- ХІМІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ
- ПЕРВИННІ ЕХГ
- Сухий елемент Лекланше.
- Лужний марганцевокислого цинковий сухий елемент.
- Цінкхлорідний сухий елемент.
- Кнопкові батарейки.
- Багатоелементні ЕХГ.
- ВТОРИННІ ЕХГ
- Свинцевий акумулятор.
- Залізо-нікелевий акумулятор.
- Нікель-кадмієвий акумулятор.
- Інші акумуляторні ЕХГ.
- високотемпературні акумулятори
- Полімерні акумулятори.
- Паливні елементи.
- СОНЯЧНІ БАТАРЕЇ
- Ядерні ДЖЕРЕЛА СТРУМУ
Батарея електроживлення, автономне джерело постійного струму, не пов'язаний з машинним електрогенератором. Являє собою перетворювач енергії у вигляді одного або декількох елементів живлення, який не має рухомих частин. Батареї електроживлення перетворять в електрику хімічну, сонячну або ядерну енергію.
Батарея електроживлення - зручний переносний джерело електроенергії. Тому коло її можливих застосувань практично не обмежений. Батареї електроживлення використовуються в якості джерел живлення для електросхем в автомобілях, двигунів електрокарів і електронавантажувачів. Вони служать джерелами живлення для контрольно-вимірювальної апаратури, телеметричних та інших систем штучних супутників Землі, міжпланетних космічних станцій, багаторазових повітряно-космічних апаратів. У своєму повсякденному житті ми користуємося батареями електроживлення в аудіо- і відеоапаратури, такий, як портативні радіоприймачі і телевізори, в електродриль і електропили, фотоапаратах і кінокамер, електробритвах, іграшках, слухових апаратах, електронному годиннику, калькуляторах та іншому обладнанні.
Основні характеристики батареї електроживлення - електрорушійна сила (ЕРС), гранична сила струму і ємність в ампер-годинах. ЕРС одного елемента батареї становить бл. 1,5 В. Щоб отримати більш високу напругу (до декількох сотень вольт), потрібне число елементів з'єднують послідовно. Ємність батареї електроживлення в ампер-годинах дорівнює добутку граничного струму на тривалість розрядки. Наприклад, якщо батарея може давати струм силою 3 А протягом 20 год, то її ємність дорівнює 60 А Ч ч.
ХІМІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ
Хімічні джерела струму (електрохімічні генератори, ЕХГ) перетворюють енергію хімічної реакції в електричну. Реакція протікає зі споживанням активних матеріалів всередині елемента. Коли такі матеріали витрачаються повністю, ЕХГ втрачає здатність давати електричний струм. Хімічні джерела струму діляться на первинні і вторинні. Первинні джерела не перезаряджаються, тобто витрачені активні матеріали в них не можуть бути регенеровані або замінені, і батарею електроживлення доводиться викидати. Вторинна (акумуляторна) батарея може бути перезаряджаючи. Витрачені активні матеріали в ній можуть бути регенеровані, і така батарея електроживлення допускає багаторазове повторне використання. Паливний елемент (див. Нижче) теоретично має необмежений термін служби, оскільки в ньому поповнюється витрачений активний матеріал (паливо), а продукти реакції виводяться.
До Другої світової війни первинні ЕХГ використовувалися зазвичай в тих випадках, коли були потрібні джерела струму малої потужності, а вторинні - при великій споживаної потужності. В даний час в розпорядженні конструктора переносного електрообладнання є широкий спектр первинних і вторинних джерел струму. Див. Також ЕНЕРГЕТИЧНІ РЕСУРСИ; Паливний ЕЛЕМЕНТ.
У всякому ЕХГ є два електроди (позитивний і негативний) і хімічна речовина, зване електролітом, в яке занурені ці електроди. В ЕХГ з наливними елементами використовується рідкий електроліт, а в т. Зв. сухих ЕХГ - пастоподібний. В ЕХГ обох типів має бути достатньо рідини для протікання хімічної реакції.
ПЕРВИННІ ЕХГ
Стаканчиковий елементи.
Стаканчиковий елементи, назва яких говорить про їх конструкції, застосовуються головним чином в кишенькових ліхтарях і радіоприймачах.
Сухий елемент Лекланше.
Більшість первинних ЕХГ, що випускаються в даний час промисловістю, відносяться до сухих батарей електроживлення. Близько 25% сухих батарей виконані на основі марганцево-цинкового елемента Лекланше - одного з перших наливних елементів. У сухому елементі Лекланше є графітовий позитивний електрод, оточений електролітом у вигляді суміші діоксиду марганцю, графітового порошку, хлориду амонію, хлориду цинку і води. Ця суміш служить також деполярізуется агентом, що запобігає утворенню газоподібного водню всередині елемента. Якщо не запобігти утворенню водню, то під тиском газу батарейка роздувається, в результаті чого порушується її герметичність і з неї випливає електроліт. Електроліт і графітовий електрод знаходяться в тонкостінному цинковій стаканчику, який, виконуючи функції захисного корпусу, служить також негативним електродом батарейки.
В елементі Лекланше електрика виробляється за рахунок хімічної взаємодії електроліту з цинковим електродом. При підключенні до затискачів батарейки зовнішнього навантаження, скажімо лампочки кишенькового ліхтарика, через лампочку починає проходити струм від цинкового електрода до графітовому. Струм не припиняється, поки не розчиниться майже весь цинк. Після цього батарейка втрачає працездатність, і її необхідно замінити.
Лужний марганцевокислого цинковий сухий елемент.
Лужний марганцевокислого цинковий сухий елемент відрізняється від сухого елемента Лекланше головним чином тим, що в ньому в якості електроліту використовується високоактивна луг КОН (гідроксид калію, їдкий калій). У лужному елементі приблизно вдвічі більше активних речовин, ніж в елементі Лекланше, і він дуже підходить для багатьох пристроїв з порівняно великою споживаною потужністю, таких, як лампи-спалахи фотоапаратів, обертальні електроприводи і потужні стереофонічні звукові системи. Лужні елементи застосовуються приблизно в 50% побутової електронної апаратури.
Цінкхлорідний сухий елемент.
Цінкхлорідние батарейки в даний час приблизно на 25% задовольняють потребу в джерелах струму для жорстких і наджорстких умов експлуатації. Вони мають такі ж характеристики, як і у елементів Лекланше, але їх ємність на ~ 40% більше. Крім того, ймовірність протікання в них набагато менше. За принцип роботи даного продукту і вартості цінкхлорідние батарейки мало відрізняються від лужних і дуже добре підходять для ламп-спалахів і радіоприймачів.
Кнопкові батарейки.
У зв'язку з великим попитом на мініатюрні джерела струму були розроблені кнопкові (таблеткові) ЕХГ. Діаметр такої батарейки складає 6-25 мм, товщина - від 1,5 до 12 мм. Термін служби кнопкових батарейок нерідко більше, ніж у звичайних стаканчиковий.
Багатоелементні ЕХГ.
І стаканчиковий, і кнопкові елементи використовуються в багатоелементних ЕХГ. Такі батареї електроживлення зазвичай мають квадратну або прямокутну форму в плані. З плоских «галетних» елементів легко складаються пакети. У багатоелементних сухих ЕХГ найчастіше застосовуються первинні елементи Лекланше, цінкхлорідние і лужні первинні елементи.
ВТОРИННІ ЕХГ
Вторинні ЕХГ (електричні акумулятори) перезаряджаються пропусканням постійного струму в напрямку, протилежному напрямку струму в режимі розрядки. При цьому активні сполуки в елементі відновлюються в результаті зворотного хімічної реакції.
Свинцевий акумулятор.
Свинцевий акумулятор - найпоширеніший в даний час. Його позитивним електродом служить свинцева решітка з осередками, заповненими пастоподібною пероксидом (перекисом) свинцю PbO2. Негативний електрод, тієї ж форми, трохи тонше, а його осередки заповнені пастою з губчатого свинцю. Кожен елемент містить багато таких пластин обох видів. Групи чергуються електродних пластин розділені ізолюючими перегородками з дерева, скла, пластмаси або гуми. Вся збірка, занурена в електроліт (розбавлений розчин сірчаної кислоти), являє собою один гальванічний елемент. З кількох елементів, з'єднаних послідовно, складається батарея. ЕРС одного елемента дорівнює 2 В. Стан свинцевого акумулятора оцінюється шляхом вимірювання відносної щільності електроліту. Безпосередньо після зарядки вона становить приблизно 1,26, а в міру розрядки знижується майже до 1,0 (це пояснюється тим, що сірчана кислота утворює хімічну сполуку з матеріалом пластин, даючи в залишку воду).
Свинцева батарея недорога, має досить велику ЕРС і добре зберігає заряд. Вона здатна без пошкодження давати короткочасно великий струм і дуже добре підходить для пуску автомобільних двигунів. Її можна сотні раз перезаряджати без погіршення робочих характеристик. Однак вона приходить в непридатність, якщо її надовго залишають розрядженою.
Залізо-нікелевий акумулятор.
Позитивним електродом такого акумулятора, запропонованого Т. Едісон, служить оксид нікелю, негативним - залізо, електролітом - гідроксид калію. В процесі розрядки оксид нікелю перетворюється в нікель, залізо - в оксид заліза, а електроліт не змінюється. Такий акумулятор легше свинцевого і не пошкоджується при зберіганні в розрядженому стані. Його ЕРС менше, ніж у свинцевого, і кілька знижується в ході розрядки, в середньому складаючи бл. 1,2 В. З урахуванням свого великого терміну служби і порівняно низьких втрат він застосовується головним чином в промисловому обладнанні.
Нікель-кадмієвий акумулятор.
Нікель-кадмієвий акумулятор допускає багатократне перезарядку, зберігає майже постійної ЕРС в процесі розрядки і більш невибагливий, ніж всі інші акумулятори. Він добре працює при знижених температурах і може бути герметизований. Останнє означає, що його можна перевертати догори дном, не боячись пролити електроліт; він не вимагає періодичного додавання води. Такі акумулятори володіють гідністю багаторазової перезарядки.
У зарядженому стані позитивним електродом служить пероксид нікелю, негативним - металевий кадмій. Електроліт - гідроксид калію. Середня ЕРС акумулятора ок. 1,2 В. Нікель-кадмієві акумулятори широко застосовуються в малих переносних побутових електроприладах в тих випадках, коли бажана можливість перезарядки. Як автомобільних вони занадто дорогі.
Інші акумуляторні ЕХГ.
Тут ми скажемо кілька слів про високотемпературних акумуляторах, полімерних акумуляторах і паливних елементах.
високотемпературні акумулятори
працюють при 300-400 ° C; в якості негативного електрода в них зазвичай використовується металевий натрій або літій, в якості позитивного - сірка, хлор або сульфід заліза. Вони відрізняються високою щільністю потужності і енергії (в 2-4 рази більше, ніж в свинцевих акумуляторах) і, в перспективі, низькою вартістю. Їх широко впроваджувати перешкоджають значне тепловиділення і корозія.
Полімерні акумулятори.
В якості можливого матеріалу для електродів акумуляторів досліджуються такі недорогі і легкі електропровідні полімери, як поліацетилен і поліанілін. Перезаряджаються БЕ з провідними пластмасовими електродами у відповідному електроліті зможуть, мабуть, успішно конкурувати як зі свинцевими, так і з нікель-кадмієвих акумуляторами.
Паливні елементи.
Паливні елементи відрізняються від інших ЕХГ в двох важливих відносинах. По-перше, вони можуть працювати в безперервному режимі без простоїв для перезарядки, так як їх активний матеріал підводиться з зовнішнього джерела. По-друге, їх електроліт в процесі роботи не змінюється. Паливні елементи в принципі більш економічні і дешеві, ніж інші ЕХГ, так як їх активний матеріал являє собою звичайне паливо, а не метал особливої очищення. Їх теоретичний ККД близький до 100%.
Паливні елементи очікує ряд застосувань, в яких важливі їх малі розміри і висока економічність. Вони можуть використовуватися як автономні джерела струму для автомобілів і катерів, електрогенератори для індивідуальних домашніх господарств, переносні силові блоки для інструментів та іншого обладнання.
У паливних елементах одного з найбільш перспективних типів як паливо використовується газоподібний водень, як окислювач - кисень, а електролітом служить гідроксид калію. Водень і кисень вводяться в елемент через пористі трубчасті електроди і вступають в реакцію окислення, утворюючи воду. З електродів знімається виникає при цьому напруга. Досліджуються можливості роботи паливних елементів на ще більш дешевих енергоносіях, таких, як бензин і природний газ. Див. Також паливний ЕЛЕМЕНТ.
СОНЯЧНІ БАТАРЕЇ
Сонячні (фотоелектричні) батареї перетворять сонячну енергію в електричну. За своїм принципом дії вони, загалом, аналогічні транзистору. Зазвичай їх виготовляють з напівпровідникового кремнію, легованого невеликими добавками таких домішок, як миш'як і бор. Типові розміри сонячних елементів 20 ґ 10 ґ 0,4 мм. Сонячний елементарний джерело струму можна представити у вигляді двох складених тонких листків, з'єднаних між собою так, що утворюється pn- перехід. В одному листку домішковими є атоми бору, в іншому - миш'яку. При висвітленні елемента між двома шарами кремнію, як між електродами звичайної батареї електроживлення, виникає ЕРС. Але в кремнієвої сонячної батареї ЕРС існує, поки на неї падає сонячне світло. Коли вона виробляє електричний струм, в ній не відбувається ніяких хімічних перетворень. Тому її термін служби не обмежений. Деякі сонячні батареї перетворять в електроенергію ок. 1/7 енергії сонячного світла. Див. Також ТРАНЗИСТОР.
Ядерні ДЖЕРЕЛА СТРУМУ
У ядерному реакторі атомної електростанції за рахунок енергії ядерного палива виділяється тепло, яке використовується для отримання пари, що приводить в дію електрогенератор. Ядерний ж джерело струму перетворює ядерну енергію безпосередньо в електричну.
Ядерна батарея електроживлення складається з радіоактивного джерела, що випускає електрони з велику кінетичну енергію, колектора, який збирає ці електрони, і ізолятора, крізь який електрони проходять на шляху до колектора. Затискачі, передбачені на колекторі і радіоактивному джерелі, служать зовнішніми висновками батареї.
Накопичуючись на колекторному електроді, негативно заряджені електрони заряджають і його. Оскільки електрони йдуть з електрода радіоактивного джерела, на ньому залишається позитивний заряд. В результаті між двома електродами виникає ЕРС. Якщо до двох затискання приєднати провід, то по ньому піде струм від колектора до радіоактивного джерела, так само, як і в разі ЕХГ.
Ядерні батареї електроживлення відрізняються дуже великими ЕРС, які можна знижувати за допомогою електросхем ділення напруги. Такі генератори струму застосовуються на штучних супутниках Землі і міжпланетних станціях, а також у важкодоступних точках на Землі для харчування наукової апаратури, тривалий час працює автоматично.
Таблиця 1. СЕРЕДНІЙ ТЕРМІН СЛУЖБИ стаканчиковий ЕХГ Таблиця 1. СЕРЕДНІЙ ТЕРМІН СЛУЖБИ стаканчиковий ЕХГ Тип Застосування Особливості кишеньковий ліхтар, хв радіоприймач, ч Лекланше 250 85 Для нормальних умов роботи Цінкхлорідний 730 135 Для жорстких і наджорстких умов роботи марганцево-цинковий 1500 250 Лужний Таблиця 2 . батарейку РІЗНИХ ТИПІВ Таблиця 2. батарейку РІЗНИХ ТИПІВ Тип Робоча напруга, В Відносна ЕРС (% ЕРС лужного елемента) Лужний 1,2 100 Ртутний 1,25 250 Срібний AgO 1,45 250 Срібний Ag2O 1,45 180 Цинково-повітряний 1,25 400-600 Літієвий 1,5-3,5 200-400