Свинцовые аккумуляторы

Кислотные свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными 

среди вторичных химических источников тока. Обладая сравнительно высокой 

мощностью в сочетании с надежностью и  относительно  низкой стоимостью.  Эти  аккумуляторы находят разнообразное практическое применение. Своей  популярностью  и  широким маштабом  производства  они обязаны стартерным 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).     

Аккумуляторы – устройства, вырабатывающие электрическую энергию за счет прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительных реакций.

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.

В процессе разряда свинцового аккумулятора активные массы положительной и отрицательной пластин преобразуются в сернокислый свинец PbSO4.   В электролите, при разряде расходуются ионы сульфата SO4 , плотность 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 

При чтении слева направо уравнение описывает процесс разряда, а справа на лево процесс заряда.

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.

Емкостью аккумулятора называется количество электричества, выраженное в ампер-часах, получаемое от аккумулятора при разряде его до допустимого напряжения. При последовательном соединение аккумуляторов 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 конфигурации системы бесперебойного электропитания – централизованная , децентрализованная , смешанная ; 

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 .

В децентрализованной системе каждый из потребителей получает электропитание от индивидуального агрегата соответствующей мощности . К недостаткам такой системы следует отнести необходимость обстоятельного 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 

стоимость систем с такой конфигурацией в несколько раз выше стоимости каждой из систем с более простой конфигурацией .

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 .

Кроме функции накопления энергии аккумуляторная батарея выполняет еще две важные функции - стабилизацию электрических параметров системы и усиление потребляемой мощности . Энергия , запасенная в аккумуляторных 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 ) .

При построении систем резервного электроснабжения важным режимом преобразователя энергии является режим зарядного устройства , обеспечивающий возобновление запаса энергии в накопителе от внешней электрической сети после ее восстановления . В режиме зарядного устройства преобразователь должен предоставлять возможность :

трехступенчатой процедуры зарядки аккумуляторной батареи , обеспечивающей наиболее полную зарядку и максимальный ресурс батареи ; 

защиты от перезаряда батареи . 

Применяемые в системах автономного и резервного электроснабжения специальные аккумуляторные батареи предназначены для эксплуатации в условиях многократного глубокого разряда аккумуляторов и отличаются 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 . 

Обслуживаемые свинцово–кислотные аккумуляторы обычно применяются для построения систем электроснабжения общего назначения . Их главный недостаток – необходимость размещения в хорошо проветриваемом помещении и периодического контроля за уровнем электролита ; достоинства – более низкая стоимость , чем у остальных перечисленных типов аккумуляторов .

Необслуживаемые свинцово–кислотные аккумуляторы предназначены преимущественно для офисных и учрежденческих систем резервного электроснабжения . Эти аккумуляторы лишены ранее упомянутых недостатков и могут 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 .



































                            











  СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.









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.  





1