Устройства, которые в процессе заряда накапливают электрическую энергию путем преобразования ее в химическую, а при разряде отдают электроэнергию, называются аккумуляторами.
Количество электричества, выраженное в ампер-часах (А-ч), которое может отдать нормально заряженный аккумулятор, при разряде за время tp, определенной величиной тока Ip, до минимально допустимого напряжения, называется емкостью аккумулятора: Qp = Iptp
Емкость аккумулятора зависит от размеров пластин, величины разрядного тока, плотности и температуры электролита.
Аккумуляторы являются автономными источниками питания, дающими постоянный ток без пульсаций и высших гармоник. Судовые аккумуляторы чаще всего бывают кислотные (свинцовые) и щелочные.
Кислотные аккумуляторы (рис. 2) выпускают одиночными элементами и моноблоками, называемыми аккумуляторными батареями. Кислотные аккумуляторы состоят из банок, положительных и отрицательных пластин, сепараторов, крышек и электролита. Отрицательных пластин на одну больше. Это необходимо для предотвращения коробления положительных пластин при их одностороннем разряде.
Рис. 2. Кислотный аккумулятор: а - устройство; б - кривые напряжения при заряде - разряде: I - заряд; II - разряд
Банки 6 судовых аккумуляторов бывают эбонитовые и из асфальтопековой массы.
На рис. 2, а показано устройство одного из типов одиночного аккумулятора. Пластины аккумуляторов — решетчатой формы, из свинца с примесью сурьмы, которая придает механическую прочность и кислотостойкость свинцу, после сушки и формовки электрическим током, т. е. длительного разряда-заряда. Активной массой положительных пластин отформованного заряженного аккумулятора является перекись свинца РbO2 темно-коричневого цвета, а отрицательных — чистый губчатый свинец Рb светло-серого цвета.
Положительные и отрицательные пластины соединяют в полублоки, которые имеют выводы с зажимами 1. Полублоки собирают в блок пластин. Между пластинами располагают изоляционные прокладки-сепараторы из микропористого эбонита 5, гофрированной фанеры 4 или пористых пластмасс, стекло-войлока и др. материалов. Электролитом является раствор химически чистой серной (аккумуляторной) кислоты 3 плотностью 1,83—1,84, разведенной в дистиллированной воде. Плотность электролита устанавливается для данного типа аккумулятора заводом-изготовителем и практически колеблется в пределах 1,18—1,31. Она измеряется ареометром или кислотомером.
Банка аккумулятора или отделение моноблока закрывается крышкой, имеющей два отверстия для выводов полублоков, отверстие для заливки электролита и отверстие для отвода газов. Последнее закрывается специальной пробкой 2, позволяющей выходить газам из аккумулятора и не допускающей выливания электролита. Крышку с банкой уплотняют резиной и края ее заливают заливочной мастикой.
При разряде и заряде в аккумуляторе происходит следующая обратимая реакция:
В результате разряда серная кислота электролита соединяется с активной массой положительных и отрицательных пластин, которые постепенно переходят в сернокислый свинец (сульфат свинца) PbSO4, т. е. становятся химически однородными. Вследствие этого уменьшается э. д. с. аккумулятора, увеличивается внутреннее сопротивление, а также выделяется вода и уменьшается плотность электролита. При этом напряжение аккумулятора быстро падает с 2,2 до 2 В (см. рис. 2,б), а затем медленно понижается до 1,75—1,8 В, после чего опять быстро падает.
При напряжении 1,75—1,8 В следует прекратить разряд во избежание чрезмерной сульфатации, т. е. покрытия пластин твердой белой коркой сульфата свинца крупнозернистого строения, не разлагающегося при нормальном заряде.
Таким образом, признаками конца разряда являются уменьшение напряжения до 1,75—1,8 В и малая плотность электролита.
При заряде сульфат свинца на положительной пластине превращается в перекись свинца РbO2, а на отрицательной — в чистый губчатый свинец Рb, т. е. пластины восстанавливаются, а в электролит выделяется серная кислота. В результате повышаются э. д.с. и плотность электролита, а внутреннее сопротивление аккумулятора уменьшается. При этом напряжение в начале заряда быстро растет до 2,2 В, из-за увеличения плотности электролита в порах и у поверхности пластин. В дальнейшем оно медленно повышается до 2,6 В, вследствие повышения плотности электролита во всем аккумуляторе благодаря диффузии, проходящей медленно.
В конце заряда напряжение быстро возрастает до 2,75—2,8 В и в дальнейшем остается неизменным. Скачкообразность изменения напряжения здесь объясняется тем, что процесс восстановления активной массы пластин заканчивается, происходит бурное газовыделение, которое приводит к увеличению внутреннего сопротивления и поляризации пластин.
На величину э. д. с. и соответственно напряжения аккумулятора, главным образом, влияет плотность электролита в порах пластин. Зависимость э.д. с. аккумулятора от плотности электролита может быть выражена формулой E = 0,84 + d (d — плотность электролита при 15°С). Тогда величины зарядного и разрядного напряжений соответственно определятся:
U3=0,84 + d + I3R0; Up=0,84 + d - IpR0, где I3, Ip — зарядный и разрядный токи; R0 — внутреннее сопротивление аккумулятора.
Аккумулятор заряжают током ориентировочно, равным десятой части номинальной его емкости.
Конец заряда кислотного аккумулятора определяется следующими признаками: напряжение повышается до 2,75—2,8 В и не изменяется в течение 1—2 ч; плотность электролита достигает наибольшего значения и остается постоянной; возникает бурное газообразование —«кипение», вследствие чего электролит принимает молочный цвет. При выключении аккумулятора из-под заряда напряжение на его зажимах сразу падает до 2,2—2,1 В.
Различают коэффициент отдачи и к. п. д. аккумуляторов.
Коэффициент отдачи (ηQ) — это отношение разрядной емкости к зарядной емкости, а к. п. д. аккумулятора η) — отношение энергии Wp разряда к энергии W3 заряда. Эти коэффициенты определяются формулами:
Коэффициент отдачи у кислотных аккумуляторов при нормальных режимах разряда и заряда составляет 0,8—0,95, а к. п. д. 0,7—0,8.
Кислотные аккумуляторы имеют малое внутреннее сопротивление (около 0,0005 Ом), поэтому могут отдавать большие токи и используются в качестве стартерных. Они чувствительны к коротким замыканиям, взрывоопасны.
Щелочные аккумуляторы могут быть кадмиево-никелевые, железоникелевые и серебряно-цинковые.
Кадмиево-никелевые и железо-никелевые аккумуляторы состоят из стальных никелированных банок 6 (рис. 3, а), внутри которых располагаются полублоки положительных 4 и отрицательных 3 пластин. Положительных пластин у кадмиево-никелевых аккумуляторов на одну больше, а у железо-никелевых на одну меньше, чем отрицательных.
Пластины кадмиево-никелевых аккумуляторов могут быть ламельной, трубчатой и безламельной конструкции, а железо-никелевых — только ламельной.
Пластины ламельной конструкции представляют собой стальную никелированную раму, в которую впрессовывают пакеты с активной массой.
Активной массой положительных пластин кадмиево-никелевых аккумуляторов является гидрат окиси никеля Ni(OH)3, смешанный с графитом для уменьшения сопротивления, а отрицательных — металлический кадмий Cd с примесью окислов железа.
У железо-никелевых аккумуляторов активная масса положительных пластин такая же, как и у кадмиево-никелевых, а активной массой отрицательных пластин является химически чистое железо.
Оболочка пакетов пластин изготавливается из тонкой перфорированной стальной ленты, позволяющей электролиту проникать к активной массе. Для изоляции положительных пластин от отрицательных между ними устанавливаются сепараторы обычно в виде эбонитовых палочек 1. Крайние пластины, как правило, электрически соединяются с корпусом банок (на рис. 3, а: 2— пробка; 5 — боковая изоляция).
Электролитом является чаще всего раствор едкого калия КОН в дистиллированной воде. Для увеличения емкости и срока службы щелочного аккумулятора в электролит добавляют незначительное количество едкого лития. Часто применяют составной электролит плотностью 1,19—1,21, который можно использовать в широком интервале температур (от -15 до +35°С) с добавлением едкого лития из расчета 20 г на литр раствора.
Аккумулятор заряжается током, численно равным четвертой части номинальной емкости (I3 = Q/4 А) в течение 6 ч, а новый (отработавший до 100 циклов заряд—разряд)—в течение 7 ч.
Рис. 3. Устройство (а) и кривые напряжения при заряде-разряде кадмиево-никелевого (б) и железо-никелевого (в) аккумуляторов: I - заряд, II - разряд.
Аккумулятор не боится перезаряда, поэтому его лучше перезарядить, чем недозарядить. Допускается форсированный заряд в течение 4,5 ч, при этом первые 2,5 ч — током I3=Q/2A, а остальные 2 ч— током I3 = Q/4 А.
Признаками конца заряда аккумулятора является напряжение 1,8—1,85 В и количество ампер-часов, данных ему при заряде, которое должно составлять 150% номинальной емкости аккумулятора, т. е. емкости при температуре электролита +25°С. При разряде и заряде плотность электролита остается неизменной, так как едкий калий в химических реакциях не участвует.
Реакцию разряда и заряда кадмиево-никелевых и железо-никелевых аккумуляторов можно выразить следующими уравнениями:
На рис. 3, б, в приведены кривые изменения напряжения щелочных аккумуляторов при заряде и разряде.
В начале заряда напряжение кадмиево-никелевого аккумулятора быстро достигает 1,43 В, а затем постепенно повышается до 1,5—1,6 В. При получении 2/3 емкости напряжение быстро поднимается до 1,7—1,75 В, после чего медленно возрастает до 1,8—1,85 В, при дальнейшем заряде в течение 20—30 мин остается неизменным.
У железо-никелевого аккумулятора напряжение в начале заряда быстро поднимается до 1,6 В, затем медленно повышается до 1,7—1,75 В, а в конце заряда, в результате покрытия пластин пузырьками газов, быстро увеличивается до 1,85 В.
В начале разряда напряжение кадмиево-никелевого аккумулятора ниже, чем железо-никелевого, но конец разряда характеризуется более медленным падением напряжения. Наименьшим допустимым напряжением щелочного аккумулятора при нормальном восьмичасовом разряде является 1,1 В; при трехчасовом — 0,8 В, а при одночасовом — 0,5 В.
Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов гораздо больше, чем кислотных, и составляет 0,03—0,06 Ом, поэтому они менее чувствительны к коротким замыканиям, но падение напряжения и потери энергии в них больше. Коэффициент отдачи их составляет 0,6—0,75, а к.п.д. — 0,5—0,6. Емкость аккумуляторов зависит от температуры и незначительно — от силы разрядного тока. Наибольшая емкость будет при температурах от 25 до 45°С.
Серебряно-цинковые аккумуляторы состоят из пластмассовой банки, сеточных или проволочных пластин с запрессованной в них активной массой и электролита (раствор едкого калия в дистиллированной воде) плотностью 1,4.
Активной массой положительных пластин является окись серебра AgO, а отрицательных — губчатый цинк. При заряде и разряде плотность электролита неизменна, реакции могут быть представлены в следующем виде:
В начале заряда напряжение быстро повышается до 1,6 В, а потом длительное время почти не изменяется, затем резко увеличивается до 2,1 В.
При разряде номинальным десятичасовым током напряжение держится в пределах 1,85 В около 3 ч, а затем быстро падает до рабочего напряжения 1,6—1,5 В, после чего постепенно понижается до 1 В.
Коэффициент отдачи и коэффициент полезного действия этих аккумуляторов составляет около : 0,99, к. п. д. 0,85. Они допускают быстрый разряд, а поэтому обладают хорошими стартерными свойствами, емкость их почти не зависит от величины разрядного тока и мало уменьшается при низких температурах.
Аккумуляторные батареи, поставляемые заводами-изготовителя-ми, представляют собой ряд последовательно соединенных аккумуляторов (элементов), заключенных в общий ящик (щелочные), или моноблок (кислотные). Напряжение батареи определяется числом элементов.
Таблица 1. Технические данные некоторых стартерных кислотных аккумуляторов
Таблица 2. Технические данные щелочных аккумуляторов
Батареи однотипных аккумуляторов на судне для получения емкости, более паспортной, соединяют параллельно, а для повышения напряжения — последовательно. Основные характеристики - аккумуляторных батарей, применяемых на судах, приведены в табл. 1 и 2.
Маркировка аккумуляторных батарей следующая. Первые цифры обозначают количество элементов в батарее. Буквы расшифровываются: у кислотных батарей — СТ — стартерная, П — пластмассовая банка, Э — эбонитовая, М — моноблок, К — катерная; у щелочных — Н — накальная КН — кадмиево-никелевая, ЖН — железо-никелевая, СЦ — серебряно-цинковая, М — модернизированная. Последнее число обозначает емкость батареи. Например, 6СТК-135 — 6 элементов в батарее (12 В), стартерная, катерная, 135 А-ч; 10 НКН-100 м — 10 элементов (12 В), накальная, кадмиево-никелевая, 100 А-ч, модернизированная.
Обслуживание аккумуляторов в судовых условиях
Обслуживание аккумуляторных батарей заключается в правильном вводе их в эксплуатацию, своевременном проведении их заряда, смене электролита и поддержании в чистоте.
Кислотные аккумуляторы поступают с завода-изготовителя в сухом виде (без электролита), причем, пластины их могут быть заряжены или частично разряжены. В первые аккумуляторы заливают электролит эксплуатационной плотности, а во вторые — электролит, плотность которого зависит от материала сепараторов и указана в заводской инструкции.
Для приготовления электролита в посуду наливают дистиллированную воду, а затем медленно, тонкой струей вливают кислоту, непрерывно помешивая эбонитовой или стеклянной палочкой. Лить воду в кислоту категорически запрещается, так как при этом вода вскипает и разбрызгивается вместе с кислотой.
Аккумуляторную кислоту хранят в стеклянной посуде, помещенной в корзины или деревянные ящики. Однако использовать стеклянную посуду для разведения кислоты не рекомендуется, так как при этом выделяется тепло и стекло может лопнуть.
При заливке в аккумуляторы электролит должен быть охлажден до +20°С. Заливку и доливку аккумуляторов следует производить с помощью эбонитовой, фарфоровой или стеклянной воронки. Уровень электролита должен быть на 12—15 мм выше верхних кромок пластин.
Плотность (удельный вес) электролита замеряют ареометром. Заряженные пластины пропитывают электролитом в течение 2—3 ч, а частично разряженные 4—6 ч, после чего приступают к заряду батареи, предварительно удалив герметизирующие диски из-под пробок или трубочки из вентиляционных отверстий и прочистив отверстия нагретым шилом.
Данные о зарядном токе и продолжительности формовочных циклов для каждой аккумуляторной батареи приводятся в инструкциях.
При заряде температура электролита не должна превышать + 45°С, в случае превышения следует снизить зарядный ток. или прервать заряд и дать охладиться электролиту до +30°С.
Сухозаряженные аккумуляторы при необходимости можно ставить без подзарядки в работу после трехчасовой пропитки пластин электролитом плотностью не ниже 1,23.
Батареи, находящиеся в эксплуатации, следует один раз в шесть месяцев подвергать контрольно-тренировочному циклу, который состоит из заряда эксплуатационным током и разряда током десятичасового режима до напряжения 1,8 В на элемент.
Характерные неисправности кислотных аккумуляторов: чрезмерная сульфатация, разрушение пластин, короткое замыкание между пластинами, износ пластин, повреждение бачков и загрязнение электролита.
Причины сульфатации: хранение аккумуляторов в разряженном состоянии более 24 ч; систематический недозаряд; разряд ниже допустимого предела; разряд очень большими токами; большая плотность электролита; понижение уровня электролита; загрязнение электролита и др.
Признаки сульфатации: быстрый заряд и разряд, быстро повышается температура электролита и очень медленно плотность. Сульфитацию частично устраняют специальными циклами заряд-разрядов. Заряд производят слабыми токами (0,3 Iн), в этом случае в порах активной массы образуется мало газа, что обеспечивает доступ электролита к сульфату, который переходит в активное вещество. Разрушение пластин (выпадение активной массы) происходит в результате их коробления под действием больших токов или резких ударов. Признаками разрушения пластин могут быть малое время разряда и большое время заряда. Выпавшую активную массу удаляют, промывая аккумулятор дистиллированной водой.
Короткое замыкание возникает в результате коробления пластин, поломки сепараторов, скопления на дне банки осыпавшейся активной массы. Признаки его: пониженное напряжение аккумулятора, медленное повышение плотности, малая емкость и позднее выделение газов при заряде.
Рис. 4. План обслуживания аккумуляторных батарей GMDSS оборудования
Износ пластин происходит от заряда аккумулятора большими токами, применения электролита повышенной плотности; определяется по малой емкости. Аккумуляторы с изношенными пластинами заменяют.
Рис. 5. Журнал проверки главных сервисных батарей и батарей для радиооборудования
Загрязняется электролит вследствие применения некачественной серной кислоты, водопроводной или дождевой воды, что приводит к газовыделению в неработающем аккумуляторе и усиленному саморазряду. В этом случае заменяют электролит. Очищают аккумулятор от ползучих солей раствором нашатырного спирта или кальцинированной соды (10-процентный раствор).
Щелочные аккумуляторы поступают с завода-изготовителя в сухом виде (без электролита). В аккумуляторы заливают электролит при температуре не более +30°С. Подготавливают электролит в чистой чугунной или стеклянной посуде, куда сначала кладут необходимое количество размельченной твердой щелочи, а затем осторожно наливают тонкой струей дистиллированную воду. Едкие щелочи хранят в герметических сосудах, так как они поглощают углекислый газ из воздуха. Если электролит готовят концентрированного раствора, следует понемногу вливать раствор в воду, размешивая чистой стеклянной палочкой.
Зная (из заводской инструкции) необходимую плотность электролита и его количество в литрах, определяют массу (в кг) твердой щелочи, потребной для приготовления электролита.
Необходимое количество электролита следует разделить: а) на 2 при приготовлении раствора едкого калия плотностью 1,25—1,27; на 3 —плотностью 1,19—1,21; в) на 5 — плотностью 1,17—1.19.
Составной электролит, представляющий собой смесь едкого калия (натрия) в твердом или жидком концентрированном виде и едкого лития, приготавливают следующим образом: на 1 кг едкого калия в твердом виде следует взять 3 л воды, а на 1 кг едкого натрия — 5 л воды; на 1 л едкого калия в жидком виде плотностью 1,41 следует взять 1 л воды, а на 1 л едкого натрия — 1,5 л воды. В результате плотность калиевого электролита при температуре + 25°С составит 1,19—1,21, а натриевого — 1,17—1,19.
Полученный электролит отстаивают в течение 3—6 ч до полного осветления, а затем заливают в аккумуляторы. После двухчасовой пропитки пластин следует измерить напряжение и уровень электролита в каждом элементе и выполнить формовочные циклы согласно инструкции.
Чтобы предотвратить поглощение углекислоты из воздуха, в каждый элемент щелочной батареи заливают незначительное количество вазелинового масла или, при его отсутствии, керосина.
При смене электролита аккумулятор разряжают восьмичасовым нормальным током до напряжения 1 В, выливают электролит, встряхивая аккумулятор для удаления из него осадков, затем промывают дистиллированной водой. Сразу же заливают аккумулятор новым электролитом и после" двухчасовой пропитки проверяют плотность электролита, доводя ее до 1,19—1,21, затем дают усиленный заряд в течение 12 ч двумя ступенями: первые 6 ч нормальным зарядным током, а вторые 6 ч — равным половине нормального.
Усиленный заряд (1 раз в месяц) проводят также и при нормальной эксплуатации.
Характерные неисправности щелочных аккумуляторов:
- потеря емкости — в результате насыщения углекислым газом электролита и понижения его уровня, редких усиленных зарядов, длительного использования несоставного электролита, малой плотности электролита, систематических недозарядок, коротких замыканий и утечки тока;
- повышенный саморазряд — из-за плохой изоляции между отдельными элементами батареи, примесей в электролите, повышения его температуры и плотности, а также утечки тока;
- усиленное выделение газа при разряде или бездействии аккумулятора вследствие загрязнения электролита вредными металлическими примесями;
- малая емкость и сильный- нагрев при заряде — в результате большого разрядного или зарядного токов, короткого замыкания элементов выпавшей активной массой;
- вспенивание электролита — из-за попадания в электролит органических примесей;
- отсутствие выделения газа при заряде — вызывается коротким замыканием или слишком глубоким предшествующим разрядом;
- усиленное образование ползучих солей — вследствие высоких уровней электролита или его плотности;
- выпучивание стенок банок — при неисправности вентиляционных пробок или преждевременном закрытии их после заряда.
Таким образом, в процессе эксплуатации аккумуляторов необходимо: следить за нормальным уровнем электролита, доливая его дистиллированной водой; очищать элементы от пыли и т. п.; смазывать металлические части вазелином; не разряжать ниже предельных значений напряжений; производить систематический заряд батарей (особенно кислотных); производить регулярную (не реже одного раза в год) смену электролита и т. д.
В качестве зарядных устройств аккумуляторов применяют электромашинные преобразователи или статические полупроводниковые (селеновые или кремниевые) зарядные агрегаты.
Селеновые агрегаты устанавливают вместе с зарядными щитами, образуя зарядные устройства, которые позволяют регулировать вручную ток и напряжение на батареях.
Кремниевые агрегаты имеют 1,2 и 3 канала, в каждом из которых ток заряда можно изменять на 3 ступени. Это позволяет заряжать несколько батарей без зарядного щита.
