В судовых электрических установках, в качестве вспомогательных источников электрической энергии применяются электрические аккумуляторы.
Аккумуляторы служат для пуска двигателей внутреннего сгорания, питания аварийного освещения и других целей.
В настоящее время промышленностью выпускаются кислотные свинцовые и щелочные железо-никелевые и кадмиево-никелевые 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 имеют большие внутренние падения напряжения. Зато они обладают большой механической прочностью и большим сроком службы по сравнению с кислотными аккумуляторами. Щелочные аккумуляторы пригодны для питания электрических цепей, перегрузки в которых мало вероятны.
Свинцовые аккумуляторы.
Свинцовые аккумуляторы представляют собою сосуд 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. Последнее необходимо для предотвращения коробления положительных пластин при их одностороннем разряде. Положительные пластины представляют собою свинцовую, с 6—8% примесью сурьмы для увеличения механической прочности. решетку, заполненную пористой массой, состоящей из перекиси свинца (РbО2). Отрицательные пластины, также решетчатые, заполнены губчатым свинцом (Рb).
Пластины имеют приливы, помощью которых они припаиваются к двум свинцовым береткам — положительные к одной и отрицательные к другой. Беретки имеют выводы для подключения аккумулятора.
Расстояние между пластинами аккумулятора берется небольшим, для уменьшения размеров аккумулятора и его внутреннего сопротивления.
Для предотвращения коротких замыканий между положительными и отрицательными пластинами аккумуляторов, между ними устанавливаются прокладки — сепараторы. В качестве материала сепараторов применяются; специально обработанная деревянная фанера, пористый эбонит, пористый хлорвинил. Сепараторы имеют ребристую поверхность с вертикально расположенными со стороны положительных пластин ребрами.
Сосуд аккумулятора, аккумуляторный бак, заполняется водным раствором серной, химически чистой аккумуляторной кислоты (H2SO4). Чтобы при наклонах аккумулятора электролит из него не выливался и чтобы в него не попадали посторонние предметы, аккумуляторный бак закрывается крышкой, имеющей отверстия для выводов береток, заливки аккумулятора электролитом и выхода газов, образующихся в аккумуляторе во время работы.
Отверстие, предназначенное для заливки электролита в аккумулятор, закрывается пробкой, имеющей резьбу. Все щели между стенками сосуда и крышкой уплотняются или заливаются специальной кислостойкой и температуростойкой мастикой. Среднее напряжение одного аккумуляторного элемента составляет около двух вольт. Для получения больших напряжений, аккумуляторные элементы соединяются между собою последовательно и составляют аккумуляторную батарею. Элементы аккумуляторных батарей могут собираться в общих ящиках. Для уменьшения веса и габаритов аккумуляторных батарей последние часто имеют общий сосуд — блок, разделенный на самостоятельные ячейки, внутри которых располагаются пластины.
Емкость аккумуляторных элементов 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.
При разряде аккумулятора чистый свинец положительных пластин и перекись 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 сопровождается увеличением плотности электролита за счет выделения серной кислоты.
Плотность электролита позволяет судить о степени разряда аккумуляторов.
Электродвижущая сила свинцовых аккумуляторов зависит от плотности электролита и связана с нею приближенным соотношением
где γ — удельный вес электролита при 15° С.
Напряжение на зажимах свинцовых аккумуляторов зависит от величины электродвижущей силы, внутреннего сопротивления аккумуляторов и величины тока.
При заряде оно равно U = Е + IR, при разряде U = Е — IR.
Внутреннее сопротивление аккумулятора R относительно невелико. Оно состоит из сопротивления пластин, сопротивления электролита между пластинами, сопротивления электролита в порах активной массы. Основную часть всего сопротивления аккумулятора составляет сопротивление электролита между пластинами и в порах активной массы. Сопротивление аккумулятора зависит от многих факторов: размера пластин, их количества и конструкции, расстояния между ними, плотности и температуры электролита, величины тока, режима работы аккумулятора.
Удельное сопротивление 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.
Удельное сопротивление электролита в большой степени зависит от температуры. Оно возрастает с уменьшением температуры.
В конце заряда, 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. 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 величину 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. Относительно медленно уменьшаются при этом 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. Вследствие этого плотность электролита внутри пор в конце разряда начинает быстро падать. Вместе в нею начинает быстро падать электродвижущая сила и в особенности напряжение на зажимах аккумулятора за счет 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 при разряде, появлению необратимых процессов, вызывающих в конечном счете порчу пластин.
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 измеряется ампер-часами.
Как было сказано выше, емкость аккумуляторов зависит от их конструкции. Кроме того, для одного и того же аккумулятора емкость зависит от величины разрядного тока и температуры аккумулятора. Емкость аккумуляторов тем меньше, чем больше величина разрядного тока. Приблизительно можно считать, что время разряда Iр с величиной разрядного тока I при разрядных токах больших номинального, связано соотношением
где А и С — электрические постоянные для каждого типа аккумуляторов.
Емкость аккумуляторов зависит также от плотности электролита. Для каждого аккумулятора имеет место оптимальная плотность электролита в зависимости от режима разряда, температуры электролита и др. Эта плотность составляет величину порядка 1,2—1,3.
В начале эксплуатации аккумулятора емкость его несколько ниже той, которую аккумулятор имеет после нескольких циклов заряда и разряда, так как формирование пластин аккумуляторов заканчивается в процессе их эксплуатации. Затем емкость аккумуляторов при правильной эксплуатации остается продолжительный период времени неизменной, а затем, вследствие постепенного выпадания активной массы из пластин, сульфатации пластин и увеличению саморазряда, емкость их уменьшается.
На судах наибольшее распространение в качестве вспомогательных источников тока, благодаря относительно малому весу, нашли свинцовые стартерные аккумуляторы.
Щелочные аккумуляторы.
Щелочные аккумуляторы бывают двух типов: железо-никелевые и кадмиево-никелевые.
Положительные пластины щелочных железо-никелевых аккумуляторов состоят из набора перфорированных стальных никелированных трубок, закрепленных в стальных никелированных рамках. Трубки заполнены активной массой, представляющей собою смесь гидрата окиси никеля с лепестками никеля.
Отрицательные пластины состоят из перфорированных стальных никелированных коробочек, наполненных смесью тонко размельченного железа, окислов железа и окиси ртути и закрепленных в стальные никелированные рамки.
В качестве электролита в этих аккумуляторах применяется раствор гидроокиси калия в воде, с добавлением небольшого количества гидроокиси лития. Положительные и отрицательные пластины щелочных аккумуляторов собираются на двух стальных никелированных стержнях. Для этой цели рамки пластин в верхней своей части имеют специально для этой цели предназначенные отверстия. К стержням присоединяются стальные никелированные выводы. Для предотвращения коротких замыканий между пластинами устанавливаются эбонитовые стержни. Пластины аккумулятора помещаются внутри стального бака со стальной крышкой. Бак и крышка свариваются после установки в нем пластин.
Бак и крышка щелочного аккумулятора никелированы. От стенок бака пластины изолируются эбонитовыми прокладками. На дно бака устанавливаются эбонитовые изоляторы. Крышка бака имеет отверстия для выводов пластин и для наполнения аккумулятора электролитом, доливки водою и выхода образующихся в нем во время работы газов.
Выводы пластин изолируются от крышки резиновыми уплотняющими втулками. Отверстие для выхода газа закрывается клапаном. Клапан при заливке аккумулятора электролитом или водою открывается. Среднее напряжение щелочных аккумуляторов составляет около 1,25 в. Для получения больших напряжений щелочные аккумуляторы собираются в батареи. Для этого отдельные элементы обычно располагаются в деревянных ящиках.
Никель-кадмиевые аккумуляторы отличаются от железо-никелевых тем, что активная масса отрицательных пластин этих аккумуляторов содержит кадмий в губчатой форме или смесь железа и кадмия.
Щелочные аккумуляторы, как указывалось выше, обладают относительно большим внутренним сопротивлением и соответственно большим внутренним падением напряжения при заряде и разряде аккумуляторов. Плотность электролита у щелочных аккумуляторов выбирается обычно с учетом температурных условий работы аккумуляторов. При температурах окружающего воздуха порядка + 10° С и выше рекомендуется плотность электролита 1,170—1,190, при низких температурах применяется электролит с плотностью 1,270—1,300.
Плотность электролита во время заряда и разряда изменяется мало и не может характеризовать состояние заряда аккумулятора в отличие от того, как это имеет место у свинцовых аккумуляторов.
Достоинством щелочных аккумуляторов являются их высокая механическая прочность и большой срок службы.
В отличие от кислотных аккумуляторов, у щелочных аккумуляторов емкость мало зависит от величины разрядного тока. От величины разрядного тока зависит лишь величина напряжения на зажимах. Емкость щелочных аккумуляторов падает при уменьшении их температуры.
Газовыделение у щелочных аккумуляторов имеет место на протяжении всего периода заряда.
В последние годы щелочные аккумуляторы существенно усовершенствованы. Новые кадмиево-никелевые аккумуляторы при тех же габаритах, что и свинцовые, обладают почти вдвое большей емкостью по сравнению с последними.
В настоящее время разработаны также новые серебряно-цинковые аккумуляторы. Эти аккумуляторы имеют еще большие весовые преимущества перед свинцовыми. Активным веществом положительных электродов этих аккумуляторов служит окись серебра, отрицательным — пористый цинк. В качестве электролита в них применяется водный раствор гидрата калия с плотностью 1,4, который не принимает участия в электрохимических реакциях аккумулятора.
Рабочее напряжение серебряно-цинковых аккумуляторов составляет величину порядка 1,5—1,6 в на один элемент. Зарядное напряжение не должно превосходить 2,1 в на элемент.
Серебряно-цинковые аккумуляторы хорошо сохраняют свою ем кость при низких температурах. При температуре — 20° она составляет около 40% номинальной емкости. Они обладают способностью весьма быстрого заряда и высокими стартерными свойствами.
В судовых установках зарядка аккумуляторных батарей может производиться различными способами: от судовой сети постоянного тока, через балластный реостат, от судовой сети переменного тока через понизительный трансформатор и полупроводниковые выпрямители от навешенного на первичный двигатель дизеля зарядного генератора; от специального электромашинного преобразователя.
В каждом отдельном случае оказывается наиболее целесообразным выбор той или иной из перечисленных систем зарядки. Зарядка аккумуляторов от судовой сети постоянного тока через балластное сопротивление возможна при наличии сети постоянного тока. Этот способ прост. Он целесообразен тогда, когда величина зарядного тока невелика, так как в противном случае в реостате теряется значительное количество электрической энергии и сам реостат получается большим.
Зарядка от сети переменного тока через понижающий трансформатор и полупроводниковые выпрямители проста, надежна, экономична, так как вторичное напряжение трансформатора может быть выбрано исходя из величины зарядного напряжения, а при применении германиевых выпрямителей, коэффициент полезного действия которых достигает 98%, потери в зарядном устройстве весьма невелики. Однако она возможна тогда, когда судовая установка выполнена на переменном токе.
Зарядка аккумуляторов возможна от навешенных на первичные двигатели зарядных генераторов. Зарядка от зарядного агрегата двигатель-генератора целесообразна тогда, когда мощность аккумуляторных батарей значительна.
