Современные типы аккумуляторов

Раздел 12 – Первичные источники питания

Первичный источник электропитания – преобразует неэлектрические виды энергии в электрическую. Известны следующие типы первичных источников

 

	Химические источники		Атомные батареи
	Солнечные батареи		Генераторы = тока
	Топливные элементы		Генераторы ~ тока
	Термогенераторы

 

 

Химические источники - аккумулятор – химический источник тока многократного действия. Он способен накапливать, длительно сохранять и отдавать по мере надобности электрическую энергию, полученную от внешнего источника постоянного тока.

Во время заряда, когда внешний источник постоянного тока подключен к аккумулятору, электрическая энергия этого источника превращается в химическую энергию активных веществ, входящих в состав аккумулятора. При разряде, когда внешний источник отключен, а аккумулятор замкнут на сопротивление нагрузки, химическая энергия, накопленная в аккумуляторе, вновь преобразуется в электрическую энергию, которая расходуется нагрузкой. Аккумулятор состоит из положительной и отрицательной пластин, активная часть которых погружена в раствор электролита (водного растовора серной кислоты). Первоначальным материалом положительных и отрицательных электродов аккумулятора является свинец. После заряда аккумулятора на положительном электроде образуется активная масса – двуокись свинца (PbO₂), а на отрицательном – губчатый свинец (Pb). Когда аккумулятор заряжен, концентрация серной кислоты в растворе высокая, т.е. электролит имеет повышенную плотность. Разряд аккумулятора представляет собой электрохимический процесс, при котором двуокись свинца и губчатый свинец превращаются в сульфат свинца (PbSO₄).

Химическая реакция, происходящая в акумуляторе, описывается уравнением:

 

В процессе заряда сульфат свинца на отрицательных пластинах восстанавливается до губчатого свинца, а на положительных пластинах превращается в двуоксиь свинца. При этом образуется серная кислота и расходуется вода. Концентрация кислоты, т.е. плотность электролита, повышается. Если заряд продолжать дальше, то весь зарядный ток будет расходоваться на разложение воды с бурным выделением образующихся газов – водорода и кислорода.

Современные типы аккумуляторов

 

В настоящее время на предприятиях связи используются закрытые и герметичные аккумуляторы. Наиболее широкое распространение получили свинцовые аккумуляторы (никель- кадмиевые АБ применяются только в особых случаях при жестких требованиях по температуре). Это связано с высокими технико-экономическими показателями кислотных АБ – большой удельной энергоемкостью и малым значением стоимости на единицу количества электричества. К достоинствам свинцовых аккумуляторов относится также их высокая надежность и относительно низкие эксплуатационные затраты. Срок службы стационарных аккумуляторов может достигать 12...15 лет, стартерных – 4…5 лет. По конструктивным особенностям аккумуляторы делятся на две большие группы – закрытого типа и герметичные. Закрытые негерметичные аккумуляторы (ЗНА) выпускают в настоящее время ряд зарубежных фирм. Основными представителями рынка негерметичных аккумуляторов для электросвязи ­являются корпорация COSLIGHT в Китае (серия GF), Северо – америнканское предприятие Телеком (Nort American Telecom (серии OPzS, OPzL, Ogi, UPS, OpzS, Ogi), OLDHAM France (серии OPzS, LIC, UTC, NTC и др.) и т.д./1,2/. Все ЗНА можно условно разделить на два типа: конструкция с избыточным объёмом электролита и конструкция с возможностью долива воды. Корпус выполняется из прозрачной пластмассы.

Герметичные аккумуляторы изготавливаются из непрозрачной пластмассы. На верхней крышке расположены выходные клеммы и регулирующий клапан. Часто регулирующий клапан скрыт декоративно-защитной панелью и обнаружить его трудно. Регулирующий клапан имеет принципиальное отличие от пробки ЗНА, хотя в некоторых моделях выглядит как заливная пробка. Он осуществляет одностороннее пропускание газов из бака аккумулятора наружу, снимает избыточное давление, но препятствует проникновению газообразных примесей внутрь бака. Герметичные аккумуляторы в зависимости от способа связи электролита делят на два типа:

- аккумуляторы с микропористым сепаратором, который пропитывается сернокислотным электролитом. Капиллярная структура сепаратора предотвращает вытекание электролита. По такому принципу строятся аккумуляторы фирм OLDHAM France (АБ типа OPzS, TC, EG, ESPACE и др.), YUASA и CHLORIDE.

- аккумуляторы сжелеобразным силиконовымэлектролитомнетекучей, вязкой консистенции. Сепаратор в этом случае изготавливается аналогично “классическим” аккумуляторам. По такому принципу строятся аккумуляторы VARTA и HAGEN.

Во время эксплуатации закрытых и герметичных аккумуляторов должны обязательно соблюдаться следующие условия:

1. Содержание в режиме “плавающего заряда”, то есть превышение напряжения выпрямителя содержания над ЭДС АБ при любых изменениях этой ЭДС должно быть равно 0,14 В/элемент. Последнее равно напряжению поляризации кислотного аккумулятора. Величина ЭДС ЗНА и герметичных аккумуляторов различна. У герметичных она выше за счет более высокой концентрации электролита. Поэтому напряжение “плавающего” заряда в нормальных условиях равно ЭДС + напряжение поляризации = 2.14+ 0.14 = 2.28В/элемент. Динамика заряда приведена на рисунке, где обозначено: 1 – кривая напряжения, 2 – кривая тока (величина тока принята условно).

Динамика заряда аккумуляторов

2. Нестабильность напряжения “плавающего заряда” должна быть не более 1%, поскольку рекомбинация газа наиболее эффективна при малом газовыделении. При большом газовыделении избыток не рекомбинированного газа сбрасывается через клапан, что отрицательно сказывается на долговечности АБ.

3. Требуется температурная компенсация напряжения “плавающего заряда”. Понижение напряжения “плавающего заряда”, как и понижение температуры, ведут к саморазряду и уменьшению гарантированного времени разряда до конечного напряжения. На рисунке приведена типичная зависимость напряжения “плавающего заряда” от температуры, поддерживаемая выпрямителем содержания.

Зависимость напряжения “плавающего заряда” от температуры

4. Конечное напряжение разряда закрытых аккумуляторов может быть ниже, чем у открытых, благодаря лучшей диффузии активных веществ. Кроме того, эти аккумуляторы допускают разряд при низких температурах, хотя отдают при этом меньшую ёмкость.

Конечное напряжение в зависимости от температуры

Несоблюдение перечисленных условий приводит к значительному сокращению срока службы АБ. Так, например, повышение температуры на 10⁰С сокращает срок службы герметичных АБ в два раза, если номинальные параметры рассчитаны на температуру +20⁰С. На закрытые батареи температура оказывает меньшее влияние, но оно тоже существенно.

Электрические характеристики аккумуляторов

1. Емкость аккумулятора – это количество электричества, которое можно получить от аккумулятора в определенных условиях разряда.

Номинальная емкость аккумулятора, приведенная к условному 10-часовому режиму разряда при температуре среды 20^оС, зависит от ряда факторов: тока разряда I_р, времени разряда t_р и соответствующего ему коэффициента отдачи по емкости h_Q, температуры окружающей среды t_ср:

, (Aч)

где h_Q находится в пределах от 0,51…1,0 (см. далее таблицу 1).

В таблице указаны значения коэффициента отдачи по емкости h_Q, также коэффициенты кратности тока h_i, определяющие превышение разрядного тока приведенной величины в 10-часовом режиме разряда

(h_i = I_р / I_р10).

tр, ч
hQ		0,97	0,94	0,91	0,89	0,83	0,8	0,75	0,61
hi		1,1	1,15	1,3	1,48	1,66	2,0	2,5	3,05	5,1

2. Номинальное напряжениеаккумулятора – это напряжение на выводах полностью заряженного аккумулятора в течение первого часа разряда током 10 – часового режима разряда при температуре электролита 20°С (U_ЭЛ..НОМ = 2 В).

3. Напряжение в конце разряда равно U_ЭЛ.КР = (1,75…1,8) В. При разряде аккумулятора токами, превышающими ток 10 – часового режима разряда, напряжение в процессе разряда будет понижаться быстрее, чем в 10 – часовом режиме и достигнет уровня 1,8 В, когда с аккумулятора еще не снята номинальная емкость. В таких случаях, показателем окончания разряда является величина напряжения на одном элементе.

 

4. Величина напряжения для заряда должна быть больше ЭДС (E), так как зарядному току приходится преодолевать внутреннее сопротивление аккумулятора (напряжение поляризации, равное I_З×R_ВН): U_ЗАР=E+I_З×R_ВН= (2,14+0,14)В.

5. Внутреннее сопротивление аккумулятора R_ВН складывается из сопротивления аккумуляторных пластин, сепаратора и электролита. Внутреннее сопротивление увеличивается по мере разряда в силу уменьшения плотности электролита, а также в связи с образованием сульфата свинца. Омическое сопротивление одного, полностью заряженного, элемента составляет примерно 0,0036 Ом, а в состоянии полного разряда – 0,007 Ом.

6. Плотность электролита заряженного аккумулятора составляет

(1,25…1,3) г/см³, в состоянии разряда – 1,05 г/см³.

 

Солнечные батареи. Их работа основана на вентильном фотоэффекте в полупроводниках (фото-ЭДС на p-n переходе). Под действием световой энергии электроны в полупроводнике переходят на другой энергетический уровень, поддерживая ток во внешней цепи.

Максимум чувствительности кремниевого фотоэлемента находится на границе ИК – излучения (λ ≈ 0.75 мкм). На рисунке приведены примерные спектры солнечного излучения, человеческого глаза, селенового и кремниевого фотоэлементов. (Для справки: 0,4мкм – фиолетовый цвет, 0,55мкм – зелёный, 0,65мкм-красный).

.

Примерное соотношение спектров

Известно, что солнце посылает на землю мощность примерно 1 кВт/м² (на экваторе), в средних широтах - 300 Вт/м² , но это летом, зимой - 80 Вт/м². Извлечь её с помощью фотоэлементов можно с коэффициентом полезного действия 10…15%. Теоретически, максимальный КПД для кремниевого элемента составляет около 22% при напряжении 0,6В. Таким образом, для получения 5В, 40мА требуется около 12…15 фотоэлементов.

Поверхность солнечных батарей космических аппаратов составляет сотни квадратных метров.

Топливные элементы - преобразуют энергию углеводородного топлива в электрическую энергию без реакции горения и выделения большого количества тепла. Используется электрохимическое окисление топлива (водород, пропан, метан, керосин). Высокая надёжность, термостабильность и КПД . Напряжение на одном элементе при удельной энергии до 150 Вт ч/кг (в два раза выше, чем у аккумуляторов).

 

Термогенераторы – работаоснована на термоэлектрическом эффекте – нагрев контакта двух проводников или полупроводников приводит к появлению на их свободных (холодных) концах некоторой термо-ЭДС

, где - коэффициент термо-ЭДС, зависящий от материала термопары, - разность температур концов спая.

1 – Платина + медь

2 – Платина + железо

3 – Медь + железо

 

Величина термо - ЭДС довольно мала (металлы имеют высокую теплопроводность), поэтому элементы собирают в батареи.

Материал для термопары должен иметь:

а) высокую термо-ЭДС

б) высокую электропроводность

в) низкую теплопроводность

Этим требованиям лучше всего отвечают полупроводники. У них величина термо-ЭДС около 1мВ/1°C. Мировая практика имеет опыт построения термогенераторов при выходном напряжении 120В, токе до 500А и результирующем КПД 5…10%.

 

Генераторы постоянного и переменного тока. Рассмотрение электрических машин выходит за рамки настоящей дисциплины. Они подробно изложены в технической литературе (например, Кацман М.М. Электрические машины.- М.,2001.-463с.)

 

Контрольные вопросы

1. Определение емкости аккумуляторной батареи.

2. Электрические параметры аккумуляторной батареи.

3. Условия содержания батареи.

4. Классификация аккумуляторов.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: