Sfera-perm.ru

Сфера Пермь
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловой химический источник тока патент

Механический источник тока

ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическуюэнергию.
В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которыенакапливаются на полюсах источника.
Существуют различные виды источников тока:

Механический источник тока

— механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.


К ним относятся : электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака), динамо-машина, генераторы.

Тепловой источник тока
— внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.


Например, термоэлемент — две проволоки из разных металлов необходимо спаять с одного края, затем нагреть место спая, тогда между другими концами этих проволок появится напряжение.
Применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях.

Световой источник тока
— энергия света преобразуется в электрическую энергию.

Например, фотоэлемент — при освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.
Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.

Химический источник тока
— в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.

Например, гальванический элемент — в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен в полотняный мешочек, наполнен-ный смесью оксида марганца с углем. В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря. При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень — положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд — отрицательным электродом.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания.
Аккумуляторы — в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Условное обозначение источника тока на электрической схеме

или батареи, состоящей из нескольких источников

ТИПЫ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Источниками электрического тока называют приборы, превращающие в электрическую энергию другие виды энергии, источники делятся на два класса: химические и физические.

Химические источники тока преобразуют химическую энергию в электрическую. Они состоят из одного источника или множества первичных или вторичных источников тока, объединенных в батарею. Превращение химической энергии в электрическую энергию выполняется в них непосредственно, без участия других видов энергий. Химические источники тока имеют разную степень многократного использования. В зависимости от возобновляемости введено разделение на два типа.

Первичные источники – батарейки. Их невозможно использовать повторно из-за необратимости химических реакций протекающих во время работы.

Вторичные источники – аккумуляторы. Перед использованием они заряжаются специальными приборами. Накопленный заряд транспортируется вместе с аккумуляторами. Во время эксплуатации аккумуляторов химическая энергия веществ, образовавшихся в процессе зарядки, преобразуется в электрическую энергию. После окончания заряда аккумулятора возможна регенерация веществ, необходимых для его работы путем зарядки.

Топливные элементы – аналогичны батарейкам, но для прохождения химической реакции вещества поступают в них снаружи, а продукты реакции удаляются, что дает возможность элементам эффективно работать долгое время.

Полутопливные элементы содержат одно из реагирующих веществ, второе при функционировании все время поступает в элемент. Срок службы установлен запасом не возобновляемого вещества. Если возможна регенерация не возобновляемого вещества путем зарядки, то полутопливный элемент восстанавливает работоспособность как аккумулятор.

Возобновляемые элементы – механически или химически перезаряжаемые элементы. В них предусмотрена возможность замены после окончания разряда израсходованных веществ. В отличие от топливных эти элементы работают с периодическим возобновлением реагентов.

Следует учитывать некоторую условность разделения на аккумуляторы и батарейки. Свойства аккумуляторов проявляются у щелочных батареек, их можно реанимировать при степени разряда 24-40 %. Некоторые аккумуляторы, как и батарейки, используются один раз.

По типу используемого электролита химические источники тока делятся на: cолевые, щелочные, кислотные.

Физические источники тока преобразуют механическую, световую, тепловую, ядерную и другие виды энергии кроме химической в электрическую.

ПУТАНИЦА В ТЕРМИНАХ

Источником тока принято называть множество приборов питания: батарейки, электрогенераторы, лабораторные блоки питания, источники питания системных блоков персональных компьютеров и многие другие. Перечисленные источники питания характеризуются выходным напряжением. Выбирая батарейку или блок питания, мы, прежде всего, ориентируемся на рабочее выходное напряжение, которое обязан поддерживать источник в пределах небольшого отклонения. Электрический ток изменяется в зависимости от сопротивления нагрузки в широких пределах, на некоторых источниках электроэнергии указан максимально возможный ток, который может отдать источник в нагрузку в зависимости от его мощности. Если основной параметр для выбора источника питания напряжение, то почему батарейки называются источниками тока, ведь правильнее их было бы называть источниками напряжения? Так сложилось исторически, принято называть источники питания источниками тока.

На этом путаница не заканчивается. В электротехнике существуют четко обозначенные понятия источник тока и источник напряжения. Учитывая все это, нам приходится иметь дело с терминологией сложившейся исторически и терминологией принятой в электротехнике, подкрепленной четкими определениями.

Идеальный источник напряжения обладает бесконечно малым внутренним сопротивлением, что дает возможность ему поддерживать напряжение на подключенной нагрузке, не зависимо от сопротивления нагрузки. Батарейки, аккумуляторы, источники питания компьютеров все это реальные источники напряжения. При подключении нагрузки соответствующей области применения, например для батарейки фонарика это небольшая лампа накаливания, напряжение уменьшается на незначительную величину, так как мы имеем дело с реальным, а не идеальным источником напряжения, внутренне сопротивление источника не равно нулю, но имеет очень малую величину.

А что же такое источник тока с точки зрения электроники и электротехники? Идеальный источник тока обладает бесконечно большим внутренним сопротивлением и способен поддерживать на нагрузке постоянный ток независимо от сопротивления нагрузки. При изменении сопротивления нагрузки изменяется напряжение на клеммах источника тока. Реальный источник тока это специальный электронный прибор, электрическая схема которого поддерживает стабильный ток в нагрузке независимо от сопротивления нагрузки. Такие приборы применяются мало, но в некоторых случаях они не заменимы. Наиболее часто источники стабильного тока применяются при зарядке аккумуляторов. Для правильной зарядки аккумуляторов их необходимо заряжать стабильным током, соответствующим паспортным данным. Интересное и очень ценное свойство источника стабильного тока – при замыкании выходных клемм не происходит выхода из строя прибора, так как ток остается стабильным, даже если сопротивление нагрузки около нуля. Это свойство лежит в основе источника стабильного тока, а не обеспечивается различными электронными защитами как у источников напряжения.

Читайте так же:
Выключатель тепловой завесы ballu

ТИПОВАЯ СХЕМА МОЛНИЕЗАЩИТЫ

Устройство внешней защиты от молний — задача ответственная, здесь недопустим шаблонный подход: каждый объект уникален и требует индивидуального изучения. Именно поэтому общепринятые схемы молниезащиты в обязательном порядке адаптируются и перерабатываются в зависимости от специфики подзащитного здания или сооружения.

Устройство молниезащиты разнится в зависимости от категории здания. Инструкция РД 34.21.122-87 делит все объекты на три группы. Необходимый уровень безопасности зависит от взрывоопасности, угрозы воспламенений, а также прогнозируемые последствия от пожара или взрыва. Соответственно самые жесткие требования предъявляются к объектам I категории, и боле лояльные — к зданиям III группы, к которым также относятся жилые дома.

Состав молниеотвода здания:

· Молниеприемник — ловит разряд молнии. Используются стержни, трос или молниеприемная сетка.

· Токоотвод — передает ток от молниеприемника к заземлителю. В большинстве случаев используются наружные токоотводы — стальные, алюминиевые или медные проводники со сварными соединениями.

· Заземляющее устройство — рассеивает заряд в грунте. Используются вертикальные электроды, заглубленные в землю, защищенные от коррозии и надежно соединенные между собой и с токоотводом горизонтальной шиной. По Инструкции РД необходимо устанавливать не менее 3 электродов на расстоянии от 1 метра от здания.

Защитная система не только принимает на себя разряды, предотвращая тем самым людские жертвы и разрушения здания, но также значительно уменьшает прогнозируемое количество молний: по контуру молниеотвода стекают наведенные заряды, которые, достигая грозового облака, разряжают его.

СТАНДАРТНЫЕ СХЕМЫ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

Молниеприемная сетка

Оптимальная схема молниезащиты здания с плоской крышей, вне зависимости от используемых кровельных материалов. Сетка составляется из прутков сечением 6-8 мм, используются алюминиевые, стальные или медные сплавы; токопроводящие соединители; бетонные или пластиковые держатели. Молниеприемная сетка устраивается с ячейками не более 5х5 м, согласно инструкциям МЭК.

Помимо плоской кровли сетчатый молниеприемник также используется для двускатных крыш коттеджей. В таком случае необходимо подключать два токоотвода — для каждой стороны. Кроме того, следует учесть, что выступающие объекты — антенны, дымоходы, вентиляционные системы и пр. — находятся вне зоны защиты молниеприемной сетки. Для подобных конструкций и оборудования устанавливаются стержневые молниеприемники, подключаемые непосредственно к сетке.

Тепловой химический источник тока патент

на главную страницу

Термоэлектрические генераторы

Технические характеристики

Для дачников, рыбаков, охотников, геологов, туристов, альпинистов, предлагаются ТЭГ мощностью от 4,5 до 12 Вт выполненные в виде настольной лампы или походных котелков, являющихся источниками постоянного тока.
Их можно использовать для освещения, подзарядки аккумуляторов, питания радиоприемников, телевизоров, радиостанций, магнитофонов, компьютеров. Источниками тепла для них являются газовая горелка или плита, примус, печка, костер и т.д.

Для катодной защиты магистральных нефтепроводов и газопроводов от коррозии и для питания различной контрольно-регулирующей аппаратуры используются термоэлектрические генераторы мощностью до 150 Вт, работающие на природном и попутном газе.

Для коттеджей и загородных домов разрабатывается ТЭГ мощностью 200 Вт. Он представляет собой газовый котел, вырабатывающий, одновременно, тепло для отопления и электроэнергию. Это позволяет обеспечить бесперебойное электропитание системы отопления (автоматики, циркуляционных насосов), что делает ее полностью независимой от внешней электросети. Кроме того, это устройство может являться резервным источником электропитания для широкого спектра бытовых приборов.

ГЕНЕРАТОР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГТУ-12-12

Генератор предназначен для питания бытовой радиотелеаппаратуры, средств связи, освещения и подзарядки аккумуляторов.
Он преобразует тепло бытовых источников (керогаза, примуса, газовой горелки, печки, костра) в электрическую энергию.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Электрическая мощность при
напряжении на нагрузке 12 В, Вт. 12
Время приведения в действие, ч, не более. 0,3
Масса, кг. 5
Габаритные размеры, мм. 230х250х240

В условиях, удаленных от постоянного электроснабжения, генератор может быть использован для:

1. ПОДЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРОВ мобильного телефона, радиостанции, видеокамеры, эхолота, навигатора, ноутбука, автомобиля.
2. ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ МАЛОМОЩНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ — радиоприемника, магнитофона, миникомпьютера, телевизора.
3. ЛОКАЛЬНОГО ОСВЕЩЕНИЯ

ИСТОЧНИКАМИ ТЕПЛА МОГУТ СЛУЖИТЬ газовая или бензиновая горелка, керогаз, примус, печь с конфорками, угли костра и любые другие источники с открытым пламенем.

УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ:
— на открытом воздухе и в помещении, при температуре от -45 до +45 о С;
— не боится короткого замыкания и работы без нагрузки;
— сроки эксплуатации, при соблюдении инструкции и аккуратном обращении, не ограничены;
— кипяченую воду из генератора допускается использовать для приготовления пищи.

ГЕНЕРАТОР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГАЗОВЫЙ ГТГ-30-12

Генератор предназначен для обеспечения электроэнергией маломощных потребителей.
Он преобразует тепло продуктов сгорания природного газа, пропана, пропон-бутановой смеси в электрическую энергию.
Генераторы эксплуатируются под навесом или в проветриваемых помещениях при температуре от -30 до + 50 град. С и относительной влажности до 90 %.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Электрическая мощность при
напряжении на нагрузке 12 В, Вт. 30
Удельный расход газа,г/Вт.ч. 3,4
Давление газа на входе, кг/куб. см. 0,02-0,036
Количество циклов, при длительности 5 ч. 500
Срок службы, лет. 12
Масса, кг. 21
Габаритные размеры, мм. 280х340х1140

ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ НА БАЗЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА

Источник бесперебойного питания, патент по заявке № 2003111749, приоритет от 23.04.2003 г., предназначен для обеспечения непрерывного электропитания системы отопления (автоматики, насосов и т.д.) и является резервным источником электроэнергии для широкого спектра бытовых приборов при отключении централизованного электроснабжения.
Изделие имеет сокращенное наименование Генератор термоэлектрический для отопительной системы (ГТ ОС) и представляет собой компактный котел (с газовой или жидкотопливной горелкой) с встроенными термоэлектрическими батареями. Такая комбинация позволяет вырабатывать электроэнергию и тепло для снижения тепловой нагрузки здания.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Мощность по электроэнергии. 200 Вт (постоянный ток 24В);
Мощность по теплу. 6 — 8 кВт;
Общий КПД. до 90%;
Срок службы. не менее 20 лет;
Габаритные размеры, ориентировочно. 600х330х300 мм;
Вес, ориентировочно. 40кг.

Устройство имеет следующие преимущества (по сравнению с источниками бесперебойного питания на аккумуляторах):
1. В отопительный сезон полностью и непрерывно обеспечивает электроэнергией систему отопления здания (автоматика газового котла, циркуляционный насос), делая ее независимой от местных электросетей.
2. Экономит электроэнергию, до 800 кВт*ч за отопительный сезон.
3. Увеличивает срок службы основного котла, за счет добавления дополнительной ступени нагрева и уменьшения циклов зажигания.
4. Надежно и просто в эксплуатации. Имеет длительный срок службы. Не боится короткого замыкания и режима холостого хода.
5. Создает непрерывно действующий резервный источник электропитания, который может быть использован при отключении электроснабжения для: аварийного освещения, зарядки аккумуляторов (автомобиль, мобильный телефон, видеокамера, ноутбук и др.), питания системы охранной и пожарной сигнализации, телевизора, компьютера, аудиотехники и проч.
6. В теплое время года вырабатываемое тепло может использоваться для горячего водоснабжения или для компенсации теплопотерь в системе горячего водоснабжения здания, а электроэнергия – для питания электропотребителей по желанию пользователя или для накапливания в аккумуляторе.

Читайте так же:
Ток генератора тепловоза 2тэ116

ГЕНЕРАТОР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГТГ-150Н

Генератор предназначен для комплектации автономных источников электроэнергии мощностью от 150 до 900 Вт, которые используются для питания средств радиорелейной связи и катодной защиты газопроводов.
Топливом для генератора служат: природный газ, пропан, пропан-бутановая смесь.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Электрическая мощность при
напряжении на нагрузке 27 В, Вт. 150
Срок службы, лет. 10
Масса, кг. 130
Габаритные размеры, мм. диаметр 600, Н 770

ГЕНЕРАТОР ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГТ-4,5-12

Генератор предназначен для использования в качестве источника постоянного тока и освещения. Он преобразует тепло продуктов сгорания керосина лампы в электрический ток.
Генератор эксплуатируется в помещениях, защищенных от прямого воздействия ветра и осадков.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Электрическая мощность, Вт. 4,5
Напряжение, В. 0-12
Габаритные размеры, мм. 200х226х370
Масса, кг. 3

КОНЦЕНТРАТОРНЫЕ СИСТЕМЫ

Концентраторные системы, разработанные в ГНУ ВИЭСХ, включают в себя три инновационные технологии: использование в концентраторах двухсторонних солнечных модулей, разработанных для советских низкоорбитальных космических станций; использование технологии, использующей принципы неизображающей оптики, позволяющей создавать стационарные концентраторы для двухсторонних солнечных модулей; использование технологии для герметизации солнечных модулей без органических материалов, увеличивающих срок службы модулей.
На верхнем рисунке представлен солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором, разработанный и изготовленный в ГНУ ВИЭСХ.
1-отражатель; 2-двухсторонние СЭ; 3-солнечный модуль из скоммутированных СЭ в стеклопакете, заполненном специальной жидкостью. На нижнем рисунке приведена схема прохождения солнечных лучей и апертурный угол.

Солнечный модуль с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором для размещения на фасадах с углом раскрытия отражателя ± 12 угл. град. и геометрическим коэффициентом концентрации Kгеом = 7,785 вертикально крепится к ориентированной на юг стене здания. Параллельно стене дополнительно устанавливается прозрачное покрытие для защиты зеркальной поверхности отражателя от суровых погодных условий. Двухсторонние солнечные элементы помещены в узкий стеклянный «аквариум», заполненный специальной жидкостью. Конструкция солнечного модуля с асимметричным параболоцилиндрическим концентратором имеет одну и ту же геометрию как для установки на южный фасад здания, так и для установки на крышу.
Снижение стоимости полупроводниковых материалов и использование солнечных концентраторов — основные возможности развития солнечных фотоэлектрических установок в настоящее время. Оба варианта имеют большое значение для будущего развития фотоэлектрической промышленности, а также при решении проблем связанных с их широкомасштабным производством.

ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ НА БАЗЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА

Источник бесперебойного питания, патент по заявке № 2003111749, приоритет от 23.04.2003 г., предназначен для обеспечения непрерывного электропитания системы отопления (автоматики, насосов и т.д.) и является резервным источником электроэнергии для широкого спектра бытовых приборов при отключении централизованного электроснабжения.
Изделие имеет сокращенное наименование Генератор термоэлектрический для отопительной системы (ГТ ОС) и представляет собой компактный котел (с газовой или жидкотопливной горелкой) с встроенными термоэлектрическими батареями. Такая комбинация позволяет вырабатывать электроэнергию и тепло для снижения тепловой нагрузки здания.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Мощность по электроэнергии. 200 Вт (постоянный ток 24В);
Мощность по теплу. 6 — 8 кВт;
Общий КПД. до 90%;
Срок службы. не менее 20 лет;
Габаритные размеры, ориентировочно. 600х330х300 мм;
Вес, ориентировочно. 40кг.

Устройство имеет следующие преимущества (по сравнению с источниками бесперебойного питания на аккумуляторах):
1. В отопительный сезон полностью и непрерывно обеспечивает электроэнергией систему отопления здания (автоматика газового котла, циркуляционный насос), делая ее независимой от местных электросетей.
2. Экономит электроэнергию, до 800 кВт*ч за отопительный сезон.
3. Увеличивает срок службы основного котла, за счет добавления дополнительной ступени нагрева и уменьшения циклов зажигания.
4. Надежно и просто в эксплуатации. Имеет длительный срок службы. Не боится короткого замыкания и режима холостого хода.
5. Создает непрерывно действующий резервный источник электропитания, который может быть использован при отключении электроснабжения для: аварийного освещения, зарядки аккумуляторов (автомобиль, мобильный телефон, видеокамера, ноутбук и др.), питания системы охранной и пожарной сигнализации, телевизора, компьютера, аудиотехники и проч.
6. В теплое время года вырабатываемое тепло может использоваться для горячего водоснабжения или для компенсации теплопотерь в системе горячего водоснабжения здания, а электроэнергия – для питания электропотребителей по желанию пользователя или для накапливания в аккумуляторе.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ:

Генератор термоэлектрический для отопительной системы (рис.1.) состоит из газовой горелки 1, кожуха горелки 2, силовой рамы 3, двух жидкостных теплообменников 4, двух термоэлектрических батарей 5, теплообменника 6, соединительных труб 7, теплообменника 8, кожуха 9, элементов сжатия 10 и 11.
Устройство работает следующим образом:
продукты сгорания горелки 1 нагревают ребра теплообменника 6. При этом тепловой поток проходит через термоэлектрические батареи 5 и нагревает жидкий теплоноситель (воду, этиленгликоль, пропиленгликоль). На поверхностях термобатарей образуется перепад температуры DТ, равный разности температур теплообменника 6 и теплообменника 4. На концевых шинах батарей «+» и «-» образуется разность потенциалов. Теплообменники 4 и 6 термобатареи 5 сжимаются между собой в раме 3 винтами 10 через тарельчатые пружины 11. Одновременно продукты сгорания нагревают теплоноситель в теплообменнике 8. Устройство включается в действующую отопительную систему, перед основным отопительным котлом.
Нагретый в устройстве теплоноситель передает тепло через пластинчатый теплообменник, поступающей в основной котел «обратке» из системы отопления или исходной воде, подаваемой в систему горячего водоснабжения.
Электроэнергия, вырабатываемая термогенератором, может быть использована для питания какого-либо жизненно важного потребителя.

Читайте так же:
Как называется выключатель для теплого пола

Публикуется с согласия автора

Подробная информация о термоэлектрических генераторах н а сайте Компании «Термокластер»

Основные химические источники электроэнергии

Химические источники тока — это устройства и приборы которые в процессе химической окислительно-восстановительной реакции выделяют напряжение. Также они называются электрохимическими, гальваническими элементами. Основной принцип действия их основан на взаимодействии химических реагентов которые вступая, в реакцию друг с другом вырабатывают электроэнергию, в виде постоянного тока. Этот процесс происходит без механического или теплового воздействия, что является основными факторами играющими превосходящую роль среди других генераторов постоянного напряжения. Химические источники тока, сокращённо ХИТ, уже давно нашли применение не только в быту, но и на производстве.

Немного истории создания ХИТ

Ещё в восемнадцатом веке итальянский учёный Луиджи Гальвани придумал простейший элемент который химическим способом выделял электрический ток. Однако он был не только учёным, но и физиком, врачом, физиологом. Он интересовался и проводил опыты которые были направлены на изучение реакции животных на внешние раздражители. Как и всё гениальное первый химический источник энергии был получен Луиджи абсолютно случайно, во время многочисленных экспериментов над лягушками. После присоединения двух пластин из металла к лягушачьей мышце на лапке, было замечено мускульное сокращение. Гальвани посчитал это нервной реакцией на внешний раздражитель и изложил это в результатах своих исследований, попавших в руки другого великого учёного Алессандро Вольта. Он и выложил свою теорию о возникновении напряжения в результате химической реакции, возникшей между двумя металлическими пластинами в среде мускульной ткани лягушки.

Первый химический источник электрического тока представлял собой емкость с соляным составом, в который было погружено две пластины из разных материалов. Одна из меди, другая из цинка. Именно это устройство в будущем, а конкретнее во второй половине девятнадцатого века, было применено при изобретении и создании марганцево-цинкового элемента внутри которого был тот же солевой электролит.

Принцип действия

Устройства вырабатывающее электрический ток содержит два электрода, которые помещаются между электролитом. Именно на их границе соприкосновения и появляется небольшой потенциал. Один из них называют катодом, а другой анодом. Все эти элементы вместе образуют электрохимическую систему.
Во время возникновения окислительно-восстановительной реакции между электродами один элемент отдаёт мельчайшие частицы электроны другому. Поэтому она и не может происходить вечно, а со временем просто теряются свойства каждого элемента этой цепи.
Электроды могут быть представлены в виде пластин или решёток из металла. После погружения их в среду с электролитом меду их выводами возникает разность потенциалов, которая именуется напряжением разомкнутой цепи. Даже при удалении хотя бы одного из электродов с электролита процесс генерации напряжения прекращается.

Состав электрохимических систем

В качестве электролита используются следующие химические вещества:

  1. Водные растворы на основе щелочей, кислот, солей и т. д.;
  2. Растворы с ионной проводимостью на неводной основе, которые получены при растворении солей в неорганических или органических растворителях;
  3. Твердые соединения, содержащие ионную решетку, где один из ионов является подвижным;
  4. Матричные электролиты. Это особый вид жидких растворов и расплавов, которые находятся в порах твёрдого непроводящего элемента — электроносителя;
  5. Расплавы солей;
  6. Ионообменные электролиты с униполярной системой проводимости. Твёрдые тела с фиксированной ионогенной группой одного знака.

Классификация гальванических элементов и их подбор

Генераторы электрического тока получающегося во время химической реакции разделяются по:

  • Размерам;
  • Конструктивным особенностям;
  • Способу и реагенту, за счёт которого, и получается электроэнергия.

Все элементы вырабатывающее ток во время химической реакции делятся на:

  1. Заряжаемые, которые в процессе эксплуатации могут неоднократно заряжаться от источника постоянного тока, они называются аккумуляторами;
  2. Не заряжаемые, то есть источники одноразового использования которые после завершения химической реакции просто приходят в негодность и должны быть утилизированы. Попросту это гальванический элемент или батарейка.

Для того чтобы подобрать источник электроэнергии, основанный на химической реакции, нужно понимать его характеристики, к которым относятся:

  • Напряжение между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Этот показатель чаще всего зависит от выбранной электрохимической системы, а также концентрации и вылечены всех составляющих;
  • Мощность источника;
  • Показатель силы тока;
  • Емкость;
  • Электротехнические показатели, то есть количество циклов заряда и разряда;
  • Диапазон рабочих температур;
  • Срок хранения между тем временем как элемент был создан и до начала его эксплуатации;
  • Полный срок службы;
  • Прочность, то есть защита корпуса от различных механических повреждений и влияний, а также вибраций;
  • Положение работы, некоторые из них работают только в горизонтальных положениях;
  • Надёжность;
  • Простота в эксплуатации и обслуживании. В идеале отсутствие необходимости малейшего вмешательства в работу в течение всего срока эксплуатации.

При выборе нужной батареи или аккумулятора обязательно нужно учесть его электрические номиналы такие как напряжение и ток, а также ёмкость. Именно она является ключевой для сохранения работоспособности, подключаемого к источнику прибора.

Современные химические источники тока и их применение

Современный быт человека тяжело приставить без этих мобильных генераторов энергии, с которыми он сталкивается в течение всей жизни, начиная с детских игрушек и заканчивая, допустим, автомобилем.
Сферы применения различных батареек и аккумуляторов настолько разнообразны что перечислить их очень сложно. Работа любого мобильного телефона, компьютера, ноутбука, часов, пульта дистанционного управления была бы невозможна без этого переносного и очень компактного устройства для создания стабильного электрического заряда.
В медицине широко используются источники химической энергии при создании любого аппарата, помогающего человеку полноценно жить. Например, для слуховых аппаратов и электрокардиостимуляторов которые могут работать только от переносных источников напряжения, чтобы не сковывать человека проводами.
В производстве применяются целые системы аккумуляторных батарей для обеспечения напряжением цепей отключения и защит в случае пропадания входящего высокого напряжения на подстанциях. И также широко применяется это питание во всех транспортных средствах, военной и космической технике.
Одним из видов распространённых батарей являются литиевые источники электрического тока, так как именно этот элемент обладает высоким показателем удельной энергии. Дело в том что только этот химический элемент, оказывается, обладает сильным отрицательным потенциалом среди всех известных и изученных человеком веществ. Литий-ионные батареи выделяются среди всех остальных элементов питания по величине вырабатываемой энергии и низким габаритам, что позволяет применять их в самых компактных и мелких электронных устройствах.

Читайте так же:
Тепловое действие тока калориметр

Способы утилизации химических источников энергии

Проблема утилизации разных по габаритах химических источников напряжения является экологической проблемой всей планеты. Современные источники содержат в себе до тридцати химических элементов которые могут нанесите ощутимый вред природным ресурсам, поэтому для их утилизации разработаны целые программы и построены специализированные цеха по переработке. Некоторые методы позволяют не только качественно перерабатывать эти вредные вещества, но и возвращать в производство, тем самым защитив окружающую среду. В целях извлечения цветных металлов из батарей и аккумуляторов в настоящий момент разработаны и применены в цивилизованных странах, следящих и заботящихся об окружающей среде, целые пирометаллургические и гидрометаллургические комплексы. Самый же распространённый способ утилизации отработанных химических источников тока является метод, работающий на соединении этих процессов. Главным его достоинством считается высокая степень извлечения с минимальным количеством отходов.
Этот метод пирометаллургической, гидрометаллургической и механической переработки включает в себя восемь основных стадий:

  1. Измельчение;
  2. Магнитная сепарация;
  3. Обжиг;
  4. Дополнительное измельчение;
  5. Выделение крупных и мелких элементов с помощью грохочения;
  6. Водное очищение и выщелачивание;
  7. Сернокислотное выщелачивание;
  8. Электролиз.

Организация правильного сбора и утилизации ХИТ позволяет максимально уменьшить негативное влияние как на окружающую природу, так и на здоровье самого человека.

Видео о химических источниках тока

Оао научно-производственного предприятия

РЕЗЕРВНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
А.Г. Денискин

ОАО «НПП «Квант»

Для современных артиллерийских и ракетных систем различного класса требуются автономные резервные источники электроэнергии для питания бортовой электронной аппаратуры, обеспечивающие технические и тактические характеристики конкретных видов вооружений. К таким источникам тока предъявляются достаточно жёсткие требования.

Они должны выдерживать значительные механические воздействия (ударные, вибрационные и линейные перегрузки), храниться и работать в различных климатических условиях при температурах от — 60 о С до + 60 о С; сохранять в течение длительного времени (более 20 лет) без потерь заданные электрические характеристики без необходимости в каких-либо регламентных работах, иметь достаточно высокие удельные энергию и мощность, а также минимальные весовые и габаритные характеристики.

Основой теплового химического источника тока (тепловой батареи) является электрохимический элемент, в котором электролит в незадействованном состоянии находится в твёрдой фазе, и для перевода электрохимического элемента в рабочее состояние требуется его разогрев до температур 450 — 600 о С. Такой разогрев в тепловых батареях осуществляется пиротехническими нагревательными элементами, каждый из которых непосредственно примыкает к электрохимическому элементу для осуществления его быстрого разогрева.

Необходимый уровень напряжения обеспечивается количеством последова-тельно соединенных электрохимических элементов в блоке батареи. Параллельно соединенные блоки обеспечивают заданные требования по току.

Высокие рабочие температуры в тепловых батареях и высокая ионная проводимость электролитов-расплавов позволяют эффективно использовать в электрохимических парах высокоэнергоёмкие электродные материалы: щелочные и щелочно-земельные металлы для анодов и соединения тяжелых металлов для катодов. Использование материалов с высокими электродными потенциалами обеспечивает в тепловых батареях высокое для первичных химических источников тока напряжение разомкнутой цепи 2 — 3 В с элемента и способность разряжаться значительными плотностями тока (до нескольких А/см 2 ).

По применяемым в тепловых батареях электрохимическим системам и особенностям технологии их изготовления можно выделить три поколения тепловых батарей, разработанных «НПП «Квант».

Первое поколение

В качестве анодных материалов использовался кальций или магний, активным материалом катодов был либо бихромат калия, либо сульфат свинца, нанесенный из расплава на никелевую сетку. Электролитом служила смесь хлоридов лития и калия, нанесенная из расплава на стеклотканую основу. В качестве нагревателя использовался состав, состоящий из порошка циркония и хромата бария, нанесенный на асбестовую подложку или находящийся в порах асбестовой матрицы. Тепловые батареи этого поколения обеспечивали сохраняемость в течение 12 лет и работоспособность в широком интервале температур окружающей среды. Однако они имели и существенный недостаток − низкую устойчивость к механическим воздействиям и небольшую удельную энергию (до 4 Втч/кг). Несмотря на это, сфера их использования в военной технике всё более расширялась и перед нами ставились новые задачи по их совершенствованию.
Второе поколение

Принципиальным отличием второго поколения тепловых батарей являлось изготовление электролита и катода методом прессования. Электролит загущался наполнителем из оксида алюминия -модификации с температурой плавления больше 2000 о С, обеспечивающим его устойчивость к механическим воздействиям.

Анодным материалом второго поколения тепловых батарей оставался кальций. Такой электрохимический элемент состоял из трех жестких деталей, которые при активации тепловой батареи не меняли свои геометрические размеры. Слабым местом оставался эластичный циркониевый пиронагреватель, который при сгорании давал «усадку» и не имел электронной проводимости, что требовало специальных коммути-рующих элементов и дополнительных конструктивных решений с целью повышения стойкости батареи к механическим перегрузкам.

Тепловые батареи второго поколения работали при всех видах механических воздействий, возникающих при эксплуатации всех ракетных систем, их удельные характеристики были в 2 раза больше чем у батарей первого поколения, увеличились до 17 — 20 лет сроки сохраняемости.

Третье поколение
Тепловые батареи третьего поколения начали разрабатываться в «НПП «Квант» в конце 80-х годов.

В качестве отрицательного электрода (анода) впервые использовался литий в виде интерметаллического соединения с кремнием, устойчивого к рабочим температу-рам в батарее до 630 о С.

В качестве активного вещества катода был применён дисульфид железа – обогащённый природный минерал серный колчедан.

В электролитной смеси использовался загуститель с большой удельной поверхностью, что позволило улучшить её ионную проводимость и увеличить разрядные токи.

Были разработаны новые малогазовые пиротехнические составы с хорошей электронной проводимостью, что упростило конструкцию батареи. В качестве горючего использовался специальный порошок железа, а в качестве окислителя перхлорат калия, разработана автоматизированная технология формования из них пиротехнических нагревателей, обеспечивающая высокую точность выделяемой тепловой энергии.

Была разработана высокоэффективная тепловая изоляции с использованием в качестве основного материала оксида кремния с размерами частиц 4 — 7 нм.

Основные составные части батареи защищены 8-ю патентами России.

Читайте так же:
Автоматические выключатели выбирают по току теплового расцепителя

Удельные характеристики тепловых батарей третьего поколения в 2 — 4 раза выше удельных характеристик тепловых батарей второго поколения.

Тепловые батареи этого поколения обеспечивают питание ракетных комплексов: «С-300», «С-400», «Смерч», «Булава», «Торнадо», «Искандер», «Пакет», «Аврора», «Загон», «Ярс» и др.

В последнее десятилетие была проведена большая работа по модернизации серийно выпускаемых тепловых батарей первого и второго поколений, входящих в изготавливаемые в настоящее время комплексы вооружений для перевода их на материалы и технологии, используемые в батареях третьего поколения.

Она позволила повысить надежность работы тепловых батарей, унифицировать технологию изготовления широкой номенклатуры батарей, а, в ряде случаев, увеличить их удельную энергию и уменьшить массу и габариты.

В настоящее время в связи с поставленной задачей модернизации вооружения и достижения тактико-технических параметров мирового уровня повышены требования к автономным источникам электрической энергии.

Эти требования касаются снижения времени выхода на рабочий режим, стабильности напряжения в процессе разряда как при постоянной нагрузке, так и переменных токовых импульсах в любое время разряда, продолжительности работы до 1 часа и повышении удельной энергии.

Осуществление этих требований возможно при комплексном подходе к поиску путей модернизации всех компонентов тепловых батарей.

Перспективными направлениями повышения удельных энергетических характеристик являются, в первую очередь, разработка технологии новых анодных материалов с потенциалом чистого лития. Учитывая, необходимость работы таких анодов при температурах до 600 о С, создание таких литийсодержащих композитов является сложной технологической задачей, над решением которой «НПП Квант» работает совместно с ОАО «Энергия». Создано современное оборудование, на котором уже получены первые образцы новых анодных композиционных материалов, синтезируемых на базе системы литий-бор, а также высокопористых металлических матриц, содержащих чистый литий. Потенциал таких анодов остаётся более стабильным, до израсходования всего химически несвязанного лития.

На рис. 1 приведены сравнительные разрядные кривые электрохимического элемента с анодами из композита литий-бор и сплава литий-кремний.

Рис. 1, Разрядные кривые электрохимических элементов электрохимических систем Li-Si/FeS2 и Li-B/FeS2 диаметром 21 мм с массой анодов 0,1 г для батареи БТ-300.
Из графика отчётливо видны преимущества электрохимического элемента с анодом из композита литий-бор, который по ёмкости более чем в 2 раза превышает ёмкость элемента с анодом из сплава литий-кремний.

Были изготовлены миниатюрные батареи БТ-300 для перспективных средств вооружений с диаметром корпуса 27 мм с анодами из сплава Li-Si и композита Li-B, которые разряжались плотностью тока около 1 А/см 2 . Результаты испытаний этих батарей представлены в табл. 1.

Сравнительные характеристики батарей БТ-300 с анодами из сплава Li-Si (16 рабочих элементов)

и композита Li-B (15 рабочих элементов)

В табл. 2 приведены сравнительные характеристики тепловой батареи диаметром 70 мм с временем работы 610 с, требованием к которой является обеспечение больших импульсных токовых нагрузок до 100 А на всём протяжении времени разряда.

Сравнительные результаты испытаний макетных образцов тепловых батарей  70 мм,

Н = 172 мм с электрохимическим элементом  50 мм с различным составом анодов

* максимальный ток от от 63 до 110 А при RН = 0,2 Ом.
На 1,5 секунде после задействования батарея должна выдерживать импульс тока не менее 60 А, обеспечиваемый с большим запасом батареей с анодами из композита литий-бор, что особенно заметно при самой нижней отрицательной температуре. Требования по напряжению на 602-й секунде при разряде на нагрузку 2,45 Ом во всём интервале температур обеспечивает только батарея с анодами из композита литий-бор, у которой в конце разряда на 610-й секунде напряжение значительно выше по сравнению с напряжением батареи с анодами из сплава литий-кремний.

2

UКОН = 1,58 В

UКОН = 2,19 В

iconst = 300 мА/см 2

Рис. 2. Разрядные кривые элементов диаметром 35 мм двух электрохимических систем

кривая 1 – Li-B/твёрдый электролит/соль меди, кривая 2 – Li-Si/LiCl,KCl/FeS2.

Наряду с созданием новых анодных материалов на НПП «Квант» ведётся разработка новых электролитных композиций, в которых основную долю составляют так называемые твёрдые электролиты – вещества, обладающие высокой проводи-мостью по иону лития, но остающиеся при этом твёрдыми при рабочих температурах батарей. Данные композиции обладают двумя преимуществами: прессованные электроды из них механически более прочны, что обеспечивает устойчивость батарей, работающих при больших механических перегрузках, а также, позволяют использовать другие высокоактивные катодные материалы с высокими электродными потенциалами. Рабочее напряжение электрохимического элемента с катодными материалами на основе солей никеля и меди достигает величины 2,5 — 3 В, что позволяет снизить габариты и массу батарей, уменьшив количество элементов в блоке.

Наглядным примером служат разрядные кривые элементов двух электрохимии-ческих систем на основе солей меди (кривая 1) и дисульфида железа (кривая 2), приведённые на рис. 2.

На электрохимической системе Li-B/твёрдый электролит/соль никеля были собраны макетные образцы аналога батареи БТ-300 с 12-ю рабочими элементами диаметром 21 мм. Результаты приведены в табл. 3.

Характеристики макетных образцов аналога батареи БТ-300 (12 рабочих элементов)

на электрохимической системе Li-B/твёрдый электролит/соль никеля

напряжения за 20 с,

Ведутся исследования по улучшению путём создания новых быстрогорящих пиросоставов такого важного параметра, как время активации батарей,. В настоящее время разработаны малогабаритные батарей с временем выхода на режим 0,25 — 0,40 с, которые можно использовать, например, для катапультного кресла самолётов.

Стоящие задачи миниатюризации батарей требуют новых подходов и новых технологических решений по изготовлению, как составляющих компонентов батарей, так и самого сборочного процесса, особенно в свете их массового производства.

Примером таких задач является батарея, разрабатываемая для снайперского комплекса «Фломастер», которая при диаметре 8,5 и высоте 43 мм должна разряжаться плотностью тока 2 А/см 2 в течение не менее 20 секунд и быть стойкой к чрезвычайно большим ударным и линейным перегрузкам.

Над решением стоящих задач в свете поставленных Правительством о перевооружении Армии и Флота до 2020 г. НПП «Квант» в рамках Гособоронзаказа активно сотрудничает с предприятием ОАО «Энергия» города Ельца, осуществляя-ющего серийное и опытное производство тепловых батарей.
__________________

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector