ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ АККУМУЛИРОВАНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Электрохимические преобразователи энергии перспективны для аккумулирования, сбережения и передачи энергии потребителям. Эти системы эффективны при использовании нетрадиционных источников энергии.
Одним из основных преимуществ использования расплавленных нитратных смесей как электролитов наравне с индивидуальными нитратными расплавами является возможность значительно снизить рабочую температуру источника тока. Индивидуальные нитраты KNO3, NaNO3 и LiNO,, плавятся при температурах 334, 307 и 252 °C соответственно, смесь К, Li/NO3 эвтектического состава плавится при 132 °C, а смесь К, Na, Li/NO3 — при 119 °C [23, 24].
Поляризационные измерения показывают, что, как и в расплавах индивидуальных нитратов, процесс каждого возобновления нитратоионов в расплавах К, Na, Li/NO3 происходит с образованием нитрата и оксида, которые являются конечными продуктами катодного процесса. Катодный процесс можно активизировать введением в расплав таких кислот, как К2Сг2О7 и КРОа [25, 26], заслуживает внимания также использование карбамида (КА) и ацетамида (АА). Оптимальные соединения для системы нитрат—КА приведены в табл. 6.8 [27, 28], где I — область температур, при которых в растворе появляются первые кристаллы; II — область температур, при которых смесь полностью затвердевает.
Таблица 6.8. Системы нитраты—карбамиды
Напомним, что карбамид (NH2)2CO в обычных условиях — твердое вещество. Он плавится при температуре 133 °C и начинает разлагаться при температурах выше 150 °C. Удельная электропроводность КА при 150 °C равна 0,0069 Ом-1-см-1, диэлектрическая постоянная D = 59.
О степени влияния материала катода на процесс можно судить по данным, приведенным в табл. 6.9.
Как указывалось выше, для интенсификации катодного процесса можно использовать нитратацетамидные сплавы. Ацетамид (АА) CHyCONH, имеет температуру плавления 82 °C. Он более стойкий, чем карбамид, и разлагается при температуре 220 °C. При температуре 120 °C электропроводность АА составляет 5*10 9 Ом *см *. Диэлектрическая постоянная D = 59,1.
Установлено, что наиболее эффективно введение 10 % АА по массе.
Таблица 6.9. Стационарные потенциалы металлов в сплавах, состоящих из 10 % КА и 90 % эвтектики К, Na, Li/NO3 при температуре 150 °C
Наибольшая сила тока получается при использовании электрода из железа.
Ускорить катодный процесс можно также, если ввести в нитратный расплав азотнокислый аммоний NH4NO3, температура плавления которого t = 169,6 С (при атмосферном давлении). Исследования показывают, что использование NH4NO3 не только интенсифицирует катодный процесс, но и значительно повышает ЭДС системы.
Перемешивание электролита содействует повышению градиента концентрации ионов кислорода или уменьшению толщины диффузионного слоя δ и, следовательно, интенсификации катодного процесса. Исследования показывают, что с повышением скорости потока ν скорость катодного процесса вначале резко возрастает, но при достижении ν = 150 см/с, интенсивность процесса остается практически неизменной.
В последние годы большое внимание уделяется гидроксидным расплавам [29]. Исследования показали, что оптимальный состав электролита для термоэлектрохимического накопления энергии — эвтектическая смесь КОН + NaOH с рабочей температурой 200 °C. Такой состав обеспечивает высокие энергетические показатели при незначительной скорости коррозионного разрушения конструкционного материала.
В работе [31] приведены комбинированные энергетические системы на основе солнечных и воздушных установок с комплексным использованием аккумуляторов энергии и ряд оригинальных технических решений в области преобразования и аккумулирования энергии (рис. 6.15, 6.16, 6.17).
Рис. 6.15. Схема энергосистемы с электрохимическими аккумуляторами
Рис. 6.16. Схема энергосистемы для жилых домов с тепловыми и электрохимическими аккумуляторами
Рис. 6.1 7. Схема энергосистемы с накоплением энергии на основе водорода, тепловых и никель-кадмиевых аккумуляторов
Для надежного энергоснабжения объектов, которые находятся в отдаленных и труднодоступных районах, разработаны комбинированные автономные системы (рис. 6.15), состоящие из преобразователя энергии возобновляемых источников, аккумуляторной батареи блока автоматического контроля зарядки и разрядки аккумуляторов.
Комплексная энергосистема на возобновляемых источниках энергии для жилого дома с автономным энергосбережением состоит из следующих основных узлов (рис. 6.16):
источник энергии: ветроэлектрические установки АВЕУ- 6-2 и АВЕУ-6-4, солнечные фотопреобразователи общей мощностью 100 Вт (четыре блока по 25 Вт), гелионагреватели площадью 5 м2, тепловой насос мощностью 2 кВт;
аккумуляторы энергии: тепловой бак-аккумулятор аккумулирующей емкостью 14 кВт-ч, котел-аккумулятор горячей воды с аккумулирующей емкостью 100 кВт-ч и аккумуляторная батарея НК-80 с энергоемкостью 18 кВт-ч;
системы управления: щита ручного управления, устройства ручного управления, устройства автоматического управления зарядкой аккумуляторов и автоматизированной системы измерения выходных параметров.
Потребителем энергии является одноквартирный жилой дом общей площадью 50 м2 и объемом 188 м3.
Энергосистема смонтирована и прошла испытание на полигоне «Десна» (г. Киев).
По данным эксплуатации комплексной энергосистемы определены: изменения мощности источников энергии на протяжении суток по месяцам года; суточная выработка электроэнергии отдельными источниками и суммарное количество выработанной энергии; количество энергии, затраченной на отопление, горячее водоснабжение, освещение, бытовые потребности, а также составлен суточный энергобаланс потребления электроэнергии по месяцам года.
В результате испытаний установлено, что такая компоновка автономной энергетической системы полностью обеспечивает энергоснабжение жилого одноквартирного дома при условии использования в отопительный период теплового насоса с коэффициентом термотрансформации не менее 2.
Разработана комплексная система аккумулирования энергии на основе возобновляемых источников, основным назначением которой является энергообеспечение населенного пункта численностью 500-600 человек за счет комплексного использования ветродвигателя и аккумулятора энергии (рис. 6.17). Структура и состав энергетического комплекса выбраны на основе результатов анализа интенсивности ветровой и солнечной энергии для данной местности, возможности ее использования для электро- и теплоснабжения потребителей энергокомплекса.
Энергию получают с использованием: ветроэлектрической станции общей мощностью 2000 кВт; солнечной батареи электрической мощностью 500 кВт, тепловой — 1000 кВт;
теплового насоса;
гелиоприемников индивидуальных домов;
двигателей-генераторов на водородном топливе суммарной мощностью 200 кВт и топливных элементов суммарной мощностью 10 кВт.
Основными потребителями электроэнергии являются: системы инженерного оборудования зданий;
бытовая нагрузка села;
тепловой насос — 700... 1000 кВт;
электролизер (потребление 290 кВт, аккумулирующая способность 50...70 МВт-ч);
насосная система полива полей 600 кВт (периодическая работа).
Общая электрическая нагрузка энергокомплекса 3675 МВт-ч за год.
