Лекция 2 - Конспекты (1095368), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Иначе теучастки, которые не разряжаются, начнут кристаллизироваться (отмирать). Помимо того, у никель-кадмиевых аккумуляторов были высокий процент саморазряда (за первые сутки до 10%) и низкое соотношение ёмкости и физическихразмеров.Следующим витком в развитии мобильных телефонов стало использование никель-металлгидридных батарей. Их период существования был невероятно коротким. Причиной тому послужило отсутствие каких-либо преимуществна фоне своего предшественника.В настоящее время практически во всех мобильных телефонах используют литий-ионные аккумуляторы (рисунок 2.25). Они более долговечные и менее вредные для окружающей среды, чем никель-кадмиевые, и при этом обла58Электропитание РЭАГлава 2дают гораздо бо́ льшей энергетической плотностью: при скромных физическихразмерах имеют относительно высокую ёмкость.
У них отсутствует "эффектпамяти", им свойственна низкая скорость саморазрядки. Этот вид аккумуляторов не требует какого-либо особого обслуживания, но при правильном хранении (в заряженном состоянии) и эксплуатации с соблюдением температурногорежима он прослужит гораздо дольше. Для литий-ионных аккумуляторов всреднем характерно от 500 до 1000 циклов зарядки-разрядки.Литий-полимерные аккумуляторы представляют собой усовершенствованную модель литий-ионных аккумуляторов, но при этом стоят дешевле. Ониотличаются высокой энергетической плотностью, медленной саморазрядкой, атакже они ещё более безопасны для окружающей среды. Как и литий-ионнымаккумуляторам, им свойственно постепенное старение.
Для литий-полимерныхаккумуляторов в среднем характерно от 500 до 600 циклов зарядки-разрядки.Рисунок 2.25 – Литий-ионный аккумуляторв составе телефона iPhone 5s ("Apple")59Электропитание РЭАГлава 2Специальные области применения ХИТ. Это военная и космическаятехника, а также некоторое научное оборудование. Примерами специальныхобъектов, использующих ХИТ, могут служить искусственные спутники Землии космические корабли, ракеты и торпеды, батискафы и другие подводные аппараты и т. д.Среди ХИТ для таких объектов можно выделить две группы: источники,рассчитанные на кратковременную большую нагрузку, и источники, предназначенные для длительного разряда небольшими токами.На космических объектах широко применяют энергосистемы, состоящиеиз полупроводниковых солнечных батарей и аккумуляторных батарей, работающих в буферном режиме.
Аккумуляторные батареи на искусственных спутниках Земли обеспечивают энергоснабжение РЭА во время пребывания спутника в тени Земли, а также при больших нагрузках, превышающих возможности солнечных батарей. В остальное время аккумуляторы заряжают от солнечных батарей.К таким ХИТ, как и к остальному оборудованию специальной техники,предъявляют повышенные требования по удельным характеристикам и по надёжности. Они должны иметь большое время хранения. Часто при их хранениив изделии они должны постоянно находиться в готовности к разряду. Поэтомумногие задачи специальной техники решают с помощью резервных ХИТ.
Объекты специального применения эксплуатируют, как правило, в широком диапазоне климатических условий: от арктических до тропических – а также при повышенных механических нагрузках.2.3 Альтернативные источники тока2.3.1 Общие замечанияХИТ, несмотря на огромное распространение (если подключить одновременно все ХИТ в мире, то получившаяся мощность превысит мощность всехэлектростанций, работающих в мире в настоящее время), имеют множество не60Электропитание РЭАГлава 2достатков, делающих их далеко не идеальными первичными источниками электроэнергии. Поэтому на всём протяжении времени развития ХИТ многие учёные и инженеры занимались разработкой других источников электроэнергии,составляющих альтернативу ХИТ. И к настоящему времени можно выделитьряд источников тока, альтернативных ХИТ, которые успешно находят применение в современной РЭА.Больше того, тема альтернативных источников тока со временем будетвсё более и более актуальна: пользователи портативной электроники становятсямобильнее, спрос на автономные источники тока только растёт.
Что ни деньпоявляются сообщения о достижении учёными новых успехов в разработке новых источников электроэнергии с использованием технологий, ещё год назадказавшихся совершенно неприемлемыми для этих целей.Рассмотри далее ряд первичных источников электроэнергии, которые составляют (или в будущем составят) альтернативу ХИТ.2.3.2 ТермобатареиТермобатареи непосредственно преобразуют тепловую энергию в электрическую. Их делят на термоэлектронные генераторы и термоэлектронныепреобразователи.Термоэлектронные генераторы состоят из последовательно соединённыхтермопар, у которых одни концы спаев нагреваются, а другие имеют достаточно низкую температуру, благодаря чему создаётся термо-ЭДС – и во внешнейцепи протекает электрический ток.
Каждая термопара может состоять из двухразнородных полупроводников или из проводника и полупроводника.Большая теплопроводность металлических термопар не позволяет создавать значительную разность температур спаев, а следовательно, не даёт возможность получить большую термо-ЭДС. Лучшие результаты даёт использование в термогенераторах полупроводниковых термопар, или комбинированных,состоящих из проводника и полупроводника.61Электропитание РЭАГлава 2В термопаре, состоящей из полупроводников с n- и p- проводимостями,при нагревании спая количество электронов в полупроводнике n-типа и числодырок в полупроводнике p-типа увеличивается.
Электроны и дырки вследствиедиффузии в полупроводниках движутся от горячего слоя термопары к холодному. Перемещение дырок приводит к тому, что горячий конец полупроводника p-типа заряжается отрицательно, а холодный конец – положительно. В полупроводнике n-типа электроны, переходя от горячего конца к холодному, так жекак, и в металле, заряжают горячий конец положительно, а холодный конец –отрицательно. Термо-ЭДС полупроводниковой термопары значительно большетермо-ЭДС металлической пары.Термоэлектронные преобразователи представляют собой вакуумные илигазовые приборы с твёрдыми нагреваемыми катодами. Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется за счёт использования термоэлектронной эмиссии нагретых тел.
Эмитированные катодом электроны движутся каноду под действием разности температур. Для обеспечения этой разности температур необходимо охлаждение анода. В зависимости от температуры нагревакатода термоэлектронные преобразователи делят на низкотемпературные(1200-1600°С) и среднетемпературные (1900-2000°С). У среднетемпературныхпреобразователей КПД достигает 20%, что более чем в 2 раза превышает КПДтермоэлектронных генераторов.До недавнего времени применение этого эффекта для генерации напряжения электропитания для РЭА не рассматривалось по двум главным причинам: максимальная температура, выдерживаемая полупроводниками в термоэлектронных модулях, до сих пор не превышала 300°C, плюс, мощности, генерируемые такими элементами, были недостаточными, чтобы всерьёз говорить окоммерциализации идеи.Однако в последнее десятилетие компания "Toshiba" представила термомодуль "Giga Topaz" (рисунок 2.26).
Разработчики уверяют, что модули "Giga62Электропитание РЭАГлава 2Topaz" способны генерировать электрическую энергию максимальной мощностью до 15 Вт при температуре порядка 20°C на одной стороне элемента и500°C на другой – и всё это при площади элемента 14,4 см² (37х39 мм2) и массе40 г. Таким образом, по сравнению с лучшими современными образцами термоэлектронных пар производительность генератора удалось улучшить почти втри раза (до 1 Вт/см2 и более), а максимальную рабочую температуру довестидо 500°C.Рисунок 2.26 – Термомодуль "Giga Topaz" (производство "Toshiba")Разумеется, термомодули "Giga Topaz" можно объединять в батареи элементов, чему весьма способствуют их малые размеры. Конечно, ради обеспечения работоспособности ноутбука совсем не обязательно лезть с таким термоэлементом в жерло вулкана.
Зато можно попробовать, например, облепить батареей из модулей "Giga Topaz" двигатель автомобиля, и использовать выделяемое им тепло в мирных целях, благо, что при достаточном количестве модулей для генерации достаточных объёмов электричества совсем не нужен перепад в 500°C. Разумеется, двигателем автомобиля сфера применения термоэлектронных генераторов электричества не ограничивается.63Электропитание РЭАГлава 22.3.3 Фотоэлектрические источники токаФотоэлектрические источники тока осуществляют преобразование тепловой и световой энергии солнечных лучей в электрическую.В общем случае к фотоэлектрическим преобразователям относят:- вентильные фотоэлементы;- вакуумные и газонаполненные (ламповые) фотодиоды;- фототранзисторы и фототиристоры;- электрохимические (жидкостные) фотоэлементы.Как источник тока в РЭА находят применение только первые из них, таккак у остальных КПД преобразования с точки зрения энергетики слишком мал.В вентильных фотоэлементах чаще всего используют кремний – полупроводник, атом которого состоит из ядра и трёх слоёв электронов, причёмвнешний слой состоит из четырёх электронов.
Если ввести в кристаллическуюрешётку кремния атомы фосфора, у которого внешний электронный слой состоит из пяти электронов, то в таком полупроводнике (n-полупроводнике) могут в определённых условиях возникать свободные электроны; в полупроводниковых приборах он служит поэтому эмиттером. При добавке к кремнию атомов бора, имеющих во внешнем электронном слое три электрона, получается pполупроводник, который в полупроводниковых приборах может служить коллектором. Между двумя тонкими слоями p- и n-полупроводников (толщиной внесколько микрометров) образуется p-n-переход, или зона объёмного заряда.Если в эту зону через прозрачный, обращённый к источнику излучения электрод попадают фотоны, обладающие достаточно большой энергией, то они вызывают разделение отрицательных и положительных зарядов и движение носителей заряда (электронов и дырок) к противоположным электродам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
