ГЛАВА 10
Электрические аккумуляторы
§ 10.1. ПРИМЕНЕНИЕ АККУМУЛЯТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА СУДАХ
Аккумуляторы на судах находят применение в качестве резервных аварийных источников электрической энергии: малое аварийное освещение, различные средства внутрисудовой связи, радиотехнические средства и сигнализация, питание стартеров двигателей.
В настоящее время отечественной промышленностью освоены кислотные свинцовые и щелочные железо-никелевые, кадмиево-никелевые и серебряно-цинковые аккумуляторы. Кислотные аккумуляторы имеют относительно небольшое внутреннее падение напряжения и могут применяться там, где возможны большие кратковременные перегрузки, например в стартерных пусковых устройствах. Щелочные аккумуляторы, по сравнению с кислотными, имеют большие внутренние падения напряжения, но вместе с тем обладают более высокой механической прочностью и большим сроком службы. Щелочные аккумуляторы пригодны для питания электрических цепей, перегрузки в которых маловероятны, например для питания средств связи, сигнализации и аварийного освещения. Серебряно-цинковые аккумуляторы имеют преимущества в весогабаритных показателях по сравнению с кислотными аккумуляторами.
§ 10.2. СВИНЦОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Свинцовые аккумуляторы (рис. 10.1, а) представляют собой сосуд (аккумуляторный бак) из кислотоупорного материала, эбонита или асфальто-пековой массы, внутри которого помещены чередующиеся между собой положительные и отрицательные пластины. Количество отрицательных пластин всегда на одну больше числа положительных пластин; это необходимо для предотвращения коробления положительных пластин, возможного при их одностороннем разряде. Положительные пластины (рис. 10.1, в) представляют собой свинцовую, с 6—8%-ной примесью сурьмы (для увеличения механической прочности), решетку, заполненную пористой массой, состоящей из перекиси свинца (РbО2). Отрицательные пластины (рис. 10.1, б), также решетчатые, заполнены губчатым свинцом (Рb). Пластины имеют приливы, которыми они припаиваются к двум свинцовым бареткам, имеющим выводы для подключения аккумуляторов — положительные — к одной и отрицательные — к другой. Для уменьшения размеров аккумулятора и его внутреннего сопротивления расстояние между пластинами аккумулятора принимается небольшим.
Рис. 10.1. Свинцовый стартерный аккумулятор:
а — внешний вид; б и в — соответственно вид отрицательных и положительных пластин
Между положительными и отрицательными пластинами аккумулятора для предотвращения коротких замыканий устанавливаются прокладки-сепараторы, имеющие вертикальные ребра на поверхности, обращенной в сторону положительных пластин. В качестве материала сепараторов применяются специально обработанная деревянная фанера, пористый эбонит, пористый хлорвинил. При эксплуатации аккумуляторов на дно сосуда постепенно выпадает активная масса пластин. Для предотвращения коротких замыканий, которые при этом могли бы возникнуть, дно сосуда имеет призматические приливы, служащие опорой для пластин и образующие на дне пространство, предназначенное для выпадающих осадков. Аккумуляторный бак заполняется водным раствором серной, химически чистой аккумуляторной кислоты (H2SO4) и закрывается крышкой, имеющей отверстия для выводов бареток, заливки аккумулятора электролитом и выхода газов, образующихся в аккумуляторе во время работы. Все щели между стенками сосуда и крышкой уплотняются или заливаются специальной кислото- и температуростойкой мастикой. Среднее напряжение одного аккумуляторного элемента составляет в. Для получения требуемого напряжения аккумуляторные элементы соединяются между собой последовательно, образуя аккумуляторную батарею. Элементы аккумуляторных батарей могут собираться в общих ящиках. Для этого, в целях уменьшения веса и габаритов аккумуляторных батарей, последние часто представляют собой общий блок, разделенный на самостоятельные ячейки, внутри которых располагаются элементы батарей. К числу подобных аккумуляторных батарей относятся стартерные батареи.
Емкость аккумуляторных батарей зависит от числа и общей рабочей поверхности пластин и от их конструкции. Чем больше общая площадь пластин, тем больше при прочих равных условиях емкость аккумулятора.
Электрический свинцовый аккумулятор является химическим источником электрической энергии, отличающимся от гальванических элементов тем, что протекающие в нем химические реакции обратимы. При пропускании через разряженный аккумулятор зарядного тока в нем происходит восстановление всех веществ до первоначального состояния. Во время разряда аккумулятора чистый свинец положительных пластин и перекись свинца отрицательных пластин превращаются в сульфат свинца:
Этот процесс сопровождается уменьшением плотности электролита в аккумуляторе за счет образования сульфата свинца и выделения воды. При заряде аккумулятора процесс восстановления протекает в обратном порядке:
Этот процесс сопровождается увеличением плотности электролита за счет выделения серной кислоты. Плотность электролита позволяет судить о степени разряда аккумуляторов.
Электродвижущая сила свинцовых аккумуляторов пропорциональна плотности электролита и связана с нею приближенной зависимостью Е = 0,84 + γ, где у — удельный вес электролита при 15° С. Напряжение на зажимах свинцовых аккумуляторов зависит от величины электродвижущей силы и внутреннего сопротивления электролита в порах активной массы. Основную часть своего сопротивления аккумулятора составляет сопротивление электролита между пластинами и в порах активной массы. Сопротивление аккумулятора зависит от следующих факторов: размера пластин, их количества и конструкции, расстояния между ними, плотности и температуры электролита, силы тока, режима работы аккумулятора.
На рис. 10.2, б приведены кривые изменения э. д. с. и напряжения на зажимах аккумулятора во время его разряда и заряда. Как видно из приведенного рисунка, в начале заряда э. д. с. и напряжение на зажимах аккумулятора быстро возрастают благодаря увеличению плотности электролита в порах и у поверхности пластин. После достижения значительной плотности начинается процесс диффузии, сопровождающийся повышением плотности электролита, находящегося между пластинами. Этот процесс, благодаря большому количеству электролита в аккумуляторе, происходит относительно медленно. В связи с этим относительно медленно происходит дальнейшее повышение э. д. с. и напряжения на зажимах аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора при этом уменьшается вследствие увеличения плотности электролита.
Удельное сопротивление (рис. 10.2, а) электролита уменьшается с увеличением его плотности и достигает наименьшего значения при удельном весе 1,224 г|см3. Дальнейшее увеличение плотности приводит к увеличению удельного сопротивления электролита, которое в большой степени зависит от температуры: оно возрастает с уменьшением температуры. Эта зависимость приближенно может быть представлена в виде
где ρθ и р18 — удельное сопротивление электролита при температуре 0°С и 18° С;
α = 0,17—температурный коэффициент сопротивления.
В конце заряда аккумулятора, когда процесс восстановления активной массы пластин заканчивается, происходит процесс разложения электролита действием проходящего тока, сопровождающийся бурным газовыделением. Газообразование приводит к некоторому увеличению электродвижущей силы аккумулятора и его внутреннего сопротивления, благодаря чему конец заряда сопровождается увеличением напряжения на зажимах аккумулятора. После того как вся активная масса пластин восстановится, продолжение зарядки аккумулятора не вызывает изменения напряжения на его зажимах и повышения плотности электролита.
Как говорилось выше, конец зарядного режима сопровождается бурным газообразованием, способствующим перемешиванию электролита в аккумуляторе. Однако при этом происходит повышение температуры аккумулятора, выделение гремучего газа и нарушение прочности активной массы пластин. Для уменьшения отрицательного эффекта газообразования следует в конце заряда уменьшить силу зарядного тока. В начале разрядного режима электродвижущая сила и напряжение на зажимах свинцовых аккумуляторов быстро понижаются благодаря расходованию серной кислоты в порах и у поверхности пластин. В дальнейшем, в результате диффузии серной кислоты плотность электролита понижается не только в порах и у поверхности пластин, но и между пластинами. Этот процесс протекает относительно медленно, при этом соответственно уменьшаются электродвижущая сила и напряжение на зажимах аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора возрастает за счет уменьшения плотности электролита. При разряде аккумулятора образуется сульфат свинца, который отлагается на пластинах и внутри пор активной массы пластин, уменьшая их сечение и затрудняя диффузию серной кислоты в поры пластины. Вследствие этого плотность электролита внутри пор в конце разряда начинает быстро падать.
Вместе с нею начинает быстро падать электродвижущая сила и, в особенности, напряжение на зажимах аккумулятора из-за резкого увеличения внутреннего сопротивления последнего. Разряд аккумулятора при этом должен быть закончен.
Продолжение разряда аккумулятора при малой плотности электролита в порах активной массы аккумулятора приводит к изменению химических реакций в нем, появлению необратимых процессов, вызывающих в конечном счете порчу пластин.
Рис. 10.4. Зависимость напряжения и емкости свинцового аккумулятора от температуры электролита
Рис. 10.3. Зависимость емкости свинцового аккумулятора от силы разрядного тока
Емкостью аккумулятора называется количество электричества, которое аккумулятор отдает при разряде от начального состояния, соответствующего полной зарядке, до конечного состояния, соответствующего допустимому конечному значению напряжения и плотности электролита. Емкость аккумуляторов представляется равенством
где Q20 — емкость аккумулятора при температуре электролита + 20° С; θ — температура аккумулятора, для которой определяется емкость.
Емкость аккумуляторов зависит от плотности электролита. Для каждого аккумулятора существует оптимальная плотность электролита (в пределах 1,2—1,3) в зависимости от режима разряда, температуры электролита и пр. В начале эксплуатации аккумулятора емкость его несколько ниже той, которую аккумулятор получает после нескольких циклов заряда и разряда, так как формирование пластин аккумуляторов заканчивается в процессе их эксплуатации. Затем емкость аккумуляторов, при правильной эксплуатации, остается в течение продолжительного времени неизменной, а затем, вследствие постепенного выпадения активной массы из пластин, сульфатации пластин и увеличении саморазряда — уменьшается.
Свинцовые аккумуляторы на судах находят применение главным образом в качестве стартерных, при пуске в ход дизеля.
Основные технические данные свинцово-кислотных аккумуляторов приведены в табл. 10.1.
Таблица 10.1
Основные технические характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов
