Источники тока

         Теория источников тока  предусматривает исследование всех стадий процесса генерирования  электрического тока на основе современных  представлений о физике твёрдого тела, жидкости и газа, о процессах переноса зарядов и электрохимических реакциях. Теория источников тока изучает также вопросы оптимизации, включающие как выбор исходных параметров, обеспечивающих оптимальные выходные характеристики источников тока , так и разработку методов прогнозирования характеристик будущих источников тока. К важнейшим характеристикам относятся: кпд, энергоёмкость (или удельная энергоёмкость), мощность (или удельная мощность, отнесённая к единице массы, объёма и т. д.), срок службы, качество генерируемой электроэнергии (частота, напряжение, способность к перегрузкам, стоимость, надёжность).

         Химическими источниками тока принято называть устройства, вырабатывающие электрический ток за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций химических реагентов. В соответствии с эксплуатационной схемой и способностью отдавать энергию в электрическую сеть химические источники тока подразделяются на первичные, вторичные и резервные, а также электрохимические генераторы. Первичные источники тока (гальванические элементы и батареи) допускают, как правило, однократное использование энергии химических реагентов. Отдельные конструкции гальванических элементов и батарей разрешают кратковременное повторное использование энергии реагентов после электрической подзарядки. Положительный (катод) и отрицательный (анод) электроды, разделённые электролитом в жидком или пастообразном состоянии или же пористой мембраной-сепаратором с поглощённым в ней электролитом, электрически связаны (гальваническая связь) в течение всего срока службы источника тока.

         Вторичные источники  тока (отдельные аккумуляторы и аккумуляторные батареи) допускают многократное (сотни  и тысячи заряд-разрядных циклов) использование энергии составляющих химических реагентов. Электроды и электролит весь срок службы аккумуляторов находятся в электрическом контакте друг с другом. Для увеличения ресурса аккумуляторов в некоторых специфических условиях эксплуатации разработаны способы сухозаряженного хранения аккумуляторов. Такие аккумуляторы перед включением предварительно заливают электролитом.

         Резервные источники  тока допускают только однократное  использование энергии химических реагентов. В отличие от гальванических элементов и аккумуляторов, в  резервных источниках тока электролит при хранении никогда гальванически не связан с электродами. Он хранится в жидком состоянии (в стеклянных, пластмассовых или металлических ампулах) либо в твёрдом (но неэлектропроводном) состоянии в межэлектродных зазорах. При подготовке к работе резервных источников тока ампулы разрушают сжатым воздухом, взрывом, а кристаллы твёрдого электролита расплавляют с помощью электрического или пиротехнического разогрева. Резервные источники тока применяют для питания электрической аппаратуры, которая долгое время может (вынуждена) находиться в резервном (неработающем) состоянии. Срок хранения современных резервных источников тока превышает 10-15 лет.

         Электрохимические генераторы (топливные элементы) представляют собой разновидность химических источников тока. Электрохимические генераторы способны длительное время непрерывно генерировать электрический ток в результате преобразования энергии химических реагентов (газообразных или жидких), поступающих в генератор извне.

         Физическими источниками тока называют устройства, преобразующие тепловую, механическую, электромагнитную энергию, а также энергию радиационного излучения и ядерного распада в электрическую. В соответствии с наиболее часто употребляемой классификацией к физическим источникам тока относят: электромашинные генераторы, термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи, МГД-генераторы, а также генераторы, преобразующие энергию солнечного излучения и атомного распада.

         Электромашинные генераторы, преобразующие механическую энергию  в электрическую, - наиболее распространённый вид источников электрической энергии, основа современной энергетики. Они могут быть классифицированы по мощности (от долей вт до сотен Мвт), по назначению и особенностям эксплуатации (стационарные, транспортные, резервные и т. д.), по роду первичного двигателя (дизель-генераторы, турбо- и гидрогенераторы), по рабочему телу (пар, вода, газ) и т. д. Благодаря длительному периоду теоретического, конструктивного и технологического совершенствования характеристики этого типа источников тока достигли значений, близких к предельным.

         Работа термоэлектрического  генератора (ТЭГ) основана на использовании  Зеебека эффекта. Рабочим материалом в ТЭГ служат различные полупроводниковые  соединения кремния, германия и т. п. (как правило, твёрдые растворы). Кпд ТЭГ от 3 до 15% в диапазоне температур от 100 до 1000°C. Области возможного применения ТЭГ: автономные источники питания (на транспорте, в технике связи, медицине), антикоррозионная защита (на магистральных трубопроводах) и др.

         Принцип работы термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) основан на использовании термоэмиссионного эффекта (испускание электронов поверхностью нагретого металла). Термоэмиссионный поток электронов зависит главным образом от температуры и свойств поверхности материала. Кпд отдельных лабораторных образцов ТЭП достигает 30%, а действующих энергетических установок 15% (при электрической мощности, снимаемой с единицы поверхности катода, - 30 вт/см2). Наиболее перспективно применение ТЭП в качестве автономных источников электроэнергии большой мощности (до 100 квт).

         Принцип действия источников тока, преобразующих энергию солнечного излучения, основан на использовании  внутреннего фотоэффекта. Фотоэлектрический  генератор (солнечная батарея) представляет собой совокупность вентильных фотоэлементов, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Практически прямое преобразование энергии солнечного излучения стало возможно лишь после создания в 1953 высокоэффективного фотоэлемента из монокристаллического кремния. Лучшие образцы кремниевых фотоэлементов имеют кпд около 15%; срок службы их практически неограничен. Солнечные батареи применяются главным образом в космической технике, где они занимают доминирующее положение как источники энергии на искусственных спутниках Земли, орбитальных станциях и космических кораблях, а также для снабжения электроэнергией удалённых от линии электропередачи районов с большим числом солнечных дней в году.

        Источники тока, преобразующие  энергию атомного распада (атомные  батареи), используют кинетическую энергию электронов, образующихся при распаде. Эти источники тока находились к 1971 в стадии разработки, и их практическое использование требует решения многих конструкторских и технологических задач. Кпд атомных батарей невысок (до 1%), а область применения может быть определена лишь после накопления достаточного опыта их использования.