Электр аккумуляторы



жүктеу 93.17 Kb.
Дата30.01.2017
өлшемі93.17 Kb.
Электр аккумуляторы.
Электр аккумуляторы – электр энергисын жинап (химиялық энергияға айналдыру арқылы), қажет болғанда сыртқы тізбекке бере алатын химиялық ток көзі. Электр аккумуляторы ішінде электролит (қышқыл не сілті) және электродтары бар изоляциялық материалдан (эбонит, шыны, пластмасса) жасалған ыдыстан тұрады. Электродтарын сыртқы тізбекке қосқанда, онда химиялық энергияны электр энергиясына айналдыратын химиялық процесс жүреді. Тізбектен электр тогы өтіп, аккумулятор разрядталады. Разрядталған аккумуляторды басқа тұрақты ток көзіне қосып зарядтайды. Бұл жолы керісінше электр энергиясын химиялық энергияға түрлендіретін химиялық процесс жүреді. Сыртқы тізбекке берілетін электр мөлшері (А·сағ) аккумулятордың сыйымдылығы, ал аккумулятордың 1 кг салмағы не 1 дм3 көлемінен алынатын энергия мөлшері (Вт·сағ) оның салмақтық немесе көлемдік меншікті энергиясы деп аталады. Электр аккумуляторы сыйымдылығымен және энергия қайтымдылығымен (немесе пайдалы әсер коэффициентімен), сондай-ақ зарядтау және разрядтау кезіндегі токтың орташа кернеуімен (В) де сипатталады. Сыйымдылық қайтымдылығы деп разрядтық А·сағ-тың зарядтау кезінде алынған А·сағ-қа қатынасын, энергия қайтымдылығы деп разрядтық энергия мөлшерінің зарядтау кезінде жиналған энергияға қатынасын айтады.

Электр аккумуляторы стационарлы және тасымал болып бөлінеді. Стационарлы аккумулятор электр, радио, телефон және телеграф стационарларында тұрақты ток көзі ретінде, тасымал аккумуляторы көшпелі қондырғыларда (көшпелі радиоаппаратураларда, автомобильде, самолетте, электрокарда т.б.) қолданылады. Электр аккумуляторы электролит түріне қарай қышқылды және сілтілі болып бөлінеді. Кең тарағаны – қорғасынды-қышқылды электр аккумуляторлары (негізінен стационар қондырғыларда). Оларда электролит ретінде тығыздығы 1,18-1,29 г/см3 күкріт қышқылының (H2SO4) ерітіндісі, ал оң электрод ретінде қорғасынның қос тотығы (PbO2), теріс электрод ретінде металдық қорғасын (Pb) пайдаланылады. Қышқылды аккумулятор разрядталғанда, мынадай химиялық процесс жүреді:


PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O.
Соның нәтижесінде аккумулятор кернеуі мен электролит тығыздығы кемиді. Аккумулятордың разрядтау кезіндегі орташа кернеуі 1,98 В, ал зарядтық кернеуі 2,4 В.

Тасымал электр аккумуляторы ретінде көбінесе сілтілі аккумулятор пайдаланылады. Қышқылды аккумуляторларға қарағанда оның механикалық беріктігі жоғары, жұмыс үстінде зиянды газ бөлмейді, пайдалануға ыңғайлы. Сілтілі аккумуляторларға темірлі-никельді және кадмийлі-никельді электр аккумуляторларды қолданады. Оларда электролит ретінде тығыздығы 1,20

г/см3 ащы калийдің судағы ерітіндісі (калий сілтісі), оң электрод ретінде графит араласқан никель тотықтары, теріс электрод ретінде темір ұнтақтары немесе темір араласқан металдық кадмий пайдаланылады. Темірлі-никельді аккумуляторлардың орташа зарядтық кернеуі 1,74 В, ал кадмийлі-никельді аккумуляторларда – 1,65 В. Самолеттерде күмісті-мырышты және күмісті-кадмийлі сілтілі электр аккумуляторлар кеңінен қолданылады. Олардың меншікті энергиясы басқа аккумуляторларға қарағанда молырақ, герметизацияланған жабық ыдыстарда, температурасы және қысымы төмен биіктік жағдайында жұмыс істей береді. Бірақ олар қорғасынды-қышқылды электр аккумуляторларына қарағанда 4-10 есе қымбатқа түседі. Электр аккумуляторлар басқа да өндірістің көптеген салаларында қолданылады. Қуатты және жоғары кернеулі тұрақты ток көздерін жасау үшін электр аккумуляторларынан батареялар құрастырылады. Электр аккумуляторларын жасауда бірінші тәжірибені 19 ғасырдың бас кезінде В.В.Петров және И.Риттер жүргізді. Аккумуляторлардың конструкциясын жетілдіріп, оның қасиеттерін зерттеуде орыс ғалымдары Э.Х.Ленц, Д.А.Лачинов, Е.П.Тверитинов, Н.Н.Бенардос, П.Н.Яблочков, М.П.Авенариус, ағылшын физигі У.Гров, француз Р.Планте т.б. ғалымдар үлкен үлес қосты. Сілтілі аккумуляторларды 1900 жылы Т.А.Эдисон ойлап тапты.

Жылу және бу аккумуляторлары.
Жылу аккумуляторлары жылу-күш қондырғыларында жылу жинауға арналған. Олар айнымалы қысымды және тұрақты қысымды болып бөлінеді. Көп тарағаны – айнымалы қысымды жылу аккумуляторы. Көбінесе оны бу-сулы аккумулятор деп те атайды. Онымен бу шығыны тұтынушыларға байланысты күрт өзгеріп отыратын кішігірім және орташа қуатты жылу электр стационарлары жабдықталады. Тұтыну кеміген кезде бу қазанынан жылу аккумуляторларына жіберілген артық бу ондағы суға өзінің жылуын береді. Ал бу шығыны көбейгенде, жылу жүйесіндегі бу қысымының төмендеуі салдарынан баяғы қызған су буға айналады да, тұтынушылар буды жалғыз бу қазанынан емес, сондай-ақ жылу аккумуляторларынан да алады. Тұрақты қысымды жылу аккумуляторлары резервуарындағы суды тікелей бу қазанының өзінде де және артылған бумен одан сыртқары да қыздыра алады. Жылу аккумуляторлары қазандағы бу қысымынан төмен қысымды бумен де жұмыс істей береді. Мысалы: турбинада пайдаланылған төмен қысымды бумен резервуардағы суды қыздыруға болады. Жылу аккумуляторларымен регенеративтік қыздырғылардың қаншасы болса да, параллель жұмыс істей алады. Оның температурасы төмендеген сайын, бу өнімділігі де арта түседі. Жылу аккумуляторы жылу қондырғыларының пайдалы әсер коэффициентін көбейтеді, өндіріс цехтарын бумен үзіліссіз бірқалыпты қамтамасыз етеді, ондағы еңбек өнімділігін арттыруға жағдай жасайды.

Бу аккумуляторларымен көбінесе пайдаланылған буды жинау үшін қуаты аз бу двигательдері жабдықталады. Одан бу әр түрлі технологиялық мақсаттарға (мысалы, кептіру камералары), сондай-ақ сантех. қондырғылар қажетіне жұмсалады. Қуатты бу күш қондырғыларында бу аккумуляторлары болмайды.

Қышқылдық немесе қорғасын, сілтілік, т.б. аккумуляторлары .
Қышқылдық аккумуляторлар пластиналардан, пластина блогтарынан, электролиттерден және бактардан тұрады.

Пластина – қорғасыннан жасалынған торлар. Ол торларға активті заттар жабылған, оң пластиналардың активті заты ол – қоңыр түсті қорғасынның қос тотығы. Ал теріс пластиналардың активті заты ақшыл сұр түсті кеуекті қорғасыннан тұрады. Жұмыс істеу кезінде ол активті заттарға сіңіп тұрады.

Қышқылдық аккумуляторлардың оң және теріс пластиналары барсетка деп аталатын қыстырма арқылы өзара параллельді жалғанады.

Оң пластиналардың торын теріс платиналардың ортасына орналастырады. Олардың арасына қысқа тұйықталу болмау үшін изолятор орналастырады, оны сепараторлар деп атайды. Оларды кеуекті эбонидтен, пластмассалардан және басқа заттардан жасайды. Қышқылдық электрлік аккумуляторларда электролит ретінде күкірт қышқылының дистелденген судағы екртіндіс іпайдаланылады. Электролиттің негізгі сипаттамасы, бұл оның тығыздығы. Қышқылдық электрлік аккумуляторларда электролиттің тығыздығы 1,2 ден 1,3 – ке гр/см3 аралықта болады. Қышқылдық электрлік аккумуляторлар разрядталғанда оң пластиналардағы қорғасынның қос тотығы күкірт қышқылды қорғасынға айналып қалпына келеді. Ал таза кеуекті қорғасынның теріс пластиналары күкірт қышқылды қорғасынға айналады. Бұл реакция барысында күкірт қышқылы шығынданады және су пайда болады. Сол себепті электролиттің тығыздығы азаяды. Қышқылды электрлік аккумуляторлар зарядталу барысында кері процесс жүреді. Оң пластиналардың күкірт қышқылды қорғасыны оның қос тотығына тотыға алады. Ал теріс пластиналардың күкірт қышқылды пластиналары таза қорғасынға айналып қалпына келеді. Мұндағы жүретін электро – химиялық реакцияның түрі мынадай:

PbO2 + 2H2SO4 +Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4

(аккумулятор зарядталуы) (аккумулятор разрядталуы)

Қышқылды электрлік аккумуляторлардың орташа жұмыс істеу кернеуі 2 В. Зарядталу кернеуі 1,2 ден 2,7 – 2,8 – ге дейін көтеріледі. Аккумуляторды зарядталу құрылғысынан ажыратқанда кернеу 2,2 В дейін төмендейді. Разрядталу кезінде кернеу 1,7 В – қа дейін төмендейді. 1,7 В разрядталудың соңы болып табылады. Ары қарай разрядталу аккумулятор пластиналарының істен шығуына алып келеді. Қышқылды элекрлік аккумуляторлардың қайтымдылығы сыйымдылық бойынша ηс = 80 - 90%. Ал энергиялық қайтымдылығы ηw = 70 - 80%. Сонымен қатар қышқылдық электрлік аккумуляторлардың өздігінен разрядталу процессі жүреді. Оның шамасы тәулігіне 1 – 1,5%.Қорғасын аккумуляторлары тор тәрізді етіп жасалған екі қорғасын пластинкадан тұрады. Бұл пластинкалардың торларының тесіктеріне қорғасын (ІІ) оксиді (PbO) толтырылған. Осындай пластинкалар тік бұрыштар қорапқа құйылған 25-30%, тығыздығы 1,18-1,20 г/см3 болатын күкірт қышқылының ерітіндісіне батырылады. Пластинкалардағы қорғасын оксидінің күкірт қышқылымен әрекеттесуі нәтижесінде екі пластинканың беті ерімейтін қорғасын (ІІ) сульфатымен қапталады:
PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O
Енді аккумулятор электр энергиясын химиялық энергияға айналдыру үшін оны зарядтау керек. Ол аккумулятордың бір пластинкасын тұрақты ток көзінің теріс, ал екінші пластинкасын оң полюсімен жалғайды. Осының нәтижесінде электролиз, яғни сыртқы тұрақты ток көзінің әсерінен электродтарда тотығу-тотықсыздану реакциясы жүріп электр энергиясы

химиялық энергияға айналады. Бұл процесті қорғасын аккумуляторының зарядталуы дейді және бұл кезде электродтарда мынадай тотығу-тотықсыздану реакциялары жүреді.

Катодта: Pb2 + SO4 + 2е = Pbо + SO42-

Анодта: Pb2 + SO4 - 2е + 2Н2О = Pb4 + О2 + 4Н+ + SO42-

Жиынтық теңдеуі: 2Pb2 + SO4 + 2Н2О = Pbо + Pb4 + О2 + 4Н+ + SO42-

Келтірілген теңдеулерден аккумуляторды зарядтаған кезде катодта – теріс электродта Pb2+ иондары екі электроннан қосып тотықсызданып қорғасынға айналады, ал анодта оң электродта Pb2+ иондары екі электроннан беріп жіберіп Pb4+-ке айналып қорғасын (ІV) оксидін түзеді.

Потенциалы оң болса да (0,00В) сутегінің қорғасындағы асқын кернеуі көп болғандықтан сутегі иондары тотықсызданбай, қорғасын иондары тотықсызданады.

Сонымен зарядталып болғаннан кейін қорғасын аккумуляторының бір пластинкасы (электроды) металл күйдегі қорғасынмен, екінші пластинкасы (электроды) қорғасын (ІV) оксидімен қапталады. Осы себептен аккумулятордың металл күйдегі қорғасынмен қапталған электродының потенциалы теріс – ал қорғасын (ІV) оксидімен қапталған электродының оң зарядтары басымырақ болып, олардың біріншісінің тотықсыздандырғыштық, екіншісінің тотықтырғыштық бейімділігі артады. Басқаша айтқанда, зарядтағаннан кейін қорғасын аккумуляторының қорғасынмен қапталған пластинкасы теріс электрод, ал қорғасын (ІV) оксидімен қапталған пластинкасы оң электрод болатын гальваникалық элементке айналады. Оның схемасын былай жазуға болады:


(-)Pb | H2SO4 | PbO2 (+)
Осы зарядталған аккумулятордың теріс және оң электродтарын өткізгішпен қосқанда электрондар теріс электродтан оң электродқа қарай жылжып химиялық энергия электр энергиясына айналады да сыртқы тізбек бойында электр тогы пайда болады. Мұны аккумулятордың зарядсыздануы дейді және бұл кезде электродтарда мынадай процестер жүреді:

Теріс электродта Pbо – 2е + SO42- = Pb2 + SO4

Оң электродта Pb4 + О2 + 2е + 4Н+ + SO42- = PbSO4 + 2H2O

Жиынтық теңдеуі Pbо + Pb4 + О2 + 4Н+ + SO42- = 2Pb2 + SO4 + 2H2O

Қорғасын аккумуляторының электр қозғаушы күшін гальваникалық элементтің электродтарында жүретін процестердің стандартты тотығу-тотықсыздану потенциалдары арқылы табуға болады.

Сілтілік электрлік аккумуляторлар пластинаның активті затына байланысты 3 түрге бөлінеді. NiCd, NiFe, AgZn. NiCd, NiFe сілтілік аккумуляторлары кеңінен қоданылады. Сілтілік электрлік аккумуляторларда электролит ретінде тығыздығы 1,2 гм/см3 тең улы кадмидің судағы ертіндісі пайдаланылады. Никель – кадмийлі сілтілік электрлік аккумуляторларда жүретін химиялық реакция кезінде:

Разрядталу оң пластинадағы никельдің гидрооксиді никельдің шала тотығына өтеді, ал теріс пластинадағы кеуекті кадмий шала тотыққан гидратқа өтеді.

Зарядталғанда реакция кері жүреді, қалпына келу процессі орындалады.

(+) (-) Разряд (+) (-)
2Ni(OH)3 + KOH + Cd 2Ni(OH)2 + KOH + Cd(OH)2

(аккумулятор зарядталды) Заряд (аккумулятор разрядталды)

Толық разрядталған NiCd –лі сілтілік электрлік аккумулятордың Э.Қ.К–і 1,3В, номиналды кернеуі 1,2 В – қа тең, разрядталғандағы кернеуі 1В. Орташа жұмыс істеу кернеуі 1,25 В – қа тең. Зарядталғанда кернеу 1,8 В – қа дейін көтеріледі. Ал разрядталғанда 1,25 тен 1,2 В – қа дейін төмндейді.

Сыйымдылық бойынша қайтымдылығы 60 - 70%. Энергия бойынша қайтымдылығы 50 - 60%.Сілтілік аккумуляторлар – сілтілік аккумуляторлардың ішінде темір-никель аккумуляторларының практикалық маңызы зор. Бұл аккумуляторлардың теріс электроды аздаған сынап (ІІ) оксиді қосылған кеуек темірден, ал оң электроды никель (ІІІ) гидроксидінен тұрады. Олар 30% калий гидроксиді ерітіндісіне батырылған. Аккумулятордың схемасы

мынадай:
(-) Fe | KOH | Ni(OH)3 (+)
Аккумуляторларда химиялық энергия электр энергиясына айналғанда, яғни ол электр тогын бергенде сыртқы өткізгіш бойынша электрондар теріс электрод темірден оң электрод никель (ІІІ) гидроксидіне қарай жылжып, электродтарда мынадай процестер жүреді:

Теріс электродта: Fe0 – 2е + 2ОН- = Fe2 + (ОН)2

Оң электродта: 2Ni3 + (ОН)3 + 2е = 2Ni2+ + (ОН)2 + 2ОН-

Жиынтық теңдеуі: Fe0 + 2Ni3 + (ОН)3 = Fe2 + (ОН)2 + 2Ni2+ + (ОН)2

Бұл аккумулятордың жұмыс істеген кездегі токтың кернеуі 1,3 В.

Соңғы кезде күміс-мырыш аккумуляторы жиі қолданылып келеді. Оның бір электроды күмістен, екінші электроды мырыш гидроксидінен тұрады да, электролит ретінде тығыздығы 1,4 г/см3 болатын калий гидроксиді қолданылады. Аккумулятор беретін токтың кернеуі 1,85 В.

Гидравликалық аккумулятор гидравликалық қондырғылардағы сұйық заттың шығыны мен қысымын реттеп отыруға арналған. Ол цилиндр мен ондағы плунжерден тұрады. Шығын азайғанда насостан келетін артық сұйық затты өз қысымымен жинап, шығын көбейгенде оны жұмыс машиналарына беріп отырады. Соның арқасында гидравликалық қондырғылардың жұмыс өнімділігі артады. Ол сорғылардан (компрессорлардан) келетін артық сұйық затты (газды) өз қысымымен жинап, шығын көбейгенде оны жұмыс машиналарына беріп отырады. Мұндай аккумулятор гидравликалық және пневматикалық қондырғылардағы сұйық заттың қысымы мен шығынын реттеп отыруға пайдаланылады.

Пневматикалық аккумулятор пневматикалық қондырғылардағы ауа шығыны мен қысымын реттеу мақсатында сығылған ауа энергиясын жинауға арналған. Ол ауа құбырына жалғанған резервуардан тұрады. Артық ауа резервуарда жиналады да, шығын көбейгенде ауа таратқыш жүйеге беріліп отырады. Пневматикалық аккумулятор – ірі пневматикалық желілерде, жел электр стационарларында т.б. қолданылады.



Инерциялық аккумулятор қызметін айналып тұрған маховик атқарады. Маховик салмағы мен оның айналу жылдамдығы неғұрлым көп болса, онда жиналатын энергия мөлшері де соғұрлым мол болады. Инерциялық аккумулятор – жел электр стационарларында генератордың, сондай-ақ штамптау станогы, механикалық балға, поршенді насос т.б. жұмыс жағдайы айнымалы машиналардың айналу жылдамдығын бір қалыпты ұстау мақсатында қолданылады.




©stom.tilimen.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет