Москатов Е.А. Источники питания (2011) (1096749), страница 5
Текст из файла (страница 5)
277]. Для обеспечения постоянного движения электронов анод необходимо охлаждать !6, с. 284], для чего используют специальные жидкости. При этом, если между катодом и анодом подключить нагрузку, то по ней потечет электрический ток. Разница температур катода и анода может составлять от 300 до 3000 градусов. При этом, чем существеннее разница температур анода и катода, чем интенсивней скорость движения электронов, и чем выше концентрация носителей заряда в потоке электронов, тем больше будет ЭДС выходного напряжения термоэлектронного генератора !179, с. 277]. При протекании тока через нагрузку около катода возникает пространственный отрицательный заряд, из-за которого электроны перестают лететь к аноду, и термоэлектронный генератор перестает исполнять свои функции.
Для того чтобы работа не была нарушена, в лампу помешают цезий, пары которого заполняют область между катодом и анодом. При попадании атомов цезия на разогретый катод валентные электроны цезия переходят в металл катода !! 79, с. 278]. Это преобразует атомы цезия в ионы, заряженные положительно, которые отталкиваются на небольшое расстояние от поверхности металла катода. Таким образом они нейтрализуют пространственный отрицательный заряд. Разработанные термоэлектронные генераторы обычно способны отдать в нагрузку мощность до нескольких десятков киловатт.
КПД термоэлектронных генераторов обычно составляет от 10о4 до 20;4. К недостаткам термоэлектронных генераторов относят высокую стоимость, особенно если нагрев осуществляют с помощью ядерного топлива. 1.4.6. Солнечные батареи Солнечная батарея — зто прибор для непосредственного фотоэлектрического преобразования энергии излучения в электрическую энергию, состоящий из набора элементарных фотодиодов, определенным образом соединенных между собой. Основой бюджетного фотоэлектрического преобразователя служат кремниевые фото- диоды. Принцип действия солнечной батареи основан на явлении внутреннего фотоэффекта под воздействием падающей на рабочую поверхность лучистой энергии (64, с. 297].
1 4. Знакомство с первичными источниками питания 19 В качестве полупроводника кремний был выбран не случайно, а в связи с тем, что максимум его спектральной характеристики расположен при длине волны примерно в 0,75 мкм, что близко к максимуму спектральной характеристики солнечного света [6, с. 285]. Для удобства размещения фотодиодов в солнечной батарее их изготовляют обычно либо прямоугольной, либо гексагональной формы [6, с. 286]. Используемые в солнечной батарее фотодиоды имеют прозрачный электрод, через который на электронно-дырочный р-п-переход поступает свет. При облучении полупроводника фотоны света отдают энергию валентным электронам [! 79, с. 271], в результате чего генерируются носители заряда, и между областями электронного и дырочного типов проводимостей возникает разность потенциалов. Солнечные батареи часто используют в автономных системах, которые обычно долгое время не требуют обслуживания оператором (космические аппараты, морские бакены, автоматические устройства радионавигации и пр.).
Даже в некоторые микрокалькуляторы встроены миниатюрные солнечные батареи, от которых заряжаются встроенные аккумуляторы. Достоинства солнечной батареи: ° малая масса и габариты; ° невысокая стоимость по сравнению, скажем, с топливными элементами, термоэлектронными генераторами и атомными батареями; ° простота конструкции; ° длительный срок эксплуатации. Недостатки: ' невозможность вырабатывать ночью такую же выходную мощность, как днем, что требует использования аккумулятора или ионистора, который заряжался бы днем для поддержания работы нагрузки в темноте; ° резкая зависимость выходной мощности от угла падения лучей на светочувствительную поверхность, что вынуждает использовать автоматические системы ориентирования в пространстве; ° невозможность получить мощность с квадратного метра солнечной батареи более О,! кВт, используя дешевые материалы; ° быстрая деградация фотоэлементов в условиях повышенного радиационного фона и проникающей радиации.
КПД солнечных батарей, составленных из кремниевых фотодиодов и выпускаемых для широкого потребления, обычно достигает 8'.4, не более. У специализированных солнечных батарей, фотодиоды которых выполнены из арсенида галлия, КПД достигает 20',4. Солнечные батареи из фотодиодов на основе сульфата кадмия, выпускаемые в виде тонких гибких пленок, предназначены для электропитания аппаратуры космических станций и спутников. При увеличении температуры окружающей среды выходное напряжение солнечной батареи падаег по линейному закону примерно на ХУо /' [179, с. 271].
1.4.7. Атомные батареи Атомной или, говоря иначе, ядерной батареей, называют устройство, в энергия распада радиоактивного вещества непосредственно преобразуется в электроэнергию [64, с. 300], [179, с. 272], Атомные батареи состоят из набора атомных элементов. 20 Общее представление об источниках питания Простейший атомный элемент питания представляет собой металлический цилиндр, для защиты от излучения покрытый свинцом, в который через слой изоляции из полистирола помещено радиоактивное вещество: стронций-90.
К металлическому цилиндру прикрепляют вывод отрицательного напряжения, а другой вывод положительного напряжения подсоединяют к стронцию. Между выводами возникает электрическое напряжение величиной до десяти киловольт, обусловленное радиоактивным распадом стронция. Чем короче период полураспада, тем больше максимальный отдаваемый ток и тем короче продолжительность работы атомного элемента. Ток нагрузки обычно не превышает 30 мкА, а срок эксплуатации может достигать 25 лет. Были разработаны миниатюрные атомные элементы высотой ! мм и диаметром [6 мм, предназначенные для питания наручных часов и слуховых аппаратов [64, с.
302), [!79, с. 273). В качестве радиоактивного вещества выступает прометий-!47, который облучает фосфор, начинающий испускать свет. Излучение фосфора попадает на полупроводниковый фотоэлемент, обеспечивающий ток нагрузки до 2 мкА н вырабатывающий ЭДС примерно в ! В [!79, с. 273). Долговечность такого элемента достигает трех лет. К источникам питания относят и атомные электростанции: сложные комплексы оборудования, содержащие автоматические системы регулирования и защиты. В них тепловая энергия распада нагревает жидкость, циркулирующую по замкнутому кругу, которая переходит в парообразное состояние и приводит в движение турбину электрогенератора.
Мощность крупных атомных электростанций может достигать сотен мегаватт, что достаточно для электроснабжения края или области. При правильном использовании атомные электростанции представляют собой одни из наиболее экологически чистых комплексов для получения электроэнергии, а при неправильной эксплуатации — одни нз наиболее губительных для природы. 1.5.
Аккумуляторы 1.6.1. Основные сведения об аккумуляторах Аккумуляторы — это вторичные источники питания, которые могут накапливать и отдавать электроэнергию посредством химических реакций в течение определенного времени. Ток зарядного устройства, подключенного к разряженному аккумулятору, вызывает химическую реакцию веществ в аккумуляторе. При подключении заряженного аккумулятора к нагрузке химическая энергия преобразовывается в электрическую, в результате чего по нагрузке течет ток.
Аккумуляторы, как и электрохимические элементы питания и батареи, характеризуются энергоемкостью [Ср), т.е. способностью отдавать в нагрузку определенный ток в течение заданного интервала времени, что можно записать следующим образом: Ср=[р.ср, где!р — ток разряда, А; !р — длительность разряда, ч. Выражение энергоемкости заряда аккумулятора можно записать аналогичным образом: Ьа.
Амумулятары 21 Сз =!з 1з, где )з — ток заряда, А; 1з — длительность заряда, ч. В общем случае энергоемкости заряда и разряда отличаются друг от друга. Даже если к заряженному аккумулятору не подключена нагрузка, он теряет энергоемкость, что называют саморазрядом. Скорость саморазряда аккумулятора зависит от типов электролита и электродов, от температуры среды. Температура незначительно влияет на электродвижущую силу элементов аккумулятора. Аккумуляторы (в том числе неиспользуемые) со временем портятся. Поскольку для конкретного применения напряжения одного элемента аккумулятора обычно недостаточно, элементы часто объединяют в аккумуляторные батареи. 1.6.2. Свинцово-кислотные аккумуляторы Свинцово-кислотные аккумуляторы нашли широкое применение в источниках бесперебойного питания.
Пластины таких аккумуляторов выполнены из свинца и его двуокиси, а роль электролита играет серная кислота. Пластины, выполненные из металлического свинца <РЬ>, имеют отрицательный заряд, а пластины, покрытые двуокисью (перекисью) свинца <РЬО~>, — положительный заряд. Их чередуют таким образом, чтобы между пластинами из свинца располагались пластины с покрытием из двуокиси свинца. Пластины помещают в контейнер (обычно из пластика) и заливают водным раствором кислоты <Нзб04>.
Напряжение одного элемента такого аккумулятора составляет примерно 2 В. Во время разряда аккумулятора в результате реакции происходит выход воды, а на пластинах обоих типов образуется сернокислый свинец <РЫ04>. Из-за разбавления водой раствора серной кислоты падает ее концентрация н разность потенциалов между выводами. Поскольку сернокислый свинец обладает низкой удельной проводимостью, возрастает внутреннее сопротивление аккумулятора. Глубокий разряд или постоянные частичные разряды свинцово-кислотных аккумуляторов недопустимы, потому что при этом возникает сульфатация пластин, она обширна, на их поверхности возникают белые кристаллы сернокислого свинца, которые не растворимы в электролите серной кислоты.
Сульфатация также возникает при недостаточном уровне раствора кислоты, когда пластины лишь частично заполнены электролитом и пр. Глубокая сульфатация приводит к повышенному выделению газа в аккумуляторе, ввиду чего он может, при отсутствии защитного устройства, взорваться. Следует отметить, что неглубокая сульфатация всегда сопровождает функционирование работоспособного аккумулятора, в то время как глубокая сульфатация может привести к полному выходу устройства из строя. Для заряда свинцово-кислотного аккумулятора его пластины в соответствии с полярностью подключают к зарядному устройству.
Возникает обратная химическая реакция: 804 + РЬЯ04+ 2НзО = РЬОз + 2Нг$0ь в результате чего из электролита поглощается вода, увеличивая концентрацию кислоты, на отрицательной пластине выделяется металлический свинец, а на положительной — его двуокись. Достоинства свинцово-кислотных аккумуляторов: долговечность, небольшая стоимость, надежность, низкое внутреннее сопротивление и отсутствие эффекта "памяти". 22 Общее предстаапение об источниках питания Недостатки: ° большая масса; ° использование ядовитых веществ; ° невозможность разряда аккумулятора при температуре ниже-40 'С и заряда при 0 'С; ° невозможность хранения устройства в разряженном состоянии; ° в отдельных случаях — выделение газов при неправильной эксплуатации; ° значительный саморазряд, достигающий 1'.4 в течение 24 часов [212, с.
2821. 1.5.3. Щелочные аккумуляторы Щелочные аккумуляторы, по сравнению со свинцово-кислотными, обладают рядом достоинств, а именно: ° примерно постоянная плотность электролита; ° большая скорость заряда; ° возможность миниатюризации; ° могут функционировать при более низких температурах. В качестве электролита щелочных аккумуляторов используют щелочи: раствор гидроксида калия (едкое кали <КОН>) или раствор едкого натра <1ЧаОН>.
Материал обкладок и конструкций щелочных аккумуляторов разнообразен. Так, например, производят серебряно-цинковые, никель-кадмиевые, никель-железные, серебряно-кадмиевые и прочие аккумуляторы. Принцип действия щелочных аккумуляторов аналогичен принципу действия кислотных аккумуляторов. Корпусы никель-железных и никель-кадмиевых аккумуляторов изготовляют из железа, покрытого слоем никеля с целью уменьшения коррозии, а корпусы серебряно-цинковых аккумуляторов — из пластмассы. Отрицательно заряженные пластины серебряно-цинковых аккумуляторов выполняют преимущественно из окиси цинка, а положительно заряженных — из восстановленного серебра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
