10 Устройства непосредственного преобразования различных видов энергии в электрическую энергию постоянного тока

10.1Общие положения

К устройствам непосредственного преобразования энер­гии различного рода в электрическую энергию постоянного тока относятся следующие:

-гальванические элементы, преобразующие химическую энергию в электрическую;

-аккумуляторы, также преобразующие химическую энер­гию в электрическую, однако в отличие от гальванического элемента способность аккумулятора отдавать электричес­кую энергию может быть восстановлена путем его заряда от постороннего источника электрической энергии;

-термоэлектрические преобразователи, в которых тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую;

-преобразователи (солнечные батареи), в которых энергия светового потока преобразуется в электрическую;

-атомные батареи, в которых энергия внутриатомного распада преобразуется в электрическую;

-топливные элементы, преобразующие химическую энергию топлива в электрическую.

10.2 Гальванические элементы

Гальванические элементы являются первичными химическими источниками тока (ХИТ), в которых используются необратимые процессы преобразования химической энергии в электрическую. Они широко применяются в качестве источников питания постоянным током малогабаритной и переносной радиоаппаратуры. Гальванические элементы и составленные из них батареи характеризуются следующими основными параметрами.

Емкость элемента — количество электричества, отдаваемое элементом при разряде. Емкость элемента измеряется в ампер-часах (А-ч) и определяется выражением

Q=I_Р t_Р

где I_Р - ток разряда, A; t_Р - время разряда, ч.

Увеличение тока I_Р или времени разряда t_Р, а так же уменьшение температуры окружающей среды приводят к уменьшению емкости Q. На каждом элементе или в его паспорте указывается номинальная емкость, значение которой зависит от активных веществ, входящих в состав элемента, от массы электродов и вида электролита.

Внутреннее сопротивление элемента зависит от типа элемента, его устройства, условий эксплуатации и т.д. По величине внутреннего сопротивления можно судить о КПД элемента и об изменениях его параметров при перегрузках.

Саморазряд элемента — это самопроизвольное уменьшение его емкости при разомкнутой внешней цепи. Главной причиной саморазряда является взаимодействие активных масс электродов и электролита. Саморазряд увеличивается с повышением температуры. В гальванических элементах мерой саморазряда является их сохранность.

К удельным характеристикам элемента относятся удельная емкость по объему (А•ч/дм³); удёльная емкость по массе (А•ч/кг); удельная энергия по объему, (Вт ч/дм³); удельная энергия по массе (Вт ч/кг).

Указанные параметры позволяют сравнить различные типы гальванических элементов между собой и выбрать оптимальный вариант источника питания.

Кроме перечисленных параметров большое значение имеет устойчивость гальванических элементов к механическим и климатическим воздействиям; к последним относят колебания температуры и давления, повышенная влажность. При высоких температурах уменьшается внутреннее сопротивление элемента и значительно возрастает саморазряд. Поскольку повышенная влажность также вызывает увеличение саморазряда, то рекомендуется хранить ХИТ в сухих прохладных помещениях. При низких температурах увеличивается внутреннее сопротивление элемента и уменьшается его емкость, что особенно заметно при больших нагрузках. Поэтому на морозе рекомендуется применять несколько параллельных ХИТ, чтобы уменьшить нагрузку на каждый из них.

При параллельном соединении элементов емкость бата­реи равна сумме емкостей элементов, входящих в нее. При последовательном соединении элементов емкость батареи равна наименьшей емкости элемента, входящего в нее.

Марганцово-цинковые элементы (МЦЭ) получили боль­шое распространение благодаря относительно невысокой стоимости, возможности использования в широком диапазо­не температур. Недостатком МЦЭ является снижение удель­ной энергии при увеличении нагрузки.