Классификация основных источников питания

Электрохимические гальванические элементы и батареи

Гальванический элемент — это неподзаряжаемый химический источник электроэнергии, в котором энергия окислительно-восстановительной реакции преобразовывается в электрическую. Для увеличения выходного напряжения гальванические элементы объединяют в батареи, состоящие не менее чем из двух электрохимических элементов питания, заключенных в едином корпусе, поэтому называть элемент питания «батарейкой» — ошибочно.

Всякий гальванический элемент или батарею элементов характеризует электроемкость, выраженная в ампер-часах, которая равна произведению длительности разряда на ток разряда. Электроемкость зависит от температуры окружающей среды: при уменьшении температуры электроемкость падает. Наиболее распространены марганцево-цинковые гальванические элементы и батареи с солевым электролитом, марганцево-цинковые элементы со щелочным электролитом и ртутно-цинковые элементы. Конструкция гальванических элементов обычно или галетная, или имеет форму стакана.

Простейший солевой марганцево-цинковый элемент имеет тонкостенный цинковый корпус, выполняющий функцию отрицательного электрода. Внутри корпуса расположен угольный вывод положительного электрода, к которому присоединяют металлический наконечник для удобства токосъема. Объем между электродами заполняют электролитом из хлористого аммиака или раствора нашатыря с наполнителем из муки, сулемы или крахмала и деполяризатором из перекиси или двуокиси марганца. Ток через электроды обеспечен упорядоченным движением электронов, а внутри гальванического элемента — переносом ионов в результате химической реакции цинкового стакана с электролитом. В результате реакции выделяется водород, который связывает перекись марганца. ЭДС обычного солевого марганцево-цинкового элемента в начале разряда достигает 1,4 — 1,6 В.

Топливные элементы

Принцип действия топливных элементов основан на химической реакции окислителя и топлива, в результате которой непосредственным путем получают электроэнергию. Подобную реакцию можно наблюдать при сгорании топлива в специальных печах, однако в топливных элементах окислительно-восстановительная реакция не сопровождается выделением дыма и пламени. Реагенты, в качестве которых часто используют водород и кислород, с заданной скоростью подают от специальных насосов к электродам, погруженным в электролит из раствора едкого калия. Электроды, которые обычно изготовляют из никеля, в реакции не участвуют, и поэтому они не требуют постоянных замен. На отрицательном электроде, к которому подают восстанавливаемый водород, образуются электроны. Вокруг положительного электрода, к которому подводят окисляемый кислород, возникают ионы. Уравнение химической реакции можно записать в следующем виде:где Рр — тепло, выделяемое в процессе реакции.

Катализатором реакции может служить серебро, никель или рений.

Реакция протекает до тех пор, пока к электродам подводят реагенты, вырабатывающие разность потенциалов между электродами 1..2 В. Течение в электролите ионов компенсирует протекание электрического тока через нагрузку, вызванного движением электронов. Если прекратить подачу окислителя и восстановителя, реакция будет прервана.

Наиболее распространены топливные элементы конструкций Давтяна, Юсти, Бишофа, Бэкона и некоторых других.

Достоинства топливных элементов: высокий КПД, в отдельных случаях достигающий 75%, и, следовательно, высокая экономичность; отсутствие выделения огня и отработанных газов. Кроме того, топливные элементы могут выдержать довольно длительные перегрузки по току.

Биохимические элементы

Биохимические элементы — это разновидность топливных источников питания. Различие между ними заключается в способе преобразования вещества для получения энергии. Химическую реакцию в биохимических элементах обеспечивают ферменты, жирные кислоты, бактерии, простейшие организмы и прочие органические структуры. При этом преобразование неэлектрической энергии в электрическую в процессе химической реакции может быть непосредственным или косвенным.

Биохимические элементы непосредственного преобразования наиболее совершенны, так как у них минимальны затраты перерабатываемого сырья. В биохимических элементах косвенного преобразования органическое сырье выделяет такие вещества, из которых в процессе окислительно-восстановительной реакции получают электрическую энергию.

Биохимические элементы могут быть использованы для получения электроэнергии в космических аппаратах, в которых по определенным причинам не развертывают солнечные батареи, например: при выполнении задач на теневой стороне планеты или спутника. В таком применении биохимические элементы конкурентоспособны с атомными батареями при отдаваемой мощности примерно до 400 Вт.

Термоэлектрические генераторы

Известно, что чем выше температура кристалла полупроводника, тем выше в нем концентрация носителей заряда, т.е. возрастает количество дырок и электронов. При температуре выше абсолютного нуля на границе полупроводников p-типа и n-типа проводимости возникает термо-ЭДС в случае, если область p-типа имеет более высокую температуру, нежели чем область n-типа, вследствие термодиффузии носителей зарядов.

Если полупроводник обладает электронным типом проводимости, то его участок, обладающий наименьшей температурой, будет насыщен электронами, а наименее нагретый участок будет содержать повышенную концентрацию дырок. Область p-типа будет обладать отрицательным зарядом, а область n-типа станет положительно заряженной.

Если нагреть участок электронно-дырочного перехода, а к областям термопары проводимостей p-типа и n-типа прикрепить выводы и подключить к ним нагрузку, то через нее потечет ток. На этом принципе действия зиждется работа полупроводниковых термоэлектрических генераторов. Локальный нагрев может быть осуществлен от распада ядерного топлива, от солнечных лучей, от окислительно-восстановительной реакции горючих газов и жидкостей. КПД наиболее мощных полупроводниковых термоэлектрических генераторов может достигать 10%, а удельная мощность может составлять до 25 Вт/кг. Самые мощные разработанные полупроводниковые термоэлектрические генераторы обладают выходной мощностью до десятков киловатт.

К достоинствам полупроводниковых термоэлектрических генераторов относят низкую стоимость, высокую надежность и длительный срок эксплуатации.

Термоэлектронные генераторы

Принцип действия термоэлектронных, или, говоря иначе, плазменных генераторов основан на явлении термоэлектронной эмиссии с поверхностей разогретых катодов, выполненных из металлов, в газе или в вакууме. Обычно нагрев получают в результате распада ядерного топлива, в качестве которого можно использовать окись урана UO₂. Подобно электронным лампам, в термоэлектронных генераторах под действием ускоряющего поля анода к нему летят эмитированные с катода электроны и бомбардируют его.

Если бы у анода была такая же температура, что и у катода, то первая же порция прилетевших к нему электронов стала бы последней. Для обеспечения постоянного движения электронов анод необходимо охлаждать, для чего используют специальные жидкости. При этом, если между катодом и анодом подключить нагрузку, то по ней потечет электрический ток. Разница температур катода и анода может составлять от 300 до 3000 градусов. При этом, чем существеннее разница температур анода и катода, чем интенсивней скорость движения электронов, и чем выше концентрация носителей заряда в потоке электронов, тем больше будет ЭДС выходного напряжения термоэлектронного генератора.

При протекании тока через нагрузку около катода возникает пространственный отрицательный заряд, из-за которого электроны перестают лететь к аноду, и термоэлектронный генератор перестает исполнять свои функции. Для того чтобы работа не была нарушена, в лампу помещают цезий, пары которого заполняют область между катодом и анодом. При попадании атомов цезия на разогретый катод валентные электроны цезия переходят в металл катода. Это преобразует атомы цезия в ионы, заряженные положительно, которые отталкиваются на небольшое расстояние от поверхности металла катода. Таким образом они нейтрализуют пространственный отрицательный заряд.

Разработанные термоэлектронные генераторы обычно способны отдать в нагрузку мощность до нескольких десятков киловатт. КПД термоэлектронных генераторов обычно составляет от 10% до 20%. К недостаткам термоэлектронных генераторов относят высокую стоимость, особенно если нагрев осуществляют с помощью ядерного топлива.

Солнечные батареи

Солнечная батарея — это прибор для непосредственного фотоэлектрического преобразования энергии излучения в электрическую энергию, состоящий из набора элементарных фотодиодов, определенным образом соединенных между собой. Основой бюджетного фотоэлектрического преобразователя служат кремниевые фотодиоды. Принцип действия солнечной батареи основан на явлении внутреннего фотоэффекта под воздействием падающей на рабочую поверхность лучистой энергии.

В качестве полупроводника кремний был выбран не случайно, а в связи с тем, что максимум его спектральной характеристики расположен при длине волны примерно в 0,75 мкм, что близко к максимуму спектральной характеристики солнечного света.

Для удобства размещения фотодиодов в солнечной батарее их изготовляют обычно либо прямоугольной, либо гексагональной формы. Используемые в солнечной батарее фотодиоды имеют прозрачный электрод, через который на электронно-дырочный p-n-переход поступает свет. При облучении полупроводника фотоны света отдают энергию валентным электронам, в результате чего генерируются носители заряда, и между областями электронного и дырочного типов проводимостей возникает разность потенциалов.

Солнечные батареи часто используют в автономных системах, которые обычно долгое время не требуют обслуживания оператором (космические аппараты, морские бакены, автоматические устройства радионавигации и пр.). Даже в некоторые микрокалькуляторы встроены миниатюрные солнечные батареи, от которых заряжаются встроенные аккумуляторы.

Достоинства солнечной батареи:

• малая масса и габариты;
• невысокая стоимость по сравнению, скажем, с топливными элементами, термоэлектронными генераторами и атомными батареями;
• простота конструкции;
• длительный срок эксплуатации.

Недостатки:

• невозможность вырабатывать ночью такую же выходную мощность, как днем, что требует использования аккумулятора или ионистора, который заряжался бы днем для поддержания работы нагрузки в темноте;
• резкая зависимость выходной мощности от угла падения лучей на светочувствительную поверхность, что вынуждает использовать автоматические системы ориентирования в пространстве;
• невозможность получить мощность с квадратного метра солнечной батареи более 0,1 кВт, используя дешевые материалы;
• быстрая деградация фотоэлементов в условиях повышенного радиационного фона и проникающей радиации.

КПД солнечных батарей, составленных из кремниевых фотодиодов и выпускаемых для широкого потребления, обычно достигает 8%, не более. У специализированных солнечных батарей, фотодиоды которых выполнены из арсенида галлия, КПД достигает 20%. Солнечные батареи из фотодиодов на основе сульфата кадмия, выпускаемые в виде тонких гибких пленок, предназначены для электропитания аппаратуры космических станций и спутников.

При увеличении температуры окружающей среды выходное напряжение солнечной батареи падает по линейному закону.

Атомные батареи

Атомной или, говоря иначе, ядерной батареей, называют устройство, в энергия распада радиоактивного вещества непосредственно преобразуется в электроэнергию. Атомные батареи состоят из набора атомных элементов.

Простейший атомный элемент питания представляет собой металлический цилиндр, для защиты от излучения покрытый свинцом, в который через слой изоляции из полистирола помещено радиоактивное вещество: стронций-90. К металлическому цилиндру прикрепляют вывод отрицательного напряжения, а другой вывод положительного напряжения подсоединяют к стронцию. Между выводами возникает электрическое напряжение величиной до десяти киловольт, обусловленное радиоактивным распадом стронция. Чем короче период полураспада, тем больше максимальный отдаваемый ток и тем короче продолжительность работы атомного элемента. Ток нагрузки обычно не превышает 30 мкА, а срок эксплуатации может достигать 25 лет.

Были разработаны миниатюрные атомные элементы высотой 1 мм и диаметром 16 мм, предназначенные для питания наручных часов и слуховых аппаратов. В качестве радиоактивного вещества выступает прометий-147, который облучает фосфор, начинающий испускать свет. Излучение фосфора попадает на полупроводниковый фотоэлемент, обеспечивающий ток нагрузки до 2 мкА и вырабатывающий ЭДС примерно в 1 В. Долговечность такого элемента достигает трех лет.

К источникам питания относят и атомные электростанции: сложные комплексы оборудования, содержащие автоматические системы регулирования и защиты. В них тепловая энергия распада нагревает жидкость, циркулирующую по замкнутому кругу, которая переходит в парообразное состояние и приводит в движение турбину электрогенератора. Мощность крупных атомных электростанций может достигать сотен мегаватт, что достаточно для электроснабжения края или области. При правильном использовании атомные электростанции представляют собой одни из наиболее экологически чистых комплексов для получения электроэнергии, а при неправильной эксплуатации — одни из наиболее губительных для природы.