До недавнего времени наиболее распространенным способом накопления электрической энергии являлось применение свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Они, например, широко используются в системах бесперебойного электроснабжения малой мощности, но абсолютно непригодны для перекачки больших потоков энергии в ежедневном режиме. С развитием технологий на рынке появились литий ионные (ЛИА) АКБ.
Высокая реактивность и способность лития интеркалировать (проникать) в кристаллическую решетку другого материала позволяет сохранить в атомных связях большое количество энергии, поэтому служит идеальным накопителем.
Благодаря наноструктурированной топологии, литий-ионные АКБ имеют безусловные преимущества перед всеми существующими на сегодняшний день аналогами по ряду технических характеристик:
- Токи заряда и разряда беспрецедентно высоки. Способность ЛИА воспринимать большой ток заряда позволяет накапливать энергию в режиме онлайн. Разряд может пятикратно превосходить заряд, что говорит о возможности мгновенной отдачи огромного количества энергии.
- Очень низкий саморазряд, не превышающий 2% от первоначального заряда в месяц
- Отсутствует эффект памяти (не требует полной разрядки перед циклом заряда).
- Высокий электрохимический потенциал (энергетическая плотность);
- Эксплуатация в широком диапазоне температур (от -40°C +50°C).
Еще несколько лет назад, свинцовые АКБ не имели конкурентов в этой области, так как альтернативные АКБ, были очень дорогостоящими, в связи с чем их применение было экономически не выгодно.
Но с развитием технологий, на рынке появились литий ионные (ЛИА) АКБ, которые на первый взгляд имеют более высокую цену, тем не менее, если рассмотреть более внимательно, то в системах ИБП от 50кВт, применение именно ЛИА, имеет более высокую экономическую эффективность. Ниже приведены сравнения.
Основными параметрами любой АКБ, является:
- Ёмкость: Какое количество энергии может запасти АКБ на 1 кг веса
- Ток разряда: Как быстро накопленную энергию АКБ может отдать
- КПД: потери энергии при заряде и разряде
- Количество циклов разряда и заряда
- Срок годности – или период эксплуатации
| Критерий | Свинец | ЛИА |
| Ёмкость (вт/кг) | 25 | 110 |
| Ток разряда (при котором АКБ отдаёт всю ёмкость) | 0,1С (10% от тока ёмкости) | 3С (300% от тока ёмкости) |
| КПД | 80% | 97% |
| Количество циклов разряда - заряда | 700 | 5000 |
| Срок годности – или период эксплуатации | 3.5 лет | 25 лет |
Как видно из таблицы, ЛИА имеют значительные преимущества перед свинцовыми АКБ. Это вызвано в первую очередь тем, что у них разный принцип действия. В Свинцовых АКБ свинцовые электроды вступают в химическую реакцию с электролитом - серной кислотой, за счет чего происходит накопление электроэнергии. Но со временем кислота образует на поверхности электродов сульфат свинца, что приводит батарею в негодность. Преждевременное старение свинцовой АКБ происходит так же при разряде большими токами и параллельном подключении, которое часто используется для увеличения суммарной емкости.
В ЛИА как таковой химической реакции не происходит, а происходит миграция ионов лития с электрода на электрод, накапливая или отдавая заряд, за счет чего ЛИА имеет значительно лучшие характеристики. Разряд силой тока, пятикратно превосходящей номинальную емкость АКБ – штатный режим работы. Допускается параллельное соединение, т.к. контроллер заряда/разряда установлен на каждом элементе батареи.
Для оценки экономической выгоды от применения той или иной технологии, рассмотрим затраты на первичную установку, а так же затраты на дальнейшую эксплуатацию. В качестве примера примем ИБП на 300 кВА со временем бесперебойной работы 30 мин. Это время было выбрано потому, что именно этого времени хватит в случае необходимости запустить, и ввести в рабочий режим резервный генератор, а генераторы как известно заводятся далеко не с первого раза, особенно если стоят в резерве.
| ИБП 300 кВА. Напряжение постоянного тока 400 В. Время работы при полной нагрузке 30 мин. | |||
| Критерий | Свинец | Литий | Комментарии |
| При работе на полную нагрузку, ИБП будет потреблять 750А в течении 30 мин. Требуемая ёмкость и тип АКБ | OPzV 1200Ач (2В) 185ШТ | ЛИА 400Ач (3.2В) 125 ШТ. | АКБ требует высокие токи разряда, которые могут поддерживать только единичные элементы по 2,14В. При высоких токах разряда свинцовая АКБ не отдаёт 100% своей ёмкости. Рекомендуемые производителем токи разряда подтверждают, что минимальная ёмкость АКБ должна быть 1200Ач. Для лития данных проблем нет, поэтому устанавливается батарея почти номинальной ёмкости. |
| Стоимость | Одинаковая | Одинаковая | Обычно цена АКБ рассчитывается исходя из стоимости одного Ампер часа. Приведенные цены являются средними по рынку. Цена за ЛИА АКБ приведена с учетом стоимости системы управления. |
| Вес АКБ | В среднем по 100 кг на элемент 185*100=18500 кг | В среднем по 11 кг на элемент 125*11=1375 кг | При использовании ЛИА АКБ потребуется размер помещения(площадь и предельные нагрузки на пол) в 13 раз меньше чем для свинца. |
| Срок эксплуатации до замены | 3.5 лет | 25 лет | Срок эксплуатации свинцово кислотных OPzV АКБ 20 лет, но они не служат так долго. Дело в том, что производитель указывает срок эксплуатации при разряде батареи током не более 10% от номинальной ёмкости, а значит для АКБ 1200Ач, это всего 120А. Ток разряда данного ИБП 750А, что в 6 раз выше рекомендованного. При такой силе разряда свинцовые АКБ выходят из строя гораздо быстрее, а потеря емкости заметна уже через несколько циклов разряда. |
| Стоимость обслуживания | Высокая | Нет | Можно установить свинцовых АКБ в 6 раз больше, что бы они прослужили 18 лет, но стоимость такого массива будет астрономической. ЛИА работает в штатном режиме и прослужит заявленное время эксплуатации без замены. |
Разряд Свинцово-кислотной АКБ постоянным током, А.
Конечное напряжение 1,75В элемент при температуре 20°С
| Маркировка | Минуты | Часы | |||||||
| 10 | 15 | 30 | 1 | 2 | 3 | 5 | 8 | 10 | |
| OPzV-200 | 261 | 230 | 171 | 122 | 79 | 58 | 39 | 27 | 21 |
| OPzV-250 | 302 | 287 | 213 | 152 | 98 | 73 | 49 | 33 | 26 |
| OPzV-300 | 362 | 344 | 256 | 182 | 118 | 87 | 58 | 40 | 31 |
| OPzV-350 | 365 | 347 | 275 | 204 | 139 | 105 | 72 | 50 | 37 |
| OPzV-420 | 438 | 417 | 330 | 245 | 167 | 126 | 86 | 60 | 45 |
| OPzV-500 | 472 | 448 | 366 | 286 | 195 | 147 | 101 | 67 | 52 |
| OPzV-600 | 477 | 454 | 388 | 302 | 219 | 168 | 118 | 85 | 66 |
| OPzV-800 | 740 | 693 | 580 | 422 | 293 | 223 | 157 | 113 | 82 |
| OPzV-1000 | 887 | 823 | 681 | 515 | 370 | 282 | 197 | 131 | 103 |
| OPzV-1200 | 956 | 903 | 790 | 614 | 450 | 342 | 237 | 165 | 123 |
| OPzV-1500 | 1011 | 995 | 874 | 697 | 521 | 407 | 294 | 197 | 155 |
| OPzV-2000 | 1372 | 1326 | 1165 | 929 | 695 | 543 | 391 | 276 | 207 |
| OPzV-2500 | 1685 | 1658 | 1510 | 1203 | 863 | 668 | 482 | 317 | 258 |
| OPzV-3000 | 2022 | 1989 | 1813 | 1444 | 1035 | 802 | 579 | 378 | 309 |
Итог. Первичная стоимость свинца будет больше, а также при первичной разнице в стоимости в 11% применение ЛИА позволит:
- Сократить в 13 раз площадь (объем) помещения для размещения системы ИБП.
- Сократить в 13 раз вес батарейного стеллажа.
- Минимум троекратно продлить срок службы перед заменой АКБ. Экономия при эксплуатации ЛИА, за 20 лет составит не менее 350% , исходя из расчета первичных затрат, стоимости обслуживания, периодической замены и трехкратной утилизации свинцовых АКБ.
Применение нашей технологии позволяет осуществить прямую замену Свинцово-кислотных или Никель-Кадмиевых АКБ на ЛИА, БЕЗ каких либо конструктивных изменений или дополнений к системе заряда или подключения! Даже перемычки могут остаться старые.
Главная > КонспектЛекция 3. Аккумуляторы
- Основные понятия. Электрические характеристики и классификация аккумуляторов. Свинцовые аккумуляторы. Щелочные аккумуляторы. Стартерные батареи. Аккумуляторы с расплавленным и твердым электролитом. Применение аккумуляторов на железнодорожном транспорте.
1. Основные понятия. Электрические характеристики и классификация аккумуляторов.
Аккумуляторами называются устройства, в которых электрическая энергия превращается в химическую, а химическая – снова в электрическую. То есть они служат для накопления химической энергии, превращаемой по мере необходимости в электрическую. Аккумуляторы или аккумуляторные батареи (АКБ) относятся к вторичным (перезаряжаемым) химическим источникам тока , характеризующимся многократностью использования и обратимостью. После работы (разрядки) аккумулятора его можно перевести в исходное состояние путём зарядки – пропускания через него постоянного электрического тока от внешнего источника. При заряде аккумулятор работает как электролизер, а при разряде – как гальванический элемент. Аккумулятор состоит из двух электродов (отрицательного заряженного анода и положительного заряженного катода) и электролита (ионного проводника) между ними. Анодом является электрод, на котором протекает окисление; катодом – электрод, на котором протекает восстановление. Ёмкость аккумулятора – такое количество электричества, которое можно получить при работе элемента в режиме разряда до достижения минимального значения напряжения: С = I·t (А·ч). Ёмкость зависит от природы и количества активных масс в электродах, их конструкции и состояния, тока разряда, концентрации электролита и так далее. ЭДС аккумулятора – разность электродных потенциалов катода и анода при разомкнутой внешней цепи: Е ак = φ к – φ а. ЭДС АКБ равна сумме ЭДС аккумуляторов. При разряде напряжение аккумулятора меньше ЭДС (из-за поляризации и омических потерь (внутреннего сопротивления)). В процессе его работы изменяется состав активных масс, и соответственно – ЭДС и напряжение. Кривые изменения напряжения аккумулятора во времени называют зарядными и разрядными кривыми. Зарядное напряжение увеличивается, а разрядное - уменьшается во времени (см. рисунок 3.1.).
U, ЭДС, В U, ЭДС, В 2,5 2,2 1,8 1,7 100 Степень 100 Степень заряда разряда
Рисунок 3.1. Зарядные и разрядные кривые аккумуляторов
Энергия аккумулятора – это произведение его ёмкости на напряжение: W = C·U (Вт·ч). Она определяет то количество энергии, которое при разряде передается во внешнюю цепь. Мощность аккумулятора – количество энергии, отдаваемое в единицу времени: Р = W / t (Вт). Часто используют удельные значения энергии и мощности аккумуляторов – на единицу массы или объема или в единицу времени. КПД аккумулятора – отношение энергии, полученной при разряде, к энергии, подведённой при заряде аккумулятора: η = W p / W з. Срок службы аккумулятора – чаще измеряется в годах или в количестве разрядно-зарядных циклов. На практике для оценки работы АКБ используют зависимость напряжения аккумулятора от силы тока (рисунок 3.2.). Резкое снижение напряжения на участках АВ и СД обусловлено электрохимической поляризацией электродов; на участке ВС изменение напряжения почти линейное (обусловлено ещё и омическими падениями). Чем меньше падение U с ростом I, тем лучше работает аккумулятор. Классификацию аккумуляторов проводят в основном по химической природе электролита (рисунок 3.3). Кроме этого, они различаются по типу электродов и по конструкции. U
,В А В рисунок 3.2. Вольт-амперная кривая С Д I, А А
ккумуляторы
К
ислотные Щелочные с твёрдым электролитом с расплавленным (свинцовые) Ni-Cd, Ni-Fe (S-Na) электролитом
Рисунок 3.3. Классификация аккумуляторов по типу электролита
2. Свинцовые аккумуляторы
Свинцовые аккумуляторы в настоящее время являются наиболее распространёнными, в том числе на железнодорожном транспорте. Они состоят из двух решетчатых свинцовых пластин (для увеличения площади поверхности и ёмкости). Отрицательный электрод заполняется металлическим свинцом, положительный – диоксидом свинца PbO 2 . Электрохимическая схема:
Анод (-) Pb / H 2 SO 4 / PbO 2 (+) Катод
Электроды погружены в электролит – 25-30% раствор серной кислоты с плотностью 1,18 – 1,22 г/см 3 . Кроме электролита, решётки электродов разделяются пористыми сепараторами. Суммарная (токообразующая) реакция в аккумуляторе:
2 PbSO 4 + 2 H 2 O ↔ Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 .
Прямая реакция в этой записи соответствует заряду аккумулятора, а обратная – его разряду (то есть его работе). При зарядке аккумулятора протекают следующие реакции: На аноде Pb +2 SO 4 + 2H 2 O – 2e - = Pb +4 O 2 + H 2 SO 4 , На катоде Pb +2 SO 4 + 2e - = Pb 0 + SO 4 2- . При разрядке аккумулятора (во время его работы): На аноде Pb +4 O 2 + 2H 2 SO 4 + 2e - = Pb +2 SO 4 + 2H 2 O + SO 4 2- ; На катоде Pb 0 + SO 4 2- - 2e - = Pb +2 SO 4 . Когда при разрядке напряжение падает до ≈ 1,8 В, дальнейшую разрядку производить нельзя – электроды покрываются толстым слоем сульфата свинца, аккумулятор выходит из строя. При работе кислотного свинцового аккумулятора нужно соблюдать ряд особенностей:
- Строго контролировать плотность электролита, с учётом условий работы аккумулятора; в частности, его концентрация зимой должна быть выше, чем летом. Следить за процессом заряда аккумулятора. Напряжение при заряде выше ЭДС (см рисунок 3.1.) и растёт в течение заряда, что ведёт в конце заряда к разложению воды по реакции 2Н 2 О = 2Н 2 + О 2 . Поэтому выделение пузырьков газа («кипение») служит признаком окончания заряда.
3. Щелочные аккумуляторы
Среди аккумуляторов с щелочным электролитом наиболее распространены никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель-железные (Ni-Fe) аккумуляторы. Здесь положительный электрод содержит гидроксид никеля (III) Ni(OH) 3 (или NiOOH), а отрицательный – соответственно кадмий или железо. В качестве электролита используется 20-23% раствор гидроксида калия КОН, с плотностью 1,21 г/см 3 . Так, при работе Ni-Fe аккумулятора суммарное уравнение
Fe + 2Ni(OH) 3 ↔ Fe(OH) 2 + 2Ni(OH) 2 .
При разрядке на аноде Fe – 2e - = Fe 2+ , на катоде Ni(OH) 3 + e - = Ni(OH) 2 + OH - . Достоинства щелочных аккумуляторов: большой срок службы (до 10 лет), высокая механическая прочность; недостатки – невысокие КПД и разрядное напряжение. В последнее время получили распространение серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторы. Их достоинства – малый объём и вес, небольшое падение мощности при интенсивной работе; недостатки – высокая стоимость и нестабильная работа при низких температурах.
4. Стартерные батареи
Аккумуляторные стартерные батареи собираются в одном моноблоке – многоячеечном пластмассовом или эбонитовом корпусе. В каждой ячейке разделенные сепараторами электроды собраны в блок. Каждый электрод состоит из активной массы и металлической решетки, которая служит каркасом и токоотводом. Сепараторы изготавливают из пористой кислотостойкой пластмассы. В пробке, закрывающей отверстие для заливки электролита, имеются вентиляционное отверстие (для выхода газов) и отражатель (для предотвращения выплескивания). В последнее время в электродные массы таких АКБ добавляют сурьму и сплавы на основе свинца и кальция. Это приводит к более низкому газовыделению, снижению скорости саморазряда и незначительному расходу электролита. Основные неисправности стартерных батарей.
- Внешние – трещины в моноблоках, крышках, повреждение пробок, окисление или излом токоотводов. Внутренние – разрушение электродов, коррозия, оплывание активной массы, короткое замыкание, переполюсовка электродов, их сульфатация, повышенный саморазряд и т.д.
5. Аккумуляторы с расплавленным и твёрдым электролитом
В последние годы разрабатываются аккумуляторы с литиевым отрицательным электродом, неводным раствором электролита и положительным электродом на базе углерода, оксидов ванадия, никеля, кобальта и марганца. Представителем аккумуляторов с расплавленным электролитом является хлор-литиевый аккумулятор. На графитовом стержне адсорбирован газообразный хлор:
(–) Li / LiCl, KCl / Cl 2 , C (+)
Суммарный электрохимический процесс: 2Li + Cl 2 ↔ 2 LiCl. Преимущества такого аккумулятора – высокая удельная энергия (до 400 Вт*ч/кг) и мощность (до 2000 Вт/кг). Недостатки – высокая коррозионная активность электролита, токсичность хлора, взрывоопасность. Сейчас перспективными считаются аккумуляторы, где вместо чистого лития используются его сплавы с кремнием, алюминием, а катод состоит из хлористого теллура: (–) Li, Al / LiCl, KCl / TeCl 4 (+). Также активно разрабатываются аккумуляторы с твёрдыми и неводными электролитами (пропиленкарбонатом, фторуглеродами CF x , тионилхлоридом SOCl 2 и др.). Такие аккумуляторы уже сейчас дешевы, их ресурс составляет более 1000 циклов, у них высокая удельная энергия, однако пока они работают при малых токах.
6. Применение аккумуляторов на железнодорожном транспорте
Наиболее распространены и популярны на подвижном составе кислотные свинцовые аккумуляторы – этим они обязаны прежде всего стартерным батареям, предназначенным для различных средств передвижения. Они применяются для запуска двигателей внутреннего сгорания и являются тяговыми устройствами на маневровых электровозах, электрокарах и т.д. Закрытые свинцовые аккумуляторы (АБН-72, АБН-80 - антиблокировочные намазанные) используются в стационарных и напольных условиях для питания устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, а также на железнодорожных путях и сортировочных горках, имеющих электрическую и диспетчерскую централизацию. На их базе комплектуется большинство стационарных и вагонных батарей. Так, на тепловозах в основном применяют стартерные батареи 3-СТ-60 и 6-СТ-42 («3» или «6» - число последовательно соединенных аккумуляторов в АКБ, «60» или «42» - номинальная емкость при 10-часовом непрерывном режиме разряда). Щелочные аккумуляторы применяются также достаточно широко: на тепловозах, пассажирских вагонах, электрокарах, погрузчиках, рудничных электровозах, в переносной аппаратуре, для питания аппаратуры связи и электронной аппаратуры. Для переносных и портативных приборов и бытовой техники всё чаще используют литиевые аккумуляторы с расплавленным и твёрдым электролитом. Они имеют ёмкость до 10 А·ч и рассчитаны на длительный режим разрядки; являются многоцелевыми: обеспечивают работу радиоэлектронных и светотехнических изделий, переносных приборов и т.д. (транзисторных радиоприемников, карманных фонарей, тестеров, электрочасов, табло и пр.).
Лекция 4. Топливные элементы
- Основные понятия. Устройство топливных элементов (ТЭ). Водородно-кислородные элементы с различными электролитами. Установки с электрохимическим генератором. Применение топливных элементов.
1. Основные понятия
Топливные элементы (ТЭ) – это химические источники тока, в которых электроэнергия возникает за счёт химической реакции между топливом (восстановителем) и окислителем. Такие элементы могут работать длительное время, так как окислитель и восстановитель хранятся отдельно, вне элемента, а в процессе работы подаются к электродам – непрерывно и раздельно. В качестве топлива используются жидкие и газообразные восстановители: водород, метан и другие углеводороды, метиловый спирт, гидразин; основные окислители – это кислород и перекись водорода. Удельная энергия топливных элементов выше, чем у обычных гальванических элементов. Для большинства ТЭ ЭДС равна 1,0 – 1,5 В. Для уменьшения внутреннего сопротивления в ТЭ применяют электроды с высокой электрической проводимостью. Для уменьшения поляризации используют электроды с высокоразвитой поверхностью, на которые наносят различные катализаторы: платину, палладий, серебро, борид никеля и другие.
Устройство топливных элементов (ТЭ). Водородно-кислородные элементы с различными электролитами.
Н 2 О N 2 1 2 3 Н 2 О 2 (воздух) Рисунок 4.1. Устройство топливного элемента. 1 – анод, 2 – электролит, 3 – катод.
Схема данного элемента:
А (-) Н 2 , М / КОН/ М, О 2 (+) К
Здесь М – катализатор (проводник первого рода). Анодный процесс: Н 2 + 2 ОН - - 2е - = 2 Н 2 О; Катодный процесс: О 2 + 2 Н 2 О + 4е - = 4 ОН - . Суммарный процесс: 2 Н 2 + О 2 = 2 Н 2 О. Во внешней цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в растворе – движение ионов от катода к аноду. На практике также широко применяется кислородно-гидразиновый элемент, схема которого:
(-) Ni, N 2 H 4 / KOH / О 2 , С (+)
Здесь анодом является никелевый электрод, а катодом – графитовый стержень. При работе такого ТЭ на аноде N 2 H 4 + 4 OH - = N 2 + 4H 2 O + 4 e - , на катоде О 2 + 2Н 2 О + 4е - = 4 ОН - . Суммарная реакция N 2 H 4 + O 2 = N 2 + 2H 2 O. Вышеперечисленные ТЭ способны работать уже при комнатной температуре (их ещё называют низкотемпературными). Другие ТЭ (с электролитами из фосфорной кислоты, полимерными ионообменными мембранами) работают при температурах от 100 до 300 0 С. У данных ТЭ на аноде: 2Н 2 – 4е - = 4 Н + ; на катоде О 2 + 2Н 2 О + 4е - = 4 ОН - . Основные проблемы при функционировании ТЭ: чистота топлива (влияющая на его окисляемость), выбор катализатора (с целью удешевления ТЭ), повышение срока службы ТЭ. Сейчас в основном водород для ТЭ получают конверсией метана: СН 4 + 2Н 2 О = СО 2 + 4Н 2 .
3. Установки с электрохимическим генератором
В отличие от гальванических элементов ТЭ не могут работать без вспомогательных устройств. Для повышения напряжения, силы тока и мощности ТЭ соединяют в батареи. Система, состоящая из батареи ТЭ, устройств для подвода топлива и окислителя (а также их хранения и обработки), отвода продуктов реакции, регулировки температуры и преобразования тока и напряжения называется электрохимическим генератором (ЭХГ), или электрохимической установкой.
Схема ЭХГ показана на рисунке 4.2. 
Отвод продуктов реакции генератор отвод тепла Нагрузка Подача топлива батарея ТЭ подача окислителя
Система контроля температуры
Рисунок 4.2. Схема установки с ЭХГ.
4. Применение топливных элементов
ТЭ придаётся большое значение в связи с тем, что их КПД близок к 100%, и они могут применяться во многих отраслях хозяйства, не загрязняя окружающую среду. С каждым годом их применение всё шире. Основные сферы применения ТЭ: космические корабли и станции, электромобили и транспорт, стационарные энергоустановки. В настоящее время созданы кислородно-гидразиновые ЭХГ, имеющие мощность 50 кВт. Срок их службы – 2000 ч. Они производят электроэнергию в любое время суток, надёжны в эксплуатации, имеют малые размеры и способны выдерживать различные перегрузки. На космических кораблях и подводных лодках ЭХГ обеспечивают людей не только электроэнергией, но и водой. Наиболее распространены ЭХГ с щелочным электролитом, они обладают удельной энергией 400-800 Вт·ч/кг и КПД 70%, мощностью около 10 кВт. В последние годы всё больше уделяется внимание разработке ТЭ для различных мобильных приборов и устройств (ноутбуков, видеокамер и т.п.), а также ЭХГ для электромобилей, работающих на водороде или метаноле. Многочисленные публикации в научно-популярной прессе, сюжеты по ТВ подтверждают то, что дальнейшее совершенствование ТЭ является одним из самых перспективных направлений в развитии энергетики. ЭХГ ещё пока относительно дороги, однако сейчас ведутся интенсивные работы по их удешевлению с целью широкого использования экологически чистой энергии.
Лекция 5. Коррозия.
Теоретические вопросы в области коррозии
- Определение коррозии и значение коррозионной проблемы. Прямые и косвенные потери от коррозии. Причины возникновения коррозии. Химическая коррозия. Электрохимическая коррозия. Влияние водородного показателя среды на скорость коррозии. Оценка коррозионной стойкости металлов.
Определение коррозии и значение коррозионной проблемы
2. Прямые и косвенные потери от коррозии.
Различают прямые и косвенные потери от коррозии. Под прямыми потерями понимают стоимость замены прокорродированных конструкций или их частей. Другими примерами прямых потерь могут служить затраты на перекраску конструкций для предотвращения ржавления или эксплуатационные затраты, нанесение защитных металлических покрытий. Прямые потери легко подсчитать. Гораздо труднее поддаются расчетам косвенные потери, даже по приближенным оценкам они исчисляются миллиардами долларов по всему миру. Так, в США общая сумма прямых потерь – 4,2 % валового национального продукта. В России ежегодно до 20 % всего выплавляемого металла подвергается коррозии. Примеры косвенных потерь от коррозии:
- Простои (например, замена прокорродированной трубы или участка железнодорожного пути) – учитывается недовыработка продукции за время простоя. Потеря готовой продукции (утечка нефти, газа, воды). Потеря мощности – из-за отложения продуктов коррозии, так как, например, нарушается теплообмен или уменьшается полезный рабочий просвет трубопроводов. А в результате коррозии поршневых колец и стенок цилиндров ДВС увеличивается расход бензина и масла. Загрязнение продукции. Небольшие количества металлов в результате коррозии могут испортить партию продукции – поменять цвет красителей, ухудшить качество (особенно продуктов питания). Допуски на коррозию. Речь идёт о том, что приходится в ряде случаев в расчёте на коррозию изготавливать толщину стенок изделий больше, чем надо, а это затраты средств.
3. Причины возникновения коррозии.
Основной причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов и сплавов в окружающей среде. Подавляющее большинство металлов в земной коре находится в виде оксидов, сульфидов и других соединений. При получении металлов в металлургии их переводят из такого стабильного состояния в элементарную форму, которая нестабильна. При контакте металла с внешней окислительной средой появляется движущая сила, стремящаяся превратить его в стабильные соединения, подобные тем, которые находятся в рудах. Примером является коррозия стали: железо переводится из элементарного состояния в окисленное (двух- и трехвалентное), которое соответствует таким минералам, как магнетит Fe 3 O 4 или лимонит Fe 2 O 3 ·H 2 O. Термодинамическая неустойчивость металлов количественно оценивается знаком и величиной изобарно-изотермического потенциала ΔG (энергии Гиббса). Самопроизвольно протекают те процессы, которые сопровождаются уменьшением энергии Гиббса, то есть для которых ΔG меньше нуля. Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, имеют по сравнению с водородом более отрицательный потенциал, их окисленное состояние более устойчиво термодинамически, чем восстановленное. Для металлов, расположенных после водорода, восстановленное состояние термодинамически более устойчиво, то есть для них ΔG процесса окисления больше нуля. К этой группе металлов относятся коррозионно-стойкие золото, серебро, платина и др.
Учебно-методический комплекс
Основной целью преподавания дисциплины является формирование у студентов единого представления о процессе проектирования вагоноремонтного предприятия (вагонного депо или вагоноремонтного завода) как специализированного промышленного
Учебно-методический комплекс по дисциплине «Основы технической диагностики» (название)
Учебно-методический комплексУчебно-методический комплекс по дисциплине «Холодильное оборудование вагонов» (название)
Учебно-методический комплекссоставлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования/основной образовательной программы по специальности/ направлению
Базовый принцип работы свинцово-кислотного аккумулятора (АКБ), определяемый термином «двойная сульфатация», был разработан (изобретен) более полутора веков назад в районе 1860 года и с тех пор никаких принципиальных новшеств не претерпел. Появилось достаточное количество специализированных моделей, но устройство аккумулятора выпущенного вчера в Японии или производимого сегодня в России или в Германии, такое же, как и устройство самой первой батареи собранной «на коленке» во Франции, с неизбежными улучшениями и оптимизацией.
Назначение
АКБ в обычном автомобиле предназначен для работы стартера при запуске двигателя и для устойчивого снабжения заданного вольтажа электроэнергией, многочисленного электрооборудования.
При этом роль автомобильного аккумулятора, как «энергетического буфера», при недостаточном поступлении энергии от генератора не менее важна. Типичный пример подобного режима – при работе двигателя на холостых оборотах во время стояния в пробке . В такие моменты весь электропакет и дополнительное сервис-оборудование запитаны только от аккумулятора. Критически важна роль кислотного аккумулятора при аварийных форс-мажорах: поломка генератора , регулятора напряжения, выпрямителя тока, при обрыве ремня генератора.
Правила подзарядки
Подзарядка свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора в штатном режиме производится от генератора. При интенсивной работе батареи требуется ее дополнительная подзарядка в стационарных условиях через специальное зарядное устройство. Особенно это актуально в зимнее время, когда возможность холодной батареи принимать заряд резко снижается, а потребление энергии на раскрутку мотора на морозе возрастает. Поэтому зарядку автомобильного АКБ необходимо проводить в тепле после его согревания естественным образом.
Важно! Ускорение согревания батареи горячей водой или феном недопустимо, так как реально разрушение пластин вследствие резкого перепада температур. При опадении наполнителя на дно банок, резко возрастает возможность саморазряда за счет замыкания пластин.
Для так называемых «кальциевых» аккумуляторов, недопущение полного или значительного разряда критически важно, потому что ресурс этого типа батарей ограничен 4-5 циклами полной разрядки, после чего аккумулятор приходит в негодность.
В современных гибридных автомобилях и в электромобилях аккумуляторная батарея имеет повышенные размеры и емкость, обеспечивая движение. Их так и называют – тяговые. В «чистых» электромобилях только аккумуляторы являются поставщиком энергии для движения и работы всего электрооборудования, отчего имеют значительные размеры и в разы большую емкость, чем батарея в «классическом» автомобиле с карбюраторным двигателем. Например: танковые, тепловозные, на подводных лодках и так далее. Хотя принцип кислотного аккумулятора во всех случаях одинаков за исключением размеров.
Устройство кислотного АКБ и принцип его работы
Устройство кислотной АКБ (свинцово-кислотного) различного назначения, от разных производителей отличается не принципиально и в тезисной форме выглядит следующим образом:
- пластиковый контейнер-корпус из инертного, устойчивого к агрессивной среде материала;
- в общем корпусе располагается несколько модулей-банок (как правило шесть), которые являются полноценными источниками тока и соединяются между собой тем или иным способом в зависимости от основных задач;
- в каждой банке располагаются плотные пакеты, состоящие последовательно из разделенных диэлектрическими сепараторами отрицательно и положительно заряженных пластин (свинцовый катод и анод из диоксида свинца соответственно). Каждая пара пластин является источником тока, их параллельное соединение кратно увеличивает выдаваемое на напряжение;
- пакеты залиты раствором химически чистой серной кислоты, разбавленной до определенной плотности дистиллированной водой.
Работа кислотного аккумулятора
В процессе работы кислотного аккумулятора на катодных пластинах образуется сульфат свинца и выделяется энергия в виде электрического тока. За счет выделяемой в процессе электрохимической реакции воды плотность кислотного электролита падает, он становится менее концентрированным. При подаче напряжения на клеммы в процессе зарядки происходит обратный процесс с восстановлением свинца до металлической формы и повышается концентрация электролита.
Как устроена щелочная батарея и принцип ее работы
Устройство щелочной батареи аналогично таковому у кислотного. Но положительно и отрицательно заряженные пластины имеют другой элементный состав, а в качестве электролита используется раствор едкого кали определенной плотности. Есть и другие отличия — в самом корпусе контейнера, выводе клемм и в наличии мелкосетчатой «рубашки» вокруг каждой отдельной пластины.
Отрицательные катоды традиционного щелочного аккумулятора выполнены из губчатого кадмия с примесью губчатого железа, положительные – из гидроокиси трехвалентного никеля с добавлением чешуйчатого графита, добавка которого, обеспечивает лучшую электропроводность катода. Пары пластин параллельно соединяются между собой в банках, которые тоже соединены параллельно. В процессе зарядки щелочного аккумулятора двухвалентный никель в гидрате закиси меняет валентность до значения «8» и превращается в гидрат окиси; соединения кадмия и железа восстанавливаются до металлов. При разрядке процессы противоположны.
Достоинства щелочной АКБ
К достоинствам щелочного типа относятся:
- внутреннее устройство обеспечивает повышенную устойчивость к механическим нагрузкам, в том числе к тряске и ударам;
- разрядные токи могут быть значительно выше, чем у кислотного аналога;
- в принципе отсутствует испарение/выделение вредных веществ с газами;
- легче и меньше при равных емкостях;
- имеют очень высокий ресурс и служат в 7-8 раз дольше;
- для них не является критичными перезаряд или недозаряд;
- эксплуатация их проста.
По достижении максимального возможного заряда и при продолжении подключения к зарядному устройству никаких отрицательных электрохимических процессов с элементами не происходит. Просто начинается электролиз воды на водород и кислород с ростом концентрации едкого кали и падением уровня электролита, что безопасно и легко компенсируется добавлением дистиллированной воды.
Очевидно, что имеются показатели, по которым этот тип аккумуляторов хуже кислотного:
- использование дорогостоящих материалов повышает стоимость на единицу емкости до четырех раз;
- более низкое – 1,25 В против 2 и выше В — напряжение на элементах.
Заключение
Правильная эксплуатация любого типа АКБ обеспечивает его долгую и надежную работу, что не только позволяет экономить финансы, но и гарантирует большую безопасность и комфорт при езде на автомобиле.
Серийный выпуск и массовая эксплуатация свинцово-кислотных аккумуляторных батарей были начаты еще в конце 19 века. В начале 20 века они начали широко применяться в автомобилях, развивая далее сферу своего применения, легко перешагнули рубеж тысячелетия и до сих пор продолжают оставаться надежными, долговечными, не требующими высоких эксплуатационных затрат и относительно дешевыми источниками энергии.
Аккумулятор — это химический источник тока, способный многократно преобразовывать химическую энергию в электрическую и аккумулировать, запасать ее на длительное время. Упрощенно аккумулятор можно представить следующим образом: два электрода, в виде пластин, помещены в раствор серной кислоты с плотностью 1,27-1,29 г/см 3 . При этом положительный электрод выполнен из двуокиси свинца (PbO 2), а отрицательный из свинца (Pb). При прохождении тока между ними протекают окислительно-восстановительные реакции.
При разряде происходит химическая реакция, в результате которой активная масса обоих электродов начнет изменять свой химический состав, преобразуясь из губчатого свинца и его двуокиси в сернокислый свинец (сульфат свинца — PbSO 4), а плотность электролита начнет падать. В результате внутри батареи образуется направленное движение ионов и в цепи потечет электрический ток. При заряде аккумулятора происходит обратный процесс — направление тока меняется на противоположное, активные массы восстанавливают свой первоначальный химический состав, а плотность электролита растет. Процесс этот, называемый циклом, может быть многократным. Количество запасаемой при этом электрической энергии зависит от площади активного взаимодействия электродов и электролита и его объема. Номинальное напряжение, вырабатываемое таким аккумулятором, составляет 2 вольта. Для получения большего значения напряжения одиночные аккумуляторы соединяют последовательно. Например: 12-ти вольтовый аккумулятор состоит из шести аккумуляторов, последовательно соединенных в общем корпусе.
По конструкции свинцово-кислотные аккумуляторы бывают обслуживаемые и необслуживаемые . Обслуживаемые требуют в процессе эксплуатации определенного ухода (контроля уровня и плотности электролита). Необслуживаемые — являются герметичными (точнее, герметизированными), работают в любом положении и не требуют ухода.
В международной интерпретации принято обозначение в виде SEALED LEAD ACID BATTERY (герметичная свинцово-кислотная батарея) или сокращенно SLA, а также VRLA — Valve Regulated Lead Acid (свинцово-кислотные с регулируемым клапаном) батареи, имеющие сернокислый электролит в виде геля или связанная в стекловолокне (AGM). Такие аккумуляторные батареи имеют более высокие электрические и эксплуатационные параметры.
Применение такие батареи находят в качестве резервных источников
в системах сигнализации и охраны и медицинском оборудовании. Однако самое широкое применение они имеют в (ИБП), а также в системах автономного электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии.
Есть следующие основные типы свинцовых аккумуляторных батарей, которые можно применять в системах автономного электроснабжения:
Ниже приведена более подробная информация по герметизированным аккумуляторам.
Аккумуляторные батареи с технологией AGM
Такие АБ имеют большую, по сравнению со стартерными батареями, толщину пластин электродов, поэтому срок их службы в режиме длительного разряда намного превышает срок работы стартерных батарей.
AGM аккумуляторы обычно используются в резервных системах электроснабжения , т.е. там, где батареи в основном находятся на подзаряде, и иногда, во время перебоев в электроснабжении, отдают запасенную энергию.
Тем не менее, в последнее время появились AGM батареи, которые рассчитаны на более глубокие разряды и цикличные режимы работы. Конечно, они не «дотягивают» до гелевых, но работают удовлетворительно и с автономных системах электроснабжения, в т.ч. и солнечных. Смотрите . AGM аккумуляторы обычно имеют максимальный разрешенный ток заряда 0,3С, и конечное напряжение заряда 14,8-15В. Для их заряда лучше применять специальные зарядные устройства для герметизированных аккумуляторов .
Гелевые аккумуляторные батареи
Для автономных систем электроснабжения нужно выбирать аккумуляторы «глубокого разряда» (например ProSolar серий D или DG , а еще лучше аккумуляторы OPzV). Если можно выделить специальное помещение для аккумуляторов с соблюдение всех условий (вентиляция, пожаробезопасность) и есть обученный персонал, которые может обслуживать аккумуляторы с жидким электролитом, можно применять аккумуляторы глубокого разряда с жидким электролитом — OPzS , тяговые для электрических машин или другие с повышенным допустимым разрядом (например, Rolls).
Если такие условия не выполняются, лучше остановиться на герметичных аккумуляторах — они немного дороже, но гораздо проще в эксплуатации.
Продолжить чтение
Какой тип аккумулятора выбрать - AGM, гелевый или с жидким электролитом? Определяющими факторами при выборе аккумуляторных батарей для вашей системы являются цена, условия, при которых будет работать батарея (температура, условия обслуживания, наличие специального помещения и т.п.), а также ожидаемый срок…
Технологии аккумулирования энергии в системах автономного электроснабжения По материалам сайта:modernoutpost.com В этой заметке содержатся общие советы по выбору аккумуляторов для систем с возобновляемыми источниками энергии. В заметке затронуты 3 основные технологии: литий-ионные, никель-металл-гидридные и свинцово-кислотные (AGM, или Gel). Мы постараемся…
Аккумулятор после разряда может повторно заряжаться от нескольких десятков до нескольких тысяч раз, в зависимости от конкретного типа. Наиболее распространенным является свинцовый кислотный аккумулятор , принцип устройства которого представлен на рис. 1.
Рис. 1. Принцип устройства свинцового аккумулятора и электрохимическая схема разрядного процесса
В заряженном состоянии анод (отрицательный электрод) такого аккумулятора состоит из свинца, а катод (положительный электрод) – из двуокиси свинца PbO2 . Оба электрода изготовлены пористыми, чтобы площадь их соприкосновения с электролитом была как можно больше. Конструктивное исполнение электродов зависит от назначения и емкости аккумулятора и может быть весьма разнообразным.
Химические реакции при заряде и разряде аккумулятора представляются формулой
Для заряда аккумулятора теоретически требуется удельная энергия 167 Wh/kg. Этим же числом выражается, следовательно, и теоретический его предел удельной аккумулирующей способности. Однако фактическая аккумулирующая способность намного меньше, вследствие чего из аккумулятора при разряде обычно получается электрическая энергия приблизительно 30 Wh/kg. Факторы, обусловливающие снижение аккумулирующей способности, наглядно представлены на рис. 2. Кпд аккумулятора (отношение энергии, получаемой при разряде, к энергии, расходуемой при заряде) обычно находится в пределах от 70 % до 80 %.
Рис. 2. Теоретическая и фактическая удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора
Различными специальными мерами (повышением концентрации кислоты до 39 %, использованием пластмассовых конструкционных частей и медных соединительных частей и др.) в последнее время удалось повысить удельную аккумулирующую способность до 40 Wh/kg и даже немногим выше.
Следует отметить, что еще в 1980-е годы примененялись открытые стационарные аккумуляторные батареи, удельная аккумулирующая способность которых находилась в пределах от 5 Wh/kg до 10 Wh/kg.
Из вышеприведенных данных вытекает, что удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора (а также, как будет показано в дальнейшем, и других типов аккумуляторов) существенно ниже, чем первичных гальванических элементов. Однако этот недостаток обычно компенсируется возможностью многократного заряда и, как результат, приблизительно десятикратным снижением стоимости получаемой из аккумулятора электроэнергии, возможностью составлять аккумуляторные батареи с очень большой энергоемкостью (при необходимости, например, до 100 MWh).
Зависит от плотности электролита и может определяться экспериментальной формулой
Согласно этой формуле, начальная ЭДС аккумулятора, в зависимости от конкретного типа, находится в пределах от 2,05 V до 2,10 V. Напряжение на зажимах аккумулятора может в конце разряда снизиться до 1,7 V, а в конце заряда повыситься до 2,6 V (рис. 3).
Рис. 3. Изменение напряжения свинцового аккумулятора в некоторых возможных процессах заряда и разряда
Каждый цикл заряда-разряда сопровождается некоторыми необратимыми процессами на электродах, в том числе медленным накапливанием невосстанавливающегося сернокислого свинца в массе электродов. По этой причине через определенное число (обычно приблизительно 1000) циклов аккумулятор теряет способность нормально заряжаться. Это может случиться и при длительном неиспользовании аккумулятора, так как электрохимический разрядный процесс (медленный саморазряд) протекает в аккумуляторе и тогда, когда он не соединен с внешней электрической цепью. Свинцовый аккумулятор теряет из-за саморазряда обычно от 0,5 % до 1 % своего заряда в сутки. Для компенсации этого процесса в электроустановках используется постоянный подзаряд при достаточно стабильном напряжении (в зависимости от типа аккумулятора, при напряжении от 2,15 V до 2,20 V).
Другим необратимым процессом является электролиз воды («закипание» аккумулятора), возникающий в конце зарядного процесса. Потерю воды легко компенсировать путем доливки, но выделяющийся водород может вместе с воздухом привести к образованию взрывоопасной смеси в аккумуляторном помещении или отсеке. Во избежание опасности врыва должна предусматриваться соответствующая надежная вентиляция.
В последние 20 лет появились герметически закрытые свинцовые аккумуляторы, в которых применяется не жидкий, а желеобразный электролит. Такие аккумуляторы могут устанавливаться в любом положении, а кроме того, учитывая, что во время заряда они не выделяют водорода, могут размещаться в любых помещениях.
Кроме свинцовых выпускается более 50 видов аккумуляторов, основанных на различных электрохимических системах. В энергоустановках довольно часто находят применение щелочные (с электролитом в виде раствора гидроокиси калия KOH) никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы, ЭДС которых находится в пределах от 1,35 V до 1,45 V, а удельная аккумулирующая способность – в пределах от 15 Wh/kg до 45 Wh/kg. Они менее чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды и менее требовательны к условиям эксплуатации. Они обладают также бoльшим сроком службы (обычно от 1000 до 4000 циклов заряда-разряда), но их напряжение изменяется во время разряда в более широких пределах, чем у свинцовых аккумуляторов, и кпд у них несколько ниже (от 50 % до 70 %).
В энергосистемах встречаются весьма мощные свинцовые и никель-кадмиевые аккумуляторные батареи, используемые в качестве резервных источников электропитания или для выравнивания электрических нагрузок. Самая крупная такая батарея была принята в эксплуатацию в 2003 году в Фэрбенксе (Fairbanks, Аляска, США); она состоит из 13 760 никель-кадмиевых элементов и присоединена через инвертор и трансформатор к сети напряжением 138 kV. Номинальное напряжение батареи составляет 5230 V и энергоемкость 9 MWh; срок службы элементов – от 20 до 30 лет. 99 % времени она работает в качестве компенсатора реактивной мощности, но может при необходимости в течение трех минут отдавать в сеть мощность в 46 MW (или в течение 15 min мощность 27 MW). Общая масса батареи составляет 1500 t, а ее изготовление обошлось в 35 млн. долларов. Имеются аккумуляторные батареи даже большей аккумулирующей способности; одна такая батарея (энергоемкостью 60 MWh) установлена в качестве резервного источника питания в Калифорнии (California, США) и может отдавать в сеть в течение 6 часов мощность 6 MW. =Аккумуляторные батареи с самого начала (со второй половины 19-го века) пытались использовать в средствах передвижения, так как питаемый от аккумулятора электропривод обладает, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, многими преимуществами. К ним относятся, например, намного более простая и компактная конструкция тягового двигателя (или двигателей), возможность использовать многодвигательные приводы (снабжая, например, каждое колесо отдельным двигателем), высокий кпд привода (от 80 % до 90 %), плавное регулирование скорости во всем требуемом диапазоне регулирования без применения редуктора (коробки скоростей), отсутствие специальной пусковой системы (аккумулятора и стартера), возможность аккумулировать энергию, освобождающуюся при торможении, более простые возможности использования автоматических систем управления и регулирования (в том числе беспроводных систем), более высокая надежность привода, меньшая потребность в обслуживании и больший срок службы, более безопасная эксплуатация (благодаря отсутствию огне- и взрывоопасного моторного топлива), отсутвие выхлопных газов и других выбросов, вредно действующих на окружающую среду, отсутствие дополнительных источников энергии (например, генераторов), малошумность.
Применение свинцовых аккумуляторов в средствах передвижения (в автомобилях, на лодках, на поездах и др.) затруднено из-за их относительно большой массы, превышаюшей обычно массу двигателей внутреннего сгорания, а в случае приемлемой массы – слишком малым пробегом после заряда (обычно приблизительно 100 km). Поэтому для электромобилей и для других электрических средств передвижения предложены различные аккумуляторы с большей удельной аккумулирующей способностью.