Аккумуляторы

Аккумуляторы, «собиратели» энергии, — аппараты, дающие возможность накоплять, запасать энергию (например, энергию тяжести, упругости, тепла, химического сродства, электричества и пр.) и затем раздроблять, перемещать, расходовать ее по своему желанию. Аккумуляторы  можно подразделить на 1) механические, 2) термические, 3) химические и 4) электрические.

1) Аккумуляторы механические: а) гиря часов; поднимая гирю часов, мы затрачиваем известную работу, которая запасается поднимаемой гирей и после возвращается движением стрелок; б) пружины, применяемые в часах, граммофонах и разных игрушках и аппаратах, действуют подобно гирям. в) Вместо твердых тел, гирь, нередко поднимаются жидкости (гидравлические аккумуляторы, см. ниже); таким же аккумуляторами являются мельничная плотина с накопленной водой и даже природный водопад. г) Вместо пружин иногда сжимают или разрежают газы, пример чему мы видим в самодвижущихся подводных минах Уайтхеда, в которых движущей силой служит воздух, сжатый в стальном резервуаре и действующий на пропеллеры (винты) при помощи мотора; аккумуляторы с разреженным воздухом применяется в железнодорожном тормозе системы Кертинга, тогда как тормоз Вестингауза действует со сжатым воздухом. д) Вертящиеся маховики также служат аккумуляторами живой силы и применяются весьма часто там, где требуется придать возможно большую равномерность вращению какой-нибудь оси, когда ось эта вращается силой неравномерною; поэтому, например, маховики применяются в паровых машинах, газовых, бензиновых и других взрывных моторах, тогда как в турбинах они не нужны.

2) Пример аккумуляторов термических мы имеем в грелках с горячей водой; к ним же надо отнести лед, употребляемый летом на пивных и других заводах.

3) Химическим аккумулятором является всякая кислота, щелочь или вообще всякое тело, обладающее химическим сродством; наглядными примерами их служат: бутыль серной кислоты, мешок водорода или светильного газа, кусок карбида кальция, а также разные виды топлива, как-то: дрова, торф, нефть, каменный уголь, что особенно наглядно видно на каменном угле, т. к. он представляет собою остатки растительности, поглотившей из атмосферы большие массы углекислоты и выделившей из нее углерод за счет энергии солнечного луча. Поэтому, сжигая в печи каменный уголь, мы пользуемся частью той теплоты, которая когда-то получилась от солнца. К химическим аккумуляторам надо отнести и 4) электрические, пока что техника еще не знает средств улавливать и запасать непосредственно электричество, а цель эта достигается окольным путем, разлагая током такие соединения, которые, после этого разложения, имеют сродство друг к другу, стремятся вновь вернуться к первоначальным соединениям и при этом отдают назад электрический ток, разумеется, с некоторой неизбежной потерей (см. ниже).

Из всех перечисленных аккумуляторов необходимо несколько подробнее остановиться на аккумуляторах гидравлических и аккумуляторах электрических. Гидравлический аккумулятор  с грузами изобретен Армстронгом и имеет следующее устройство (см. рис. 1): IK—гидравлическая канализация, или  сеть труб, проводящих воду под большим давлением к каким-либо аппаратам; в сети требуется поддерживать постоянное давление; для этого в сеть включен длинный вертикальный цилиндр А, в который входит скальчатый поршень В, нагруженный сверху грузом G; чем больше груз G, тем больше будет давление в сети. Если расход воды в аппаратах увеличивается, то часть воды грузом G вытесняется из аккумулятора, наоборот, если аппараты перестают расходовать воду, то насосы накачивают воду в аккумуляторы, и поршень с грузами подымается. Таким способом в канализации получается давление нередко в 100 атмосфер. При самом высоком положении поршня головка Н упирается в груз Р; при этом выключается действие насоса и дальнейшая подача воды в канализацию. В других аккумуляторах давление получается не от грузов, но от воздуха, сжатого на подобие пружины, как на рис. 2.

Вода вступает через а в водяной цилиндр D и подымает поршень С, а вместе с ним поршень В; вследствие этого воздух, заключенный в А, приобретает давление, которое при обратном движении поршня и является рабочим давлением; для достижения большей равномерности давления резервуар А делается очень больших размеров и соединяется через посредство трубы r с воздушным резервуаром большой вместимости. Когда требуется быстрое уменьшение или увеличение давления, то сообщение с r прекращается. Если воздух в А получает давление в 50 атм., и если площадь поршня В в 10 раз больше площади поршня С, то давление воды в сети будет 500 атмосфер. Для предохранения от выхода воздуха через сальник, в А содержится глицерин (до WW), который наполняется через G. Штанги р и т служат для остановки А при наивысшем положении поршня. Для предохранения от толчков при движении поршня служат буфера Т.

Аккумуляторы  электрические требуют, как сказано выше, обратимой химической реакции, которая совершается за счет постороннего электрического тока, а после протекает в обратном порядке и при этом выделяет ток. Такую обратимую реакцию и нашел Plante. Если в сосуд с разбавленной серной кислотой опустить 2 свинцовые пластины и соединить их, например, с зажимами динамо-машины, то электрический ток разложит воду, которой разбавлена кислота, причем на положительной свинцовой пластинке выделяется кислород и обращает свинец в бурую перекись свинца, на отрицательной же пластинке выделяются пузырьки водорода. Если прекратить затем действие тока и соединить пластины каким-нибудь проводником электричества, то в нем, появляется ток, причем на положительной пластине идет, наоборот, раскисление —перекись свинца переходит в окись, которая отчасти растворяется в серной кислоте, образуя сернокислый свинец; на отрицательной же пластине свинец, окислившись до окиси, переходит тоже в сернокислую соль. Если разомкнуть цепь и снова пропустить электрический ток из внешнего источника, то аккумулятор  опять «заряжается», т. е. на положительной пластине образуется снова перекись свинца, на отрицательной же, от разложения сернокислого свинца, выделяется металлический свинец в состоянии самого мелкого раздробления; чтобы «разрядить» аккумуляторы, нужно снова удалить источник электрической энергии, соединить пластины проводником, и, под действием являющегося тока, на пластинах по-прежнему образуется окись свинца и сернокислый свинец. Plante заметили, что, если повторить много раз попеременно операции заряда и разряда аккумулятора, и, в особенности, если при этом делать одни и те же пластины то положительными, то отрицательными, слой мелкого пористого свинца, образующийся в результате химических превращений и облегчающий их дальнейший ход вглубь пластины, делается все толще, «активная масса» аккумулятора увеличивается, а вместе с этим растет и его «емкость», т. е. то количество электричества, которым мы можем в нем располагать; конечно, при этом внутренний не пористый слой должен остаться настолько толстым, чтобы обеспечить металлическую прочность пластины. Такое «формирование» аккумулятора продолжалось бы очень долго и дорого стоило бы; поэтому Фор предложил накладывать на пластины готовую окись свинца, в виде теста, из смеси ее с разбавленной серной кислотой; тесто должно держаться достаточно прочно, чтобы слой его не отстал при погружении пластины в подкисленную воду; в этом случае достаточно одного продолжительного заряда, чтобы получить значительное количество активной массы в виде перекиси свинца на положительной пластине и металлического свинца на отрицательной. Наиболее употребляемые в настоящее время аккумуляторы системы «Тюдор» занимают, в отношении способа их формирования, середину между аккумуляторами Планте и Фора. Именно, их положительные пластины формируются в течение 1,5-3 месяцев, по способу Планте, и никакого теста на них не накладывается; на решетчатую же поверхность отрицательных пластинок накладывается тестообразная масса из окиси свинца и разбавленной серной кислоты; по особому способу, который составляет секрет фирмы, масса эта приводится в пористое состояние, которое облегчает току возможность проникать вглубь массы для ее разложения. Аккумуляторы  применяются на практике в виде целых батарей, которые состоят из ряда аккумуляторных элементов, соединяемых последовательно один с другим. Величина отдельных элементов зависит от того количества электричества, которое мы желаем запасти в аккумуляторы; число же этих элементов зависит от потребного в данном случае напряжения, так как каждый элемент может дать лишь определенное напряжение в 1,8—2 вольт, а у элементов, соединяемых последовательно, их напряжения суммируются. Обыкновенно аккумуляторные элементы состоят из стеклянного, эбонитового или выложенного свинцом деревянного ящика, в котором устанавливается вертикально ряд положительных и отрицательных пластин (см. рис. 3). Все положительные пластины, с одной стороны, и все отрицательные — с другой, связаны между собой. Как видно из рисунка, за положительной пластиной стоит отрицательная, за ней — снова положительная, и т. д. Отдельные пластины бывают квадратной или прямоугольной формы и состоят из свинца или из сплава свинца с сурьмой; их поверхность содержит всегда ряд бороздок, углублений, чтобы увеличить поверхность действия тока и более прочно держать тесто, которое на них накладывается; положительные пластины изолированы от соседних отрицательных стеклянными трубками, каучуком пли каким-нибудь другим веществом; пластины никогда не доходят до дна ящика, расстояние должно быть здесь оставлено такое, чтобы при случайном падении на дно куска тестообразной массы не образовалось сообщения между двумя соседними пластинами, которое вызвало бы непредвиденный разряд, хотя бы и частичный. Напряжение тока, посылаемого в аккумуляторы при заряде, и тока, получаемого из аккумулятора при его разряде, конечно, зависит от электровозбудительной силы, возникающей в результате химических взаимодействий, от внутреннего сопротивления аккумулятора и от силы проходящего тока. Если Е есть электровозбудительная сила, J — сила проходящего тока, W — сопротивление аккумулятора, то, по закону Ома, потеря напряжения в аккумуляторе равна WJ; поэтому при разряде аккумулятора напряжение его есть Е—WJ; при заряде же аккумулятора, чтобы преодолеть его внутреннее сопротивление, нужно посылать в него напряжение Е+WJ, т. е. напряжение большее, чем то, при котором аккумулятор  будет обратно давать ток. При разряде заряженного аккумулятора напряжение вначале держится около 1,92 вольт; затем оно начинает постепенно падать, и, когда оно опускается до 1,8, разряд останавливают; это делается ввиду того, что для освещения требуются возможно малые колебания напряжения, между тем, именно, после того как напряжение постепенно опускается до 1,8 вольта, оно далее начинает падать уже быстро. При заряде аккумулятора, наоборот, напряжение постепенно увеличивается; в начале заряда оно держится на 2—2,05 вольта, в течение нескольких минут повышается до 2,15 вольта, и на этой приблизительно высоте оно держится, пока не начинается образование газов: кислорода — на положительных пластинах, водорода — на отрицательных; появление газов объясняется тем, что ток, переведя большую часть активной массы в перекись свинца, все в большей и большей степени идет уже на разложение воды. С появлением газов напряжение, поднявшись далее до 2,25 вольт, быстро идет до 2,5 вольт, а затем растет все медленнее, при постоянно усиливающемся выделении газов; обыкновенно заряд аккумулятора останавливают, когда напряжение дошло до 2,6—2,65 вольт, и газообразование стало обильным. Плотность серной кислоты не остается постоянной при заряде и разряде аккумулятора: она увеличивается при заряде и уменьшается при разряде; это видно из уравнения, выражающего химическую реакцию при заряде: 2PbSO₄+2Н₂O = PbO₂+Pb+2Н₂SO₄. При разряде реакция идет обратно, и кислота, как видно из уравнения, делается более разбавленной. Следя за удельным весом кислоты по ареометру, можно судить о том, насколько далеко подвинулся заряд или разряд аккумулятора. При заряде аккумулятора нельзя пользоваться слишком сильными токами, потому что с самого уже начала заряда часть тока будет теряться, благодаря газообразованию; если сила тока при разряде слишком велика, то убывает емкость аккумулятора; кроме того, при очень сильных токах, часто отваливается местами активная масса; поэтому устанавливаются нормы плотности тока: для зарядного тока 0,7—1,3 ампера на 1 квадратный дециметр поверхности положительных пластин, для разрядного тока — 0,75—1,3 ампера на 1 квадратный дециметр поверхности. Впрочем, в аккумуляторах, специально назначенных для быстрого (1-часового) разряда и быстрого (2-часового) заряда, эта плотность может достигнуть 2—2,6 ампера на 1 квадратный дециметр при разряде и 1,3—1,7 ампера при заряде. Характеристикой данной аккумуляторной батареи является ее «емкость», т. е. то количество электричества, которое можно запасти в ней; эта емкость выражается обыкновенно в ампер-часах, т. е. в виде произведения из наибольшей получаемой от аккумулятора силы тока на число часов, в течение которых он дает этот ток; емкость аккумулятора зависит, главным образом, от величины поверхности соприкосновения активной массы с внутренним не пористым слоем свинца; нужно отметить, что при медленном разряде (например, 10-часовом) емкость аккумулятора всегда более, чем при быстром (например, 3-час.), так как при не очень сильном токе все процессы разложения идут полнее, меньшая часть активной массы остается вне сферы химического действия. Что касается коэффициента полезного действия аккумулятора, т. е. отношения энергии (в ваттах), вводимой в аккумулятор, к энергии, получаемой от него, то в современных типах аккумуляторов этот коэффициент составляет 70—75%. Обыкновенно, разряд аккумулятора происходит не позже, чем через 24 часа после окончания заряда; если оставить заряженный аккумулятор  стоять дольше, то емкость его ослабевает, и в течение недели эта потеря может составить до 10% всей емкости; объясняется это химическими реакциями между активной массой и кислотой. Еще гораздо менее удобно долго не заряжать разряженный аккумулятор — на пластинах осаждается тогда твердый сернокислый свинец и при следующем нормальном заряде он не может уже дать перекиси свинца, чем значительно может ослабляться емкость аккумулятора; чтобы восстановить действие батареи, приходится дать ей усиленный новый заряд, и лишь тогда, при обилии газов, может вновь образоваться перекись свинца. Продолжительность службы положительных пластин аккумулятора при правильной не форсированной работе его, составляет 3—6 лет, отрицательные пластины служат гораздо дольше. На осветительных станциях аккумуляторы заряжаются обыкновенно от имеющейся для освещения динамо-машины; светом же от них пользуются в те же часы, когда число горящих ламп делается меньше; тогда, чтобы избежать расходов на топливо, уход за машиной, паровую и динамо-машину останавливают, а осветительную сеть соединяют с аккумуляторами, которые, разряжаясь, дают свет и не требуют в это время никакого ухода. Так как в течение периода разряда напряжение меняется, убывает, то, чтобы держать его по возможности на одной высоте, как это необходимо бывает для достижения хорошего света, пользуются особым элементным коммутатором, дающим возможность в начале разряда включать не все элементы аккумулятора; когда же постепенно падает напряжение, то с помощью рычага включаются постепенно и другие элементы; так как с увеличением числа последних увеличивается и общее напряжение батареи, то этим компенсируется падение напряжения в аккумуляторах.

Аккумуляторы  применяются также для освещения вагонов, для приведения в движение небольших электродвигателей, помещаемых в катерах, лодках, трамваях и автомобилях (см. эти слова) На рис. 4 изображен весьма практичный фонарь для велосипеда, действующий электрическим аккумулятором и надеваемый, как обыкновенно, на фонарный крюк: аккумулятор  заключен в коробку а и питает электрическую лампочку б, свет которой направляется вперед рефлектором. Цепь замыкается и размыкается пуговкой в.

И. Энгельмейер.