Серийный выпуск и массовая эксплуатация свинцово-кислотных аккумуляторных батарей были начаты еще в конце 19 века. В начале 20 века они начали широко применяться в автомобилях, развивая далее сферу своего применения, легко перешагнули рубеж тысячелетия и до сих пор продолжают оставаться надежными, долговечными, не требующими высоких эксплуатационных затрат и относительно дешевыми источниками энергии.
Аккумулятор — это химический источник тока, способный многократно преобразовывать химическую энергию в электрическую и аккумулировать, запасать ее на длительное время. Упрощенно аккумулятор можно представить следующим образом: два электрода, в виде пластин, помещены в раствор серной кислоты с плотностью 1,27-1,29 г/см 3 . При этом положительный электрод выполнен из двуокиси свинца (PbO 2), а отрицательный из свинца (Pb). При прохождении тока между ними протекают окислительно-восстановительные реакции.
При разряде происходит химическая реакция, в результате которой активная масса обоих электродов начнет изменять свой химический состав, преобразуясь из губчатого свинца и его двуокиси в сернокислый свинец (сульфат свинца — PbSO 4), а плотность электролита начнет падать. В результате внутри батареи образуется направленное движение ионов и в цепи потечет электрический ток. При заряде аккумулятора происходит обратный процесс — направление тока меняется на противоположное, активные массы восстанавливают свой первоначальный химический состав, а плотность электролита растет. Процесс этот, называемый циклом, может быть многократным. Количество запасаемой при этом электрической энергии зависит от площади активного взаимодействия электродов и электролита и его объема. Номинальное напряжение, вырабатываемое таким аккумулятором, составляет 2 вольта. Для получения большего значения напряжения одиночные аккумуляторы соединяют последовательно. Например: 12-ти вольтовый аккумулятор состоит из шести аккумуляторов, последовательно соединенных в общем корпусе.
По конструкции свинцово-кислотные аккумуляторы бывают обслуживаемые и необслуживаемые . Обслуживаемые требуют в процессе эксплуатации определенного ухода (контроля уровня и плотности электролита). Необслуживаемые — являются герметичными (точнее, герметизированными), работают в любом положении и не требуют ухода.
В международной интерпретации принято обозначение в виде SEALED LEAD ACID BATTERY (герметичная свинцово-кислотная батарея) или сокращенно SLA, а также VRLA — Valve Regulated Lead Acid (свинцово-кислотные с регулируемым клапаном) батареи, имеющие сернокислый электролит в виде геля или связанная в стекловолокне (AGM). Такие аккумуляторные батареи имеют более высокие электрические и эксплуатационные параметры.
Применение такие батареи находят в качестве резервных источников
в системах сигнализации и охраны и медицинском оборудовании. Однако самое широкое применение они имеют в (ИБП), а также в системах автономного электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии.
Есть следующие основные типы свинцовых аккумуляторных батарей, которые можно применять в системах автономного электроснабжения:
Ниже приведена более подробная информация по герметизированным аккумуляторам.
Аккумуляторные батареи с технологией AGM
Такие АБ имеют большую, по сравнению со стартерными батареями, толщину пластин электродов, поэтому срок их службы в режиме длительного разряда намного превышает срок работы стартерных батарей.
AGM аккумуляторы обычно используются в резервных системах электроснабжения , т.е. там, где батареи в основном находятся на подзаряде, и иногда, во время перебоев в электроснабжении, отдают запасенную энергию.
Тем не менее, в последнее время появились AGM батареи, которые рассчитаны на более глубокие разряды и цикличные режимы работы. Конечно, они не «дотягивают» до гелевых, но работают удовлетворительно и с автономных системах электроснабжения, в т.ч. и солнечных. Смотрите . AGM аккумуляторы обычно имеют максимальный разрешенный ток заряда 0,3С, и конечное напряжение заряда 14,8-15В. Для их заряда лучше применять специальные зарядные устройства для герметизированных аккумуляторов .
Гелевые аккумуляторные батареи
Для автономных систем электроснабжения нужно выбирать аккумуляторы «глубокого разряда» (например ProSolar серий D или DG , а еще лучше аккумуляторы OPzV). Если можно выделить специальное помещение для аккумуляторов с соблюдение всех условий (вентиляция, пожаробезопасность) и есть обученный персонал, которые может обслуживать аккумуляторы с жидким электролитом, можно применять аккумуляторы глубокого разряда с жидким электролитом — OPzS , тяговые для электрических машин или другие с повышенным допустимым разрядом (например, Rolls).
Если такие условия не выполняются, лучше остановиться на герметичных аккумуляторах — они немного дороже, но гораздо проще в эксплуатации.
Продолжить чтение
Какой тип аккумулятора выбрать - AGM, гелевый или с жидким электролитом? Определяющими факторами при выборе аккумуляторных батарей для вашей системы являются цена, условия, при которых будет работать батарея (температура, условия обслуживания, наличие специального помещения и т.п.), а также ожидаемый срок…
Технологии аккумулирования энергии в системах автономного электроснабжения По материалам сайта:modernoutpost.com В этой заметке содержатся общие советы по выбору аккумуляторов для систем с возобновляемыми источниками энергии. В заметке затронуты 3 основные технологии: литий-ионные, никель-металл-гидридные и свинцово-кислотные (AGM, или Gel). Мы постараемся…
Лекция 3. Аккумуляторы
- Основные понятия. Электрические характеристики и классификация аккумуляторов. Свинцовые аккумуляторы. Щелочные аккумуляторы. Стартерные батареи. Аккумуляторы с расплавленным и твердым электролитом. 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: Е ак = φ к – φ а. 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 = W p / W з. 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 А
ккумуляторы
К
ислотные Щелочные с твёрдым электролитом с расплавленным (свинцовые) Ni-Cd, Ni-Fe (S-Na) электролитом
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 PbO 2 . Электрохимическая схема:
Анод (-) Pb / H 2 SO 4 / PbO 2 (+) Катод
Электроды погружены в электролит – 25-30% раствор серной кислоты с плотностью 1,18 – 1,22 г/см 3 . Кроме электролита, решётки электродов разделяются пористыми сепараторами. Суммарная (токообразующая) реакция в аккумуляторе:
2 PbSO 4 + 2 H 2 O ↔ Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 .
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 +2 SO 4 + 2H 2 O – 2e - = Pb +4 O 2 + H 2 SO 4 , На катоде Pb +2 SO 4 + 2e - = Pb 0 + SO 4 2- . При разрядке аккумулятора (во время его работы): На аноде Pb +4 O 2 + 2H 2 SO 4 + 2e - = Pb +2 SO 4 + 2H 2 O + SO 4 2- ; На катоде Pb 0 + SO 4 2- - 2e - = Pb +2 SO 4 . 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 2Н 2 О = 2Н 2 + О 2 . Поэтому выделение пузырьков газа («кипение») служит признаком окончания заряда.
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/см 3 . Так, при работе Ni-Fe аккумулятора суммарное уравнение
Fe + 2Ni(OH) 3 ↔ Fe(OH) 2 + 2Ni(OH) 2 .
При разрядке на аноде Fe – 2e - = Fe 2+ , 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.
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 / Cl 2 , C (+)
Суммарный электрохимический процесс: 2Li + Cl 2 ↔ 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 / TeCl 4 (+). Также активно разрабатываются аккумуляторы с твёрдыми и неводными электролитами (пропиленкарбонатом, фторуглеродами CF x , тионилхлоридом SOCl 2 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
- Основные понятия. Устройство топливных элементов (ТЭ). Водородно-кислородные элементы с различными электролитами. Установки с электрохимическим генератором. 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.
Устройство топливных элементов (ТЭ). Водородно-кислородные элементы с различными электролитами.
Н 2 О N 2 1 2 3 Н 2 О 2 (воздух) Рисунок 4.1. Устройство топливного элемента. 1 – анод, 2 – электролит, 3 – катод.
Схема данного элемента:
А (-) Н 2 , М / КОН/ М, О 2 (+) К
Здесь М – катализатор (проводник первого рода). Анодный процесс: Н 2 + 2 ОН - - 2е - = 2 Н 2 О; Катодный процесс: О 2 + 2 Н 2 О + 4е - = 4 ОН - . Суммарный процесс: 2 Н 2 + О 2 = 2 Н 2 О. 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, N 2 H 4 / KOH / О 2 , С (+)
Здесь анодом является никелевый электрод, а катодом – графитовый стержень. При работе такого ТЭ на аноде N 2 H 4 + 4 OH - = N 2 + 4H 2 O + 4 e - , на катоде О 2 + 2Н 2 О + 4е - = 4 ОН - . Суммарная реакция N 2 H 4 + O 2 = N 2 + 2H 2 O. 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 300 0 С. У данных ТЭ на аноде: 2Н 2 – 4е - = 4 Н + ; на катоде О 2 + 2Н 2 О + 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: СН 4 + 2Н 2 О = СО 2 + 4Н 2 .
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
- Определение коррозии и значение коррозионной проблемы. Прямые и косвенные потери от коррозии. Причины возникновения коррозии. Химическая коррозия. Электрохимическая коррозия. Влияние водородного показателя среды на скорость коррозии. Оценка коррозионной стойкости металлов.
Определение коррозии и значение коррозионной проблемы
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.
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 Fe 3 O 4 или лимонит Fe 2 O 3 ·H 2 O. 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.
Учебно-методический комплекс
Основной целью преподавания дисциплины является формирование у студентов единого представления о процессе проектирования вагоноремонтного предприятия (вагонного депо или вагоноремонтного завода) как специализированного промышленного
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы технической диагностики» (название)
Учебно-методический комплексУчебно-методический комплекс по дисциплине «Холодильное оборудование вагонов» (название)
Учебно-методический комплекссоставлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования/основной образовательной программы по специальности/ направлению
Принцип действия. Аккумулятором называется химический источник тока, который способен накапливать (аккумулировать) в себе электрическую энергию и по мере необходимости отдавать ее во внешнюю цепь. Накапливание в аккумуляторе электрической энергии происходит при пропускании по нему тока от
постороннего источника (рис. 158,а). Этот процесс, называемый зарядом аккумулятора , сопровождается превращением электрической энергии в химическую, в результате чего аккумулятор сам становится источником тока. При разряде аккумулятора (рис. 158, б) происходит обратное превращение химической энергии в электрическую. Аккумулятор обладает большим преимуществом по сравнению с гальваническим элементом. Если элемент разрядился, то он приходит в полную негодность; аккумулятор же. после разряда может быть вновь заряжен и будет служить источником электрической энергии. В зависимости от рода электролита аккумуляторы разделяют на кислотные и щелочные.
На локомотивах и электропоездах наибольшее распространение получили щелочные аккумуляторы, которые имеют значительно больший срок службы, чем кислотные. Кислотные аккумуляторы ТН-450 применяют только на тепловозах, они имеют емкость 450 А*ч, номинальное напряжение - 2,2 В. Аккумуляторная батарея 32 ТН-450 состоит из 32 последовательно соединенных аккумуляторов; буква Т означает, что батарея установлена на тепловозе, буква Н - тип положительных пластин (намазные).
Устройство. В кислотном аккумуляторе электродами являются свинцовые пластины, покрытые так называемыми активными массами, которые взаимодействуют с электролитом при электрохимических реакциях в процессе заряда и разряда. Активной массой положительного электрода (анода) служит перекись свинца PbO 2 , а активной массой отрицательного электрода (катода) - чистый (губчатый) свинец Pb. Электролитом является 25-34 %-ный водный раствор серной кислоты.
Пластины аккумулятора могут иметь конструкцию поверхностного или намазного типа. Пластины поверхностного типа отливают из свинца; поверхность их, на которой происходят электрохимические реакции, увеличена благодаря наличию ребер, борозд и т. п. Их применяют в стационарных аккумуляторных батареях и некоторых батареях пассажирских вагонов.
В аккумуляторных батареях тепловозов применяют пластины намазного типа (рис. 159, а). Такие пластины имеют остов из сплава свинца с сурьмой, в котором устроен ряд ячеек, заполняемых пастой.
Ячейки пластин после заполнения пастой закрывают свинцовыми листами с большим количеством отверстий. Эти листы предотвращают возможность выпадания из пластин активной массы и не препятствуют в то же время доступу к ней электролита.
Исходным материалом для изготовления пасты для положительных пластин служит порошок свинца Pb, а для отрицательных- порошок, перекиси свинца PbO 2 , которые замешиваются на водном растворе серной кислоты. Строение активных масс в таких пластинах пористое; благодаря этому в электрохимических реакциях участвуют не только поверхностные, но и глубоколежащие слои электродов аккумулятора.
Для повышения пористости и уменьшения усадки активной массы в пасту добавляют графит, сажу, кремний, стеклянный порошок, сернокислый барий и другие инертные материалы, называемые расширителями . Они не принимают участия в электрохимических реакциях, но затрудняют слипание (спекание) частиц свинца и его окислов и предотвращают этим уменьшение пористости.
Намазные пластины имеют большую поверхность соприкосновения с электролитом и хорошо им пропитываются, что способствует уменьшению массы и размеров аккумулятора и позволяет получать при разряде большие токи.
При изготовлении аккумуляторов пластины подвергают специальным зарядно-разрядным циклам. Этот процесс носит название формовки аккумулятора . В результате формовки паста положительных пластин электрохимическим путем превращается в перекись (двуокись) свинца PbO 2 и приобретает коричневый цвет. Паста отрицательных пластин при формовке переходит в чистый свинец Pb, имеющий пористую структуру и называемый поэтому губчатым; отрицательные пластины приобретают серый цвет.
В некоторых аккумуляторах применены положительные пластины панцирного типа. В них каждая положительная пластина заключена в специальный панцирь (чехол) из эбонита или стеклоткани. Панцирь надежно удерживает активную массу пластины от осыпания при тряске и толчках; для сообщения же активной массы пластин с электролитом в панцире делают горизонтальные прорези шириной около 0725 мм.
Для предотвращения замыкания пластин посторонними предметами (щупом для измерения уровня электролита, устройством для заливки электролита и др.) пластины в некоторых аккумуляторах покрывают полихлорвиниловой сеткой.
Для увеличения емкости в каждый аккумулятор устанавливают несколько положительных и отрицательных пластин; одноименные пластины соединяют параллельно в общие блоки, к которым приваривают выводные штыри. Блоки положительных и отрицательных пластин обычно устанавливают в эбонитовом аккумуляторном сосуде (рис. 159,б) так, чтобы между каждыми двумя
пластинами одной полярности располагались пластины другой полярности. По краям аккумулятора ставят отрицательные пластины, так как положительные пластины при установке по краям склонны к короблению. Пластины отделяют одну от другой сепараторами, выполненными из микропористого эбонита, полихлорвинила, стекловойлока или другого изоляционного материала. Сепараторы предотвращают возможность короткого замыкания между пластинами при их короблении.
Пластины устанавливают в аккумуляторном сосуде так, чтобы между их нижней частью и дном сосуда имелось некоторое свободное пространство. В этом пространстве скапливается свинцовый осадок (шлам), образующийся вследствие отпадания отработавшей активной массы пластин в процессе эксплуатации.
Разряд и заряд.
При разряде аккумулятора (рис. 160, а) положительные ионы H 2 + и отрицательные ионы кислотного остатка
S0 4 -, на которые распадаются молекулы серной кислоты H 2 S0 4 электролита 3, направляются соответственно к положительному
1 и отрицательному 2 электродам и вступают в электрохимические реакции с их активными массами. Между электродами возникает
разность потенциалов около 2 В, обеспечивающая прохождение электрического тока при замыкании внешней цепи. В результате
электрохимических реакций, возникающих при взаимодействии ионов водорода с перекисью свинца PbO 2 положительного
электрода и ионов сернокислого остатка S0 4 — со свинцом Pb отрицательного электрода, образуется сернокислый свинец PbS0 4 (сульфат свинца), в который превращаются поверхностные слои активной массы обоих электродов. Одновременно при этих реакциях образуется некоторое количество воды, поэтому концентрация серной кислоты понижается, т. е. плотность электролита уменьшается.
Аккумулятор может разряжаться теоретически до полного превращения активных масс электродов в сернокислый свинец и истощения электролита. Однако практически разряд прекращают гораздо раньше. Образующийся при разряде сернокислый свинец представляет собой соль белого цвета, плохо растворяющуюся в электролите и обладающую низкой электропроводностью. Поэтому разряд ведут не до конца, а только до того момента, когда в сернокислый свинец перейдет около 35 % активной массы. В этом случае образовавшийся сернокислый свинец равномерно распределяется в виде мельчайших кристалликов в оставшейся активной массе, которая сохраняет еще достаточную электропроводность, чтобы обеспечить напряжение между электродами 1,7-1,8 В.
Разряженный аккумулятор подвергают заряду, т. е. присоединяют к источнику тока с напряжением, большим напряжения аккумулятора. При заряде (рис. 160,б) положительные ионы водорода перемещаются к отрицательному электроду 2, а отрицательные ионы сернокислого остатка S0 4 — - положительному электроду 1 и вступают в химическое взаимодействие с сульфатом свинца PbS0 4 , покрывающим оба электрода. В процессе возникающих электрохимических реакций сульфат свинца PbS0 4 растворяется и на электродах вновь образуются активные массы: перекись свинца PbO 2 на положительном электроде и губчатый свинец Pb - на отрицательном. Концентрация серной кислоты при этом возрастает, т. е. плотность электролита увеличивается.
Электрохимические реакции при разряде и заряде аккумулятора могут быть выражены уравнением
PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 ? 2PbSO 4 + 2H 2 O
Читая это уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево - процесс заряда.
Номинальный разрядный ток численно равен 0,1С НОМ, максимальный при запуске дизеля (стартерный режим) - примерно 3С НОМ, зарядный ток - 0,2 С НОМ, где С НОМ - номинальная емкость.
Полностью заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 2,2 В. Таково же приблизительно и напряжение на его зажимах, так как внутреннее сопротивление аккумулятора весьма мало. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 2 В, а затем медленно понижается до 1,8-1,7 В (рис. 161), при этом напряжении разряд прекращают во избежание повреждения аккумулятора. Если разряженный аккумулятор оставить на некоторое время в бездействии, то напряжение его снова восстанавливается до среднего значения 2 В. Это явление носит название «отдыха» аккумулятора. При нагрузке подобного «отдохнувшего» аккумулятора напряжение быстро понижается, поэтому измерение напряжения аккумулятора без нагрузки не дает правильного суждения о степени разряда .
При заряде напряжение аккумулятора быстро поднимается до 2,2 В, а затем медленно повышается до 2,3 В и, наконец, снова довольно быстро возрастает до 2,6-2,7 В. При 2,4 В начинают выделяться пузырьки газа, образующегося в результате разложения воды на водород и кислород. При 2,5 В оба электрода выделяют сильную струю газа, а при 2,6-2,7 В аккумулятор начинает как бы кипеть, что служит признаком окончания заряда. При отключении аккумулятора от источника зарядного тока напряжение его быстро снижается до 2,2 В.
Уход за аккумуляторами. Кислотные аккумуляторы быстро теряют емкость или даже приходят в полную негодность при
неправильной эксплуатации. В них происходит саморазряд, в результате которого они теряют свою емкость (примерно 0,5- 0,7 % в сутки). Для компенсации саморазряда неработающие аккумуляторные батареи необходимо периодически подзаряжать. При загрязнении электролита, а также крышек аккумуляторов, их выводов и междуэлементных соединений происходит повышенный саморазряд, быстро истощающий батарею.
Батарея аккумулятора должна быть всегда чистой, а выводы для предохранения от окисления покрыты тонким слоем технического вазелина. Периодически нужно проверять уровень электролита и степень заряженности аккумуляторов. Аккумуляторы должны периодически заряжаться. Хранение незаряженных аккумуляторов недопустимо. При неправильной эксплуатации аккумуляторов (разряде ниже 1,8-1,7 В, систематическом недозаряде, неправильном проведении заряда, длительном хранении незаряженного аккумулятора, понижении уровня электролита, чрезмерной плотности электролита) происходит повреждение их пластин, называемое сульфатацией . Это явление заключается в переходе мелкокристаллического сульфата свинца, покрывающего пластины при разряде, в нерастворимые крупнокристаллические химические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца РbO 2 и свинец РЬ. При этом аккумулятор становится непригодным для эксплуатации.
Изобретенный французским физиком Рэймондом Луи Гастоном Планте в 1859 году, свинцово-кислотный аккумулятор был первым аккумулятором для коммерческого использования. Сегодня, заливные свинцово-кислотные аккумуляторы широко используется в автомобилях, электропогрузчиках, источниках бесперебойного питания (ИБП).
Заливные свинцово-кислотные батареи состоят из свинцовых пластин, выступающих в качестве электродов, погруженных в воду и серную кислоту. Эти батареи требуют некоторого технического обслуживания за счет потери водорода с течением времени.
В середине 1970-х годов, исследователи разработали необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы, которые могут работать в любом положении в пространстве. Жидкий электролит был заменен увлажненными сепараторами и была решена проблема изоляции. Были добавлены предохранительные клапаны, которые сделали возможным удаление воздуха во время заряда и разряда. Тем не менее, необслуживаемые батареи стоят дороже и имеют более короткий срок эксплуатации, чем заливные батареи.
Свинцово-кислотные батареи могут иметь жидкий или гелеобразный электролит.
В зависимости от областей применения, появились два обозначения свинцово-кислотно батарей. Это небольшие герметичные свинцово-кислотные (SLA , sealed lead acid ) батареи и большие клапанные регулируемые свинцово-кислотные (VRLA , valve regulated lead acid ) батареи . Конструктивно, обе батареи одинаковы. (Некоторые могут возразить, что название «герметичная свинцово-кислотная батарея » является неправильным, потому что свинцово-кислотный аккумулятор не может быть полностью герметичен. Я соглашусь — это действительно так, название не совсем корректное, но это не мешает ему быть широкораспространенным). Я сделаю акцент на портативных батареях, поэтому буду ориентироваться на SLA .
В отличие от заливной свинцово-кислотной батареи, как SLA , так и VRLA имеют низкий потенциал перенапряжения, чтобы исключить выделение газа во время зарядки. Перезаряд вызывает газообразование и обезвоживание батареи. Следовательно, эти батареи не могут быть заряжены до их полного потенциала.
Свинцово-кислотные батареи не имеют эффекта памяти. Если оставить аккумулятор на подзарядке в течение длительного времени, то это не вызывает его повреждения. Время удержания заряда свинцово-кислотным аккумулятором является лучшим среди различных типов аккумуляторных батарей. В то время, как никель-кадмиевая батарея саморазряжается примерно на 40 процентов от ее накопленной энергии за три месяца, SLA саморазряжается на ту же величину в течение одного года. SLA являются относительно недорогими источниками энергии.
SLA не поддается быстрой зарядке — типичный цикл заряда длится 8-16 часов.
SLA всегда должны храниться в заряженном состоянии. Оставив батарею в разряженном состоянии, вы запустите в ней процесс под названием сульфатация (по сути, это окисление и кристаллизация), что может привести к невозможности ее последующей перезарядки.
В отличие от никель-кадмиевых аккумуляторов, SLA не любит глубокого разряда. Полный разряд вызывает дополнительную деформацию, и каждый цикл лишает батарею небольшого количества мощности. Эта спадающая характеристика износа относится и к другим химическим батареям в той или иной степени. Для того, чтобы предотвратить частые глубокие разряды батареи, лучше использовать SLA несколько большей, чем требуется емкости.
В зависимости от глубины разряда и рабочей температуры, SLA обеспечивает от 200 до 300 циклов заряда/разряда. Основной причиной столь относительно короткого жизненного цикла является коррозия сетки положительного электрода, истощение активного материала и расширение плюсовых пластин. Эти изменения более ярко выражены при более высоких рабочих температурах.
Оптимальной рабочей температурой для батарей SLA и VRLA , является температура в 25°C . Как правило, повышение температуры на 8°C сокращает срок службы батареи в два раза. VRLA , работающая в течение 10 лет при 25°C проработает только 5 лет при 33°C, и чуть более года при температуре 42°C.
Среди современных аккумуляторных батарей, семейство свинцово-кислотных аккумуляторов имеет самую низкую плотность энергии, которая измеряется в Ватт/кг, что делает его непригодным для портативных устройств, которым требуется компактный источник питания. Кроме того, КПД таких аккумуляторов при низких температурах оставляет желать лучшего.
Свинцово-кислотные батареи хорошо работают на высоких импульсных токах. Полная мощность может быть выдана в нагрузку за короткое время. Это делает их идеальными для использования там, где может внезапно понадобиться большое количество энергии. Именно поэтому они используются для электрического запуска двигателей внутреннего сгорания в большинстве транспортных средств.
С точки зрения утилизации, SLA является менее вредными, чем никель-кадмиевые батареи, но высокое содержание свинца делает SLA неэкологичными.
Преимущества свинцово-кислотных аккумуляторов
- Недорогие и простые в изготовлении — с точки зрения затрат на Вт·ч, SLA является наименее дорогими. Например, аккумулятор 12В емкостью 3.2 А·ч, имеющий размеры 134x67x60мм, стоит порядка 400 рублей.
- Зрелая, надежная и хорошо освоеная технология — при правильном использовании, SL A достаточно долговечны
- Низкий саморазряд — скорость саморазряда является одной из самой низких в аккумуляторных системах (3-20% в месяц)
- Низкие требования к обслуживанию — нет эффекта памяти, нет необходимости доливать электролит
- Способность к большой токоотдаче. Для упомянутого выше аккумулятора с C = 3.2 А·ч токоотдача составляет не менее 16А. Аккумулятор отдает большой пусковой ток в нагрузку, при этом не просаживая напряжение питания.
Недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов
- Не могут храниться в разряженном состоянии
- Высокая чувствительность к изменению температуры — влияет и на продолжительность работы и на срок жизни аккумулятора
- Низкая плотность энергии — слабая весо-энергетическая плотность аккумулятора ограничивает область применения стационарными и колесными приложениями, поэтому их целесообразно использовать только в больших и средних по размерам роботах (если уж говорить о роботах)
- Позволяет только ограниченное количество полных циклов разряда — хорошо подходит для резервных приложений, в которых происходят только случайные глубокие разряды
- Экологически вредные — электролит и содержание свинца делают их небезопасными для окружающей среды
- Транспортные ограничения для заливных свинцово-кислотных батарей — в случае аварии может произойти утечка кислоты
Типичные характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов
Приведу типичные значения параметров, встречающиеся для необслуживаемых 6 и 12 вольтовых батарей с емкостью порядка 0.8-7 А·ч:
- Теоретическая энергоемкость: 135 Вт·ч/кг
- Удельная энергоемкость: 30-60 Вт·ч/кг
- Удельная энергоплотность: 1250 Вт·ч/дм 3
- ЭДС заряженного аккумулятора: 2.11В
- Рабочее напряжение: 2.1В (3 или 6 секций дают стандартные 6.3 или 12.6В)
- Напряжение полностью разряженного аккумулятора: 1.75-1.8В (на одну секцию). Более низкий заряд не допускается
| Напряжение | Заряд |
| 12.70В | 100% |
| 12.46В | 80% |
| 12.24В | 55% |
| 12.00В | 25% |
| 11.90В | 0% |
- Рабочая температура: от -40 до +40ºС
- КПД: 80-90%
Свинцово-кислотный аккумулятор - один из самых распространенных типов батарей, использующийся в качестве источника электроэнергии для автомобиля, мотоцикла, мопеда, или в случае необходимости создания запасных источников питания.
Первая модель свинцово-кислотного аккумулятора была создана в середине XIX века ученым Гастоном Планте. Тогда его конструкция подразумевала две свинцовых пластины, стеклянную колбу с серной кислотой и обычное полотно в роли сепаратора. Это устройство обладало малой емкостью заряда и не получило достаточного распространения. Но идею оценили другие ученые и стали экспериментировать с составом электродов. В итоге самой удачной оказалась решетчатая конструкция из сплава с добавлением сурьмы. Изобретение генераторов постоянного тока решило проблему с подходящим источником энергии, и свинцово-кислотные аккумуляторные батареи наконец-таки получили широкое распространение.
В конце ХХ века их конструкция усложнилась, появились , в электроды которых был добавлен кальций. Это нововведение позволило существенно сократить расход воды. В идеале, батареи такого типа способны работать без пополнения количества воды в электролите весь срок службы. Кстати, при необходимости утратившее работоспособность устройство можно попробовать восстановить, используя принцип действия кислотных аккумуляторов.
По конструктивным особенностям современные батареи делятся на три типа:
- С жидким электролитом. Могут быть как обслуживаемыми, так и необслуживаемыми. Электролит - смесь серной кислоты и воды, находящаяся в жидком виде. В версии, требующей обслуживания, пластины изготавливаются из свинца с добавлением сурьмы и мышьяка. В таких батареях высок расход воды, что делает обслуживание аккумулятора не очень простой задачей. После замены сурьмы на кальций в состав сплава отрицательной пластины появились так называемые гибридные аккумуляторы, более удобные в эксплуатации, чем их предшественники. И, наконец, с добавлением кальция в обе пластины началась эра устройств, не требующих восстановления количества воды весь срок службы. Несмотря на совершенство конструкции, у них есть один минус - плохо переносят почти полный разряд, особенно в условиях отрицательной температуры.
- Гелевые АКБ. В этих конструкциях электролит находится в сгущенном состоянии благодаря добавлению кремния. Плюс такой конструкции в том, что батарея становится абсолютно герметичной. Газ, выделяющийся в процессе химических реакций, находит себе место в порах геля, а при обратных реакциях вновь присоединяется к раствору серной кислоты. Но это очень капризные батареи. Они требуют неукоснительного соблюдения условий эксплуатации, чувствительны к перепадам температур, справляются с высокой нагрузкой хуже, чем их жидкостные собратья. Но они хорошо справляются с сильной разрядкой, действительно не требуют дополнительного обслуживания. Гелевые АКБ чаще используются в качестве стационарно резервного источника питания и редко устанавливаются на транспорт.
- AGM-аккумуляторы. Это самый современный вид батарей, сочетающий все достоинства предыдущих вариантов. Электролит остается жидким, но циркулирует в пористой конструкции из тончайших стеклянных волокон. Два вида пор - большие и маленькие - обеспечивают свободное перемещение газа до того, как запустится обратная реакция. Конструкция устройства такова, что аккумулятор может работать, даже если его оболочка незначительно повреждена. Не боятся они и холода, глубокой разрядки, вибраций. Единственная уязвимость такого устройства - чувствительность к перепадам напряжения. Эту проблему можно решить, контролируя работу генератора и пользуясь надежным ЗУ.
Емкость и напряжение
У любого есть два основных параметра: емкость и напряжение. Емкость определяет количество энергии, которое аккумулятор может отдать при рабочем напряжении, измеряется в Ампер-часах. Она зависит от площади свинцовых пластин, участвующих в химических реакциях. При износе аккумулятора его емкость уменьшается из-за естественных потерь в размере пластин.
Напряжение - количество электрического тока, отдаваемое батареей. Измеряется в вольтах, зависит от плотности электролита. Оба параметра необходимо контролировать, так как от них зависит работоспособность устройства.
Для измерения напряжения используется вольтмер, правильные показатели - от 11 до 13 вольт (раньше производились аккумуляторы с напряжением 6 вольт, теперь они считаются устаревшими).
Чтобы измерить емкость, существует несколько методов:
- « » - измерение напряжения при эталонной нагрузке. Аккумулятор должен быть полностью заряжен.
- Специальный индикатор, способный посылать сигнал, определяющий площадь свинцовых пластин, и преобразовывать его в цифры. Не требует особых условий использования.
- В домашних условиях можно подключить мощную автомобильную галогеновую лампу и замерить в это время напряжение. Ели в течение 2 минут оно держится на уровне ~11 вольт, а свет лампы ровный и сильный - все в порядке.
Эксплуатация и восстановление
В зависимости от типа используемого аккумулятора, условия его эксплуатации будут сильно отличаться. Единственная общая черта - всех их необходимо вовремя заряжать. Так, обслуживаемая батарея требует долива воды в аккумулятор, что может представлять собой опасность - кислота нагревает воду, и кипяток может ощутимо обжечь автовладельца.
Конструкция необслуживаемых аккумуляторов не предполагает возможности пополнения запаса воды в них. Но, даже если произвести небольшие изменения в конструкции, обжечься кипятком все равно будет проблематично. Для батарей такого типа важно не допускать больших колебаний напряжения. Это справедливо и для автомобильного, и для мотоциклетного аккумулятора. Но герметичный корпус уменьшает варианты восстановления устройства.
Как ? Часто снижение емкости или напряжения аккумулятора происходит из-за того, что некоторые участки электролита слишком уплотнились. При многоразовой небольшой зарядке эти области разжижаются, и потенциал устройства восстанавливается. Существует несколько рецептов восстанавливающего раствора, который несколько улучшает состояние устройства. К сожалению, его использование несколько затруднено на батареях с герметизированным корпусом, так как слить из него этот раствор будет проблематично.
Какой бы аккумулятор ни был установлен на транспортном средстве, важно соблюдать инструкцию по его использованию, вовремя заряжать и, при необходимости, пополнять запас воды в электролите. Тогда батареи будет максимально долгим.
