Свинцовые аккумуляторы

Свинцовые аккумуляторы Кислотные свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными среди вторичных химических источников тока. Обладая сравнительно высокой батареям, предназначенным для различных средств передвижения и прежде всего автомобилей. В этой области их монопольное положение устойчиво и сохраняется долгое время. На базе свинцовых аккумуляторов комплектуется подавляющее большинство стационарных и значительная часть вагонных батарей. Успешно конкурируют с щелочными тяговые свинцовые аккумуляторы. Все более широкое распространение получают малоуходные стартерные батареи, а также безуходные батареи, предназначенные в основном для питания приборов бытовой электроники. Если в конце 20в номинальная удельная энергия лучших свинцовых аккумуляторов достигла 8 Вт*ч/кг и 300-500 циклов, лучшие тяговые аккумуляторы обладают ресурсом до 1800 циклов. Разрядные токи аккумуляторных батарей при пуске двигателя стартером составляют 100-1000 А в зависимости от мощности стартера и температуры пуска. С понижением температуры пуска и увеличением мощности стартера, потребляемые стартером токи, увеличиваются. Свинцовый аккумулятор представляет собой обратимый электрический источник тока, в котором при разряде его химическая энергия восстанавливается путем подвода энергии от внешнего источника (генератора). Окислительно-востановительные электрохимические реакции повторяются многократно в процессе срока службы свинцового аккумулятора. Активными массами заряженного свинцового аккумулятора - вступающими в процесс токообразования, являются двуокись свинца (темно-коричневого цвета) на положительной пластине, губчатый свинец Pb (темно-серого цвета) на отрицательной пластине и электролит водный раствор серной кислоты, в который помещены пластины. электролита уменьшается от начальных значений (1,25…1. 31)*10^3 кг/м^3, до конечных (1,09.. 1. 15)*10^3 кг/м^3. Расход серной кислоты в процессе разряда больше около положительной пластины. В процессе заряда под влиянием тока от внешнего источника электроэнергии на пластинах происходят обратные процессы восстановления активных масс: сульфат свинца PbSO4 на положительной пластине преобразуется в двуокись свинца PbO2, а на отрицательной пластине – в губчатый свинец Pb. Плотность электролита при этом повышается от(1,09.. 1. 15)*10^3кг/м^3 до (1,25…1. 31)*10^3кг/м^3 из - за освобождения ионов сульфата SO4 при разложении сульфата свинца PbSO4. После полного преобразования активных масс положительной и отрицательной пластин плотность электролита перестает повышаться, что служит признаком конца заряда аккумулятора. При дальнейшем заряде (переразряде) происходит разложение воды на кислород и водород, характеризующиеся появлением на поверхности электролита газовых пузырьков, называемое ”кипение” электролита. Окислительно-востановительные реакции, происходящие в свинцовом аккумуляторе при разряде и заряде, согласно теории двойной сульфатации могут быть упрощено представлены в виде следующего уравнения: PbO2+Pb+2H2SO4=PbSO4+2H2 Окислительно-востановительные реакции происходят на границе раздела активных веществ пластин и электролита. Для увеличения граничной поверхности и облегчения доступа электролита пластины свинцового аккумулятора выполняются простыми. Основными электрическими характеристиками свинцовых стартерных аккумуляторных батарей являются электродвижущая сила, напряжение и емкость. Электродвижущей силой аккумулятора называется разность потенциалов положительной и отрицательной пластин при разомкнутой внешней цепи. ЭДС полностью заряженного свинцового аккумулятора составляет около 2,1В. ЭДС аккумуляторной батареи, состоящей из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов, равна сумме ЭДС аккумуляторов. Напряжение аккумуляторной батареи при разряде меньше ее ЭДС на величину внутреннего падения, обусловленного в основном сопротивлением пластин, электролита и др. токоведущих деталей. одинаковой емкости, емкость аккумуляторной батареи равна емкости одного аккумулятора. Номинальная емкость - это количество электричества, выраженное в ампер-часах, получаемое при непрерывном разряде полностью заряженной батареи при температуре +25 током 0,05С20 (С20-номинальная емкость, указанная в условном обозначении батареи) до достижения конечного напряжения на полюсных выводах. Режим заряда и разряда. Ресурс ЭА составляет 800-1000 циклов у тяговых и 1000-3000 циклов у стационарных, срок службы 4-10 лет у тяговых и 10-30 лет у стационарных. Ведутся исследования по повышению ресурса путем введения добавок –фосфорной кислоты, улучшения сепараторов, применения воздушного перемешивания и др. Экономические показатели зависят как от удельных характеристик ЭА, так и от режима разряда. С увеличением времени разряда удельные капитальные затраты на единицу мощности растут, а на единицу энерго запаса падают. Удельные затраты на ЭА изменяются из за колебаний цен на свинец и другие материалы. Удельные затраты складываются из затрат на единицу мощности (60-80) руб/кВТ и на единицу энергии (60-100) руб/(кВТч). Удельные затраты на новые ЭА за рубежом оцениваются в пределах 40-20 долл./кВТ. Были оценены показатели энергоустановок на основе свинцовых ЭА с энергозапасом 50МВТч (5и часовой разряд) оценивается в 11млн. долл. т. е. 220долл./кВТч или 1100долл./кВТ. ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЯВЛЯЕМЫЕ К ИСТОЯНИКАМ ПИТАНИЯ Современные виды электрических нагрузок , в особенности чувствительное электронное оборудование , предъявляют высокие требования к качеству электропитания и его бесперебойной подаче. Обычное качество коммунального электропитания в большинстве случаев не выдерживает никакой критики. Главная проблема коммунального электропитания заключается в невозможности прогнозировать перебои в подаче электроэнергии и недопустимые отклонения ее параметров. Выбросы в питающих напряжениях , наличие гармонических составляющих и другие нарушения в электропитании могут приводить к отказу или разрушению чувствительного оборудования. Воздействие неблагоприятных факторов коммунальной электросети полностью исключается при питании нагрузок с помощью систем бесперебойного электропитания. Их основным элементом являются источники бесперебойного питания ( ИБП ) , получившие в настоящее время всеобщее признание и широкое применение. Основные требования К системам бесперебойного питания предъявляются следующие требования : точность стабилизации выходного напряжения ; точность стабилизации выходной частоты; синусоидальность выходного напряжения ; время и характер перехода питания нагрузки с основной сети на резервную и обратно ; продолжительность работы нагрузки от резервного ( аккумуляторной батареи – АКБ ) источника ; время заряда АКБ после полного (90% ) разряда; уровень создаваемых шумов; возможность включения системы при отсутствии напряжения основного питания (“ холодный старт ”); наличие защиты от внешних перенапряжений; наличие автоматического управления и контроля режима и состояния АКБ. Выбор ИБП не может быть ограничен оценкой параметров оборудования и должен определяться совокупностью технических , экономических и экологических факторов , обеспечивающих необходимые потребительские свойства ИБП. Выбор структуры ИБП Решение этого вопроса распадается на ряд задач : выбор вторичных источников энергии ; оценка необходимости параллельной работы источников бесперебойного электропитания. При централизованной структуре сети электроснабжения используется один достаточно мощный агрегат , с выхода которого электропитание разводится на все нагрузки. Недостаток такой системы – значительный объем электромонтажных работ при установке и полная зависимость бесперебойной работы системы от надежности входного агрегата. и тщательного проектирования , а также трассировки связей для исключения взаимного влияния электромагнитных наводок. Таким системам свойственна высокая стоимость как при установке , так и при эксплуатации. Для особо ответственных потребителей можно использовать т. н. смешанную , в частности древовидную , конфигурацию построения системы электропитания. В такой структуре на ее входе используется один мощный агрегат , с выхода которого через индивидуальные агрегаты каждый из потребителей снабжается электрической энергией необходимого только для него качества. Т. о. , данная конфигурация в полной мере приобретает все положительные качества как централизованных, так и децентрализованных систем и в значительной мере утрачивает присущие им недостатки , хотя Источники энергии Любая система резервного или автономного электроснабжения предполагает наличие запаса энергии , который может быть израсходован при необходимости ввода системы в действие. Запас энергии может содержаться в каком–либо топливе или электрическом аккумуляторе. батареях , без дополнительных преобразований может быть использована лишь как электроэнергия постоянного тока. Однако большинство широко применяемых электрических нагрузок предполагают обязательное питание электроэнергией переменного тока со стандартными параметрами. Поэтому основным режимом преобразователя энергии является режим преобразования запасенной в аккумуляторах энергии в электроэнергию переменного тока стандартного напряжения и частоты ( режим инвертора ) . сети после ее восстановления. В режиме зарядного устройства преобразователь должен предоставлять возможность : защиты от перезаряда батареи. по конструкции от широко применяемых в автомобильной технике аккумуляторных батарей стартового типа. Наиболее часто встречающиеся типы аккумуляторов в зависимости от назначения и условий эксплуатации : свинцово–кислотные обслуживаемые ; свинцово–кислотные необслуживаемые ; никель–железные ; никель–кадмиевые. и периодического контроля за уровнем электролита ; достоинства – более низкая стоимость , чем у остальных перечисленных типов аккумуляторов. быть установлены в помещениях без специальной системы проветривания , однако они более дороги. Данный тип аккумуляторов используется в в ИБП систем охраны и безопасности. Никель–железные аккумуляторы , как правило , предназначены для специального промышленного применения. Никель–кадмиевые аккумуляторы являются наиболее надежным и долговечным типом необслуживаемых аккумуляторов , однако из-за своей высокой стоимости они могут применяться только в специальных системах электроснабжения. Кроме мощных систем бесперебойного питания , обеспечивающих электроснабжение всего объекта напряжением 220 В , в системах безопасности применяются ИБП , обеспечивающие подачу электроэнергии постоянного тока с напряжением , характерным для систем охранно – пожарной сигнализации и пр. , а именно 12 и 24 В. Использование таких устройств с относительно небольшой мощностью нагрузки позволяет оптимально решать конкретные задачи бесперебойного питания отдельных охранных приборов или групп приборов. 1. Богодский В. С. Скундин А. И. Химические источники тока изд. 1981 г. 2Большой энциклопедический словарь. 3 Электронный сайт лантан- т азбука источники бесперебойного питания. 4 Варапаев Химические источники тока. 5 Большая Российская энциклопедия 2001 г.