Аккумуляторы в промышленности (1 часть)
Введение
Промышленность уделяет особое внимание надежности, экономичности, долговечности и безопасности, поэтому узнать о применении аккумуляторов в данном контексте особенно интересно.
Сегодня мы подробнее познакомимся с областями промышленности, в которых активно используются аккумуляторы, а также причинами, убеждающими производителей в такой необходимости.
Батареи для тяги
В инвалидных колясках, скутерах и автомобилях для гольфа в основном используются свинцово-кислотные батареи. Несмотря на то, что тяжёлые свинцово-кислотные аккумуляторы работают достаточно хорошо, и предпринимаются лишь умеренные попытки перейти на другие системы, литий-ионные аккумуляторы станут естественной альтернативой во многих устройствах.
Хотя литий-ионный аккумулятор дороже свинцово-кислотного, стоимость цикла может быть ниже из-за более длительного срока службы. Еще одним преимуществом литий-ионных батарей по сравнению со свинцовыми и никелевыми является простота обслуживания. Литий-ионный аккумулятор можно оставить при любом уровне заряда без неблагоприятных побочных эффектов. Напротив, NiCd и NiMH нуждаются в периодическом полном разряде для предотвращения эффекта памяти, а свинцово-кислотные требуют полного заряда для профилактики сульфатации.
Чем тяжелее средство передвижения, тем сложнее подобрать к нему аккумулятор. Это не мешает инженерам применять большие аккумуляторные системы для замены загрязняющего окружающую среду двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Одним из примеров является система автоматического управления транспортными средствами (AGV) в морских портах. AGV работает 24 часа в сутки, и транспортные средства не могут простаивать для длительных интервалов зарядки.
Литий-ионный аккумулятор частично решает эту проблему, заменяя очень большую 10-тонную свинцово-кислотную батарею мощностью 300 кВт·ч на более легкую, которую можно заряжать быстрее. Очень большие батареи имеют ограничения из-за веса, времени зарядки и инфраструктуры. Решить проблему с большими системами тяги может добавленный топливный элемент, если сжигание ископаемого топлива невозможно. Конечно, аккумулятор можно уменьшить, но нельзя полностью исключить, потому что топливный элемент имеет низкую скорость химических реакций и не может обеспечить высокую мощность работы в условиях серьёзных нагрузок.
Тем не менее, пока не существует экономичного аккумуляторного решения для больших тяговых систем, и нельзя полностью избежать сжигания ископаемого топлива. В то время как современная литий-ионная батарея обеспечивает около 150 Втч/кг энергии, низшая теплотворная способность (NCV) ископаемого топлива составляет более 12 тыс. Втч/кг. Даже при низком КПД двигателя с ДВС, составляющем 25%, энергия от батареи ничтожно мала по сравнению с ископаемым топливом.
Аккумуляторы для авиации
Аккумуляторы на борту самолёта используются для питания навигационных и аварийных систем при отключении вспомогательной силовой установки или в случае возникновения аварийной ситуации во время полёта. Аккумулятор также обеспечивает питание для торможения и работы на земле. В случае отказа двигателей батареи должны обеспечивать их энергией от 30 минут до 3 часов. Каждый самолёт также должен иметь батарею достаточной мощности, чтобы в случае чего совершить безопасную посадку. Во время полета электроэнергия подается от генераторов, и, как и в автомобиле, бортовая батарея при необходимости может отключаться.
В большинстве коммерческих реактивных лайнеров используется залитый никель-кадмиевый аккумулятор. В небольших самолётах может использоваться свинцово-кислотная батарея. Хотя она и тяжелее NiCd, но требуют меньше обслуживания. В двигателях современных реактивных истребителей уже используются литий-ионные аккумуляторы. Поскольку бортовые функции авиалайнера переходят от гидравлических к электрическим, требуются батареи большего размера. Литий-ионные аккумуляторы с более высокой плотностью энергии удовлетворяют этому требованию лучше, чем никель-кадмиевые и свинцово-кислотные.
Однако неожиданная поломка Li-ion аккумуляторов может привести к серьёзным последствиям и заставить производителей самолетов вернуться к NiCd. Они тоже подвергаются тепловым сбоям, но с ними можно справиться лучше, чем в случае с литий-ионными элементами. NiCd обеспечивает долговечность и надежную работу, но требует тщательного обслуживания и проверок.
Самолеты несут на борту множество различных аккумуляторов, но их единственной целью является запуск двигателя и обеспечение резервного питания в случае экстренной ситуации. Большие самолеты будут продолжать летать на ископаемом топливе, поскольку батареи еще не пригодны для использования в качестве двигателей.
Небольшие самолеты на аккумуляторном питании тестируются для обучения пилотов и совершения коротких рейсов, но пока лишь в качестве эксперимента. Основными проблемами полноценного использования аккумуляторов в авиации остаются их вес и надёжность.
Аккумуляторы для аэрокосмической отрасли
Ранние спутники использовали никель-кадмиевые батареи, и это привело к открытию эффекта памяти. Батарея следовала обычному графику разрядки, но когда требовалось больше энергии, она ”вспоминала” предыдущий режим работы, и напряжение падало, как бы в знак протеста против нежелательной нагрузки.
Никель-кадмиевый источник тока был заменен никель-водородным - с исключительно долгим сроком службы. Предприниматели пытались внедрить эту удивительную батарею для коммерческого использования, но высокая цена (около 1000 долларов за штуку) и большой размер помешали его закреплению на рынке.
Сейчас лучший выбор для спутников - это литий-ионный аккумулятор. Он легкий, быстро заряжается, долговечен и эффективен. Кроме того, Li-ion имеет низкий саморазряд и практически не требует обслуживания.
Например, марсоход Curiosity использует специально разработанные элементы из оксида лития и никеля (LiNiCo) в формации 8S2P (восемь элементов последовательно и два параллельно), которые лишь частично заряжаются и разряжаются для увеличения срока службы. При таком режиме продолжительность жизни аккумулятора составляет 4 года и примерно 700 сол. (Термин sol используется планетарными астрономами для обозначения продолжительности солнечного дня на Марсе).
Сейчас учёные разрабатывают большие литий-ионные аккумуляторы емкостью 140 Ач, срок службы которых может достигать 18 лет.