|
Электрическим аккумулятором
называется устройство, способное принимать от постороннего источника
электрическую энергию, а затем отдавать ее.
Процесс, при котором электрическая энергия сообщается
аккумулятору, называется зарядкой аккумулятора. Процесс, при котором
аккумулятор отдает электрическую энергию во внешнюю цепь, называется
разрядкой аккумулятора.
При разрядке электрическая энергия получается за счет
химической энергии активных веществ, образующихся в процессе зарядки, а в
процессе разрядки происходит обратный химический процесс.
При зарядке химический состав пластин аккумулятора
изменяется, в них происходит накопление химической энергии. При отдаче
электрической энергии (при разрядке) химические процессы идут в обратном
направлении и пластины разряженного аккумулятора приобретают свое
первоначальное состояние (до зарядки), т. е. тот же химический состав. Здесь
не происходит разрушения материалов, входящих в аккумулятор, как это имеет
место в первичных гальванических элементах, а происходят обратимые химические
реакции.
По сравнению с гальваническими элементами аккумулятор
имеет ряд преимуществ: может быть использован многократно, имеет значительно
большую удельную емкость, т. е. количество энергии на единицу объема или
площади электродов и к. п. д. у него выше, т. е. он более экономичен и
допускает получение больших токов, измеряемых десятками и сотнями ампер,
поэтому он и применим для приведения в действие электродвигателей
транспортных машин. Для этой цели применяются как кислотные, так и щелочные
аккумуляторы.
Каждый аккумулятор состоит из сосуда, в который заливается
электролит и помещаются положительные и отрицательные пластины, имеющие
зажимы для присоединения проводов.
Кислотный аккумулятор имеет свинцовые пластины,
размещаемые в пластмассовом или стеклянном сосуде, погруженные в кислотный
электролит.
Щелочной аккумулятор имеет стальной, снаружи
никелированный сосуд, в котором смонтированы пластины (ламели), залитые
щелочным электролитом. Корпус щелочного аккумулятора имеет электрический
контакт с положительными пластинами, поэтому на каждый аккумулятор надевают
резиновый изоляционный чехол.
Кроме указанных разновидностей аккумуляторов существует
еще ряд типов аккумуляторов, но они не применяются для электротележек из-за
высокой стоимости и низких эксплуатационных качеств.
Рассмотрим процессы, происходящие в кислотных и щелочных
аккумуляторах.
Простейший кислотный (или свинцовый) аккумулятор
представляет 'собой сосуд, наполненный водным раствором серной кислоты с
опущенными в него двумя свинцовыми пластинами — электродами (-47). На
расположенные в растворе кислоты пластины оседает тонкий слой сернокислого
свинца (сульфата свинца). Если через аккумулятор пропускать постоянный
электрический ток, то на пластине, соединенной с положительным полюсом
источника тока, под воздействием выделяющегося около нее кислорода образуется
перекись свинца, имеющая коричневый цвет, на отрицательно заряженной пластине
будет происходить процесс восстановления свинца мелкокристаллического
строения (так называемый губчатый свинец) и пластина приобретает темно-серый
цвет.
Когда имеющийся на пластинах сульфат свинца полностью
перейдет в перекись свинца и в губчатый свинец, дальнейшее пропускание тока
вызовет лишь разложение электролита и произойдет интенсивное выделение
кислорода у положительного электрода и водорода — у отрицательного. При этом
создается впечатление, будто электролит кипит, что свидетельствует об
окончании процесса зарядки.
При разрядке аккумулятора, для чего его электроды
необходимо замкнуть через какое-то электрическое сопротивление, протекают те
же процессы, что и при зарядке, но в обратном направлении. При этом на
положительном электроде перекись свинца переходит в окись, которая при
взаимодействии с кислотой образует сульфат свинца (сернокислая соль свинца).
На отрицательном электроде губчатый свинец под воздействием выделяющегося
кислорода переходит в окись, которая также при взаимодействии с серной
кислотой переходит в сульфат свинца. Поскольку состав поверхностного слоя
электродов становится одинаковым, разность потенциалов на них становится
равной нулю и прохождение тока через аккумулятор прекращается.
Во время зарядки за счет электролиза воды (разложения на
кислород и водород) и образования кислоты при разложении сульфата свинца
плотность электролита возрастает.
При разрядке серная кислота идет на образование сульфата,
а вместо нее выделяется вода, что приводит к понижению плотности электролита.
Рассмотренный нами аккумулятор со сплошными свинцовыми
пластинами имеет очень малую емкость вследствие того, что процессы происходят
только на их поверхности, не проникая внутрь материала.
Для увеличения емкости аккумулятора при неизменной площади
пластин применяют увеличение их площади за счет устройства на их поверхности
борозд, а также заполнение решетчатых пластин не сплошным свинцом, а активной
массой, состоящей из окислов свинца. Активная масса, состоящая из мелких
частиц, во много раз повышает площадь рабочей поверхности пластин и
аккумулятор вследствие этого при тех же габаритах и размерах пластин имеет
неизмеримо большую емкость, чем с гладкими свинцовыми пластинами.
Кислотный аккумулятор имеет среднюю э. д. е., равную 2 в
(почти в два раза большую, чем у щелочных аккумуляторов), и сравнительно
малое внутреннее сопротивление. Коэффициент полезного действия у него выше,
чем у щелочных аккумуляторов (0,75 — у кислотных; 0,6 — у щелочных).
Рассмотрим сравнительные данные кислотных и щелочных
аккумуляторов.
Вес кислотного аккумулятора несколько больше, чем
щелочного. Например, наиболее современный кислотный аккумулятор ЭН-300
емкостью 300 а-ч имеет вес с электролитом 40 кг, а щелочной ТЖН-250 — всего 18 кг. Принимая во внимание, что э. д. с. кислотного аккумулятора
почти в два раза выше, чем у щелочного, можно считать, что кислотный
аккумулятор при той же емкости и напряжении будет иметь вес на 25—30%
больший, чем щелочной.
Низкое внутреннее сопротивление кислотного аккумулятора
при случайных коротких замыканиях является причиной очень больших токов,
способных разрушить и пластины аккумулятора, и соединительную проводку в очень
незначительное время.
Щелочной аккумулятор спокойно выдерживает короткие
замыкания без заметных повреждений его пластин вследствие сравнительно
высокого внутреннего сопротивления.
Конструкция пластин кислотного аккумулятора не допускает
толчков и сильных вибраций, что приводит к высыпанию массы и внутренним
коротким замыканиям, выводящим аккумулятор из строя. Щелочной аккумулятор
менее чувствителен к толчкам и вибрациям и поэтому имеет больший срок службы.
В настоящее время ведутся поиски новых более совершенных
конструкций кислотных аккумуляторов, о чем будет сказано ниже при
рассмотрении типов, применяемых для питания электрокаров тяговых
аккумуляторов.
Для приготовления электролита должна применяться только
дистиллированная вода. Вода, имеющая примеси, быстро выводит аккумулятор из
строя. Щелочные аккумуляторы менее требовательны к качеству воды.
Если кислотный аккумулятор длительное время находится без
зарядки или в разряженном состоянии, то на его пластинах образуется сульфат
свинца, покрывающий активную массу, вследствие чего она не может реагировать
с электролитом. По этой причине емкость аккумулятора сильно падает, а процесс
устранения суль- фатации пластин требует особого режима зарядки, длительного
времени и не всегда приводит к положительным результатам.
Щелочной аккумулятор может длительное время оставаться без
зарядки и в процессе зарядки приходит в нормальное состояние.
Указанные причины ограничивают применение кислотных
аккумуляторов в передвижных установках.
Щелочной аккумулятор устроен следующим образом.
Отрицательный электрод изготовляется в виде плоской перфорированной коробки
(ламели), заполненной порошком железа, положительный — в виде такой же
коробки, заполненной гидратом окиси никеля в смеси с графитом (для увеличения
электропроводности). Электролитом служит раствор едкого калия или едкого
натра.
При зарядке аккумулятора гидрат окиси никеля переходит в
окись никеля, при разрядке железо отрицательного электрода переходит в гидрат
окиси железа, а окись никеля — в гидрат окиси никеля.
При разрядке и зарядке плотность электролита у щелочного
аккумулятора остается неизменной. Окончание зарядки, так же как и у
свинцового аккумулятора, устанавливается по «кипению» электролита.
Добавление в электролит моногидрата лития значительно
увеличивает емкость аккумулятора.
У щелочного аккумулятора э. д. с. после зарядки колеблется
в пределах 1,34—1,38 в (в конце зарядки она поднимается до 1,7—1,8 в);
среднее значение в процессе разрядки 1,2—1,3 в и в конце разрядки 1,0 в.
Любой аккумулятор обладает следующими свойствами.
Значение электродвижущей силы (э. д. с.) — напряжения на
его зажимах при отсутствии нагрузки — не зависит от величины и формы пластин,
а зависит только от конструкции аккумулятора.
Напряжение на зажимах зависит от величины сопротивления
нагрузки и внутреннего сопротивления аккумулятора. Чем больше будет величина
внутреннего сопротивления аккумулятора и чем меньше будет сопротивление
нагрузки, тем меньше будет напряжение на его зажимах.
Внутреннее сопротивление складывается из сопротивления
электролита и электродов и измеряется в омах.
Емкость — это способность аккумулятора отдавать в течение
определенного времени определенное количество электричества, измеряется она в
ампер-часах (а-ч). Величина емкости зависит от величины разрядного тока,
плотности электролита и температуры окружающей среды. Поэтому она может
сильно колебаться. Например, емкость стартерного аккумулятора типа ЗСТ-112
при 10-часовом разряде составляет 112 а-ч, а при кратковременном разряде
большими токами примерно 30 а-ч.
Коэффициент полезного действия — отношение энергии,
которую отдал аккумулятор при разрядке, к энергии, которая была ему сообщена
при зарядке, — никогда не может быть равен единице (часть энергии при зарядке
тратится на бесполезный нагрев пластин и электролита, так как они имеют
определенное сопротивление).
Аккумулятор характеризуется величиной допустимых зарядных
и разрядных токов, величины которых приводятся в паспорте.
Превышение указанных в паспорте величин этих токов
приводит к преждевременному выходу аккумулятора из строя.
|