151470 (Конструктивное исполнение электродов в первичных химических источниках тока), страница 4

Тепловые ХИТ могут работать на одного потребителя или на несколько, обычно - на два. При электроснабжении двух потребителей нужны три токоотвода, два - с конечных элементов и один промежуточный, чаще с середины сборки. Поскольку промежуточный токоотвод является для одной части сборки положительным полюсом, а для другой - отрицательным, то одно выходное напряжение обозначают знаком "+", а другое - знаком "-".

Батарея для одного потребителя называется односекционной, для двух - двухсекционной и т.д.

Механическое соединение элементов конструкции. Кроме уплотнения единичных элементов и пиросмеси с помощью стяжек и пружин имеются другие способы. Вместо одной стяжки в центре ТХИТ часто применяют несколько стяжек по периферии, а огневой канал располагают в центре.

Имеется много вариантов ТХИТ, в которых механическое соединение элементов не применяется, а сборка получается просто при прессовании всех ее компонентов.

3. Конструктивное исполнение электродов во вторичных химических источниках тока

3.1. Свинцовые аккумуляторы и батареи

Стартерные батареи. Конструкция и параметры. Конструктивно стартерные АБ различаются незначительно. Схема их устройства представлена на рис.4.2.6. Современные стартерные АБ изготовляются в эбонитовых или пластмассовых моноблоках. В качестве материала пластмассовых моноблоков используются полиэтилен, полипропилен, блоксополимер этилена с пропиленом. Блоки электродов в современных АБ соединяются между собой через стенки моноблока. Массогабаритные показатели стартерных батарей емкостью 55 А ч, изготовляемых рядом ведущих фирм мира. Кроме электрических и

эксплуатационных характеристик стартерных батарей представляют интерес их удельные характеристики.

Стационарные аккумуляторы и батареи

Характерной особенностью стационарных аккумуляторов является режим их эксплуатации. Эти аккумуляторы используются, как правило, в буферном режиме, т.е. находятся в полностью заряженном состоянии и готовы в любой момент принять на себя токовую нагрузку. Состояние полной заряженности поддерживается постоянным или периодическими подзарядами. Однако стационарные аккумуляторы могут эксплуатироваться и в режиме заряда-разряда.

В настоящее время стационарные аккумуляторы нашли широкое применение в системах телекоммуникаций для обеспечения бесперебойного электропитания. Перспективно применение стационарных аккумуляторов в энергетике для сглаживания колебаний нагрузки в энергосистемах в течение суток. Стационарные аккумуляторы широко используются на тепловых и атомных электростанциях, гидроэлектростанциях, электрических подстанциях, в ветровых и солнечных энергоустановках, в системах автоматизации управления. Используются также для электроснабжения отдельных зданий, метеорологических и ретрансляционных станций, буев, систем катодной защиты газопроводов. Наконец, имеется большая потребность в систе¬мах аварийного энергоснабжения больниц, отелей, почтамтов.

Основными требованиями, предъявляемыми к стационарным аккумуляторам, являются:

• высокая надежность и долговечность;

• низкий саморазряд;

• малое обслуживание;

• продолжительность разряда в установках бесперебойного питания от нескольких минут до нескольких часов;

• сравнительно низкая стоимость;

• высокие токи разряда в толчковых и импульсных режимах;

• высокая точность поддержания напряжения при постоянном подзаряде.

Существуют три основных типа свинцовых стационарных аккумуляторов, различающихся конструктивным исполнением электродов: поверхностно-коробчатые, панцирные и намазные.

Объем производства в мировой практике каждого из трех типов примерно одинаков и определяется требованиями потребителей: сроком службы, внутренним электрическим сопротивлением, объемом обслуживания, стоимостью.

П оверхностно-коробчатые аккумуляторы разработаны более 50 лет назад, производятся и в настоящее время, поскольку имеют срок службы 20 лет и более.

В указанных аккумуляторах используются поверхностные положительные и коробчатые отрицательные пластины (рис.4.2.7. и 4.2.8). Поверхностные пластины отливаются из чистого свинца в виде листов с рифленой поверхностью толщиной до 12 мм. Аккумуляторы изготавливаются в стеклянных, эбонитовых или деревянных, выложенных рольным свинцом, баках. Поверхностно-коробчатые аккумуляторы имеют открытое исполнение. Несмотря на большой срок службы, поверхностно-коробчатые аккумуляторы имеют существенные недостатки. Расход свинца для этих аккумуляторов, например СК-1, СК-5, СК-24, составляет 0,10 - 0,13 кг/(А ч), в то время как для аккумуляторов с намазными электродами эта величина не превышает 0,08 кг/(А ч). Открытое исполнение не позволяет размещать поверхностно-коробчатые аккумуляторы вблизи от аппаратуры.

Аккумуляторы с панцирными электродами. В аккумуляторах панцирной конструкции используются трубчатые положительные электроды (рис.4.2.9) и намазные отрицательные.

П анцирный электрод состоит из штыревой гребенки 1, отливаемой вместе с токоведущей рамкой 4 и ушком из свинцово-сурьмяного сплава. На штыри гребенки надеваются панцирные трубки 2 круглого или овального сечения из тканого материала. Пространство между штырями и трубкой заполнено активной массой 3. Для лучшей фиксации штырей последние имеют приливы 5 по всей высоте. Снизу панцирный электрод закрывается пластмассовой гребенкой 6. Толщина панцирных электродов обычно составляет примерно 8 мм. Отрицательные электроды аналогичны обычным намазным электродам.

Панцирные аккумуляторы изготавливаются в полипропиленовых, полистирольных или эбонитовых баках. Срок службы панцирных аккумуляторов составляет 15-20 лет. В России аккумуляторы аналогичной конструкции не производятся.

Аккумуляторы с намазными электродами. Стационарные аккумуляторы с намазными электродами отличаются от других аккумуляторов большей толщиной электродов. Аккумуляторы с намазными электродами, как и панцирные, имеют закрытое исполнение (рис.4.2.10). Такие аккумуляторы изготавливаются с двойными сепараторами: мипласт и стекловолокно, полиэтилен и стекломат и др.

Срок службы стационарных аккумуляторов с намазными электродами составляет 10-15 лет, т.е. уступает этой величине для поверхностно-коробчатых и панцирных аккумуляторов. Однако намазные аккумуляторы имеют наименьшее внутреннее сопротивление, что обеспечивает лучшие характеристики при толчковых и импульсных нагрузках и при коротких режимах разряда.

В России в Научно-техническом центре АОЗТ "Электротяга" (Санкт-Петербург) разработан и освоен промышленный выпуск серии стационарных аккумуляторов с намазными электродами.

Погружные аккумуляторы. Проблема освоения ресурсов мирового океана считается одной из важнейших проблем современности. Среди технических средств, созданных с этой целью, наибольшего внимания заслуживают глубоководные аппараты. В нашей стране успешно эксплуатировались аппараты "Тинро-2", "Бентос-300", "Осмотр", "Аргус" и др. Наибольшее распространение как за рубежом, так и в нашей стране получили энергетические установки со свинцовыми аккумуляторными батареями, располагающимися в прочном корпусе или вне его, из-за их исключительно высокой надежности. Интересно, что проникновение человека в океан с помощью автономных технических средств началось сразу с больших глубин. Начиная примерно с середины 60-х годов XX в., почти во всех развитых странах мира начали строить автономные подводные транспортные средства для доставки исследователей в глубь океана с целью проведения многочисленных океанологических исследований.

При размещении АБ непосредственно в морской воде возникает ряд проблем, основная из которых - компенсация наружного давления. При работе под водой необходимо предусматривать свободное выделение газа из аккумуляторов.

При этом вентиляционный клапан должен не только обеспечивать необходимую скорость выхода газа, но и препятствовать попаданию морской воды в аккумуляторы. Кроме того, необходимо обеспечить исключение токов утечки через мор¬скую воду от выводов батареи.

На первом этапе развития погружных аккумуляторов в нашей стране была создана компенсационная система, индивидуальная для каждого аккумулятора. Компенсатор давления состоит из двух основных элементов: камеры с эластичными стенками, заполненной жидкой фазой, и газового клапана (рис.4.2.13 и 4.2.14).

В нутренняя полость компенсатора давления заполнена электролитом и сообщена с подкрышечным пространством аккумулятора. При погружении аккумулятора в морскую воду компенсатор под воздействием гидростатического давления сжимается и находящийся в нем электролит перетекает в бак. Объем камеры - компенсатора давления и номинальный объем электролита в камере определяются экспериментально с учетом изменения объема электролита вследствие сжимаемости жидкости; сжатия и растворения газа, имеющегося в порах активных масс и сепараторов; температурных колебаний электролита и изменений объема, связанных с фазовыми превращениями в активных массах. С известным приближением можно принять, что объем камеры VK зависит от объема аккумулятора V: FK = (0,03-0,04) V.

Определенное влияние давление должно оказывать и на электрохимические процессы, происходящие в аккумуляторе. Известно, что с ростом давления увеличивается электрическая проводимость электролита. Повышение удельной электрической проводимости электролита, естественно, должно способствовать увеличению разрядного напряжения вследствие уменьшения омических потерь.

Характер воздействия давления на разрядные характеристики электродов с точки зрения теории пористых электродов может быть объяснен увеличением эффективной глубины протекающих процессов. Кроме того, повышение давления способствует снижению газонаполнения электродов, т.е. увеличению объема электролита, и, следовательно, снятие диффузионных ограничений непосредственно при большом гидростатическом давлении затруднено. В этом случае наблюдается не только рост разрядной емкости, но даже ее снижение. Это явление может быть объяснено затруднением перемешивания электролита вследствие малого размера пузырьков газа при большом давлении.

В нашей стране с использованием компенсаторов давления, описанных выше, созданы три типа аккумуляторов: СП-200М, СП-200М1 и СП-680.

Внутренняя полость компенсаторов давления заполняется электролитом, для улучшения электрической изоляции в камеру заливают небольшое количество диэлектрической жидкости ПМС-10 с удельной массой меньше единицы. Межэлементные соединения выполнены в виде гибких перемычек с изоляционным покрытием. Изоляция токоведущего узла осуществляется при помощи стаканчиков из пластмассы, смонтированных на борнах и залитых компаундом.

Аккумуляторы выдерживают 60 зарядно-разрядных циклов до снижения емкости до 80% номинального значения. Назначенный срок службы составляет 2 года. Аккумуляторы могут выпускаться как в сухозаряженном исполнении, так и залитыми электролитом за¬ряженные.

В настоящее время разрабатывается аккумулятор СП-200М-2 с повышенным до 4 лет ресурсом и 120 зарядно-разрядными циклами.

Одним из существенных достоинств погружных аккумуляторов с индивидуальными компенсаторами давления является допустимость кратковременных наклонов аккумуляторов.

К числу недостатков аккумуляторов такого типа можно отнести необходимость изоляции межэлементных соединений, усложнение конструкции за счет применения компенсатора давления, что увели¬чивает объем и габариты аккумулятора и снижает удельные электри¬ческие показатели.

На втором этапе развития погружных аккумуляторов в нашей стране был использован способ компенсации давления при помощи диэлектрической жидкости, отделяющей серно-кислотный электролит от морской воды. При этом способе компенсации аккумуляторы устанавливаются в специальные металлические контейнеры, заполненные диэлектрической жидкостью. Этот способ полностью исключает проблему защиты выводов от утечек тока, а также необходимость применения резиновых камер-компенсаторов и клапанов. Применяемая для этих целей диэлектрическая жидкость не должна взаимодействовать с конструкционными материалами, герметизирующими компаундами, морской водой, электролитом, выделяющимися газами. Плотность диэлектрической жидкости должна быть меньше плотности электролита, но больше плотности морской воды. В контейнерах, заполненных жидким диэлектриком аккумуляторы могут эксплуатироваться при гидростатическом давлении до 65 МПа. Окончание заряда в данном случае определяется по достижении постоянства напряжения АБ в течение 2 ч. Сопротивление изоляции АБ, смонтированной в контейнере с жидким диэлектриком, составляет не менее 10 МОм.

С использованием описанного способа компенсации гидростатического давления в нашей стране разработан и выпускается погружной аккумулятор емкостью 2650 А ч. Аккумулятор имеет габариты: 208x249x857 мм. Заряд погружных аккумуляторов под водой существенно повышает эффективность эксплуатации подводных аппаратов. Однако при разработке оптимальных режимов следует учитывать влияние гидростатического давления на зарядные процессы в аккумуляторах, поскольку это может привести в конечном итоге к снижению емкости при последующих разрядах.