«Батарейки» для ДБЖ

Акумуляторні батареї - ключовий елемент

будь-якого ДБЖ, без якого неможливе повноцінне

функціонування даного пристрою.

Віктор ПАНЬКІВ

Т ак уже повелося, що жодна більш-менш серйозна система резервного електропостачання на будь-якому поважному підприємстві не може обійтися без джерела безперебійного живлення (ІБП). У цій публікації ми і вирішили поговорити про те, без чого даний пристрій перетворюється в просто витончене твір мистецтва, - про акумуляторних батареях.

Ліричний відступ

За двісті років, які минули з часу створення першого джерела електрики, яка провадить електроенергію за рахунок хімічної реакції між електролітом і електродами (на рис. 1. - старовинна модель вольтова стовпа), акумуляторні батареї (АБ) міцно увійшли в наше життя у вигляді джерел живлення для автономних пристроїв і механізмів (батареї для мобільних телефонів, автомобільні акумулятори, пр.).

Сучасна промисловість виробляє акумуляторні батареї в величезному асортименті (рис. 2) і гігантських кількостях для самих різних цілей. При цьому важливо відрізняти саме акумулятори як вторинні джерела струму (які можна перезаряджати певну кількість разів за рахунок оборотності окіслітельновосстановітельние реакції) від первинних джерел струму, які неможливо знову зарядити після розряду (класичний приклад - батарейки).

Далі внесемо ясність в терміни. Акумуляторна батарея - це більш точний синонім слова «акумулятор», що відображає той факт, що даний пристрій складається з декількох складових частин, які називаються акумуляторними елементами. Елемент складається з позитивного (анода) і негативного (катода) електродів, розділених шаром електроліту. Іноді елемент називають банкою, і АБ може складатися з декількох банок, поміщених в єдиний жорсткий корпус (блочне виконання). Деякі конструкції акумуляторів дозволяють замінювати банки, в разі виходу їх з ладу.

Літій-іонні, нікель-кадмієві, свинцево-кислотні - це назви, які найчастіше на слуху у споживачів, адже ключову роль у виробництві акумуляторів грають речовини, використовувані для виробництва електродів і електроліту. Крім того, є ще й АБ, в яких використовуються досить рідкісні і дорогі матеріали. Але вони, як правило, застосовуються у військовій промисловості.

Саме природа цих речовин, при інших рівних умовах, задає основні властивості і параметри акумуляторів, а також їх вартість. Адже кожна речовина має певний набір фізичних і хімічних властивостей, що дозволяє використовувати його в АБ певним способом.

Перш за все, величезну роль в конструкції акумулятора грає агрегатний стан речовини. Наприклад, в свинцево-олов'яному елементі в якості електродів використовуються олово і свинець, а в якості електроліту - водний розчин сірчаної кислоти, тобто електроди поміщені в рідину. А ось в нікель-кадмиевом елементі і електроди, і електроліт знаходяться в твердому стані: в такий АБ не потрібно піклуватися про витік електроліту.

Величезне значення мають хімічні і електрохімічні властивості, а також вартість матеріалів. Наприклад, срібний порошок, який вживається для срібно-цинкових і срібно-кадмієвих АБ, робить їх «золотими», а такі матеріали, як кадмій або ртуть (для ртутно-кадмієвих та багатьох інших АБ), дуже токсичні.

Різні речовини, при однаковому обсязі і ефективної площі поверхні зіткнення електродів і електроліту, здатні накопичувати і віддавати різну кількість електрики. Іншими словами, акумуляторні батареї, побудовані з різних елементів, матимуть різну ємність, що вимірюється в Ампер-годинах (А • год). Фактично дана величина - не що інше, як величина електричного заряду, який здатна віддати батарея. Але на практиці використовують саме першу характеристику, як більш зручну.

Ємність батареї з часом знижується і залежить від умов її експлуатації (температури, режиму розряду). Крім того, при різній силі струму розряду одна і та ж батарея зможе віддати різну кількість електрики (максимальне - при малих токах розряду).

Важливими характеристиками також є початковий і кінцевий напруги між електродами. Перша величина - це напруга між клемами акумулятора при повній зарядці, а друга - напруга, нижче якого він вважається вирядженим. Ефективність роботи АБ визначається віддачею по ємності - відношенням віддається при розряді електрики до необхідного для заряду. Для більшості АБ значення цього параметра - від 50% для лужних і до 65% для кислотних.

Таким чином, параметри акумуляторів варіюються в широких межах і можуть по-різному залежати від умов експлуатації. Як показала практика, ідеальних АБ не буває. Бувають лише різновиди, краще за інших придатні до тих чи інших умов.

За своїми характеристиками найбільш прийнятними для використання в ДБЖ виявилися свинцево-кислотні акумуляторні батареї 1), про які далі і піде мова. Потрібно сказати, що в деяких випадках для ДБЖ використовують також нікель-кадмієві батареї. Як правило, це робиться в разі жорстких температурних умов експлуатації, оскільки даний тип батарей менш чутливий до низьких температур. Також нікель-кадмієві батареї витримують глибші розряди. Але істотним недоліком стає їх вартість, тому і застосовуються в ДБЖ ці батареї досить рідко.

________________________ _______________ ____

1) У деяких випадках для ДБЖ використовують

також нікель-кадмієві батареї.

І що в них особливого?

Почнемо з того, що застосування акумуляторних батарей в ДБЖ має деякі особливості, що тягне за собою певні вимоги до АБ. Якихось спеціальних акумуляторів, тільки «для ДБЖ», не існує, просто певний клас батарей виявився найбільш придатним для вирішення даного завдання, але може бути використаний і в інших сферах.

Як відомо, ІБП поділяються на два типи - промислові та комерційні. У цій публікації ми лише побіжно торкнемося перше, а в основному будемо говорити про АБ для других.

Оскільки для будь-якої комерційної організації бажано мати пристрій з найбільш тривалим терміном експлуатації і високим рівнем безпеки, то до акумуляторів, що застосовуються в ДБЖ, висувається вимога витримувати велику кількість циклів заряду-розряду (як правило, кілька сотень), а також мати тривалий термін роботи і прийнятний рівень безпеки використання (що передбачає мінімум втручання в роботу АБ).

Свинцево-кислотні акумулятори цілком задовольняють всім цим вимогам. Крім того, вони не схильні до такого негативного явища, як ефект пам'яті (зменшення ємності акумулятора після заряду до неповної ємності, внаслідок певних фізико-хімічних процесів), а також мають низький саморозряд. Правда, не позбавлені вони і недоліків, до яких можна віднести найнижчу питому ємність (ємність батареї, віднесена до її масі, або до обсягу АБ) серед аналогічних пристроїв.

Важливим параметром є і їх порівняно невисока ціна, що має значення, адже заміна батарей в ДБЖ обходиться в суму близько 30% вартості самого пристрою.

Звичайно ж, читач відразу скаже, що свинцево-кислотні батареї можна зустріти в кожному автомобілі. Але насправді автомобільні акумулятори відрізняються від призначених для ДБЖ як по вольт-амперних характеристиках, так і по конструкції.

_______________________ ___________ _____________________

Більшість акумуляторів для ДБЖ відносяться до класу

герметизованих необслуговуваних батарей.

______________________ ________________ _________________

Вся справа в тому, що акумулятори для автомобіля відносяться до так званого класу малообслуговуваних (в яких можна контролювати стан електролітів - зливати старий, заливати новий і т.п.), а більшість акумуляторів для комерційних ДБЖ належать до класу герметизованих необслуговуваних батарей, в яких електроліт знаходиться в зв'язаному стані. При цьому потрібно зазначити, що малообслуговувані АБ використовуються в ДБЖ промислового класу.

Вже те, що акумулятори необслужіваемості, серйозно спрощує життя користувачів.

Необслуговувані батареї виробники відносять до класу VRLA - V alve R egulated L ead A cid, що в перекладі зі світовою лінгва франка звучить як «клапанно регульовані свинцево-кислотні батареї».

Що ж це за батареї, і навіщо там клапан? Вся справа, знову-таки, в хімії. Особливістю реакції, яка відбувається між водним розчином сірчаної кислоти і свинцем (а саме ці матеріали використовуються для електродів), є виділення газоподібних водню і кисню, які можуть накопичуватися в корпусі АБ, викликаючи погіршення її функціональних властивостей (в автомобільних акумуляторах це може привести навіть до вибуху).

Тому в згаданих акумуляторах корпус виконують з особливого сорту ударостійкого пластика - ABS (акрил-бутадієн-стирол), який витримує вібрації і високі температури. Крім того, батарею герметизують шляхом термічної спайки кришки з корпусом, а також виконують ущільнення на клемах. При цьому в кожній секції (елементі) організовують клапан, який при надмірному тиску газів викидає їх в атмосферу.

У нормальних умовах експлуатації понад 97% виділилися газів в таких АБ рекомбинируют з утворенням води. Тобто їх кількість настільки мало, що подібний тип батарей можна експлуатувати без систем примусової вентиляції.

На кількість рекомбініруемих газів також впливають форма і склад електродів, які можуть бути плоскими полірованими пластинами, мати загратоване покриття (як раз для рекомбінації) або ж виконуватися у вигляді трубчастих або стрижневих пластин. Як добавки до свинцю використовують кальцій і сурму. Найчастіше частка цих речовин - всього кілька відсотків, але вони істотно знижують кількість виділених на електродах газів. Як правило, склад і виробництво сплаву - запатентована виробником технологія.

Щоб електроліт не витікав ...

Але повернемося до електроліту. На даний момент для використання в ДБЖ набули поширення два різновиди VRLA-батарей - так звані GEL і AGM. У кожній з них електроліт роблять невитекаемим двома різними способами.

Розглянемо перший спосіб. Назва GEL говорить сама за себе. Тут електроліт (а це, як правило, пірогенізірованная кремнієва кислота, розведена сірчаної) за допомогою спеціальних присадок доводиться до гелеобразного стану. Для цього, ще в рідкому вигляді, електроліт в заводських умовах розливається в корпусу, де протягом декількох діб застигає. У ньому утворюються мікропори, необхідні для рекомбінації газів. Структура матеріалу (а також рівень електроліту) добре видно, якщо АБ виконана в прозорому корпусі (рис. 3). А для малообслуговувані акумулятора прозорий корпус - ще більш зручне рішення.

Потрібно відзначити, що гелеві батареї були створені перш за все для військових потреб, адже вони в змозі витримати значні навантаження (незамінний якість в авіації), а також виробляти струм навіть при частковому пошкодженні корпусу при попаданні осколків, куль.

Абревіатура AGM (Absorption Glass Matt) буквально означає абсорбуючий скляний наповнювач. В даному типі акумуляторів позитивний і негативний електроди розділені скловолоконним наповнювачем (на зразок скловати), яка грає роль сорбенту розчину сірчаної кислоти. У скловаті електроліт утримується за допомогою капілярних властивостей рідини. Це, мабуть, єдине конструктивне відміну акумуляторних батарей AGM і GEL.

Спільною рисою даних типів батарей також є схильність зазначених АБ до сульфатации (утворення нашарувань сульфату свинцю на електродах), що виникає внаслідок тривалого зберігання акумулятора в розрядженому стані. Це явище призводить до зменшення ємності, а також зміни розмірів електродів. Тому більшість виробників передбачають вільний простір в корпусі для збільшених сульфатація пластин, щоб вони не пошкодили корпус. Також рекомендується періодично розряджати і заряджати АБ.

Обидва різновиди мають свої переваги і недоліки. Так, гелеві батареї дуже чутливі до струмів заряду, і взагалі відрізняються більшою вимогливістю до умов експлуатації. Крім того, вони мають більш низький коефіцієнт рекомбінації газів, через що можливе утворення бульбашок, заповнених киснем і воднем. Такі порожнини розсмоктуються дуже повільно, внаслідок суттєвої в'язкості гелю, а це загрожує серйозними наслідками, найбезпечніше з яких - зниження ємності. Також гель має низьку теплопровідність, що при збільшенні струму заряду призводить до різкого підвищення температури батареї і до її руйнування.

А ось AGM не має таких недоліків, оскільки іони електроліту не позбавлені рухливості (як в гелі). Такі батареї бояться лише перезарядження. У той же час вони менш чутливі до перепадів температур, більш вібростійкі і, що важливо, дешевше гелевих. Але найчастіше для споживача вирішальним стає одна перевага - гелеві АБ витримують більше число циклів заряду-розряду.

Час роботи АБ залежить від форми, а головне - маси (кількості речовини) пластин і електроліту. Чим маса більше, тим довше прослужить акумулятор. Відповідно до класифікації Eurobat (організації, що об'єднує виробників АБ) за термінами служби батареї поділяють на комерційні (Standard Commercial), розраховані на 3-5 років, загального застосування (General Purpose - 6-7 років), високого рівня (High Performance - до 12 років ) і так звані Long Life 12 Years +, або High Integrity / Long life.

Шукаємо відповідний розмір

Герметичні необслуговувані акумуляторні батареї виробляє величезну кількість компаній по всьому світу. При цьому можна виділити кілька великих виробників. Перш за все, це CSB Battery, С & D Technologies, Systems Sunlight, концерн Delta. Вітчизняні компанії-дистриб'ютори в основному представляють АБ відразу декількох торгових марок, як, наприклад, компанія «Вибір» (CSB, Leoch, BAE, Top Power, GFS) або НПП «Галс-С» (CSB, Leoch, Acumax, Europower, Yuasa ). У цьому випадку вони мають в своєму розпорядженні кілька лінійок батарей, як AGM, так і GEL, різної ємності, терміну служби і розмірів - параметра, який має особливе значення.

Нерідко виробники ДБЖ мають власні потужності для випуску акумуляторних батарей (природно, для своєї продукції). Прикладом може служити виробник ІБП і акумуляторів для них компанія Luxeon. Але іноді виробники АБ укладають договори з виробниками ІБП, випускаючи акумулятори для конкретних лінійок джерел живлення. Так було, наприклад, на початку діяльності компанії CSB Battery, яка випускала акумулятори для ДБЖ АРС. Така схема співпраці дає виробнику АБ деяку перевагу. Справа в тому, що якщо вольтаж батарей завжди один і той же (2, 4, 6 або 12 В), то розміри в відсіку корпусу ДБЖ часто нестандартні. І якщо потрібно замінити лише одну батарею, то доведеться купувати АБ того ж виробника. Іноді при однаковій напрузі варіюється ємність, а отже, і розміри акумуляторної батареї (рис. 4).

Але це не означає, що споживач обмежений у виборі, адже крім батарей, розміщених всередині корпусу і забезпечують певний мінімум часу автономної роботи пристрою, додаткові батареї можна розташувати поза корпусу в стійках. Деякі виробники відразу пропонують такі блоки зовнішніх батарей: наприклад, msEndur, виробництва C & D Technologies, поставляються компанією «Алюр-макс». Але можна і самостійно укомплектувати такий блок батарей.

Якщо з яких-небудь причин ви вирішили самостійно підібрати зовнішні батареї для ДБЖ, необхідно знати принципи формування блоків АБ. По-перше, все акумуляторні батареї повинні бути одного виробника, однієї партії, а також мати однакові характеристики (ємність, напруга). По-друге, потрібно знати проміжне напругу буфера. Третій важливий момент - підрахунок струму, створюваного блоком АБ. Він повинен відповідати току, який споживає інвертор ДБЖ. Для цього батареї в блоці підключаються різним способом (паралельно і послідовно). При паралельному з'єднанні підсумовується ємність (струм), а при послідовному - напруга.

Для розрахунку необхідного струму потрібно також знати ККД і потужність ДБЖ. Реальна потужність ДБЖ, розділена на проміжне напругу, дасть струм, який споживає інвертор, і дозволить оцінити час резервування. Продукція кожного виробника, як правило, розбивається на лінійки, в основу яких покладено термін служби. Наприклад, лінійки SPA і SPB грецького виробника Systems Sunlight (яку представляють в Україні підрозділом «Санлайт Україна С.Р.Л.») відносяться до класу Standart Commercial і High Performance відповідно.

Такоже Різні лінійкі АБ могут відрізнятіся по конструкціях електродів або різновиди (малообслуговувані, герметичні). Прикладом могут служити лінійкі OPz- (S, V), (позитивний електрод - трубчаста пластина) виробництва Hawker (їх в Україні представляет компанія «Селком»). Акумулятори з трубчастими пластинами відрізняються своєю витягнутою вгору формою, що можна бачити на рис. 5. Перша лінійка відноситься до стаціонарних, малообслуговувані АБ, а друга - до герметичним.

В цілому ж, акумулятори, які використовуються в ДБЖ, можна застосовувати в різних системах сигналізації, накопичення енергії сонячних батарей і.т.д.

Залишається лише сказати, що завдяки такій різноманітності ніхто без електроенергії не залишиться. Були б, як то кажуть, гроші.

Віктор Паньків в,

[email protected]

СІБ

№ 5 (листо ь) 2009