Современные технологии в области аккумуляторов

Во многих случаях, особенно при проектировании средств коммуникаций, требуется обезопасить конкретное устройство от возможных перебоев в обеспечении электричеством. Это осуществляется посредством установки источников бесперебойного питания (ИБП), основной составляющей которых обычно являются аккумуляторные батареи (АКБ). Вместе с тем, АКБ – это единственный компонент ИБП, который относительно быстро изнашивается и требует регулярной замены. Замена производится раз в 5-25 лет, в зависимости от качества АКБ и режима ее эксплуатации.

В сроке службы АКБ многое зависит от правильности эксплуатации. В некоторых случаях, при неправильном использовании, АКБ может прослужить на много меньше. Так что реальный срок службы зависит от множества факторов в совокупности.

Что такое АКБ

Аккумуляторные батареи – это химические источники электрической энергии, в которых энергия вырабатывается в результате прохождения химической реакции окисления-восстановления электролита. Главное отличие разных АКБ между собой – тип электролита. На данный момент можно купить никель-кадмиевые, свинцово-кислотные (применяется разная кислота в разных АКБ), серно-натриевые, медно-литиевые и много других.

Кроме электролита АКБ состоит из корпуса и электродов. Корпус изготавливается из химически-инертного материала, обычно это разные виды пластика. Электрод – это токопроводящий (обычно металлический) стержень или пластина, погруженная в электролит. Особенность электрода заключается в том, что он имеет высокую коррозионную устойчивость. Благодаря этому он может долгий срок служить, несмотря на постоянное нахождение в водно-кислотной смеси.

Наибольшее распространение получили свинцово-кислотные АКБ. Они относительно дешевые, при этом имеют важную особенность своей работы – они отдают ток со стабильным напряжением, которое не меняется от мощности нагрузки или температуры, как в других АКБ. Недостатком таких АКБ является выделение в процессе работы кислорода и водорода, которые формируют взрывоопасную смесь газов. Таким образом, подобные АКБ должны иметь хорошую вентиляцию (вытяжку), чтобы свести риски к минимуму.

Это требует особого размещения АКБ: необходимо хорошо вентилируемое, отапливаемое помещение. Без вентиляции зашедший человек может получить кислородное отравление, а включение света в комнате может привести к взрыву накопившихся в помещении газов. Поместить его на открытом воздухе тоже не представляется возможным, поскольку для нормальной работы АКБ ей необходимо постоянное соблюдение комнатной температуры. Все эти сложности являются отрицательными факторами, влияющими на популярность таких АКБ.

Герметичные АКБ

На сегодняшний день, при необходимости, можно купить герметичные АКБ, которые не требуют специально оборудованных помещений и почти не требуют ухода. В основе работы таких АКБ лежат различные способы устранения выделяющихся газов. Одни способы нацелены на то, чтобы выделившиеся газы возвращались в свое исходное состояние (водород и кислород образуют молекулы воды). Это достигается путем погружения в электролит пористого материла, например стекловолокна. В основе другого способа лежит идея не дать газу выделятся. Для этого применяют особые варианты электролита – его делают гелеобразным (технологии Dryfit и Gelled Electrolite).

Разные производители стараются комбинировать различные способы для достижения наилучшего результата. Герметичные АКБ оборудуются клапаном, который спустит газ из аккумулятора, если его все же много соберется. Вместе с клапаном АКБ оборудуется пламязащитной пробкой. Если выходящие газы воспламеняться снаружи (за пределами АКБ) – благодаря этим пробкам пламя не сможет попасть вовнутрь.

Разработчики АКБ уже кое-чего достигли, но их достижения недоступны для нас из-за чрезмерно высокой цены. Просто дешевле соблюсти все условия для обычных АКБ и покупать новые АКБ по истечении срока службы, чем купить современную разработку. Надеемся, что ученые все же придумают, как обеспечить важное оборудование бесперебойным электричеством или без применения АКБ, или посредством новых АКБ, которые и стоят дешевле, и служат дольше. Однако, на сегодняшний день подобные технологии нам еще недоступны, и потому приходится пользоваться дорогостоящими системами бесперебойного питания. Тем не менее, в ряде случаев это абсолютно оправдано.

Особенность конструкции АКБ

Уже давно экспериментально установлено, что оптимальное напряжение для работы одной отдельной секции АКБ – 1,5-2 вольта. При меньших напряжениях химические реакции внутри АКБ протекают слабо, а при больших – падает КПД аккумулятора, большая часть выделяемой энергии уходит в нагрев электролита. Потому в любом аккумуляторе расчетное напряжение одной отдельной секции всегда равно 2 вольта. Если аккумулятор имеет выходное напряжение 12 вольт – значит он состоит из шести секций по 2 вольта, соединенных последовательно, которые на выходе, все вместе и дают 12 вольт. По такому же принципу формируются и АКБ больших напряжений.

Секции АКБ – это фактически отдельные аккумуляторы в одном корпусе. По такому же принципу можно создать батарею АКБ с нужным выходным напряжением из батарей меньших напряжений. Например, для получения на выходе 48 вольт, можно соединить последовательно 4 АКБ по 12 вольт каждая. Или две по 24 вольта.

Емкость любой батареи зависит от температуры окружающей среды. При понижении температуры фактическая емкость падает, повышение же температуры приводит к сокращению фактического срока службы. Это неизбежное физическое явление. При низкой температуре емкость АКБ может уменьшиться в два раза, по сравнению с номинальной, указанной на корпусе. В результате, при внезапном отключении основного источника энергии, источник бесперебойного питания сможет питать ваше оборудование в два раза меньший срок, чем предполагалось.

Долговечность АКБ

Производители во всем мире стремятся продлить срок службы аккумуляторов. На данный момент средний срок службы хороших аккумуляторных батарей для ИБП составляет 10 лет. Срок службы может сильно отличаться в зависимости от режима эксплуатации. И правильности их установки и использования. Много зависит от исправности специальных контрольных плат, встроенных в АКБ. Эти платы регулируют ток подзарядки на АКБ.

При комнатной температуре превышение тока подзарядки на отдельной секции всего лишь на 200 мВ (при номинальном напряжении около 2В) происходит разрушение электродов, что влечет за собой и ухудшение свойств электролита, поскольку материал электрода входит в соединения с веществами электролита и образуют новые соединения, мешающие работе АКБ. При падении температуры окружающей среды необходимо и ток подзарядки понижать, иначе произойдет описанное выше. Платы, встроенные в АКБ замеряют температуру и регулируют ток подзарядки.

Эти и другие факторы сильно влияют на долговечность АКБ. На данный момент, АКБ – это уязвимое место в системе автономного электропитания, однако ученые еще не придумали ничего лучше, что могло бы продаваться по доступной цене. Основная альтернатива на данный момент – это генераторы электричества: дизельные генераторы, бензиновые генераторы, и даже собственные, автономные электростанции. Ведь сегодня широко применяются личные ветровые, реже солнечные электростанции, особенно в той местности, где круглый год присутствуют ветра со скоростью не менее 3м/с.

Как выбирают АКБ

Для оптимального выбора АКБ следует проанализировать, в каком режиме она будет использоваться. Необходимо учесть максимальный ток нагрузки, определить средний ток нагрузки и на его основе рассчитать, какую емкость должна иметь батарея для обеспечения заданного времени автономной работы АКБ. В этом вам могут помочь наши специалисты.

На АКБ производитель указывает их емкость, выраженную в ампер-часах (Ач). А потребителю необходимо обратить внимание, на какой срок обычно происходят перебои с электричеством от основного источника. Кроме того, необходимо просуммировать потребляемую мощность всех приборов, которые требуют автономного питания. Определившись со временем автономного питания и суммарной потребляемой мощностью устройств, вы сможете прибавить к этим цифрам небольшой запас и рассчитать, какая необходима емкость АКБ для обеспечения бесперебойным электричеством вашего оборудования.