Лекция 2 - Конспекты

ГЛАВА 2ИСТОЧНИКИ ПЕРВИЧНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИСоставитель:к.т.н. Родин М.В.Москва – 2017Электропитание РЭАГлава 2СОДЕРЖАНИЕ2.1 Введение ............................................................................................................. 32.2 Химические источники тока .......................................................................... 42.2.1 Общие сведения............................................................................................... –2.2.2 Первичные химические источники тока ...................................................... 152.2.3 Вторичные химические источники тока ......................................................

312.2.4 Эксплуатация химических источников тока................................................ 482.2.5 Области применения химических источников тока .................................... 512.3 Альтернативные источники тока ................................................................ 602.3.1 Общие замечания ............................................................................................ –2.3.2 Термобатареи ................................................................................................. 612.3.3 Фотоэлектрические источники тока .............................................................

642.3.4 Топливные источники тока ........................................................................... 682.3.5 Биохимические источники тока ................................................................... 772.3.6 Атомные источники тока ..............................................................................

782.4 Электромашинные генераторы ................................................................... 812.4.1 Общие сведения............................................................................................... –2.4.2 Трёхфазные системы электроснабжения .....................................................

862.4.3 Расчёт мощности в трёхфазных системах электроснабжения .................. 1012.4.4 Измерение мощности в трёхфазных системах электроснабжения ........... 1032Электропитание РЭАГлава 22.1 ВведениеЭлектроэнергия играет важную роль в жизни современного человека, сопровождая его повсюду. Мобильные телефоны, радиоприёмники, телевизоры,компьютеры – все эти и многие другие привычные каждому технические средства, облегчающие нашу жизнь, не способны функционировать без постоянногоэлектроснабжения. При этом количество радиоэлектронной аппаратуры (РЭА),окружающей нас, не становится меньше, оно постоянно увеличивается из годав год.Делая свою жизнь комфортней, человек всё более становится зависимымот электроснабжения.

Именно поэтому в науке и технике так велик интерес кисточникам электроэнергии, в том числе новым, обещающим длительной автономной работы РЭА.Ранее мы разделили источники электроэнергии на первичные и вторичные. К первичным источникам электроэнергии мы отнесли источники, преобразующие неэлектрическую энергию (химическую, тепловую, механическую,световую и т.д.) в электрическую. Среди них:- химические источники тока;- термоэлектронные генераторы и преобразователи;- фотоэлектрические источники тока;- топливные элементы;- биохимические источники тока;- атомные элементы;- электромашинные генераторы.Все источники первичной электроэнергии, за исключением химических иэлектромашинных генераторов, будем называть альтернативными источниками электроэнергии.Однако несмотря на то, что непосредственное использование первичныхисточников электроэнергии ограничено (невысокая стабильность, отсутствие3Электропитание РЭАГлава 2регулировки и т.

д.), тем не менее, они обеспечивают электрической энергиейсовременный мир. Их широко используют в портативной аппаратуре (мобильные телефоны, калькуляторы, радиоприёмники, ноутбуки, слуховые аппараты,электроинструмент и т. д.), стационарной (базовые станции мобильной связи,радио- и телевещательное оборудование и т.д.), а также в ряде других приложений (электромобили, автомобили, железнодорожный транспорт, самолёты, радиолокационные системы и т. д.).Далее рассмотрим источники первичной электроэнергии более подробно.2.2 Химические источники тока2.2.1 Общие сведенияЖизнь современного общества невозможно представить без использования химических источников тока (ХИТ).

Они незаменимы на транспорте, впромышленности, в военной и специальной технике, а также в других сферахнародного хозяйства страны.ХИТ – это устройство, в котором химическая энергия непосредственнопревращается в электрическую энергию. Устройство для этого преобразованиятакже называют "гальваническим элементом".ХИТ широко используют для автономного электропитания РЭА. Такжеих применяют как вспомогательные и (или) резервные источники электроэнергии.

Выходное напряжение ХИТ практически не содержит переменной составляющей (пульсаций). Поэтому ХИТ часто используют в РЭА, критичной к качеству напряжения электропитания.Основой работы ХИТ является химическая реакция взаимодействия окислителя и восстановителя. В процессе взаимодействия окислитель, восстанавливаясь, присоединяет электроны, а восстановитель, окисляясь, отдаёт электроны. Чтобы энергия этой реакции не выделялась в виде тепла, а превращаласьисключительно в электрическую энергию, процессы окисления и восстановле-4Электропитание РЭАГлава 2ния должны быть пространственно разделены.Таким образом, ХИТ представляет собой электрохимическую систему.Отметим, что электрохимическим методом можно также обратно преобразовать электрическую энергию в химическую и таким образом накапливать(аккумулировать) электрическую энергию в химической форме.Простейшая электрохимическая система состоит из двух электродов, разделённых проводником второго рода, т.е.

ионным проводником, или электролитом. Электролит необходим для предотвращения непосредственного перехода электронов от восстановителя к окислителю. Структура такой системы имеетвид, представленный на рисунке 2.1.Рисунок 2.1 – Структура гальванической электрохимической системы1 – катод (окислитель); 2 – электролит (ионный проводник); 3 – анод (восстановитель);4 – корпус; 5 – внешняя омическая нагрузкаЭлектродом называют проводник первого рода, находящийся в контактес ионным проводником. На границе между этими проводниками возникает скачок потенциала, называемый электродным потенциалом.

Электрод, на которомпротекает окисление (отдача электронов) восстановителя, называют анодом,электрод, на котором протекает восстановление (приём электронов) окислителя – катодом.ХИТ принято делить на две группы:- гальванические элементы и батареи;5Электропитание РЭАГлава 2- аккумуляторы (от латинского accumulator, что означает "собиратель"; вэлектротехнике так называют устройства, накапливающие электрическую энергию с целью её дальнейшего применения).Элементы первой группы также называют первичными ХИТ, а элементывторой – вторичными.Первичные ХИТ – одноразовые, содержат активные вещества в электродах, а после полного расходования активных веществ становятся неработоспособными и требуют замены новыми. Процесс генерации энергии в ХИТ называют разрядом.

Как правило, ХИТ работают в режиме непрерывного или прерывистого разряда. ХИТ, состоящий из одной ячейки, называют гальваническим элементом. Если ХИТ состоит из двух и более элементов, то он называется гальванической батареей.Вторичные ХИТ после разряда, т.е. после израсходования активных массмогут быть приведены в рабочее состояние пропусканием электрического токачерез элемент в обратном направлении.Первичные ХИТ, по сравнению с аккумуляторами, обладают бо́ льшейудельной электрической ёмкостью и имеют меньшую стоимость.

Основным жепреимуществом аккумуляторов является возможность их многократного использования и вследствие этого значительно ме́ньшая стоимость единицы получаемой электроэнергии.Так как в ХИТ имеет место непосредственное превращение химическойэнергии в электрическую (без тепловой стадии), то коэффициент полезногодействия (КПД) ХИТ обычно высок – и может достигать 90-95%.Рассмотрим далее основные характеристики первичных и вторичныхХИТ.Термодинамика электрохимических элементов позволяет определить ихэлектродвижущую силу E (ЭДС). ЭДС – это теоретическая разность потенциалов между положительным и отрицательным электродами в отсутствие тока,6Электропитание РЭАГлава 2т.е.

когда элемент разомкнут. ЭДС равна разности равновесных электродныхпотенциалов двух электродов.Реальная разность потенциалов электродов разомкнутого элемента, называемая напряжением разомкнутой цепи, может быть равна ЭДС, а может отличаться. Отличие обусловлено тем, что на электродах не устанавливаются равновесные потенциалы из-за протекания других (побочных) реакций, кроме основной реакции, для которой был проведён термодинамический расчёт. Побочные реакции обычно вредны, т.к.

вызывают дополнительный расход реагентови снижают напряжение элемента.При замыкании гальванического элемента (или аккумулятора) на внешнюю нагрузку Rвнеш образуется электрическая цепь (рисунок 2.2). При этом напряжение на нагрузке Uразр (разрядное напряжение) определяется какU разр  E    Irвнутр ,(2.1)где ∆ – поляризация электродов при разряде; I – ток разряда; rвнутр – внутреннее сопротивление элемента, представляющее собой сумму активных сопротивлений электродов, сепараторов, ионных проводников и других токоведущихэлементов.