31)Билет

Проблема аккумулирования электрической энергии актуальна. Суточные и недельные колебания нагрузки в энергосистемах приводят к заметному снижению эффективно­сти их работы. Поэтому всякое устройство для аккумулирования электро­энергии в системе способствует выравниванию нагрузок и тем самым по­вышению экономичности энергосистем.

Использование непостоянных во времени источников энергии, например энергии Солнца или ветра, вообще невозможно без промежуточных акку­мулирующих устройств. В этих случаях они необходимы не только для улучшения показателей установки, но и для обеспечения непрерывности поступления энергии к потребителю.

Наиболее известен способ гидроаккумулирования, когда за счет выра­батываемой электрической энергии большие массы воды перекачиваются в резервуар, находящийся на более высоком уровне. Обратный приток воды в нижний резервуар используется для повторного получения элек­троэнергии. Существуют также способы накопления энергии, связанные с сжатием газа до высокого давления, с нагреванием специаль­ных теплоносителей до сравнительно высоких температур и т. д. Однако, наиболее эффективный способ накопления электрической энергии — превраще­ние ее в химическую, то есть использование электрохимического прин­ципа.

32) Билет Виды аккумуляторов и их принцип действия.

Типы аккумуляторов и принципы их работы

АККУМУЛЯТОРЫ

На сегодняшний день распространены аккумуляторы пяти различных электрохимических схем:

никель-кадмиевые (Ni-Cd)

никель-металлгидридные (Ni-MH)

свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid, SLA)

литий-ионные (Li-Ion)

литий-полимерные (Li-Polymer)

Никель-кадмиевые аккумуляторы:

Безусловно, это самый известный тип аккумуляторов на рынке электронной аппаратуры. Они нашли широкое применение с середины 50-х годов. Источники питания этого типа характеризуются энергетической плотностью около 40–60 Вт*ч/кг, обеспечивают порядка 1500 перезарядок, а их скорость саморазряда составляет не более 20% в месяц (причем до 10% разряда – в течение первых 24 часов и до 20% – в первый месяц после заряда). Несмотря на довольно высокий показатель тока утечки, они весьма дешевы и хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации. Основной их недостаток – это эффект памяти (memory effect) (смотри сноску*), проявляющийся в уменьшении полезной ёмкости аккумулятора. Хранить эти источники питания лучше разряженными и перед каждой следующей зарядкой полностью разряжать их. Одно из наиболее важных достоинств – уверенная работа и малый саморазряд при низких температурах. Только эти аккумуляторы могут выдержать довольно длительное нахождение на морозе практически без потери полезных качеств.

никель-металлгидридные аккумуляторы:

Никель-метал-гидридные элементы появились достаточно давно. Они имеют более высокую энергетическую плотность (до 75 Вт*ч/кг) и соответственно более высокую ёмкость (примерно на 30%). С другой стороны, они дороже Ni-Cd-аккумуляторов примерно на 20% и у них меньший срок службы – всего 500 циклов заряд/разряд. Кроме того, для зарядки требуется специальное зарядное устройство, следящее за температурой и напряжением. Дело в том, что Ni-MH-аккумуляторы боятся перегрева, переохлаждения и "переполюсовки". К их недостаткам также можно отнести вдвое большее время зарядки по сравнению с Ni-Cd-аккумуляторами и большую скорость саморазряда (до 30 % в месяц). Зато аккумуляторы этого типа совершенно безопасны для окружающей среды и относительно недороги. Кроме того, никель-металлгидридные аккумуляторы подвержены эффекту памяти в гораздо меньшей степени, чем Ni-Cd.

свинцово-кислотные аккумуляторы:

Это одни из самых дешевых аккумуляторов, характеризуются относительно невысокой энергетической плотностью – всего 30 Вт*ч/кг. Чаще всего их применяют там, где вес не является критичным параметром, а нужны большая мощность и низкая стоимость(источники бесперебойного питания, фонари, ИТД). Диапазон значений емкости для портативных приборов лежит в пределах от 1 до 30 А*час. Ранее этими аккумуляторами комплектовались некоторые ранние модели автомобильных спутниковых телефонов, но сейчас в современных мобильных устройствах они практически не применяются.

литий-ионные аккумуляторы:

Были изобретены еще в 1940 году, но промышленный выпуск начался лишь в 1991 г. Считаются одними из самых перспективных источников автономного питания, но при этом до сих пор остаются одними из самых дорогих. Они имеют высокую энергетическую плотность, порядка 100 Вт*ч/кг, и обеспечивают примерно 300–500 циклов заряд/разряд. Аккумуляторы имеют очень низкую скорость саморазряда (примерно 3–5% в первый месяц, затем уменьшение до 1–3% в месяц, дополнительно около 3% потребляет схема управления). Кроме того, при одинаковых габаритах литиевые работают втрое дольше, по сравнению с Ni-Cd-аккумуляторами, и у них абсолютно отсутствует эффект памяти. О недостатках: прежде всего, это высокая цена; эти батареи необходимо хранить в заряженном состоянии, и у них имеется эффект старения, даже если аккумулятор не используется. Он проявляется в том, что через год после изготовления ухудшается ёмкость, а через два года он иногда выходит из строя. Источники питания этого типа требуют использования исключительно "родных" зарядных устройств, а для обеспечения безопасности каждый пакет аккумуляторов должен быть оборудован электрической схемой управления, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время зарядки и предотвратить критичное понижение напряжения элемента при разряде. Кроме того, должен быть ограничен максимальный ток заряда/разряда, и должна контролироваться температура элемента(подробнее см. сноску** ). Также к минусам можно отнести зависимость емкости от температуры(при низких температурах время работы существенно уменьшается).

литий-полимерные аккумуляторы:

Это одна из последних разработок в литиевой технологии. Потенциально они дешевле, чем Li-Ion-аккумуляторы, но на сегодняшний день все же остаются самыми дорогими источниками питания, несмотря на то, что уже запущено их массовое производство. Производят этот тип аккумуляторов лишь несколько крупных фирм. По конструкции они подобны своим предшественникам, но используют гелиевый электролит, поэтому могут иметь нетрадиционную форму. Эти источники обладают еще более высокой энергетической плотностью (до 160 Вт*ч/кг) и малым током разряда, причем нынешние образцы имеют очень большое количество циклов заряд/разряд – около 1000. И кроме всего прочего, эти аккумуляторы весьма компактны и легки.

Полимерно-литиевые аккумуляторы состоят из секций или стеков. Каждая из секций содержит три электрода и сепаратор с полимером, который действует как электролит и как связывающее вещество. Отрицательный электрод расположен между двумя положительными и с помощью термального воздействия все компоненты объединяют в стек. Толщина одной секции около 0,6 мм. В зависимости от количества стеков можно получить аккумулятор той или иной ёмкости. Снаружи источник питания запечатывают в полимерно-алюминиевую пленку (см. рисунки). Принципиально ионо-литиевые и полимерно-литиевые аккумуляторы не различаются, но последние имеют одно важное преимущество. Так как их рабочим веществом является гель, состоящий из смеси полимера и электролита, то утечка жидкости становится просто невозможной.