МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Энергетический факультет

Кафедра «Электрические станции»

НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА СТУДЕНТА

«АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ»

Студент группы 106110                                                      А. А. Кочеев

Руководитель                                                                       П. И. Климкович

Минск 2012

РЕФЕРАТ

Работа 18 с., 1 рис., 3 источника.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АККУМУЛЯТОР, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, СРОК СЛУЖБЫ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ, УСТРОЙСТВО

Объектом исследования являются: аккумуляторные батареи.

Цель работы: изучить области применения аккумуляторных батарей в энергетике.

В работе исследованы различные типы аккумуляторных батарей, их область применения, принцип работы и устройство. Также в работе исследован электрический аккумулятор и его принцип действия.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ. 4

1 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АККУМУЛЯТОР. 5

1.1 Принцип действия. 5

1.2 Характеристики аккумулятора. 5

2 АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ.. 7

2.1 Принцип работы аккумуляторной батареи. 7

2.2 Устройство аккумуляторной батареи. 8

3 АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ В ЭНЕРГЕТИКЕ. 10

3.1 Области применения. 10

3.2 Срок службы.. 11

4 АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ В СИСТЕМЕ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.. 12

5 АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ В СИСТЕМЕ РЕЗЕРВНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.. 14

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 16

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 18

ВВЕДЕНИЕ

Электрический аккумулятор – химический источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования.

1 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АККУМУЛЯТОР

1.1 Принцип действия

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде.

Несколько аккумуляторов, объединенных в одну электрическую цепь, составляют аккумуляторную батарею.

1.2 Характеристики аккумулятора

Максимально возможный полезный заряд аккумулятора называется зарядной ёмкостью, или просто емкостью. Емкость аккумулятора – это заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ емкость аккумуляторов измеряют в кулонах.

Реже на аккумуляторах указывается энергетическая ёмкость – энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ она измеряется в джоулях.

Электрические и эксплуатационные характеристики аккумулятора зависят от материала электродов и состава электролита. Сейчас наиболее распространены следующие аккумуляторы: свинцовые, никелевые, кадмиевые, полимерные.

По мере исчерпания химической энергии напряжение и ток падают, аккумулятор перестаёт действовать. Зарядить аккумулятор (батарею аккумуляторов) можно от любого источника постоянного тока с большим напряжением при ограничении тока. Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эксплуатации, например никелевые аккумуляторы чувствительны к перезаряду, литиевые – к переразряду, напряжению и температуре. Кадмиевые аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении емкости, в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд, даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применяться капельная подзарядка.

2 АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ

2.1 Принцип работы аккумуляторной батареи

Батарея – группа соединенных источников электрического тока.

В электротехнике источники электроэнергии (гальванические элементы, аккумулятор), термоэлементы или фотоэлементы соединяют в батарею, чтобы получить напряжение (последовательное соединение), силу тока или емкость (параллельное соединение) источника большие, чем может дать один элемент.

Аккумуляторная батарея имеет, как правило, защитный корпус с контактами для подсоединения к зарядному устройству и потребляющей цепи. Аккумуляторная батарея может иметь также вспомогательные устройства, обеспечивающие эффективность и безопасность ее эксплуатации: термодатчики, электронные устройства защиты как аккумуляторов, входящих в состав батареи, так и батареи в целом. Аккумуляторная батарея служит источником постоянного тока.

Чаще всего аккумуляторы в батарее соединяются последовательно. Напряжение отдельного аккумулятора определяется материалом его электродов и составом электролита и не может быть изменено, а последовательное объединение нескольких аккумуляторов повышает выходное электрическое напряжение батареи. Примером аккумуляторной батареи с последовательным соединением аккумуляторов является практически любой автомобильный аккумулятор.

Параллельное объединение аккумуляторов в батарее увеличивает общую емкость батареи и снижает ее внутреннее сопротивление. Параллельное соединение требует усложнения внутренней электронной схемы управления, связанное с необходимостью раздельной зарядки каждого отдельного аккумулятора и их коммутацией, и в этой связи пока не нашло широкого распространения.

Прародителем аккумуляторной батареи можно считать вольтов столб, состоящий из последовательно соединенных гальванических элементов (которые аккумуляторами не являлись).

Батареей часто не совсем верно называют одиночные гальванические элементы, которые обычно в устройствах соединяются в батарею для получения необходимого напряжения.

Батареей может называться и цепь, содержащая только пассивные элементы: резисторы (для увеличения рассеиваемой мощности или изменения сопротивления), конденсаторы (для увеличения емкости или увеличения рабочего напряжения).

2.2 Устройство аккумуляторной батареи

В окислительно-восстановительных аккумуляторных батареях с циркуляцией электролита, например, полисульфидно-бромидная и ванадий-окислительно-восстановительная батареи, электроактивные компоненты растворяются в электролите, а катодная и анодная жидкости разделены между собой катион-обменной мембраной.

С другой стороны, гибридные аккумуляторные батареи с циркуляцией электролита, такие как цинк-бромные, имеют один или более электроактивных компонентов, образующих твердый слой. Емкость накопления энергии пропорциональна объему внешнего резервуара, в котором накапливается электролит. Подобным образом мощность связана с размером реактора. Это является главным преимуществом таких батарей. С другой стороны, энергия гибридной аккумуляторной батареи с циркуляцией электролита ограничивается количеством твердого материала, размещенного внутри реактора, объем которого ограничен. Это означает, что возможным представляется только изменение времени разрядки гибридной батареи в диапазоне от минут до часов.

Другой тип аккумуляторных батарей с циркуляцией электролита – это окислительно-восстановительный топливный элемент, имеющий традиционный реактор (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема аккумуляторных батарей с циркуляцией
электролита

Он вырабатывает электричество, но при этом не электроперезаряжаем. В этом случае, процесс перезарядки включает в себя восстановление отрицательного электролита с помощью топлива и окисление положительного электролита с помощью окислителя.

3 АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

3.1 Области применения

Зачастую представляет определенные трудности использовать напрямую энергию, генерируемую солнечными, ветровыми или микрогидроэлектрическими установками. Поэтому электричество обычно сохраняется в специальных аккумуляторных батареях для последующего использования.

Эти батареи очень часто работают по тому же принципу, что и обычные автомобильные стартерные батареи, однако они спроектированы специально для использования в системах автономного электроснабжения. Стартерные батареи рассчитаны на то, чтобы выдавать большие токи (сотни ампер) в течение очень короткого промежутка времени (несколько секунд) для того, чтобы запустить двигатель машины. Они не подходят для использования в системах автономного электроснабжения, потому что рассчитаны на то, чтобы быть постоянно полностью заряженными и срок их службы будет очень маленьким, если эти батареи будут работать в режиме глубокого разряда (то есть, когда большая часть энергии аккумуляторной батареи используется до того, как начнется зарядка).

Специальные батареи для использования в системах автономного электроснабжения часто собираются из отдельных аккумуляторов с напряжением 2 В, соединенных вместе. Аккумуляторная батарея меньшей емкости с напряжением 6 и 12 В также используются. Наиболее распространенным типом аккумуляторной батареи являются свинцово-кислотные, как с жидким электролитом, так и герметичные (в последнее время становятся все более популярными вследствие снижения цены).

Никель-кадмиевые батареи также могут использоваться. Хотя они намного дороже кислотных, зато имеют очень большой срок службы и имеют более стабильное напряжение в процессе разряда.

3.2 Срок службы

Для увеличения срока службы аккумуляторной батареи желательно использовать только малую часть ее емкости до повторной зарядки. Каждый процесс разряда-заряда называется зарядным циклом. Если возможно использовать более 50 % энергии, запасенной в аккумуляторной батарее до ее заряда, такая батарея называется батареей «глубокого разряда».

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи спроектированные для использования в системах автономного электроснабжения имеют срок службы от 300 до 5000 циклов (для никель-кадмиевых до 50000 циклов), при условии, что они разряжаются на 20 % емкости. В системах батарея может разрядиться гораздо сильнее. Для обеспечения длительного срока службы, обычный цикл должен быть менее 20 % емкости аккумуляторной батареи, а глубокий разряд – не более 80 % емкости.

Можно повредить батареи, если перезарядить их. Максимальное напряжение кислотных аккумуляторных батарей должно быть 2,5 В на элемент. Многие фотоэлектрические батареи имеют мягкую нагрузочную характеристику, поэтому при увеличении напряжения ток заряда снижается значительно. Хотя это и хорошо для аккумуляторной батареи, однако следует учитывать, что заряд все-таки идет до напряжения примерно 17 В (для фотоэлектрической батареи с напряжением холостого хода 18 В). Поэтому во многих случаях необходим специальный контроллер заряда. В случае применения ветроэлектрических станций, такие контроллеры обязательны.

4 АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ В СИСТЕМЕ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В простейшем виде автономное электропитание аппаратуры малой мощности можно обеспечить прямым подключением к нагрузке солнечной батареи, термоэлектрического генератора или ветроэлектрической установки, а большой мощности – с помощью прямого подключения к нагрузке дизель или бензогенератора. Недостатком такого электропитания является несогласованность величины и времени поступления электроэнергии от источника к потребителю. Так, например, в отсутствие солнца солнечная батарея перестает работать и радиоприемник замолкает, тоже самое происходит с термоэлектрическим генератором, если источник тепла перестает поддерживать необходимый перепад температур или с ветроэлектрической установкой при скорости ветра ниже 3 метров в секунду.

В автономных системах электроснабжения для сохранения вырабатываемого первичным источником энергии электричества, а также для обеспечения стабильности выходного напряжения при разных режимах эксплуатации, применяются аккумуляторные батареи различных типов.

Более того, многие потребители выходят из строя при скачках питающего напряжения и при выходе напряжения за допустимые пределы (различные электронные устройства, инверторы, компактные люминесцентные лампы и так далее).

Солнечная батарея, например, имеет на выходе сильно меняющееся в широких пределах напряжение. Например, солнечная батарея номинальным напряжением 12 В может иметь на выходе напряжение от 0 до 21 В.

Поэтому аккумулятор, работающий в буферном режиме, просто необходим для фотоэлектрической системы или ветроустановки. Помимо своей основной функции хранить энергию он выполняет также и функцию стабилизации напряжения на нагрузке.

Что касается дизеля или бензогенератора, то в коттедже или в фермерском хозяйстве целесообразно для экономии топлива эксплуатировать его не в непрерывном, а в периодическом режиме работы, и желательно запускать его только днем. Этого можно добиться, добавив к системе электропитания инвертор с зарядным устройством и аккумуляторные батареи, которые будут заряжаться циклически от генератора. При этом жидко-топливный генератор будет работать в режиме, близком к номинальной нагрузке, что повышает его КПД и снижает расход топлива на единицу выработанной электроэнергии.

Избыток электроэнергии, вырабатываемый различными источниками, может запасаться в аккумуляторной батарее на длительное время (десятки дней и даже месяцы), а запасенная электроэнергия в любой момент может быть передана в нагрузку, при этом разрядный ток может многократно превышать ток заряда и обеспечивать питание нагрузки, мощность которой многократно превышает установленную мощность солнечной батареи, термоэлектрического генератора, ветроэлектрической установки и даже дизель или бензогенератора.

5 АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ В СИСТЕМЕ РЕЗЕРВНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В системах резервного электроснабжения блоки бесперебойного питания (в общем случае это инвертор с зарядным устройством и со схемой слежения за наличием сети), аккумуляторы заряжаются при наличии сети, и выдают энергию, когда сеть пропадает. Это очень важно, когда для функционирования систем жизнеобеспечения дома необходима электроэнергия. Например, для питания циркуляционных насосов и электроники котлов в домах с отоплением на газе, солярке или другом источнике (но только не электрическом бойлере). Наличие системы бесперебойного электроснабжения позволить не замерзнуть при авариях в сетях.

Системы с возможностью добавления мощности также требуют применение аккумуляторов. Такие системы позволяют покупать у электрических сетей мощности, соответствующие среднему потреблению в доме, и в то же время питать кратковременно нагрузку мощностью в несколько раз превышающей подключенную мощность сети. Здесь аккумуляторы используются для накопления энергии в периоды низкого электропотребления, и отдачи ее в нагрузку в периоды пикового потребления. За счет применения таких систем можно снизить затраты на подключение в несколько раз.

В таких системах резервного электроснабжения обычно используются герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы. Они имеют большой срок службы в буферном режиме и могут легко отдавать большие токи в течение короткого промежутка времени.

Герметичные аккумуляторные батареи можно хранить и устанавливать в обычных помещениях (для стартерных и других негерметичных батарей необходимо специальное хорошо проветриваемое помещение и поддержание температурного режима, потому что при своей работе они выделяют ядовитые и взрывоопасные газы. Более дорогие аккумуляторы с намазанными пластинами и жидким электролитом намного лучше выдерживают циклические режимы и глубокий разряд. Хотя они значительно дороже, но обеспечивают большую надежность электроснабжения и больший срок службы. Таким аккумуляторам также требуется отдельное, хорошо вентилируемое, помещение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование аккумуляторной батареи в качестве источника оперативного тока обеспечивает электроснабжение вторичных устройств даже при полном исчезновении напряжения переменного тока в обслуживаемой электроустановке. Однако капитальные затраты получаются значительными (за счет высокой стоимости самой батареи и за счет сооружения разветвленной распределительной сети), а эксплуатация усложняется.

Использование аккумуляторной батареи в режиме постоянного подзаряда увеличивает экономичность эксплуатации установки постоянного тока и надежность питания ее потребителей и позволяет устанавливать аккумуляторные батареи несколько меньшей емкости, вследствие того, что батарея всегда находится в заряженном состоянии и готова к питанию потребителей постоянного тока. Существенно увеличивается и срок службы аккумуляторов, так как отпадает необходимость частых зарядов батареи.

Описанный метод использования аккумуляторной батареи с периодическими зарядами и соответствующая схема имеют следующие существенные недостатки. Батарея подвергается частым зарядам, что уменьшает срок службы аккумуляторов.

Следует заметить, что способ использования аккумуляторной батареи как буфера совершенно непригоден при точных фотометрических измерениях. Как уже указывалось, значительное влияние на эффективность использования аккумуляторной батареи и ее состояние оказывают регулируемые параметры реле-регулятора.

Одним из основных параметров системы электрооборудования являются пределы регулируемого напряжения. Это напряжение есть не что иное, как рабочее напряжение системы.

Использование батареи по методу заряд-разряд вызывает необходимость достаточно частых зарядов аккумуляторной батареи (обычно через несколько суток), что приводит к сравнительно быстрому износу пластин, теряющих часть активной массы при каждом заряде. Частые заряды усложняют также эксплуатацию аккумуляторной установки. Поэтому в настоящее время на станциях и подстанциях осуществляют работу аккумуляторных батарей в режиме постоянного подзаряда.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Хрусталев Д. А. Аккумуляторы. – М.: Изумруд, 2003.

2 Каминский Е. А. Практические приемы чтения схем электроустановок. – М.: Энергоатомиздат, 1988 г. – 368 с.

3 Федотов Г. А. Аккумуляторные батареи. – М.: Высшая школа, 2002.