Електричний акумулятор

Електри́чний акумуля́тор (від лат. accumulare — «нагромаджувати») — хімічне джерело електричного струму багаторазової дії, основна специфіка якого полягає в зворотності внутрішніх хімічних процесів, що забезпечує його багаторазове циклічне використання (через заряд-розряд) для накопичення електричної енергії та автономного електроживлення різноманітних електротехнічних пристроїв та систем. Електричний акумулятор належить до категорії вторинних хімічних джерел струму.

Нікель-кадмієві (NiCd) акумулятори

Принцип дії

Принцип дії акумулятора заснований на зворотності хімічної реакції. Найпоширеніші електричні (кислотні та лужні) акумулятори накопичують хімічну енергію (внаслідок зворотних хімічних реакцій між речовиною електродів та електролітом), і віддають електричну енергію, будучи гальванічними елементами. Працездатність акумулятора може бути відновлена ​​шляхом заряду, тобто пропусканням електричного струму в напрямку, зворотному напрямку струму при розряді: на від'ємному електроді (катоді) реакція окиснення замінюється реакцією відновлення, а на позитивному електроді (аноді) реакція відновлення змінюється на реакцію окиснення.[1]

Характеристики
  • Ємність акумулятора — це максимально можливий корисний заряд, що віддається повністю зарядженим акумулятором при розряді до найменшої допустимої напруги.

В Міжнародні системі одиниць SI ємність акумуляторів вимірюють в кулонах. На практиці використовується позасистемна одиниця Ампер-година: 1 А ⋅ год = 3600 Кл.

  • Енергетична ємність — енергія, що віддається повністю зарядженим акумулятором при розряді до найменшої допустимої напруги.

В системі SI енергетична ємність вимірюється в джоулях. На практиці використовується позасистемна одиниця Ват-година: 1 Вт ⋅ год = 3600 Дж.

При низьких температурах ефективність акумуляторів всіх електрохімічних систем різко знижується.[2] Разом з тим, NiCd акумулятори можуть працювати й при -40оС, у той час як температура -20оС є межею, при якому NiMH, SLA й Li-ion акумулятори припиняють функціонувати.[2]

Хоча акумулятор і може працювати при холодних температурах, але це зовсім не означає, що він автоматично може також бути заряджений при тих умовах. Сприйнятливість до заряду більшості акумуляторів при дуже низьких температурах надзвичайно обмежена і струм заряду за таких умов повинен бути зменшений до 0,1оС.[2]

Застосування

Акумулятори широко застосовують в техніці: на автомобільному, морському, повітряному і залізничному транспорті, в радіотехніці, на телефонних і електричних станціях, електромобілях, для освітлення і сигналізації на штучних супутниках Землі, космічних апаратах тощо.

У 2016 році міжнародна енергетична компанія AES ввела в експлуатацію сховище електроенергії з батарей літій-іонних акумуляторів ємністю 20 МВт•год, під'єднане до єдиної енергосистеми Нідерландів, призначене для зберігання надлишку електроенергії від віднолюваних джерел енергії[3].

Склад, будова, принцип дії

Акумулятор, як і будь-яке хімічне джерело струму, складається з позитивного і негативного електродів та електроліту, в який вони занурені. Різниця потенціалів, що виникають на межі стикання електродів з електролітом, утворює ЕРС акумулятора (або напругу акумулятора при розімкнутому колі). Під час розряду акумулятора енергія хімічних реакцій перетворюється на електричну енергію; при зарядці, навпаки, електрична енергія перетворюється на хімічну.

Стартерна акумуляторна батарея виконана у формі системи із декількох електрохімічних комірок. Послідовно з'єднані електрохімічні комірки називають «батареєю».[1]

Акумуляторна батарея може бути виконана із декількох електрохімічних комірок, об'єднаних в один електричний ланцюг. Ці комірки сполучені електрично і конструктивно для отримання необхідних значень струму і напруги. Використовується, зокрема, як джерело енергії для живлення тягових електродвигунів акумуляторних електровозів. Основні параметри, які характеризують такий акумулятор, — електрорушійна сила, напруга, внутрішній опір, струм та ємність.

В акумуляторах глубокого заряду-розряду (поїздів, човнів, автонавантажувачів), автомобільних акумуляторах (забезпечують постійну подачу струму протягом тривалого періоду часу) енергію виробляють елементи — група свинцевих пластин покритих окисом свинцю і кислотою.[4] Свинцеві решітки покриті окисом свинцю і кислотою називають пластинами. Поперемінно чергуючи позитивні і негативні пластини складені стопками і вставлені у футляри називають елементами.[4]

Лужні залізонікелеві акумулятори (що застосовуються частіше) у порівнянні з кислотними свинцевими мають ряд переваг: можуть зберігатися в розрядженому або напіврозрядженому стані, не виходять з ладу в результаті коротких замикань, мають більший строк служби. Переваги кислотних А.б.: вищий ККД, вища розрядна напруга, менший внутрішній опір. На шахтах в А.б. використовують кислотні (свинцеві) і лужні (залізонікелеві) акумулятори.

Акумуляторний завод в Тюмені освоїв технологію промислового випуску акумуляторів 3СТ-55А в 1986 році.[5]

Нині одним з найбільших в Європі виробників стартерних акумуляторних батарей є Національна акумуляторна корпорація "ISTA".

Типи акумуляторів

Розрізняють кислотні (свинцеві) і лужні акумулятори.

Кислотні акумулятори мають високу номінальну напругу (2 В), малий внутрішній електричний опір та відносно високий коефіцієнт корисної дії (до 0.85). Проте невеликий термін служби, недостатня міцність та незадовільна робота при низьких і високих температурах обмежують їх застосування.

Лужні акумулятори мають ряд переваг перед кислотними: вони міцніші, не бояться перевантажень, добре працюють в широкому інтервалі температур, невимогливі до виробничих умов. Основні їх недоліки: низький ККД (до 60 %) і напруга (1,2; 1,25; 1,33 В).

За складом електродів (активної маси) лужні акумулятори поділяють на:

  • Кадмій-нікелеві;
  • Залізо-нікелеві;
  • Цинк-нікелеві;
  • Срібло-цинкові.

Кадмій-нікелеві акумулятори можуть бути дуже малих розмірів — 1—3 см² (т. з. ґудзики), їх застосовують у слухових апаратах для глухих та в напівпровідникових радіоприладах. Лужні акумулятори виробляють сухими.

Класифікація за конструкцією

За способом утримання електродів акумулятори поділяють на:

Безламельні акумулятори мають підвищену ємність і менші розміри. Останнім часом почали застосовувати стартерні залізо-нікельові акумулятори, які працюють при низьких температурах краще, ніж кислотні. Для одержання великих імпульсних струмів при низьких і високих температурах та значних змінах атмосферного тиску застосовують срібло-цинкові акумулятори.

Порівняння

Електричні та експлуатаційні характеристики акумулятора залежать від матеріалу електродів і складу електроліту. Зараз найбільш поширені такі акумулятори:

Тип Напругаa Щільність енергіїb Потужністьc ККДd E/$e Розряд.f Кількість
циклівg		 Тривалість
використанняh
(В) (МДж/кг) (Вт*г/кг) (Вт*г/л) (Вт/кг) (%) (Вт*г/$) (%/міс.) (#) (років)
Лужно-кислотний 2.1 0.11-0.14 30-40 60-75 180 70 %-92 % 5-8 3 %-4 % 500-800 3 (автомобільний акумулятор), 20 (стаціонарний)
VRLAi 2.105
Лужний 1.5 0.31 85 250 50 99.9 % 7.7 <0.3 100-1000 <5
Ni-залізо 1.2 0.18 50 100 65 % 5-7.3[6] 20 %-40 % 50+
Ni-кадмій 1.2 0.14-0.22 40-60 50-150 150 70 %-90 % 20 % 1500
NiH2 1.5 75 20.000 15+
NiMH 1.2 0.11-0.29 30-80 140-300 250-1000 66 % 1.37 20 % 1000
Ni-цинк 1.7 0.22 60 170 900 2-3.3 100-500
Li-іонний 3.6 0.58 160 270 1800 99.9 % 2.8-5[7] 5 %-10 % 1200 2-3
Тонкоплівчастий Li  ? 350 959  ?  ?p[8] 40000
ZnBr 75-85
V-редокс 1.4-1.6 25-35[9] 96 %[10] 14,000[11] 10 (стаціонарний)[10]
NaS 2 0.54 150 89 %-92 % 2500-4500
Розплавлена сіль 70-110[12] 150-220 4.54[13] 3000+ 8+
Супер залізо
Срібло-цинк 130 240
Na-іонний 3.6 до 400 2000
Примітки

Задля лаконічності, записи в таблиці було скорочено. Для повного описання, дивіться окремі статті про кожний тип.

  • a Номінальна напруга елементу, Вольт.
  • b Щільність енергії = накопичена енергія/вага або енергія/об'єм, в трьох одиницях вимірювання
  • c Питома потужність = потужність/вага, Вт/кг
  • d Коефіціент корисної дії заряду/розрядки у відсотках, %
  • e Енергія/вартість споживання в Вт*г/US$ (приблизно)
  • j Безпечна для працездатності акумулятора глибина розряду
  • f Коефіцієнт саморозряду у відсотках на місяць
  • g Кількість робочих циклів
  • h Тривалість періоду працездатності, років
  • i До VRLA або рекомбінантів належать гелеві акумулятори та абсорбційні скляні пластинки
  • p Пілотне виробництво
  • r В залежності від кількості циклів розряду

Див. також

Примітки
  1. Алабышев А. Ф., Вячеславов П. М., Гальнбек А. А., Животинский П. Б., Ротинян А. Л., Федотьев Н. П. Прикладная электрохимия. Л., Издательство «Химия» 1962. 536 с. (c.:483)
  2. Шембель О. М., Білогуров В. А. Основні характеристики сучасних хімічних джерел струму різних електрохімічних систем // Сучасна спеціальна техніка. Науково-практичний журнал. — № 2(17), 2009. (с.:66-86)
  3. В Нідерландах побудували сховище ємністю 20 МВт-год для зберігання надлишку «сонячної» електроенергії : EcoTown. ecotown.com.ua. Процитовано 2016-02-21 EcoTown.
  4. How it's Made (Discovery) — Как это делается (выпуск 95)
  5. Действительно необслуживаемые // За рулем : журнал. — 1989. — № 3. — С. 26.
  6. mpoweruk.com: Accumulator and battery comparisons (pdf)
  7. http://werbos.com/E/WhoKilledElecPJW.htm (which links to http://thunder-sky.com/home_en.asp Архівовано 29 вересня 2007 у Wayback Machine.)
  8. Excellatron — the Company. Архів оригіналу за 8 серпня 2012. Процитовано 21 листопада 2008.
  9. Vanadium Redox Battery
  10. Energy Storage Systems Specifications — VRB Power Systems
  11. The Vanadium Advantage: Flow Batteries Put Wind Energy in the Bank. Архів оригіналу за 7 вересня 2008. Процитовано 21 листопада 2008.
  12. Архівована копія. Архів оригіналу за 28 вересня 2007. Процитовано 21 листопада 2008.
  13. EVWORLD FEATURE: Fuel Cell Disruptor — Part 2:BROOKS | FUEL CELL | CARB | ARB | HYDROGEN | ZEBRA | EV | ELECTRIC. Архів оригіналу за 25 травня 2012. Процитовано 21 листопада 2008.

Література
  • Зирін А. В. Акумулятор // Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
  • Автомобильные акумуляторы . — Киев : Гостехиздат УССР, 1962. — 120 с. : ил.
  • Гальванічні елементи та акумулятори: популярний виклад теоретичних основ роботи первинних та вторинних електричних елементів для учнів електротехнічних профшкіл / М. Миколайчук. — Харків ; Київ : Енерговидав, 1932. — 112 с. : іл.
  • Електричні акумулятори. Теорія. Будова. Експлоатація / Д. Тарнавський. — Авґсбурґ : Українська книга, 1946.
  • Електрохемія в промисловості / З. Янкелевич, І. Шека ; АН УРСР ; Інститут хемії. — Київ : Видавництво Академії наук УРСР, 1937. — 147 с.
  • Електрохімічна енергетика. Герметичні лужні акумулятори: улаштування, виробництво, розрахунки : навч. посіб. / Нефедов В. Г., Поліщук Ю. В. ; ДВНЗ «Укр. держ. хім.-технол. ун-т». — Дніпро: ДВНЗ УДХТУ, 2017. — 177 с. : рис., табл. — Бібліогр.: с. 176—177. — 300 пр.
  • Електрохімічна енергетика: свинцеві акумулятори: улаштування, виробництво, розрахунки : навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів / В. Г. Нефедов, Ю. В. Поліщук ; Міністерство освіти і науки України, ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет». — Дніпро : ДВНЗ УДХТУ, 2016. — 292 с. : іл., табл., схеми. — ISBN 9789668018978.
  • Основи будови та експлуатації акумуляторних батарей : навч. посіб. / М. Б. Шелест, П. І. Гайда ; М-во освіти і науки України, Сум. держ. ун-т. — Суми: Сум. держ. ун-т, 2014. — 210 с. : іл. — Бібліогр.: с. 183 (5 назв). — ISBN 978-966-657-530-5
  • Системи акумулювання і перетворення енергії відновлювальних джерел : дис… д-ра техн. наук : 05.14.08 / Кудря Степан Олександрович ; НАН України, Інститут електродинаміки. — К., 1996. — 549 л.
  • Системи електроспоживання та електропостачання промислових підприємств : Підручник для ВНЗ ІІІ-ІV р. а. / В. Є. Шестеренко. — Вінниця : Нова Книга, 2004. — 656 с. — ISBN 966-7890-82-1 (читати он-лайн; DjVu-файл)
  • Деордиев С. С. Аккумуляторы и уход за ними : (пособие аккумуляторщику). — Киев : Техніка, 1985. — 136 с. : ил. — (Библиотека рабочего. Энергетика)
  • Crompton T. R. Battery Reference Book. — 3rd ed. — Newnes, 2000. — ISBN 07506-4625-X.

Посилання
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.