Аккумуляторы

Среди элементов солнечной электростанции помимо модулей и инверторов не малую роль играют аккумуляторы. Данная статья расскажет об этом оборудовании и его принципах действия. Если вы хотите узнать больше о других элементах, то здесь вы найдете наши модули, а здесь наши инверторы.

Принцип действия химических источников тока

Рассмотрим принцип действия на простом примере. Возьмем заряженный аккумулятор. Если соединить плюс и минус аккумулятора на нагрузку, допустим это будет лампочка, то по замкнутой цепи потечет ток, и лампочка загорится. Что будет если плюс или минус батареи соединить с землей, которая как принято считать имеет нулевой потенциал. Потечет ток или нет? Ведь клемма аккумулятора заряжена (имеет ненулевой потенциал), а земля имеет нулевой? Чтобы разобраться в этом вопросе необходимо понять, а как работают химические источники тока.

Мы ограничимся поверхностным рассмотрением данного вопроса. Глубокое изучение требует специальных знаний термодинамики, физической химии и квантовой механики.

Итак, если погрузить металлическую пластинку в раствор, содержащий ионы того же самого металла, то она может зарядиться как положительно, так и отрицательно. В случае отрицательного заряда под действием ионов растворителя положительные ионы металла выходят в раствор, т. е. металл растворяется. На поверхности электрода в металле появляется избыток электронов и на границе металл-раствор (электролит) образуется тонкий поверхностный слой, который называется двойным электрическим слоем. В этом слое электрическое поле направлено от раствора к металлу, и оно будет препятствовать дальнейшему растворению металлического электрода. Конечно, этот процесс зависит от природы металла.

Установившаяся в результате возникновения двойного электрического слоя на границе металл-раствор разность потенциалов называется электрохимическим потенциалом. Т.е. возникает разность потенциалов между раствором и металлическим электродом. Если этот заряженный электрод соединить с нейтральной землей что будет? Ответ ничего. Избыточные электроны, расположенные на электроде, находятся под действием кулоновской силы притяжения от положительных ионов раствора. И чтобы оторвать их потребуется колоссальное усилие.

Противоположную картину мы будем видеть на положительном металлическом электроде. Ионы раствора будут отрывать у атомов металла электроны и оставлять на электроде положительный ионный заряд. Теперь если соединить плюс и минус источника тока. Избыточные электроны потекут по цепи к положительному электроду. Равновесие между металлом и раствором нарушиться. Электроды опять будут отдавать в раствор ионы металла для восстановления электрохимического потенциала. Во внешней цепи ток будет течь за счет электронов в источнике за счет ионов (так называемая проводимость 2 рода).

По мере работы электролит исчерпывает свои возможности по отдаче и приему электронов с металлических электродов. Наступает разрядка элемента. Но в аккумуляторах возможно восстановление электродов и электролита путем подачи напряжения в обратном направлении. При таком включении накапливается химическая энергия, которая потом превращается в электрическую. Таким образом, аккумулятор при обратном включении работает как электролизер. А при прямом как гальванический элемент.

Основные виды аккумуляторов

• Кислотные. Кислотные аккумуляторы получили свое название из-за использования кислоты в качестве электролита. Они наиболее распространены так как имеют высокий ток разряда выше 10С (токи в аккумуляторах принято отсчитывать в долях от емкости, С аккумулятора). Высокие токи разряда позволили применять кислотные аккумуляторы в автомобильной промышленности, где требуются высокие пусковые токи стартера. При этом такой аккумулятор имеет небольшой ток заряда до 0,2С. Что связано с выделением водорода при повышении температуры электролита. Средний срок службы 4 года, конечно, он связан с количеством циклов заряда разряда. Кислотные аккумуляторы невозможно разряжать ниже допустимого предела, что связано с потерей свойств электродов и электролита. Кпд заряда (сколько энергии теряется) около 80%. Емкость сильно зависит от температуры окружающей среды.
• Щелочные. Получили свое название вследствие использования в качестве электролита растворов щелочных металлов едкого калия и едкого натрия. В качестве электродов используются недорогие соединения никеля NiCd, NiFe. Вследствие того, что не происходит растворения электродов, расхода электролита практически нет. Обладают невысокими токами заряда и разряда 0,25С и 0,2С соответственно. В работе мало чувствительны к холодным температурам. Емкость в пересчете на 1 кг выше, чем у кислотных аккумуляторов. Срок службы 30-40 лет. Допускают полную разрядку, но обладают эффектом памяти. Со временем это провоцирует стремительное снижение емкости. Поэтому очень важно не допускать регулярную недозарядку. Большое количество циклов заряда и разряда по сравнению с кислотными аккумуляторами. Кпд заряда – низкий 55%.
• Li-Ion и Ni-Cd аккумуляторы. Данные аккумуляторы обладают самой высокой удельной емкостью по сравнению с вышеперечисленными. Но они дороги и капризны. Из-за взрывоопасности в качестве электролита используется гель. Допускают глубокий разряд. Заряжаются большими токами заряда 1С и допускают разрядный ток до 2С. Если не разряжать до конца и заряжать не полностью срок службы увеличивается.