Кпд аккумуляторных батарей – Аккумуляторы коэффициент полезного действия — Справочник химика 21

Аккумуляторы коэффициент полезного действия — Справочник химика 21





    Свинцовый аккумулятор отличается большим коэффициентом полезного действия, сравнительно большой электродвижущей силой, которая мало изменяется при разрядке. Свинцовый аккумулятор нашел широкое применение в различных подвижных уст ройствах — автомобилях, электрокарах, железнодорожных поездах, подводных лодках и др. [c.345]

    Железо-никелевый аккумулятор Эдисона, в противоположность свинцовому, хорошо переносит перегрузки и долгое стояние в заряженном состоянии. Благодаря этому, а также малому весу, он часто применяется вместо свинцового для обслуживания передвижных установок. Его напряжение на клеммах при разрядке составляет приблизительно 1,3 в, при зарядке 1,7 в. Вследствие значительной разницы между зарядным и разрядным напряжением он не обладает хорошим коэффициентом полезного действия поэтому для больших стационарных установок обычно пользуются свинцовым аккумулятором. [c.390]








    Расчет коэффициента полезного действия по энергии. Коэффициент полезного действия может быть рассчитан графически. Для этого строятся графики для разрядки и зарядки аккумулятора в координатах э. д. с.— время, при постоянстве силы зарядного и разрядного тока. Площадь, ограниченная осями координат и кривой, прямо пропорциональна количеству электрической энергии, затраченной соответственно при разрядке и зарядке аккумулятора. Коэффициент полезного действия по энергии равен отношению обеих площадей. [c.110]

    Недостатками щелочных аккумуляторов являются меньший коэффициент полезного действия по сравнению со свинцовыми, меньшая величина э.д.с., а также меньшая емкость. Напомним, что емкость аккумулятора выражается в ампер-часах и определяется тем наибольшим количеством электричества, которое можно получить от заряженного аккумулятора. [c.272]

    В отличие от свинцового (X 5 доп. 8), щелочной аккумулятор хорошо выдерживает перегрузку и длительное пребывание в разряженном состоянии. Благодаря этому, а также сравнительно малому весу и большей устойчивости по отношению к сотрясениям, он часто применяется для обслуживания различных передвижных установок. Основным недостатком щелочного аккумулятора является его значительно меньший коэффициент полезного действия. Поэтому для больших стационарных установок предпочтительнее свинцовый аккумулятор. [c.448]

    Любой обратимый элемент в принципе может служить аккумулятором, но технически приемлемым оказалось лишь очень ограниченное их число. Аккумуляторы должны иметь большую емкость энергии на единицу веса и объема, отличаться большим коэффициентом полезного действия и удовлетворять ряду других требований. [c.110]

    Свинцовые аккумуляторы имеют большую э. д. с. и обладают высоким коэффициентом полезного действия. [c.111]

    Целью настоящей работы является определение емкости и коэффициента полезного действия свинцового аккумулятора путем измерения напряжения и количества электричества, которое потребляется [c.111]

    Таким образом, первой и основной особенностью топливных элементов является возможность непосредственного преобразования химической энергии в электрическую с высоким коэффициентом полезного действия. Следует указать, что эта особенность, так же как и все изложенные выше термодинамические закономерности, относится не только к топливным элементам, но и к химическим источникам тока обычного типа —гальваническим элементам и аккумуляторам. В них, как это уже отмечалось ранее, также осуществляется прямое преобразование химической энергии активных веществ в электрическую энергию. Топливные элементы отличаются от обычных гальванических элементов и аккумуляторов тем, что в них компоненты реакции (топливо и окислитель) не заложены заранее в состав электродов, а непрерывно подаются к электродам в процессе работы. Поэтому они могут работать непрерывно и сколь угодно длительно, пока осуществляется подвод реагентов и отвод [c.490]

    Первой и основной особенностью топливных элементов является возможность непосредственного преобразования химической энергий в электрическую с высоким коэффициентом полезного действия. Следует указать, что эта особенность, так же как и все изложенные выше термодинамические закономерности, относится не только к топливным элементам, но и к химическим источникам тока обычного типа — гальваническим элементам и аккумуляторам. В них, как это уже отмечалось ранее, также осуществляется прямое преобразование химической энергии активных веществ в электрическую [c.547]

    При меньшем коэффициенте полезного действия и при меньшем напряжении железо-никелевые аккумуляторы имеют ряд преимуществ. Так, они требуют меньшего ухода и менее прихотливы, их способность к саморазряду весьма мала. Железо-никелевые аккумуляторы обладают также очень прочной конструкцией и выдерживают более сильную тряску и толчки, чем свинцовые аккумуляторы. Они очень легки, но мощность их не превышает 30 ватт на 1 кг веса аккумулятора. Для обслуживания транспорта железо-никелевые аккумуляторы имеют значительные преимущества. [c.406]

    Устройство, изготовленное по схеме, изображенной на рис. 188, имеет коэффициент полезного действия 24—27%. В настоящее время подобные устройства для заряда серебряно-цинковых аккумуляторов выпускаются промышленностью. [c.362]

    Данное устройство из-за сложности коммутации больших токов имеет смысл применять лишь для заряда аккумуляторов емкостью не более 5 а-ч. Коэффициент полезного действия устройства лежит в пределах 20—25%. [c.363]

    Щелочные аккумуляторы. Щелочные аккумуляторы в некоторых случаях являются более удобными, чем свинцовые. Срок службы их больше, чем у свинцовых. Они более стойки к толчкам и тряске. Разряжать их можно токами большой силы и они даже не боятся кратковременного короткого замыкания. На продолжительное время их можно оставлять в разряженном состоянии. Однако щелочные аккумуляторы имеют меньшую электродвижущую силу и меньший коэффициент полезного действия. В практике нашли применение два вида щелочных аккумуляторов кадмиево-никелевые и железоникелевые. Обычно они укомплектованы из батарей, содержащих от трех до тридцати двух банок. [c.110]

    В отношении аккумуляторов не привилось понятие коэффициент полезного действия . Общепринят термин отдача аккумулятора . Правилами Американского института инженеров-электри-ков понятие отдача трактуется следующим образом отдача аккумулятора — отношение количества энергии, отдаваемого аккумулятором, к получаемому количеству энергии, необходимому для восстановления первоначального состояния заряда при заданных температуре, токе и конечном напряжении. [c.54]

    Целью настоящей работы является определение емкости и коэффициента полезного действия свинцового аккумулятора путем [c.108]

    Одним из недостатков свинцового аккумулятора является его относительно большая тяжесть. Поэтому в ряде случаев используют более легкие аккумуляторы, например железо-никелевые, которые относятся к щелочным (электролитом является раствор щелочи, обычно КОН). Щелочные аккумуляторы в отличие от свинцовых не боятся толчков и встряхиваний,

www.chem21.info

Виды и типы аккумуляторов

На сегодня основным используемым типом аккумуляторов для ИБП и автономных решений являются кислотно-свинцовые и литий-ионные аккумуляторы.

 На рынке сегодня можно найти много разновидностей кислотно-свинцовых (LA = lead-acid) аккумуляторов и АКБ. Это стартерные, GEL, AGM, OPzV, OPzS. И из описаний «различных» типов LA аккумуляторов создаётся впечатление, что можно некоторым образом подобрать их и, заплатив таки весьма приличную сумму, надолго избавиться от этой проблемы. Однако это совсем не так.

Как бы красиво не назывался LA аккумулятор, в нём всегда есть водный раствор серной кислоты, свинец и их многочисленные соединения. Все прочие добавки в виде кальция, сурьмы, серебра … если и влияют на химические реакции, протекающие в ячейках, то только в худшую сторону. Применение этих добавок вызвано в основном физическими свойствами чистого свинца, а именно его мягкостью, которая не позволяет применять чистый свинец в АКБ автомобилей и других транспортных средств из-за вибраций и ударов. Классическая призматическая компоновка ячеек LA АКБ, мягко говоря, малооптимальна, батареи же из ячеек рулонного (циллиндрического) типа стоят несоразмерно дорого.
LA АКБ лучше всего работают при температуре около 25°С, при понижении температуры теряется  их электрическая ёмкость, а при повышении температуры снижается ресурс (количество циклов заряда-разряда). Так AGM батарея при 25°С может работать 10 лет, а при 33°С — только 5 лет, а при 42°С — 1 год. Оптимальная глубина разряда LA аккумуляторов обычно не превышает 30%, а при превышении оптимальной глубины разряда опять-таки снижается ресурс, причём иногда для того чтобы необратимо «убить» такой аккумулятор достаточно один раз разрядить его в ноль (например, на сильном морозе это легко сделать, как и случается с незаводящимися автомобилями). Вообще LA АКБ не любят недозаряда, хотя и перезаряд также вреден для них, и лучше всего работают в буферном режиме, а в системе автономного энергоснабжения АКБ работает в циклическом режиме. А, поскольку, любая батарея это последовательная цепочка из первичных ячеек, которые не могут быть совершенно идентичными, всегда возникает проблема разбалансировки уровней заряда на разных ячейках. Либо одни ячейки недозаряжаются, либо другие ячейки перезаряжаются, и проконтролировать это подручными средствами очень трудно. Несмотря на то, что все эти проблемы давно известны, не существует за внятные деньги аппаратуры, следящей за уровнями заряда для каждой ячейки, вероятно из-за того, что эти АКБ умирают тихо, а простейшие стартерные батареи стоят сравнительно недорого и в любом случае эксплуатируются в недружественных температурных режимах.

Это далеко не все, но вполне достаточные причины, чтобы считать LA аккумулятор очень нежным устройством. Этот аккумулятор может отработать заявленное количество циклов, но Вы должны постоянно следить за уровнем заряда в каждой его ячейке и эксплуатировать его при 20-25°С. Насколько это реально? Думаю, что это совершенно невыполнимая задача для простого пользователя. А результатом будут убитые за год-два аккумуляторы, может быть самые дорогие и стойкие продержаться три-четыре года. Поскольку же время жизни LA АКБ очень сильно зависит от множества трудно выдерживаемых в реальной жизни параметров, не один продавец не сможет внятно сказать, сколько реально прослужат LA АКБ именно у Вас. Зато открывается широкое поле для всякого рода недоговорённостей и умных слов, смысл которых сводится к следующему: кислотно-свинцовые АКБ у рядового пользователя ВСЕГДА проработают в несколько раз меньше в сравнении с максимально заявляемым сроком. Выражение «в несколько раз» при интенсивной эксплуатации я оцениваю как число между двумя и семью. И, наконец,  последний гвоздь в крышку гроба кислотно-свинцовых аккумуляторов. Они заряжаются очень долго – просто непозволительно долго. Нормальный ток зарядки в амперах для них составляет всего лишь 10% от амперчасов ёмкости АКБ (такой ток называется C/10 или 0,1C). Это означает следующее: даже если Вы возьмёте самые стойкие элементы OPzS и будете разряжать их до допустимых (но не оптимальных!) для них 70% разряда, то заряжать их Вам придётся около 6 часов, а потом «добивать» в импульсном режиме оставшиеся 5-10% ёмкости ещё 3-5 часов. Это не проблема для резервных систем, заряжаемых от сети, но очень неэффективно для автономных, внесетевых систем, и уж совсем неэффективно для зимней автономии, когда по времени солнца очень мало. Для добивки (полной зарядки) АКБ в пасмурную погоду потребуется несколько часов малопродуктивной работы топливного генератора практически на холостом ходу. А ведь все топливные генераторы не очень любят работать без нагрузки, т.е. в режиме холостого хода, они быстро теряют свой ресурс. Если же LA АКБ не дозаряжать, в них активно развиваются процессы сульфатации пластин, приводящие к снижению срока службы и реальной ёмкости. Сейчас на рынке появились LA АКБ, которые производитель «позволяет» заряжать до 80% ёмкости токами 0,3С, однако все основные параметры паспортной ёмкости как и прежде позиционируются на 0,05С. Это значит, что заряжая LA АКБ в таком режиме мы уменьшаем их ресурс и снижаем электрический КПД* АКБ. Для LA АКБ КПД = 65-80% (в зависимости от конкретного производителя и скоростей заряда и разряда)

Литий-ионные аккумуляторы, а именно LiFePO4 АКБ последнего поколения выглядят более предпочтительно как для использования в системах полной автономии так и для серьёзных резервных систем. Их КПД в автономных системах 96-99%. Диапазон рабочих температур от -40 до +60°С. В диапазоне от  0 до +35°С без существенного  снижения ёмкости и ресурса. Хорошо держат глубокий разряд. Циклический заряд-разряд до 60-80% от номинальной ёмкости абсолютно нормальное явление для литиевых АКБ. 100%-й разряд не убивает литиевую АКБ, а только незначительно (менее 0,1%) снижает её общий ресурс. Количество глубоких циклов заряда-разряда достигает 5-8 тысяч, что существенно превосходит показатели кислотно-свинцовых АКБ.  Ток зарядки литиевых АКБ может достигать 3С. Реально же нужны меньшие значения в диапазоне 0,3-0,5С, что позволяет за 1-2 часа заряжать АКБ. Причём необязательно заряжать АКБ на 100%, для литиевых батарей это несущественно. А ведь именно в режиме неполного заряда очень часто работает система автономного энергоснабжения.

Литиевая АКБ в сравнении с аналогичной по номинальной ёмкости AGM дороже последней приблизительно в 3,5 раза. Однако AGM имеет оптимальную глубину разряда около 40 %, и соотношение цен за эффективный ватт-час равно уже 2-м. Вспоминаем сроки жизни сравниваемых АКБ. Для AGM заявленный срок работы в буферном режиме при 25°С составляет 7 лет, при циклическом режиме 2-3 года, т.е. около 1000 циклов, для LiFePO4 батарей срок жизни как таковой не существует, кол-во же циклов таково, что можно говорить о 25 годах циклической эксплуатации. Т.е. время жизни LiFePO4 в 8-12 раз больше чем AGM. Подытоживая всё вышесказанное, итоговая стоимость 1 полезного кВт-ч в AGM будет в 5-8 раз выше чем в LiFePO4.

Кроме того важным преимуществом LiFePO4 АКБ является то, что в процессе работы они ничего не выделяют, их можно устанавливать в любом месте дома или офиса. А вот кислотно-свинцовые АКБ изначально требуют отдельного помещения с вентиляцией и поддержанием температуры в +20 +25°С, что сразу же удорожает вроде бы небольшую начальную стоимость этих АКБ.

* Коэффициент использования энергии или КПД АКБ, показывает отношение энергии, отданной АКБ, к энергии, израсходованной для её заряда

autonomno.ru

Лекция 3. аккумуляторы — стр. 2

Лекция 3. Аккумуляторы

План

  1. Основные понятия. Электрические характеристики и классификация аккумуляторов.

  2. Свинцовые аккумуляторы.

  3. Щелочные аккумуляторы.

  4. Стартерные батареи.

  5. Аккумуляторы с расплавленным и твердым электролитом.

  6. Применение аккумуляторов на железнодорожном транспорте.

1. Основные понятия. Электрические характеристики и классификация аккумуляторов.

Аккумуляторами называются устройства, в которых электрическая энергия превращается в химическую, а химическая – снова в электрическую. То есть они служат для накопления химической энергии, превращаемой по мере необходимости в электрическую. Аккумуляторы или аккумуляторные батареи (АКБ) относятся к вторичным (перезаряжаемым) химическим источникам тока, характеризующимся многократностью использования и обратимостью. После работы (разрядки) аккумулятора его можно перевести в исходное состояние путём зарядки – пропускания через него постоянного электрического тока от внешнего источника. При заряде аккумулятор работает как электролизер, а при разряде – как гальванический элемент.

Аккумулятор состоит из двух электродов (отрицательного заряженного анода и положительного заряженного катода) и электролита (ионного проводника) между ними. Анодом является электрод, на котором протекает окисление; катодом – электрод, на котором протекает восстановление.

Ёмкость аккумулятора – такое количество электричества, которое можно получить при работе элемента в режиме разряда до достижения минимального значения напряжения: С = I·t (А·ч). Ёмкость зависит от природы и количества активных масс в электродах, их конструкции и состояния, тока разряда, концентрации электролита и так далее.

ЭДС аккумулятора – разность электродных потенциалов катода и анода при разомкнутой внешней цепи: Еак = φк – φа. ЭДС АКБ равна сумме ЭДС аккумуляторов.

При разряде напряжение аккумулятора меньше ЭДС (из-за поляризации и омических потерь (внутреннего сопротивления)). В процессе его работы изменяется состав активных масс, и соответственно – ЭДС и напряжение. Кривые изменения напряжения аккумулятора во времени называют зарядными и разрядными кривыми. Зарядное напряжение увеличивается, а разрядное — уменьшается во времени (см. рисунок 3.1.).

U, ЭДС, В U, ЭДС, В

2,5 2,2

1,8 1,7

100 Степень 100 Степень

заряда разряда

Рисунок 3.1. Зарядные и разрядные кривые аккумуляторов

Энергия аккумулятора – это произведение его ёмкости на напряжение: W = C·U (Вт·ч). Она определяет то количество энергии, которое при разряде передается во внешнюю цепь.

Мощность аккумулятора – количество энергии, отдаваемое в единицу времени: Р = W / t (Вт).

Часто используют удельные значения энергии и мощности аккумуляторов – на единицу массы или объема или в единицу времени.

КПД аккумулятора – отношение энергии, полученной при разряде, к энергии, подведённой при заряде аккумулятора: η = Wp / Wз.

Срок службы аккумулятора – чаще измеряется в годах или в количестве разрядно-зарядных циклов.

На практике для оценки работы АКБ используют зависимость напряжения аккумулятора от силы тока (рисунок 3.2.). Резкое снижение напряжения на участках АВ и СД обусловлено электрохимической поляризацией электродов; на участке ВС изменение напряжения почти линейное (обусловлено ещё и омическими падениями). Чем меньше падение U с ростом I, тем лучше работает аккумулятор.

Классификацию аккумуляторов проводят в основном по химической природе электролита (рисунок 3.3). Кроме этого, они различаются по типу электродов и по конструкции.

U,В

А

В рисунок 3.2. Вольт-амперная кривая

С

Д

I, А

Аккумуляторы

Кислотные Щелочные с твёрдым электролитом с расплавленным

(свинцовые) Ni-Cd, Ni-Fe (S-Na) электролитом

(Cl-Li, FeS-Li)

Рисунок 3.3. Классификация аккумуляторов по типу электролита

2. Свинцовые аккумуляторы

Свинцовые аккумуляторы в настоящее время являются наиболее распространёнными, в том числе на железнодорожном транспорте. Они состоят из двух решетчатых свинцовых пластин (для увеличения площади поверхности и ёмкости). Отрицательный электрод заполняется металлическим свинцом, положительный – диоксидом свинца PbO2. Электрохимическая схема:

Анод (-) Pb / H2SO4 / PbO2 (+) Катод

Электроды погружены в электролит – 25-30% раствор серной кислоты с плотностью 1,18 – 1,22 г/см3. Кроме электролита, решётки электродов разделяются пористыми сепараторами.

Суммарная (токообразующая) реакция в аккумуляторе:

2 PbSO4 + 2 H2O ↔ Pb + PbO2 + 2H2SO4.

Прямая реакция в этой записи соответствует заряду аккумулятора, а обратная – его разряду (то есть его работе).

При зарядке аккумулятора протекают следующие реакции:

На аноде Pb+2SO4 + 2H2O – 2e = Pb+4O2 + H2SO4,

На катоде Pb+2SO4 + 2e = Pb0 + SO42-.

При разрядке аккумулятора (во время его работы):

На аноде Pb+4O2 + 2H2SO4 + 2e = Pb+2SO4 + 2H2O + SO42-;

На катоде Pb0 + SO42- — 2e = Pb+2SO4.

Когда при разрядке напряжение падает до ≈ 1,8 В, дальнейшую разрядку производить нельзя – электроды покрываются толстым слоем сульфата свинца, аккумулятор выходит из строя.

При работе кислотного свинцового аккумулятора нужно соблюдать ряд особенностей:

  • Строго контролировать плотность электролита, с учётом условий работы аккумулятора; в частности, его концентрация зимой должна быть выше, чем летом.

  • Следить за процессом заряда аккумулятора. Напряжение при заряде выше ЭДС (см рисунок 3.1.) и растёт в течение заряда, что ведёт в конце заряда к разложению воды по реакции 2Н2О = 2Н2 + О2. Поэтому выделение пузырьков газа («кипение») служит признаком окончания заряда.

Достоинства кислотных аккумуляторов: высокие значения КПД (≈ 80%) и ЭДС (≈ 2 В), малое изменение напряжения при разряде, простота, невысокая цена, высокая удельная мощность (до 300 Вт/кг).

Недостатки кислотных аккумуляторов: небольшая удельная энергия, высокий саморазряд при длительном хранении, относительно малый срок службы (около 5 лет), токсичность свинца.

3. Щелочные аккумуляторы

Среди аккумуляторов с щелочным электролитом наиболее распространены никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель-железные (Ni-Fe) аккумуляторы. Здесь положительный электрод содержит гидроксид никеля (III) Ni(OH)3 (или NiOOH), а отрицательный – соответственно кадмий или железо. В качестве электролита используется 20-23% раствор гидроксида калия КОН, с плотностью 1,21 г/см3. Так, при работе Ni-Fe аккумулятора суммарное уравнение

Fe + 2Ni(OH)3 ↔ Fe(OH)2 + 2Ni(OH)2.

При разрядке на аноде Fe – 2e = Fe2+ ,

на катоде Ni(OH)3 + e = Ni(OH)2 + OH.

Достоинства щелочных аккумуляторов: большой срок службы (до 10 лет), высокая механическая прочность; недостатки – невысокие КПД и разрядное напряжение.

В последнее время получили распространение серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы. Их достоинства – малый объём и вес, небольшое падение мощности при интенсивной работе; недостатки – высокая стоимость и нестабильная работа при низких температурах.

4. Стартерные батареи

Аккумуляторные стартерные батареи собираются в одном моноблоке – многоячеечном пластмассовом или эбонитовом корпусе. В каждой ячейке разделенные сепараторами электроды собраны в блок. Каждый электрод состоит из активной массы и металлической решетки, которая служит каркасом и токоотводом. Сепараторы изготавливают из пористой кислотостойкой пластмассы. В пробке, закрывающей отверстие для заливки электролита, имеются вентиляционное отверстие (для выхода газов) и отражатель (для предотвращения выплескивания). В последнее время в электродные массы таких АКБ добавляют сурьму и сплавы на основе свинца и кальция. Это приводит к более низкому газовыделению, снижению скорости саморазряда и незначительному расходу электролита.

Основные неисправности стартерных батарей.

  • Внешние – трещины в моноблоках, крышках, повреждение пробок, окисление или излом токоотводов.

  • Внутренние – разрушение электродов, коррозия, оплывание активной массы, короткое замыкание, переполюсовка электродов, их сульфатация, повышенный саморазряд и т.д.

Для борьбы с внутренними неисправностями нужно избегать частых и длительных перезарядов АКБ, соблюдать плотность электролита, не допускать в нём посторонних примесей, применять для приготовления электролита только дистиллированную воду. Хранить заряженные АКБ с электролитом нужно в прохладных помещениях при постоянной температуре.

5. Аккумуляторы с расплавленным и твёрдым электролитом

В последние годы разрабатываются аккумуляторы с литиевым отрицательным электродом, неводным раствором электролита и положительным электродом на базе углерода, оксидов ванадия, никеля, кобальта и марганца.

Представителем аккумуляторов с расплавленным электролитом является хлор-литиевый аккумулятор. На графитовом стержне адсорбирован газообразный хлор:

(–) Li / LiCl, KCl / Cl2, C (+)

Суммарный электрохимический процесс: 2Li + Cl2 ↔ 2 LiCl.

Преимущества такого аккумулятора – высокая удельная энергия (до 400 Вт*ч/кг) и мощность (до 2000 Вт/кг). Недостатки – высокая коррозионная активность электролита, токсичность хлора, взрывоопасность.

Сейчас перспективными считаются аккумуляторы, где вместо чистого лития используются его сплавы с кремнием, алюминием, а катод состоит из хлористого теллура: (–) Li, Al / LiCl, KCl / TeCl4 (+).

Также активно разрабатываются аккумуляторы с твёрдыми и неводными электролитами (пропиленкарбонатом, фторуглеродами CFx, тионилхлоридом SOCl2 и др.). Такие аккумуляторы уже сейчас дешевы, их ресурс составляет более 1000 циклов, у них высокая удельная энергия, однако пока они работают при малых токах.

6. Применение аккумуляторов на железнодорожном транспорте

Наиболее распространены и популярны на подвижном составе кислотные свинцовые аккумуляторы – этим они обязаны прежде всего стартерным батареям, предназначенным для различных средств передвижения. Они применяются для запуска двигателей внутреннего сгорания и являются тяговыми устройствами на маневровых электровозах, электрокарах и т.д.

Закрытые свинцовые аккумуляторы (АБН-72, АБН-80 — антиблокировочные намазанные) используются в стационарных и напольных условиях для питания устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, а также на железнодорожных путях и сортировочных горках, имеющих электрическую и диспетчерскую централизацию. На их базе комплектуется большинство стационарных и вагонных батарей. Так, на тепловозах в основном применяют стартерные батареи 3-СТ-60 и 6-СТ-42 («3» или «6» — число последовательно соединенных аккумуляторов в АКБ, «60» или «42» — номинальная емкость при 10-часовом непрерывном режиме разряда).

Щелочные аккумуляторы применяются также достаточно широко: на тепловозах, пассажирских вагонах, электрокарах, погрузчиках, рудничных электровозах, в переносной аппаратуре, для питания аппаратуры связи и электронной аппаратуры.

Для переносных и портативных приборов и бытовой техники всё чаще используют литиевые аккумуляторы с расплавленным и твёрдым электролитом. Они имеют ёмкость до 10 А·ч и рассчитаны на длительный режим разрядки; являются многоцелевыми: обеспечивают работу радиоэлектронных и светотехнических изделий, переносных приборов и т.д. (транзисторных радиоприемников, карманных фонарей, тестеров, электрочасов, табло и пр.).

Лекция 4. Топливные элементы

План

  1. Основные понятия.

  2. Устройство топливных элементов (ТЭ). Водородно-кислородные элементы с различными электролитами.

  3. Установки с электрохимическим генератором.

  4. Применение топливных элементов.

1. Основные понятия

Топливные элементы (ТЭ) – это химические источники тока, в которых электроэнергия возникает за счёт химической реакции между топливом (восстановителем) и окислителем. Такие элементы могут работать длительное время, так как окислитель и восстановитель хранятся отдельно, вне элемента, а в процессе работы подаются к электродам – непрерывно и раздельно.

В качестве топлива используются жидкие и газообразные восстановители: водород, метан и другие углеводороды, метиловый спирт, гидразин; основные окислители – это кислород и перекись водорода.

Удельная энергия топливных элементов выше, чем у обычных гальванических элементов. Для большинства ТЭ ЭДС равна 1,0 – 1,5 В.

Для уменьшения внутреннего сопротивления в ТЭ применяют электроды с высокой электрической проводимостью. Для уменьшения поляризации используют электроды с высокоразвитой поверхностью, на которые наносят различные катализаторы: платину, палладий, серебро, борид никеля и другие.

  1. Устройство топливных элементов (ТЭ). Водородно-кислородные элементы с различными электролитами.

Рассмотрим устройство ТЭ на примере наиболее распространенного кислородно-водородного элемента с щелочным электролитом. Превращение химической энергии в электрическую происходит при протекании реакции 2Н22=2Н2О. При этом генерируется постоянный ток. К аноду подводится топливо (Н2), к катоду – окислитель (О2 или воздух). Между электродами находится электролит – раствор щелочи (в основном КОН).

Н2О N2

1 2 3

Н2 О2 (воздух)

Рисунок 4.1. Устройство топливного элемента. 1 – анод, 2 – электролит, 3 – катод.

Схема данного элемента:

А (-) Н2, М / КОН/ М, О2 (+) К

Здесь М – катализатор (проводник первого рода).

Анодный процесс: Н2 + 2 ОН — 2е = 2 Н2О;

Катодный процесс: О2 + 2 Н2О + 4е = 4 ОН.

Суммарный процесс: 2 Н2 + О2 = 2 Н2О.

Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе – движение ионов от катода к аноду.

На практике также широко применяется кислородно-гидразиновый элемент, схема которого:

(-) Ni, N2H4 / KOH / О2, С (+)

Здесь анодом является никелевый электрод, а катодом – графитовый стержень. При работе такого ТЭ на аноде N2H4 + 4 OH = N2 + 4H2O + 4 e, на катоде О2 + 2Н2О + 4е = 4 ОН. Суммарная реакция N2H4 + O2 = N2 + 2H2O.

Вышеперечисленные ТЭ способны работать уже при комнатной температуре (их ещё называют низкотемпературными).

Другие ТЭ (с электролитами из фосфорной кислоты, полимерными ионообменными мембранами) работают при температурах от 100 до 3000С. У данных ТЭ на аноде: 2Н2 – 4е = 4 Н+; на катоде О2 + 2Н2О + 4е = 4 ОН.

Основные проблемы при функционировании ТЭ: чистота топлива (влияющая на его окисляемость), выбор катализатора (с целью удешевления ТЭ), повышение срока службы ТЭ. Сейчас в основном водород для ТЭ получают конверсией метана: СН4 + 2Н2О = СО2 + 4Н2.

3. Установки с электрохимическим генератором

В отличие от гальванических элементов ТЭ не могут работать без вспомогательных устройств. Для повышения напряжения, силы тока и мощности ТЭ соединяют в батареи. Система, состоящая из батареи ТЭ, устройств для подвода топлива и окислителя (а также их хранения и обработки), отвода продуктов реакции, регулировки температуры и преобразования тока и напряжения называется электрохимическим генератором (ЭХГ), или электрохимической установкой. Схема ЭХГ показана на рисунке 4.2.

Отвод продуктов реакции генератор отвод тепла

Нагрузка

Подача топлива батарея ТЭ подача окислителя

Система контроля температуры

Рисунок 4.2. Схема установки с ЭХГ.

4. Применение топливных элементов

ТЭ придаётся большое значение в связи с тем, что их КПД близок к 100%, и они могут применяться во многих отраслях хозяйства, не загрязняя окружающую среду. С каждым годом их применение всё шире. Основные сферы применения ТЭ: космические корабли и станции, электромобили и транспорт, стационарные энергоустановки.

В настоящее время созданы кислородно-гидразиновые ЭХГ, имеющие мощность 50 кВт. Срок их службы – 2000 ч. Они производят электроэнергию в любое время суток, надёжны в эксплуатации, имеют малые размеры и способны выдерживать различные перегрузки. На космических кораблях и подводных лодках ЭХГ обеспечивают людей не только электроэнергией, но и водой.

Наиболее распространены ЭХГ с щелочным электролитом, они обладают удельной энергией 400-800 Вт·ч/кг и КПД 70%, мощностью около 10 кВт.

В последние годы всё больше уделяется внимание разработке ТЭ для различных мобильных приборов и устройств (ноутбуков, видеокамер и т.п.), а также ЭХГ для электромобилей, работающих на водороде или метаноле. Многочисленные публикации в научно-популярной прессе, сюжеты по ТВ подтверждают то, что дальнейшее совершенствование ТЭ является одним из самых перспективных направлений в развитии энергетики. ЭХГ ещё пока относительно дороги, однако сейчас ведутся интенсивные работы по их удешевлению с целью широкого использования экологически чистой энергии.

Лекция 5. Коррозия.

Теоретические вопросы в области коррозии

План

  1. Определение коррозии и значение коррозионной проблемы.

  2. Прямые и косвенные потери от коррозии.

  3. Причины возникновения коррозии.

  4. Химическая коррозия.

  5. Электрохимическая коррозия.

  6. Влияние водородного показателя среды на скорость коррозии.

  7. Оценка коррозионной стойкости металлов.

  1. Определение коррозии и значение коррозионной проблемы

Коррозия – это разрушение металлов в результате химической или электрохимической реакции. Разрушение металла, происходящее по физическим причинам, не является коррозией, а известно как эрозия, износ или истирание. В некоторых случаях химическое воздействие сопровождается физическим разрушением и называется коррозионным износом или фреттинг-коррозией. Это определение не распространяется на неметаллические материалы (пластмасса, дерево, гранит, цемент и бетон).

Ржавлением называется коррозия железа и его сплавов, с образованием продуктов, состоящих в основном из гидратированных оксидов железа. При коррозии цветных металлов о ржавлении обычно не говорят.

Ввиду того, что коррозия включает в себя химические превращения, для понимания теории коррозии необходимо знать основы электрохимии, так как коррозионные процессы в большинстве своем являются электрохимическими.

Значение коррозионных исследований определяется тремя аспектами.

Первый аспект – экономический. Его цель – уменьшение материальных потерь (в результате коррозии трубопроводов, резервуаров, котлов, деталей машин, судов, мостов, железнодорожных рельсов, подвижного состава).

Второй аспект – повышение надежности оборудования, которое в результате коррозии может разрушаться с катастрофическими последствиями (трубопроводы высокого давления, контейнеры для токсичных материалов, лопасти и роторы турбин, деталей самолетов, АЭС, систем захоронения радиоактивных отходов и т.п.).

Третий аспект – сохранность металлического фонда.

2. Прямые и косвенные потери от коррозии.

Различают прямые и косвенные потери от коррозии.

Под прямыми потерями понимают стоимость замены прокорродированных конструкций или их частей. Другими примерами прямых потерь могут служить затраты на перекраску конструкций для предотвращения ржавления или эксплуатационные затраты, нанесение защитных металлических покрытий. Прямые потери легко подсчитать.

Гораздо труднее поддаются расчетам косвенные потери, даже по приближенным оценкам они исчисляются миллиардами долларов по всему миру. Так, в США общая сумма прямых потерь – 4,2 % валового национального продукта. В России ежегодно до 20 % всего выплавляемого металла подвергается коррозии.

Примеры косвенных потерь от коррозии:

  • Простои (например, замена прокорродированной трубы или участка железнодорожного пути) – учитывается недовыработка продукции за время простоя.

  • Потеря готовой продукции (утечка нефти, газа, воды).

  • Потеря мощности – из-за отложения продуктов коррозии, так как, например, нарушается теплообмен или уменьшается полезный рабочий просвет трубопроводов. А в результате коррозии поршневых колец и стенок цилиндров ДВС увеличивается расход бензина и масла.

  • Загрязнение продукции. Небольшие количества металлов в результате коррозии могут испортить партию продукции – поменять цвет красителей, ухудшить качество (особенно продуктов питания).

  • Допуски на коррозию. Речь идёт о том, что приходится в ряде случаев в расчёте на коррозию изготавливать толщину стенок изделий больше, чем надо, а это затраты средств.

В ряде случаев косвенные потери не могут быть вообще выражены в денежных единицах – к ним можно отнести аварии, взрывы, пожары, крушения и пр., особенно связанные с человеческими жертвами.

Как бы то ни было, коррозия приносит народному хозяйству огромные убытки. Коррозия сопровождается не только потерей металла, но и понижением его механической прочности.

3. Причины возникновения коррозии.

Основной причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов и сплавов в окружающей среде.

Подавляющее большинство металлов в земной коре находится в виде оксидов, сульфидов и других соединений. При получении металлов в металлургии их переводят из такого стабильного состояния в элементарную форму, которая нестабильна. При контакте металла с внешней окислительной средой появляется движущая сила, стремящаяся превратить его в стабильные соединения, подобные тем, которые находятся в рудах. Примером является коррозия стали: железо переводится из элементарного состояния в окисленное (двух- и трехвалентное), которое соответствует таким минералам, как магнетит Fe3O4 или лимонит Fe2O3·H2O.

Термодинамическая неустойчивость металлов количественно оценивается знаком и величиной изобарно-изотермического потенциала ΔG (энергии Гиббса). Самопроизвольно протекают те процессы, которые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса, то есть для которых ΔG меньше нуля. Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, имеют по сравнению с водородом более отрицательный потенциал, их окисленное состояние более устойчиво термодинамически, чем восстановленное. Для металлов, расположенных после водорода, восстановленное состояние термодинамически более устойчиво, то есть для них ΔG процесса окисления больше нуля. К этой группе металлов относятся коррозионно-стойкие золото, серебро, платина и др.

refdb.ru

3. Исследование зарядки аккумулятора от солнечной батареи и определение кпд регулятора заряда, аккумулятора и инвертора

При
зарядке аккумулятора без регулятора
заряда при токе, не превышающем значения
в 8% от ёмкости аккумулятора, можно
говорить не о зарядке, а только о
подзарядке аккумулятора. Однако, в
установке содержится регулятор заряда,
который имеет несколько режимов зарядки
аккумулятора: 1. Заряд максимальным
током: на этой стадии батарея получает
весь ток, поступающий от солнечных
модулей. 2. ШИМ заряд: когда напряжение
на аккумуляторе достигает определенного
уровня, контроллер начинает поддерживать
постоянное напряжение за счет ШИМ тока
заряда. Это предотвращает перегрев и
газообразование в аккумуляторе. Ток
постепенно уменьшается по мере заряда
аккумуляторной батареи. 3. Выравнивание:
Многие батареи с жидким электролитом
улучшают свою работу при периодическом
заряде до газообразования, при этом
выравниваются напряжения на различных
банках АБ и происходит очищение пластин
и перемешивание электролита. 4.
Поддерживающий заряд: Когда АБ полностью
заряжена, зарядное напряжение уменьшается
для предотвращения дальнейшего нагрева
или газообразования в батарее. АБ
поддерживается в заряженном состоянии.

ШИМ –
широтно-импульсная модуляция, которая
используется в контроллерах заряда
аккумулятора для 100%-ной зарядки даже
при низком значении входного тока.

В установке
используется регулятор заряда Steca Solar
с ШИМ. Регулятор заряда во время своей
работы может изменять режим зарядки,
но из-за высокой емкости батареи и
низкого значения тока зарядки, требуется
большое количество времени для изучения
работы контроллера во всех его режимах.
Поэтому изучим работу контролера в
начальной стадии зарядки, когда значение
тока примерно постоянно.[5]

3.1.
Изучение процесса зарядки-разрядки
аккумулятора. Определение КПД всей
системы без солнечной батареи

[6]

Исследуем
КПД системы в целом, то есть системы,
состоящей из солнечной батареи, регулятора
заряда, аккумулятора и инвертора. Для
этого разрядим аккумулятор до состояния,
пока регулятор заряда автоматически
не отключит нагрузку от аккумулятора.
Отключение происходит при напряжении
ниже 11 вольт под нагрузкой. Потом
произведём зарядку аккумулятора в
течение одного часа, затем подключаем
нагрузку известной мощности. Зная
среднюю мощность питания при зарядке,
мощность потребителя, время заряда и
разряда под нагрузкой, можно определить
суммарный КПД. Основной принцип состоит
в следующем: количество энергии,
использованное потребителем от
аккумулятора, равно количеству энергии
потраченной на зарядку аккумулятора,
умноженное на КПД всей системы.

Параметры
процесса зарядки аккумулятора занесём
в таблицу:

Табл. 3.1. Основные параметры
на входе в регулятор заряда.

Временная
зависимость изменения напряжения и
тока на входе в регулятор заряда, при
зарядке аккумулятора приведена в виде
графиков на рис. 3.1 и рис. 3.2:

Рис. 3.1. Изменение напряжения
во времени на входе в регулятор заряда.

Временная
зависимость напряжения зарядки
аккумулятора повторяет временную
зависимость для питающего напряжения
контроллера заряда, единственное отличие
в том, что напряжение на аккумуляторе
при зарядке ниже на 0.3-0.35 вольта, чем на
контроллере заряда. По форме график
изменения напряжения аккумулятора при
зарядке полностью аналогичен графику
на рис.3.1. Напряжение в начальный момент
достаточно быстро возрастает, затем
скорость роста замедляется.

Рис. 3.2. Изменение силы тока
во времени на входе в регулятор заряда.

Значение
тока на входе в контроллер заряда
изменяется незначительно, несколько
уменьшаясь от начального значения, что
значит, что в начальный момент времени
контроллер заряда действительно
использует постоянный ток зарядки.
Значения силы тока до регулятора заряда
и после него во время всего процесса
зарядки совпадают.

Мощность,
получаемая контроллером заряда от
солнечной батареи, примерно соответствует
мощности для данного уровня освещённости
при напряжении питания ламп в 240 вольт
(см. табл. 2.4). Используем максимальное
напряжение питания ламп, так как при
этом получаем максимальный выход энергии
с солнечной батареи, при этом лампы
имеют наиболее эффективный спектральный
состав.

Рис. 3.3. Процесс разрядки аккумулятора.

Зарядив
аккумулятор, изучим процесс его разрядки
(рис. 3.3). Потребителем служит инвертор
Mobilen EP-75, к которому подсоединена
энергосберегающая лампа на 11ватт.
Падение напряжения на аккумуляторе при
его разрядке приведено в табл. 3.2:

Табл. 3.2. Временная зависимость напряжения
при разрядке аккумулятора.

Рис. 3.4. График изменения напряжения во
времени при разрядке аккумулятора.

График
изменения напряжения при зарядке и
разрядке аккумулятора соответствует
теоретической зависимости зарядки-разрядки
для данного типа аккумуляторов (рис.
3.5):

Рис. 3.5. Теоретическое
изменение напряжения при зарядке-разрядке.

При
зарядке напряжение измерялось на входе
в регулятор заряда, на самом же аккумуляторе
напряжение было на 0.3-0.35 вольта ниже,
следовательно, кривые зарядки и разрядки
аккумулятора, полученные практически
(рис. 3.1 и рис 3.2) соответствуют теоретическим,
при процессе неполной зарядки.

КПД всей системы посчитаем по формуле:

(3.1)

где Wпотр,
[Вт] – мощность потребителя, tпотр,
[час] – время потребления энергии
(разрядки) до автоматического отключения,
Wзар
ср
, [Вт] – мощность
источника зарядки аккумулятора, tзар,
[час] – время зарядки аккумулятора.

Wпотр
= 11 Вт,

Wзар
= 2.107 Вт, (см. табл. 3.1),

tпотр
= 8.5 мин = 0,1417 часа

tзар
= 1 час.

η = 0.7397 = 73.97%

Суммарный
КПД регулятора заряда, аккумулятора и
инвертора составил 74 процента, вычислим
КПД каждого из этих устройств.

3.2.
Определение КПД инвертора
[6]

В п. 3.1.
был рассчитан суммарный КПД для всей
системы. Чтобы определить КПД инвертора,
исследуем процесс зарядки-разрядки без
инвертора. Сравнив КПД работы системы
с инвертором и без него, можно достаточно
точно определить его КПД. Процесс зарядки
аккумулятора полностью аналогичен
процессу зарядки в п.3.1. Для разрядки
аккумулятора используем лампу постоянного
напряжения на 12 вольт и примерно такой
же мощности, что и в предыдущем случае:
Wпотр2
= 10 Вт. Изменение напряжения во времени
в процессе разрядки аккумулятора
приведена в табл. 3.3:

Табл. 3.3. Временная зависимость изменения
напряжения при разрядке аккумулятора.

Рис. 3.5. График изменения напряжения во
времени при разрядке аккумулятора.

tпотр
= 10.5 мин = 0,175 часа,

tзар
= 1 час,

Wпотр
= 10 Вт,

Wзар
= 2.107 Вт, (см. табл. 3.1).

Рассчитаем
КПД регулятора заряда и аккумулятора
без инвертора по формуле 3.1:

η = 0.8306 = 83.06%

Отсюда
видно, что КПД системы без использования
инвертора выше. КПД инвертора определим
как частное при работе с инвертором и
без него:

η = 0.8905 = 89.05%

КПД
инвертора составил 89.05 процентов, что
практически совпадает с его КПД в 90
процентов, заявленных в его заводских
характеристиках.

studfiles.net

Аккумуляторы

Лекция
7.

Аккумулятором
называют
химический
источник тока многократного действия.
При разряде аккумулятора химическая
энергия активных веществ, входящих в
состав катода, анода и электролита,
преобразуется в электрическую энергию,
при этом активные вещества превращаются
в продукты разряда. При заряде аккумулятора
подводимая электрическая энергия
расходуется на регенерацию продуктов
разряда.

В
зависимости от состава электролита
аккумуляторы бывают кислотными и
щелочными.

В
кислотных аккумуляторах электролитом
служит водный раствор серной кислоты
2SO4),
в котором некоторая часть молекул
последней распадается на положительные
ионы водорода (Н2+)
и отрицательные ионы кислотного остатка
(SO4—).
При этом раствор в целом остаётся
электрически нейтральным.

При
погружении в электролит пластины из
чистого свинца положительные ионы
(Pb++) переходят в раствор электролита.
Часть этих ионов, вступая в реакцию с
ионами кислотного остатка, образуют
нейтральные молекулы сульфата свинца
(PbSO4),
оседающего на пластине, что повышает
концентрацию положительных ионов
водорода в электролите. Сама пластина
ввиду избытка электронов заражает
отрицательно (отрицательный электрод).

Если
в электролит погрузить вторую пластину
из диоксида свинца (PbO2),
то ввиду повышенной концентрации ионов
водорода диоксид свинца частично
переходит в раствор, образуя положительные
четырёхвалентные ионы свинца (Pb++++) и
отрицательные ионы гидроксида (НО-).
Сама пластина из-за избытка положительных
ионов свинца заряжается положительно
(положительный электрод). Повышение
концентрации серной кислоты увеличивает
потенциалы положительного и отрицательного
электродов относительно электролита.

Электродвижущая
сила Е
такого простейшего аккумулятора
определяется разностью равновесных
потенциалов положительного и отрицательного
электродов относительно электролита
и не зависит от размеров и конструкции
самих электродов.

При
подключении к аккумулятору нагрузки
под действием ЭДС во внешней цепи будет
протекать ток, обусловленный перемещением
электронов от отрицательного электрода,
присоединяя на свой внешний энергетический
уровень по два электрона, становятся
двухвалентными ионами, которые, вступая
в реакцию с отрицательными ионами
кислотного остатка, образуют молекулы
сульфата свинца. При уменьшении числа
электронов на отрицательном электроде
нарушается равновесное состояние, в
результате чего новые положительные
ионы свинца (Рb++) переходят в раствор
электролита и вступают в реакцию с
ионами кислотного остатка. Ток внутри
аккумулятора обусловлен перемещением
положительных ионов водорода к
положительному электроду. При этом в
результате взаимодействия ионов водорода
с отрицательными ионами гидроксида
образуются молекулы воды. Следовательно,
при разряде аккумулятора на обоих
электродах выделяется сульфат свинца
и уменьшается плотность электролита.
При заряде аккумулятора сульфат на
одном электроде превращается в свинец,
а на другом – в диоксид свинца РbО2,
причём концентрация Н2SO4
в электролите повышается.

Протекающие
в кислотных аккумуляторах обратимые
процессы можно изобразить следующим
образом: Pb+РbО2+2H2SO42PbSO4+2H2O.
При разряде равновесие
сдвигается слева направо, а при заряде
справа налево. Кроме того, при заряде
на отрицательном электроде возможно
восстановление ионов водорода и
образование газообразного водорода.

Электродвижущая
сила полностью заряженного кислотного
аккумулятора, зависящая от плотности
электролита, лежит в пределах 2,06…2,15 В.
плотность электролита заряженного
аккумулятора составляет 1,21…1,3 г/см3.
Верхний уровень плотности относится к
стартерным аккумуляторам, эксплуатируемым
в зимнее время. Изменение температуры
незначительно влияет на ЭДС. Повышение
температуры на 10C
увеличивает ЭДС на 0,002…0,003 В.

При
разряде аккумулятора напряжение между
его выводами всегда меньше ЭДС за счёт
падения напряжения на омическом
сопротивлении и поляризации электродов.
Омическое сопротивление аккумулятора,
представляющее собой сумму омических
сопротивлений электролита, электродов
и других токоведущих частей, не зависит
от силы разрядного тока. Под поляризации
электрода понимают разность между
потенциалом электрода относительно
электролита при разряде (или заряде) и
его значением при равновесии. Отношение
суммы поляризации положительного и
отрицательного электродов к силе
разрядного тока называется поляризационным
сопротивлением. Это сопротивление
зависит от силы тока. Внутреннее
сопротивление аккумулятора при разряде
rр
представляет собой сумму поляризационного
и омического сопротивлений.

Поляризация
аккумулятора связана, прежде всего, с
изменением плотности электролита
непосредственно у электродов, так как
образование сульфата свинца, имеющего
существенно больший объём по сравнению
со свинцом или диоксидом свинца,
затрудняет диффузию серной кислоты к
активной массе электродов. Уменьшение
плотности электролита непосредственно
у пластин тем больше, чем больше разрядный
ток. Кривые изменения напряжения во
времени при разряде и заряде неизменным
током показаны на рис. 1.3.

Рис. 1.3.
Напряжение и ЭДС кислотного аккумулятора
при разряде и заряде.

Как
видно из рис. 1.3, разрядное напряжение
быстро спадает до 2,0 В, затем медленно
понижается до 1,8 В, после чего
наблюдается резкое снижение напряжения.
Предельное значение разрядного
напряжения, до которого можно разряжать
аккумулятор стационарного типа,
составляет 1,8 В для режимов разряда
не короче одночасового (аккумуляторов
типа СН для режимов разряда не короче
трёхчасового) и 1,75 В для более коротких
режимов разряда. Дальнейший разряд
приводит к образованию крупнокристаллического
сульфата свинца на пластинах, что
исключает возможность последующего
эксплуатационного заряда аккумулятора.
Номинальным напряжением принято считать
напряжение 2,0 В.

Количество
электричества (Ач),
которое может отдать полностью заряжённый
аккумулятор при нормальных условиях
разряда, указанных для него, называется
номинальной ёмкостью.

Под
номинальной ёмкостью
стационарных аккумуляторов, применяемых
на предприятиях связи, понимают то
количество электричества, которое он
может отдать при 10 – часового режима
разряда (СЦ) неизменном токе и температуре
электролита +25С
(для аккумуляторов типа СН принята
температура +20С).
Величина тока 10 — часового режима разряда
численно равна частному от деления
номинальной ёмкости на 10.

Ёмкость
аккумулятора зависит от его конструкции,
количества активных материалов и режима
разряда (тока разряда и температуры
окружающей среды). При увеличении
разрядного тока ёмкость, которую может
отдать аккумулятор до достижения его
предельного разрядного напряжения,
уменьшается, так как при этом возрастают
его поляризации и омические потери
(например, для аккумулятора типа СН
номинальной ёмкостью С10=72 Ач
при часовом режиме разряда током 18 А
завод – изготовитель гарантирует
ёмкость С3=54 Ач).
Поляризация и омическое сопротивление
аккумулятора возрастают также с
понижением температуры электролита.

Под
удельной ёмкостью
аккумулятора понимают отношение его
номинальной ёмкости к объёму или массе.
Под энергией аккумулятора А
понимают произведение его ёмкости С
на среднее напряжение при разряде
Ucp(A=Cucp).
Отношение энергии аккумулятора, которую
он отдаёт при разряде, к энергии,
необходимой для его заряда А3
при определённых
условиях, называется отдачей по энергии
(КПД аккумулятора).

При
заряде кислотного аккумулятора неизменным
по величине током напряжение его
сравнительно быстро возрастает до
2,10…2,15 В (рис. 1.3). Затем напряжение
медленно растёт до 2,3…2,35 В по мере
восстановления активной массы пластин
и повышении плотности электролита. При
напряжениях выше 2,4…2,5 В начинается
бурное выделение водорода и кислорода,
связанное с электролизом воды. К концу
заряда, когда восстановление активных
масс пластин закончено, энергия заряда
расходуется только на электролиз воды.
При этом напряжение на аккумуляторе
остаётся неизменным.

Температура
электролита существенно влияет на
напряжение во время его заряда. Понижение
температуры, вызывающее увеличение его
внутреннего зарядного сопротивления,
приводит к повышению напряжения на нём.
Следует отметить, что при низких
температурах (близких к нулевой) не
удаётся осуществить заряд кислотного
аккумулятора, так как напряжение на нём
сразу возрастает до значения, при котором
начинается электролиз воды.

В
отключённом состоянии (без нагрузки)
заряженный аккумулятор теряет часть
запасной им ёмкости. Это явление носит
название саморазряда. Саморазряд
аккумулятора увеличивается с повышением
плотности электролита и его температуры.

На
предприятиях связи в настоящее время
находят широкое применение, как
стационарные кислотные аккумуляторы,
так и стартёрные.

Каждый
кислотный аккумулятор состоит из сосуда,
изготовленного из кислотоустойчивого
материала (стекло, пластмасса, деревянные
сосуды, выложенные внутри свинцом),
положительного и отрицательного
электродов (пластин), разделителей между
ними – сепаратов, электролита и
токоведуших частей.

В
стационарных аккумуляторах открытого
типа С и СК, не имеющих крышек, электролит
непосредственно соприкасается с
окружающим воздухом. Такие аккумуляторы
требуют частой доливки воды и хорошо
вентилируемого помещения. Положительными
электродами в них служат поверхностные
пластины, т.е. работающие за счёт своего
поверхностного слоя. Такой электрод
состоит из свинцовой пластины, на
поверхности которой электрически
формируется слой активной массы (PbO2).
Для увеличения активной поверхности
положительные пластины имеют ребристую
форму. Отрицательными электродами в
этих аккумуляторах служат коробчатые
пластины. Пластины этого типа представляют
собой решётку, в ячейках которой
помещается активная масса. Для
предотвращения выпадания активной
массы из ячеек пластины закрываются
перфорированными свинцовыми листами.

В
стационарных аккумуляторах закрытого
типа положительные и отрицательные
электроды представляют собой пастированные
пластины (аккумуляторы типа СН). В
пастированных электродах активная
масса удерживается в решётке из
свинцово-сурьмяного сплава толщиной
1…4 мм. Аккумулятор типа СН имеет в
крышке специальную пробку, задерживающую
аэрозоли серной кислоты.

В
аккумуляторах несколько отрицательных
пластин соединяют параллельно. Между
ними помещают положительные пластины,
также соединённые параллельно.
Параллельное соединение одноимённых
пластин позволяет увеличить ёмкость
аккумулятора. Каждая группа положительных
и отрицательных пластин работает как
одна пластина, площадь которой равна
сумме площадей, проницаемых для раствора
электролита (из вулканизированного
каучука – ми пор, поливинилхлорида –
ми пласт и стекловолокна).

В
условных обозначениях стационарных
аккумуляторов открытого типа буква С
обозначает «стационарный», две буквы
СК
указывают, что аккумуляторы пригодны
для коротких режимов разряда большими
токами. Число, стоящее после букв,
указывает номер аккумулятора
(С10=5328 Ач).
минимальное время разряда аккумуляторов
типа СК составляет 0,5 ч. при этом
разрядный ток не должен превышать 25 А.
на номер аккумулятора. Следовательно,
допустимый разрядный ток аккумулятора
СК-148 при длительности разряда 0,5 ч
составит 148х25=3700 А, а ёмкость, которую
он при этом может отдать, С0,5=0,5х3700=1850 Ач.
удельная энергия аккумуляторов типа С
и СК составляет 10…23 Втч/кг. Промышленность
выпускает аккумуляторы типа С и СК
ёмкостью от 36 до 5328 Ач
(45 типов).

В
условном обозначении аккумуляторов
закрытого типа СН, выпускаемых в Югославии
цифры указывают не номер аккумулятора,
а непосредственно его номинальную
ёмкость С10
(аккумуляторы типа СН72…СН-1152). Эти
аккумуляторы имеют несколько лучшие
удельные показатели по сравнению с
аккумуляторами типа СК и также пригодны
для коротких режимов разряда.

В
настоящее время на предприятиях связи
применяется в основном один способ
эксплуатации батарей, составленных из
аккумуляторов типа С, СК и СН – непрерывный
подзаряд. При этом способе эксплуатации
в условиях нормального электроснабжения
(при наличии сети переменного тока)
аппаратура питается от этих выпрямительных
устройств. Полностью заряженная
аккумуляторная батарея получает
непрерывный подзаряд от этих выпрямительных
устройств или от отдельного
стабилизированного выпрямительного
устройства (для компенсации саморазряда).
Напряжение содержания (непрерывного
подзаряда) аккумуляторной батареи
определяется в зависимости от числа
последовательно соединённых аккумуляторов
из условия обеспечения напряжения
2,2 В2%
на аккумулятор. При этом ток подзаряда
0,03
А,
где
— индексный номер
аккумулятора.

В
настоящее время в основном применяются
послеаврийный (после её разряда на
нагрузку) заряд батарей в две степени.
На первой ступени заряд осуществляется
стабильным зарядным током зар<0,25xC10
до тех пор, пока напряжение
на аккумуляторе не повысится до
2,30…2,35 В. На этой ступени заряда
аккумулятор получает основной заряд
энергии. Вторая ступень заряда происходит
при стабильном напряжении 2,2 В на
аккумулятор. Заряд считается законченным,
когда зарядный ток спадает до 0,02…0,03 А
на индексный номер аккумулятора.

В
переносной аппаратуре связи, а также
на сельских АТС небольшой ёмкости,
применяются щелочные
аккумуляторы
, которые
в отличие от кислотных, могут
эксплуатироваться при низких отрицательных
температурах окружающей среды.

Наибольшее
применение находят щелочные никель-кадмиевые
(НК) и никель-железные (НЖ) аккумуляторы.
Активная масса положительных электродов
состоит из гидроксида никеля (Ni Ooh),
активная масса отрицательных электродов
– соответственно из кадмия или железа.
Электролитом служит раствор гидроксида
калия КОН плотностью 1190…1210 кг/м3
с добавкой 20 г/л гидроксида лития
(LiOH). Ёмкость КН-аккумуляторов при
температуре – 20С
составляет не менее 0,6 номинальной
ёмкости.

НК и
НЖ-аккумуляторы чаще всего выполняются
с ламельными электродами. Ламели –
плоские коробочки из стальной
никелированной перфорированной ленты,
в которые набивают активную массу.
Ламели закрепляют в рамки. Они образуют
пластины электродов. Аккумуляторы,
помещённые либо в стальные никелированные,
либо в полиэтиленовые сосуды, представляют
собой аккумуляторы закрытого типа
(подобно кислотным аккумуляторам типа
СН). В аппаратуре связи находят применение
также герметичные никель-кадмиевые
аккумуляторы без ламельными электродами.
Герметичные аккумуляторы разделяют на
дисковые (обозначаются Д), цилиндрические
(ЦНК) и удельными значениями ёмкости и
энергии, меньшим значением внутреннего
сопротивления. Однако по сроку службы
они уступают ламельным аккумуляторам.

Электродвижущая
сила щелочных аккумуляторов ниже, чем
у кислотных, у полностью заряженного
КН-аккумулятора ЭДС составляет
1,30…1,35 В; у НЖ-аккумулятора –
1,35…1,40 В. Кривые изменения напряжения
на зажимах КН-аккумулятора при его
разряде и заряде показаны на рис 1.4.

Рис. 1.4. Напряжение
щелочного

аккумулятора при
разряде и заряде.

Номинальное
напряжение КН-аккумулятора составляет
1,2 В, напряжение в конце разряда –
1 В, конечное напряжение заряда –
1,75…1,8 В.

НЖ-аккумуляторы,
по сравнению с никель-кадмиевыми,
характеризуются большим внутренним
сопротивлением, меньшими удельными
ёмкостью и энергией и большим саморазрядом.
Кроме того, заряд НЖ-аккумуляторов
должен производиться относительно
большими зарядными токами, что делает
их непригодными для эксплуатации в
режиме непрерывного подзаряда.

В
современной технике находят применение
щелочные серебряно-цинковые аккумуляторы,
активными веществами в которых являются
оксид серебра (AgO) и цинк, электролитом
– раствор КОН. СЦ-аккумуляторы
характеризуются высокой удельной
энергией (до 130 Втч/кг),
малым внутренним сопротивлением
(тысячные доли ома) и малым саморазрядом.
Номинальное их напряжение равно 1,5 В.
недостатками СЦ-аккумуляторов являются
высокая стоимость и малый срок службы
(10…100 циклов заряда – разряда).

studfiles.net

3. Исследование зарядки аккумулятора от солнечной батареи и определение кпд регулятора заряда, аккумулятора и инвертора

При зарядке аккумулятора
без регулятора заряда при токе, не
превышающем значения в 8% от ёмкости
аккумулятора, можно говорить не о
зарядке, а только о подзарядке аккумулятора.
Однако, в установке содержится регулятор
заряда, который имеет несколько режимов
зарядки аккумулятора: 1. Заряд максимальным
током: на этой стадии батарея получает
весь ток, поступающий от солнечных
модулей. 2. ШИМ заряд: когда напряжение
на аккумуляторе достигает определенного
уровня, контроллер начинает поддерживать
постоянное напряжение за счет ШИМ тока
заряда. Это предотвращает перегрев и
газообразование в аккумуляторе. Ток
постепенно уменьшается по мере заряда
аккумуляторной батареи. 3. Выравнивание:
Многие батареи с жидким электролитом
улучшают свою работу при периодическом
заряде до газообразования, при этом
выравниваются напряжения на различных
банках АБ и происходит очищение пластин
и перемешивание электролита. 4.
Поддерживающий заряд: Когда АБ полностью
заряжена, зарядное напряжение уменьшается
для предотвращения дальнейшего нагрева
или газообразования в батарее. АБ
поддерживается в заряженном состоянии.

ШИМ – широтно-импульсная
модуляция, которая используется в
контроллерах заряда аккумулятора для
100%-ной зарядки даже при низком значении
входного тока.

В установке используется
регулятор заряда Steca Solar с ШИМ. Регулятор
заряда во время своей работы может
изменять режим зарядки, но из-за высокой
емкости батареи и низкого значения тока
зарядки, требуется большое количество
времени для изучения работы контроллера
во всех его режимах. Поэтому изучим
работу контролера в начальной стадии
зарядки, когда значение тока примерно
постоянно.[5]

3.1. Изучение процесса
зарядки-разрядки аккумулятора. Определение
КПД всей системы без солнечной батареи

[6]

Исследуем КПД системы в
целом, то есть системы, состоящей из
солнечной батареи, регулятора заряда,
аккумулятора и инвертора. Для этого
разрядим аккумулятор до состояния, пока
регулятор заряда автоматически не
отключит нагрузку от аккумулятора.
Отключение происходит при напряжении
ниже 11 вольт под нагрузкой. Потом
произведём зарядку аккумулятора в
течение одного часа, затем подключаем
нагрузку известной мощности. Зная
среднюю мощность питания при зарядке,
мощность потребителя, время заряда и
разряда под нагрузкой, можно определить
суммарный КПД. Основной принцип состоит
в следующем: количество энергии,
использованное потребителем от
аккумулятора, равно количеству энергии
потраченной на зарядку аккумулятора,
умноженное на КПД всей системы.

Параметры процесса зарядки аккумулятора
занесём в таблицу:

Табл.
3.1. Основные параметры на входе в регулятор
заряда.

Временная зависимость
изменения напряжения и тока на входе в
регулятор заряда, при зарядке аккумулятора
приведена в виде графиков на рис. 3.1 и
рис. 3.2:

Рис.
3.1. Изменение напряжения во времени на
входе в регулятор заряда.

Временная зависимость
напряжения зарядки аккумулятора
повторяет временную зависимость для
питающего напряжения контроллера
заряда, единственное отличие в том, что
напряжение на аккумуляторе при зарядке
ниже на 0.3-0.35 вольта, чем на контроллере
заряда. По форме график изменения
напряжения аккумулятора при зарядке
полностью аналогичен графику на рис.3.1.
Напряжение в начальный момент достаточно
быстро возрастает, затем скорость роста
замедляется.

Рис.
3.2. Изменение силы тока во времени на
входе в регулятор заряда.

Значение тока на входе
в контроллер заряда изменяется
незначительно, несколько уменьшаясь
от начального значения, что значит, что
в начальный момент времени контроллер
заряда действительно использует
постоянный ток зарядки. Значения силы
тока до регулятора заряда и после него
во время всего процесса зарядки совпадают.

Мощность, получаемая
контроллером заряда от солнечной
батареи, примерно соответствует мощности
для данного уровня освещённости при
напряжении питания ламп в 240 вольт (см.
табл. 2.4). Используем максимальное
напряжение питания ламп, так как при
этом получаем максимальный выход энергии
с солнечной батареи, при этом лампы
имеют наиболее эффективный спектральный
состав.

Рис. 3.3. Процесс разрядки
аккумулятора.

Зарядив аккумулятор,
изучим процесс его разрядки (рис. 3.3).
Потребителем служит инвертор Mobilen EP-75,
к которому подсоединена энергосберегающая
лампа на 11ватт. Падение напряжения на
аккумуляторе при его разрядке приведено
в табл. 3.2:

Табл. 3.2. Временная зависимость
напряжения при разрядке аккумулятора.

Рис. 3.4. График изменения
напряжения во времени при разрядке
аккумулятора.

График изменения напряжения
при зарядке и разрядке аккумулятора
соответствует теоретической зависимости
зарядки-разрядки для данного типа
аккумуляторов (рис. 3.5):

Рис. 3.5. Теоретическое
изменение напряжения при зарядке-разрядке.

При зарядке напряжение
измерялось на входе в регулятор заряда,
на самом же аккумуляторе напряжение
было на 0.3-0.35 вольта ниже, следовательно,
кривые зарядки и разрядки аккумулятора,
полученные практически (рис. 3.1 и рис
3.2) соответствуют теоретическим, при
процессе неполной зарядки.

КПД всей системы посчитаем
по формуле:

(3.1)

где Wпотр,
[Вт] – мощность потребителя, tпотр,
[час] – время потребления энергии
(разрядки) до автоматического отключения,
Wзар
ср
, [Вт] – мощность
источника зарядки аккумулятора, tзар,
[час] – время зарядки аккумулятора.

Wпотр
= 11 Вт,

Wзар
= 2.107 Вт, (см. табл. 3.1),

tпотр
= 8.5 мин = 0,1417 часа

tзар
= 1 час.

η = 0.7397 = 73.97%

Суммарный КПД регулятора
заряда, аккумулятора и инвертора составил
74 процента, вычислим КПД каждого из этих
устройств.

3.2. Определение КПД
инвертора
[6]

В п. 3.1. был рассчитан
суммарный КПД для всей системы. Чтобы
определить КПД инвертора, исследуем
процесс зарядки-разрядки без инвертора.
Сравнив КПД работы системы с инвертором
и без него, можно достаточно точно
определить его КПД. Процесс зарядки
аккумулятора полностью аналогичен
процессу зарядки в п.3.1. Для разрядки
аккумулятора используем лампу постоянного
напряжения на 12 вольт и примерно такой
же мощности, что и в предыдущем случае:
Wпотр2
= 10 Вт. Изменение напряжения во времени
в процессе разрядки аккумулятора
приведена в табл. 3.3:

Табл. 3.3. Временная зависимость
изменения напряжения при разрядке
аккумулятора.

Рис. 3.5. График изменения
напряжения во времени при разрядке
аккумулятора.

tпотр
= 10.5 мин = 0,175 часа,

tзар
= 1 час,

Wпотр
= 10 Вт,

Wзар
= 2.107 Вт, (см. табл. 3.1).

Рассчитаем КПД регулятора
заряда и аккумулятора без инвертора по
формуле 3.1:

η = 0.8306 = 83.06%

Отсюда видно, что КПД
системы без использования инвертора
выше. КПД инвертора определим как частное
при работе с инвертором и без него:

η = 0.8905 = 89.05%

КПД инвертора составил
89.05 процентов, что практически совпадает
с его КПД в 90 процентов, заявленных в
его заводских характеристиках.

studfiles.net

Принцип работы аккумулятора

Аккумуляторы — это химические источники тока с обрати­мым процессом: они могут отдавать энергию, преобразуя хими­ческую энергию в электрическую, или накапливать энергию, преобразуя электрическую энергию в химическую. Та­ким образом, аккумулятор попеременно то разряжается, отдавая электрическую энергию, то заряжается от какого-либо соответствующего источника постоянного тока.

Схема сборки аккумулятора.

Аккумуляторы, в зависимости от применяемого в них электро­лита, подразделяются на кислотные и щелочные. Кроме того, аккумуляторы различаются, в зависимости от материала электродов. Широкое применение имеют лишь свинцовые, кадмиево-никелевые, железо-никелевые и серебряно-цинковые акку­муляторы.

Емкость аккумулятора определяется количеством электри­чества qp, которое он может отдать при разряде в питаемую цепь.

Это количество электричества измеряется не в кулонах, а в более крупных единицах — ампер-часах (а-ч). 1 а-ч = 3600 кл. Но для заряда аккумулятора требуется большее количество электричества q3, чем отдаваемое при разряде. Отношение qp : q3 =ne  называется отдачей аккумулятора по емкости.

Напряжение, необходимое для заряда аккумулятора, значи­тельно выше того напряжения на зажимах аккумулятора, при котором он отдает длительно разрядный ток.

Схема устройства аккумулятора.

Важной характеристикой аккумулятора являются его средние зарядное и разрядное напряжения.

Ясно, что из-за ряда потерь энергии аккумулятор отдает при разряде значительно меньшее количество энергии Wp, чем полу­чает при заряде. Отношение Wp : W3= n есть коэффициент полезного действия или отдача по энергии аккумулятора.

Наконец, весьма важной для характеристики аккумулятора величиной является его удельная э н е р г и я, т. е. количество энергии, отдаваемой при разряде, приходящееся на 1 кг веса аккумулятора. Особенно существенно, чтобы удельная энергия была возможно больше у нестационарных аккумуляторов, уста­навливаемых, например, на самолетах. В подобных случаях обычно она важнее, чем коэффициент полезного действия и от­дача по емкости.

Следует иметь в виду, что при медленном разряде процесс в аккумуляторе протекает равномерно во всей массе пластин, бла­годаря чему при длительном разряде малым током емкость акку­мулятора больше, чем при кратковременном разряде большим током. При быстром разряде процесс в массе пластин отстает от процесса на их поверхности, что вызывает внутренние токи и уменьшение отдачи.

Напряжение аккумулятора существенно изменяется во время разряда. Желательно, чтобы оно было возможно более постоян­ным. В расчетах обычно указывается среднее разрядное напря­жение Up. Но для заряда аккумулятора нужен источник тока, дающий значительно большее зарядное напряжение Uз (на 25— 40%). В противном случае невозможно зарядить аккумулятор полностью.

Схема литиево-кислородного аккумулятора.

Если напряжение одного аккумуляторного элемента недоста­точно для данной установки, то необходимое число аккумулятор­ных элементов соединяется последовательно. Конечно, последо­вательно соединять можно только аккумуляторы, рассчитанные на одну и ту же разрядную силу тока.

Если разрядный ток одного элемента недостаточен, то приме­няется параллельное соединение нескольких одинаковых элемен­тов.

Из числа кислотных аккумуляторов практическое значение имеют лишь свинцовые аккумуляторы. В них на положительном электроде активным веществом служит двуокись свинца РЬ02, на отрицательном электроде — губчатый свинец РЬ. Положительные пластины имеют бурый цвет, отрицатель­ные— серый, в качестве электролита применяется раствор сер­ной кислоты H2S04 с с удельным весом 1,18—1,29.

Химический процесс разряда и заряда свинцового аккумуля­тора относительно сложен. В основном он сводится к восстановлению свинца на положительном электроде и окислению губча­того свинца на отрицательном электроде в закисную соль серной кислоты. При этом образуется вода и, следовательно, плотность электролита уменьшается. При разря­де сначала напряжение аккумулятора быстро падает до 1,95 В, а затем медленно понижается до 1,8 В. После чего необходимо прекратить разряд.

При дальнейшем разряде имеет место необратимый процесс образования кристаллического сернокислого свинца PbS4. По­следний покрывает пластины белым налетом. Он обладает боль­шим удельным сопротивлением и почти не растворим в электро­лите. Слой сернокислого свинца увеличивает внутреннее сопро­тивление активной массы пластин. Такой процесс называется сульфатацией пластин.

При заряде аккумулятора процесс идет в обратном направ­лении: на отрицательном электроде восстанавливается металли­ческий свинец, а на положительном электроде свинец окисляется до двуокиси РЬ02. Ион S0переходит в электролит, поэтому плотность серной кислоты при заряде увеличивается, следова­тельно, возрастает и удельный вес электролита. Для измерения удельного веса электролита применяется специальный арео­метр. По его показаниям можно ориентировочно судить, в какой мере аккумулятор заряжен. Среднее разрядное напряжение свинцового аккумулятора 1,98 В, а среднее зарядное напряжение 2,4 В.

Схема зарядки аккумулятора.

Внутреннее сопротивление rBн свинцовых аккумуляторов, бла­годаря малому расстоянию между пластинами и большой пло­щади их соприкосновения с электролитом, весьма мало: порядка тысячных долей ома у стационарных аккумуляторов и сотых до­лей у небольших переносных аккумуляторов.

Вследствие малого внутреннего сопротивления и относительно большого напряжения КПД этих аккумуляторов достигает 70— 80 %, а отдача — 0,85—0,95 %.

Однако из-за малого внутреннего сопротивления в свинцовых аккумуляторах при коротких замыканиях возникают токи очень большой силы, что приводит к короблению и распаду пластин.

Свинцовые аккумуляторы обладают рядом существенных не­достатков. Они тяжелы из-за большого веса свинца пластин, и их объем велик из-за значительного количества электролита, актив­но участвующего в процессе. В них неизбежен саморазряд внут­ренними паразитными электрическими токами с потерей заряда порядка 1 % в сутки. Наконец, они весьма чувствительны к толчкам и сотрясениям. Но их отдача и КПД значительно выше, чем у любых других аккумуляторов.

Из числа щелочных аккумуляторов широкое при­менение в настоящее время имеют кадмиево-никелевые, железо- никелевые и серебряно-цинковые. Во всех этих аккумуляторах электролитом служит щелочь — примерно двухпроцентный ра­створ едкого калия КОН или едкого натра NaOH. При заряде и разряде этот электролит почти не претерпевает изменений. Сле­довательно, от его количества емкость аккумулятора не зависит. Это дает возможность свести к минимуму количество электроли­та во всех щелочных аккумуляторах и таким путем существенно их облегчить.

Остовы положительной и отрицательной пластин этих акку­муляторов делаются из стальных никелированных рамок с пакетами для активной массы. Благодаря такой конструкции активная масса прочно удерживается в пластинах и не выпадает при толчках.

Схема устройства пластин свинцового аккумулятора.

В кадмиево-никелевом КН аккумуляторе ак­тивным веществом положительного электрода служат окислы никеля, смешанные для увеличения электропроводности с графи­том; активным веществом отрицательного электрода является губчатый металлический кадмий Cd. При разряде на положи­тельном электроде расходуется часть активного кислорода, со­держащегося в окислах никеля, а на отрицательном электроде окисляется металлический кадмий. При заряде обратно обога­щается кислородом положительный электрод: гидрат закиси никеля Ni(OH)2 переходит в гидрат окиси никеля Ni(OH)3. На отрицательном электроде гидрат закиси кадмия восстанавли­вается в чистый кадмий. Приближенно процесс в этом аккумуля­торе может быть выражен химической формулой:

разряд

2Ni (ОН)3 + 2КОН + Cd  ??2Ni (ОН)2 + 2КОН + Cd (ОН)2.

заряд

Как показывает формула, из электролита при разряде выде­ляется частица (ОН)на отрицательной пластине и такая же частица переходит в электролит на положительной пластине. При заряде процесс идет в обратном направлении, но в обоих случаях электролит не изменяется.

Устройство железо-никелевого аккумулятора отличается лишь тем, что в нем в отрицательных пластинах кадмий заменен мелким порошком железа (Fe). Химический процесс этого аккумулятора можно просле­дить по вышеприведенному для кадмиево-никелевого аккумуля­тора уравнению путем замены Cd на Fe.

Применение железа вместо кадмия удешевляет аккумуля­тор, делает его более прочным механически и увеличивает срок его службы. Но с другой сторо­ны, у железо-никелевого акку­мулятора при том же примерно разрядном напряжении зарядное напряжение на 0,2 В выше, вследствие чего КПД этого аккумулятора ни­же, чем кадмиево-никелевого. Затем очень важным недостат­ком железо-никелевого аккуму­лятора является относительно быстрый саморазряд. У кадмиево-никелевого аккумулятора саморазряд мал, и поэтому ему отдается предпочтение в тех случаях, когда аккумулятор должен длительно находиться в заряженном со­стоянии, например для питания радиоустановок. Среднее разрядное напряже­ние обоих этих аккумуляторов равно 1,2 В.

Схема железоникелевого аккумулятора.

Герметически закрытые сосуды вышеописанных щелочных аккумуляторов выполняются из листовой никелированной стали. Болты, через которые пласти­ны аккумуляторов соединяются с внешней целью, пропускаются через отвер­стия в крышке сосуда, причем болт, с которым соединены отрицательные пла­стины, тщательно изолирован от стального корпуса; но болт, соединенный с положительными пластинами, от корпуса не изолируется.

Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов значи­тельно больше, чем кислотных, благодаря этому они лучше пере­носят короткие замыкания. Но по той же причине КПД щелоч­ных аккумуляторов (порядка 45%) значительно ниже, чем кис­лотных, также существенно меньше их удельная энергия и отда­ча по емкости (0,65). Так как состояние электролита у щелочных аккумуляторов при работе не изменяется, то определить их степень заряженности по внешним признакам нельзя. Вследствие чего за зарядом приходится следить на основании их емкости и напряжения. При заряде нужно сообщить аккумулятору количество электричества It=q значительно большее, чем его емкость, примерно в 1,5 раза. Например, аккумулятор емкостью 100 а-ч желательно заряжать током силой в 10 а в течение 15 час.

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=DuZSNfTNDyg

Серебряно-цинковые аккумуляторы являются новей­шими из числа современных аккумуляторов. Электролитом в них служит вод­ный раствор едкого калия КОН с удельным весом 1,4, с активным веществом положительного электрода (окисью серебра Ag20) и отрицательного электро­да (цинком Zn). Электроды изготавливаются в виде пористых пластин и отделяют­ся друг от друга пленочной перегородкой.

При разряде аккумулятора окись серебра восстанавливается до металли­ческого серебра, а металлический цинк окисляется до окиси цинка ZnO. Об­ратный процесс происходит при заряде аккумулятора. Основная химическая реакция выражается формулой

разряд

AgsO + КОН + Zn ?? 2Ag + КОН + ZnO.

 заряд

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=0jbnDTRtywE
Устойчивое разрядное напряжение составляет около 1,5 В. При небольших токах разряда это напряжение почти не изменяется в течение примерно 75— 80% времени работы аккумулятора. Затем оно довольно быстро падает, и при напряжении 1 в разряд следует прекращать.

Внутреннее сопротивление серебряно-цинковых аккумуляторов сущест­венно меньше, чем остальных щелочных аккумуляторов. При равной емкости первые значительно легче. Они удовлетворительно работают как при пониженной (—50° С), так и при повышенной ( + 75° С) температурах. Наконец, они допускают большие разрядные токи. Например, некоторые типы таких акку­муляторов можно разогреть током короткого замыкания в течение одной минуты.

http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=bW_5q7saSR8

Выше изложены только основные сведения по  аккумуляторам. При практической работе с аккумуляторами, в особенности со свинцовыми, необходимо тщательно выполнять соответствующие заводские инструкции. Нарушение их вызывает быстрое разрушение аккумуляторов.

fazaa.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о