Аккумулирование электрической энергии

Типы аккумуляторов электрической энергии

Аккумуляторы являются неотъемлемой частью любой системы, ориентированной на получение альтернативных видов энергии.

Наибольшее распространение к настоящему времени получили электрохимические аккумуляторы электрической энергии, в которых преобразование химической энергии в электрическую при разряде аккумулятора происходит посредством химической реакции. При зарядке аккумулятора химическая реакция протекает в обратном направлении.

Кроме электрохимических аккумуляторов электроэнергию можно запасать в конденсаторах и соленоидах (катушках индуктивности).

В заряженном конденсаторе энергия хранится в виде энергии электрического поля диэлектрика. Ввиду того что удельная энергия, запасаемая конденсатором, очень невелика (практически от 10 до 400 Дж/кг), а длительность возможного хранения энергии вследствие имеющейся ее утечки небольшая, этот тип аккумулятора энергии применяется только в тех случаях, когда надо отдать электроэнергию потребителю за очень короткое время при кратком сроке ее хранения.

В соленоиде электрическая энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля. Поэтому этот тип накопителя именуется электромагнитным. Но время выдачи энергии электромагнитными аккумуляторами обычно измеряется даже не секундами, а долями секунды.

Для зарядки аккумулятора нужен внешний источник энергии, причем в процессе зарядки могут возникать потери энергии. После зарядки аккумулятор может оставаться в состоянии готовности (в заряженном состоянии), но и в этом состоянии часть энергии может теряться из-за произвольного рассеяния, утечки, саморазряда или других подобных явлений. При отдаче энергии из аккумулятора также могут возникать ее потери; кроме того, иногда невозможно получить обратно всю аккумулированную энергию. Некоторые аккумуляторы устроены так, что в них должна оставаться некоторая остаточная энергия.

Характеристики аккумуляторов

Основной характеристикой аккумулятора является его электрическая ёмкость. Единицей измерения этой ёмкости является ампер-час (А·ч) — внесистемная единица измерения электрического заряда.

Исходя из физического смысла, 1 ампер-час — это электрический заряд, который проходит через поперечное сечение проводника в течение одного часа при наличии в нём тока силой в 1 ампер. Теоретически заряженный аккумулятор с заявленной ёмкостью в 1 А·ч способен обеспечить силу тока 1 ампер в течение одного часа (или, например, 0,1 А в течение 10 часов, или 10 А в течение 0,1 часа).

На практике же емкость аккумулятора рассчитывают исходя из 20-часового цикла разряда до конечного напряжения, которое для автомобильных аккумуляторов составляет 10,8 В. Например, надпись на маркировке аккумулятора «55 А·ч» означает, что он способен выдавать ток 2,75 ампер на протяжении 20 часов, и при этом напряжение на клеммах не опустится ниже 10,8 В.

Слишком большой ток разряда аккумулятора приводит к менее эффективной отдаче электроэнергии, что нелинейно уменьшает время его работы с таким током и может приводить к перегреву.

Производители аккумуляторов иногда в качестве емкости указывают в технических характеристиках запасаемую энергию в Вт·ч. Поскольку 1 Вт = 1 А * 1 В, то если запасаемая энергия равна 720 Вт·ч мы можем поделить это значение на величину напряжения (скажем 12 В) и получим емкость в ампер-часах (в нашем примере 720 Вт·ч / 12 В = 60 А·ч.).

Свинцово-кислотные аккумуляторы

В заряженном состоянии анод (отрицательный электрод) такого аккумулятора состоит из свинца, а катод (положительный электрод) — из двуокиси свинца РbO2 . 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

РbO2 + Рb + 2Н2SO4 <—> 2РbSO4 + Н2О

Для заряда аккумулятора теоретически требуется удельная энергия 167 Вт/кг. 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 Вт/кг. Факторы, обусловливающие снижение аккумулирующей способности, наглядно представлены на рис. 1. Кпд аккумулятора (отношение энергии, получаемой при разряде, к энергии, расходуемой при заряде) обычно находится в пределах от 70 % до 80 %.

Рис.1. 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 Вт•ч/кг и даже немногим выше.

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 МВт•ч).

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 В до 2,20 В).

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 взрыва должна предусматриваться соответствующая надежная вентиляция.

Другие типы аккумуляторов

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 КОН) никель-железные и никель-кадмиевые аккумуляторы, ЭДС которых находится в пределах от 1,35 В до 1,45 В, а удельная аккумулирующая способность — в пределах от 15 Вт•ч/кг до 45 Вт•ч/кг. Они менее чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды и менее требовательны к условиям эксплуатации. Они обладают также большим 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 литий-ионных аккумуляторах анод состоит из углерода, содержащего в заряженном состоянии карбид лития Li_хC₆, а катод — из окиси лития и кобальта Li_1-хCoO₂. В качестве электролита применяются твердые соли лития (LiPF₆, LiBF₄, LiClO₄ или другие), растворенные в жидком органическом растворителе (например, в эфире). К электролиту обычно добавляют сгуститель (например, кремнийорганические соединения), благодаря чему он приобретает желеобразный вид. Электрохимические реакции при разряде и заряде заключаются в переходе ионов лития с одного электрода на другой и протекают по формуле

Li_xC₆ + Li_1-xCoO₂ <—> C₆ + LiCoO₂

По внешней форме элементы литий-ионных аккумуляторов могут быть плоскими (похожими на четырехугольные пластины) или цилиндрическими (с рулонными электродами). Выпускаются также аккумуляторы, в которых применяются другие материалы анода и катода. Одним из важных направлений развития является разработка быстрозаряжаемых аккумуляторов.

Существует много других видов аккумуляторов (всего около 100). Например, в системах электроснабжения самолетов, где масса оборудования должна быть как можно меньше, находят применение серебряно-цинковые аккумуляторы с удельной аккумулирующей способностью, в среднем, 100 Вт•ч/кг. Наивысшую ЭДС (6,1 В) и наибольшую удельную аккумулирующую способность (6270 Вт•ч/кг) имеют фторо-литиевые аккумуляторы, серийного производства которых, однако, еще нет.

Первичные гальванические элементы хорошо подходят для работы в длительном режиме, а аккумуляторы могут использоваться как для длительной работы, так и для покрытия кратковременных и толчковых нагрузок. Конденсаторы и катушки индуктивности используются, главным образом, для покрытия импульсных нагрузок и для выравнивания мощности при быстрых изменениях нагрузок. Для выравнивания мощности, отдаваемой в энергосистему ветряными и солнечными электростанциями, могут применяться комбинации аккумуляторов с ультраконденсаторами.

Область применения некоторых аккумулирующих устройств по длительности нагрузки и по отдаваемой мощности характеризует рис. 2.

Рис.2.