У широкому сенсі слова в техніці під терміном «Акумулятор» розуміється пристрій, який дозволяє при одних умовах експлуатації накопичувати певний вид енергії, а при інших - витрачати її для потреб людини.
Їх застосовують там, де необхідно зібрати енергію за певний час, а потім використовувати її для здійснення великих трудомістких процесів. Наприклад, гідравлічні акумулятори, які використовуються в шлюзах, дозволяють піднімати кораблі на новий рівень русла річки.
Електричні акумулятори працюють з електроенергією за цим же принципом: спочатку накопичують (акумулюють) електрику від зовнішнього джерела заряду, а потім віддають його підключеним споживачам для здійснення роботи. За своєю природою вони належать до хімічних джерел струму, здатним здійснювати багато разів періодичні цикли розряду і заряду.
Під час роботи постійно відбуваються хімічні реакції між компонентами електродних пластин з заповнює їх речовиною - електролітом.
Принципову схему пристрою акумулятора можна уявити малюнком спрощеного виду, коли в корпус посудини вставлені дві пластини з різнорідних металів з висновками для забезпечення електричних контактів. Між пластинами залитий електроліт.
Робота акумулятора при розряді
Коли до електродів підключена навантаження, наприклад, лампочка, то створюється замкнуте електричне коло, через яку протікає струм розряду. Він формується рухом електронів в металевих частинах і аніонів з катіонами в електроліті.
Цей процес умовно показаний на схемі з нікель-кадмиевой конструкцією електродів.
Тут в якості матеріалу позитивного електрода використовують оксиди нікелю з добавками графіту, які підвищують електричну провідність. Металом негативного електрода працює губчастий кадмій.
Під час розряду частки активного кисню з оксидів нікелю виділяються в електроліт і направляються на негативні пластини, де окислюють кадмій.
Робота акумулятора при заряді
При відключеному навантаженні на клеми пластин подається постійна (в певних ситуаціях пульсуюче) напруга більшої величини, ніж у заряджає акумулятор з тієї ж полярністю, коли плюсові і мінусові клеми джерела і споживача збігаються.
Зарядний пристрій завжди має більшу потужність, яка «пригнічує» залишилася в акумуляторі енергію і створює електричний струм з напрямком, протилежним розряду. В результаті внутрішні хімічні процеси між електродами і електролітом змінюються. Наприклад, на банці з нікель кадмієвих пластинами позитивний електрод збагачується киснем, а негативний - відновлюється до стану чистого кадмію.
При розряді і заряді акумулятора відбувається зміна хімічного складу матеріалу пластин (електродів), а електроліту не змінюється.
Способи з'єднання акумуляторів
паралельне з'єднання
Величина струму розряду, яку може витримати одна банка, залежить від багатьох факторів, але в першу чергу від конструкції, застосованих матеріалів і їх габаритів. Що гучніше площа пластин у електродів, тим більший струм вони можуть витримувати.
Цей принцип використовується для паралельного підключення однотипних банок у акумуляторів при необхідності збільшення струму на навантаження. Але для заряду такої конструкції буде потрібно піднімати потужність джерела. Цей спосіб використовується рідко для готових конструкцій, адже зараз набагато простіше відразу придбати необхідний акумулятор. Але їм користуються виробники кислотних АКБ, поєднуючи різні пластини в єдині блоки.
послідовне з'єднання
Залежно від застосовуваних матеріалів, між двома електродними пластинами поширених в побуті акумуляторів може бути вироблено напруга 1,2 / 1,5 або 2,0 вольта. (Насправді цей діапазон значно ширший.) Для багатьох електричних приладів його явно недостатньо. Тому однотипні акумулятори підключають послідовно, причому це часто роблять в єдиному корпусі.
Прикладом подібної конструкції служить широко поширена автомобільна розробка на основі сірчаної кислоти і свинцевих пластин-електродів.
Зазвичай в народі, особливо серед водіїв транспорту, прийнято називати акумулятором будь-який пристрій, незалежно від кількості його складових елементів - банок. Однак, це не зовсім правильно. Зібрана з декількох послідовно підключених банок конструкція є вже батареєю, за якою закріпилася скорочена назва «АКБ». Її внутрішній устрій показано на малюнку.
Будь-яка з банок складається з двох блоків з набором пластин для позитивного і негативного електродів. Блоки входять один в одного без металевого контакту з можливістю надійної гальванічного зв'язку через електроліт.
При цьому контактні пластини мають додаткову решітку і віддалені між собою розділової пластиною - сепаратором.
З'єднання пластин в блоки збільшує їхню робочу площу, знижує загальний питомий опір всієї конструкції, дозволяє підвищувати потужність підключається навантаження.
Із зовнішнього боку корпусу така АКБ має елементи, показані на малюнку нижче.
З нього видно, що міцний пластмасовий корпус закритий герметично кришкою і зверху обладнаний двома клемами (зазвичай конусної форми) для підключення до електричної схемою автомобіля. На їх висновках вибита маркування полярності: «+» і «-». Як правило, для блокування помилок при підключенні діаметр позитивної клеми трохи більше, ніж у негативній.
У обслуговуваних акумуляторних батарей зверху кожної банки розміщена заливна горловина для контролю рівня електроліту або доливання дистильованої води при експлуатації. У неї вворачиваются пробка, яка оберігає внутрішні порожнини банки від попадання забруднень і водночас не дає виливатися електроліту при нахилах АКБ.
Оскільки при потужному заряді можливо бурхливе виділення газів з електроліту (а цей процес можливий при інтенсивній їзді), то в пробках робляться отвори для запобігання підвищенню тиску всередині банки. Через них виходять кисень і водень, а також пари електроліту. Подібні ситуації, пов'язані з надмірними струмами заряду, бажано уникати.
На цьому ж малюнку показано з'єднання елементів між банками і розташування пластин-електродів.
Стартерні автомобільні АКБ (свинцево-кислотні) працюють за принципом подвійної сульфатации. На них під час розряду / заряду відбувається електрохімічний процес, що супроводжується зміною хімічного складу активної маси електродів з виділенням / поглинанням в електроліт (сірчану кислоту) води.
Цим пояснюється підвищення питомої щільності електроліту при заряді і зниження при розряді батареї. Іншими словами, величина щільності дозволяє оцінювати електричне стан АКБ. Для її виміру використовують спеціальний прилад - автомобільний ареометр.
Входить до складу електроліту кислотних батарей дистильована вода при мінусовій температурі переходить в твердий стан - лід. Тому, щоб автомобільні акумулятори не замерзали в холодну пору, необхідно застосовувати спеціальні заходи, передбачені правилами експлуатації.
Які існують типи акумуляторів
Сучасне виробництво для різних цілей випускає понад три десятки різноманітних за складом електродів і електроліту виробів. Тільки на основі літію працює 12 відомих моделей.
Як метал електродів можуть зустрітися:
Вони впливають на електричні вихідні характеристики, а, отже, на область застосування.
Здатність витримувати короткочасно великі навантаження, що виникають при розкручуванні колінчастих валів двигунів внутрішнього згоряння електродвигунами-стартерами, характерна для свинцево-кислотних АКБ. Вони широко використовуються в транспорті, джерелах безперебійного живлення і системах аварійного електропостачання.
стандартні гальванічні елементи (Прості батарейки) зазвичай заміняють нікель кадмієвих, нікель-цинковими і нікель-металгідридними акумуляторами.
А ось літій-іонні або літій-полімерні конструкції надійно працюють в мобільних і комп'ютерних пристроях, будівельному інструменті і навіть електромобілях.
По виду застосовуваного електроліту акумулятори бувають:
кислотними;
лужними.
Існує класифікація акумуляторів за призначенням. Наприклад, в сучасних умовах з'явилися пристрої, що використовуються для передачі енергії - подзаряда інших джерел. Так званий зовнішній акумулятор виручає власників багатьох мобільних пристроїв в умовах відсутності змінної електричної мережі. Він здатний багаторазово заряджати планшет, смартфон, мобільник.
Всі ці акумулятори мають однотипний принцип роботи і подібний пристрій. Наприклад, пальчикова літій-іонна модель, представлена на малюнку нижче, повторює багато в чому конструкцію розглянутих раніше кислотних АКБ.
Тут ми бачимо ті ж електроди-контакти, пластини, сепаратор і корпус. Тільки виконані вони з урахуванням інших умов роботи.
Основні електричні характеристики акумулятора
На експлуатацію пристрою впливають параметри:
Ємністю називають максимальний заряд у акумулятора, який він здатний віддати під час розряду до найменшого напруження. Її виражають в кулонах (система СІ) і ампер часах (позасистемна одиниця).
Як різновид ємності існує «енергетична ємність», яка визначає енергію, що віддається при розряді до мінімально допустимого напруги. Вона вимірюється джоулями (система СІ) і ват-годинами (позасистемна одиниця).
Щільність енергії виражається співвідношенням кількості енергії до ваги або обсягу акумулятора.
Саморозрядом вважають втрати ємності після заряду при відсутності навантаження на клемах. Він залежить від конструкції і посилюється при порушеннях ізоляції між електродами по численних причин.
Температурний режим експлуатації впливає на електричні властивості і при серйозних відхиленнях від зазначеної виробником норми може вивести акумулятор з ладу. Спека і холод неприпустимі, вони впливають на перебіг хімічних реакцій і тиск середовища всередині банки.