3. Медно-магниевые элементы из-за большой саморазрядки применяются как резервные. Они приводятся в действие введением специального активатора непосредственно перед употреблением. После активации их срок хранения меньше суток. Время активации зависит от температуры и составляет в среднем несколько минут. Разрядка элементов сопровождается саморазогреваннем, что позволяет им работать при весьма низких температурах. Однако активация должна производиться при положительной температуре.

Другими отличительными особенностями медно-магниевых элементов являются малая механическая прочность, сохранность более двух лет, некоторая вредность входящих в их состав веществ.Стоимость элементов превышает стоимость марганцово-цинковых почти в 20 раз.

4. Никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы (рис. 14.6) выпускаются в нескольких конструктивных исполнениях: ламельиые и безламёльные (открытые, ненроливаемые и герметизированные). Они просты в эксплуатации, имеют срок службы 500-1000 циклов, обладают самой высокой механической прочностью из всех других химических источников тока, саморазрядка их не превышает 20% за месяц, сохранность в залитом состоянии более двух лет.

Работают эти аккумуляторы в широком температурном диапазоне с относительно небольшим снижением удельных показателей. По своим удельным характеристикам .герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы уступают только серебряно-цинковым.

При зарядке герметичных аккумуляторов следует строго соблюдать рекомендованный режим, так как при большом зарядном токе сильное выделение газов может привести к взрыву аккумулятора. При эксплуатации батареи никель-кадмиевых аккумуляторов необходимо следить за равномерными разрядкой и зарядкой каждого из вхо- дящих в нее аккумуляторов. Связано это с тем, что при сильной разрядке одного из аккумуляторов напряжение на его электродах может изменить свою полярность. Такое изменение напряжения вредно сказывается на сроке службы всей батареи. Стоимость герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов почти в 100 раз больше, чем мар-ганцово-цинкового элемента той же емкости, но больший срок службы снижает стоимость источника питания с таким аккумулятором при длительной эксплуатации.

5. Серебряно-цинковые аккумуляторы обладают наилучшими удельными характеристиками. Помимо этого их удельные энергетические характеристики мало зависят от.времени разрядки. Поэтому, даже разряжаясь током, близким к току короткого замыкания, серебряно-цинковый аккумулятор отдает в нагрузку практически весь свой заряд.

Рис. 14.6. Конструкция герметичного никель-кадмиевого аккумулятора:

/ - крышка; 2 - пружина; 3 ~ отрицательный электрод; 4 - изоляционная прокладка; 5 - положительный электрод; 6 - никелевая сетка; 7 - сепаратор; 8 - корпус

Особенностью разрядных характеристик такого аккумулятора является резкий, но непродолжительный спад напряжения (ступенька, соответствующая примерно 20% разряду). Связано это с изменением типа химических реакций, происходящих при разрядке аккумуляторов, сопровождающейся изменением плотности электролита. Однако если заряжать аккумулятор пульсирующим, а не постоянным током,то можно придать его разрядной характеристике вид, приближающийся к идеалу (см. рис. 14.3).

Эксплуатационно-технические характеристики серебряно-цинковых аккумуляторов в остальном хуже, чем у никель-кадмиевых. Так, они выдерживают только 50-100 циклов перезарядки, что в общем мало. Саморазрядка их достигает 5-10% за месяц. .Сохраняются они без электролита 5 лет, а с электролитом только 6 месяцев. Уход за серебряно-цинковыми,аккумуляторами более сложен, чем за никель-кадмиевыми. При эксплуатации они создают наименьшую вредность. Стоимость их примерно раз в двадцать превышает стоимость марганцо-во-цинкового элемента той же емкости.

Работы, проведенные в последние годы, привели к заметному продлению срока службы такого аккумулятора. Один из его типов выдерживает в орбитальном режиме 2500 гщклов перезарядки.

6. Кислотные (свинцовые) аккумуляторы имеют наименьшую механическую прочность и наибольшую вредность из всех названных типов химических источников. Испаряющаяся из аккумулятора серная кислота вредно влияет на окружающие его приборы и устройства. При зарядке свинцового аккумулятора выделяется водород, что повышает взрывоопасность. Срок службы авиационных кислотных аккумуляторов несколько больше, чем серебряно-цинковых, но все же невелик, Они выдерживают 60-70 циклов перезарядки. Однако низкая стоимость, немногим большая, чем у марганцево-цинковых элементов, пологая разрядная кривая заставляют предпочитать их во многих случаях. Саморазрядка кислотных аккумуляторов велика (20-30% за месяц) и это усложняет их эксплуатацию. Сохранность их без электролита не превышает двух лет.

Появившиеся в последнее время новые типы химических источников имеют очень высокие удельные характеристики. Так, воздушно-цинковые элементы обладают удельной энергией до 500 Вт-дм. Ими стремятся заменить двигатель внутреннего сгорания в автомобиле. Перезаряжаемый воздушно-цинковый генератор (при перезарядке меняется цинковый электрод) имеет удельную массовую характеристику порядка 120 Вт ч/кг и объемную около 80 Вт ч/дм.

Элементы с расправляемым электролитом работают при повышенной температуре. Такой элемент с системой электродов Li-С1 и электролитом, расплавляемым при / = 609° С, имеет удельные характеристики 550 Вт ч/кг и 825 Вт ч/дм. В условиях невесомости его пока-затели несколько снижаются (400 Вт ч/кг и 555 Вт ч/дм).

Элементы с органическим электролитом (раствор LiC104 в этил-карбонате) и электродами NigS Ag2Cr04-Li дают э. д. с. большую 13 В. ПоэФому их удельные характеристики высоки. Производятся элементы с до 320 470 Вт ч/кг н qv 500 - 620 Вт ч/дм.

Широкое применение аккумуляторы получили в качестве буферных и аварийных источников питания. В этих случаях аккумулятор ставится параллельно какому-либо другому источнику питания, например электромашинному генератору. Мощность генератора примерно равна средней мощности, потребляемой нагрузкой. При максимумах тока нагрузки, вызванных включением каких-либо устройств, аккумулятор разряжается и тем самым сглаживает неравномерность тока, отдаваемого в сеть генератором. При малой нагрузке аккумулятор подзаряжается от генератора, восполняет свой заряд. При выходе первичного источника питания из строя аккумулятор становится резервным источником питания, его емкость должна обеспечить работу всех аварийных устройств и приборов.

§ 14.2. Топливные элементы

В топливном' элементе осуществляется реакция, обратная электролизу. К пористым электродам, погруженным в электролит (рис. 14.7), подводят с одной стороны топливо, а с другой - окислитель. При окислении топлива на одном из электродов накапливаются положительные ионы, на другом - электроны. В нагрузке протекает электрический ток.

Топливный элемент, использующий в качестве топ-, лива водород, дает, как отход, воду, что является в некоторых случаях весьма важным обстоятельством. В других топливных элементах используется пропан, метан, керосин, а в качестве окислителя - воздух. Электролитом является раствор КОН.

Поскольку в элементах происходит беспламенное сгорание топлива, то они бесшумны, их работа не сопровождается выделением газа и дыма. К достоинствам топливного элемента относится довольно высокий к. п. д., достигающий 60-70%. Один элемент дает напряжение около 1 В. Объединив несколько элементов в батарею, можно получить и более высоковольтный источник напряжения.

Удельные характеристики кислородно-водородных топливых элементов, установленных, например, на американском космическом корабле Аполлон , не очень высоки (10 Вт/кг). Один элемент дает £ = 0,9 1,1 В, а батарея 20,5 В. С одной батареи весом 100 кг снималась мощность 563 1420 Вт. На корабле было установлено три таких батареи. В настоящее время у топливных элементов достигнуты более высокие показатели. Так, топливные элементы, предназначенные -для питания радиорелейных станций, имеют мощность

Продукты окисления

~ /

Пористые электроды

Рис. 14.7. Схема устройства топливного элемента

100 Вт, удельные показатели /Jq = 55 -4- 40 Вт/кг и = 50 70 Вт/л. Они могут работать в течение полугода без обслуживания. Созданы и более мощные топливные элементы {Р = 200 кВт). Их удельные показатели значительно выше pQ - 200 Вт/кг ру - 200 Вт/дм, а к. п. д. достигает 65%.

т

Тепло

0,2 0.1 О

8 10 12 I.A

Холодная поверхность

§ 14.3 Термоэлектрические генераторы

В термоэлектрическом генераторе для получения электричества используется эффект Зеебека. Нагревание контакта двух полупроводниковых материалов разного типа электропроводности приводит к появлению некоторой э. д. с. на их свободных (холодных) концах.

Полупроводниковые материалы, использующиеся в таких генераторах, должны иметь как можно больший коэффициент термо-э. д. с, хорошую электропроводность и

малую теплопроводность. По- Нагрузка

следнее необходимо для того, чтобы получить значительный перепад температуры между холодными и горячими спаями кристаллов. Этим требованиям лучше всего удовлетворяют сильно легированные полупроводниковые материалы (полуметаллы).

Поскольку для работы в термоэлектрическом генераторе не требуется высокая чистота применяемых материалов, то генераторы получаются относительно дешевыми и успешно работают в условиях проникающей радиации. Батарея термоэлементов собирается из кристаллов, размещенных между нагреваемой-и охлаждаемой поверхностями (рис. 14.8, а).

Для разогрева может использоваться побочное тепло (солнечный свет, стенка разогревающейся при работе установки) и тепло от специального генератора (газовая или керосиновая горелка, атомный реактор). Большинство полупроводниковых материалов, применяемых в термоэлектрических генераторах, не позволяет повышать температуру горячих спаев выше 1000° С, ибо при высоких температурах-термо-э. д. с. у них пропадает. Чаще всего температура горячих спаев лежит в пределах 500-700° С.

Несмотря на малый к. п. д., не превышающий 10%, термоэлектрические генераторы нашли широкое применение для питания переносных радиоустройств и радиоустройств космической связи. Объяс-

Горячая поверхность I I Контакты изоляция

Рис. 14.8. Схема устройства термоэлектрического генератора (а) и его внешняя характеристика (б)

няется это простотой эксплуатации, высокой надежностью, небольшой стоимостью.

Внешняя характеристика одного из тер?моэлементов (рис. 14.8, б) достаточно кр*уто спадает, поэтому для такого генератора не опасны короткие замыкания. Удельные характеристики термогенераторов зависят от мощности и способа подогрева и для генераторов мощностью 200-300 Вт составляют 15-20 Вт/кг. При использовании побочного тепла удельные характеристики заметно повышаются.

Один из космических термогенераторов содержит .2880 термоэлементов из сплава Ge-Si р- и л-типов электропроводности. Они объединены в 120 модулей, установленных на 40 трубках, по которым протекает теплоноситель. В каждом модуле 6 последовательных термоэлементов, снимаемая с них мощность равна 4-5 Вт. Температура горячего спая около 500° С, а холодного 315° С. Масса генератора 68 кг. Отдаваемая им мощность 500 Вт. Время безотказной работы 12 ООО ч. Общий вес всей установки вместе с атомным реактором 435 кг.

В термогеиераторе Ромашка в качестве источника тепла используется реактор на быстрых нейтронах и термоэлементы из сплава Ge-Si. Мощность, отдаваемая термоэлементами,.-500 .800 Вт при токе нагрузки 88 А. Время безотказной работы 15 ООО' ч.

В изотопном термогенераторе источником тепла является ампула с изотопом Pq. Размер ампулы 6 Хб X 1,3 см, она с двух сторон облицована термоэлементами (18 шт.). Мощность, отдаваемая ими в нагрузку, равна 320 Вт. Тепловой поток через изоляцию составляет 49 Вт. Общий к. п. д. установки 3 ~ 3,5%.

Аналогичные источники используют для питания радиорелейных и радиометеорологических станций. Источник Бета-С имеет мощность 10 Вт, напряжение 6 В, вес 140 кг и срок службы 10 лет. Устанавливались термоэлектрические генераторы и на спутниках системы Космос .

§ 14.4 Термоэлектронные генераторы

Термоэлектронные генераторы работают при более высокой температуре разогрева, в сравнении с термогенераторами обладают большим к. п. д. Их принцип действия основан на использовании энергии электронов, испускаемых нагретым эмиттером - катодом (рис. 14.9, а). Эмиттируемые им электроны попадают на холодный анод (коллектор). Возвращаясь на эмиттер по внешней цепи, они и создают в ней электрический ток.

Для уменьшения влияния пространственного заряда электронов, находящихся в промежутке эмиттер-коллектор, последний ийогда заполняют парами легко ионизирующегося металла. Так, введение цезия позволяет увеличить расстояние между эмиттером и коллектором, получить при этом в десятки раз больший ток эмиссии.

Внешняя характеристика одного элемента термоэлектронного генератора (рис. 14.9, б), у которого эмиттер активирован и нагрет до Т = 1860° К, а коллектор имеет температуру. Г = 920° К, показы-

296

вает, что с одного квадратного сантиметра эмиттера можно получить около 4 Вт электрической мощности в нагрузке. Расстояние между эмиттером и коллектором

В этом генераторе равно 5 мкм.

При более высоких температурах эмиттера и меньшем расстоянии эмиттер-коллектор отдача генератора и его к. п. д. возрастают. В некоторых преобразователях к. п. д. равен 13,5%; с 1 см- поверхности электродов снимается мощность до 20 Вт.

Широкому применению термоэлектронного генератора препятствует его небольшой срок службы, связанный с испарением высокотемпературного катода. Каскадное соединение термоэлектронного и термоэлектрического генераторов'заметно повышает характеристики источника.

о 0,к 0,8 1,2 1,5 и,В

Рис. 14.9. Схема устройства термоэлектронного генератора (а) и его внешняя характеристика (б):

/ анод; 2 - плазма; 3 - цезмй; 4 - катод; 5 - тепло; б - нагрузка

§ 14.5 Источники электрической энергии,

в которых используется солнечное излучение

Солнце - неисчерпаемый источник энергии. Поэтому источники энергии, в которых используется солнечное излучение, привлекают внимание всех энергетиков;

В наружной атмосфере плотность энергии солнечного излучения весьма высока и составляет 1,33 кВт/м^. В атмосфере некоторая часть энергии поглощается. Поэтому в средних широтах в летние месяцы плотность мощности солнечной радиации на уровне моря достигает 0,8-0,9 кВт/м-. Из этой мощности примерно 30% приходится на рассеянное переизлучение атмосферы. Потери в атмосфере зависят от времени года и времени суток. Поэтому при самых оптимальных условиях среднесуточная плотность мощности солнечного излучения, падающего на горизонтальную площадку, меньше 0,4 кBт/м^ а среднегодовая 0,1-0,2 кВт/м2. Однако этой мощности достаточно, чтобы с поверхности размером 5 X 5 = 25 м- получать от солнца в течение суток 6-12 кВт-ч энергии при к. п. д. преобразователя всего в 10%. Этой энергии вполне достаточно для потребности средней семьи, имеющей полностью электрифицированные бытовые приборы.

Использование солнечного излучения для получения электрической энергии может осуществляться как непосредственно, так и с промежуточным его преобразованием в тепловую энергию. Во втором случае для получения электрической энергии может использоваться любой тепловой генератор. Так, известны турбоэлектрогенераторы, приводящиеся в действие от солнечного нагревателя. Параболическое