Методы улучшения эксплуатационных характеристик свинцовых аккумуляторов в составе установок, действующих на энергии возобновляемых источников Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.355.2 Канд. техн. наук В.В. КОЛОСОВСКИЙ

(СПбГАУ, [email protected]) Канд. техн. наук В.Л. КОЛНЫШЕНКО

(ВМПИ, [email protected])

МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВИНЦОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ В СОСТАВЕ УСТАНОВОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ЭНЕРГИИ

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Свинцовый аккумулятор, асимметричный переменный ток, десульфатация пластин

В условиях нынешней России прокладка линий электропередач, обеспечивающих централизованное энергоснабжение локальных объектов, часто оказывается экономически нецелесообразной и труднореализуемой. С другой стороны, использование традиционных дизельных генераторов в качестве автономных источников электроэнергии также бывает неоправданным: по причине высокой стоимости топлива, расходов на его транспортировку и хранение. Между тем возможным решением задачи энергоснабжения таких объектов нередко оказывается применение установок, действующих на базе возобновляемых источников энергии, в первую очередь - энергии ветра и солнца.

Для индивидуальных пользователей в настоящее время все большее значение приобретает так называемый «интеллектуальный быт», немыслимый без освещения, телевидения, бытовых электроприборов и электроинструмента, компьютера, мобильных телефонов. Для удовлетворения подобных потребностей среднестатистическая семья сегодня расходует 100 - 200 кВт/ч электроэнергии в месяц.

Задачу выработки такого количества энергии может решить небольшая автономная ветроэлектрическая установка малой мощности (ВЭУММ) с номиналом до 1,5 кВт, работающая совместно с накопителем энергии - электрическим аккумулятором. Применение последнего позволяет стабилизировать напряжение в системе и достигать высоких пиковых значений потребляемой мощности, легко суммировать энергию, получаемую от нескольких источников.

Улучшение эксплуатационных характеристик свинцовых аккумуляторов, как правило, ранее осуществляется исключительно путем совершенствования их конструкции, а также структуры и состава применяемых активных веществ. Практика, однако, показала, что подобный путь не является единственным.

Возможен путь улучшения эксплуатационных характеристик аккумуляторов за счет применения для их заряда асимметричного переменного тока, т. е. переменного тока с различными амплитудами и длительностями импульсов обоих направлений.

Заряд рекомендуется проводить при соотношении значений прямого и обратного токов 1з/1р=10/1, а продолжительность этих токов должна выдерживаться в соотношении 1/2 [1].

Из публикаций по теории электрокристаллизации известно, что периодическое изменение направления тока при заряде свинцовых аккумуляторных батарей асимметричным током позволяет управлять восстановительными реакциями и структурными изменениями активного материала пластин, получая, в зависимости от соотношения и абсолютных значений анодного и катодного периодов, кристаллы различных размеров и форм. Это позволяет добиться увеличения суммарной пористости и действующей поверхности пластин, т. е. увеличения поверхности соприкосновения электролита с активным материалом электрода, что облегчает условия диффузии и выравнивания концентрации электролита в приэлектродном слое.

Увеличение суммарной пористости обеспечивает возможность повышения предельного тока заряда, так как соотношение между ними есть величина постоянная. Это создает предпосылки для форсирования процесса заряда по плотности тока.

При заряде аккумуляторных батарей асимметричным переменным током за счет улучшения условий перемешивания электролита в при- электродном слое положительного электрода создается более кислая среда, благоприятствующая получению тетрагональной формы (Р-модификации) диоксида свинца [2].

При катодном периоде (обратной составляющей асимметричного переменного тока) из этой модификации получается более рыхлый сульфат свинца, который в анодный период (прямой

составляющей асимметричного переменного тока) дает большее количество РЬ02. За счет превращения сульфата в диоксид свинца и металлический свинец в анодный период и обратных превращений в катодный период происходит разработка пор активного материала (увеличение его пористости) и улучшение условий доступа электролита к глубинным слоям активного материала.

При заряде (анодном периоде) на положительном электроде свинцово-кислотного аккумулятора адсорбируется атомарный кислород, количество которого во времени увеличивается, что затрудняет доступ электролита к глубинным слоям активного материала. В катодный период происходит очищение поверхности пластины от кислорода. Электролит получает возможность глубже проникать в поры, что дает возможность большему количеству PbSO4 вступить в реакцию и превратиться в РЬО2 с соответствующим обеспечением увеличения емкости аккумулятора.

При заряде аккумуляторных батарей асимметричным током выделяемое количество тепла в конце этого процесса уменьшается, так как образуется больше диоксида свинца на положительных электродах и губчатого свинца на отрицательных. Это приводит к уменьшению омического сопротивления пластин вследствие очень низкой электропроводности сульфата свинца и в результате — к снижению теплового действия тока. Конечный процесс заряда аккумуляторов асимметричным током протекает при более низком напряжении, чем при постоянном токе, что приводит к уменьшению разности между фактическим напряжением и ЭДС и, следовательно, к снижению роста температуры.

В случаях заряда аккумуляторных батарей вблизи электрода происходит изменение концентрации реагирующих ионов по отношению к концентрации этих ионов в глубине раствора. Скорость изменения концентрации ионов в околоэлектродном пространстве описывается уравнением Фика:

ас _ Рё20

Л _ dx2 , ( )

ас

где--градиент концентрации;

dt

С - концентрация электролита в приэлектродном пространстве;

D - коэффициент диффузии ионов. При х ^ го С=С0 (С0-концентрация электролита в толще раствора). При асимметричном токе изменяется это граничное условие.

Если предположить, что в каждый момент времени значение потока диффузии равно плотности электрического тока, проходящего через границу фаз электрод - раствор, то для переменного синусоидального тока

т • • пГ ас 1

1„ • 81ПЮ1 _ п • п • Б • —— . (2)

ах

А _о

Изменение концентрации ионов у поверхности в этом случае равно:

(ас 1

V ах Л _о

1т ^1пю1 п-п • Б

(3)

Решение дифференциального уравнения (1) при принятых граничных условиях имеет вид [2]:

2 • Б

С _ С0 -

•е * ю •собСш^ г —,-+ —).

4

ю

где Б — число Фарадея (Б = 96 500 Кл).

При незначительной поляризации электрода, носящей концентрационный характер, можно записать:

х

1

т

Я ■ Т • (С - С0)

Лф =--—0—-,

п ■ Б ■ С0

где Я — газовая постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура. Подставляя в это уравнение значение С при х=0 из (3), получим:

Я ■ Т . , я.

ЛФ- = ^ ■ 2 ^ М ■§1П(® ■1 - 7) ■ (4)

п2 ■ Б2 ■ С0 ■л/О■ ю 4

Это уравнение было выведено Крюгером.

Значение концентрационной поляризации при постоянном токе характеризуется уравнением:

Я т

Лф= = 1т —■ (5)

п •Б • ^

При условии, что 1=1а, т. е. когда имеет место только постоянный ток, можно записать:

т п ■ Б ■ О ■ С0

I, = § , (6)

где § — толщина диффузионного слоя. Из (4), (5), (6) следует:

Лф я VD

Дф= S - V ю

при D=10-5 см2/с-1, S=2-10"4 см, частоте 50 Гц имеем Лф~ = 0,8 . Отсюда следует, что при

Лф=

использовании переменного синусоидального тока частотой 50 Гц значение концентрационной поляризации уменьшится на 20%.

Как указывают некоторые авторы, поляризация может оказывать существенное влияние на процесс десульфатации, а следовательно, на улучшение эксплуатационных и электрических характеристик - времени заряда, характера разрядной кривой, коэффициентов отдачи емкости и т.д.

Для проверки этих предположений была разработана электронная схема, выполненная с помощью программного пакета Electronic Work Bench, в котором для адаптации к отечественному производителю заменена электронная база. На основе полученной схемы собрано экспериментальное реверсивное зарядное устройство, с помощью которого были проведены исследования на экспериментальном стенде.

Испытания проводились на засульфатированной свинцово-кислотной аккумуляторной батарее со сниженной емкостью типа 6СТ-60. Заряд осуществлялся от реверсивного зарядного устройства током, имеющим действующее значение положительного импульса 1зар=2А, и от стационарного зарядного устройства при постоянном токе 1зар=3А. Качество заряда оценивалось путем сопоставления и анализа зарядных и разрядных характеристик, полученных при заряде аккумуляторов реверсивным зарядным устройством и стационарным зарядным устройством, выполненным по схеме Ларионова. В процессе исследований осуществлялся контроль напряжения на элементах аккумуляторных батарей (U), температуры (t) и плотности (уэл.) электролита. Сопоставительные результаты исследования проводились при одинаковой окружающей температуре t=210C.

В результате исследований установлено, что при заряде реверсивным зарядным устройством рост температуры электролита (рис.1) значительно меньше, чем при использовании стационарного зарядного устройства. При этом снижение температуры наблюдалось уже в первые часы заряда и в конечной стадии заряда разница температур составила уже 7-80С.

Рис. 1 . Кривые изменения температуры электролита аккумулятора при заряде: 1 - стационарным зарядным устройством; 2 - реверсивным зарядным устройством

Показателем сульфатации батареи, а следовательно, пониженной емкости батареи является низкая плотность электролита. В ходе исследований при заряде реверсивным зарядным устройством достигнут более быстрый рост плотности электролита (рис.2), чем при стандартной методике заряда, в среднем на 0,02-0,04 г/см3, что свидетельствует об уменьшении сульфатации пластин аккумулятора.

Плотность

1,3

1,25 1,2 1,15 1,1 1,05

Ъ Хх ВРемя ч

Рис. 2. Кривые изменения плотности электролита аккумулятора при заряде:

1 - стационарным зарядным устройством; 2 - реверсивным зарядным устройством

В процессе исследований установлен также рост величины зарядного напряжения на аккумуляторе, в среднем в 1,03-1,04 раза (рис.3) и довольно существенное увеличение времени разряда АБ (рис.4), предварительно заряженной реверсивным зарядным устройством, на 21% по сравнению с временем разряда аккумулятора, заряженного стационарным зарядным устройством.

Очевидно, что повышенное разрядное напряжение аккумуляторов качественно улучшает стартерный пуск и способствует увеличению числа таких пусков.

и,в

2,45 2,4 2,35 2,3 2,25 2,2 2,15 2,1

2

1

Ь Ъ & & ф> г{Ъ

Время, ч

Рис. 3. Кривые изменения напряжения аккумулятора при заряде: 1 - стационарным зарядным устройством; 2 - реверсивным зарядным устройством

и, в

2,15

2,1 2,05 2

1,95 1,9 1,85

2

1

7 8 9 Время, ч

0

1

2

3

4

5

6

Рис. 4. Разрядные кривые напряжения аккумулятора:

1 - заряд производился стационарным зарядным устройством;

2 - заряд производился реверсивным зарядным устройством

И в заключение необходимо отметить, что приведенная в рабочее состояние АБ 6СТ-60, заряженная реверсивным зарядным устройством, уже после 4-го цикла отдала 91,1% гарантированной емкости, в то время как АБ, заряженная стационарным зарядным устройством, отдала около 75%. Это можно объяснить более глубокой проработкой активной массы и соответственно десульфатацией пластин аккумулятора.

Таким образом, поляризация, возникающая в приэлектродных слоях, оказывает существенное влияние на процесс десульфатации пластин свинцово-кислотных аккумуляторов, повышая их основные эксплуатационные и электрические характеристики - время заряда, характер разрядной кривой, плотность электролита, зарядное напряжение и емкость.

Полученные результаты подтверждают эффективность метода десульфатации пластин аккумуляторов при заряде асимметричными токами и могут найти применение при разработке промышленных образцов зарядных устройств.

Л и т е р а т у р а

1. Патент 2138886 RUS. Способ определения саморазряда свинцового аккумулятора/ М.Д. Маслаков, В.В. Колосовский В.В. Опубл. 20.07.1998.

2. Skachkov Yu.V., Kolosovskij V.V., Belousov O.A. Ways of fuel cells voltage improvement //Электротехника

- 2003 - № 8 - С. 46-50.

3. Skachkov Yu.V., Kolosovskii V.V., Belousov O.A. Increasing fuel - cell voltage. Russian Electrical Engineering

- 2003-Т. 74. № 8 - С. 55-58.

4. Колосовский В.В., Жуланов В.П., Галкин С.В. и др. Определение саморазряда свинцово-кислотных аккумуляторов косвенным методом// Морской вестник. - 2008.- № 2. - С. 65.

УДК 621.318.38 Доктор техн. наук М.М. БЕЗЗУБЦЕВА

(СПбГАУ, [email protected]) Аспирант К.Н. ОБУХОВ

(СПбГАУ, [email protected])

МЕТОД РАСЧЕТА МАГНИТОПРОВОДА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕХАНОАКТИВАТОРОВ С ФОРСИРОВАННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Электромагнитные механоактиваторы, форсированное охлаждение, схема замещения, насыщение магнитопровода, намагничивающая сила, магнитодвижущая сила, магнитный поток, магнитная индукция

Электромагнитные механоактиваторы (ЭММА) большой мощности нуждаются в форсированном охлаждении циркуляцией охлаждающего агента при помощи встроенного или имеющего независимый привод вентиляторов. Для тяжелых тепловых режимов работы предложена система принудительного охлаждения. В этой системе охлаждающий воздух продувается по специальным каналам в теле наружного корпуса и внутреннего цилиндра устройства. В каналы воздух нагнетается при помощи вентиляторов, имеющих независимый привод. Пропускаемый по каналам воздух обеспечивает достаточную эффективность охлаждения наполнителя рабочего объема и обмотки управления, обтекаемой током. В рассматриваемой схеме охлаждения применены две системы воздухопровода [1, 2, 3].

Последовательность расчета предлагаемой системы принудительного охлаждения сводится к составлению вентиляционной схемы и схемы замещения; определению расхода воздуха, необходимого для охлаждения; расчету аэродинамического сопротивления воздухопровода; построению характеристики Нв _ р(@е) воздухопровода (И - напор; Qe - расход воздуха); расчету

напорного элемента и построение его характеристики НН _ р(@е); определению действительного

расхода воздуха ЭММА и заключению о соответствии основных параметров рассчитанной системы охлаждения требованиям, поставленным в задании на проектирование [4, 5].

На рис. 1 (а, б). представлены схемы двух воздухопроводов, в которых необходимый напор охлаждаемого воздуха создается отдельными напорными элементами. Системы отличаются только протяженностью отдельных участков. Поэтому для них справедлива схема замещения, составленная аналогично схемам замещения для электрических цепей, вид которой представлен на рис. 1 (в). Система принудительного охлаждения А, имеющая каналы для охлаждающего воздуха в непосредственной близости от места выделения потерь скольжения, является более эффективной по сравнению с системой принудительного охлаждения Б, кроме того, она предпочтительнее системы Б , так как нижние каналы последней проходят под обмоткой управления в центральной части внутреннего цилиндра устройства, ферромагнитный материал которого может быть близок к насыщенному состоянию. По этой причине систему Б целесообразно выполнять лишь в случае крайней необходимости.