Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания. Учебное пособие.pdf
Условно эту сферу можно разделить на электротехнические и элек-
тронные приборы. Электротехнические приборы имеют сравнительно вы-
сокую мощность, поэтому им требуются ХИТ высокой емкости и мощно-
сти, а также низкой стоимости (если применяются первичные ХИТ). Та-
кими характеристиками обладают марганцево-цинковые (солевые) пер-
вичные ХИТ, свинцовые герметизированные, никель-кадмиевые и литий-
ионные аккумуляторы.
Электронные приборы имеют меньшую мощность, что снижает тре-
бования и к мощности, и в некоторой степени к емкости ХИТ. В приборах
такого типа более важным параметром становится скорость саморазряда,
так как малая энергия, потребляемая прибором, становится соизмеримой
с энергией, потерянной при саморазряде ХИТ. Такими свойствами обла-
дают щелочные и литиевые первичные ХИТ, литий-ионные, никель-
кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы [7].
Среди ХИТ, применяемых на транспорте, можно выделить три ос-
новных вида: стартерные, приборные и тяговые.
Стартерные ХИТ применяются на автомобилях, тепловозах, судах,
самолетах и других машинах для запуска двигателей внутреннего сгора-
ния (ДВС). ХИТ такого типа должен за короткий промежуток времени от-
дать большое количество энергии (т. е. обладать большой мощностью),
а после удачного запуска ДВС он должен достаточно быстро зарядиться
от основного источника энергии (генератора), восполняя потраченную
энергию. Поэтому для стартерных ХИТ мощность является более важным
параметром, чем емкость.
Однако кроме питания стартера и вспомогательных систем для пуска
двигателя они должны обеспечить энергией бортовые системы транспорт-
ного средства, в случае если основной источник энергии (генератор) вый-
дет из строя. При этом если поломка генератора в автомобиле чревата
долгим ожиданием техпомощи на дороге, то такая же поломка в авиа-
транспорте скорее всего приведет к катастрофе. Поэтому емкость стартер-
81
ного ХИТ должна подбираться так, чтобы ее хватило на поддержание пи-
тания бортовых систем в течение времени, достаточного для предотвра-
щения катастрофы.
В качестве стартерных в основном используются свинцовые аккуму-
ляторы, в меньшей степени – никель-кадмиевые. В перспективе в качестве
стартерного источника тока рассматривается возможность применения
литий-ионных (литий-железо фосфатных или литий-титанатных) аккуму-
ляторов.
Приборные ХИТ используются в средствах сигнализации, связи, кон-
троля, автоматики, для освещения, энергообеспечения кондиционеров
и радиостанций. В наиболее жестких условиях работают вагонные и судо-
вые ХИТ: в широком диапазоне температур (–40…+50 °С), при наличии
механических нагрузок и в режиме глубоких разрядов и перезарядов.
В основном для этих целей применяются никель-кадмиевые, никель-
железные и свинцовые аккумуляторы большой емкости. Все большее рас-
пространение в системах управления на железнодорожных электровозах
и тепловозах находят литий-ионные аккумуляторы [7].
Тяговые ХИТ используются в условиях, когда невозможно или неце-
лесообразно применение ДВС (под водой, в шахтах и цехах предприятий).
Кроме того, тяговые ХИТ применяются в качестве резервных на электро-
возах железнодорожного транспорта и метро, на водном транспорте. Они
работают в широком диапазоне нормированных токов (0,1–1С), подвер-
гаются глубоким разрядам и механическим нагрузкам. Для этих целей
применяются в основном никель-железные и свинцовые аккумуляторы
емкостью 40–1200 А·ч. В качестве резервных аккумуляторов на транспор-
те также используются литий-ионные аккумуляторы [7].
Разновидностью тяговых являются ХИТ для электромобилей и дру-
гих видов транспорта с автономным электропитанием. Электромобили со
свинцовыми аккумуляторами в небольших масштабах применяются уже
почти сто лет. Во второй половине XX в. возрос интерес к разработке
82
электромобилей с перспективными аккумуляторами. Энергетические кри-
Дальность
Скорость, км/ч:
средняя
50–60
50–60
50–70
50–90
максимальная
100
90
120
160
Удельная
Удельная
Типы ХИТ,
Свинцовый,
терии применения энергоустановок (ЭУ) зависят от типа электромобиля
(табл. 5).
Как следует из табл. 5, литий-ионный аккумулятор может быть ис-
пользован для всех типов электромобилей. Только для коммунальной тех-
ники с низкой скоростью и коротким пробегом могут применяться свин-
цовые или щелочные аккумуляторы. Кроме энергетических критериев
к аккумуляторам предъявляются и другие требования, такие как эконо-
мичность, безопасность, экологическая совместимость, ресурс, наличие
развитого производства и др.
Таблица 5
Критерии выбора ХИТ для электромобиля
Критерий
пробега, км
энергия ХИТ,
Вт∙ч/кг
мощность ХИТ,
Вт/кг
удовлетворяющих
требованиям
Коммунальный
электромобиль
75–80
40–60
50–60
Ni-Cd, Ni-MH,
Li-ионный
Городской
электробус
100–150
70–140
50–90
Li-ионный Li-ионный Li-ионный
Городское
такси
200–250
70–160
70–150
Легковой
электромобиль
100–400
70–250
100–400
Наиболее дешевым является свинцовый аккумулятор. Согласно [7]
свинцовый аккумулятор при скорости движения 50 км/ч может обеспе-
чить пробег между зарядками не менее 70 км, чего достаточно для комму-
нальных и почтовых электромобилей. Герметизированные свинцовые ак-
83
кумуляторы не требуют ухода, они экологически безопасны, имеют КПД
75 %, сравнительно низкую стоимость, производятся в больших масшта-
бах, утилизируются после использования. Эти достоинства свинцовых ак-
кумуляторов обусловливают применение их на коммунальных, почтовых
и малотоннажных грузовых электромобилях во многих странах мира. Од-
нако малая удельная энергия, высокий саморазряд, относительно невысо-
кий ресурс и длительный заряд ограничивают применение свинцовых ак-
кумуляторов в электромобилях.
Некоторые фирмы разрабатывают никель-кадмиевые (НК) аккумуля-
торы для электромобиля. Они могут обеспечить пробег до 100 км при ско-
рости до 70 км/ч [7]. Кроме того, НК-аккумуляторы имеют высокий ре-
сурс, могут работать при отрицательных температурах. Однако высокая
стоимость (примерно в 10 раз выше стоимости свинцовых) и токсичность
кадмия исключают возможность масштабного применения электромоби-
лей с никель-кадмиевыми аккумуляторами.
Более высокую удельную энергию, чем энергия НК-аккумуляторов,
имеют никель-металлогидридные (НМ) аккумуляторы. Электромобили
с этими аккумуляторами имеют пробег до 140 км при скорости 60 км/ч [7].
НМ-аккумуляторы не содержат токсичного кадмия, их удельная энергия
за последние годы возрастает, а стоимость уменьшается. По большинству
показателей, кроме стоимости и удельной энергии, НМ-аккумуляторы
удовлетворяют требованиям, предъявляемым к АКБ электромобиля, по-
этому они были успешно испытаны на электромобилях различных фирм:
General Motors, Toyota, Hyundai и др. Однако их широкое использование
возможно при снижении стоимости примерно на порядок.
Из выпускаемых электрических перезаряжаемых аккумуляторов
наиболее высокую удельную энергию имеют литий-ионные аккумулято-
ры. Они могут обеспечить пробег без подзарядки до 200 км и более [7].
К настоящему времени несколько фирм Японии, Франции, США и других
стран выпускают электромобили с литий-ионными аккумуляторами.
84
Отдельный класс автотранспорта – гибридные электромобили. Сего-
дня многие автопроизводители разрабатывают и испытывают электромо-
били с гибридными энергоустановками, сочетающими в себе ДВС и акку-
мулятор либо ДВС, аккумулятор и электрохимический конденсатор.
В этом случае основная энергоустановка работает в оптимальном по рас-
ходу топлива режиме и имеет относительно высокий КПД и относительно
невысокие уровни вредных выбросов. Например, фирма Panasonic выпус-
кает для гибридных электромобилей Honda и Toyota батареи из никель-
металлогидридных аккумуляторов емкостью 6,5 А·ч, с напряжением
288 В, удельной энергией 44 Вт·ч/кг и 80 Вт·ч/л, удельной мощностью до
880 Вт/кг и 1600 Вт/л. Фирмы Honda и Toyota также начинают выпускать
гибридные электромобили с литий-ионными аккумуляторами.
В гибридных установках применяются аккумуляторы и конденсато-
ры, имеющие относительно небольшую емкость и вносящие небольшой
вклад в общую массу и стоимость электромобиля. Гибридные установки
легче и дешевле чисто аккумуляторных электромобилей [7].
Исследование космического пространства ведется с помощью искус-
ственных спутников Земли, автоматических и обитаемых научных стан-
ций, пилотируемых космических кораблей и автоматических межпланет-
ных кораблей. К энергетическим установкам для космических исследова-
ний предъявляется требование высокой удельной энергии, так как стои-
мость запуска в космос резко возрастает с увеличением массы полезного
груза. Например, уменьшение массы запускаемого аппарата на 200 кг
приводит к экономии 30 млн долл. США [8]. Энергоустановки для космо-
са должны быть надежными, устойчивыми к воздействиям радиации, уда-
ров, вибрации, иметь большой срок службы, не вызывать шума и вредных
выбросов, работать в условиях невесомости. Бортовая аппаратура многих
космических систем питается от солнечных батарей в комплекте с акку-
муляторами. На заре космонавтики использовались серебряно-цинковые
аккумуляторы. Однако из-за малого ресурса их в значительной мере вы-
85
теснили более тяжелые, но более долговечные серебряно-кадмиевые и ни-
кель-кадмиевые аккумуляторы, которые нашли применение на Междуна-
родной космической станции, станции «Салют», аппаратах «Марс», «Ве-
нера», спутниках «Метеор», «Молния», «Надежда», «Космос» и др. Позд-
нее на космических аппаратах и спутниках нашли применение никель-
водородные аккумуляторы, имеющие более высокие значения удельной
энергии и ресурс. В последние годы в космической технике используются
никель-металлогидридные аккумуляторы, характеризуемые более высо-
кими значениями удельной энергии и мощности. Однако их ресурс суще-
ственно меньше ресурса никель-водородных аккумуляторов [7].
В настоящее время все более широкое применение находят литий-
ионные аккумуляторы. Такие аккумуляторы емкостью 50 А·ч применяют-
ся на многих спутниках. Замена никель-металлогидридного аккумулятора
на литий-ионный позволяет снизить массу энергоустановки на 35–40 %,
сократить мощность зарядных устройств благодаря более высокой отдаче
по энергии и уменьшить площадь радиатора для отвода теплоты [7].
Химические источники тока применяются практически во всех родах
войск [9, 10]. В некоторых родах войск имеются стационарные системы
связи и телекоммуникаций с энергообеспечением от химических источни-
ков тока. Во всех видах войск используются портативные средства ком-
муникаций и портативные компьютеры с различными источниками тока.
В войсках ХИТ применяются также в шифроаппаратуре, в средствах ин-
дивидуального вооружения личного состава (приборах и прицелах ночно-
го видения, лазерных прицелах и целеуказателях, средствах индивидуаль-
ной радиосвязи, системе кондиционирования обмундирования, системах
нейтрализации зон поражения и обнаружения и др.), гидроакустических
средствах разведки, навигационных приборах и т. п. В артиллерии и ра-
кетной технике применяются первичные литий-тионилхлоридные и ре-
зервные (ампульные и тепловые) ХИТ. Военно-морские силы используют
резервные и другие ХИТ в торпедах, минах и другом оружии, а также
86
применяют различные ХИТ в навигационных и других приборах
и устройствах [9]. Свинцовые аккумуляторы применяются в системах ре-
зервного электропитания подводных лодок. Стартерные аккумуляторы
используются в танках, самоходных установках и военном транспорте [7].
В энергетике можно выделить несколько областей применения акку-
муляторов:
– энергообеспечение цепей оперативного тока (питание устройств
управления, регулирования, сигнализации, релейной защиты и автомати-
ки), аварийных и резервных систем на тепловых и атомных станциях
и подстанциях;
– обеспечение бесперебойного энергоснабжения в энергосистемах;
– обеспечение вращающего резерва;
– регулирование частоты;
– регулирование качества энергии;
– выравнивание графика нагрузок в энергосетях;
– аккумулирования энергии возобновляемых источников;
– резервное энергоснабжение.
Энергообеспечение цепей оперативного тока на электростанциях
и подстанциях осуществляется c помощью стационарных аккумуляторов.
Они же применяются и для питания резервных и аварийных устройств.
Для этой цели применяются в основном стационарные свинцовые аккуму-
ляторы, в некоторых случаях – никель-кадмиевые аккумуляторы [7].
Выравнивание графика нагрузок в энергосетях необходимо, так как
потребление электроэнергии в течение суток, недели и по сезонам распре-
деляется неравномерно (рис. 55). По этой причине энергосистемы вклю-
чают в себя базисные тепловые и атомные электростанции, работающие
при постоянной нагрузке (область А на рис. 55), полупиковые электро-
станции (маневренные ТЭС), работающие в режиме переменной нагрузки
(область Б на рис. 55), и пиковые установки, например газотурбинные, по-
крывающие пиковые нагрузки (область В на рис. 55).
87
а б
Рис. 55. Типичные графики нагрузок на сутки (а) и летнюю неделю (б):
А – базовая нагрузка; Б – полупиковая нагрузка;
В – пиковая нагрузка; Г – резерв
Кроме того, энергосистемы имеют резервные мощности (вращающий
резерв). Неравномерность нагрузки приводит к повышению потребления
топлива, ухудшению экологических показателей энергосистем, снижению
качества энергии и ее удорожанию. Имеется несколько типов устройств
для выравнивания графика нагрузок: гидроаккумулирующие станции, па-
ровые и воздушные аккумуляторы, электромагнитные и емкостные нако-
пители, водородные аккумулирующие системы и электрохимические ак-
кумуляторы [11]. Схема электрохимической аккумулирующей станции
(ЭАС) приведена на рис. 56. Аккумулирующая установка заряжается в ча-
сы снижения (провала) нагрузки и разряжается в часы пиковой нагрузки
(см. рис. 55). ЭАС может не только выравнивать график нагрузок, но
и выполнять другие функции: вращающего резерва и регулирования каче-
ства электроэнергии.
Аккумулирующие установки для ЭАС должны удовлетворять ряду
требований [11]: высокие КПД (70 %), маневренность (20 МВт за 1 мин),
срок службы (15 лет или 2500 и более циклов), удельная энергия на еди-
ницу площади земли (80 МВт·ч/м2 и более) и невысокая стоимость.
88
Рис. 56. Схема ЭАС:
ОЭС – объединенная энергосистема; ТП – трансформаторная подсистема;
В – выпрямители; И – инвертор; П – потребитель
Свинцовые аккумуляторы удовлетворяют большинству этих требо-
ваний. Однако они имеют недостаточные удельную энергию и ресурс. По-
этому разрабатываются новые аккумуляторы для этих целей (например,
серно-натриевые и бромно-цинковые) [7].
Аккумулирование энергии возобновляемых источников
К возобновляемым источникам энергии относятся солнечная и ветро-
вая энергия, гидроэнергия, энергия морских приливов и волн, энергия
биомассы. В большинстве районов Земли среднее облучение солнечным
светом составляет 200–250 кВт/м2. Однако мощность светового облучения
изменяется в течение суток и по сезонам. Поэтому фотоэлектрические
установки (ФЭУ), непосредственно преобразующие солнечную энергию
в электрическую, включают аккумулирующие и резервные устройства.
Энергия ФЭУ, которая должна быть аккумулирована, находится в преде-
лах 0,05–1000 кВт·ч, напряжение постоянного тока 6–250 В.
Аккумуляторы для ФЭУ должны иметь высокие КПД и ресурс, невы-
сокую стоимость, низкий саморазряд и быть необслуживаемыми. Боль-
шинство требований могут быть удовлетворены при использовании свин-
цовых аккумуляторов. Основной их недостаток – низкая удельная энергия.
В условиях низких температур (ниже –20 °С) применяются более дорогие
89
никель-кадмиевые аккумуляторы. Для аккумулирования энергии ФЭУ ма-
лой емкости могут быть использованы литий-ионные аккумуляторы.
Ветровая энергия в России составляет более 1012 кВт·ч в год. Осо-
бенно высока ветровая энергия на побережье Северных морей, районах
Крайнего Севера и Дальнего Востока, где среднегодовая скорость ветра
составляет 6–8 м/с. Скорость ветра непостоянна, поэтому в состав энерге-
тических ветроустановок также входят аккумулирующие системы, в том
числе и электрохимические аккумуляторы [7].
Аварийное энергоснабжение тех или иных объектов может быть
обеспечено источниками тока и накопителями энергии различных типов.
При длительных перерывах в энергоснабжении (неделя и более) могут
быть использованы воздушно-металлические и литий-тионилхлоридные
ХИТ. При перерывах средней продолжительности (до нескольких дней)
энергоснабжение может быть обеспечено первичными литиевыми ХИТ
и водоактивируемыми ХИТ. При кратковременных перерывах (до суток)
в энергоснабжении можно использовать традиционные первичные ХИТ
(в системах малой мощности) и аккумуляторы. При очень коротких пере-
рывах могут применяться электрохимические конденсаторы [7].
2.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
2.2.1. Устройство и принцип работы ХИТ
Химический источник тока – это устройство, в котором химическая
энергия активных веществ (окислителя и восстановителя) непосредствен-
но превращается в электрическую энергию. Химический источник тока
состоит из одной или нескольких ячеек – гальванических элементов. Ос-
новные составные части гальванического элемента – это два электрода,
разделенных электролитом. Электроды изготовлены из проводников пер-
вого рода, т. е. проводников с электронной проводимостью. Электролитом
служат проводники второго рода, т. е. жидкие (растворы, расплавы) или
твердые вещества, обладающие ионной проводимостью.
90