Аккумуляторы и суперконденсаторы на основе новых композитных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сибирский государственный университет водного транспорта

УДК 621.319:678.5

Аккумуляторы и суперконденсаторы на основе новых композитных материалов

Горелов С.В., Горелов В.С.,

Базавлук А.А., Калинин Б.Е.,

Хлыстова К.А., Юрьев М.Ю.

Проведена классификация принципов аккумулирования энергии. Рассмотрен принцип действия различных типов аккумуляторов и суперконденсаторов.

Ключевые слова: аккумуляторы, природные ресурсы топливные элементы, паровая конверсия синтез газа, суперконденсатор, графен.

Большинство возобновляемых источников энергии обеспечивают энергией потребителей циклически. Аккумуляторы энергии повышают надёжность электроснабжения. Аккумулирование энергии происходит на физических и химических принципах (рисунок 1).

Рисунок 1 - Основные виды аккумуляторов энергии, использующие физические и химические принципы работы

Физические принципы запаса энергии заключаются в аккумулировании не только теплоты, но и механической энергии.

В тепловых аккумуляторах физической теплоты на основе воды или других однофазных веществ температура в процессе накопления и отдачи теплоты изменяется во времени.

Использование в качестве рабочего материала некоторых веществ, изменяющих своё агрегатное состояние, позволяет поддерживать температуру постоянной, соответствующей температуре фазового перехода. К таким веществам относят, например, сульфат натрия Na2SO4 •10H2O, парафин и другие. Так, глауберова соль под действием подводимой теплоты при температуре 305,3 К переходит в насыщенный раствор Na2SO4 с осадком. Эта реакция сопровождается поглощением теплоты в количестве 650 МДж/м3.

Аккумулирование механической энергии происходит на гидроаккумуляторных электростанциях, имеющих избыток электрической энергии. Вода после прохождения гидротурбины, насосами, перекачивается в водохранилище. Это позволяет поддерживать постоянный напор воды в течение всего года.

При проведении экзотермических реакций выделяется аккумулированная теплота, которая может использоваться как полезная в технологических процессах. На основе электрохимических реакций производится аккумулирование энергии в гальванических элементах многоразового и одноразового пользования. К элементам многоразового пользования относятся кислотные и щелочные аккумуляторы, выдерживающие циклы разрядки и зарядки.

Химические принципы аккумулирования энергии могут включать биохимические реакции под действием потока лучистой солнечной энергии, что составляет основу фотосинтеза, в результате которого образуются органические вещества растений, аккумулирующие солнечную энергию. За счёт прямого или косвенного употребления растений в пищу, энергия аккумулируется в животных. Растения используются в качестве топлива, а животные совершают механическую работу. В виде ископаемого топлива аккумуляторами солнечной энергии, также могут являться природные энергетические ресурсы.

Известно, что более 85 процентов энергии в мире обеспечивается углеродсодержащими топливами - нефтью, углём и газом. Отсюда и нарастающие экологические проблемы, вплоть до появления парникового эффекта, потепления климата и нарастания угрозы экологических катастроф. Сейчас всё больше начинает преобладать мнение о том, что углеродная энергетика уже себя изжила, и мы приближаемся к эпохе водородной энергетики.

Перспективным направлением в решении проблем энергообеспе-чения при минимальных воздействиях на окружающую среду в послед-ние годы признана водородная энергетика, базирующаяся на водороде как топливе. Следует иметь в виду, что для его производства, как и для производства электрической и тепловой энергии, необходимы внешние источники энергии, поскольку в свободном состоянии в природе водо-рода практически нет. По этому признаку его следует относить к энер-гоносителям, а не к энергоресурсам.

Важным преимуществами водорода являются высокая теплотвор-ная способность и экологическая чистота и технологичность получения из него электрической энергии с помощью топливного элемента (ТЭ). Последний представляет собой электрохимический генератор, осущест-вляющий прямое преобразование химической энергии в электрическую. При этом единственным продуктом реакции (кроме электрической энергии и теплоты) является вода.

При другом способе получения энергии из водорода - его сжига-нии - единственным побочным продуктом также является вода, а ос-новным - тепло. Наметившиеся и частично апробированные технологии и сферы применения водорода (кроме энергетики) настолько широки (транспорт, химическая и пищевая промышленность, металлургия и др.), что речь идёт фактически о переходе не только к водородной энер-гетике, но и к водородной экономике [1, 10].

Большую часть производимого в промышлен-ных масштабах водорода получают в процессе паровой конверсии ме-тана. Пар с температурой (750 - 850) °С необходим для отделения водо-рода от углеродной основы в метане, что и происходит в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях. Этот способ на сегодня наиболее хорошо освоен и широко распространён, хотя и имеет ряд недостатков:

исходное сырье - природный газ - представляет собой ценный невозобновляемый ресурс;

около 50 % газа расходуется на проведение эндотермической ре-акции паровой конверсии;

производство сопровождается вредными выбросами.

Рисунок 2 - Основные технологии получения синтез-газа

Рисунок 3 - Двухступенчатая конверсия получения синтез-газа

Водородная энергетика - использование водорода (Н2) как основного энергоносителя и топливных элементов как генераторов электроэнергии с одновременным сокращением потребления ископаемых топлив, включает в себя следующие технологии:

- крупномасштабное производство водорода из ископаемых, синтетических и возобновляемых источников энергии;

- производство топливных элементов и энергоустановок на их основе;

- хранение и транспортировка водорода;

- использование водорода для получения энергии в промышленности, на транспорте, в быту;

- водородная безопасность.

Различные технологические особенности получения и применения синтез-газа нашли отражение на рисунках 2, 3, 4 и 5.

Рисунок 4 - Смеситель для получения синтез-газа

Рисунок 5 - Получение и применение синтез-газа при переработке попутного нефтяного газа

Ближайшей перспективой водородной энергетики является применение синтез-газа в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) (рисунок 6).

Схема I

Схема II

Рисунок 6 - Блок-схема дополнительной подачи синтез-газа в двигателях внутреннего сгорания

Свинцово-кислотные аккумуляторы - первооткрыватели в ряду вторичных химических источников тока. Около полутора веков свинцово-кислотные аккумуляторы используют на транспорте.

В начале 1990-х стали выпускать более ёмкие аккумуляторные батареи, это технология аккумуляторных батарей с биполярными электродами. Биполярные электроды могут применяться не только для свинцово-кислотных батарей. Эта технология может использоваться для объединения в батарею разных типов аккумуляторов.

Литий-ионные аккумуляторы являются перспективными для использования в качестве тяговых батарей электротранспорта. Технология производства литий-ионных аккумуляторов постоянно совершенствуется, совершенствуются характеристики, уменьшается стоимость производства аккумуляторов.

С 1991 года началось коммерческое использование литий-ионных аккумуляторов, изготовленных фирмой Sony. В этих аккумуляторах использовался кобальтат лития (LiCoO2), адсорбируемый на коксовых аноде и катоде. В качестве электролита использовалась соль лития в органическом электролите. При соблюдении условий разряда / заряда данные элементы достаточно безопасны в плане взрыва.

Литий-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4) - одна из разновидностей перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов, которые используют LiFePO4 в качестве катода. Они имеют более высокую разрядку и не взрываются в экстремальных условиях, но у них более низкие напряжение и плотность тока, чем у нормальных литий-ионных элементов. Полимерно-литиевые аккумуляторы могут служить недорогой заменой. Они обладают ещё более высокой энергетической плотностью (175 Вт.ч/кг) и малым током разряда, но их использование ограничено низким током нагрузки.

Исследования в области никель-металлгидридных (NiMH) батарей начались в 1970-х как совершенствование никель-водородных батарей, поскольку вес и объём никель-водородных батарей не удовлетворял производителей (водород в этих батареях находился под высоким давлением, что требовало прочного и тяжёлого стального корпуса). Использование водорода в виде гидридов металлов позволило снизить вес и объём батарей, а также снизилась и опасность взрыва батареи при перегреве. Успеху NiMH батарей способствовала увеличенная ёмкость (на 40 % по сравнению с NiCd), и использование материалов, годных к вторичной переработке. NiMH батареи могут выдерживать меньшие мощностные нагрузки по сравнению с NiCd батареями. Использование при высокой нагрузке и хранение при повышенной температуре ведёт к уменьшению срока жизни батареи. NiMH батареи подвержены большему саморазряду, чем NiCd.

Первые работы по разработке электрохимических конденсаторов проводились в середине 19 века Гемгольцем. Тогда же им было теоретически описано строение двойного электрического слоя на поверхности электродов и предсказание использования данного явления в устройствах для запасания энергии (рисунок 7).

Рисунок 7 - Схематическое обозначение многослойной структуры активированный уголь-электролит в суперконденсаторе

Практические результаты научных работ, связанных с применением суперконденсаторов относятся к середине 20 века, когда появился широкий круг материалов, позволяющих практически реализовать идею суперконденсатора. С другой стороны, разработку новых типов конденсаторов определяла потребность промышленности в мощных, быстро заряжаемых источниках тока с большим ресурсом.

Работы по улучшению свойств электрохимических конденсаторов привели к появлению в конце 20 века суперконденсаторов с ёмкостью до 10 Вт·ч/кг, что позволило использовать суперконденсаторы для нужд гибридного электротранспорта.

К 2010 году проведены эксперименты, касающиеся двухмерного материала «графена», в котором учёные видят потенциальную замену использующемуся в микросхемах кремнию. Промышленное производство графена может привести к тому, что электронные устройства нового поколения будут значительно легче и тоньше, при этом станут более функциональными. Материал может использоваться в электронной промышленности, оптике, а также при производстве солнечных батарей и электрохимических источников тока. Например, наряду с резисторами нанопористый углерод применяют в суперконденсаторах, ультраконденсаторах ёмкостью в сотни фарад. Был получен наноуглеродный материал таунит, представляющий многослойные углеродные нанотрубки с наружным диаметром до 40 нм и длиной свыше 2,0 мкм, который термостабилен до температуры 600 °C. Проходит комплексные испытания магний-радоновый, литий-воздушный и магний-графеновый аккумуляторы.

Рисунок 8 - Суперконденсаторный модуль «холодного пуска»

Рисунок 9 - Конструктивное исполнение электрических суперконденсаторов (ионисторов)

После выработки активного материала цинк-воздушную батарею нужно зарядить - заменить гранулы окисленного цинка в анодной кассете на свежий цинк. Данный процесс напоминает заправку топливом автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) - для электротранспорта с цинк-воздушными батареями требуется развитая структура цинкозаправок, цинковозы и цинк-перерабатывающие предприятия, на которых электрохимическими методами восстанавливается оксид цинка из отработанных анодов, потому справедливо назвать цинк-воздушные элементы "топливными".

Причиной использования такой сложной технологии является то, что цинк-воздушные элементы питания имеют плотность энергии в (2-2,5) раза большую, чем у наиболее ёмких из распространённых на сегодняшнее время - литий-ионных аккумуляторов.

Основные данные по вышеуказанным разработкам приведены в таблице 1

Таблица 1 - Основные характеристики источников тока

Примечание: Значения мощностей приведены для индуктивно-активной нагрузки при номинальном коэффициенте мощности cosц = 0,8.

энергия аккумулятор суперконденсатор газ

Список литературы

1. Горелов, С.В. Энергоснабжение стационарных и мобильных объектов: учеб. пособие: в 3 ч. Ч.1 / С.В. Горелов [и др.]; под ред. В.П. Горелова, Н.В. Цугленка. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2006. - 239 с.

2. Горелов, В.П. Общая энергетика: учебник: в 2 кн. Кн. 1. Альтернативные источники энергии / В.П. Горелов, С.В. Горелов, В.С Горелов, Т.А. Толашко, С.Н. Удалов; под ред. В.П. Горелова, Е.В. Ивановой. - Новосибирск: Изд-во Сибирского государственного университета водного транспорта, 2016. - 417 с.

3. Удалов, С.Н. Возобновляемые источники энергии: учебник / С.Н. Удалов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. - 432 с.

4. Лукутин, Б.В. Нетрадиционные способы производства электроэнергии: учеб. пособие / Б.В. Лукутин, М.А. Сурков; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 193 с.

5. Лукутин, Б.В. Силовые преобразователи в электроснабжении: учеб. пособие / Б.В. Лукутин, С.Г. Обухов; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 148 с.

6. Лукутин, Б.В. Автономное энергоснабжение от микрогидроэлектростанций / Б.В. Лукутин, С.Г. Обухов, Е.Б. Шандарова. - Томск: STT, 2001. - 120 с.

7. Горелов, В.П. Системы энергоснабжения транспорта и предприятий: учебник / С.В. Горелов, В.П. Горелов, Е.В. Иванова; под ред. В.П. Горелова, В.Г. Сальникова. - Новосибирск: Изд-во Сиб. гос. ун-та водн. тр-та, 2015. - 526 с.

8. Лукутин, Б.В. Исследование режимов работы автономного ветродизельного комплекса электроснабжения: монография / Б.В. Лукутин, Р.М. Мустафина, М.А. Сурков. - Павлодар: Кереку, 2012. - 169 с.

9. Ушаков, В.Я. История и современные проблемы электроэнергетики и высоковольтной электрофизики: учеб. пособие / В.Я. Ушаков. - Томск: Изд-во ТПУ, 2010. -219 с.

10. Ушаков, В.Я. Современные проблемы электроэнергетики: учеб. пособие / В.Я. Ушаков. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 447 с.

11. Горелов, С.В. Резисторы в схемах электротеплоснабжения / С.В. Горелов, В.В. Горелов, А.Л. Ивановский; под ред. В.П. Горелова, Н.В. Цугленка. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2008. - 424 с.

12. http://www.sbras.nsc.ru/newenergy <12.12.2005>

13. Горелов, В.П. Электроснабжение транспортных объектов: учеб. пособие: в 2 кн. Кн.1. Водный транспорт с комбинированными электроисточниками / В.П. Горелов [и др.]; под ред. В.П. Горелова, В.Г. Сальникова - Новосибирск: Изд-во Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2012. - 299 с.

14. Горелов, В.П. Электроснабжение транспортных объектов: учеб. пособие: в 2 кн. Кн.2. Электротранспорт и промышленные предприятия / В.П. Горелов [и др.]; под ред. В.П. Горелова, В.Г. Сальникова. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2012. - 378 с.

Размещено на Allbest.ru