उच्च एसओसी उपयोग के लिए डिज़ाइन की जाती हैं (अर्थात जब बैटरी पूर्ण तरह से बंद हो जाती है) चार्ज किया गया)। ^[7] आंशिक एसओसी रेंज में संचालन करने से मुख्य रूप से सल्फेशन को कम करके और चार्ज की बहुत उच्च और बहुत कम स्थिति में संचालन में लगने वाले समय को कम करके बैटरी का जीवन बढ़ाया जाता है, जहां विभिन्न साइड प्रतिक्रियाएं खराब होने का कारण बनती हैं। इस आंशिक एसओसी रेंज में संचालित होने पर पारंपरिक वीआरएलए बैटरी शीघ्र खराब हो जाती है।^[7]

इतिहास

अल्ट्राबैटरी का मूल विचार सीएसआईआरओ से आया था।^[8]

अल्ट्राबैटरी के विकास को ऑस्ट्रेलियाई सरकार द्वारा वित्त पोषित किया गया था। जापानी कंपनी फुरुकावा बैटरी कंपनी लिमिटेड ने भी अल्ट्राबैटरी प्रौद्योगिकी के विकास में योगदान दिया, और जापानी सरकार ने नई ऊर्जा और औद्योगिक प्रौद्योगिकी विकास संगठन (एनईडीओ) के माध्यम से इसके विकास का कुछ भाग वित्त पोषित किया।

2007 में, ईस्ट पेन मैन्युफैक्चरिंग ने उद्देश्य और ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों (विभिन्न क्षेत्रों में) और स्थिर ऊर्जा संग्रहण अनुप्रयोगों (वैश्विक स्तर पर, जापान और थाईलैंड के बाहर, जहां फुरुकावा बैटरी प्रमुख लाइसेंस धारक है) के लिए अल्ट्राबैटरी विधि के निर्माण और व्यावसायीकरण के लिए वैश्विक प्रमुख लाइसेंस प्राप्त किया गया था। ^[9]

संयुक्त स्तर अमेरिका के ऊर्जा विभाग ने ग्रिड-स्केल स्थिर ऊर्जा संग्रहण अनुप्रयोगों में अनुसंधान के लिए अल्ट्राबैटरी को भी वित्त पोषित किया है। तथा 2007 में, सीएसआईआरओ ने इस मार्केट को संबोधित करने के लिए सहायक कंपनी, इकोल्ट का गठन किया था। अल्ट्राबैटरी के विकास को आगे बढ़ाने के लिए इकोल्ट को ऑस्ट्रेलियाई सरकार से भी समर्थन मिला। इसको मई 2010 में, अमेरिकी बैटरी निर्माता ईस्ट पेन मैन्युफैक्चरिंग ने सीएसआईआरओ से इकोल्ट में अधिग्रहण किया गया था। ^[10] ^[11] ^[12]

मार्च 2013 में, ऑस्ट्रेलियाई सरकार ने आवासीय और वाणिज्यिक नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों के लिए निवेश प्रभावी ऊर्जा संग्रहण के रूप में अल्ट्राबैटरी विधि को और विकसित करने के लिए ऑस्ट्रेलियाई नवीकरणीय ऊर्जा एजेंसी के उभरते नवीकरणीय कार्यक्रम के माध्यम से अतिरिक्त धनराशि की घोषणा की थी। ^[13]^[14]^[15]

संग्रहण सिद्धांत

अल्ट्राबैटरी का ऊर्जा संग्रहण सिद्धांत पारंपरिक लेड-एसिड बैटरी के समान है। यह ऋणात्मक इलेक्ट्रोड पर कार्बन परतें Pb²⁺ आयनों से Pb(0) में कम करने के लिए और Pb²⁺ आयनों के संग्रहण स्थलों के लिए प्रतिक्रिया स्थल के रूप में कार्य करती हैं।

कठोर सल्फेशन

सामान्य लेड-एसिड बैटरी संचालन के समय , डिस्चार्जिंग के समय ऋणात्मक इलेक्ट्रोड पर लेड सल्फेट क्रिस्टल बढ़ते हैं और चार्जिंग के समय फिर से घुल जाते हैं। इन क्रिस्टलों के निर्माण को सल्फेशन कहा जाता है। इसमें समय के साथ सल्फेशन स्थायी हो सकता है, क्योंकि कुछ क्रिस्टल बढ़ते हैं और घुलने का विरोध करते हैं। यह विशेष रूप से तब होता है जब बैटरी को डिस्चार्ज की बहुत उच्च दर पर कार्य करने के लिए मजबूर किया जाता है, जो इलेक्ट्रोड की सतह पर लेड सल्फेट क्रिस्टल के विकास को बढ़ावा देता है। डिस्चार्ज की मध्यम दर पर, लेड सल्फेट क्रिस्टल इलेक्ट्रोड प्लेट (जिसमें स्पंज जैसी स्थिरता होती है) के क्रॉस खंड में बढ़ते हैं क्योंकि प्रतिक्रिया की अनुमति देने के लिए इलेक्ट्रोलाइट (तनु सल्फ्यूरिक एसिड) को इलेक्ट्रोड के शरीर के माध्यम से फैलाया जाता है। और यह पूर्ण प्लेट में जगह बना लेते है | ^[16]

लेकिन डिस्चार्ज की बहुत शीघ्र दर पर, प्लेट के शरीर के अंदर पहले से ही उपस्तिथ एसिड का शीघ्रता से उपयोग हो जाता है और प्रतिक्रिया क्रियान्वित रखने के लिए ताजा एसिड समय पर इलेक्ट्रोड के माध्यम से फैल नहीं पाता है। इसलिए प्रतिक्रिया को इलेक्ट्रोड की बाहरी दीवार की ओर पसंद किया जाता है, जहां क्रिस्टल पूर्ण प्लेट में बिखरे हुए गुच्छों के अतिरिक्त घनी चटाई में बन सकते हैं। क्रिस्टल की यह चटाई इलेक्ट्रोलाइट स्थानांतरण को और भी बाधित करती है। क्रिस्टल फिर बड़े हो जाते हैं, और क्योंकि बड़े क्रिस्टल में उनके सतह क्षेत्र की तुलना में बड़ी मात्रा होती है, इसलिए चार्जिंग के समय उन्हें रासायनिक रूप से निकालना मुश्किल हो जाता है, विशेष रूप से जब इलेक्ट्रोलाइट में सल्फ्यूरिक एसिड की एकाग्रता अधिक होने की संभावना होती है (क्योंकि यह केवल सीमित होती है) तब प्लेट की सतह पर लेड सल्फेट बनाया गया है) और लेड सल्फेट तनु सल्फ्यूरिक एसिड की तुलना में सांद्र सल्फ्यूरिक एसिड (वजन के अनुसार प्राय: 10% सांद्रता से ऊपर) में कम घुलनशील होते है।

इस स्थिति को कभी-कभी बैटरी इलेक्ट्रोड का "हार्ड" सल्फेशन कहा जाता है। हार्ड सल्फेशन से बैटरी की प्रतिबाधा बढ़ जाती है (चूंकि लेड सल्फेट क्रिस्टल इलेक्ट्रोलाइट से इलेक्ट्रोड को अलग कर देते हैं) और अवांछित साइड प्रतिक्रियाओं में वृद्धि के कारण इसकी शक्ति, क्षमता और दक्षता कम हो जाती है, जिनमें से यह कुछ ऋणात्मक प्लेट के अंदर चार्जिंग के कारण होती हैं। लेड सल्फेट की कम उपलब्धता (प्लेट बॉडी के अंदर)। अवांछनीय प्रभाव प्लेट के अंदर हाइड्रोजन का उत्पादन है, जो प्रतिक्रिया की दक्षता को और कम कर देता है। और "हार्ड" सल्फेशन सामान्यतः अपरिवर्तनीय होता है क्योंकि बैटरी में अधिक से अधिक ऊर्जा अंदर की ओर ले जाने के कारण पार्श्व प्रतिक्रियाएं प्रबल हो जाती हैं। ^[17]

हार्ड सल्फेशन की संभावना को कम करने के लिए, पारंपरिक वीआरएलए बैटरियों को विभिन्न चार्जिंग एल्गोरिदम द्वारा निर्धारित विशिष्ट दरों पर डिस्चार्ज किया जाना चाहिए। इसके अतिरिक्त , उन्हें बार-बार ताज़ा किया जाना चाहिए और एसओसी के शीर्ष छोर (80% और 100% चार्ज के मध्य) की ओर संचालन के लिए सबसे उपयुक्त हैं। जबकि चार्ज की इस सीमित स्थिति में संचालन ऋणात्मक इलेक्ट्रोड पर स्थायी सल्फेशन को कम करता है, तथा पूर्ण एसओसी पर या उसके निकट विशेष रूप से बैटरी संचालन अत्यधिक अक्षम है। इसमें अक्षमता अधिक परिमाण में साइड प्रतिक्रियाओं (उदाहरण के लिए इलेक्ट्रोलिसिस) की घटनाओं में वृद्धि के कारण होता है जो कि ऊर्जा को नष्ट कर देती है।

अल्ट्राबैटरी में एकीकृत अल्ट्राकैपेसिटर की उपस्थिति सेल के अंदर कठोर सल्फेशन के गठन को सीमित करने का कार्य करती है। यह आंशिक एसओसी में बैटरी की लंबी अवधि तक संचालित होने की क्षमता का समर्थन करता है जहां बैटरी अधिक कुशलता से संचालित होती है। और पारंपरिक वीआरएलए को सल्फेशन से होने वाले हानि से बचाने के लिए उनकी चार्ज क्षमता के शीर्ष पर अकुशल क्षेत्र में कार्य करने के लिए कुछ विशेष रूप से बाध्य किया जाता है। उन कारणों पर शोध क्रियान्वित होता है कि क्यों अल्ट्राकैपेसिटर की उपस्थिति सल्फेशन को इतनी सफलतापूर्वक कम कर देती है। इसमें प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि वीआरएलए सेल के अंदर कार्बन की उपस्थिति में कुछ कुएंचिंग प्रभाव होता है लेकिन अल्ट्राबैटरी के अंदर समानांतर-जुड़े अल्ट्राकैपेसिटर के सुरक्षात्मक प्रभाव कहीं अधिक महत्वपूर्ण होते हैं। उदाहरण के लिए, हंड एट अल ने पाया कि विशिष्ट वीआरएलए बैटरी विफलता मोड (पानी की हानि, ऋणात्मक प्लेट सल्फेशन और ग्रिड संक्षारण) सभी अल्ट्राबैटरी में कम से कम हैं। हंड के नतीजों से यह भी पता चला है कि उच्च दर आंशिक चार्ज एप्लिकेशन में उपयोग की जाने वाली अल्ट्राबैटरी, पारंपरिक वीआरएलए सेल की तुलना में कम गैसिंग, न्यूनतम ऋणात्मक प्लेट हार्ड सल्फेशन, उत्तम पावर प्रदर्शन और न्यूनतम ऑपरेटिंग तापमान प्रदर्शित करती है।

प्रयुक्त सामग्री

स्पंज लेड और कार्बन परतें ऋणात्मक इलेक्ट्रोड बनाती हैं।

इलेक्ट्रोलाइट घोल सल्फ्यूरिक एसिड और पानी से बना होता है।

लेड सल्फेट सफेद क्रिस्टल या पाउडर होता है। इसमें सामान्य लेड एसिड बैटरी संचालन में डिस्चार्जिंग के समय ऋणात्मक इलेक्ट्रोड पर लघु लेड सल्फेट क्रिस्टल बढ़ते हैं और चार्जिंग के समय वापस इलेक्ट्रोलाइट में घुल जाते हैं।

इलेक्ट्रोड लेड ग्रिड से निर्मित होते हैं, जिसमें लेड-आधारित सक्रिय सामग्री यौगिक - लेड(IV) लेड(IV) ऑक्साइड - धनात्मक प्लेट के शेष भाग का निर्माण करता है।

अनुप्रयोग

अल्ट्राबैटरी का उपयोग अनेक प्रकार के ऊर्जा संग्रहण अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है, जैसे

विद्युतीय वाहन (ईवी) बैटरियों में उपयोग किया जा सकता है
नवीकरणीय ऊर्जा का संग्रहण करना और रुक-रुक कर आने वाले ऊर्जा स्रोतों से विद्युत आपूर्ति सुचारू करने में किया जा सकता है |
जीवाश्म-ईंधन विद्युत जनरेटर के साथ कुशल संकर विद्युत प्रणालियों के भाग के रूप में भी उपयोग किया जा सकता है |^[18]
विद्युत ग्रिडो को सहायक सेवाएं (विद्युत ऊर्जा) प्रदान करने में उपयोग किया जा सकता है।

अल्ट्राबैटरी वस्तुतः 100 प्रतिशत पुनर्चक्रण योग्य है और इसे उपस्तिथ बैटरी विनिर्माण सुविधाओं के माध्यम से बनाया जा सकता है।^[9]

हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों में अल्ट्राबैटरी

जब हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों में उपयोग किया जाता है, तब अल्ट्राबैटरी का अल्ट्राकैपेसिटर उच्च-दर डिस्चार्जिंग और चार्जिंग के समय बफर के रूप में कार्य करता है, जो इसे वाहन त्वरण और ब्रेकिंग के समय शीघ्रता से चार्ज प्रदान करने और अवशोषित करने में सक्षम बनाता है। ^[19]

एडवांस्ड लीड एसिड बैटरी कंसोर्टियम द्वारा हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों में अल्ट्राबैटरी के प्रदर्शन के परीक्षण ने बिना किसी महत्वपूर्ण निम्नीकरण के एकल बैटरी पैक पर 100,000 मील से अधिक की दूरी प्राप्त की जा सकती हैं। ^[2] तथा अल्ट्राबैटरी प्रोटोटाइप के प्रयोगशाला के परिणाम बताते हैं कि उनकी क्षमता, शक्ति, उपलब्ध ऊर्जा, कोल्ड क्रैंकिंग और सेल्फ-डिस्चार्ज न्यूनतम और अधिकतम पावर-असिस्ट हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए निर्धारित सभी प्रदर्शन लक्ष्यों को पूर्ण करते हैं, और इसके पश्चात्या उससे भी अधिक उपयोग करते हैं।

माइक्रोग्रिड में अल्ट्राबैटरी

अल्ट्राबैटरी का उपयोग अनुमानित बिजली उपलब्धता में सुधार के लिए माइक्रोग्रिड पर नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों को सुचारू और स्थानांतरित करने (अर्थात तत्पश्चात उपयोग के लिए स्टोर करने) के लिए किया जा सकता है। अल्ट्राबैटरी का उपयोग स्टैंडअलोन माइक्रोग्रिड प्रणाली , नवीकरणीय ऊर्जा प्रणाली और हाइब्रिड माइक्रोग्रिड में भी किया जा सकता है। यह स्टैंडअलोन माइक्रोग्रिड प्रणाली जीवाश्म-ईंधन ऊर्जा उत्पादन की दक्षता में सुधार करने के लिए डीजल या अन्य जीवाश्म ईंधन को अल्ट्राबैटरी संग्रहण के साथ जोड़ते हैं। और प्रणाली में ऊर्जा संग्रहण को सम्मिलित करने से जेन-सेट (अर्थात जनरेटर की सरणी) का आकार कम हो जाता है क्योंकि बैटरियां लोड में चोटियों को संभाल सकती हैं। अल्ट्राबैटरी जेन-सेट b की ईंधन उपयोग को भी कम करती है |

नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियाँ स्थानीय बिजली प्रदान करने के लिए अल्ट्राबैटरी विधि को नवीकरणीय उत्पादन स्रोत के साथ जोड़ती हैं। यह हाइब्रिड माइक्रोग्रिड बेस-लोड उत्पादन की दक्षता को अधिकतम करने के लिए अल्ट्राबैटरी ऊर्जा संग्रहण और जीवाश्म-ईंधन जेन-सेट के साथ नवीकरणीय उत्पादन स्रोतों को एकीकृत करते हैं। यह केवल डीजल से संचालित माइक्रोग्रिड की तुलना में ऊर्जा के निवेश को अत्यधिक कम कर सकता है। वह ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन में भी अत्यधिक कमी लाते हैं। इस प्रकार के माइक्रोग्रिड का उदाहरण किंग आइलैंड नवीकरणीय ऊर्जा एकीकरण परियोजना (केआईआरईआईपी) होती है | ^[20] जो कि हाइड्रो तस्मानिया द्वारा किया जा रहा है। इस मेगावाट मापदंड की नवीकरणीय ऊर्जा परियोजना का लक्ष्य द्वीप पर बिजली पहुंचाने की निवेश और कार्बन प्रदूषण दोनों को कम करना है।^[18]

डेटा केंद्रों का बहुउद्देश्यीय

अल्ट्राबैटरी का उपयोग निर्बाध बिजली आपूर्ति (यूपीएस) का बैकअप लेने के लिए किया जा सकता है। पारंपरिक यूपीएस प्रणाली में, ग्रिड आउटेज की घटना होने तक बैटरियां अनिवार्य रूप से अनुप्रयोग होती रहती हैं। क्योंकि अल्ट्राबैटरी आवृत्ति विनियमन और संबंधित ग्रिड सेवाएं प्रदान कर सकती है | इस प्रकार यह बैकअप पावर प्रदान करने के साथ-साथ यूपीएस परिसंपत्ति मालिक के लिए राजस्व उत्पन्न कर सकती है। ^[21]

सामुदायिक, वाणिज्यिक और अनुप्रयोग

सामुदायिक अनुप्रयोगों के लिए, अल्ट्राबैटरी का उपयोग ग्रिड आउटेज की स्थिति में बैकअप के रूप में किया जा सकता है | और यह (धारा 5.1 देखें) और पीक शेविंग के लिए भी उपयोग किया जाता है। इसको पीक लॉपिंग के रूप में भी जाना जाता है, पीक शेविंग ऑफ-पीक समय के समय बैटरी को चार्ज करने की क्षमता होती है | और इसमें बिजली के लिए उच्च शुल्क से बचने के लिए पीक समय के समय बैटरी से बिजली का उपयोग करने की क्षमता होती है। सामुदायिक अनुप्रयोग का अन्य उदाहरण जापान के किताकुशु में माएदा क्षेत्र में फुरुकावा बैटरी द्वारा स्थापित 300 किलोवाट स्मार्ट ग्रिड प्रदर्शन प्रणाली है। यह लोड-लेवलिंग एप्लिकेशन 336 अल्ट्राबैटरी सेल (1000 आह, 2 वोल्ट) का उपयोग करता है। कंपनी ने प्राकृतिक इतिहास और मानव इतिहास के किताकुशु संग्रहालय में अल्ट्राबैटरी पीक शिफ्टिंग विधि के दो स्मार्ट ग्रिड प्रदर्शन भी स्थापित किए हैं। ^[22]

जापान में, शिमिज़ु कॉर्पोरेशन ने व्यावसायिक भवन में माइक्रोग्रिड स्थापित किया है | इसके लिए (धारा 5.2 देखते हैं। यह 'स्मार्ट बिल्डिंग' प्रणाली हैं | जिसमें 163 अल्ट्राबैटरी सेल (500 एएच, 2 वोल्ट) भी सम्मिलित होते हैं, जो कि सेल वोल्टेज, प्रतिबाधा और तापमान पर भी नज़र रखती है। फुरुकावा बैटरी की इवाकी फैक्ट्री में स्थापित दूसरी प्रणाली में 192 अल्ट्राबैटरी सेल, 100 किलोवाट पावर कंडीशनिंग प्रणाली और बैटरी प्रबंधन प्रणाली सम्मिलित है। यह लोड-लेवलिंग एप्लिकेशन कारखाने की बिजली की मांग को नियंत्रित करने के लिए स्थापित किया गया था।

आवासीय अनुप्रयोगों के लिए, छत पर सौर ऊर्जा के स्थानीय उपयोग में अल्ट्राबैटरी का उपयोग करके सुधार किया जा सकता है, जो पैनल के मालिक निवासी द्वारा उपयोग के लिए बिजली स्टोर करता है, और उच्च-मूल्य शिखर के समय ग्रिड में बिजली या विनियमन सेवाओं को फ़ीड करता है।

ग्रिड सेवाएँ

अल्ट्राबैटरी बिजली ग्रिड पर परिवर्तनशीलता को पांच मुख्य विधियों से प्रबंधित कर सकती है: जहाँ आवृत्ति विनियमन, नवीकरणीय ऊर्जा एकीकरण (सुचारूकरण और स्थानांतरण), स्पिनिंग रिजर्व, रैंप-दर नियंत्रण, और बिजली की गुणवत्ता और कमजोर-ग्रिड समर्थन को प्रबंधित किया जा सकता है।

आवृत्ति विनियमन

बिजली ग्रिड को ग्रिड के भौतिक संचालन को बनाए रखने के लिए तथा निरंतर आवृत्ति बनाए रखने के लिए बिजली की आपूर्ति और मांग में निरंतर उतार-चढ़ाव का प्रबंधन करना चाहिए। जिससे कि अल्ट्राबैटरी आपूर्ति और मांग के मध्य संतुलन को प्रबंधित करने और निरन्तर वोल्टेज बनाए रखने में सहायता करने के लिए ग्रिड को बिजली अवशोषित और वितरित कर सकती है। इकोल्ट ने ग्रिड-स्केल ऊर्जा संग्रहण में प्रणाली को क्रियान्वित किया जो संयुक्त स्तर अमेरिका में पेंसिल्वेनिया-जर्सी-मैरीलैंड (पीजेएम) इंटरकनेक्शन के ग्रिड पर 3 मेगावाट विनियमन सेवाएं प्रदान करती है। और अल्ट्राबैटरी सेल के चार तार ल्योन स्टेशन, पेंसिल्वेनिया में ग्रिड से जुड़े हुए हैं। यह परियोजना पीजेएम पर विवृत मार्केट में बिडिंग करने के लिए निरंतर आवृत्ति विनियमन सेवाएं प्रदान करती है।

स्मूथिंग और शिफ्टिंग

अल्ट्राबैटरी विधि का उपयोग नवीकरणीय उत्पादन में उतार-चढ़ाव को प्रबंधित करके, सौर और पवन जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों को बिजली ग्रिड में एकीकृत करने के लिए किया जा सकता है। जहाँ यह ऊर्जा को 'स्मूथिंग' और 'शिफ्टिंग' करके ऐसा करता है।

स्मूथिंग फोटोवोल्टिक पैनलों या पवन टर्बाइनों से बिजली की अंतर्निहित परिवर्तनशीलता को सहज, तथा पूर्वानुमानित सिग्नल में परिवर्तित कर देती है। जहाँ प्रणाली आंतरायिक नवीकरणीय स्रोत के आउटपुट की निगरानी करता है| और जब सौर (या पवन) सिग्नल परिवर्तित होता है, तब अल्ट्राबैटरी या तब ऊर्जा क्रियान्वित करने या अतिरिक्त ऊर्जा को अवशोषित करने के लिए तुरंत प्रतिक्रिया करती है। इस तरह से नवीकरणीय सिग्नल की परिवर्तनशीलता को प्रबंधित करना नवीकरणीय ऊर्जा को अधिक विश्वसनीय बनाता है।

शिफ्टिंग एनर्जी से तात्पर्य अल्ट्राबैटरी की ऑफ-पीक समय में नवीकरणीय संसाधनों द्वारा उत्पादित अतिरिक्त ऊर्जा को संग्रहीत करने और फिर पीक मांग की अवधि के समय जरूरत पड़ने पर इसे क्रियान्वित करने की क्षमता से है। इससे बिजली उपयोगिताओं को पीक समय पर अपने समग्र प्रणाली प्रदर्शन में सुधार करने की अनुमति मिलती है।

संयुक्त स्तर अमेरिका के न्यू मैक्सिको में अग्रणी विद्युत उपयोगिता कंपनी पीएनएम ने डिस्पैचेबल नवीकरणीय संसाधन के रूप में उपयोग के लिए सौर ऊर्जा के सुचारू और स्थानांतरण को प्रदर्शित करने के लिए सौर ऊर्जा उत्पन्न करने वाले रूप के साथ अल्ट्राबैटरी ऊर्जा संग्रहण प्रणाली को एकीकृत किया है। पीएनएम समृद्धि परियोजना संयुक्त स्तर अमेरिका के फोटोवोल्टिक ऊर्जा और सौर पैनल बैटरी संग्रहण के सबसे बड़े संयोजनों में से होती है।

वितरित संग्रहण के लिए रैंप-दर नियंत्रण

छत पर फोटोवोल्टिक पैनलों की अनेक लघु मापदंड पर तैनाती सौर उत्पादन की रुक-रुक कर होने वाले प्रभाव को अनेक गुना बढ़ा देती है - जिससे ग्रिड संचालकों के लिए समस्या उत्पन्न हो जाती है। [आरईएफ] जहाँ अल्ट्राबैटरी ऊर्जा संग्रहण का उपयोग नियंत्रित विधियों से बिजली ग्रिड पर बिजली बढ़ाकर नवीकरणीय अंतराल को कम करने के लिए किया गया है, जिससे नवीकरणीय-उत्पन्न बिजली को अधिक पूर्वानुमानित बनाया जा सकता है ।

गुण

अल्ट्राबैटरी की पांच मुख्य विशेषताएं हैं जो इस विधि और पारंपरिक वीआरएलए बैटरी विधि के मध्य अंतर बनाती हैं: और उच्च क्षमता टर्नओवर, कम जीवनकाल निवेश प्रति किलोवाट घंटा, उच्च डीसी-डीसी दक्षता, कम ताज़ा शुल्क की आवश्यकता और चार्ज स्वीकृति की उच्च दर को बढाता जाता है।

कैपेसिटी टर्नओवर

क्षमता टर्नओवर इस बात का माप है कि किसी बैटरी की सैद्धांतिक क्षमता का उसके जीवनकाल में कितनी बार उपयोग किया जा सकता है।

जब भी प्रायोगिक स्थितियों में अल्ट्राबैटरी और मानक वीआरएलए (आंशिक एसओसी शासन में प्रयुक्त) की तुलना की जाती है, तब अल्ट्राबैटरी को मानक अवशोषित ग्लास मैट वीआरएलए बैटरी की क्षमता टर्नओवर का प्राय: 13 गुना प्राप्त करने के लिए दिखाया गया है। ^[1]

जीवनकाल निवेश प्रति किलोवाट घंटा

बैटरी का जीवनकाल इस बात पर निर्भर करता है कि इसका उपयोग कैसे किया जाता है, और इसे चार्ज करने और डिस्चार्ज करने के कितने चक्र चलाए जाते हैं। ऐसी स्थिति में जहां बैटरियों को प्रति दिन चार 40% चक्रों के माध्यम से रखा जाता है और जहां थ्रूपुट जीवन-सीमित कारक होता है | वंहा अल्ट्राबैटरी पारंपरिक वीआरएलए बैटरी की तुलना में प्राय: तीन से चार गुना अधिक समय तक चल सकती है। ^[7]

सीएसआईआरओ द्वारा प्रमाणित किया गया है, कि "तुलनीय प्रदर्शन वाली बैटरियों की तुलना में अल्ट्राबैटरी बनाना प्राय: 70 प्रतिशत सस्ता होता है और इसे उपस्तिथ विनिर्माण सुविधाओं का उपयोग करके बनाया जा सकता है"। ^[8]

डीसी-डीसी दक्षता

बैटरी की डीसी-डीसी दक्षता चार्जिंग के समय बैटरी में डाली गई ऊर्जा की मात्रा के अनुपात के रूप में बैटरी से जुड़े लोड में डिस्चार्ज होने के लिए उपलब्ध ऊर्जा की मात्रा का वर्णन करती है। तथा चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के समय , बैटरी की कुछ संग्रहीत ऊर्जा गर्मी के रूप में नष्ट हो जाती है, और कुछ साइड प्रतिक्रियाओं में नष्ट हो जाती है। जहाँ बैटरी की ऊर्जा हानि जितनी कम होती है, वंहा बैटरी उतनी ही अधिक कुशल होती है।

अल्ट्राबैटरी के डेवलपर्स द्वारा प्रमाणित किया गया है कि यह आंशिक एसओसी शासन में परिवर्तनशीलता प्रबंधन अनुप्रयोगों को निष्पादित करते समय, डिस्चार्ज दर के आधार पर 93-95% (दर पर निर्भर) की डीसी-डीसी दक्षता प्राप्त कर सकता है, और ऊर्जा स्थानांतरण अनुप्रयोगों को निष्पादित करते समय 86-95% (दर पर निर्भर) प्राप्त कर सकता है।. तुलनात्मक रूप से, ऊर्जा स्थानांतरण (चार्ज शासन के विशिष्ट शीर्ष का उपयोग करके) पर क्रियान्वित मानक वीआरएलए बैटरियां बहुत कम दक्षता प्राप्त करती हैं - उदाहरण के लिए 79% से 84% चार्ज की स्थिति में, परीक्षण 55% के आसपास क्षमता दिखाते हैं। ^[23]

अल्ट्राबैटरी की उच्च डीसी-डीसी दक्षता प्राप्त करने योग्य है क्योंकि (पारंपरिक वीआरएलए बैटरी की तरह) यह 80% एसओसी के नीचे बहुत कुशलता से संचालित होती है। प्रयोगों से संकेत मिलता है कि वीआरएलए बैटरियों के लिए "शून्य एसओसी से 84% एसओसी तक औसत समग्र बैटरी चार्जिंग दक्षता 91% है"। जबकि पारंपरिक वीआरएलए बैटरियां बार-बार रिफ्रेश किए बिना किसी भी महत्वपूर्ण अवधि के लिए इस रेंज में कार्य करना बर्दाश्त नहीं कर सकती हैं, अल्ट्राबैटरी महत्वपूर्ण निम्नीकरण के बिना चार्ज की बहुत कम स्थिति में कार्य करना बर्दाश्त कर सकती है। इसलिए यह बहुत अधिक दक्षता प्राप्त कर सकता है क्योंकि यह लेड एसिड बैटरियों के लिए सबसे कुशल क्षेत्र में लंबे समय तक कार्य कर सकता है।

प्रभार स्वीकृति

क्योंकि अल्ट्राबैटरी आंशिक एसओसी रेंज में प्रभावी रूप से कार्य करती है, यह पारंपरिक वीआरएलए बैटरियों की तुलना में अधिक कुशलता से चार्जिंग स्वीकार कर सकती है, जो सामान्यतः चार्जिंग की उच्च स्थिति पर कार्य करती हैं। सैंडिया नेशनल लेबोरेटरी परीक्षणों से पता चलता है कि वीआरएलए बैटरियां सामान्यतः 90% से अधिक चार्ज होने पर 50% से कम दक्षता प्राप्त करती हैं, 79% और 84% चार्ज के मध्य प्राय: 55% दक्षता प्राप्त करती हैं, और पूर्ण क्षमता के शून्य और 84% के मध्य चार्ज होने पर 90% से अधिक दक्षता प्राप्त करती हैं। ^[23] ^[1] यह पारंपरिक वीआरएलए बैटरियों की तुलना में, अल्ट्राबैटरी को कुशलतापूर्वक और उच्च चार्जिंग/डिस्चार्जिंग दरों पर चार्ज किया जा सकता है। हंड एट अल के परीक्षण परिणामों से पता चला कि अल्ट्राबैटरी प्राय: 15,000 चक्रों के लिए 4C1 दर पर चक्र करने में सक्षम थी। इस परीक्षण प्रक्रिया का उपयोग करने वाली वीआरएलए बैटरी केवल 1C1 दर पर ही चक्र कर सकती है। 1C दर संकेत करती है कि इस दर पर घंटे में बैटरी की पूर्ण क्षमता का उपयोग किया जाएगा (या चार्ज करने पर प्रतिस्थापित किया जाएगा)। 4C दर चार गुना शीघ्र होती है | अर्थात 4C दर पर 15 मिनट में बैटरी पूर्ण तरह से डिस्चार्ज (या चार्ज) हो जाती हैं।

स्पष्ट रासायनिक प्रक्रिया जिसके द्वारा कार्बन सल्फेशन में इतनी देरी करता है,यह पूर्ण तरह से समझ में नहीं आता है। चूँकि, अल्ट्राबैटरी के समानांतर अल्ट्राकैपेसिटर की उपस्थिति स्पष्ट रूप से ऋणात्मक टर्मिनल को लेड सल्फेट क्रिस्टल की बड़ी सतह की प्रचुरता से बचाती है जो डिस्चार्ज की उच्च दर पर या पीएसओसी संचालन में लंबी अवधि के लिए संचालित वीआरएलए बैटरियों को प्रभावित करती है, जिससे सेल की रिचार्जेबिलिटी बढ़ जाती है | इसके लिए (हार्ड सल्फेशन भी देखें) जाते हैं |

कम सल्फेशन इलेक्ट्रोड पर हाइड्रोजन गैस उत्पादन को कम करके चार्ज स्वीकृति को भी महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है। यह अप्रत्याशित नहीं है क्योंकि अत्यधिक हाइड्रोजन गैस का उत्पादन (जो चार्जिंग प्रक्रिया से महत्वपूर्ण ऊर्जा को छीन लेता है) तब होता है जब चार्जिंग के समय इलेक्ट्रॉनों को ऋणात्मक प्लेट में धकेल दिया जाता है (जो सामान्यतः प्लेट के अंदर लेड सल्फेट क्रिस्टल के साथ प्रतिक्रिया करता है) प्लेट की सतह पर लेड सल्फेट के बड़े क्रिस्टल के साथ आसानी से प्रतिक्रिया करने में असमर्थ होते हैं, इसलिए इसके अतिरिक्त इलेक्ट्रोलाइट के प्रचुर मात्रा में हाइड्रोजन आयनों को हाइड्रोजन गैस में कम कर देते हैं।

मानक एवं सुरक्षा

अल्ट्राबैटरी का निर्माण संयुक्त स्तर अमेरिका में ईस्ट पेन मैन्युफैक्चरिंग द्वारा ISO 9001:2008, ISO/TS 16949:2009 और ISO 14001:2004 प्रमाणन मानकों की वैश्विक आवश्यकताओं के अनुसार किया जाता है।

अल्ट्राबैटरी के इलेक्ट्रोलाइट समाधान में पानी में H₂SO₄ होता है, और इसके लीड इलेक्ट्रोड निष्क्रिय होते हैं। चूंकि इलेक्ट्रोलाइट अधिक सीमा तक पानी है, अल्ट्राबैटरी अग्निरोधक होता है। अल्ट्राबैटरी में पारंपरिक वीआरएलए बैटरियों के समान ही परिवहन और संकट प्रतिबंध होता हैं |

पुनर्चक्रण

प्रत्येक अल्ट्राबैटरी का प्रत्येक भाग - सीसा, प्लास्टिक, स्टील और एसिड - पश्चात् में पुन: उपयोग के लिए प्राय: 100% पुनर्चक्रण योग्य है। इन बैटरियों के लिए बड़े मापदंड पर रीसाइक्लिंग सुविधाएं पहले से ही उपलब्ध होती हैं और अमेरिका में उपयोग की जाने वाली 96% लेड एसिड बैटरियों को रीसाइक्लिंग किया जाता है। ^[25] बैटरी निर्माता वीआरएलए बैटरियों से सीसा, प्लास्टिक और एसिड को पुनर्प्राप्त और अलग करते हैं। और पुन: उपयोग के लिए सीसे को गलाया और परिष्कृत किया जाता है। प्लास्टिक के भागो को साफ किया जाता है, पीसा जाता है, बाहर निकाला जाता है और नए प्लास्टिक भागो में ढाला जाता है। एसिड को पुनः प्राप्त किया जाता है, साफ किया जाता है और नई बैटरियों में उपयोग किया जाता है।

अनुसंधान

पारंपरिक वीआरएलए बैटरियों के साथ अल्ट्राबैटरी के प्रदर्शन की तुलना करने के लिए स्वतंत्र प्रयोगशालाओं के साथ-साथ ईस्ट पेन मैन्युफैक्चरिंग, फुरुकावा और इकोल्ट द्वारा परीक्षण किए गए हैं।

हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहन परीक्षण

माइक्रो हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों की बैटरियों का पल्स चार्ज-डिस्चार्ज पैटर्न में 70% एसओसी पर परीक्षण किया गया हैं। पारंपरिक वीआरएलए बैटरी की तुलना में अल्ट्राबैटरी की क्षमता टर्नओवर और इसलिए चक्र जीवन प्राय: 1.8 गुना अधिक है। ^[6]

एडवांस्ड लीड एसिड बैटरी कंसोर्टियम (एएलएबीसी) ने होंडा सिविक हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहन के उच्च-दर, आंशिक स्टेट-ऑफ-चार्ज संचालन में अल्ट्राबैटरी के स्थायित्व का परीक्षण किया। परीक्षण कार में नी-एमएच बैटरी द्वारा संचालित समान मॉडल के समान मील प्रति गैलन प्रदर्शन था। ^[2]

सूक्ष्म, हल्के और पूर्ण हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहन कर्तव्यों के अंतर्गत होते हैं | अल्ट्राबैटरी का साइक्लिंग प्रदर्शन पारंपरिक अत्याधुनिक वीआरएलए बैटरियों की तुलना में कम से कम चार गुना अधिक था और नी-एमएच सेलो की तुलना में तुलनीय या उससे भी उत्तम था। अल्ट्राबैटरी ने पुनर्योजी ब्रेकिंग से चार्ज की अच्छी स्वीकार्यता का भी प्रदर्शन किया, और इसलिए इसमे फील्ड परीक्षण के समय समकरण शुल्क की आवश्यकता नहीं थी।

स्थिर ऊर्जा अनुप्रयोग

दक्षता परीक्षण

बिजली स्मार्ट ग्रिड के लिए स्थिर अनुप्रयोग में अल्ट्राबैटरी के डब्लूएच(वाट-घंटे) दक्षता परीक्षणों से पता चला कि 0.1 C10A की दरों पर चार्ज-डिस्चार्ज के 30 से अधिक चक्रों में, बैटरी की स्थिति के आधार पर डब्लूएच क्षमताएं 91% से 94.5% तक थीं। शुल्क। [आरईएफ] इसकी तुलना लेड-एसिड बैटरी दक्षता पर सैंडिया नेशनल लेबोरेटरीज के अध्ययन से की गई है, जिसमें पाया गया कि पारंपरिक लेड-एसिड बैटरियां 79% और 84% स्टेट-ऑफ-चार्ज ("शीर्ष" चार्ज मोड जिस पर पारंपरिक लेड-एसिड बैटरियां सामान्यतः अपने जीवन को बढ़ाने के लिए प्रतिबंधित होती हैं) के मध्य कार्य करती हैं केवल 55% वृद्धिशील चार्जिंग दक्षता प्राप्त करती हैं। ^[23]

चक्र जीवन और पुनर्प्राप्ति परीक्षण

बैटरियों को 60% चार्ज करने की स्थिति पर 3 घंटे के चार्ज और डिस्चार्ज परीक्षणों के अधीन किया गया था | जिसमें हर 90 चक्रों में 20 घंटे का रिकवरी चार्ज किया गया था। इन क्षमता परीक्षणों से पता चला कि 270 चक्रों के पश्चात् , अल्ट्राबैटरी क्षमता अनुपात पारंपरिक लीड स्टोरेज बैटरी के लिए 93% की तुलना में 103% के सामान्य या उससे अधिक था। इन परीक्षणों से पता चला कि चार्ज की आंशिक स्थिति में कार्य करने पर पारंपरिक बैटरी की तुलना में अल्ट्राबैटरी का चक्र जीवन लंबा था और इसमें रिकवरी चार्ज विशेषताएँ उत्तम थीं।

उपयोगिता सेवाएँ और पवन रूप ऊर्जा स्मूथिंग

ऊर्जा संग्रहण और पवन रूप ऊर्जा स्मूथिंग के लिए उपयोगिता सहायक सेवा अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए अल्ट्राबैटरी की क्षमता को मापने के लिए उच्च दर, आंशिक स्तर-प्रभारी चक्र परीक्षण किए गए थे। 1C1 से 4C1 दर पर उच्च-दर, आंशिक स्तर-चार्ज साइक्लिंग प्रोफ़ाइल का उपयोग करते हुए, अल्ट्राबैटरी 20% से कम क्षमता हानि के साथ 15,000 से अधिक चक्रों में सक्षम थी, इस प्रकार यह 4C1 दर पर चक्र कर सकती थी। समान परिस्थितियों में परीक्षण की गई अवशोषित ग्लास मैट (एजीएम) वीआरएलए बैटरी केवल 1C1 दर पर चक्र कर सकती है | इसमें प्राय: 100 चक्रों के पश्चात् रिकवरी चार्ज की आवश्यकता होती है, और 1100 चक्रों के पश्चात् इसकी क्षमता 20% से अधिक विलुप्त हो जाती है। अल्ट्राबैटरी एजीएम वीआरएलए बैटरी (1000 बनाम 100) की तुलना में रिकवरी चार्ज के मध्य दस गुना से अधिक चक्र चलाने में सक्षम थी।

हैम्पटन, न्यू साउथ वेल्स (ऑस्ट्रेलिया) में पवन रूप क्षेत्र परीक्षण, पवन उत्पादन की अल्पकालिक रुकावट को संबोधित करने के लिए ऊर्जा संग्रहण के उपयोग को प्रदर्शित करने के लिए डिज़ाइन की गई प्रणाली का परीक्षण कर रहा है। परीक्षण ने नवीकरणीय ऊर्जा स्मूथिंग अनुप्रयोगों के लिए अल्ट्राबैटरी और तीन अन्य लीड-एसिड बैटरी प्रकारों के प्रदर्शन की तुलना की हैं । यह श्रृंखला में जुड़े 60 सेल की प्रत्येक स्ट्रिंग में सेल वोल्टेज में भिन्नता के माप से पता चला कि अल्ट्राबैटरी में 10 महीने की अवधि में बहुत कम भिन्नता होती थी | इसमें (वोल्टेज रेंज भिन्नता के मानक विचलन में 32% की वृद्धि होती हैं तथा अन्य तीन बैटरी प्रकारों के लिए 140% -251% की तुलना ) की जाती हैं।

उपयोगिता साइकिलिंग और फोटोवोल्टिक हाइब्रिड ऊर्जा अनुप्रयोग

सैंडिया नेशनल लेबोरेटरीज के परीक्षणों से पता चलता है कि अल्ट्राबैटरी उपयोगिता साइक्लिंग में पारंपरिक वीआरएलए बैटरियों की तुलना में अधिक समय तक कार्य करती है। इन परीक्षणों में साइकलिंग प्रोफ़ाइल का उद्देश्य अधिकतम शक्ति के साथ प्राय: 4 चक्र प्रति घंटे के साथ आवृत्ति विनियमन कर्तव्य की प्रतिलिपि करना था | जिसका उद्देश्य विशिष्ट एसओसी रेंज देना था। इसके परिणामों से यह पता चला कि पारंपरिक वीआरएलए बैटरी (चार्ज की आंशिक स्थिति (पीएसओसी) और डिस्चार्ज की 10% गहराई में चक्र) प्राय: 3000 चक्रों के पश्चात् अपनी प्रारंभिक क्षमता के 60% तक गिर गई। उसी परीक्षण में ईस्ट पेन द्वारा निर्मित अल्ट्राबैटरी 22,000 से अधिक चक्रों तक चली, यह बिना किसी रिकवरी चार्ज के अपनी प्रारंभिक क्षमता को अनिवार्य रूप से 100% बनाए रखता हैं। ^[7]

परीक्षणों से यह भी पता चला कि अल्ट्राबैटरी ऊर्जा अनुप्रयोगों में पारंपरिक वीआरएलए बैटरियों की तुलना में अधिक समय तक कार्य करती है, जैसा कि सैंडिया नेशनल लेबोरेटरीज द्वारा सिम्युलेटेड फोटोवोल्टिक हाइब्रिड चक्र-जीवन परीक्षण में दिखाया गया है। इस परीक्षण से यह निष्कर्ष निकला कि 40-दिवसीय घाटे के चार्ज पर भी (ऐसे चक्र जहां प्रत्येक दिन बैटरी से अधिक लिया जाता है, जितना वापस डाला जाता है)। इन अल्ट्राबैटरीज़ का प्रदर्शन पारंपरिक वीआरएलए बैटरियों से कहीं उत्तम होता है, तब भी जब पारंपरिक वीआरएलए बैटरियां केवल 7 दिन की डेफिसिट चार्ज व्यवस्था पर कार्य कर रही हैं। डेफिसिट चार्ज व्यवस्था में टेपर चार्ज द्वारा कोई रिकवरी नहीं होती है, जिसे बैटरियों के रिफ्रेशिंग/इक्वलाइजेशन के रूप में भी जाना जाता है, इसलिए इस ऑपरेटिंग व्यवस्था में पारंपरिक वीआरएलए के लिए सल्फेशन विशिष्ट विफलता मोड होता है।

60% गहराई के डिस्चार्ज के साथ 100 दिनों की साइकिलिंग के पश्चात् , हर 30 दिनों में ताज़ा चक्र प्राप्त करने वाली पारंपरिक वीआरएलए बैटरी अपनी प्रारंभिक क्षमता के 70% तक गिर गई थी। दो अल्ट्राबैटरी इकाइयां (फुरुकावा द्वारा बनाई गई, ईस्ट पेन द्वारा) प्रत्येक 40-दिवसीय घाटे वाले चार्ज का अनुभव कर रही थी, फिर भी यह पारंपरिक वीआरएलए बैटरी की तुलना में अधिक उत्तम प्रदर्शन कर रही थी | जिससे यह अधिक निरन्तर रिफ्रेश प्राप्त कर रही थी (इसमें अधिकतम 7-दिन के घाटे वाले चार्ज का अनुभव होता) हैं। यह 430 दिनों की साइकिलिंग के पश्चात् , ईस्ट पेन अल्ट्राबैटरी और फुरुकावा अल्ट्राबैटरी अभी भी विफल नहीं हुई थीं। इसमें ईस्ट पेन बैटरी अपनी प्रारंभिक क्षमता का 85% तह बनाए रहती थी और फुरुकावा बैटरी अपनी प्रारंभिक क्षमता के 100% के बहुत समीप होती थी।

यह भी देखें

बैटरी प्रकारों की सूची

संदर्भ

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बाहरी संबंध

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