Химические источники электроэнергии (хиэ)

ХИЭ – название устройства, в которых химическая энергия активных веществ во время реакции превращается в электрическую энергию. На ЛА в качестве ХИЭ применяются: гальванические элементы, аккумуляторные батареи и топливные элементы.

Гальванические элементы допускают однократное использование заключенных в них активных химических веществ, используются главным образом на ЛА одноразового действия для питания слаботочных цепей (метеорологические ракеты, зонды).

Топливные элементы – это такие устройства на электродах которых химические вещества – топлива, подводимые непрерывно к ним, преобразуются в электроэнергию.

Аккумуляторные батареи (АБ) допускают многократное использование заключенных в них активных химических веществ, которые после разряда АБ восстанавливаются путем заряда, т.е. пропускания через них постоянного тока в направлении, противоположном разрядному току.

АБ применяются на ЛА в качестве основных и вспомогательных источников электроэнергии. На самолетах и вертолетах применяют свинцовые, серебрянно-цинковые и кадмий-никелевые бортовые АБ. Для аэродромного обслуживания применяют свинцовые АБ.

Бортовые АБ предназначены:

а) для питания электрических стартеров и др. аппаратуры при автономном запуске авиадвигателей;

б) для питания основных потребителей в полете при выходе из строя генераторов;

в) для питания электрических установок перед взлетом, при посадке, а также при рулежке самолета, когда генераторы могут быть отключены;

г) для кратковременной проверки работы ЭО (электрооборудования) на земле при отсутствии аэродромных АБ.

Аэродромные АБ предназначены:

а) для питания потребителей электроэнергии ЛА на земле при проверках при предполетной подготовке;

б) для запуска авиадвигателей.

Характеристики хиэ

1. Э.д.с. ХИЭ называется разность электродных потенциалов при разомкнутой внешней цепи:

Е = φ₊ - φ_- ,

где φ₊, φ_- - соответственно потенциалы положительного и отрицательного электродов.

2. Полное внутреннее сопротивление R ХИЭ состоит из омического сопротивления r и сопротивления поляризации r_п

R = r + E_п/I =r + r_п ,

где Е_п – э.д.с. поляризации;

I – ток разряда;

r_п – зависит от степени заряженности, от величины разрядного тока, состава электродов и чистоты электролита.

3. Напряжение ХИЭ

U_р = E – I_рR,

U_з = E + I_зR,

где U_р, U_з разрядные и зарядные напряжения на зажимах источника;

I_р ,I_з – токи разряда и заряда.

3. Разрядная емкость Q в Ампер·часах ХИЭ есть количество электричества, отдаваемого источником при разряде:

Q = I_рt_р.

В общем случае при i_р ≠ const во время разряда

Q = ∫ i_рdt

Q_н – номинальная емкость ХИЭ – это та емкость, которую должен отдавать источник, при оговоренных, техническими условиями, режимах работы. Для авиационных АБ за номинальный ток разряда чаще всего принимают ток 5 или 10-часового режима разряда.

3. Саморазряд – бесполезная потеря емкости ХИ при разомкнутой внешней цепи. Выражается обычно саморазряд в % за сутки хранения.

C = (Q₁-Q₂)·100%/Q₁T,

Q₁,Q₂ – емкости ХИЭ до и после хранения;

Т – время хранения в сутки.

6. Удельной емкостью q₀ ХИЭ называется отношение разрядной емкости к массе источника

q₀ = ∫i_рdt/M,

где М – масса источника.

7. Удельная энергия ХИЭ

w₀ = ∫U_р i_рdt/M,

∫U_р i_рdt – отдаваемая энергия.

7. Коэффициент отдачи по емкости ή_Q

ή_Q = ∫i_рdt/ ∫i_з dt,

∫i_з dt –емкость необходимая при заряде.

9. Коэффициент отдачи по энергии ή_W

ή_W = ∫U_р i_рdt/ ∫U_з i_з dt,

U_з , i_з - напряжение и ток заряда.

Принцип действия авиационной свинцовой АБ

Принципиально свинцовый (кислотный) аккумулятор состоит из сосуда, заполненного электролитом, и двух электродов: положительного и отрицательного, помещенных в электролит.

Активным веществом положительных электродов является двуокись свинца РвО₂, а отрицательного – свинец Рв. Электролитом является водный раствор серной кислоты Н₂SO₄.

Химические реакции, протекающие в аккумуляторе, выражаются следующим образом:

разряд

→

РвО₂ + 2Н₂SО₄ + Рв = 2РвSO₂ + 2Н₂О

←

заряд

При разряде на положительном и отрицательном электродах образуется сульфат свинца РвSO₂, при этом расходуется серная кислота электролита и выделяется вода в электролит. Поэтому при разряде плотность электролита уменьшается.

При заряде аккумулятора в результате химической реакции разлагается сульфат свинца РвSO₂ на положительном и отрицательном электродах с образованием серной кислоты и восстанавливаются активные вещества: на положительном электроде двуокись свинца РвO₂, на отрицательном – губчатый свинец Рв. При этом плотность электролита повышается.

Характеристики свинцовых аккумуляторов

1. Э.д,с. (Е) – свинцового аккумулятор зависит от плотности и t⁰ электролита и не зависит от размеров и количества пластин.

Положительный и отрицательный электроды, помещенные в раствор серной кислоты, приобретают определенный электрический заряд по отношению к этому раствору и между ними возникает разность потенциалов:

- на положительном электроде РвО₂ - +2В,

- на отрицательном Рв- _0,1В.

Разность потенциалов или э.д.с. аккумулятора:

Е = +2,0-(-0,1)=2,1В

В диапазоне плотностей электролита от 1,06 до 1,3г\см³ величину э.д.с. можно с достаточным приближением определить по эмпирической формуле:

Е = 0,84 + d,

где d – плотность электролита при температуре 25⁰С; г\см³. Влияние температуры на величину э.д.с. незначительно.

2. Внутреннее сопротивление. Авиационные аккумуляторы имеют очень небольшое внутреннее сопротивление – сотые и тысячные доли Ома. Большую часть сопротивлений составляет сопротивление электролита. Сопротивление электролита зависит от его плотности. Из приведенного графика (рис.12) видно, что при рабочих плотностях (1,2-1,4г\см³) электролит имеет малое удельное сопротивление. При разряде сопротивление электролита возрастает, т.к. плотность электролита уменьшается и на пластинах образуется сульфат свинца, который имеет большее сопротивление, чем свинец и двуокись свинца. Во время заряда аккумулятора плотность электролита и проводимость пластин возрастает, отсюда внутреннее его сопротивление уменьшается.

Рис.12

3.Напряжение.

Напряжение аккумулятора изменяется в процессе заряда и разряда. Процесс заряда представлен на графике.

Рис.13

Участок I – увеличение U идет за счет увеличения Е, т.к. в порах пластин и в близи них плотность электролита повышается.

Участок II – с увеличением плотности электролита в сосуде увеличивается э.д.с., отсюда и U, но медленно, чем на участке I. В конце заряда, когда почти вся активная масса пластин окажется восстановленной (при этом напряжение на аккумуляторе достигает 2,35-2,4В) ток заряда расходуется на выделение пузырьков газа.

Участок III - процесс восстановления проникает вглубь пластин, диффузия затрудняется и плотность электролита в порах пластин повышается в большей степени, отсюда наблюдается более быстрое увеличение E и U.

На участке IV рост напряжения прекращается т.к. процесс заряда заканчивается, концентрация электролита почти не меняется, поэтому Е почти не меняется.

Таким образом, конец заряда аккумулятора определяется по постоянству U и плотности электролита в течении определенного времени (2 часа). Напряжение на элементе должно быть 2,55-2,65В.

Участок V - после прекращения заряда происходит выравнивание плотности электролита в порах пластин и в сосуде, э.д.с. снижается до величины 2,13-2,18В на элементе или на батарее 25,5-26В.

Зависимость напряжения и э.д.с. в функции времени разряда приведена на (рис.14).

Рис.14

Участок I – при разряде аккумулятора в порах пластин и вблизи них в результате химической реакции плотность электролита уменьшается. В самом начале разряда свежий электролит не успевает проникнуть в глубь пластин, поэтому наблюдается резкое снижение э.д.с., а следовательно и U.

Участок II – в дальнейшем происходит более интенсивное перемешивание электролита, т.е. понижение его плотности у поверхности пластин и в порах замедляется, отсюда кривая напряжения и Е понижается более плавно, чем на участке I.

Участок III - по мере приближения разряда к концу сечения пор в активном веществе пластин уменьшаются вследствие образования сульфат свинца, при этом выравнивание плотности электролита становится все более затруднительным, поэтому э.д.с. и U будут понижаться все в большей степени.

Разряд аккумулятора следует вести до определенного предела, обусловленного минимально допустимым U разряда=1,7В при 10 или 5 – часовом режиме разряда.

При различных значениях разрядного и зарядного токов меняется только ход кривых заряда и разряда, а общий характер процесса остается тем же.

4. Емкость.

Емкость аккумулятора зависит от ряда факторов, основные из которых:

а) количество активных веществ в элементе. С увеличением активных веществ емкость увеличивается. Если активное вещество – кислота, то емкость аккумулятора увеличивается при увеличение количества электролита, либо при увеличение его плотности;

б) толщина и площадь пластин. Аккумуляторы, имеющие тонкие пластины с большей поверхностью обладают большей емкостью, чем аккумуляторы того же размера с толстыми пластинами. Отсюда толщина пластин самолетных аккумуляторов серии САМ – 1 – 2 мм, серии – А – 2-3 мм. Тонкие пластины механически менее прочны и срок службы авиационного аккумулятора значительно меньше, чем у наземных.

в) температуры электролита. Очень влияет на емкость аккумулятора. С уменьшением температуры вязкость электролита увеличивается, диффузия ухудшается, удельное сопротивление электролита увеличивается, все это приводит к уменьшению емкости электролита. Особенно сильно сказывается уменьшение температуры при разряде аккумулятора большими токами.

Емкость аккумулятора при различных температурах определяется по формуле:

Q_τ = Q₂₅[1 + α_τ(τ – 25)],

где Q₂₅ – емкость при температуре 25⁰С, α_τ – температурный коэффициент емкости.

Учитывая столь большое влияние температуры на емкость, аккумуляторные батареи на ЛА устанавливают в утепленные контейнеры с обогревом.

г) величина разрядного тока. Чем больше ток разряда тем меньшую емкость можно получить от аккумулятора. Зависимость емкости аккумулятора от I_р при нормальной температуре дана на рис.15.

Рис.15

Для более точного определения емкости Q аккумулятора в зависимости от тока разряда и температуры электролита используются специальные номограммы.

3. Саморазряд.

Естественный саморазряд не является причиной неисправности аккумулятора. Аккумулятор, при хранение его в выключенном состоянии, постепенно разряжается, теряя в сутки 1% емкости.

Причины: а) неодинаковая плотность электролита по высоте пластин; б) ряд других причин.

Учитывая естественный саморазряд аккумуляторов, их необходимо периодически подзаряжать, если они длительное время находятся в бездействии. Иначе они могут засульфатироваться и выйти из строя.

6. Срок службы АБ определяется по времени и по числу циклов заряд – разряд.

Для аэродромных АБ срок службы соответствует 2 годам непрерывной эксплуатации и по циклам для

12-А-50 – 50 циклов;

12-АО-52 – циклов и т.д.

Для бортовых АБ срок службы определяется только по календарному времени непосредственной работы на ЛА.

Время работы бортовых АБ:

12-А-30 и 12-САМ-28 – 2 года;

12-САМ-55 – 1,5 года и т.д.

В концу срока службы емкость АБ снижается до 70-75%.

В обозначении АБ число 12 – количество последовательно соединенных элементов, А – авиационная, С – стартерная, М – модернизированная, АО – аэродромное обслуживание.