Новые технологии бесперебойного энергоснабжения потребителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.31.03.001.7

Сибирский государственный университет водного транспорта

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

Горелов С.В., Горелов В.С., Левчишин О. Н .,Байдек В.С.

Манчук Г.Р., Тыщенко И.В., Хлыстова К.А.

Россия, г. Новосибирск,

Применение комбинированных систем электроснабжения с активной нагрузкой в виде различного вида резисторов из композиционных материалов (бетэла, рапита, экома, tuball) расширяют область бесперебойного энергоснабжения потребителей.

Ключевые слова: электротеплоснабжение, бетэл, рапит, эком, tuball, связка, аккумулятор, суперконденсатор, графен, нанотрубка, фуллерен.

The using of combined electrical power systems with the resistive load in the form of different types resistors made from composite materials (e.g.: a betel, a rapit, an ekom, a tuball) broaden an area of continuous power supply for customers.

Keywords: electricity and heating, betel, rapita, ECOM, tuball, bunch, battery, supercapacitor, graphene, nanotubes, fullerenes.

Проведённые ранее исследования показывают, что аккумулирование энергии позволяет:

- добиваться повышения потенциала энергии до требуемого качества при накоплении низкопотенциальной энергии;

- превращать энергию одного вида в энергию другого вида;

- повысить качество электроснабжения потребителей;

- обеспечить длительное энергоснабжение в периоды его недостатка или отсутствия.

Бесперебойное энергоснабжение потребителей на основе возобновляемых источников наиболее эффективно может быть осуществлено не только с использованием аккумуляторов энергии, но и на основе комбинированных систем (рисунок 1) [1-3].

Рисунок 1 - Блок-схема комбинированного электротеплоснабжения потребителей

Подчеркнём, что в большинстве вышеприведённых энергетических устройств в качестве активной нагрузки применяются различного типа резисторы, например, металлические и резисторы из композиционных материалов на основе силикатных, полимерных или фосфатных связок (бетэла, рапита и экома) [2-5].

Структурная энергетическая схема системы электроснабжения энергоавтономного экспериментального здания приведены на рисунке 2. Области применения композиционных резисторов из бетэла и рапита отражены на рисунке 3 [2-3].

комбинированный электроснабжение резистор композиционный

Рисунок 2 - Структурная энергетическая схема энергоавтономного здания

Существенное ограничение применения электроэнергии на транспорте обусловлено тем, что накопителем электрической энергии может быть конденсатор, обладающий ёмкостью не менее десятков или даже сотен фарад. Реализовать конденсатор подобной ёмкости, используя обычные технологии изготовления конденсаторов с использованием металлических обкладок, разделённых лентой диэлектрика, невозможно. Электролитические оксидные конденсаторы на основе алюминия и титана, в которых тонкий оксидный слой является диэлектриком, обладают неприемлемыми габаритами, хотя и находят ограниченное применение в качестве накопителей малой ёмкости.

Наиболее пригодными для накопления большого количества электрической энергии, являются молекулярные конденсаторы, электрическая удельная ёмкость которых в (300-2000) раз выше ёмкости традиционных конденсаторов. Использование ёмкостных накопителей становится целесообразным в связи с разработкой как за рубежом, так и в России, конденсаторов с двойным электрическим слоем (КДЭС) или электрохимических конденсаторов (ЭХК). Сегодня ЭХК - новый, динамично разрабатываемый тип источников тока, занимает промежуточное положение между аккумуляторами и традиционными конденсаторами.

Рисунок 3 - Применение бетэловых и рапитовых изделий на водном транспорте, сельскохозяйственных объектах и других областях

Функционально КДЭС представляют собой класс устройств для накопления/отдачи энергии, в которых используются электролиты и электроды различного вида. При этом в отличие от аккумуляторных батарей, в которых энергия накапливается в форме внутренней энергии вещества активной массы электродов, электрохимические конденсаторы используют накопление заряда на поверхности раздела сред: электрод (электронный проводник) - электролит (ионный проводник).

Благодаря тому, что расстояние между заряженной поверхностью проводника (из которого изготавливаются электроды) и слоем ионов очень мало (измеряется нанометрами), а величина поверхности проводника, изготовленного из высокопористого материала (например, активированного угля), достигает (1500-3000) м2/г (рисунок 4), ёмкость угольного электрода массой 1 г может составлять (100-500) Ф.

Отличительная особенность КДЭС заключается в его способности к хранению в статическом равновесии противоположных по знаку электрических зарядов на молекулярных расстояниях.

Скорость отдачи энергии КДЭС мало зависит от температуры конденсатора и остаётся теоретически неизменной в диапазоне от (-100) до (+160) оС. Это объясняется тем, что накопление электроэнергии в КДЭС не связано с протеканием в нём химических реакций, требующих определённого временного интервала для их протекания.

Рисунок 4 - Упрощённая эквивалентная схема конденсатора с двойным электрическим слоем: С1 - конденсатор отрицательного электрода; Rэкв - электрическое сопротивление электролита и материалов проводников; С2 - конденсатор положительного электрода

Рисунок 5 - Конструктивное исполнение конденсатора с двойным электрическим слоем

Конкретный состав электролита принципиальной роли не играет. В частности, он может быть как кислотным или щелочным, так и солевым (нейтральным), или с электролитом в виде твёрдого раствора. Принципиальное значение имеет лишь концентрация ионов. Ионы скапливаются на поверхности электродов, образуя так называемый двойной электрический слой, если приложенный потенциал не превышает энергию гидратации ионов, как правило, несколько вольт. В случае дальнейшего увеличения напряжения начинается электролиз, поэтому рабочее напряжение ограничено потенциалом гидратации ионов.

Конструктивно КДЭС представляет собой систему (рисунок 5), состоящую из двух электродов, помещённых в электролит, где двойной электрический слой на поверхности каждого электрода является отдельным конденсатором, соединёнными между собой последовательно через проводник с ионной проводимостью (электролит) и разделённые сепаратором - слоем ионопроводящего, но не проводящего электроны материала.

В 2003 году были спроектированы улучшенные КДЭС, названные конденсаторами на нанозатворах или наноуглеродными конденсаторами. Плотность энергии в них составила (50-75) Вт·ч/кг, что десятикратно превышает показатели существующих КДЭС [7].

Созданием супераккумуляторов занимается коллектив Института биохимической физики Российской академии наук и учреждённая им компания “Конгран” (конденсатор графеновый Академии наук). Для аккумулятора предлагают магниевый анод и катод из гипероксидированного графена - одного из созданных ими передовых наноматериалов. В катоде сочетается принцип химической реакции окисления-восстановления, общий для всех типов аккумуляторов, с доступностью большой поверхности электрода для электрических зарядов, на которой основаны другие накопители энергии - суперконденсаторы [8].

Многие из перспективных направлений в материаловедении, нанотехнологии, наноэлектронике, прикладной химии связываются в последнее время с фуллеренами, нанотрубками, графеном и другими похожими структурами, которые можно назвать общим термином углеродные каркасные структуры [9].

Углеродные каркасные структуры - это большие молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Можно даже говорить, что углеродные каркасные структуры - это новая аллотропная форма углерода (в дополнение к давно известным: алмазу и графиту). Главная особенность этих молекул - это их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри “оболочки” (рисунок 6) [12].

Фуллерены - полициклические полые структуры сферической формы, состоящие из атомов углерода, связанных в шести- и пятичленные циклы. Это новая модификация углерода, для которой, в отличие от других известных модификаций (алмаза, графита, карбина, графена), характерна не полимерная, а молекулярная структура. Своё название эти вещества получили по имени американского инженера и архитектора Р.Б.Фуллера, конструировавшего полусферические архитектурные сооружения, состоящие из шести- и пятиугольников.

Первоначально возможность существования структуры, состоящей из 60 углеродных атомов (С60 - фуллерена), была обоснована теоретически Д.А.Бочваром и Е.Н.Гальпереным в 1978 г. (Россия).

В 1992 г. были обнаружены природные фуллерены в углеродном материале-шунгите и других докембрийских породах. Шунгиты содержат до 90% чистого углерода, в том числе примерно одну сотую процента в виде фуллерена.

Графен - это близкий родственник углеродных сверхмолекул - нанотрубок и фуллеренов. Разница лишь в том, что, в отличие от уже известных материалов, в графене все частицы находятся в одной плоскости. Внешне вновь открытая молекула представляет собой миллионы развёрнутых углеродных трубок, которые “склеены” в один лист [8-9].

Потенциальные области применения графена включают:

замену углеродных волокон в композитных материалах с целью создания легковесных самолётов и спутников;

замена кремния в транзисторах;

введение в пластмассу с целью придания ей электропроводности;

датчики на основе графена могут обнаружить опасные молекулы;

использование графеновой пудры в электрических аккумуляторах, с целью увеличения их эффективности;

оптоэлектроника;

более крепкий, прочный и чёткий пластик;

прозрачное токопроводящее покрытие для солнечных панелей и для мониторов;

более крепкие ветряные двигатели;

суперконденсаторы.

Рисунок 6 - Строение нанотрубки из фуллеренов и пример магний графенового аккумулятора.

2016 год стал ключевым годом в разработке технологий применения одностенных углеродных трубок в аккумуляторной индустрии. Проведение вышеуказанной конференции способно ускорить процесс внедрения нанотрубок в производство аккумуляторов. Достижения в развитии технологий при производстве литий-ионных и свинцовых аккумуляторов послужат толчком к появлению новых аккумуляторов следующего поколения с увеличенной энергоёмкостью и сроком службы [10].

Применение ультратонкой фольги для аккумуляторов, покрытой одностенными углеродными нанотрубками, позволяет значительно улучшить энергетические параметры аккумуляторов. Так в России используют новый продукт на основе алюминиевой и медной фольги, покрытой слоем одностенных углеродных трубок и получившей название TUBBALL™ FOIL. Увеличили объём активного вещества при его минимальном проводящем покрытии и продлили срок службы аккумуляторов.

TUBALL содержит 75 % и более одностенных углеродных нанотрубок и может использоваться в качестве универсального аддитива, улучшающего одновременно прочность, электро- и теплопроводимость большинства материалов, таких как полимеры, резины, металлы и некоторые другие. Значительное улучшение свойств материала габлюдается уже начиная с добавления 0,001 % - 0,1 % массовых частей TUBALL (рисунок 7) [10-11].

Рисунок 7 - Области применения композита “tuball” с наноуглеродными наполнителями.

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. 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.

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

5. 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.

6. 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.

7. http://www.nanonewsnet.ru/news/2010/samyi-emk <08.07.2016>

8. http://www.Altenergiya.ru/accumulator <08.07.2016>

9. http://www.scorcher.ru/art/science/nano.php <08.07.2016>

10. http://www.ocsial.com/ru/news/190 <08.07.2016>

11. http://www.ocsial.com/ru/product/tuball <08.07.2016>

12. http://www.diplomba.ru/work/130846 <08.07.2016>

Размещено на Allbest.ru