Первичные источники электрической энергии

Для питания различных радиотехнических устройств находят широкое применение источ­ники электрической энергии постоянного тока. Они преобра­зуют химическую, тепловую, световую и т.д. энергии в электрическую. К таким источникам относятся гальванические элементы, аккумуляторы, термоэле­менты, солнечные, атомные элементы и др. Эти источ­ники могут быть как ос­новными источниками энергии для питания портативных радиоуст­ройств, ап­паратуры на искусственных спутниках и космических кораблях, измерительной аппаратуры и т. д., так и резервными для питания аппаратуры при авариях в сети перемен­ного тока.

Наиболее распространенными являются химические источники.

Химические источники появились очень давно. В 1800 году итальянский ученый Алессан­дро Вольта доложил Лондонскому королевскому обществу о создании Вольтова столба и ба­тареи. С этого дня источники стали известны многим физикам и нашли широкое примене­ние. До настоящего времени они продолжают занимать видное место как в электропитании радиоустройств, так и в системах электропитания предприятий.

Ток в химическом источнике протекает за счет электрохимического про­цесса, обусловлен­ного переходом валентных электронов от одного электрода к другому вследствие разности концентраций валентных электронов в веществах разных электродов. Для выравнивания концентраций валентных электронов электродов используется электролит.

Анод - электрод, через который в электролит из внешней цепи втекает ток. На этом элек­троде протекает окислительный процесс, то есть идет реакция с выделением электронов. Та­ким образом, при разряде элемента анод является отрицательным электродом.

Все химические источники делятся на одноразовые и источники много­кратного использо­вания.

Одноразовые - гальванические элементы. В них активные вещества, всту­пающие в хими­ческую реакцию, приходят в негодность, и дальнейшее исполь­зование гальванических эле­ментов невозможно. Многократно используются аккумуляторы. В них возможно восстанов­ление израсходованной энергии при пропускании через них тока в направлении, противопо­ложном разрядному. За­ряд с последующим разрядом называется циклом, количество циклов опреде­ляет срок службы аккумуляторов.

Основными параметрами источников первичного электропитания (ИПЭ) яв­ляются:

1. ЭДС Е, [В], среднее напряжение под нагрузкой ;

2. Емкость - количество электричества, которое может отдать заряжен­ный химический ис­точник, :

или ;

3. Удельная емкость - количество емкости на кг массы:

;

4. Энергия, отдаваемая в нагрузку:

;

5. Удельная энергия, то есть количество энергии на единицу массы:

;

6. Удельная энергия на единицу объема:

;

7. Срок хранения;

8. Стоимость;

9. Диапазон температур;

10. Температурный коэффициент:

;

11. Внутреннее сопротивление, которое определяется в начале работы по формуле

.

Для аккумуляторов вводятся дополнительные параметры:

12. Отдача по емкости

,

где емкость, полученная аккумулятором при заряде;

13. Отдача по энергии

.

Аккумуляторы используются в двух основных режимах:

1) разряда 2) буферном

меньше , тогда аккумулятор не разряжается на потребителя, а только подзаряжается то­ком подзаряда , компенсирующим саморазряд аккумуля­тора. в десятки, сотни раз меньше нормального тока заряда .

Аккумуляторы делятся на кислотные и щелочные.

Кислотные аккумуляторы имеют наименьшую механическую прочность (изготавлива­ются в стеклянных или керамических сосудах) и наибольшую вредность из всех типов хими­ческих источников. Аккумуляторы открытого типа имеют непосредственное соприкоснове­ние с воздухом. Испаряющаяся из аккумулятора серная кислота вредно влияет на окружаю­щие приборы и устрой­ства. При заряде аккумулятора выделяется водород, что повышает взрывоопас­ность. Они выдерживают 250 циклов перезарядки. При их эксплуатации необхо­димо подливать воду.

Аккумуляторы открытого типа маркируются буквами С - стационарный (или свинцовый) и СК - стационарный, пригодный для коротких режимов раз­ряда большими токами.

Кислотные аккумуляторы закрытого типа СН и СНП закрыты крышкой с пробкой секци­онной конструкции. На предприятиях связи должны применяться закрытые аккумуляторы СН, но разрешено применение аккумуляторов типов С и СК.

Существенным недостаткам кислотных аккумуляторов, ограничивающих их применение в переносной РЭА, является уменьшение емкости с понижением температуры. При они полностью теряют емкость. Это объясняется повышением вязкости электро­лита с понижением температуры. По той же при­чине невозможно производить заряд аккуму­ляторов уже при . Поэтому наряду с кислотными в переносной аппаратуре приме­няю щелочные аккумуля­торы. Все они являются аккумуляторами закрытого типа. Достоин­ством их яв­ляется то, что они не требуют тщательного ухода, не боятся сотрясений, могут длительно находиться в разряженном состоянии, переносить нагрузку и корот­кие замыкания. Основной недостаток никель-кадмиевых (НК) и никелево-же­лезных (НЖ) аккумуляторов - снижение рабочего напряжения при протекании .

Любой аккумулятор состоит из блоков положительных и отрицательных пластин с актив­ными массами и сосуда с электролитом. Пластины перемежа­ются и изолированы друг от друга сепараторами - пористыми изолирующими веществами или эбонитовыми палочками. Пробка имеет вентильные отверстия для отвода газов.

В свинцовых аккумуляторах активной массой положительного электрода является дву­окись свинца , а отрицательного - губчатый свинец .

Их недостатки существенны. Но есть и достоинства:

· высокое разрядное напряжение;

· хорошая работа в буферном режиме (заряжаются малым );

· высокая отдача по емкости и энергии;

· относительно невысокая стоимость.

Поэтому они являются основными в стационарных ЭПУ.

В случае отключения основных источников электропитания они рассчи­тываются на ток наибольшей нагрузки в особой группе I категории - на 0,5 часа, в I категории (без АДЭС) - на 1 час, во II и III категориях в зависимости от условий электроснабжения

· на 5 часов - для электромеханических сельских АТС,

· на 10 часов - для электронных АТС.

Хотя номинальным принято считать 2 В, оно меняется в больших преде­лах. При заряде оно может возрасти до 2,7 - 2,8 В. Предельное значение разрядного напряжения - 1,8 - 1,75 В. Дальнейший разряд приводит к образова­нию крупнокристаллического сульфата свинца на пластинах и следующий цикл заряда невозможен.

К параметрам свинцовых аккумуляторов относится номинальная емкость:

при .

Действительная емкость при разряде, отлична от этих:

,

где - коэффициент изменения емкости; Т - температура электро­лита; 0,008 - темпе­ратурный коэффициент емкости аккумулятора.

На рис.3.2.3 представлены зависимости коэффициента изменения емко­сти от длительности разряда.

Рис. 3.2.3

Аккумуляторы типов С и СК имеют в обозначении индексовый номер , каждая единица которого соответствует . Например, С1 имеет емкость , СК6 - .

Причем, от С1 (СК1) до С6 (СК6) кратно 1,
от С6 (СК6) до С20 (СК20) кратно 2,
от С20 (СК20) до С148 (СК148) кратно 4,
то есть не существует аккумуляторов с и т.д.

В условном обозначении закрытых стационарных аккумуляторов цифры, стоящие после СН, указывают непосредственно значение , то есть СН-36 соответствует СК1.

Щелочные аккумуляторы применяют гораздо реже, в небольших АТС, в сельской связи. Но в переносных радиостанциях и аппаратуре связи они неза­менимы.

В никель-кадмиевом (НК) положительный электрод - гидрат окиси ни­келя с 20% графита.

Никель-кадмиевые аккумуляторы выполняются ламельными и безла­мельными. Ламели - металлические мешочки с отверстиями, куда помещается активная масса электродов. В без­ламельных активная масса намазывается или впрессовывается на пластины. У них лучше ряд показателей, но срок службы в 4 раза меньше, чем у ламельных. НК аккумуляторы без­вредны, просты в экс­плуатации и прочны.

Маркировка:

1. число, указывающее количество аккумуляторов в батарее;

2. НК - система и режим использования;

3. число - в при 8-часовом режиме разряда до .

Например: 6НКБ-60 означает 6 никель-кадмиевых безламельных аккуму­ляторов с . Иногда в маркировке можно встретить букву Т (в на­чале или в конце). Это значит, что выводные клеммы расположены на торцевой стороне.

Никель-железные аккумуляторы отличаются тем, что в отрицательных пластинах нет до­рогостоящего кадмия. Поэтому они самые дешевые, но у них больше, а , , срок службы меньше, большой саморазряд. Они плохо подзаряжаются малыми токами, поэтому не используются в буферном режиме. Кроме того, при больших токах разряда до 0,5 В за 1 час.

Емкость каждой группы щелочной аккумуляторной батареи:

,

где 0,004 - температурный коэффициент емкости;

- коэффициент изменения емкости аккумулятора.

Дата добавления: 2014-01-04