Лекция Занятие 1

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Цель занятия:

Дидактическая - сформировать знания о стационарных свинцово-кислотных

аккумуляторах,принципе их действия ,усвоить электрические параметры.

План

1 Общие сведение об аккумуляторах, назначение;

2 Типы аккумуляторов, конструкция;

3 Электролит;

4 Понятие об электрохимических процессах при заряде и разряде;

5 Электрические параметры

1 Аккумуляторами называются химические источники тока, предназначены для многократного использования. При разряде аккумулятора химическая энергия активных веществ, входящих в состав пластин «+» и «-» (электродов) и электролита, преобразуется в электрическую, при этом активные вещества превращаются в продукты разряда. При заряде аккумулятора подводимая электрическая энергия расходуется на регенерацию продуктов разряда.

Свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространёнными

Широкое распространение они получили благодаря высокой надёжности и невысокой цене. Эксперты ООН считают, что в обозримом будущем свинцовые аккумуляторы сохранят своё значение как один из самых удобных источников

электрической энергии.

2 Промышленностью (стран СНГ) выпускаются кислотные аккумуляторы различных типов. Для электропитания аппаратуры связи получили широкое применение стационарные аккумуляторы типов С, СК, СН.

Существует не менее 45 разновидностей аккумуляторов типов С и СК ёмкостью от 36 до 5328 А.ч.

С – «стационарный»;

СК – «стационарный», предназначенный для коротких режимов разряда большими токами. Аккумуляторы, имеющие в условном обозначении букву «К», отличаются тем, что у них соединительные шины между выводами имеют большое сечение. Аккумуляторы от С-1 до С-4 выполняются с соединительными шинами, допускающие короткие режимы разряда.

СЗ Буква «3» - закрытое исполнение сосуда (бака);

СЭ Буква «Э» - аккумулятор собран в эбонитовом баке.

Число, стоящее вслед за буквами, указывает номер аккумулятора.

Например: С-1, С-2, С-3, С-4, С-5 (индекс чередуется поочерёдно);

С-6, С-8, С-10, С-12, . . . С-20 (индекс чередуется через «2»);

С-24, С-28, С-32, С-36, . . . С-148 (индекс чередуется через «4»).

Те же индексы используются для аккумуляторов типа СК.

Номер (индекс) аккумулятора умноженный на число 36 даёт значение номинальной ёмкости при 10-часовом режиме разряда.

СН - стационарный с намазными пластинами. Это аккумуляторы

закрытого типа. Выпускаются ёмкостью от 40 до 800 А.ч. Число в обозначении аккумулятора – номер аккумулятора, получается как частное от деления номинальной ёмкости на число 40. Другими словами, номер аккумулятора * 40 = номинальная ёмкость аккумулятора типа СН.

Пример: СН-1, СН-2, СН-3, СН-4, СН-5, СН-6, СН-8, СН-10, СН-20.

Каждый кислотный аккумулятор состоит из сосуда, из кислотоустойчивого материала (стекло, пластмасса, керамика, деревянные сосуды, выложенные внутри свинца), положительного и отрицательных электродов (пластин), разделителей между ними – сепараторов, электролита и токоведущих частей.

Блоки пластин (электродов) погружены в водный раствор серной кислоты (электролит). Электроды располагаются так, что каждый положительный электрод находится между двумя отрицательными, т.е. число «-» пластин на одну больше чем «+» пластин. Крайние пластины «-». Отводы от пластин одной полярности привариваются к мостикам, связывающим все группы этой полярности.

Положительные пластины делятся на поверхностные (в аккумуляторах С и СК) и пастированные (в СН) .

В стационарных аккумуляторах открытого типа С и СК электролит непосредственно соприкасается с окружающим воздухом. Такие аккумуляторы требуют частой доливки воды и хорошо вентилируемого (воздуха) помещения.

Положительные пластины поверхностного типа работают за счёт своего поверхностного слоя. Такой электрод состоит из свинцовой пластины, на поверхности которой электрохимически формируется (при заряде) слой активной массы (РbO2). Для увеличения активной поверхности положительные пластины имеют ребристую форму.

Отрицательные пластины в аккумуляторах С и СК – коробчатые пластины, представляют собой решётку, в ячейках которой помещается активная масса. Для предотвращения выпадения активной массы из ячеек пластин закрываются перфорированными свинцовыми листами.

В аккумуляторах закрытого типа положительные и отрицательные электроды представляют собой пастированные пластины (аккумуляторы типа СН). В пастированных электродах активная масса удерживается в решётке из свинцово – сурьмяного сплава, толщиной 1. . . 4 мм. Аккумулятор типа СН имеет в крышке специальную пробку, задерживающую аэрозоли серной кислоты.

В аккумуляторах несколько отрицательных пластин соединяют параллельно. Между ними помещают положительные пластины, также соединенные параллельно.

Параллельное соединение одноимённых пластин позволяет увеличить ёмкость аккумулятора. Каждая группа «+» и «-» пластин работает как одна пластина, площадь которой равна сумме площадей, параллельно соединённых пластин

Горизонтальные перемычки, соединяющие одноимённые пластины в банке, называют баретками.

Сепараторы изготавливают из материалов, проницаемых для раствора электролита (из вулканизированного каучука - мипор, поливинилхлорида – мипласт (получаемый спеканием порошкообразной поливинилхлоридной смолы(широко используется)) и стекловолокна).

Современные типы аккумуляторов: закрытые и герметичные аккумуляторы.

В настоящее время на предприятиях связи используются закрытые и герметичные аккумуляторы. Наиболее широкое распространение получили свинцовые аккумуляторы (никель- кадмиевые АБ применяются только в особых случаях при жестких требованиях по температуре). Это связано с высокими технико-экономическими показателями кислотных АБ – большой удельной энергоемкостью и малым значением стоимости на единицу количества электричества. К достоинствам свинцовых аккумуляторов относится также их высокая надежность и относительно низкие эксплуатационные затраты. Срок службы стационарных аккумуляторов может достигать 12...15 лет, стартерных – 4…5 лет. По конструктивным особенностям аккумуляторы делятся на две большие группы – закрытого типа и герметичные. Закрытые негерметичные аккумуляторы (ЗНА) выпускают в настоящее время ряд зарубежных фирм. Основными представителями рынка негерметичных аккумуляторов для электросвязи ­являются корпорация COSLIGHT в Китае (серия GF), Северо – америнканское предприятие Телеком (Nort American Telecom (серии OPzS, OPzL, Ogi, UPS, OpzS, Ogi), OLDHAM France (серии OPzS, LIC, UTC, NTC и др.) и т.д./1,2/. Все ЗНА можно условно разделить на два типа: конструкция с избыточным объёмом электролита и конструкция с возможностью долива воды. Корпус выполняется из прозрачной пластмассы.

Герметичные аккумуляторы изготавливаются из непрозрачной пластмассы. На верхней крышке расположены выходные клеммы и регулирующий клапан. Часто регулирующий клапан скрыт декоративно-защитной панелью и обнаружить его трудно. Регулирующий клапан имеет принципиальное отличие от пробки ЗНА, хотя в некоторых моделях выглядит как заливная пробка. Он осуществляет одностороннее пропускание газов из бака аккумулятора наружу, снимает избыточное давление, но препятствует проникновению газообразных примесей внутрь бака. Герметичные аккумуляторы в зависимости от способа связи электролита делят на два типа:

- аккумуляторы с микропористым сепаратором, который пропитывается сернокислотным электролитом. Капиллярная структура сепаратора предотвращает вытекание электролита. По такому принципу строятся аккумуляторы фирм OLDHAM France (АБ типа OPzS, TC, EG, ESPACE и др.), YUASA и CHLORIDE.

- аккумуляторы с желеобразным силиконовым электролитом нетекучей, вязкой консистенции. Сепаратор в этом случае изготавливается аналогично “классическим”

аккумуляторам. По такому принципу строятся аккумуляторы VARTA и HAGEN

3 Аккумуляторы заливают электролитом, состоящим из водного раствора

серной кислоты.

Используется чиситал, аккумуляторная серная кислота (допустимая величине примесей нормируется).

Дистиллированная вода должна отвечать требованиям по допустимости вредных

примесей в соответствии с ГОСТ 6709-72. Дистиллированную воду следует хранить в закрытых стеклянных, полиэтиленовых или фторопластовых сосудах.

Для первоначальной заливки в новые аккумуляторы типов С, СК, СН

применяются электролит с удельным весом (плотностью) 1180 кг/м^3 (1,18 г/см^3 ) при температуре 25ºC.

Полностью заряженные аккумуляторы С и СК имеют электролит плотностью 1210кг/м^3 (1,21 г/см^3), а типа СН – 1220кг/м^3 (1,22 г/см^3).

При разряде плотность электролита снижается до 1,15÷1,17 г/см^3.

Для приготовления раствора электролита следует пользоваться эбонитовыми,

керамическими, винилпластовыми или деревянными, выложенными освинцованным листом, сосудами (баками). Стеклянные сосуды от нагревания могут лопнуть.

Необходимо серную кислоту вливать в воду тонкой струёй, непрерывно размешивая раствор электролита стеклянной палочкой.

Концентрация или плотность электролита является точным критерием степени разряженности аккумулятора.

Измеряется плотность электролита прибором – ареометром.

Многие вещества, например, незначительное количество солей железа, попадая в электролит ускоряют выделение водорода и увеличивают саморазряд аккумулятора.

Поэтому при приготовлении электролита следует использовать

только дистиллированную воду и использовать неметаллическую посуду.

4 Рассмотрим химические реакции при заряде и разряде кислотных (свинцовых) аккумуляторов. В растворе электролита происходит распад некоторой части молекул на положительные ионы водорода и отрицательные кислотного остатка.

При разряде аккумулятора губчатый свинец отрицательного электрода вступает в реакцию с ионами кислотного остатка серной кислоты, в результате на «-» электроде осаждается сульфат свинца конечными продуктами реакции вблизи «+» электрода является сульфат свинца и вода.

При заряде под действием электрического тока внешнего источника на

отрицательном электроде восстанавливается губчатый свинец, а на положительном электроде – двуокись свинца. Водород воды раствора электролита взаимодействует с кислотным остатком сульфата свинца, в результате чего в растворе повышается содержание серной кислоты. Таким образом, суммарный процесс в свинцовом аккумуляторе при его разряде и заряде можно выразить уравнением:

Pb (-) + PbO2 (+) + 2H2SO4 (разряд)→←(заряд) Pb (-)SO4 + Pb(+)SO4 + 2H2O

Кроме того, при заряде на отрицательном электроде возможно восстановление

ионов водорода и образование газообразного водорода.

5 Электрические характеристики аккумуляторов

Емкость аккумулятора – это количество электричества, которое можно

получить от аккумулятора в определенных условиях разряда.

Номинальная емкость аккумулятора, приведенная к условному 10-часовому режиму разряда при температуре среды 20^оС, зависит от ряда факторов: тока разряда I_р, времени разряда t_р и соответствующего ему коэффициента отдачи по емкости h_Q, температуры окружающей среды t_ср :

, (Aч)

где h_Q находится в пределах от 0,51…1,0 ( см. далее таблицу 1 ).

В таблице указаны значения коэффициента отдачи по емкости _Q, также коэффициенты кратности тока _i, определяющие превышение разрядного тока приведенной величины в 10-часовом режиме разряда (_i = I_р / I_р10).

tр , ч	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1
Q	1	0,97	0,94	0,91	0,89	0,83	0,8	0,75	0,61	051
i	1	1,1	1,15	1,3	1,48	1,66	2,0	2,5	3,05	5,1

Номинальное напряжение аккумулятора – это напряжение на выводах полностью заряженного аккумулятора в течение первого часа разряда током 10 – часового режима разряда при температуре электролита 20°С (U_ЭЛ..НОМ = 2 В).

Напряжение в конце разряда равно U_ЭЛ.КР = (1,75…1,8) В. При разряде аккумулятора токами, превышающими ток 10 – часового режима разряда, напряжение в процессе разряда будет понижаться быстрее, чем в 10 – часовом режиме и достигнет уровня 1,8 В, когда с аккумулятора еще не снята номинальная емкость. В таких случаях, показателем окончания разряда является величина напряжения на одном элементе.

Величина напряжения для заряда должна быть больше ЭДС (E), так как зарядному току приходится преодолевать внутреннее сопротивление аккумулятора (напряжение поляризации, равное I_З×R_ВН): U_ЗАР=E+I_З×R_ВН= (2,14+0,14)В.

Внутреннее сопротивление аккумулятора R_ВН складывается из сопротивления аккумуляторных пластин, сепаратора и электролита. Внутреннее сопротивление увеличивается по мере разряда в силу уменьшения плотности электролита, а также в связи с образованием сульфата свинца. Омическое сопротивление одного, полностью заряженного, элемента составляет примерно 0,0036 Ом, а в состоянии полного разряда – 0,007 Ом. Плотность электролита заряженного аккумулятора составляет (1,25…1,3) г/см³ , в состоянии разряда – 1,05 г/см³.