Теория электротехники
01.06.11 |
Свинцовый кислотный аккумулятор. Устройство и принцип действия аккумулятора.
Аккумулятор после разряда может повторно заряжаться от нескольких десятков до нескольких тысяч раз, в зависимости от конкретного типа. Наиболее распространенным является свинцовый кислотный аккумулятор, принцип устройства которого представлен на рис. 1.
Рис. 1. Принцип устройства свинцового аккумулятора и электрохимическая схема разрядного процесса
В заряженном состоянии анод (отрицательный электрод) такого аккумулятора состоит из свинца, а катод (положительный электрод) – из двуокиси свинца PbO2 . Оба электрода изготовлены пористыми, чтобы площадь их соприкосновения с электролитом была как можно больше. Конструктивное исполнение электродов зависит от назначения и емкости аккумулятора и может быть весьма разнообразным.
Химические реакции при заряде и разряде аккумулятора представляются формулой
Для заряда аккумулятора теоретически требуется удельная энергия 167 Wh/kg. Этим же числом выражается, следовательно, и теоретический его предел удельной аккумулирующей способности. Однако фактическая аккумулирующая способность намного меньше, вследствие чего из аккумулятора при разряде обычно получается электрическая энергия приблизительно 30 Wh/kg. Факторы, обусловливающие снижение аккумулирующей способности, наглядно представлены на рис. 2. Кпд аккумулятора (отношение энергии, получаемой при разряде, к энергии, расходуемой при заряде) обычно находится в пределах от 70 % до 80 %.
Рис. 2. Теоретическая и фактическая удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора
Различными специальными мерами (повышением концентрации кислоты до 39 %, использованием пластмассовых конструкционных частей и медных соединительных частей и др.) в последнее время удалось повысить удельную аккумулирующую способность до 40 Wh/kg и даже немногим выше.
Следует отметить, что еще в 1980-е годы примененялись открытые стационарные аккумуляторные батареи, удельная аккумулирующая способность которых находилась в пределах от 5 Wh/kg до 10 Wh/kg.
Из вышеприведенных данных вытекает, что удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора (а также, как будет показано в дальнейшем, и других типов аккумуляторов) существенно ниже, чем первичных гальванических элементов. Однако этот недостаток обычно компенсируется возможностью многократного заряда и, как результат, приблизительно десятикратным снижением стоимости получаемой из аккумулятора электроэнергии, возможностью составлять аккумуляторные батареи с очень большой энергоемкостью (при необходимости, например, до 100 MWh).
ЭДС свинцового аккумулятора зависит от плотности электролита и может определяться экспериментальной формулой
Согласно этой формуле, начальная ЭДС аккумулятора, в зависимости от конкретного типа, находится в пределах от 2,05 V до 2,10 V. Напряжение на зажимах аккумулятора может в конце разряда снизиться до 1,7 V, а в конце заряда повыситься до 2,6 V (рис. 3).
Рис. 3. Изменение напряжения свинцового аккумулятора в некоторых возможных процессах заряда и разряда
Каждый цикл заряда-разряда сопровождается некоторыми необратимыми процессами на электродах, в том числе медленным накапливанием невосстанавливающегося сернокислого свинца в массе электродов. По этой причине через определенное число (обычно приблизительно 1000) циклов аккумулятор теряет способность нормально заряжаться. Это может случиться и при длительном неиспользовании аккумулятора, так как электрохимический разрядный процесс (медленный саморазряд) протекает в аккумуляторе и тогда, когда он не соединен с внешней электрической цепью. Свинцовый аккумулятор теряет из-за саморазряда обычно от 0,5 % до 1 % своего заряда в сутки. Для компенсации этого процесса в электроустановках используется постоянный подзаряд при достаточно стабильном напряжении (в зависимости от типа аккумулятора, при напряжении от 2,15 V до 2,20 V).
Другим необратимым процессом является электролиз воды («закипание» аккумулятора), возникающий в конце зарядного процесса. Потерю воды легко компенсировать путем доливки, но выделяющийся водород может вместе с воздухом привести к образованию взрывоопасной смеси в аккумуляторном помещении или отсеке. Во избежание опасности врыва должна предусматриваться соответствующая надежная вентиляция.
В последние 20 лет появились герметически закрытые свинцовые аккумуляторы, в которых применяется не жидкий, а желеобразный электролит. Такие аккумуляторы могут устанавливаться в любом положении, а кроме того, учитывая, что во время заряда они не выделяют водорода, могут размещаться в любых помещениях.
Кроме свинцовых выпускается более 50 видов аккумуляторов, основанных на различных электрохимических системах. В энергоустановках довольно часто находят применение щелочные (с электролитом в виде раствора гидроокиси калия KOH) никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы, ЭДС которых находится в пределах от 1,35 V до 1,45 V, а удельная аккумулирующая способность – в пределах от 15 Wh/kg до 45 Wh/kg. Они менее чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды и менее требовательны к условиям эксплуатации. Они обладают также бoльшим сроком службы (обычно от 1000 до 4000 циклов заряда-разряда), но их напряжение изменяется во время разряда в более широких пределах, чем у свинцовых аккумуляторов, и кпд у них несколько ниже (от 50 % до 70 %).
В энергосистемах встречаются весьма мощные свинцовые и никель-кадмиевые аккумуляторные батареи, используемые в качестве резервных источников электропитания или для выравнивания электрических нагрузок. Самая крупная такая батарея была принята в эксплуатацию в 2003 году в Фэрбенксе (Fairbanks, Аляска, США); она состоит из 13 760 никель-кадмиевых элементов и присоединена через инвертор и трансформатор к сети напряжением 138 kV. Номинальное напряжение батареи составляет 5230 V и энергоемкость 9 MWh; срок службы элементов – от 20 до 30 лет. 99 % времени она работает в качестве компенсатора реактивной мощности, но может при необходимости в течение трех минут отдавать в сеть мощность в 46 MW (или в течение 15 min мощность 27 MW). Общая масса батареи составляет 1500 t, а ее изготовление обошлось в 35 млн. долларов. Имеются аккумуляторные батареи даже большей аккумулирующей способности; одна такая батарея (энергоемкостью 60 MWh) установлена в качестве резервного источника питания в Калифорнии (California, США) и может отдавать в сеть в течение 6 часов мощность 6 MW. =Аккумуляторные батареи с самого начала (со второй половины 19-го века) пытались использовать в средствах передвижения, так как питаемый от аккумулятора электропривод обладает, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, многими преимуществами. К ним относятся, например, намного более простая и компактная конструкция тягового двигателя (или двигателей), возможность использовать многодвигательные приводы (снабжая, например, каждое колесо отдельным двигателем), высокий кпд привода (от 80 % до 90 %), плавное регулирование скорости во всем требуемом диапазоне регулирования без применения редуктора (коробки скоростей), отсутствие специальной пусковой системы (аккумулятора и стартера), возможность аккумулировать энергию, освобождающуюся при торможении, более простые возможности использования автоматических систем управления и регулирования (в том числе беспроводных систем), более высокая надежность привода, меньшая потребность в обслуживании и больший срок службы, более безопасная эксплуатация (благодаря отсутствию огне- и взрывоопасного моторного топлива), отсутвие выхлопных газов и других выбросов, вредно действующих на окружающую среду, отсутствие дополнительных источников энергии (например, генераторов), малошумность.
Применение свинцовых аккумуляторов в средствах передвижения (в автомобилях, на лодках, на поездах и др.) затруднено из-за их относительно большой массы, превышаюшей обычно массу двигателей внутреннего сгорания, а в случае приемлемой массы – слишком малым пробегом после заряда (обычно приблизительно 100 km). Поэтому для электромобилей и для других электрических средств передвижения предложены различные аккумуляторы с большей удельной аккумулирующей способностью.
Рис. 1. Принцип устройства свинцового аккумулятора и электрохимическая схема разрядного процесса
В заряженном состоянии анод (отрицательный электрод) такого аккумулятора состоит из свинца, а катод (положительный электрод) – из двуокиси свинца PbO2 . Оба электрода изготовлены пористыми, чтобы площадь их соприкосновения с электролитом была как можно больше. Конструктивное исполнение электродов зависит от назначения и емкости аккумулятора и может быть весьма разнообразным.
Химические реакции при заряде и разряде аккумулятора представляются формулой
Для заряда аккумулятора теоретически требуется удельная энергия 167 Wh/kg. Этим же числом выражается, следовательно, и теоретический его предел удельной аккумулирующей способности. Однако фактическая аккумулирующая способность намного меньше, вследствие чего из аккумулятора при разряде обычно получается электрическая энергия приблизительно 30 Wh/kg. Факторы, обусловливающие снижение аккумулирующей способности, наглядно представлены на рис. 2. Кпд аккумулятора (отношение энергии, получаемой при разряде, к энергии, расходуемой при заряде) обычно находится в пределах от 70 % до 80 %.
Рис. 2. Теоретическая и фактическая удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора
Различными специальными мерами (повышением концентрации кислоты до 39 %, использованием пластмассовых конструкционных частей и медных соединительных частей и др.) в последнее время удалось повысить удельную аккумулирующую способность до 40 Wh/kg и даже немногим выше.
Следует отметить, что еще в 1980-е годы примененялись открытые стационарные аккумуляторные батареи, удельная аккумулирующая способность которых находилась в пределах от 5 Wh/kg до 10 Wh/kg.
Из вышеприведенных данных вытекает, что удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора (а также, как будет показано в дальнейшем, и других типов аккумуляторов) существенно ниже, чем первичных гальванических элементов. Однако этот недостаток обычно компенсируется возможностью многократного заряда и, как результат, приблизительно десятикратным снижением стоимости получаемой из аккумулятора электроэнергии, возможностью составлять аккумуляторные батареи с очень большой энергоемкостью (при необходимости, например, до 100 MWh).
ЭДС свинцового аккумулятора зависит от плотности электролита и может определяться экспериментальной формулой
Согласно этой формуле, начальная ЭДС аккумулятора, в зависимости от конкретного типа, находится в пределах от 2,05 V до 2,10 V. Напряжение на зажимах аккумулятора может в конце разряда снизиться до 1,7 V, а в конце заряда повыситься до 2,6 V (рис. 3).
Рис. 3. Изменение напряжения свинцового аккумулятора в некоторых возможных процессах заряда и разряда
Каждый цикл заряда-разряда сопровождается некоторыми необратимыми процессами на электродах, в том числе медленным накапливанием невосстанавливающегося сернокислого свинца в массе электродов. По этой причине через определенное число (обычно приблизительно 1000) циклов аккумулятор теряет способность нормально заряжаться. Это может случиться и при длительном неиспользовании аккумулятора, так как электрохимический разрядный процесс (медленный саморазряд) протекает в аккумуляторе и тогда, когда он не соединен с внешней электрической цепью. Свинцовый аккумулятор теряет из-за саморазряда обычно от 0,5 % до 1 % своего заряда в сутки. Для компенсации этого процесса в электроустановках используется постоянный подзаряд при достаточно стабильном напряжении (в зависимости от типа аккумулятора, при напряжении от 2,15 V до 2,20 V).
Другим необратимым процессом является электролиз воды («закипание» аккумулятора), возникающий в конце зарядного процесса. Потерю воды легко компенсировать путем доливки, но выделяющийся водород может вместе с воздухом привести к образованию взрывоопасной смеси в аккумуляторном помещении или отсеке. Во избежание опасности врыва должна предусматриваться соответствующая надежная вентиляция.
В последние 20 лет появились герметически закрытые свинцовые аккумуляторы, в которых применяется не жидкий, а желеобразный электролит. Такие аккумуляторы могут устанавливаться в любом положении, а кроме того, учитывая, что во время заряда они не выделяют водорода, могут размещаться в любых помещениях.
Кроме свинцовых выпускается более 50 видов аккумуляторов, основанных на различных электрохимических системах. В энергоустановках довольно часто находят применение щелочные (с электролитом в виде раствора гидроокиси калия KOH) никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы, ЭДС которых находится в пределах от 1,35 V до 1,45 V, а удельная аккумулирующая способность – в пределах от 15 Wh/kg до 45 Wh/kg. Они менее чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды и менее требовательны к условиям эксплуатации. Они обладают также бoльшим сроком службы (обычно от 1000 до 4000 циклов заряда-разряда), но их напряжение изменяется во время разряда в более широких пределах, чем у свинцовых аккумуляторов, и кпд у них несколько ниже (от 50 % до 70 %).
В энергосистемах встречаются весьма мощные свинцовые и никель-кадмиевые аккумуляторные батареи, используемые в качестве резервных источников электропитания или для выравнивания электрических нагрузок. Самая крупная такая батарея была принята в эксплуатацию в 2003 году в Фэрбенксе (Fairbanks, Аляска, США); она состоит из 13 760 никель-кадмиевых элементов и присоединена через инвертор и трансформатор к сети напряжением 138 kV. Номинальное напряжение батареи составляет 5230 V и энергоемкость 9 MWh; срок службы элементов – от 20 до 30 лет. 99 % времени она работает в качестве компенсатора реактивной мощности, но может при необходимости в течение трех минут отдавать в сеть мощность в 46 MW (или в течение 15 min мощность 27 MW). Общая масса батареи составляет 1500 t, а ее изготовление обошлось в 35 млн. долларов. Имеются аккумуляторные батареи даже большей аккумулирующей способности; одна такая батарея (энергоемкостью 60 MWh) установлена в качестве резервного источника питания в Калифорнии (California, США) и может отдавать в сеть в течение 6 часов мощность 6 MW. =Аккумуляторные батареи с самого начала (со второй половины 19-го века) пытались использовать в средствах передвижения, так как питаемый от аккумулятора электропривод обладает, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, многими преимуществами. К ним относятся, например, намного более простая и компактная конструкция тягового двигателя (или двигателей), возможность использовать многодвигательные приводы (снабжая, например, каждое колесо отдельным двигателем), высокий кпд привода (от 80 % до 90 %), плавное регулирование скорости во всем требуемом диапазоне регулирования без применения редуктора (коробки скоростей), отсутствие специальной пусковой системы (аккумулятора и стартера), возможность аккумулировать энергию, освобождающуюся при торможении, более простые возможности использования автоматических систем управления и регулирования (в том числе беспроводных систем), более высокая надежность привода, меньшая потребность в обслуживании и больший срок службы, более безопасная эксплуатация (благодаря отсутствию огне- и взрывоопасного моторного топлива), отсутвие выхлопных газов и других выбросов, вредно действующих на окружающую среду, отсутствие дополнительных источников энергии (например, генераторов), малошумность.
Применение свинцовых аккумуляторов в средствах передвижения (в автомобилях, на лодках, на поездах и др.) затруднено из-за их относительно большой массы, превышаюшей обычно массу двигателей внутреннего сгорания, а в случае приемлемой массы – слишком малым пробегом после заряда (обычно приблизительно 100 km). Поэтому для электромобилей и для других электрических средств передвижения предложены различные аккумуляторы с большей удельной аккумулирующей способностью.
| Системы низковольтных сетей - IT, TN-C, TN-S |
| Номинальное, низкое, высокое напряжение |
| Электрический проводник |