Ngày 22 tháng 09 năm 2011

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ẮC QUY

Giới thiệu chung v ắc quy

Ắc quy là nguồn cung điện một chiu cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày. Có nhiu loại ắc quy nhưng phổ biến và thường gặp trong thực tế là ắc quy chì axít và ắc quy kiềm.

1.    Đặc điểm cấu tạo của ắc quy.

Cấu trúc của một ắc quy đơn gồm có phân khối  bản cực dương, phân khối bản cực âm, các tấm ngăn.

Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại với nhau. Cấu tạo của một bản cực trong ắc quy gồm có phần khung xương và chất tác dụng trát lên nó.

Khung xương của bản cực âm và bản cực dương có cấu tạo giống nhau, chúng được đúc từ chì và có pha thêm 5 ÷ - 8% ăngtimoang (Sb) và tạo hình mắt lưới. Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng độ dẫn điện và cải thiện tính đúc.

Trong thành phần chất tác dụng còn có thêm khoảng 3% chất nở (các muối hưu cơ) để tăng độ xốp, độ bn của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp mà cải thiện được độ thấm sâu của chất dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cực cũng được tăng thêm.

Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi ắc quy đơn được hàn với nhau tạo thành khối bản cực dương, các bản cực âm được hàn với nhau thành khối bản cực âm. Số lượng các bản cực trong mỗi ắc quy thường từ 5 ÷ 8, b dầy tấm bản cực dương của ắc quy thường từ 1,3 đến 1,5 mm, bản cực âm thường mỏng hơn 0,2 ÷ 0,3 mm. Số bản cực âm trong ắc quy thường nhiu hơn số bản cực âm một bản nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng của các bản cực.

Tấm ngăn được bố trí giữa các bản cực âm và dương có tác dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các bản cực. Tấm ngăn được làm bằng vật liệu poly-vinylclo b dầy 0,8 ÷ 1,2 và có dạng lượn sóng , trên b mặt tấm ngăn có các lỗ cho phép dung dịch điện phân thông qua.


2.    Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc quy
Ắc quy là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch: nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng.

Quá trình ắc quy cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện, quá trình ắc quy dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện.

2.1  Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc quy axit
Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc quy axit có dung dich điện phân là axit H2SO4 nồng độ d = 1,1 ÷ 1,3%, bản cực âm là Pb và bản cực dương là PbO2 có dạng : 

(- ) Pb | H2SO4 d = 1,1 ÷ 1,3 | PbO2 ( + )

Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc quy axit :

PbO2 + 2H2SO4 + Pb = 2PbSO4 + 2H2O

Thế điện động e = 2,1 V.

2.2  Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc quy kim.

Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc quy kim có dung dich điện phân là KOH nồng độ d = 20 % bản cực âm là Fe và bản cực dương là Ni(OH)3 có dạng :

( - ) Fe | KOH d = 20% | Ni(OH)3 ( + )

Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc quy kim :

Fe + 2NI(OH)3 = Fe(OH)3 + 2Ni(OH)2

Thế điện động e = 1,4 V.

Nhận xét : Từ những điều đã trình bày ở trên ta nhận thấy trong quả trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi. Khi ắc quy phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi ắc quy nạp điện nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc quy.

3.    Các đặc tính cơ bản của ắc quy
Sức điện động của ắc quy chì và ắc quy axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân. Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm:
Eo = 0,85 + ρ (V)

Trong đó:          Eo - sức điện động tĩnh của ắc quy (V)
ρ - nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C (g/cm3)

Trong quá trình phóng điện sức điện động của ắc quy được tính theo công thức:
Ep = Up + Ip.rb

Trong đó:          Ep - sức điện động của ắc quy khi phóng điện (V)
Ip - dòng điện phóng (A)
Up - điện áp đo trên các cực của ắc quy khi phóng điện (V)
rb - điện trở trong của ắc quy khi phóng điện (Ω)

Trong quá trình nạp sức điện động En của ắc quy được tính theo công thức:

En = Un - In.rb

Trong đó:          En - sức điện động của ắc quy khi nạp điện (V)
In - dòng điện nạp (A)
Un - điện áp đo trên các cực của ắc quy khi nạp điện (V)
rb - điện trở trong của ắc quy khi nạp điện (Ω)

Dung lượng phóng của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của ắc quy cho phụ tải, và được tính theo công thức:
Cp = Ip.tp

Trong đó:          Cp - dung dịch thu được trong quá trình phóng (Ah)
Ip - dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp (A)
tp - thời gian phóng điện (h).

Dung lượng nạp của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của ắc quy và tính theo công thức:

Cn = In.tn

Trong đó:          Cn - dung dịch thu được trong quá trình nạp (Ah)
In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn (A)
tn - thời gian nạp điện (h).

3.1          Đặc tính phóng của ắc quy.
Đặc tính phóng của ắc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi. Từ đặc tính phóng của ắc quy như trên hình vẽ ta có nhận xét sau:
·         Trong khoảng thời gian phóng từ tp = 0 đến tp = tgh, sức điện động điện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc của các đồ thị không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc quy (dòng điện phóng).
·         Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột .Nếu ta tiếp tục cho ắc quy phóng điện sau tgh thì sức điện động ,điện áp của ắc quy sẽ giảm rất nhanh .Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO4) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan ( biến đổi hoá học) trong quá trình nạp điện trở lại cho ắc quy sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắc quy, các giá trị Ep, Up, ρ tại tgh được gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của ắc quy. ắc quy không được phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%.
·         Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào, các giá trị sức điện động, điện áp của ắc quy, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc quy. Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ắc quy (dòng điện phóng và thời gian phóng).

3.2. Đặc tính nạp của ắc quy.

Đặc tính nạp của ắc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức điện động , điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp không thay đổi. Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau :
·         Trong khoảng thời gian từ tn = 0 đến tn = tgh thì sức điện động, điện áp , nồng độ dung dịch điện phân tăng dần.
·         Tới thời điểm ts trên b mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còn gọi là hiện tượng "sôi") lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của ắc quy đơn tăng đến 2,4 V. Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7 V và giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi tuần hoàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ắc quy.
·         Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc quy kéo dài từ 2 ÷ 3h trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi. Như vậy dung lượng thu được khi ắc quy phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc quy.
·         Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc quy, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắc quy sau khi nạp.
·         Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc quy. Dòng điện nạp định mức đối với ắc quy là In = 0,1C10 . Trong đó C10 là dung lượng của ắc quy mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là In = 0,1C10 thì sau 10 giờ ắc quy sẽ đầy.

Ví dụ: với ắc quy C = 180 Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10% dung lượng (tức In = 18 A) thì sau 10 giờ ắc quy sẽ đầy.

4. Sự khác nhau giữa ắc quy chì và ắc quy kiềm.

Cả hai loại ắc quy này đu có một đặc điểm chung đó là tính chất tải thuộc loại dung kháng và sức phản điện động. Nhưng chúng còn có một số đặc điểm khác biệt sau :

Ắc quy chì axit
Ắc quy kiềm
Khả năng quá tải không cao, dòng nạp lớn nhất đạt được khi quá tải là Inmax = 20%C10.

Hiện tượng tự phóng lớn, ngay cả khi ắc quy không sử dụng.

Sử dụng rộng rãi trong đời sống công nghiệp, ở những nơi có nhiệt độ cao va đập lớn nhưng đòi hỏi công suất vừa phải.

Dùng trong xe máy, ôtô, các động cơ vừa và nhỏ.


Giá thành thấp.
Khả năng quá tải lớn nhất khi đó có thể đạt tới 50%C10­.

Hiện tượng tự phóng nhỏ.


Với những khả năng trên thì ắc quy kiềm thường sử dụng những nơi yêu cầu công suất cao và quá tải thường xuyên và sử dụng các thiết bị công suất lớn.

Dùng trong công nghiệp hàng không, hàng hải và nhưng nơi có nhiệt độ hoạt động thấp.

Giá thành cao.

Không có nhận xét nào:

Đăng nhận xét