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Accumulatoren
[* 1] (lat., von accumulare, anhäufen), von
Armstrong erfundene Vorrichtungen zur Aufsammlung mechan.
Arbeit,
die auf allmählicher
Hebung
[* 2] eines mächtigen Gewichts oder auf starker
Kompression atmosphärischer Luft beruhen und kleine,
in regelmäßigem
Gange befindliche Motoren (Dampfmaschinen)
[* 3] zu plötzlich erforderlichen und sehr beträchtlichen Leistungen
befähigen, z. B. zur
Hebung großer Lasten (wofür sie in neuester Zeit namentlich in
den Trajektanstalten verwendet werden),
zu gewaltigen Druckwirkungen bei Schmiedepressen, zum Öffnen und Schließen der Schleusenthore, zur
Drehung des Konverters
in der Bessemerstahl-Fabrikation, zur Herstellung einer großen
Spannung in den Strohhutpressen u. s. w. Die
Accumulatoren haben daher
einige Verwandtschaft mit den Federn und Schwungrädern, eignen sich aber zur Aufsammlung viel größerer
Arbeitsmengen als die erstern und zur Aufbewahrung derselben für beträchtlich längere Zeiträume als die letztern. Die
Verbindung zwischen Motor und
Accumulator geschieht zumeist durch ein flüssiges Druckkraftorgan (Wasser,
Glycerin) und eine
dasselbe einpressende Druckpumpe: ebenso ist der
Accumulator mit der zu treibenden
Arbeitsmaschine durch
eine mit Wasser oder
Glycerin gefüllte Rohrleitung zu verbinden.
Eine der gebräuchlichsten Formen der
Accumulatoren zeigt die beistehende
[* 1]
Figur. Der
Accumulator
besteht aus dem senkrechten Cylinder
AA von 4-8 m Länge und 40-60 cm Weite, dessen Kolben B mit einem dem erforderten Wasserdruck
entsprechenden Gewicht von
Steinen, Metall oder Wasser belastet ist.
In den Cylinder münden am untern
Ende desselben zwei Seitenröhren FF ein; durch die eine derselben tritt das durch die Druckpumpe zugeführte Wasser in den
Cylinder, während durch die andere die Verbindung mit der zu betreibenden
Arbeitsmaschine hergestellt ist.
Indem das Wasser den belasteten Kolben hebt, übt es auf die untere Fläche desselben einen Druck aus, der um den Betrag der zu überwindenden Reibungswiderstände größer als die zu hebende Last ist. Wenn nun das Heben der Last, wie in diesem Falle, äußerst langsam erfolgt, mithin die pro Sekunde aufzuwendende Arbeit eine geringe ist, so genügt bei entsprechend gewählten Dimensionen der Druckpumpe die Kraft [* 4] eines Mannes, um eine Belastung des Kolbens von 5000 kg zu heben.
Sobald der Cylinder des
Accumulators mit dem der
Arbeitsmaschine in Verbindung gesetzt ist, strömt das in dem erstern befindliche
Wasser unter starkem Druck in den letztern ein, um hier so lange auf den Kolben zu wirken, bis der Druck
des Wassers in beiden Cylindern gleich groß ist. Der
Accumulator nimmt demnach die
Arbeit einer längere Zeit wirkenden kleinern
Kraft (der Druckpumpe) auf, um sie innerhalb einer weit kürzern Zeit an die
Arbeitsmaschine abzugeben.
[* 1] ^[Abb.]
Elektrische
[* 5]
Accumulatoren, auch Sammler oder
Speicherzellen genannt, sind
Apparate zur Aufspeicherung (Accumulierung)
von elektrischer
Energie, deren Grundlage eine Entdeckung bildet, die der deutsche
Arzt Sinsteden (1854) machte und in «Poggendorffs
Annalen» beschrieb, und deren erste Ausführung von
Gaston Planté (1860) herrührt (s.
Elektrische Polarisation). Die Verwendung
von in der größern Praxis gehört aber erst der allerjüngsten Zeit an, weil es lange nicht gelingen
wollte, dieselben genügend haltbar und dauerhaft zu machen.
Seit aber diese Schwierigkeiten überwunden worden, nimmt ihre Anwendung täglich zu, und zwar verwendet man sie sowohl als Ausgleichsapparate, wie auch als Vorratsmagazine für Elektricität. Als Ausgleichsapparate bilden sie einen wichtigen Bestandteil der Elektricitätswerke (s. d.), indem sie dazu ¶
forlaufend
dienen, durch Aufnahme gelegentlicher Überschüsse über den Bedarf und Wiederausgabe derselben zu Zeiten erhöhten Bedarfs die Erzeugung unabhängig zu machen von dem jeweiligen, dem wechselnden Bedürfnis entsprechend äußerst ungleichförmig über die einzelnen Stunden verteilten Verbrauch. Dadurch wird, ganz abgesehen von der wesentlich höhern Sicherheit ungestörten Betriebes, die Leistungsfähigkeit des Werkes bedeutend erhöht, es darf dieses also bei gleicher Leistungsfähigkeit bedeutend kleiner angenommen werden, als wenn die Erzeugung unmittelbar dem Verbrauch sich anzupassen hat.
Wie groß dieser Unterschied ist, zeigt ein Blick auf das nebenstehende Tagesdiagramm der Berliner [* 7] Elektricitätswerke vom Dezember 1888. Dieses giebt, von 12 Uhr [* 8] Mitternacht beginnend, für jede der 24 Tagesstunden in der Höhe des schraffierten Teiles des betreffenden Streifens die mittlere Verbrauchsstromstärke für die betreffende Stunde in Kilo-Ampere, in dem Inhalte des Streifens also dieselbe Zahl, multipliziert mit der Breite [* 9] desselben = 1 Stunde, d. i. die in der betreffenden Stunde verbrauchte Strommenge in Kilo-Stunden-Ampere.
Die ganze schraffierte Fläche stellt also das für 1 Tag verbrauchte Stromquantum dar. Denkt man sich dieses gleichförmig über die 24 Stunden des Tags verteilt, so erhält man als Diagramm das durch die Gerade m m begrenzte, mit der schraffierten Fläche inhaltgleiche Rechteck, dessen die mittlere Stromstärke angebende Höhe, wie aus der [* 6] Figur ersichtlich, wenig über ein Drittel von der, in der Stunde von 6 bis 7 Uhr nachmittags verbrauchten, maximalen ist.
[* 6] ^[Abb.]
Ein ebenso großes Anwendungsgebiet haben die Speicherzellen aber auch als Vorratsmagazin. Als solches hat man sie zu bezeichnen
in allen denjenigen Fällen, wo man sie als Vermittelungs- oder Zwischenapparat anwendet, weil Maschinenstrom
direkt entweder nicht anwendbar sein oder gar Unzuträglichkeiten mit sich bringen würde, so beispielsweise in ihrer Anwendung
als Stromquelle für den Betrieb von Telegraphenapparaten oder auch als lokomobile Stromquelle für den Betrieb von Fahrzeugen
aller Art zu Wasser und zu Lande. In allen diesen Fällen dienen die
Accumulatoren gewissermaßen als Stand- oder
auch als Versandgefäße für elektrische Energie.
Letzterer Art der Anwendung steht zur Zeit das hohe Gewicht der Apparate noch etwas im Wege. Entgegen den entsprechenden Apparaten für andere Energieformen speichert nämlich der elektrische Sammler die Energie nicht in der Form auf, in der sie ihm zugeführt wird: als elektrische; er dient vielmehr während der Ladung (so nennt man den Vorgang der Energieaufnahme) als Zersetzungszelle, deren Elektroden durch den hindurchgeleiteten Strom unter Zersetzung des Elektrolyten, als welchen man verdünnte Schwefelsäure [* 10] anwendet, derart chemisch verändert werden, daß die angestrebte Rückbildung als elektromotorische Kraft für einen Strom in umgekehrter Richtung (Sekundär-, Nutz- oder Entladestrom) auftritt. Dieser beginnt sofort zu fließen, wenn durch entsprechende Änderung der Verbindungen der Ladestromkreis unterbrochen und die nun die Pole bildenden Elektroden an den Nutzkreis angeschlossen werden.
Als Material für die Elektroden sind bislang nur Blei
[* 11] und Bleilegierungen eingeführt, weshalb die Apparate ein verhältnismäßig
bedeutendes Gewicht haben. Erst ganz neuerdings scheint ein Kupfer-Zink-Accumulator von Waddel-Entz, mit dem die Hagener
Accumulatorenfabrik
seit Anfang 1895 eine Straßenbahnstrecke betreibt, Bedeutung zu gewinnen. Er bat für gleiche Leistung etwa das halbe Gewicht
des Bleiaccumulators. Letzteres beträgt bei den besonders für den Betrieb von Motoren gebauten Formen immer noch
35-40 kg für 1 Stunde und Pferd;
[* 12] bei solchen für den Lichtbetrieb reichlich 2-3mal soviel.
Das hat zur Folge, daß beispielsweise beim
Accumulatorenbetrieb von Straßenbahnen (s. Elektrische Eisenbahnen) bei täglich
dreimaligem Wechsel der
Accumulatoren, also einem Fassungsvermögen derselben von Strom für etwa 40 km Fahrstrecke, das Gewicht der
Batterie etwas weniger als 1/6 der ganzen und reichlich 1/5 der toten Last beträgt. Platten aus
Bleilegierungen lassen sich ihrer größern Härte halber wesentlich leichter herstellen als reine Bleielektroden, und
man verwendet sie daher namentlich gern für lokomobile Anlagen.
Übrigens dienen die Platten selbst nur als Gerippe für die den eigentlichen
Accumulatoren bildende
sog. aktive Masse, und nach der Art und der Herstellung dieser Masse unterscheiden sich die verschiedenen Fabrikate vorzugsweise
voneinander. Nach dem ursprünglich Plantéschen Verfahren wird die Masse durch elektrolytische Oxydation der Bleielektroden
selbst, die sog. Formierung, gewonnen. Das Verfahren ist langwierig, da der Prozeß sehr langsam in das Blei
vordringt und von der Tiefe dieses Vordringens die Kapacität oder das Fassungsvermögen des Accumulators abhängt, giebt
aber vorzügliche Resultate.
Einfacher ist das Verfahren von Faure (1881), dessen Patent in Verbindung mit Patenten von Sellon und von Volkmar zu dem ersten fabrikmäßig hergestellten Accumulator, dem der Electrical-Power-Storage-Company, geführt hat. Dieser Accumulator, dessen Anordnung seitdem typisch geworden, und der auch im übrigen fast allen spätern als Vorbild gedient hat, unterscheidet sich zunächst in der äußern Form sehr wesentlich von den frühern. Planté hatte seine Elektroden, um ihnen bei verhältnismäßig geringem Raumbedarf eine große Ausdehnung [* 13] geben zu können, durch Kautschukstreifen voneinander isoliert, spiralig zusammengerollt.
Faure zerschnitt die großen Platten und ordnete die einzelnen Teile als ebene Platten so an, daß + und - miteinander wechseln. Volkmar endlich giebt ihnen die Form eines Gitters, das er durch Guß herstellt und in dessen beiderseits nach innen zu verjüngte Maschen er die Paste einstreicht, aus der später durch Formieren die aktive Masse sich bildet, die so natürlich fester haftet, als wenn sie, wie bei Faure, nur auf die glatten Platten aufgetragen wird. Als solche verwendete Faure anfangs für beide Platten mit verdünnter Schwefelsäure angemachte Mennige, später für die negative statt dessen eine Mischung von Bleiglätte und Mennige, oder auch wohl bloß ¶
forlaufend
Bleiglätte, wieder mit Schwefelsäure oder mit einer Lösung von schwefelsaurer Magnesia angemacht.
Diese Platten werden je nach dem Fassungsvermögen, das man dem einzelnen Element zu geben beabsichtigt, in größerer oder geringerer Zahl durch Anlöten seitlich angegossener Zungen, der sog. Fahnen, an Bleistreifen zu einem Satz vereinigt, derart, daß nach dem Einsetzen der beiden Sätze in das Batteriegefäß die einzelnen Platten fingerförmig ineinandergreifen, überall den gleichen, durch isolierende Zwischenlagen (meist Glas) [* 15] gesicherten Zwischenraum haben und außerdem jede positive zwischen zwei negativen Platten liegt, zu welchem Ende der negative Satz halbe, nur auf der innern Seite mit Masse bedeckte Endplatten, scheinbar also eine Platte mehr hat als der positive Satz.
Nach dem Faureschen Verfahren, oder einem aus ihm abgeleiteten arbeiten die meisten Fabriken. Nur die vorzüglichen Tudor-Platten
der Firma Müller & Einbeck
[* 16] (jetzt
Accumulatorenfabrik, Aktiengesellschaft, Hagen
[* 17] in Westfalen),
[* 18] deren Vorgehen die deutsche
Accumulatorenindustrie ein gut Teil ihres Vorsprungs vor der fast aller andern Industriestaaten zu danken
hat, werden nach einem etwas abgeänderten Plante-Verfahren hergestellt. Die gleichfalls gegossenen Platten dieses Elementes
haben horizontale Rippen, deren Zwischenräume nach Beendigung der Plante-Formation, um dem Elemente, namentlich für den
Anfang, eine genügende Kapacität zu geben, mit der Faureschen Paste ausgestrichen werden, worauf die Platten abermals formiert
werden. Durch Pressen hergestellt und daher viel dichter und bei demselben Gewichte von größerer Widerstandsfähigkeit als
Gußplatten ist das Gerüst des Accumulators der Elektricitäts-Maatschappij, System de Khotinsky in Gelnhausen.
[* 19]
Außer den genannten sind in der größern Praxis vorzugsweise in Gebrauch die von Gottfr. Hagen in Köln [* 20] und von Correns und diejenigen von Huber und von der Maschinenfabrik Oerlikon bei Zürich, [* 21] die beiden letztern namentlich für lokomobile motorische Anlagen, aber auch für Lichtanlagen. Bei Huber sind die Massewürfel, welche die Maschen des als Gerippe dienenden Volkmarschen Gitters ausfüllen, sämtlich durchlocht, um ihre bei Ladung und Entladung statthabenden Volumenänderungen, die sonst ein allmähliches Lockern und schließliches Herausfallen derselben aus den Maschen, auch ein Verbiegen der Platten veranlassen, unschädlich zu machen, zugleich aber auch die Berührungsfläche mit der Säure und damit die Leistungsfähigkeit und die Kapacität des Accumulators zu vergrößern.
Der Oerlikon-Accumulator hat, soweit er für lokomobile Anlagen benutzt wird, statt des gewöhnlichen flüssigen ein durch Hinzufügen von Natron-Wasserglas zu der verdünnten Schwefelsäure erhaltenes gelatinöses Elektrolyt, was den großen Vorteil hat, daß durch die bei lokomobilen Anlagen unvermeidlichen Stöße und Erschütterungen kein Verschütten des Elektrolytes statthaben und daß aus den Platten keine Füllmasse herausfallen kann, daß die Gasentwicklung beim Laden vermieden ist, und daß selbst das Zerbrechen eines Gefäßes keinen Schaden bringt.
Die elektromotorische Kraft oder die Klemmspannung der einzelnen Zelle [* 22] ist, unabhängig von der besondern Art des Elements, nach anfänglich raschem, nur wenige Minuten andauerndem Fall lange Zeit hindurch (je nach der Stärke [* 23] des Entladestroms und der besondern Art des Elementes 3-10 Stunden hindurch) nahezu völlig gleichbleibend, würde aber, wenn weiter benutzt, rasch wieder fallen.
Die Kapacität des einzelnen Elementes, d. i. die Elektricitätsmenge [* 24] in Amperestunden, die es während der Entladung abgiebt und die mit der Zahl der zu einem Satz vereinigten Platten, natürlich aber auch mit deren Größe wächst, steigt bei den meisten Fabriken ziemlich gleichartig von gegen 30 bis 2000 Amperestunden; die Kapacität für 1 kg Gewicht ist dagegen sehr verschieden, von 1,83 und 2,9 für rasche und langsame Entladung beim Tudor-Accumulator bis 5,9 beim Oerlikon- und 11,1 beim Huber-Accumulator für lokomobile motorische Anlagen.
Durch Vereinigung mehrerer Elemente zu einer Batterie kann die Kapacität erhöht werden, indem man die Elemente zu zweien oder mehrern nebeneinander schaltet, es muß aber durch Hintereinanderschaltung einer entsprechenden Zahl von Zellen die Spannung der Batterie auf die erforderliche Höhe gebracht werden. Diese ändert sich während der Entladung um soviel mal mehr als bei der Einzelzelle, als Zellen hintereinander geschaltet sind. Für Lichtbetrieb mit 110 Volt würde die Spannung beispielsweise, wollte man während der ganzen Entladezeit alle 60 Zellen hintereinander einschalten, fallen von 60 x 1,9 = 114 Volt bis auf 60 x 1,85 = 111 Volt; ein Unterschied, der für einen günstigen Betrieb der Lampen [* 25] zu groß ist, und den man dadurch vermeidet, daß man anfangs nur 58 Zellen einschaltet, wobei die Spannung = 58 x 1,9 = 110,2 beträgt, und die beiden noch fehlenden erst nach dem ersten und zweiten Drittel der Entladezeit hinzuschaltet.
Der Wirkungsgrad der
Accumulatoren, d. h. das Verhältnis der durch
Entladen nutzbar wieder gewonnenen Stromarbeit zu der hineingeladenen, ist ein verhältnismäßig hoher; er beträgt bei guten
Accumulatoren 75-80 Proz.
Vgl. Rühlmann, Über elektrische Sammler (in der «Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure», 1887, 1889);
Hoppe, Die
Accumulatoren für
Elektricität (2. Aufl., Berl. 1892): Sack, Die elektrischen
Accumulatoren (Wien
[* 26] 1892);
Zacharias, Die Accumulatoren (Jena [* 27] 1892).
Specielle Anleitung für die Behandlung der Accumulatoren geben: Heim, Accumulatoren für Beleuchtungsanlagen (Lpz. 1892) und die vorzügliche Beschreibung, Aufstellung, Behandlung und Erhaltung von der Accumulatorenfabrik Hagen in Westfalen (Hagen 1890).