CC BY
49УДК 621.355.9
АКТУАЛЬНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛИТИЕВО-ПОЛИМЕРНЫХ БАТАРЕЙ В СОВРЕМЕННОМ ОБОРУДОВАНИИ.
Лебедев А. Е., магистрант 1 курса направления подготовки «Агроинженерия» Научный руководитель: Осокин В.Л., к.т.н., доцент ГБОУ ВО НГИЭУ
АННОТАЦИЯ
Актуальность мониторинговых исследований эрозионных процессов, контроля фаз роста растений, прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур в настоящее время ни у кого не вызывает сомнений. Особую роль в мониторинге земель с недавнего времени занимает определение неиспользуемых и нерационально используемых земель. Площади посевных полей также требуют постоянного контроля. Но зачастую с плоскости невозможно оценить весь масштаб ситуации на полях. Поэтому для ускорения этого процесса необходимо использовать аэрофотосъемку. В сельхозпроизводстве для этого традиционно используется малая авиация (самолеты типа АН-2), что достаточно дорого для малых сельхозпредприятий. Поэтому во многих странах для контроля сельхозугодий применяются беспилотные летательные аппараты (БПЛА), стоимость которых с экономической точки зрения во много раз дешевле любого пилотируемого летального аппарата.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Технология мониторинга, урожайность, аккумулятор, беспилотный летательный аппарат, электролит, литий-полимерные аккумуляторы, аэрофотосъемка.
ABSTRACT
Nowadays the relevance of monitoring studies of erosion processes, control of plant growth phases, forecasting of harvest crops doesn't raise doubts. Recently a special role in land' monitoring is occupied by the definition of unused and irrationally used lands. The areas of sowing fields also demand a constant monitoring. But often it is impossible to estimate the scale of the field situation. Therefore for acceleration of this process it is necessary to use aerial photography. In agricultural production the small aircraft (AH-2 planes) is traditionally used for this purpose. It is rather expensive for small agricultural enterprises. Therefore unmanned aerial vehicles (UAVs) are used in many countries to control agricultural land, which cost from an economic point of view is cheaper than any manned lethal apparatus.
KEY WORDS
Technology of monitoring, yield, battery, unmanned aerial vehicle, electrolyte, lithium polymeric batteries, aerial photography.
Каждый год количество устройств в мире, которые работают от аккумуляторных батарей, неуклонно возрастает. Не секрет, что самым слабым звеном современных устройств являются именно аккумуляторы. Их приходиться регулярно подзаряжать, они обладают не такой большой емкостью. Существующие аккумуляторные батареи с трудом позволяют добиваться автономной работы планшета или мобильного компьютера в течение нескольких дней.
Поэтому производители электромобилей, планшетов и смартфонов сегодня заняты поиском возможностей сохранения значительных объемов энергии в более компактных объемах самого аккумулятора. Несмотря на разные требования, предъявляемые к батареям для электромобилей и мобильных устройств, между ними
можно легко провести параллели. В частности, известный электрокар Tesla Roadster питается от литий-ионной батареи, разработанной специально для ноутбуков. Правда, для обеспечения электроэнергией спортивного автомобиля инженерам пришлось использовать более шести тысяч таких элементов питания одновременно.
Постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными и практическими задачами. Современные технологии прогрессируют, с их усовершенствованием появляется необходимость в использовании новых материалов с большей емкостью, мощностью. В связи с данными, безусловно, выигрышными требованиями, возникают и минусы: их высокая экономическая стоимость, меньший срок эксплуатации, повышенная пожароопасность.
Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) мы получили возможность использовать литиевые аккумуляторы. При сравнимом весе одного элемента они имеют большую, по сравнению с NiCd и NiMH емкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше - 3.6V вместо 1.2V. Так что для большинства моделей достаточно батареи из двух или трех элементов.
Среди литиевых аккумуляторов различают два основных типа - литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (LiPo, Li-Po или Li-Pol). Разница между ними - в типе используемого электролита. В случае Lilon - это гелевый электролит, в случае LiPo -специальный полимер, насыщенный литийсодержащим раствором. Но для использования в силовых установках моделей наибольшее распространение получили литий-полимерные аккумуляторы, так что в дальнейшем разговор пойдет именно о них. Впрочем, жесткое разделение тут весьма условно, так как оба типа отличаются в основном используемым электролитом, и все, что будет сказано про литий-полимерные аккумуляторы, практически в полной мере относится и к литий-ионным (заряд, разряд, особенности эксплуатации, техника безопасности). С практической точки зрения нас волнует только тот момент, что литий-полимерные аккумуляторы в настоящий момент обеспечивают более высокие разрядные токи. Поэтому на модельном рынке в качестве источника энергии для силовых установок в основном предлагают именно их.
Технология мониторинга производства зерновых.
Мониторинг состояния и развития посевов
БПЛА - технология позволяет вести учёт и контроль состояния сельскохозяйственных угодий: это оптимизация расхода воды, расчёт оптимального количества вносимых удобрений и химикатов, создание электронной карты полей, прогноз урожайности с/х культур, планирование прокладки дренажных систем и пр. С помощью беспилотных летательных аппаратов можно определить рельеф местности, размеры полей, границы водных объектов (озёр, рек, болот) и дорог. Применяя данную технологию можно получать фотографии для анализа состояния посева, его густоты и равномерности. Использование мультиспектральной съемки позволяет обнаружить изменения культуры во время её роста. Полученные данные показывают развитие и рост растений в видимом ближнем инфракрасном спектре. На основе изменения тональности и цвета спектра возможно сделать вывод, о том в каком участке площади посева требуется та или иная добавка.
Таким образом, применение БПЛА для сельского хозяйства помогает решать следующие задачи:
■ создание и обновление в электронном виде карт и планов обрабатываемых земель;
■ учет сельскохозяйственных угодий;
■ планирование посевных работ по производственным участкам;
■ контроль объема и качества проведения полевых работ;
■ ведение оперативного мониторинга состояния посевных культур;
■ прогноз урожайности сельскохозяйственных культур;
■ экономическая оценка;
■ мониторинг эрозионной обстановки (рисунок 2);
■ построение карт вегетационных индексов и др.
■ оценка всхожести зерновых культур;
■ оценка текущего состояния зерновых культур;
■ оценка созревания зерновых культур;
■ мониторинг темпов уборки сельскохозяйственных культур;
■ выявление фактов негативного природного, техногенного и антропогенного воздействия на сельскохозяйственную растительность (засухи, вымокания, заморозки, вредители и т.д.);
■ выявление полей, имеющих отклонения от норм развития, их оценка и систематизация (в т.ч. выявление фактов заболеваемости сельскохозяйственных культур).
Начинается мониторинг с ежегодного наблюдения за состоянием снежного покрова и оценки запасов продуктивной влаги пахотных земель. Это важно, поскольку весенний запас влаги в почве после схода снежного покрова является ключевым фактором, определяющим урожайность выращиваемых зерновых культур в случае дефицита летних осадков.
В течение вегетационного сезона имеется три периода, когда спектральные различия между естественной растительностью и яровыми посевами максимальны. Это май - первая половина июня, когда идет сев, и фиксируются минимальные коэффициенты отражения на вспаханных полях; конец июля - начало августа, когда наблюдаются повсеместно колошение - цветение и высокие коэффициенты отражения во 2 канале у зерновых посевов (максимум зеленой биомассы); и в конце августа -сентябре, когда наступает полная восковая спелость и начинается уборка. В этот период поля с пожелтевшей и высохшей соломой имеют высокие коэффициенты отражения в 1 -м и 2-м каналах.
Возможность выполнения работ.
Качественная оценка состояния сельскохозяйственных культур на различных стадиях вегетации, в том числе выявление полей, имеющих отклонения от норм развития, их оценка и систематизация (в т.ч. выявление фактов заболеваемости сельскохозяйственных культур) - выполняется по серии разновременных снимков в течение вегетационного сезона.
Одним из преимуществ БПЛА, используемых в сельском хозяйстве, является получение изображений в двух форматах. Первый - с реальной цветопередачей, второй - в ближнем инфракрасном диапазоне (рис. 2).
Для определения состояния вегетации по данным ДЗЗ традиционно используется параметр, называемый индексом вегетации. Известно, что каждый физический объект лучше поглощает электромагнитное излучение в определенном спектре, а в другом спектре лучше отражает. Так, пигмент хлорофилл, непеременно присутствующий в зеленых листьях растений, сильно поглощает видимый диапазон волн (от 0.4 до 0.7 |ит) для фотосинтеза. С другой стороны, клеточная структура листьев сильно отражает электромагнитное излучение в ближнем инфракрасном (БИК, NIR) диапазоне (от 0.7 до 1.1 ^т). Таким образом, в видимом диапазоне места с сильной вегетацией выглядят темными, а, скажем, пески - очень светлыми. В БИК зеленые леса и поля выглядят гораздо светлее. Сравнивая изображения в различных диапазонах, можно определить наличие и плотность растительности.
Благодаря снимкам с инфракрасной искусственной расцветкой специалисты вычисляют вегетационный индекс NDVI (NormalizedDifferenceVegetationIndex), который позволяет:
■ количественно оценивать состояние растительности (как на всем поле, так и на его отдельных участках);
■ рассчитывать урожайность;
■ идентифицировать культуры;
■ оценивать всхожесть и рост растений;
анализировать продуктивность угодий
Рисунок 1 - Культура на полях - кукуруза. Площадь облета - 603 га. Площадь угнетения растительности 70-95 % - 28,2 га. Площадь полей с погибшей растительностью - 22 га.
%
КАОАБТК
01?0
Рисунок 2 - Снимок с БПЛА в инфракрасном диапазоне
Анализ БПЛА.
Дрон - беспилотный летательный аппарат (БПЛА), изначальная функция которого - военная, в том числе шпионаж. Сейчас модернизированную версию используют в сфере науки, развлечений и бизнеса. Гражданскую версию дронов часто называют «коптер», от английского «helicopter» — вертолет. Название обусловлено тем, что движущим механизмом дрона являются моторы с лопастями. Дроны оснащены видеокамерой, позволяющей транслировать видео местности в режиме онлайн.
Конструкция дронов: общая база.
Несмотря на разнообразие моделей, форм и размеров, базовая конструкция коптеров схожа для всех устройств:
Центральная платформа — основа БПЛА, часть каркаса всего устройства, к которой крепится все остальное: лучи, карданная подвеска, камера, пропеллеры.
Луч — другая часть каркаса; «палка» или, по-другому, «рука», на которой закреплен пропеллер.
Карданная подвеска/шарнир — крепление-стабилизатор для камеры, зачастую расположенное внизу центральной платформы. В некоторых моделях камера установлена сверху.
FPV-камера — камера, предназначенная для онлайн-трансляции видео, буквально - «от первого лица». Этот тип камеры не предназначен для съемки, она может только транслировать изображение.
Регуляторы поворотов электродвигателей. Двигатели.
Технические характеристики дрона.
ТТХ зависит от комплектующих при сборке, поэтому приведенный вариант можно считать приблизительным.
Радиус действия радиоканала - до 20 км; дальность полета - 10 км; скорость -60-120 км/час; тип двигателя - электрический; взлет/посадка - вертикально; взлетный вес - 1,5-10 кг; навигация - GPS; диапазон температуры работы - -35°...+35°; продолжительность полета - 10-50 мин; двигатель - 4 винта.
Основные источники питания БПЛА.
Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы.
В свое время на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли никель-металлгидридные (NiMH), а сейчас место литий-ионных (Li-ion) пытаются занять литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы. NiMH аккумуляторы в какой-то степени потеснили NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как способность отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, не смогли обеспечить их полноценной замены. А вот как обстоит дело с литиевыми аккумуляторами? Каковы их особенности и чем отличаются Li-pol аккумуляторы от Li-ion? Попробуем разобраться в этом вопросе.
Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые были внедрены в бытовые устройства. Причем, подчеркну, это были именно батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за проблем, связанных с обеспечением безопасности их эксплуатации. Литий, самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды, характеризуются и высоким напряжением, и превосходной емкостью. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах было выяснено, что циклическая работа (заряд — разряд) литиевых аккумуляторов приводит к изменениям на литиевом электроде, в результате которых уменьшается тепловая стабильность и появляется угроза выхода теплового состояния из-под контроля. Когда это происходит, температура элемента быстро приближается к точке плавления лития — и начинается бурная реакция с воспламенением выделяющихся газов. Так, например, большое количество литиевых аккумуляторов для мобильных телефонов, поставленных в
Японию в 1991 году, было отозвано после нескольких случаев их воспламенения. Из-за свойственной литию неустойчивости исследователи обратили свой взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. Немного проиграв при этом в плотности энергии и приняв некоторые меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые Li-ion аккумуляторы. Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd, а в перспективе, благодаря применению новых активных материалов, предполагается еще больше увеличить ее и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. В дополнение к большой емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично NiCd (форма их разрядных характеристик подобна и отличается лишь напряжением).
На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов. Отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих устройств, и рассмотрим причины, вызвавшие появление на свет литий-полимерных аккумуляторов.
Основные преимущества: высокая плотность энергии и как следствие большая емкость при тех же самых габаритах по сравнению с аккумуляторами на основе никеля; низкий саморазряд; высокое напряжение единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию — зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие производители сегодня применяют в сотовых телефонов именно такой одноэлементный аккумулятор (вспомните Nokia). Однако, чтобы обеспечить ту же самую мощность, необходимо отдать более высокий ток. А это требует обеспечения низкого внутреннего сопротивления элемента.
• Низкая стоимость обслуживания (эксплуатационных расходов) - результат отсутствия эффекта памяти, требующего периодических циклов разряда для восстановления емкости.
Недостатки: для аккумулятора требуется встроенная схема защиты (что ведет к дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет напряжение элемента от слишком низкого понижения при разряде. Кроме того, она ограничивает максимальные токи заряда, разряда и контролирует температуру элемента. В результате возможность металлизации лития практически исключена. Аккумулятор подвержен старению, даже если не используется и просто лежит на полке. Процесс старения характерен для большинства Li-ion аккумуляторов. По вполне очевидным причинам производители об этой проблеме умалчивают. Незначительное уменьшение емкости становится заметным уже через год вне зависимости от того, находился аккумулятор в эксплуатации или нет. Через два или три года он часто становится непригодным к использованию. Впрочем, аккумуляторы других электрохимических систем также имеют возрастные изменения с ухудшением своих параметров (это особенно справедливо для NiMH, подверженных воздействию высокой температуры окружающей среды). Для уменьшения процесса старения храните заряженный примерно до 40 % от номинальной емкости аккумулятор в прохладном месте отдельно от телефона. Более высокая стоимость по сравнению с NiCd аккумуляторами. Затруднено быстрое тестирование аккумуляторов (например, на анализаторе Cadex C7xxx), поскольку технология их изготовления до конца еще не отработана и постоянно меняется. Технология изготовления Li-ion аккумуляторов постоянно улучшается. Попытки решения этих проблем и привели к появлению литий-полимерных (Li-pol или Li-polymer) аккумуляторов. Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе используемого электролита. Первоначально, в 70-х годах, применялся сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом. Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется большей безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы
произвольной формы. К тому же отсутствие жидкого или гелевого электролита исключает возможность воспламенения. Толщина элемента составляет около одного миллиметра, так что разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды. Но на данный момент, к сожалению, сухие Li-polymer аккумуляторы обладают недостаточной электропроводностью при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, необходимую для современных средств связи и электропитания жестких дисков переносных компьютеров. В то же
время при нагревании до 60 °C и более электропроводность Li-polymer увеличивается
до приемлемого уровня, однако для массового использования это не годится. В данном случае речь идет об аккумуляторах не с сухим твердым электролитом. Для того чтобы повысить электропроводность небольших Li-polymer аккумуляторов, в них добавляют некоторое количество гелеобразного электролита. И большинство Li-polymer аккумуляторов, используемых сегодня для мобильных телефонов, фактически являются гибридами, поскольку содержат гелеобразный электролит. Правильнее было бы их называть литий-ионными полимерными. Но большинство изготовителей в рекламных целях маркируют их просто как Li-polymer. Остановимся подробнее на этом типе литий-полимерных аккумуляторов, поскольку на данный момент именно они представляют наибольший интерес.
Итак, в чем различие между Li-ion и Li-polymer аккумулятором с добавкой гелеобразного электролита? Хотя характеристики и эффективность обеих систем во многом сходны, уникальность Li-ion полимерного (можно его и так назвать) аккумулятора заключается в том, что в нем все же используется твердый электролит, заменяющий пористый сепаратор. Гелевый электролит добавляется только для увеличения ионной электропроводности. Технические трудности и задержка в наращивании объемов производства задержали внедрение Li-ion полимерных аккумуляторов. Это вызвано, по мнению некоторых экспертов, желанием инвесторов, вложивших большие деньги в разработку и массовое производство Li-ion аккумуляторов, получить свои инвестиции обратно. Поэтому они и не спешат переходить на новые технологии, хотя при массовом производстве Li-ion полимерные аккумуляторы будут дешевле литий-ионных. А теперь об особенностях эксплуатации Li-ion и Li-polymer аккумуляторов. Их основные характеристики очень похожи. О заряде Li-ion аккумуляторов достаточно подробно рассказано в статье [2]. В добавление приведу лишь график (рис.3) из [3], иллюстрирующий стадии заряда, и небольшие пояснения к нему. Время заряда всех Li-ion аккумуляторов при начальном зарядном токе в 1С (численно равном номинальному значению емкости аккумулятора) составляет в среднем 3 часа. Полный заряд достигается при напряжении на аккумуляторе, равном верхнему порогу, и при уменьшении тока заряда до уровня, примерно равного 3% от начального значения. Аккумулятор во время заряда остается холодным. Как видно из графика, процесс заряда состоит из двух стадий. На первой (час с небольшим) напряжение растет при почти постоянном начальном токе заряда в 1С до момента первого достижения верхнего порога напряжения. К этому моменту аккумулятор заряжается примерно на 70% от своей емкости. В начале второго этапа напряжение остается почти постоянным, а ток уменьшается до тех пор, пока не достигнет вышеуказанных 3%. После этого заряд полностью прекращается. Если требуется поддерживать аккумулятор все время в заряженном состоянии, то подзаряд рекомендуется проводить через 500 часов, или 20 дней. Обычно его проводят при уменьшении напряжения на выводах аккумулятор до 4.05 В и прекращают при достижении 4.2 В. Несколько слов о температурном диапазоне при заряде. Большинство разновидностей Li-ion аккумуляторов допускают заряд током в 1С при
температуре от 5 до 45 °C. При температуре от 0 до 5 °C рекомендуется заряжать
током в 0.1 С. Заряд при минусовой температуре запрещен. Для заряда оптимальна
температура от 15 до 25 °C.
И все те зарядные устройства, которые он использовал для Li-ion аккумуляторов, годятся для Li-polymer.
А теперь об условиях разряда. Обычно Li-ion аккумуляторы разряжают до значения 3.0 В на элемент, хотя для некоторых разновидностей нижний порог составляет 2.5 В. Производители оборудования с питанием от аккумуляторов, как правило, разрабатывают устройства с порогом выключения 3.0 В (на все случаи жизни). Что это означает? Напряжение на аккумуляторе при включенном телефоне постепенно уменьшается, и как только оно достигнет 3.0 В, аппарат предупредит вас и выключится. Однако это совсем не означает, что он перестал потреблять энергию от аккумулятора. Энергия, пусть незначительная, требуется для определения нажатия клавиши включения телефона и некоторых других функций. Кроме того, энергию потребляет собственная внутренняя схема управления и защиты, да и саморазряд, хоть и небольшой, но все же характерен даже для аккумуляторов на основе лития. В результате, если оставить литиевые аккумуляторы на длительный срок без подзарядки, напряжение на них упадет ниже 2.5 В, что очень плохо. В этом случае возможно отключение внутренней схемы управления и защиты, и не все зарядные устройства смогут зарядить такие аккумуляторы. Кроме того, глубокий разряд отрицательно сказывается на внутренней структуре самого аккумулятора. Полностью разряженный аккумулятор должен заряжаться на первом этапе.
а та
a с
а
и U
1.25/5
1J00/4
1.75/3
1.50Й
1.25/1
Stage 1
Max. charge current is applied until the cell voltage limit is re acne d.
Stage 2
Max. cell voltage is reached. Change current dartsto drop charge is a pp readied.
as
| 1 | 1 | 1
1 1 у—
1 \ 1 1 | 1 | 1 | 1 I |
ч \ \ V 1 1 | 1 1 1 I 1
> N Ч ч Terminate , charge wihen i current < 3%of i rated current i
i i 1 1 4 - : -
Wage/Cell Charge Current
Stage 3
Occasional topping charge., about 1 per i 500 h
3
Time (hrs)
Рисунок 3 - Стадии заряда (зависимость напряжения от времени)
Как правило, Li-ion аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной температуре. Работа в более теплых условиях серьезно сокращает срок их службы. Хотя, например, свинцово-кислотный аккумулятор имеет самую высокую емкость при
температуре более 30 °C, но длительная эксплуатация в таких условиях сокращает жизнь аккумулятора. Точно так же и Li-ion лучше работают при высокой температуре, которая поначалу противодействует увеличению внутреннего сопротивления аккумулятора, являющемуся результатом старения. Но повышенная энергоотдача коротка, поскольку повышение температуры, в свою очередь, способствует ускоренному старению, сопровождаемому дальнейшим увеличением внутреннего сопротивления.
Исключение составляют на данный момент только литий-полимерные аккумуляторы с сухим твердым полимерным электролитом. Для них жизненно
необходима температура от 60 °C до 100 °C. И такие аккумуляторы заняли свою нишу
на рынке резервных источников в местах с жарким климатом. Они помещаются в теплоизолированный корпус со встроенными элементами нагревания, питающимися от внешней сети. Li-ion полимерные аккумуляторы в качестве резервных, как считают, превосходят по емкости и долговечности VRLA аккумуляторы, особенно в полевых условиях, когда управление температурой невозможно. Но их высокая цена остается сдерживающим фактором.
При низких температурах эффективность аккумуляторов всех электрохимических систем резко падает. В то время как для NiMH, SLA и Li-ion
аккумуляторов температура -20 °C является пределом, при котором они прекращают
функционировать, NiCd продолжают работать до -40 °C. Отмечу только, что речь опять же идет только об аккумуляторах широкого применения.
Важно не забывать, что, хотя аккумулятор и может работать при низких температурах, это совсем не означает, что он может быть также заряжен в этих условиях. Восприимчивость к заряду у большинства аккумуляторов при очень низких температурах чрезвычайно ограничена, и ток заряда в этих случаях должен быть уменьшен до 0.1C.
Литий-Полимеры.
Литий - Полимеры (Lithium Polymer, LiPo, ЛиПо) в последние годы прочно закрепились в модельной технике. Используются не только как силовые (их основное назначение), но и как легкие бортовые источники питания. Существует достаточно много торговых марок ЛиПо (самые авторитетные FlightPower, ThunderPower, PolyQuest, Kokam...). Но производителей в мире не так много, и например FlightPower, ThunderPower и некоторые другие известные марки размещают свои заказы на заводе Enerland в Южной Корее. Основные достоинства ЛиПо: наилучшее соотношение энергоемкость/масса; большая нагрузочная способность силовых ЛиПо (ток отдачи); широкий спектр (по емкости, весу, нагрузочной способности) выпускаемых батарей; широкий спектр выпускаемых зарядных устройств.
Основные недостатки ЛиПо: высокая цена - малый срок эксплуатации силовых ЛиПо; малая стойкость к механическим и электрическим перегрузкам; узкий температурный спектр работы; обязательная постоянная балансировка батарей в блоке; большое время заряда батареи.
Литий-Фосфаты.
Литий-Фосфаты (Lithium Iron Pho, LiFe, LiFePo4, LiPho, ЛиФо) совсем недавно появились на модельном рынке. Примерно два года назад эти батареи широко начали применять в аккумуляторных блоках ручного профессионального строительного инструмента. Догадливые моделисты быстро оценили достоинства новых батарей и начали скупать и «перепаковывать» такие блоки. В середине 2006 года производитель представил специальные модельные Ли-Фо аккумуляторы. На сегодняшний день патент и производство Литий-Фосфатов сосредоточены в одной компании из США -A123Systems.
Основные достоинства ЛиФо:
очень большая нагрузочная способность (ток отдачи); большой срок эксплуатации; высокая стойкость к механическим и электрическим перегрузкам; широкий температурный спектр работы; необязательная балансировка батарей в блоке; быстрый заряд батареи.
Основные недостатки ЛиФо:
не лучшее соотношение энергоемкость/масса; ценовой диктат одного производителя; один тип предлагаемых в продаже батарей; выпускается всего несколько типов зарядных устройств.
Принцип работы литий-ионных батарей.
Со временем литий-ионный аккумулятор постепенно теряет свою способность удерживать заряд. Это происходит из-за ущерба от длительного воздействия высоких температур и большого числа циклов зарядки и разрядки в конце концов начинает нарушаться процесс перемещения ионов лития между электродами.
В обычной литий-ионной батарее есть катод или отрицательный электрод (сделанный из оксидов лития, таких как оксид лития с кобальтом) и анод или положительный электрод (как правило, изготавливается из графита). Тонкий пористый сепаратор удерживает два электрода друг от друга для предотвращения короткого замыкания. И электролит, изготовленный из органических растворителей и на основе солей лития, который позволяет ионам лития перемещаться внутри ячейки. Во время зарядки электрический ток перемещает ионы лития от катода к аноду. Во время разрядки (другими словами, при использовании аккумулятора), ионы движутся обратно к катоду. Во время зарядки ионы помещаются между листами графита, входящих в состав анода. Долгоживущая батарея выдержит несколько тысяч таких циклов зарядки-разрядки.
Энергия и мощность литий-ионных батарей.
У батарей есть два параметра производительности: энергия и мощность.
В сотовых телефонах высокая мощность менее важна, чем ёмкость, или количество энергии, которое может вместить батарея. Батареи высокой ёмкости работают дольше от одного заряда. Со временем батарея деградирует несколькими способами, которые могут влиять и на ёмкость, и на мощность, пока, в конце концов, она просто не сможет выполнять базовые функции. В батарее, ионы лития убираются, или «привязываются». В итоге, они лишаются возможности перемещаться между электродами. Поэтому после нескольких месяцев мобильный телефон, который первоначально требовал зарядки раз в пару дней, теперь необходимо заряжать каждые сутки. Затем дважды в день. В конце концов, слишком много ионов лития «привяжутся», и аккумулятор не будет держать сколько-нибудь полезный заряд.
Причины выхода из строя литий-ионных батарей.
Активная часть катода (источника ионов лития в батарее) разработана с определенной атомной структурой для обеспечения стабильности и производительности. Когда ионы перемещаются к аноду, а затем возвращаются на обратно в катод необходимо чтобы они вернулись на прежнее место, чтобы сохранить стабильную кристаллическую структуру. Проблема в том, что кристаллическая структура может меняться с каждой зарядкой и разрядкой. Постепенно катод преобразовывается в новую кристаллическую структуру кристалла с иными электрохимическими свойствами. Точное расположение атомов, первоначально обеспечивающее необходимую производительность, изменяется. Деградация может происходить также и в других частях батареи. Каждый электрод соединен с коллектором тока, который является по сути куском металла (обычно медь для анода, алюминий для катода), которая собирает электроны и перемещает их во внешнюю цепь. Со временем металл разъедается и не может эффективно перемещать электроны. Коррозия в батарее может возникнуть в результате взаимодействия электролита и электродов. Графитовый анод является «легкоотдающим», т.е. он легко «отдает» электроны в электролит. Это может привести к появлению нежелательного покрытия на поверхности графита. Катод, между тем, весьма «окисляемый», что
означает, что он легко принимает электроны от электролита, что в некоторых случаях может разъедать алюминий коллектора тока или формировать покрытие на частях катода. Графит - материал, широко используемый для изготовления анодов -термодинамически неустойчив в органических электролитах. Это означает, что с самой первой зарядки нашей батареи, графит реагирует с электролитом. Это создает пористый слой (называемый твёрдым электролитным интерфейсом или ТЭИ), что в итоге защищает анод от дальнейших атак. Эта реакция также потребляет небольшое количество лития. ТЭИ является весьма нестабильным защитником. Он хорошо защищает графит при комнатной температуре, но при высоких температурах или когда заряд батареи снижается до нуля («глубокий разряд»), ТЭИ может частично растворяться в электролите. При высоких температурах, электролиты также имеют тенденцию разлагаться и побочные реакции ускоряются. Когда благоприятные условия вернутся, сформируется другой защитный слой, но это съест часть лития. Если защитный слой слишком утолщается, он становится барьером для ионов лития, от которых требуется свободно перемещаться вперед-назад. Это отрицательно влияет на мощность.
Рисунок 4 - Внешний вид литий-ионных батарей
Технико-экономическое обоснование.
Аэрофотосъемка с БПЛА используется для создания и обновления цифровых карт и планов тех территорий, для которых отсутствует практическая возможность или экономическая целесообразность детального изучения местности и определения числовых характеристик по космическим снимкам или материалам традиционной аэрофотосъемки. Например, на участках:
■ покрытых тенями и облаками на космических или традиционных аэрофотоснимках;
■ изменении местности преимущественно с линейно-протяженными изменившимися объектами;
■ изменений местности при точечной застройке в населенных пунктах;
■ изменений местности, требующих оперативного анализа и принятия решений (сезонные изменения местности, например затапливаемые площади разливов рек).
Потенциал использования беспилотных аппаратов в гражданских целях поистине безграничен, однако мобильность полетов этого класса авиации ограничена действующим законодательством: в России нет законов, регулирующих полеты БПЛА.
Пока делаются только первые шаги в использовании БПЛА для целей сельского хозяйства. Несомненно, перспективы применения беспилотных технологий очень
велики. Вопросы мониторинга сельскохозяйственных угодий являются актуальным для хозяйств. Появление нового инструментария для этих целей предоставляет новые качественные возможности для решения этого вопроса. Важно отметить, что БПЛА -всего лишь один из элементов повышения эффективности земледелия, без сведений об урожайности в предыдущие годы, без многолетних наблюдений, без данных анализа почвы выводы и правильную логику сельскохозяйственного производства выработать тяжело. Таким образом, БПЛА становятся крайне важным инструментом в оценке эффективности работы сельскохозяйственных предприятий.
В настоящее время многие землепользователи намеренно занижают свои площади, что бы меньше платить налог за землю, находящуюся у них в обороте. Чтобы таких ситуаций не было, следует производить мониторинг площади полей. Его можно производить при помощи спутниковых систем, что стоит больших денежных затрат. Альтернативный метод - использование беспилотных систем.
Уточнение площади полей при помощи беспилотных систем помогло бы решить ряд проблем, например таких как "присвоение" чужих земель при посеве (если соседние поля не используются), и как следствие неуплата налогов за такой "вид использования" земли.
Уже стало очевидным, что аэрофотосъемка с БПЛА по сравнению с космической и традиционной имеет следующие преимущества:
■ относительно малая высота полета (позволяет проводить съемку на высотах от 100 до 6000 м);
■ высокое разрешение на местности (видны мельчайшие детали рельефа и объекты даже сантиметрового размера);
■ возможность создания панорамных снимков (спутниковая и традиционная аэрофотосъемка не имеют такой возможности);
■ возможна детальная съемка небольших объектов; технология аэрофотосъемки с БПЛА позволяет проводить аэрофотосъемку небольших объектов и малых площадок там, где сделать это другими видами аэрофотосъемки нерентабельно, а в ряде случаев и технически невозможно;
■ возможность выбора погодных условий и времени суток для проведения аэрофотосъемки;
■ оперативность (весь цикл от выезда на съемку до получения конечных результатов занимает несколько часов в течение одного дня);
■ низкая стоимость (значительно дешевле традиционных методов аэрофотосъемки);
■ экологическая безопасность (для работы используется электрический двигатель, что обеспечивает практическую бесшумность и экологическую чистоту полетов) [1].
Заключение
Учитывая, какими темпами двигается технический прогресс в области электрохимии, можно предположить, что будущее за литий-полимерными аккумуляторами - если их не догонят топливные элементы. По мере повышения спроса на аккумуляторы и увеличения объема их выпуска цена будет неизбежно падать, и тогда литий станет, наконец, также распространен, как NiMH.
Кроме литиевого компонента кардинальное улучшение может наступить при использовании пористых наночастиц кремния. Резко увеличивается количество циклов перезарядки, растет емкость аккумуляторов, существенно уменьшается время их зарядки. И если производство пористых структур пока еще далеко не индустриальное, совершенно очевидно, что функциональность и жизненный цикл новой электрохимии обеспечит работу не только смартфонов, планшетов и игрушечных машинок, но и настоящих автомобилей.
Библиография
1. Раунер Ю. Л. Климат и урожайность зерновых культур. М.: Наука, 1981 -162 с.
2. Кузенкова Г. В. ВВЕДЕНИЕ в экологический мониторинг: учебное пособие. -Н.Новгород: НФ УРАО, 2002. - 72 с.
3. http://www.buchmann.ca/ — «Batteries in a Portable World. A handbook on rechargeable batteries for non-engineers» — интернет-версия книги г-на Isidor Buchmann, главы канадской компании Cadex Electronics Inc.
4. http://www.cadex.com — Cadex Electronics Inc., Vancouver, BC [British Columbia], Canada — разработчик и производитель зарядных устройств, анализаторов и систем обслуживания аккумуляторов.
5. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979, - 376 с.
6. http://www. agroxxi. ru
УДК 621.664:669.715
ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ КОРПУСА ШЕСТЕРЕННОГО НАСОСА ТИПА НШ-У ВОССТАНОВЛЕННОГО ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ И УПРОЧНЕННОГО МДО
Логачев В.Н., к.т.н., доцент Касьянова Т.Н., магистрант 2 курса направления подготовки «Агроинженерия»
ФГБОУ ВО Орловский ГАУ
АННОТАЦИЯ
В работе представлены результаты исследования внутренних напряжений корпуса насоса НШ-32У-2 восстановленного пластическим деформированием до и после упрочнения МДО, а также напряжения в самом покрытии, сформированном способом МДО.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Внутренние напряжения, корпус насоса, восстановление, пластическое деформирование, упрочнение, микродуговое оксидирование, рентгеновский дифрактометр.
ABSTRACT
The paper presents the results of the research of inner stresses in the pump body NSH -32Y-2 which is reconditioned by plastic deformation before and after microarc oxidation (MAO) hardening and also stress in the coating being formed by microarc oxidation (MAO) method.
KEY WORDS
Inner stresses, pump body, reconditioning, plastic deformation, hardening, microarc oxidation (MAO), X-ray diffractometer.
Анализ литературных данных показал, что внутренние напряжения оказывают значительное влияние на эксплуатационные свойства деталей. Внутренние напряжения сжимающего типа увеличивают усталостные характеристики деталей, тогда как растягивающие резко их снижают [1].
Внутренние напряжения в детали, восстановленной пластической деформацией, до и после упрочнения, а также в упрочняющем покрытии определяли с помощью портативного рентгеновского дифрактометра ДРП-3. Для проведения
