виях: в широком диапазоне температур (практически от –50 до +50° С), при повышенной влажности, повышенной загрязненности (вагонные батареи), при значительных механических нагрузках. Емкость железнодорожных батарей составляет 70…500 А ч.
Электрические транспортные средства (тяговые батареи). В ряде случаев транспортные средства не могут иметь двигатель внутреннего сгорания. В этих случаях используют тяговые электродвигатели и специальные тяговые батареи. Тяговые батареи работают в режиме переключения и рассчитаны, как правило, на глубокий разряд в широком интервале нагрузок. К ним предъявляются требования большого срока службы и большого ресурса. Обычно они подлежат ремонту.
В качестве тяговых источников используются большей частью свинцовые и никель-железные аккумуляторы. Они имеют емкость от 40 до 1200 А ч, а для подводных лодок – несколько тысяч ампер-часов.
Тяговые батареи находят применение также в электромобилях. Такие батареи, как правило, имеют способность к форсированному заряду. В настоящее время разрабатываются и уже находятся в эксплуатации автомобили повышенной экономичности, сочетающие в себе двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель с тяговой батареей.
Стационарные установки (стационарные батареи). Стационарные батареи эксплуатируются в более мягких условиях, чем транспортные. Они всегда находятся в нормальном положении, поэтому можно не заботиться об их тщательной герметизации. Отсутствие вибраций и других механических нагрузок существенно упрощает требования к конструкции батарей, аккумуляторов и электродов. Зачастую стационарная аппаратура размещается в помещениях и работает в оптимальном температурном режиме. Однако в ряде областей применения, например, на автоматических удаленных метеостанциях, стационарные установки работают в жестких климатических условиях при температурах от –50 до +50° С. Стационарные батареи часто имеют большую емкость сотни и тысячи ампер-часов. Массогабаритные показатели обычно не имеют решающего значения, т.е. к источникам тока не предъявляются требования высоких удельных характеристик.
Стационарные батареи, предназначенные для длительных разрядов небольшими токами, часто состоят из первичных элементов, например, щелочных. Такие батареи используются на железнодорожном транспорте для питания сигнализации, стрелочного хозяйства и т.д. Длительная работа без обслуживания характерна для автономных и удаленных метеостанций, релейных станций и т.п. На ряде телефонных станций аккумуляторные батареи используются в качестве источников постоянного тока. Свинцовые стационарные аккумуляторы большой емкости, работающие в буферном режиме, используются на электростанциях для питания вспомогательного оборудования. Широко используются аварийные аккумуляторные уста-
новки, обеспечивающие освещение и работу важных агрегатов и устройств при перебоях в работе электросети. Такие источники находятся в постоянной готовности и рассчитаны на работу в течение нескольких часов. Аварийные установки монтируются в больницах (для бесперебойной работы операционных и реанимационных отделений), в защитных сооружениях гражданской обороны, на важных промышленных объектах в вычислительных центрах. Аварийные источники тока в обычных условиях редко разряжаются: для компенсации саморазряда они постоянно или периодически подзаряжаются.
Переносные и бытовые приборы. Представляют собой наиболее широкую область применения ХИТ как по количеству отдельных источников тока, так и по их номенклатуре. В переносных и бытовых приборах используют элементы и батареи малой и средней емкости – от 0,01 до 100 А ч.
Номенклатура приборов, работающих от ХИТ, включает в себя различные радиотехнические и телевизионные устройства (транзисторные радиоприемники, магнитофоны, телевизоры, мобильные средства связи) как бытового, так и военного назначения, переносные фонари, кино- и фотоаппаратуру, миниатюрные устройства (электронные часы, слуховые аппараты, калькуляторы), игрушки, бытовую технику, разнообразные приборы (тестеры, приборы дозиметрического контроля и т.п.), различные медицинские устройства (переносные приборы для физиотерапевтических процедур, электрокардиостимуляторы и др.).
Богатый ассортимент приборов, питающихся от ХИТ, определяет и большое разнообразие условий их эксплуатации. Так, например, батареи для карманных фонарей работают в широком интервале температур. А батареи электрокардиостимуляторов – в практически изотермических условиях. ХИТ, применяемые в военной технике и медицине, должны иметь очень высокую надежность, которая не требуется, например, для батарей в электрофицированных игрушках. Во многих случаях важной характеристикой ХИТ является стоимость и ради ее уменьшения идут на некоторые ухудшения электрических характеристик. В других случаях наиболее существенной оказывается какая-нибудь одна характеристика, например, стабильность рабочего напряжения, удельная энергия, диапазон рабочих температур или срок годности.
В большинстве случаев ХИТ в переносных и бытовых приборах должны иметь невыливающийся электролит и допускать транспортировку и эксплуатацию в любом положении.
Наибольшее распространение в этой области получили сухие угольноцинковые и щелочные первичные элементы и батареи, а также никелькадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы.
Специальные области применения ХИТ. Это военная и космиче-
ская техника, а также некоторое научное оборудование. Примерами специ-
альных объектов, использующих ХИТ, могут служить искусственные спутники Земли и космические корабли, ракеты, батискафы и другие подводные аппараты, электроторпеды, метеорологические шары-зонды и др.
Среди ХИТ для таких объектов можно выделить две группы: источники, рассчитанные на кратковременную большую нагрузку, и источники, предназначенные для длительного разряда небольшими токами.
На космических объектах широко применяются энергосистемы, состоящие из полупроводниковых солнечных батарей и аккумуляторных батарей, работающих в буферном режиме. Аккумуляторные батареи на искусственных спутниках Земли обеспечивают энергоснабжение аппаратуры во время пребывания спутника в тени Земли, а также при больших нагрузках, превышающих возможности солнечных батарей. В остальное время аккумуляторы заряжаются от солнечных батарей. Типичный режим работы таких аккумуляторных батарей: 20 – 40 минут разряд, 50 – 70 минут заряд, то есть около 16 зарядно-разрядных циклов (как правило неполных) за земные сутки.
К таким ХИТ, как и к остальному оборудованию специальной техники, предъявляют повышенные требования по удельным характеристикам и по надежности. Они должны иметь большое время хранения. Часто при их хранении в изделии они должны постоянно находится в готовности к разряду. Поэтому многие задачи специальной техники решаются с помощью резервных ХИТ. Объекты специального применения эксплуатируются, как привило, в широком диапазоне климатических условий: от арктических до тропических – а также при повышенных механических нагрузках. В тоже время экономический фактор при выборе подобных источников обычно не является определяющим.
4.7 Экономические вопросы производства и применения ХИТ
Точная оценка современных объемов производства различных ХИТ затруднена. Многие данные о выпуске ХИТ за рубежом закрыты, так как они составляют секреты отдельных фирм и военных организаций. Выпуск ХИТ указывается иногда в количестве элементов или батарей, имеющих разную емкость, иногда в суммарной емкости в ампер-часах, что так же неудобно для сравнения. Более полное представление об объеме производства ХИТ можно получить, если использовать в качестве единого критерия номинальный энергозапас в киловатт-часах. По очень грубой оценке, общий выпуск ХИТ во всем мире в настоящее время соответствует энергозапасу более 150 млн кВт ч в год. Из этого количества более половины приходится на свинцовые аккумуляторы. Среди элементов и батарей до 80% приходится на ХИТ системы Лекланше.
Экономические вопросы производства и эксплуатации ХИТ сводятся к стоимости вырабатываемой в них единицы электрической энергии,
а также к проблемам обеспеченности сырьем, взаимосвязи с другими производствами и т.п.
Стоимость кВт ч электроэнергии, вырабатываемой на крупных электростанциях примерно на три порядка меньше по сравнению с кВт ч энергии, отдаваемой ХИТ системы Лекланше.
Стоимость энергии, отдаваемой при разряде аккумуляторов, определяется стоимостью собственно аккумулятора, затрат на его обслуживание и стоимостью перерабатываемой внешней энергии. Очевидно, что стоимость кВт ч электроэнергии, отдаваемой аккумулятором зависит от числа проведенных зарядно-разрядных циклов. Стоимость энергии свинцовых аккумуляторов, работающих около 800 циклов, не более чем на порядок выше энергии, вырабатываемой электростанциями.
Очевидно так же, что ХИТ применяются не для получения более дешевой электроэнергии, а для ее получения в тех условиях, когда более дешевая сетевая энергия не может быть использована.
Первичные элементы, вырабатывающие относительно дорогую электроэнергию, используются в основном в устройствах с малым потреблением энергии, когда ее стоимость не играет существенной роли. Аккумуляторы, отдающие более дешевую энергию, используются также в устройствах с большим потреблением энергии.
Кроме стоимости вырабатываемой электроэнергии имеют значение и абсолютная стоимость выбранного варианта ХИТ, и ее отношение к общей стоимости аппаратуры в целом.
Структура стоимости ХИТ различных систем неодинакова. Например, элементы Лекланше производятся массово на автоматических или автоматизированных линиях по относительно простой технологии. Стоимость таких элементов определяется в основном стоимостью сырья. Также стоимость серебряно-цинковых аккумуляторов в значительной степени определяется стоимостью дорогого серебра, идущего на их изготовление. В то же время стоимость никель-кадмиевых аккумуляторов определяется в основном затратами на их производство.
Актуальным является вопрос об обеспечении промышленности ХИТ сырьем. Доля цветных металлов (свинца, марганца, цинка, никеля, кадмия), расходуемых на производство ХИТ, значительна. По оценке специалистов запасов таких металлов может хватить лишь на несколько десятков лет. В этой связи приобретают большое значение регенерация металлов из отработанных ХИТ и разработка ХИТ, не использующих веществ, природные ресурсы которых сильно ограничены.
В настоящее время регенерируется большая часть серебра из сереб- ряно-цинковых аккумуляторов. Во многих странах налажены сбор и регенерация свинца из кислотных аккумуляторов. Экономически целесообразно регенерировать цветные металлы из мощных ХИТ, находящихся в
централизованном использовании. Утилизировать бытовые ХИТ сложно, и экономически менее оправдано.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Источники питания являются неотъемлемой составной частью различной радиоэлектронной аппаратуры. В зависимости от конкретного вида РЭА к источникам питания могут предъявляться различные требования. В ряде случаев требуются высокостабильные и надежные источники питания, стоимость которых приближается к стоимости питаемой ими аппаратуры или даже превышает ее. При проектировании РЭА разработчик решает вопрос об организации ее электропитания. В этом случае возможны три варианта: использование только вторичного или только первичного источника питания и совместное использование этих обоих видов источников энергии. При этом выбор должен быть сделан в пользу одной из двух главных альтернатив: приобретение готовых модулей и блоков питания, широко представленных на рынке или разработка источника питания для конкретной РЭА. Конечно, в ряде случаев возможно и совмещение покупных узлов с собственными разработками источников питания, если это является оправданным с экономической и технической стороны. Важным моментом разработки РЭА также является выбор химического источника тока. При этом, как правило, оказывается возможным применение различных элементов и батарей одной или даже нескольких систем в проектируемом устройстве. В связи с этим важное значение приобретает так же анализ экономических показателей.