Pile secundare (Acumulatoare)

Pile secundare (Acumulatoare)

Acumulatoarele electrice sunt elemente galvanice secundare, care inmagazineza energie electrica luata de la o sursa de curent continuu (incarcare) si o cedeaza la nevoie (descarcasea acumulatorului) intr-un circuit inchis continuand un consumator.

Atat incarcarea, cat si descarcarea acumulatorului (fig.5.) se bazeaza pe reactii chimice reversibile(se produc intr-un sens la incarcare si in sens invers la decarcare).Dupa incarcare, acumularorul devine o sursa de energie electrica, iar dupa descarcare poate fi din nou incarcat, si asa de foarte multe ori. Datorita acestui fapt, precum si datorita transportarii lor usoare, acumulatoarele au capatat o intrebuintare din ce in ce mai mare.

Fig 5.Incarcarea (a) si descarcarea (b) acumulatorului

Cand este necesar sa obtina un curent debitat mai mare, se leaga in paralel mai multe acumulatoare (+cu+ si -cu , iar cand se cere o tensiune mai mare,se leaga in serie (plusul uneia cu minusul alteia); astfel se formeaza bateriile de acumulatoare.

Acumulatoarele au electrozii sub forma de placi, de a caror suprafata depinde valoarea curentului debitat de un element. Electrolitul in care sunt cufundati poate fi o solutie de acid sulfuric (acumulatorul acid) sau o solutie de hidroxid de potasiu KOH (acumulatorul alcalin).

Bateriile de acumulatoare se incarca cu ajutorul redresoarelor uscate (de obicei de seleniu), conectate in reteaua electrica, sau al convertizoarelor. Ele pot functiona in tampon cu acestea.

Acumulatoare alcaline

Acumulatoarele alcaline se folosesc la instalatiile mobile de telecomunicatii. Comparativ cu acumulatoarele acide ele suporta mai usor curenti mari de descarcare fara a se defecta, sunt mai usoare si suporta mai bine socurile mecanice.

La aceste acumulatoare, electrozii pozitivi sunt din nichel iar cei negativi din fier sau din cadmiu. Din aceasta cauza, elementele au primit denumirea metalelor intrebuintate: nichel-fier (Ni-Fe) si nichel-cadmiu (Ni-Cd). Datorita bunelor sale calitati a inceput sa fie folosit si elementul argint-zinc (Ag-Zn).

Electrolitul utilizat la aceste acumulatoare este o solutie de potasa caustica (hidroxid de potasiu).

Constructie: Partile componente ale unui acumulator alcalin de tipul Ni-Fe sau Ni-Cd sunt: electrozii pozitivi si negativi, puntile de legare, izolatia dintre electrozi, vasul cu capac si dopuri si electrolitul.

Electrodul pozitiv este la fel pentru ambele tipuri. El este constitui din placi de otel perforate, pe care se depune masa activa de oxid de nichel amestecat cu grafit.

Electrodul negativ al acumulatorului Ni-Fe are o constructie asemanatoare cu cea a electrodului negativ al acumulatorului Ni-Cd, cu deosebire ca lamele au forma plata si grosime de 33mm. Ele se umplu cu materia activa si se preseaza cu deschizaturile ramei. Masa activa este formata din pulbere de fier amestecata cu oxid de mercur.

La acumulatoarele Ni-Fe, asamblarea placilor se face la fel ca la acumulatoarele placi de plumb, numarul placilor negative fiind mai mare cu o bucata fata de cel al placilor pozitive.

Acumulatoarele Ni-Cd, numarul placilor pozitive este mai mare cu o bucata fata de numarul placilor negative. Placile pozitive de margine nu se izoleaza fata de vas, asa cum se procedeaza cu placile negative de margine a acumulatorului Ni-Fe.

Grupurile de placi negative sau pozitive se asambleaza cu un surub care le strabate sau cu ajutorul puntilor de otel nichelat de care placile se sudeaza.

Izolatia dintre placi este formata din placi perforate de ebonita sau din materiale plastice sintetice.

Vasul este confectionat din tabla de otel nichelata si sudata la imbinari. Pereti sunt de obicei plani. Pentru fixarea vasului in cutia de asamblare, se sudeaza pe pereti lui niste piese distantoare.

Capacul este din otel nichelat si are gauri pentru cele doua borne ale grupurilor de placi si o gaura pentru dop. Dopul are o constructie speciala, fiind prevazut cu un ventil care permite evacuarea gazelor produse in urma electrolizei.

Acumulatorul Zn-Ag este format dintr-un vas de material plastic transparent sau de otel, continand o solutie de hidroxid de potasiu (electrolit) si mai multe placi negative si pozitive (electrozii), izolate prin separatoare din materiale plastice dispuse sub forma unor pungi in jurul placilor pozitive.

Electrozi pozitivi sunt constituiti din placi de argint acoperit cu peroxid de argint, iar electrozii negativi sunt din placi de zinc spongios.

Asamblarea placilor se face la fel ca la acumulatoarele Ni-Fe. Un avantaj al acumulatoarelor alcaline este acela ca in timpul functionarii nu se degaja vapori daunatori. Alte avantaje sunt robustetea mecanica si electrica, posibilitatea de pastrare atat in stare de incarcare cat si de descarcare.

Un important dezavantaj al lor este pretul de cost mare.

Caracteristicile de functionare. Teoretic, in perioada incarcarii si descarcarii, electrolitul nu isi schimba concentratia, in timp ce la electrodul pozitiv se mareste concentratia, la electrodul negativ ea scade in aceiasi masura. Din aceasta cauza, gradul de incarcare sau de descarcare al acumulatorului nu se poate determina masurand densitatea specifica a electrolitului (cum se face la acumulatoarele cu plumb), ce numai prin masurarea tensiunii electromotoare a elementului.

Tensiunea electromotoare E este diferenta potentialelor de electrod ale placilor pozitive si negative. Ea are valoare 1,41 V pentru acumulatorul Ni-Fe, 1,36 V pentru acumulatorul Ni-Cd si 2 V pentru acumulatorul Zn-Ag.

Rezistenta interioara a acumulatorului Ni-Fe este cuprinsa intre 0,003 si 0,0075 W, fiind putin mai mica la acumulatoarele Ni-Cd. Ea depinde de constructia placilor, de temperatura si de starea de incarcare, de concentratia si de puritatea electrolitului. Pe masura descarcarii acumulatorului, rezistenta interioara creste. In comparatie cu rezistenta interioara a acumulatoarelor cu plumb, ea este de aproape 4 ori mai mare.

Capacitatea acumulatoarelor alcaline nu depinde de valoarea curentului de descarcare, ci de cantitatea de masa activa, de porozitatea si structura ei, ca si de contactul dintre masa activa si suporturile metalice. Variatia temperaturii are o influenta insemnata asupra capacitatii acumulatorului. Cand temperatura scade, se observa o micsorare a capacitatii. Acumulatoarele Ni-Fe nu pot functiona decat pana la 5 C.

In mod obisnuit acumulatoarele folosite in telecomunicatii, nu depasesc capacitatea de 40-50Ah. Raportata la greutatea si volumul acumulatorului, capacitatea este mai mare la acumulatoarele alcaline decat la cele acide.

Auto descarcarea la acumulatoarele alcaline in repausul dintre doua incarcari succesive este foarte accentuata in primele zile, insa mult mai mica decat la acumulatoarele cu plumb. In primele 24 de ore dupa incarcare, acumulatorul Ni-Fe pierde aproape 2% din capacitate, iar acumulatorul Ni-Cd pierde 5% zilnic. Dupa un repaus de 90 de zile, tensiunea la borne este mult micsorata si elementul nu mai poate debita curentul nominal. Auto descarcarea acumulatoarelor Zn-Ag este mult mai mica fata de alte tipuri.

Randamentul variaza cu regimul de incarcare si descarcare. Pentru acumulatorul Ni-Fe, randamentul in cantitate de electricitate este de circa 0,72, la fel ca si acumulatorul Ni-Cd. Randamentul in energie este 0,50 la acumulatoarele Ni-Fe si de 0,51 la acumulatoarele Ni-Cd. Aceste valori sunt mai mici decat cele la acumulatoarele cu plumb.

Durata de functionare a acumulatoarelor alcaline este mult mai mare decat a acumulatoarelor cu placi de plumb. Acumulatoarele Ni-Cd functioneaza in conditii normale de exploatare timp de cel putin 500 de cicluri de incarcare-descarcare inainte de a pierde 20% din capacitatea nominala. In aceleasi conditii, acumulatoarele Ni-Fe rezista la 1000 de cicluri, iar acumulatoarele Zn-Ag la 90.100 de cicluri.

La descarcare (fig.6.), acumulatorul Ni-Fe are la inceput tensiune de 1,28 V, care scade de la 1,22.1,20 V. Urmeaza perioada de descrestere lenta pana la valoarea de 1,1.1 V. La acumulatoarele Ni-Cd, valoarea medie a tensiunii este de 1,2.1,25 V. Rezulta deci ca la acumulatoarele Ni-Cd caracteristica de incarcare si descarcare are o forma mai avantajoasa decat in cazul acumulatoarelor Ni-Fe.

Fig 6.Variatia tensiunii la borne a acumulatoarelor alcaline in timpul incarcarii si descarcarii : A.- acumulatorul B.- acumulatorul Ni-Cd