Энергию какого вида может запасать емкость

Индуктивности и емкости

Итак, для начала немного о конденсаторах. Самый простой из них-две металлические пластины, расположенныена некотором расстоянии друг от друга (рис. 1). Если к такому элементу подсоединить батарейку, то он через некотороевремя зарядится до того же напряжения, что и батарейка.При этом на пластинах конденсатора будут сосредоточеныэлектрические заряды разного знака (рис. 1). Чем большеенапряжение будет приложено между обкладками, тем больше будет величина электрического заряда пластин. Посколькумежду пластинами находится воздух, а на практике чаще всего какой-либо диэлектрик (непроводящий материал), постоянный ток в цепи на рис. 1 протекать не может. В качестведиэлектрика обычно используются такие материалы, как бумага, слюда, керамика, различные органические пленки и некоторые другие. От типа диэлектрика зависят свойства конденсаторов (в первую очередь частотные), о чем мы дополнительно поговорим в рекомендациях по их выбору. Конечно, на практике через заряженный конденсатор все-таки протекает небольшой ток утечки, вызванный неидеальностью диэлектрика.

Собственно электроемкость есть физическая величина, характеризующая способность конденсатора накапливать (запасать) электрическую энергию. Сухим физико-математическим языком многих учебников говорится, что электроемкость С=q/Uc — это коэффициент пропорциональности между зарядом конденсатора q и напряжением на нем Uc=E, где Е- напряжение источника. Это утверждение, как и многие аналогичные, строго с математической точки зрения, однако, к сожалению, не отражает физической природы явления.

Емкость, как известно, измеряется в долях фарада (единица названа в честь выдающегося физика Майкла Фарадея). При емкости конденсатора в один фарад, электрический заряд на любой из его пластин составил бы один кулон, при напряжении между обкладками в один вольт. На практике емкости, как правило, измеряют в микрофарадах, нанофарадах и пикофарадах.

Емкость конденсатора зависит от формы и геометрических размеров пластин, а также расстояния между ними и параметров диэлектрика. Так, емкость плоского конденсатора, изображенного на рис. 1, определяется как С=ε₀εS/d, где ε₀ — электрическая постоянная, равная 8,85·1О 12 Кл 2 /(Нм 2 ); ε-диэлектрическая проницаемость диэлектрика; d ~ расстояние между обкладками; S — площадь обкладок. Физический смысл этой формулы вполне очевиден — чем больше площадь пластин и чем ближе друг к другу они расположены, тем больше емкость конденсатора. Отсюда можно сделать важный вывод — при параллельном соединении конденсаторов их емкости складываются, поскольку общая площадь пластин при этом увеличивается. А емкость последовательно соединенных конденсаторов определяется также как сопротивление параллельно включенных резисторов, т.е. итоговая емкость окажется меньше, нежели емкости каждого из последовательно включенных конденсаторов. При этом напряжение распределяется между конденсаторами пропорционально их емкости.

В заряженном конденсаторе запасена электрическая энергия W_эл = CU 2 _c/2. Однако, накопление электрического заряда и, соответственно, энергии происходит не мгновенно. В электрической цепи, показанной на рис. 2, в момент замыкания ключа начинает протекать ток заряда, ограниченный сопротивлением R, во много раз превосходящем по величине внутренне сопротивление источника, которым в этом случае можно пренебречь. Тогда ток заряда определяется из закона Ома: I_з=E/R. Напряжение на емкости при этом отсутствует Uc=0 (конденсатор до замыкания ключа, естественно, был не заряжен). В процессе заряда конденсатора ток в цепи уменьшается, а напряжение на конденсаторе возрастает и стремится к Uc=Е. Это проиллюстрировано на графиках (рис. 3) Аналогичным образом происходит разряд конденсатора в цепи на рис. 4.

Здесь ток разряда в момент замыкания ключа скачком возрастает от нуля до величины фаз i_раз=E/R, а затем снова плавно падает до нуля. Напряжение на конденсаторе при этом плавно падает от Uc=Е до Uc=0 (рис. 5.). При разряде конденсатора вся энергия, запасенная в нем, переходит в тепловую энергию, рассеиваемую на резисторе. Разряд и соответственно расход энергии, также как и заряд, не происходят мгновенно, а занимают определенное время. Это правило называют законом коммутации, который применительно к цепям с емкостью обычно формулируют так: напряжение на емкости мгновенно измениться не может. Действительно, при разряде конденсатора на резистор, напряжение на нем изменяется плавно:
Uc = E·EXP(-t/RC). Здесь функция ЕХР(х) — показательная функция е x (число Эйлера е=2,718), чаще называемая экспонентой; а величину RC обычно называют постоянной времени и обозначают греческой буквой τ (тау). Действительно, от этой величины зависит длительность разряда. Процессы заряда и разряда конденсатора являются частными случаями переходных процессов.

Теперь переидем к индуктивности. Катушка индуктивности или дроссель также являются накопителями энергии, только здесь, в отличие от конденсатора, энергия электрического тока преобразуется в энергию магнитного поля. Как известно из физики, вокруг проводника с током образуется магнитное поле, т.е. электрическое поле порождает магнитное. Если проводник свернуть в катушку, то магнитное поле возрастет. Это поле пропорционально количеству витков в катушке.

Интенсивность магнитного поля характеризуется величиной магнитного потока Ф и протекающим через катушку током I_L. Способность катушки (или проводника с током) накапливать энергию магнитного поля и характеризует величина индуктивности L, которая опять-таки математически строгим языком является коэффициентом пропорциональности между магнитным потоком и протекающим через катушку электрическим током, его порождающим L = Ф/I_L Эта величина зависит только от параметров катушки и измеряется в генри (Гн).

Катушка индуктивностью в один генри при протекании через нее тока в один ампер создает магнитный поток величиной в один веббер (единица измерения магнитного потока). На практике индуктивность катушек обычно намного меньше величины 1 Гн и измеряется в милигенри, микрогенри и наногенри. В цепях постоянного тока сопротивление катушки определяется резистивными потерями в образующем ее проводнике и на ней не падает почти никакого напряжения. При этом, запасенная в катушке энергия магнитного поля может быть вычислена следующим образом: W_L=L·I_L 2 /2. Индуктивность (в микрогенри) однослойной катушки (рис. 6) можно рассчитать по следующей известной формуле: L(мкГн)=N 2 ·r 2 /(9r+10l),где N — число витков, r — радиус витка (каркаса), l — длина намотки Для многослойных катушек существуют свои расчетные формулы. Часто с целью увеличения индуктивности в катушки вводят специальные сердечники из магнито-электриков -феррита, пермалоя, альсифера и т.п.

Таким образом, катушка, как и конденсатор, является накопителем энергии. В этом случае на цепи с индуктивностями также должен распространяться закон коммутации, который на сей раз будет звучать так: ток в катушке индуктивности мгновенно изменяться не может. Действительно, при замыкании ключа в цепи на рис. 7 напряжение на катушке изменится скачком до величины E (а затем будет плавно падать до нуля), а ток будет медленно нарастать по тому же закону экспоненты (рис. 8.) от нуля до величины I_L= E/R.

Так, в цепи на рис. 9 при замыкании ключа сначала загорится лампочка, включенная в ветвь с резистором, а затем, плавно увеличивая яркость, лампочка в индуктивной цепи. Это явление вызвано тем, что аналогично тому как электрическое поле порождает магнитное, так и магнитное, в свою очередь, порождает электрическое. Это утверждение справедливо только для переменного магнитного поля. Это наглядно иллюстрирует известный опыт (рис. 10), когда при перемещении постоянного магнита вдоль катушки в ее внешней цепи протекает ток. Так происходит и в нашем случае: при замыкании ключа через катушку начинает протекать небольшой ток, вызывающий появление около ее витков магнитного потока, изменяющегося пропорционально нарастанию тока. В свою очередь, этот изменяющийся магнитный поток приводит к появлению на катушке электродвижущей силы самоиндукции, включенной согласно закону Ленца встречно силе, вызвавшей ток. Тогда катушка будет оказывать сопротивление нарастанию тока, ровно как и его спаду. Из физики можно привести массу примеров того, когда система противодействует изменению своего стационарного состояния, и сопротивление катушки изменению тока — один из них. В процессе нарастания тока в катушке запасается энергия, а при его спаде, соответственно, тратится. В случае, если резко разомкнуть цепь на рис. 7, через ключ проскочит сильная искра, вызванная ни чем иным, как электродвижущей силой самоиндукции.

Рассмотрим, как ведут себя емкость и индуктивность в цепях переменного (синусоидального) тока. Пусть в цепь переменного тока включена емкость (рис. 11). Каждый раз при смене полярности напряжения конденсатор будет перезаряжаться, т.е. знак заряда каждой из его обкладок будет изменяться два раза период переменного напряжения. Если длительность процессов заряда и разряда значительно превосходит период изменения напряжения, ток в цепи также будет изменяться по синусоидальному закону, однако напряжение на конденсаторе отстает по фазе от тока на 90° (рис. 12), что и не удивительно, поскольку конденсатор препятствует резкому изменению напряжения. При этом в процессе каждого заряда-разряда конденсатор будет то накапливать электрическую энергию, то отдавать некоторую ее часть во внешнюю цепь. В большинстве случаев в конденсаторе, включенном в цепь переменного тока, постоянно накоплена определенная электрическая энергия. В цепи с индуктивностью (рис. 13), наоборот, ток отстает по фазе от напряжения на 90° (рис. 14). Это тоже соответствует вышеизложенным рассуждениям -катушка оказывает сопротивление любым изменениям тока. При протекании через катушку переменного тока в ней будет запасаться энергия переменного магнитного поля, приводящая к появлению переменной электродвижущей силы самоиндукции, препятствующей протеканию переменного тока.

Итак, катушка в цепи переменного тока оказывает ему сопротивление в результате наведенной переменнои электродвижущей силы самоиндукции. В то же время и конденсатор, запасая в себе электрическую энергию, оказывает сопротивление переменному току. Оба этих сопротивления называют реактивными и обозначают буквой X. В отличие от резистивного (активного) сопротивления, на реактивном не рассеивается никакой тепловой энергии, а лишь запасается энергия в виде электрического или магнитного поля.

Реактивные сопротивления катушки X_L = j·2πf·L и конденсатора Х_C = -j/2πf·C зависят от частоты f протекающего переменного тока. Мнимая единица j учитывает фазовый сдвиг 90° между током и напряжением, а знак «-» показывает, что напряжения на последовательно включенных емкости и индуктивности противофазны. Действительно, при расчете полного комплексного сопротивления цепи, содержащей индуктивности и емкости, индуктивные сопротивления необходимо складывать со знаком «+», а емкостные, наоборот, со знаком «-«. На рис. 15 показана зависимость реактивных сопротивлений индуктивности и емкости, а также их модулей от частоты. На постоянном токе, как известно, индуктивность не оказывает никакого сопротивления, а сопротивление конденсатора, наоборот, стремиться к бесконечно большому. С ростом частоты картина резко меняется — сопротивление катушки индуктивности возрастает по линейному закону, а сопротивление конденсатора падает согласно кривой, называемой гиперболой.

Вышеупомянутые свойства легко пояснить на примере. На рис. 16 приведена принципиальная схема выходной цепи простейшего радиочастотного усилителя. Здесь в цепь питания коллектора транзистора включен блокировочный дроссель L6n, который на рабочей частоте усилителя имеет очень большое сопротивление. Задача этого дросселя не пропустить переменный ток коллекторной цепи транзистора в источник питания, имеющий очень ма ленькое сопротивление. Этот переменный ток должен протекать в нагрузку через разделительный конденсатор Ср, предотвращающий замыкание источника питания на нагрузку (следующий каскад). Этот конденсатор должен выбираться таким образом, чтобы на рабочей частоте усилителя не оказывать практически никакого сопротивления переменному току, т.е. его реактивное сопротивление должно быть по крайней мере на порядок (в 10 раз) меньше сопротивления нагрузки. Для того, чтобы практически весь переменный ток протекал в нагрузку, нужно, чтобы реактивное сопротивление дросселя, наоборот, по крайней мере на порядок превышало сопротивление нагрузки. Однако, поскольку реактивное сопротивление дросселя не является бесконечно большим, незначительная часть переменного тока все же пройдет через него. Во избежание попадания этого тока в источник питания включен блокировочный конденсатор Сбл, обладающий на рабочей частоте очень маленьким реактивным сопротивлением.

Катушки, дроссели и конденсаторы находят и много других различных применений в радиоэлектронных устройствах. В частности, на них строятся селективные и иные колебательные цепи, о простейших из которых пойдет речь в следующий раз.

В завершении же сегодняшнего рассказа хотелось отметить еще один важный параметр катушек и конденсаторов. Как мы уже говорили, в катушках и конденсаторах имеются потери. В катушке это конечное сопротивление проводника r_L, а в конденсаторе — сопротивление утечки диэлектрика r_ут. Наличие этих потерь приводит к частичному преобразованию запасаемой в катушке и конденсаторе магнитной и электрической энергии в тепловую. Величина этих потерь характеризуется параметром добротность Q=Х/r, который определяется как отношение запасенной энергии к энергии потерь.

Перейдем к более практическим вещам — как выбрать конденсаторы, дроссели, катушки для своей аппаратуры? Для начала о конденсаторах. Здесь важно знать по крайней мере три параметра — электроемкость, рабочее напряжение (а в ряде случаев и предельную реактивную мощность) и частоту (с точностью до: постоянный ток, звуковые частоты, радиочастоты). Независимо от частоты любые конденсаторы следует выбирать на рабочее напряжение (указывается на корпусе), превосходящее ориентировочно в 1,2 раза максимальное значение напряжения, прикладываемое к этому конденсатору в схеме. Не смотря на то, что напряжение пробоя диэлектрика обычно примерно в 1,5 раза превосходит указанное рабочее, такой запас делать все равно необходимо. Что же касается типа диэлектрика, то на сегодняшний день во все радиочастотные цепи в качестве блокировочных и разделительных конденсаторов, а также емкостей фильтров, необходимо устанавливать керамические конденсаторы, диапазон номиналов которых простирается от единиц пикофорад до десятков нанофарад. Следует особо оговорить, что в качество контурных конденсаторов, а также для других частотоизбирательных цепей (фильтров, цепей согласования и т.п.) следует применять конденсаторы с высокой степенью точности величины их емкости (не хуже ±5%), а вот в качестве блокировочных и разделительных элементов применяют более дешевые детали с меньшей точностью. Подстроечные конденсаторы так же, как правило, керамические, а переменные — с воздушным или твердым синтетическим диэлектриком. Большие значения емкостей, как правило, требуются в низкочастотных цепях, где вполне хорошо работают бумажные конденсаторы — герметизированные и т.п. Разброс значений таких конденсаторов составляет от десятков нанофарад да сотен микрофарад. На смену бумажным конденсаторам (с емкостями, не превышающими единиц микрофарад) все чаще приходят танталовые полупроводниковые. Что же касательно слюдяных, то большинство из них в настоящее время сняты с производства из-за своей нетехнологичности. Эти конденсаторы выпускались с величинами емкостей в пределах от сотен пикофарад до десятков нанофарад. Бумажные конденсаторы устанавливают и в цепи токов промышленной частоты (в качестве сетевых фильтров, пусковых конденсаторов двигателей и неоновых ламп и т.п.). Несколько особняком стоят конденсаторы с диэлектриком на основе различных органических пленок. Их можно применять как в низкочастотной, так и в радиочастотной аппаратуре, однако при частотах, не превышающих примерно 50, в редких случаях 100 МГц. Наконец, в цепях постоянного тока (в фильтрах выпрямителей и т.п.) наиболее предпочтительны электролитические конденсаторы, разброс емкостей которых составляет от единиц микрофарад до десятков милифарад (иногда и более). Эти конденсаторы полярны и в цепях переменного тока очень быстро выходят из строя. В виде исключения, их можно устанавливать в цепи усилителей звуковой частоты в качестве разделительных, а также в цепи смещения маломощных каскадов.

Что касается катушек индуктивности и дросселей, то их при изготовлении любительской аппаратуры, как правило, приходится делать самому. Исключение составляют высокочастотные дроссели, которые выпускаются промышленностью на индуктивности порядка десятков — сотен микро-генри. Эти дроссели низкодобротные и ни в коем случае не могут использоваться в качестве контурных катушек и индуктивностей фильтров. Основное их назначение — блокировочные дроссели каскадов усиления радиочастоты малой и иногда средней мощности (при токах в цепях, не превышающих одного-двух ампер). В мощных каскадах передатчиков и другой генераторной аппаратуры устанавливаются самодельные дроссели, которые наматываются толстым медным проводом, способным выдерживать протекающие в этих цепях токи. Это касается и контурных катушек мощных каскадов. Их следует наматывать на теплостойких каркасах без сердечников, поскольку последние сильно разогреваются вихревыми токами высокой частоты и заметно снижают КПД каскада. А вот при намотке контурных катушек и индуктивносетй фильтров маломощных каскадов передатчиков и приемников обычно используют каркасы с сердечниками — чаще всего ферритовыми. Также иногда применяют альсиферовые и латунные (на УКВ) сердечники. В диапазонах KB и УКВ применяют однослойную намотку, а на более низких частотах — многослойную, причем при многослойной намотке желательно применять метод «универсаль» с перекрещиванием витков (как на бобине с нитками или шпагатом), что позволяет уменьшить собственную емкость катушки. Что же касается низкочастотных дросселей (фильтров выпрямителя и т.п.), то их чаще всего наматывают на сердечниках из трансформаторной стали или используют готовые от промышленной аппаратуры.

В заключение расскажем, как при помощи старенького авометра (стрелочного тестера) определить исправность катушек и конденсаторов. Для испытаний конденсаторов тестер следует перевести на максимальный предел измерения сопротивления. Итак, исправный конденсатор емкостью менее 0,1 микрофарад не должен вызывать никакого отклонения стрелки, — в противном случае конденсатор пробит. При испытании конденсатора емкостью 0,1. 10 микрофарад стрелка должна дернуться вправо и быстро вернуться в область бесконечно большого сопротивления. Наконец, при испытании конденсаторов большой емкости (электролитических и т.п.) стрелка тестера должна резко отклониться вправо (почти до нуля сопротивлений), а затем медленно возвратиться обратно. Слабый бросок свидетельствует о потере емкости. К сожалению, при помощи цифровых мультиметров подобное испытание практически невозможно ввиду отсутствия стрелочного индикатора, однако многие из них «умеют» измерять емкость, что существенно упрощает задачу. Для проверки катушек индуктивности и дросселей тестер необходимо перевести на нижний предел измерения сопротивлений. Контурные катушки и высокочастотные дроссели имеют омическое сопротивление, близкое к нулю, а при испытании низкочастотных дросселей (а также обмоток низкочастотных и силовых трансформаторов) тестер покажет сопротивление порядка десятков — сотен Ом. При испытании низкочастотных индуктивных элементов следует избегать касания проводников незащищенными руками, поскольку в момент подсоединения дросселя или трансформатора к тестеру, на зажимах появляется ЭДС самоиндукции значительной величины.

Мнения читателей

• некит / 19.02.2012 — 10:41 спасибо за полезную информацию.
• Санёк / 19.03.2011 — 08:16 спасибо, то что надо.давно пытаюсь найти просте обьяснение.
• azat / 17.03.2010 — 12:31 подскажите формулу для вычисления емкости если известно частота калебательного контура и индуктивность катушки и сопротивление
• марлиз / 12.02.2010 — 05:59 Как измерить бесконтакным способом величину тока потребления?Я знаю что индуктивностью.
• antonio / 03.01.2010 — 16:44 Индуктивность (в микрогенри) однослойной катушки (рис. 6) можно рассчитать по следующей известной формуле: L(мкГн)=N2·r2/(9r+10l), где N — число витков, r — радиус витка (каркаса), l — длина намотки————-радиус и длину в чем выражать в мм, см, м?
• илья / 24.11.2009 — 09:37 как измениться ход процесса разряда конденсатора на резистор при уменьшении ёмкости конденсатора в 2 раза? помогите кто нибудь график нарисовать!кто нарисует отправте пожалуйста на мыло borovikilya@mail.ru
• Кролик / 03.11.2009 — 04:41 Статья — что надо! Не содержит математических формул и объясняет доступно физику процесса. Хотя скажу одну вещь — для детей эта статья будет сложновата.
• дмитрий / 30.04.2009 — 19:00 зачётная статейка
• Romario / 02.04.2009 — 03:31 Отличная статья! Аффтар пишы есщо! А ты, Серёга, сам видимо пидарас антинаучный. Дохуя взрослый что-ли? Пиздуй нахуй на гей-форум и ищи себе там единомышленников-пидорасов. И нехуй тут флудить.
• АMD / 17.03.2009 — 08:34 А за какое время катушка зарядится ло значения LI^2/2 ?

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Какие бывают накопители энергии: виды, преимущества, типы батарей

Природа подарила человеку разнообразные источники энергии: солнце, ветер, реки и другие. Недостатком этих генераторов бесплатной энергии является отсутствие стабильности. Поэтому в периоды избытка энергии ее запасают в накопителях и расходуют в периоды временного спада. Накопители энергии характеризуют следующие параметры:

• объем запасаемой энергии;
• скорость ее накопления и отдачи;
• удельная плотность;
• сроки хранения энергии;
• надежность;
• стоимость изготовления и обслуживания и другие.

Методов систематизации накопителей множество. Одним из самых удобных является классификация по типу энергии, используемой в накопителе, и по способу ее накопления и отдачи. Накопители энергии подразделяются на следующие основные виды:

Можно ли в обычной жизни обойтись без бензина и угля, какие виды «зеленой» энергии существуют на.

• механические;
• тепловые;
• электрические;
• химические.

Накопление потенциальной энергии

Суть этих устройств незамысловата. При подъеме груза происходит накопление потенциальной энергии, при опускании она совершает полезную работу. Особенности конструкции зависят от вида груза. Это может быть твердое тело, жидкость или сыпучее вещество. Как правило, конструкции устройств этого типа предельно просты, отсюда высокая надежность и длительный срок службы. Время хранения запасенной энергии зависит от долговечности материалов и может достигать тысячелетий. К сожалению, такие устройства обладают низкой удельной энергоемкостью.

Механические накопители кинетической энергии

В этих устройствах энергия хранится в движении какого-либо тела. Обычно это колебательное или поступательное движение.

Кинетическая энергия в колебательных системах сосредоточена в возвратно-поступательном движении тела. Энергия подается и расходуется порциями, в такт с движением тела. Механизм достаточно сложный и капризный в настройке. Широко используется в механических часах. Количество запасаемой энергии обычно невелико и годится только для работы самого устройства.

Духовные и материальные блоки не позволяют человеку реализовать свой потенциал, жить счастливо.

Накопители, использующие энергию гироскопа

Запас кинетической энергии сосредоточен во вращающемся маховике. Удельная энергия маховика значительно превосходит энергию аналогичного статического груза. Имеется возможность в короткий промежуток времени производить прием или отдачу значительной мощности. Время хранения энергии невелико, и для большинства конструкций ограничено несколькими часами. Современные технологии позволяют довести время хранения энергии до нескольких месяцев. Маховики очень чувствительны к сотрясениям. Энергия устройства находится в прямой зависимости от скорости его вращения. Поэтому в процессе накопления и отдачи энергии происходит изменение скорости вращения маховика. А для нагрузки, как правило, требуется постоянная, невысокая скорость вращения.

Более перспективными устройствами являются супермаховики. Их изготавливают из стальной ленты, синтетического волокна или проволоки. Конструкция может быть плотной или иметь пустое пространство. При наличии свободного места витки ленты перемещаются к периферии вращения, момент инерции маховика изменяется, часть энергии запасается в подвергшейся деформации пружине. В таких устройствах скорость вращения более стабильна, чем в цельнотелых конструкциях, а их энергоемкость гораздо выше. Кроме того, они более безопасны.

Современные супермаховики изготовляют из кевларового волокна. Они вращаются в вакуумной камере на магнитном подвесе. Способны сохранять энергию несколько месяцев.

Механические накопители, использующие силы упругости

Этот тип устройств способен запасать огромную удельную энергию. Из механических накопителей он обладает наибольшей энергоемкостью для устройств с габаритами в несколько сантиметров. Большие маховики с очень высокой скоростью вращения имеют гораздо большую энергоемкость, но они очень уязвимы от внешних факторов и имеют меньшее время хранения энергии.

Механические накопители, использующие энергию пружины

Способны обеспечить самую большую механическую мощность из всех классов накопителей энергии. Она ограничена лишь пределом прочности пружины. Энергия в сжатой пружине может храниться несколько десятилетий. Однако из-за постоянной деформации в металле накапливается усталость, и емкость пружины снижается. В то же время высококачественные стальные пружины при соблюдении условий эксплуатации могут работать сотни лет без ощутимой потери емкости.

Функции пружины могут выполнять любые упругие элементы. Резиновые жгуты, например, в десятки раз превосходят стальные изделия по запасаемой энергии на единицу массы. Но срок службы резины из-за химического старения составляет всего несколько лет.

Механические накопители, использующие энергию сжатых газов

В этом типе устройств накопление энергии происходит за счет сжатия газа. При наличии избытка энергии газ при помощи компрессора закачивается под давлением в баллон. По мере необходимости сжатый газ используется для вращения турбины или электрогенератора. При небольших мощностях вместо турбины целесообразно использовать поршневой мотор. Газ в емкости под давлением в сотни атмосфер обладает высокой удельной плотностью энергии в течение нескольких лет, а при наличии качественной арматуры — и десятки лет.

Накопление тепловой энергии

Большая часть территории нашей страны расположена в северных районах, поэтому значительная часть энергии вынужденно расходуется для обогрева. В связи с этим приходится регулярно решать проблему сохранения тепла в накопителе и извлечении его оттуда при необходимости.

В большинстве случаев не удается достичь высокой плотности запасаемой тепловой энергии и сколько-нибудь значительных сроков ее сохранения. Существующие эффективные устройства в силу ряда своих особенностей и высокой цены не подходят для широкого применения.

Накопление за счет теплоемкости

Это один из самых древних способов. В его основе лежит принцип накопления тепловой энергии при нагревании вещества и отдачи тепла при его охлаждении. Конструкция таких накопителей чрезвычайно проста. Им может быть кусок любого твердого вещества либо закрытая емкость с жидким теплоносителем. Накопители тепловой энергии имеют очень большой срок службы, практически неограниченное количество циклов накопления и отдачи энергии. Но время хранения не превышает нескольких суток.

Аккумулирование электрической энергии

Электрическая энергия — это самая удобная ее форма в современном мире. Именно поэтому электрические накопители получили широкое распространение и наибольшее развитие. К сожалению, удельная емкость дешевых аппаратов невелика, а приборы с большой удельной емкостью слишком дороги и недолговечны. Накопители электрической энергии — это конденсаторы, ионисторы, аккумуляторы.

Конденсаторы

Это самый массовый вид накопителей энергии. Конденсаторы способны работать при температуре от -50 до +150 градусов. Количество циклов накопления-отдачи энергии – десятки миллиардов в секунду. Соединяя несколько конденсаторов параллельно, можно легко получить емкость необходимой величины. Кроме того, существуют переменные конденсаторы.Изменение емкости таких конденсаторов может производиться механическим или электрическим способом либо воздействием температуры. Чаще всего переменные конденсаторы можно встретить в колебательных контурах.

Конденсаторы делятся на два класса – полярные и неполярные. Срок службы полярных (электролитических) меньше, чем неполярных, они больше зависят от внешних условий, но в то же время обладают большей удельной емкостью.

Как накопители энергии конденсаторы — не очень удачные приборы. Они имеют малую емкость и незначительную удельную плотность запасаемой энергии, а время ее хранения исчисляется секундами, минутами, редко часами. Конденсаторы нашли применение в основном в электронике и силовой электротехнике.

Расчет конденсатора, как правило, не вызывает затруднений. Вся необходимая информация по разным типам конденсаторов представлена в технических справочниках.

Ионисторы

Эти приборы занимают промежуточное место между полярными конденсаторами и аккумуляторами. Иногда их называют «суперконденсаторами». Соответственно, они имеют огромное количество этапов заряда-разряда, емкость больше, чем у конденсаторов, но немного меньше, чем у небольших аккумуляторов. Время хранения энергии – до нескольких недель. Ионисторы очень чувствительны к температуре.

Силовые аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы используются, если требуется запасать достаточно много энергии. Лучше всего для этой цели подходят свинцово-кислотные приборы. Их изобрели около 150 лет назад. И с тех пор в устройство аккумулятора не внесли ничего принципиально нового. Появилось много специализированных моделей, значительно возросло качество комплектующих изделий, повысилась надежность аккумуляторной батареи. Примечательно, что устройство аккумулятора, созданного разными производителями, для разных целей отличается лишь в незначительных деталях.

Электрохимические аккумуляторы подразделяются на тяговые и стартовые. Тяговые используются в электротранспорте, источниках бесперебойного питания, электроинструментах. Для таких аккумуляторов характерны длительный равномерный разряд и большая его глубина. Стартовые аккумуляторы могут выдать большой ток в короткий промежуток времени, но глубокий разряд для них недопустим.

Электрохимические аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов заряда-разряда, в среднем от 250 до 2000. Даже при отсутствии эксплуатации через несколько лет они выходят из строя. Электрохимические аккумуляторы чувствительны к температуре, требуют длительного времени заряда и строгого соблюдения правил эксплуатации.

Прибор необходимо периодически подзаряжать. Заряд аккумулятора, установленного на транспортное средство, производится в движении от генератора. В зимнее время этого недостаточно, холодная батарея плохо принимает заряд, а потребление электроэнергии на запуск двигателя возрастает. Поэтому необходимо дополнительно проводить заряд аккумулятора в теплом помещении специальным зарядным устройством. Одним из существенных недостатков свинцово-кислотных приборов является их большой вес.

Аккумуляторы для маломощных устройств

Если требуются мобильные устройства с малым весом, то выбирают следующие типы аккумуляторов: никель-кадмиевые, литий-ионные, металл-гибридные, полимер-ионные. У них выше удельная емкость, но и цена много больше. Их применяют в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, видеокамерах и других малогабаритных устройствах. Разные типы аккумуляторов отличаются своими параметрами: количеством циклов зарядки, сроком хранения, емкостью, размером и т. п.

Литий-ионные аккумуляторы большой мощности применяют в электромобилях и гибридных машинах. Они имеют небольшой вес, большую удельную емкость и высокую надежность. В то же время литий-ионные аккумуляторы очень пожароопасны. Возгорание может произойти от короткого замыкания, механической деформации или разрушения корпуса, нарушений режимов заряда или разряда аккумулятора. Потушить пожар довольно трудно из-за высокой активности лития.

Аккумуляторы являются основой многих приборов. Например, накопитель энергии для телефона – это компактный внешний аккумулятор, помещенный в прочный, влагозащищенный корпус. Он позволяет зарядить или запитать сотовый телефон. Мощные мобильные накопители энергии способны заряжать любые цифровые аппараты, даже ноутбуки. В таких устройствах устанавливают, как правило, литий-ионные аккумуляторы большой емкости. Накопители энергии для доматакже необходятся без аккумуляторных батарей. Но это гораздо более сложные устройства. Кроме аккумулятора в их состав входят зарядное устройство, система управления, инвертор. Аппараты могут работать как от стационарной сети, так и от других источников. Выходная мощность в среднем составляет 5 кВт.

Накопители химической энергии

Различают «топливные» и «безтопливные» типы накопителей. Для них требуются специальные технологии и нередко громоздкое высокотехнологичное оборудование. Используемые процессы позволяют получать энергию в разных видах. Термохимические реакции могут проходить как при низкой, так и при высокой температуре. Компоненты для высокотемпературных реакций вводят только тогда, когда необходимо получить энергию. До этого их хранят отдельно, в разных местах. Компоненты для низкотемпературных реакций обычно находятся в одной емкости.

Накопление энергии наработкой топлива

Этот способ включает два совершенно независимых этапа: накопление энергии («зарядка») и ее использование («разрядка»). Традиционное топливо, как правило, обладает большой удельной емкостью энергии, возможностью продолжительного хранения, удобством использования. Но жизнь не стоит на месте. Внедрение новых технологий предъявляет повышенные требования к топливу. Задача решается путем улучшения существующих и создания новых, высокоэнергетических видов топлива.

Широкому внедрению новых образцов препятствует недостаточная отработанность технологических процессов, большая пожаро- и взрывоопасность в работе, необходимость высококвалифицированного персонала, высокая стоимость технологии.

Безтопливное химическое накопление энергии

В этом виде накопителей энергия запасается за счет преобразования одних химических веществ в другие. Например, гашеная известь при нагреве переходит в негашеное состояние. При «разрядке» запасенная энергия выделяется в виде тепла и газа. Именно так происходит при гашении извести водой. Для того чтобы реакция началась, обычно достаточно соединить компоненты. В сущности, это вид термохимической реакции, только протекает она при температуре в сотни и тысячи градусов. Поэтому используемое оборудование гораздо сложнее и дороже.

Индуктивности

В первых моих статьях, я старался, преподнести Вам с практической стороны такие популярны элементы, как резисторы и конденсаторы. После долгого перерыва летом, во время которого я предоставил вам несколько советов по замене элементов, вернемся к основным элементам. Сегодня на семинаре у нас индуктивные элементы: дроссели, катушки и трансформаторы.

В следующих двух разделах, перед разговором о катушках, вернемся к некоторым основным соображениям. В редакцию приходить много писем с просьбами дать информацию для начинающих.

Я хорошо знаю, что большинство электронщиков не понимают полностью вопросов связанных с магнетизмом. Скажу больше — даже многие инженеры, которые студентами должны были сдавать по этому экзамены, имеют проблемы с практическим использованием своих знаний магнетизма. Не удивляйтесь — все учебники, которые до сих пор встречаются, представляют дело, таким образом, я бы сказал сухо и не практично. Хотя предоставленная информация является точной и правдивой, но не знаю, как ее взять, что бы она вписывалась в практику.

Осведомляю, что я ставлю трудную задачу — на самом деле попытаюсь объяснить вам основы магнетизма доступно и показать, что в работе катушки и трансформатора нет ни чего магического или не понятного.

Поскольку тема действительно не простая, подойдем к ней несколько раз: Во-первых, на гидравлической модели покажем основные вопросы. Это будет грубая модель — но не сердитесь, что я пользуюсь такими примерами, ведь эта статья для новичков. Эта часть будет содержать основание принципы и явления индуктивности и необходимые формулы.

Во втором подходе, введем минимальные знания об индуктивных элементах, которые необходимы для среднего радиолюбителя. Если возможно, постарайтесь понять физическую основу, что происходит в сердечнике трансформатора и катушки и как он влияет на параметры данных индуктивных элементов.

Уверен, что вы знаете такое катушка индуктивности. Попросту говоря, это элемент состоящий из нескольких витков провода. Обычно катушка намотана на пластиковом корпусе (каркасе); может быть со стрежнем из ферромагнитного материала (феррита или листового трансформаторного железа).

Основным параметром катушки является индуктивность, выражается в Генри, (миллигенри или микрогенри). На электрических схемах катушки обозначаются буквой L, L — так же обозначают индуктивность.

Гидравлическая модель

В книгах для начинающих, для легкого введения и иллюстрации понятий, связанных с электричеством, что представляют гидравлические аналоги электрических цепей. Очевидно, что это грубое упрощение. Но знакомят с важными вопросами и зависимостями. Такая модель движения воды изображена на рисунке 1. Она состоит из насоса, главного клапана, четыре сужения, длиной вертикальной трубки (открытой сверху), обратный клапан и турбина. На рисунке 2 показан электрический эквивалент такой цепи.

В электрической цепи говорят о напряжении питания схемы, напряжение обозначается буквой U. Единица напряжения электрического есть Вольт, коротко обозначается V (названа в честь итальянского физика Гиованни Вольта).

В электрической цепи может течь ток. Электрический ток в первом приближении это движение электронов. Сила тока, т.е. упрощенно количество электронов текущих за единицу времени, обозначается символом I. Единица измерения тока — Ампер (сокращено А). Названа в честь французского физика Андре М Ампера. В повседневной практики вместо: сила тока, говорят коротко — ток.

А теперь очень важная информация: эквивалент электрического напряжения — давление воды, а эквивалент силы тока — расход. Т.е. просто количество вытекшей воды.

Гидравлический насос создает определенное давление. Если закрыть основной клапан (что соответствует на схеме выключателю S1), то вода не сможет течь и будет производится максимально рабочее давление насоса, которое зависит от конструкции насоса. Это максимальное давление, в электрической цепи можно сравнить с электродвижущей силой, ЭДС или E — таким образом, на рисунке 2 источник напряжения рассматривается как, соединенные последовательно источник питания E ЭДС и внутреннее сопротивление Rw.

Если открыть основной клапан (включить переключателя S1), то по схеме потечет вода (ток). Некоторая часть воды потечет через отверстие 1 (резистор R1). Чем меньше отверстие, тем меньше воды, это понятно интуитивно. Это хорошо видно по закону Ома, сила тока, протекающего через резистор пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению (сопротивление) резистор.

Аналогично последовательное и параллельное соединение отверстий эквивалентно соединению резисторов.

Обратите внимание, что давление может быть и без потока воды (насос работает, вентиль закрыт), а вода без давления течь не может.

Аналогично в электрической цепи напряжение может присутствовать, и не быть тока (т.е. батарея не подключена), но ток не может течь, если нет напряжения.

Идем дальше. После открытия клапана (замыкания S1), вода, прошедшая через отверстие 2 (ток, течет через резистор R2) увеличивается уровень воды в вертикальной трубке (зарядка конденсаторов C1).

Уровень воды в трубке (напряжение на конденсаторе C1) не будет расти бесконечно, а только до тех пор пока давление столба воды не станет равным давлению, создаваемого насосом (напряжение на конденсаторе равно напряжению аккумулятора). Тогда в отверстие 2 (резистор R2) поток воды прекращается (поток электронов). В статическом состояние, в цепи отверстие — трубка 2 (R2 С1) ни чего не происходит. Но если мы закроем клапан (выключим переключатель S1), через трубку и отверстие (R2) вода (ток) снова начнет течь, но в противоположном направлении. Уровень воды в трубке постепенно снизиться (напряжение на конденсаторе достигнет нуля, он разрядиться).

Опять же, это хорошая аналогия зарядки и разрядки RC цепи. Обратите внимание — чем больше количество воды, большее давление оно производит — уровень воды в вертикальном открытой трубе, таким образом соответствует напряжению.

Емкость конденсатора, можно сравнить с толщиной трубы, с ее диаметром. Чем она меньше тем меньшее количество воды можно поднять в трубке.

В гидравлических системах часто используют односторонние клапаны. В простейшем случае это металлический диск, который просто лежит на переходном отверстие. Когда давление на входе отверстия будет больше чем на его выходе, клапан откроется через него потечет ток. Конечно это иллюстрирует работу диода D на рисунке 2. Опять же, аналогия хороша, потому что для поднятия диска требуется определенное количество энергии. Энергия не может быть взята из ничего — диск поднимется за счет энергии, течения воды. Другими словами, будет перепад давления на клапане. Кроме того, при токе через полупроводниковый диод то же происходит падение напряжения (для обычных кремниевых диодов 0,5..0,8 В, в зависимости от значения тока).

И вот наконец мы переходим к индуктивности. Представьте себе, что турбина показанная на рисунке 1 неподвижна, и может вращаться в обоих направлениях. На валу турбины установлен маховик. Как реагирует турбина, когда открывается главный клапан? Вода не течете через нее сразу — за счет инерции маховика скорость набирается постепенно. С течением времени скорость установиться — и расход воды будет определяться только сечением отверстия 4. Если бы это была идеальная турбина, работающая без потерь вызванных трением, тогда в установившемся состоянии не происходило бы падения давления между его входом и выходом. На практике часть энергии будет тратиться на преодоления трения, Таким образом, мы наблюдаем некоторое давление между его входом и выходом.

Опять же у нас прекрасная аналогия — турбина с маховиком иллюстрирует катушку индуктивности. После открытия переключателя S1 будет увеличиться ток, протекающий в цепи L R4. Через некоторое время, в зависимости от индуктивности катушки и резистора R4, ток стабилизируется на значении, зависящем только от напряжения U и сопротивление R4. Если катушка была бы идеальной, не было бы падения напряжения на ней. На практике у каждой катушки есть потери (в частности, сопротивление обмотки катушки).

Отметим, что турбина с маховиком имеет интересное свойство — выступает против изменения текущего потока. Так же индукционная катушка обладает свойством противостоять изменению силы тока. Вы должны запомнить, раз и навсегда: индуктивность всегда препятствует изменению тока в цепи.

Это только шаг к понимаю того, что же такое есть индуктивность. Индуктивность это сумма противодействий изменению силы тока. В нашей гидравлической модели ей соответствует масса маховика. Чем больше инерция (индуктивность), тем медленней увеличивается поток воды (сила тока), когда открыт главный вентиль (выключатель S1). Очень просто, не правда ли?

Накопление энергии

Вернемся теперь к рисунку 1. Вы наверное знаете, что поднимая воду в трубе, и вращением турбины, можно запасти некоторое количество энергии. Эту энергию можно потом использовать. Подумайте — нет разницы, что насос создает давление, что столб воды.

Как и с конденсатором, так и с катушкой, через которую течет ток. Другими словами конденсатор и катушка могут использоваться как источники энергии.

А что определяет количество этой энергии? Я думаю что понятно, энергия, запасенная в трубке (конденсаторе) зависит от высоты водяного столба, или давления (напряжения на конденсаторе), и от толщины трубки (емкость конденсатора). Аналогичным образом, энергия, запасенная в турбине (катушки) будет зависеть от инерции маховика (индуктивности) и скорости вращения в результате движения потока (от силы тока).

Теперь вы можете понять, откуда взялись школьные формулы для расчета энергии:
E = CU2/2
E = LI2/2

На данный момент просто помните, что конденсатор запасает энергию в электрическом поле, а катушка в магнитном. Не волнуйтесь, если вы не помните, что такое электрическое и магнитное поле. Если быть честным, то я и сам до конца не могу это объяснить. Определения из книг мало что говорят, а на основе материала данного в школе я не могу представить механизм передачи энергии в вакууме. Подобное объяснение электромагнитных явлений не так просто и теория электромагнитного поля основана на высшей математике. Может быть вы слышали об уравнениях Максвелла? И действительно ни один физик в мире не имеет полной картины. Мы ожидаем большой прорыв в физике, как открытия Коперника и Эйнштейна. На данный момент у нас есть только общие представления об этом и множество гипотез, до сих ждем теорию единого поля которая объяснит все явления связанных с магнетизмом.

Как и конденсатор так и катушка могут запасать энергию, и следовательно в определенных ситуациях могут служить источниками питания. Я писал, что конденсаторы изготавливаются с емкостью около 1 Фарада, используются как резервная батарея для питания памяти в компьютерных системах. Другим примером является емкостной преобразователь (инвертор, например, описанные в EDW 7/96 стр. 43), обычные трансформаторы, и все виды питания и преобразователи импульсов содержащих индуктивности.

Не смотря на то в катушках и емкостях за раз можно запастись небольшим количеством энергии, есть простой способ, не смотря ни на что передавать значительную мощность — просто увеличив частоту заряда — разряда на единицу времени. Этот вопрос будет закрыт в цикле статей посвященных импульсным источникам питания.

Что бы лично узнать о возможностях конденсаторов хранить энергию, сделайте простой эксперимент: возьмите электролитический конденсатор емкость 220. 2200 мкФ, подключите к нему источник напряжения 12 В на несколько минут (что бы сделать формовку), а потом разрядите с помощью светодиода с резистором 470.. 1000 Ом. Как видите вспышка была очень короткой. Попробуйте то же самое с емкостью 47..220 нанофарад. Вы ведите вспышку? Сравните емкость с яркостью вспышек. Вы можете так же подключить желтый или зеленый светодиод к батарейке от часов что бы узнать сколько в ней энергии.

А теперь вопрос: как вы думаете, что ограничивает и не позволяет запасать в конденсаторах и катушках большое количество энергии? Вы ведите по-чему для питания электроники нужно использовать батарей и аккумуляторы, запасающих энергию в химических связях, а не в электрическом поле?

Напряжение на катушке

А как на счет напряжения на катушке? Очень важный вопрос.

Хотя вопросы об напряжении и токе в конденсаторе легко понятны, но то же самое относительно катушек вызывает затруднения. Я помню как на первом или втором курсе ВУЗа на лекции по основам электричества, преподаватель утверждал что в цепи содержащей катушку индуктивности не может быть напряжение выше чем напряжение питания, потому ему не от куда взяться. Пан Вишневский, которого я люблю и уважаю как хорошего преподавателя, когда я возразил поставил мне 4 (за то что я знаю больше). Кроме того ни кто в группе не имел другого мнения об напряжение на катушке. Только через некоторое время я понял, что на самом деле происходит в катушке. Думаю у вас то же могут быть с этим проблемы, по-этому рассмотрим подробнее. В гидравлический контур на рисунке 1 включили дополнительный вентиль между катушкой и отверстием 4. Что будет если в момент когда поток установился, скорость потока установилась, мы закроем этот вентиль (выключатель S2 выключим)?

Так как турбина связана с маховиком, и он не может остановиться в одно мгновение. Каким будет давление на выходе турбины когда мы закроем вентиль? Конечно вы скажете что вращаясь маховик (катушка) накопил некоторое количество энергии, которое на время превратит нашу турбину (катушку) в насос (источник напряжение – батарею). Вы совершено правы! Энергия вращения маховика, будет продолжать вращать турбину.

Но клапан полностью закрыт (что соответствует размыканию электрической цепи). Что происходит с давлением на выходе турбины?

Что происходит с давлением на выходе насоса? После прекращения потока воды, в связи с наличием маховика, турбины будут производить на выходе давление. Какое значение? Подумайте: тяжелый маховик может привести полученное давление на выходе из насоса, будет гораздо выше (!), чем любой из давления, которое ранее было в системе. Это очень важный вывод: давление (напряжение) автоматически генерируется турбиной (катушкой) не зависит от давления (напряжения), которые имело место в цепи. Какое вы думаете? В идеальном случае. После полного закрытия в схеме формируется второе давление (напряжение), которое будет иметь значение . бесконечно большое. На практике, значение этого напряжения зависит от конструкции катушки, и, в частности, от некоторых потерь, но все равно будет очень большим и оно может достичь тысяч вольт что может привести к разрыву (пробою) изоляции между витками катушки.

И что произойдет, если дополнительный клапан не будет полностью закрыт, а лишь частично (что эквивалентно увеличению сопротивления R4)? Речь идет о фундаментальных принципах: катушка всегда оказывает сопротивление изменению тока. Посмотрите на рисунке 1, 3 и подумайте что будет в электрической цепи катушки?

Вы уже знаете: если схема будет резкое изменение сопротивления (или кардинальное изменение напряжения питания), то в катушке возникнет самоиндукция, вызывающая напряжение, но какой величины и какого напряжения?

Внимание! Это напряжение будет такой же величины и направления, что бы сохранить такой же ток что был и до изменения. Это выглядит, может быть, немного таинственно — как будто катушка знает, какое для этого нужно напряжение. На самом деле, тут нет ни чего экстраординарного, потому это связано с ее основными свойствами: выступать против изменения тока. Запомните — катушка временно создает такое напряжение, что бы поддержать ток (или что бы избежать роста тока). Конечно это будет длиться долго, потому что катушка может хранить лишь ограниченное количество энергии.

Вы можете спросить, от куда на катушке взялось это напряжение? Примите на веру, что это так называемое явление самоиндукции, связанное с известным со школы Ленцем. Вам не нужно, глубокое понимание этого физического явления — на сегодняшний день оно принято, что оно просто есть.

71 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 12/96

Автономные источники энергии

Одним из эффективных способов снижения расхода электрической энергии в является применение накопителей энергии. В общем виде накопитель энергии представляет собой устройство, позволяющее запасать в нем энергию какого-либо вида, полученную в процессе торможения подвижного состава, хранить её и отдавать существенную долю этой энергии тяговому приводу во время пуска. Отличительной особенностью накопителя является то, что количество запасаемой в нём энергии, как правило, недостаточно для обеспечения движения транспортного средства в течение длительного промежутка времени. Поэтому он не является автономным источником энергии, а только дополняет основной, способствуя тем самым снижению потребления энергии.

Использование накопителей на электрическом транспорте является эффективной мерой по снижению энергозатрат на движение, поскольку накопление энергии, получаемой, например, в процессе электрического торможения, можно обеспечить практически всегда.

Таблица 8.2. Основные характеристики источников тока

Энергетическая мощность Втч/кг

Срок службы (циклов заря-да/разряда)

Цинк-воздушные топливные батареи

Примечание: Значения мощностей приведены для индуктивно-активной нагрузки при номинальном коэффициенте мощности coscp = 0,8.

Виды накопителей энергии

Известно достаточно большое количество накопителей энергии, различающихся, как по виду запасаемой энергии, так и по конструктивному исполнению. К ним относятся: гидроаккумулирующие (ГА), ёмкостные, воздухо-аккумулирующие (ВА), газотурбинные, электрохимические (ЭХ), электро-механические (ЭМ), механические, сверхпроводящие, индуктивные и т. д. Каждый тип накопителей энергии имеет свои характерные энергетические показатели, режимы работы, особенности конструктивного и схемотехнического исполнения, определяющие рациональные области их применения [13-14].

Таблица 8.3. Распределённые типы аккумуляторов

ЭДС заряж. аккумулятора, В

Сред, напряж. при разряде, В

Напряж. буферного режима, В

Напряжение начала заряда, В

Напряжение конца заряда, В

Внутреннее сопротивление, Ом

Коэф, отдачи по ёмкости Г|_с

Удельная ёмкость, А- ч/кг

Продолжение табл. 8.3

Удельная энергия, Втч/кг

Время нормального заряда, ч

Время нормального разряда, ч

Ток нормального заряда, А

Ток нормального разряда,А

Саморазряд за месяц при t =20°С, %

• 3^1;
• (40-60 для герметичн.)

Критериями для обоснования целесообразности использования того или иного типа накопителя, например, на подвижном составе электрического транспорта являются следующие (таблица 8.3):

• -удельная энергоёмкость, измеряемая в Втч/кг или Дж/кг и определяющая массогабаритные показатели данного накопителя;
• -удельная стоимость накопительного устройства (удельные капиталовложения);
• -долговечность, измеряемая общим числом циклов «заряд-разряд» или сроком службы;
• — диапазон температур, в котором сохраняется работоспособность накопителя;
• — простота и доступность технического обслуживания;
• — время заряда накопителя (выбор производится исходя из времени торможения ЭПС);
• — время и величина потерь при хранении энергии;

• — время реверса;
• — скорость и глубина разряда (глубина разряда позволяет снизить величину массогабаритных показателей и величину «мёртвого объёма»);
• — безопасность работы;
• — КПД накопительного устройства.

Электрохимическими накопителями называются химические источники тока, предназначенные для многократного использования их активных веществ, регенерируемых путём заряда. К этому типу накопителей можно отнести химические аккумуляторные батареи (АБ) и электрохимические генераторы (ЭХГ).

Основными электрическими параметрами аккумуляторов являются: номинальные напряжение и ёмкость, токи разряда и заряда. Кроме того, аккумуляторы характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), внутренним сопротивлением, величиной и скоростью разряда, а также удельными энергетическими показателями.

К достоинствам электрохимических накопителей можно отнести: возможность длительного хранения энергии до 10 4 ч, высокий КПД отсутствие механических перемещений, бесшумность работы.

Современная техника в зависимости от назначения располагает целым рядом АБ, это — свинцовые, медно-литиевые, железо-никелевые (ЖН), никелькадмиевые (НК), серебряно-цинковые (СЦ), серно-натриевые и другие типы аккумуляторов.

Наиболее распространёнными являются свинцовые аккумуляторы, экономичнее которых до сих пор ничего не изобретено. Широкое распространение они получили благодаря высокой надёжности и невысокой цене.

Konwten ио цмкпов

Рисунок 8.16. Изменение величины ёмкости аккумулятора в зависимости от количества циклов и глубины разряда

Долговечность аккумулятора оценивают сроком службы или количеством циклов. Она зависит от конструкции аккумулятора; ресурса, заложенного в электрохимическую систему; условий ввода в эксплуатацию; условий эксплуатации. При этом, чем меньшая глубина разряда АБ, тем большее количество циклов он прослужит (рисунок 8.16).

Считается, что аккумулятор отработал свой срок службы, если доступная ёмкость падает до 80% от указанной первоначальной ёмкости. В этом случае 30% глубина разряда соответствует максимальному циклическому сроку службы аккумулятора.

Серьёзной проблемой при внедрении АБ является влияние изменения температуры внешней среды на его ёмкость. С ростом температуры увеличивается скорость коррозионных процессов, что сокращает срок службы аккумуляторных батарей. Повышение температуры аккумулятора на 10°С удваивает скорость коррозионных процессов и вдвое сокращает срок службы. На рисунке 8.17 показана зависимость ёмкости от температуры.

Рисунок 8.17. Зависимость ёмкости аккумулятора от температуры

Предельная ёмкость аккумуляторных батарей достигается при нормальной температуре (20°С), малых скоростях разряда и низких напряжениях отсечки (напряжением отсечки называется минимальное напряжение, при котором аккумулятор способен отдавать полезную энергию).