Електронавантажувачі: кислотні або лужні АКБ.
АКУМУЛЯТОР - хімічне джерело струму, який після розряду має можливість заряду (перетворення електричної енергії в хімічну) шляхом пропускання через нього електричного струму зворотного напрямку. Ми розглядаємо дві електрохімічні системи акумуляторів, свинцеву (кислотну) і нікель-залізний (лужну): Свинцевий акумулятор складається з двох блоків пластин занурених в електроліт (25-29% -ний водний розчин сірчаної кислоти). Позитивні пластини - являють собою трубчасті циліндри з нетканих матеріалів, заповнених активною масою - діоксидом свинцю PbO2 (панцирний електрод) або свинцеві каркаси, заповнені активною масою, також діоксидом свинцю PbO2 (намазной електрод), негативні - являють собою свинцеві каркаси, заповнені активною масою, що складається з губчастого свинцю (намазной електрод). Після виготовлення пластини піддаються електролітичної обробці - формуванню. При розряді відбувається хімічна реакція, в результаті якої активна маса позитивної та негативної пластин переходить в сірчисте з'єднання свинцю PbSO4 з виділенням води, що зменшує концентрацію електроліту, його провідність і знижує е. д. з. акумулятора. При зниженні щільності електроліту до 1.14 - 1.13 г / см3 розряд слід припинити, щоб уникнути сульфатации пластин - освіти на них нерозчинного сірчистого свинцю. При заряді через акумулятор проходить струм, що має напрям, протилежний току розряду. Відбувається зворотна хімічна реакція і на електродах відновлюється діоксид свинцю і губчастий свинець. Щоб уникнути сульфатации акумулятор необхідно утримувати в зарядженому стані, періодично перевіряти рівень, щільність електроліту, напруга під навантаженням.
Токообразующій процес в свинцевому акумуляторі описується реакцією:
Pb + PbO2 + 2H2SO4 - 2PbSO4 + 2H2O.
Е. Д. С. свинцевого акумулятора залежить від концентрації сірчаної кислоти. Іншими словами, збільшивши щільність електроліту можна підвищити ємність акумулятора, але при цьому ресурс акумулятора різко знижується. К. П. Д. кислотного акумулятора складає 0,75-0,8.
Нікель-залізний акумулятор складається з двох блоків, розташованих в посудині з електролітом (водний розчин їдкого калі КОН або їдкого натру NaOH, з додаванням їдкого літію LiOH). Пластини представляють собою сталеві рамки з вставленими в них сталевими перфорованими коробочками, заповненими активною масою (ламельний тип електродів). Активна маса негативних пластин складається з губчастого заліза, позитивних пластин - з гідрату окису нікелю Ni (OH) 3. Гідрат окису нікелю при розряді переходить в гідрат закису нікелю, а губчасті залізні - в гідрат закису заліза. При заряді реакція йде в зворотному напрямку - відбувається відновлення маси електродів. Концентрація електроліту в процесі розряду і заряду залишається незмінною.
2NiOOH + Fe + 2H2O - 2Ni (OH) 2 + Fe (OH) 2
к. п. д. лужного акумулятора складає 0,5-0,6.
Для більш наочного порівняння експлуатаційних характеристик свинцевих і нікель-залізних акумуляторних батарей візьмемо дві батареї близькі за параметрами, що застосовуються на найпоширенішому Російському електронавантажувачі ЕП-103КО: 36ТНЖ-300ВМП У2 (36ТНЖК-350П-II У2) і 22х5Р70 (22х6Р70). Лужна батарея проводиться на Великолукском акумуляторному заводі, кислотна - на заводі Сомбора (Сербія), під торговою маркою HEAVY HORSE.
1. Вартість АКБ.
Вартість лужних і кислотних батарей може змінюватися протягом часу, але, кислотна батарея в будь-якому випадку буде дешевше лужної. Вартість будь-акумуляторної батареї знаходиться в прямій залежності від вартості сировини, з якого виробляються елементи її конструкції і компоненти активної маси.
2. Вартість електроліту.
Для заливки лужної АКБ потрібно 140кг калієво-літієвий електроліту, щільністю 1,19-1,21г / см3. Вартість електроліту становить, в середньому, 45,0руб. / Кг. Разом в сумі 6.300,00руб. Для заливки кислотної АКБ потрібно 120кг сірчанокислотного електроліту, щільністю 1,27г / см3. Вартість електроліту становить близько 22,0руб. / Кг. Разом в сумі 2.640,00руб. (Для 22х6Р70 кількість електроліту становить 130кг - на суму 2.860,00руб.). При цьому слід враховувати, що лужний електроліт підлягає повній заміні не рідше одного разу на рік, оскільки він втрачає свої електролітичні властивості в процесі експлуатації. Кислотний електроліт заливається один раз і на весь термін служби батареї.
3. Економія електроенергії при зарядці батарей.
Кислотні акумулятори мають меншу внутрішній опір, і, отже, більш високий К. П. Д. ніж лужні. Тому, при її зарядці витрачається менше електроенергії. Що б зарядити кислотну батарею, потрібно віддати їй кількість електрики, еквівалентну 130% ємності, для лужної батареї, з огляду на більш високого внутрішнього опору, цей показник становить 170%. Справедливості заради треба відзначити, що з іншого боку високий внутрішній опір лужних акумуляторів робить їх більш стійкими до коротких замикань.
Оціночний розрахунок витрати електроенергії на заряд акумуляторних батарей:
3.1. Вихідні дані для 36ТНЖ-300ВМП У2 (36ТНЖК-350П-II У2).
Uном = 43.2В;
при заряді, до батареї повинно бути докладено напруга з розрахунку не менше 2.0В / елемент: Uзар = 2.0х36 = 72.0В;
а) Iзар становить 25% від ємності акумуляторної батареї - 75.0А (87.5А), час заряду становить 6 год: Wзар = Uзар х Iзар х tзар = 72.0х75.0х6 = 32.4кВтч. (Wзар = 72.0х87.5х6 = 37.8кВт ч);
в) Iзар становить 20% від ємності акумуляторної батареї - 60.0А (75.0А), час заряду становить 8ч: Wзар = Uзар х Iзар х tзар = 72.0х60.0х8 = 34.6кВтч. (Wзар = 72.0х75.0х8 = 43.2кВт ч);
3.2. Вихідні дані для 22х5Р70 (22х6Р70).
Uном = 44.0В;
при заряді, до батареї повинно бути докладено напруга з розрахунку 2.65В / елемент: Uзар = 2.65х22 = 58.3В;
Згідно зарядної характеристиці Wa, заряд кислотної батареї відбувається в два ступені. Початковий струм заряду першого ступеня становить 20% від ємності акумуляторної батареї - 70.0А (84.0А), початковий струм другого ступеня становить 10% від ємності - 35.0А (42.0А). Струм в кінці заряду становить приблизно 5% від ємності батареї - 17.5А (21.0А). Для спрощення розрахунку будемо орієнтуватися на зарядну характеристику IU, при якій величина струму при заряді залишається стабілізованою за величиною в процесі всього часу заряду і становить 15% від ємності акумулятора - 52.5А (63.0А). Час заряду при цьому становить 8ч:
Iзар = 52.5А (Iзар = 63.0А);
час заряду становить 8ч:
Wзар = 58.3х52.5х8 = 24.5кВтч (Wзар = 58.3х63.0х8 = 29.4кВт ч)
При порівнянні лужної і кислотною батареї однаковою ємності (350А * год) видно, що економія електроенергії становить