Типи акумуляторів електричної енергії
Акумулятори є невід'ємною частиною будь-якої системи, орієнтованої на отримання альтернативних видів енергії.
Найбільшого поширення на сьогодні отримали електрохімічні акумулятори електричної енергії, в яких перетворення хімічної енергії в електричну при розряді акумулятора відбувається за допомогою хімічної реакції. При зарядці акумулятора хімічна реакція протікає в зворотному напрямку.
Крім електрохімічних акумуляторів електроенергію можна запасати в конденсаторах і соленоїдах (котушках індуктивності).
У зарядженому конденсаторі енергія зберігається у вигляді енергії електричного поля діелектрика. З огляду на те що питома енергія, що запасається конденсатором, дуже невелика (практично від 10 до 400 Дж / кг), а тривалість можливого зберігання енергії внаслідок наявної її витоку невелика, цей тип акумулятора енергії застосовується тільки в тих випадках, коли треба віддати електроенергію споживачеві за дуже короткий час при короткому терміні її зберігання.
У соленоїді електрична енергія акумулюється у вигляді енергії магнітного поля. Тому цей тип накопичувача іменується електромагнітним. Але час видачі енергії електромагнітними акумуляторами зазвичай вимірюється навіть не секундами, а частками секунди.
Для зарядки акумулятора потрібен зовнішній джерело енергії, причому в процесі зарядки можуть виникати втрати енергії. Після зарядки акумулятор може залишатися в стані готовності (в зарядженому стані), але і в цьому стані частина енергії може втрачатися через довільне розсіювання, витоку, саморазряда або інших подібних явищ. При віддачі енергії з акумулятора також можуть виникати її втрати; крім того, іноді неможливо отримати назад всю акумульовану енергію. Деякі акумуляторні батареї влаштовані так, що в них повинна залишатися деяка залишкова енергія.
Робота акумулятора
Основною характеристикою акумулятора є його електрична ємність. Одиницею виміру цієї ємності є ампер-годину (А · год) - позасистемна одиниця виміру електричного заряду.
Виходячи з фізичного змісту, 1 ампер-годину - це електричний заряд, який проходить через поперечний переріз провідника протягом однієї години при наявності в ньому струму силою в 1 ампер. Теоретично заряджений акумулятор із заявленою ємністю в 1 А · год здатний забезпечити силу струму 1 ампер протягом однієї години (або, наприклад, 0,1 А протягом 10 годин, або 10 А протягом 0,1 години).
На практиці ж ємність акумулятора розраховують виходячи з 20-годинного циклу розряду до кінцевого напруги, яке для автомобільних акумуляторів становить 10,8 В. Наприклад, напис на маркуванні акумулятора «55 А · год» означає, що він здатний видавати струм 2,75 ампер протягом 20 годин, і при цьому напруга на клемах не опуститься нижче 10,8 В.
Занадто великий струм розряду акумулятора призводить до менш ефективної віддачі електроенергії, що нелінійно зменшує час його роботи з таким струмом і може призводити до перегріву.
Виробники акумуляторів іноді в якості ємності вказують в технічних характеристиках запасається енергію в Вт · год. Оскільки 1 Вт = 1 А * 1 В, то якщо запасається енергія дорівнює 720 Вт · год ми можемо поділити це значення на величину напруги (скажімо 12 В) і отримаємо ємність в ампер-годинах (в нашому прикладі 720 Вт · год / 12 В = 60 А · год.).
Свинцево-кислотні акумулятори
У зарядженому стані анод (негативний електрод) такого акумулятора складається з свинцю, а катод (позитивний електрод) - з двоокису свинцю РbO2. Обидва електроди виготовлені пористими, щоб площа їхнього зіткнення з електролітом була якомога більше. Конструктивне виконання електродів залежить від призначення і ємності акумулятора і може бути вельми різноманітним.
Хімічні реакції при заряді і розряді акумулятора представляються формулою
РbO2 + Рb + 2Н2SO4 <—> 2РbSO4 + Н2О
Для заряду акумулятора теоретично потрібно питома енергія 167 Вт / кг. Цим же числом виражається, отже, і теоретичний його межа питомої акумулюючої здатності. Однак фактична яка акумулює здатність набагато менше, внаслідок чого з акумулятора при розряді зазвичай виходить електрична енергія приблизно 30 Вт / кг. Фактори, що зумовлюють зниження акумулюючої здатності, наочно представлені на рис. 1. ККД акумулятора (відношення енергії, одержуваної при розряді, до енергії, що витрачається при заряді) зазвичай знаходиться в межах від 70% до 80%.
Рис.1. Теоретична і фактична питома яка акумулює здатність свинцевого акумулятора
Різними спеціальними заходами (підвищенням концентрації кислоти до 39%, використанням пластмасових конструкційних частин і мідних сполучних частин і ін.) Останнім часом вдалося підвищити питому акумулюючі здатність до 40 Вт • год / кг і навіть трохи вище.
З вищенаведених даних випливає, що питома яка акумулює здатність свинцевого акумулятора (а також, як буде показано надалі, і інших типів акумуляторів) істотно нижче, ніж первинних гальванічних елементів. Однак цей недолік зазвичай компенсується
- можливістю багаторазового заряду і, як результат, приблизно десятикратним зниженням вартості одержуваної з акумулятора електроенергії,
- можливістю складати акумуляторні батареї з дуже великою енергоємністю (при необхідності, наприклад, до 100 МВт • год).
Кожен цикл заряду-розряду супроводжується деякими незворотними процесами на електродах, в тому числі повільним накопиченням невідновлювальних сірчанокислого свинцю в масі електродів. З цієї причини через певне число (зазвичай близько 1000) циклів акумулятор втрачає здатність нормально заряджатися. Це може статися і при тривалому невикористанні акумулятора, так як електрохімічний розрядний процес (повільний саморазряд) протікає в акумуляторі і тоді, коли він не з'єднаний із зовнішнім електричним колом. Свинцевий акумулятор втрачає через саморозряду зазвичай від 0,5% до 1% свого заряду в добу. Для компенсації цього процесу в електроустановках використовується постійний підзаряд при досить стабільному напрузі (в залежності від типу акумулятора, при напрузі від 2,15 В до 2,20 В).
Іншим незворотнім процесом є електроліз води ( «закипання» акумулятора), що виникає в кінці зарядного процесу. Втрату води легко компенсувати шляхом доливання, але виділяється водень може разом з повітрям привести до утворення вибухонебезпечної суміші в акумуляторному приміщенні або відсіку. Щоб уникнути небезпеки вибуху повинна передбачатися відповідна належна вентиляція.
Інші типи акумуляторів
В останні 20 років з'явилися герметично закриті свинцеві акумулятори, в яких застосовується не рідкий, а желеподібний електроліт. Такі акумулятори можуть встановлюватися в будь-якому положенні, а крім того, з огляду на, що під час заряду вони не виділяють водню, можуть розміщуватися в будь-яких приміщеннях.
Крім свинцевих випускається більше 50 видів акумуляторів, заснованих на різних електрохімічних системах. У енергоустановках досить часто знаходять застосування лужні (з електролітом у вигляді розчину гідроксиду калію КОН) нікель-залізні і нікель-кадмієві акумулятори, ЕРС яких знаходиться в межах від 1,35 В до 1,45 В, а питома яка акумулює здатність - в межах від 15 Вт • год / кг до 45 Вт • год / кг. Вони менш чутливі до коливань температури навколишнього середовища і менш вимогливі до умов експлуатації. Вони мають також великим терміном служби (зазвичай від 1000 до 4000 циклів заряду-розряду), але їх напруга змінюється під час розряду в більш широких межах, ніж у свинцевих акумуляторів, і ккд у них трохи нижче (від 50% до 70%).
В літій-іонних акумуляторах анод складається з вуглецю, що містить в зарядженому стані карбід літію Liх C6. а катод - з окису літію і кобальту Li1-х CoO2. В якості електроліту застосовуються тверді солі літію (LiPF6. LiBF4. LiClO4 або інші), розчинені в рідкому органічному розчиннику (наприклад, в ефірі). До електроліту зазвичай додають згущувач (наприклад, кремнійорганічні сполуки), завдяки чому він набуває желеподібної вид. Електрохімічні реакції при розряді і заряді полягають в переході іонів літію з одного електрода на інший і протікають по формулі
За зовнішньою формою елементи літій-іонних акумуляторів можуть бути плоскими (схожими на чотирикутні пластини) або циліндричними (з рулонними електродами). Випускаються також акумулятори, в яких застосовуються інші матеріали анода і катода. Одним з важливих напрямків розвитку є розробка бистрозаряжающихся акумуляторів.
Існує багато інших видів акумуляторів (всього близько 100). Наприклад, в системах електропостачання літаків, де маса обладнання повинна бути якомога менше, знаходять застосування срібно-цинкові акумулятори з питомою акумулюючої здатністю, в середньому, 100 Вт • год / кг. Найвищу ЕРС (6,1 В) і найбільшу питому акумулюючі здатність (6270 Вт • год / кг) мають фторо-літієві акумулятори, серійного виробництва яких, однак, ще немає.
Первинні гальванічні елементи добре підходять для роботи в тривалому режимі, а акумулятори можуть використовуватися як для тривалої роботи, так і для покриття короткочасних і поштовхових навантажень. Конденсатори і котушки індуктивності використовуються, головним чином, для покриття імпульсних навантажень і для вирівнювання потужності при швидких змінах навантажень. Для вирівнювання потужності, що віддається в енергосистему вітряними і сонячними електростанціями, можуть застосовуватися комбінації акумуляторів з ультраконденсатори.
Область застосування деяких акумулюють пристроїв по тривалості навантаження і по потужності, що характеризує рис. 2.
