CC BY
50
строительная теплофизика и энергосбережение
«Солнечный проект -1». Барогальваническое энергоснабжение автономных энергоэффективных жилых зданий усадебного типа с использованием возобновляемой тепловой энергии
С.А.Сидорцев, И.Л.Шубин, К.В.Люцько
Замещение ископаемых энергоресурсов возобновляемыми источниками энергии при эксплуатации зданий и сооружений является важным направлением энергосбережения в строительстве. Разработанный новый тип энергетики на базе регенеративных топливных элементов — барогальваническая микроэнергетика, позволяет заменить невозобновляе-мый энергоресурс на возобновляемое тепло.
Среди многочисленных децентрализованных потребителей энергии малоэтажные жилые здания — автономные усадебные, индивидуальные жилые дома и коттеджи, относятся к сложным объектам микроэнергетики. Они потребляют энергию в различ-
ных формах с многовариантными графиками нагрузок в течение дня, месяца и года, что, в свою очередь, обуславливает комплексность применяемых технологий, использующих энергию невозоб-новляемых источников.
Малоэтажное жилое здание с постройками на территории усадьбы является, как показал мировой опыт, наилучшей моделью индивидуального жилища. Современный дом должен иметь инженерное оборудование и удобства, обеспечивающие постоянное комфортное проживание в нем: электроснабжение, отопление, кондиционирование воздуха, холодное и горячее водоснабжение и т.д. В настоя-
Рисунок 1. Блок-схема энерготехнологии.
строительная теплофизика и энергосбережение
щее время энергоснабжение автономных индивидуальных домов обеспечивается за счет комбинированного потребления различных видов ископаемых источников энергии и продуктов их переработки непосредственно на территории усадьбы.
Как известно, существуют три первичных возобновляемых источника энергии (ВИЭ): солнечное излучение, геотермальная и приливная энергии. Солнечное излучение является собственно источником энергии или превращается в следующие ее виды: гидравлическую, ветровую, биомассу и тепловую энергию, аккумулированную элементами окружающей среды, к которым относятся воздух, поверхностные слои Земли, естественные и искусственные водоемы, осадки, подпочвенные воды.
Проблема замещения энергии ископаемых источников возобновляемой энергией требует модернизации технологических процессов энергообеспечения домов, а также разработки новых энергоэффективных технологий с использованием ВИЭ. Один из перспективных путей решения проблемы комплексного энергоснабжения автономного индивидуального жилища связан с комбинированным использованием тепловой энергии солнечного излучения,
элементов окружающей среды и сжигаемого биогаза, вырабатываемого из биомассы, имеющейся на территории усадьбы.
На рис.1 представлена блок-схема комплексного энергоснабжения в малоэтажном жилищном строительстве с использованием возобновляемой тепловой энергии; на рис.2 представлена структурная схема барогальванической энерготехнологии в целом, а на рис.3 приведена развернутая структурная схема блока технологий 5.
Технологии электроснабжения здания под номером 1 и совместного электроснабжения и теплоснабжения здания под номером 2 на рис.1 и 2 базируются на новых электрохимических ( барогаль-ванических ) методах прямого преобразования сконцентрированной тепловой энергии солнечного излучения и/или тепловой энергии сжигаемого биогаза в электричество без и с утилизацией отводимого тепла. Эти методы могут быть реализованы с помощью барогальванических преобразователей, которые следует рассматривать как дальнейшее развитие регенеративных топливных элементов [1]. На рис.4 показано место разработанных барогаль-ванических электрогенератора и электротеплогене-
Рисунок 2. Структурная схема барогальванической энерготехнологии
строительная теплофизика и энергосбережение
Йодный стеклопакет Силикатно- Йодно- Силикатное жалю- Солнцезащитное Солнцезащитное Солнцезащитное
на его основе фотохромное стекло фотохромный зи й но-чешуйчатое монолитное силикатно- ячеистое
на его основе стеклопакет стекло с техноло- полимерное полимерное полимерное
на его основе гией его стекло на его основе пулезащитное стекло на его основе
патент РФ изготовления стекло на его основе
№973491 патент РФ патент РФ патент РФ патент РФ патент РФ патент РФ
N01063793 №1293128 №1265162 №2306397 №2304682 №2304682
Солнцезащитные свегопрозрачные ограждения, выполняющие функцию пассивного кондиционера и обеспечивающие снижение электрической и тепловой нагрузок системы электроснабжения и теплохладоснабжения зданий и сооружений
Рисунок 3. Развернутая структурная схема блока технологий.
ратора среди термоэлектрохимических преобразователей тепла в электричество.
Технологии теплохладоснабжения здания под номером 3 и технологии термостатирования холодной кладовой дома и домашнего холодильника под номером 4 (рис. 1, 2) базируются на новых электрохимических методах прямой реверсивной трансформации низкопотенциальной тепловой энергии элементов окружающей среды в теплоту с переменным температурным потенциалом и получения искусственного холода. Эти методы могут быть реализованы с помощью барогальванических парожидкостных и паровых комбинированных реверсивных тепловых насосов, термотрансформаторов и домашних холодильников.
Технология комплексного энергоснабжения автономного индивидуального жилища под номером 6 (рис. 1, 2 ) базируется на синтезе всех пяти групп технологий.
На рис.5 в качестве примера представлен вариант размещения системы энергоснабжения автономного индивидуального жилого дома на территории усадьбы с использованием возобновляемой тепловой энергии.
Разработанная энерготехнология обладает рядом принципиальных достоинств по сравнению с известными:
1. позволяет частично или полностью отказаться от использования ископаемых энергоресурсов и заменить их возобновляемой тепловой энергией;
2. разработанные источники электричества, электричества и тепла, тепла и холода, входящие в систему энергоснабжения автономного жилого здания, используют изотермические процессы токогенера-ции и компрессионного сжатия рабочего тела и работают по прямым и обратным термодинамическим циклам, эквивалентным прямым и обратным циклам Карно, т.е. позволяют обеспечить предельную эффективность энергообеспечения;
3. позволит значительно снизить стоимость и материалоемкость системы энергоснабжения дома за счет применения нанотехнологий при изготовлении газодиффузионных электродов и газоплотных электролитных мембран в токогенерирующих и компрессорных ячейках [2];
4. используются методы прямого преобразова-
строительная теплофизика и энергосбережение
Рисунок 4. Схема разделения регенеративных топливных элементов на классы и классификация термоэлектрохимических преобразователей тепла в электричество.
ния и трансформации энергии в технике преобразователей тепла в электричество, тепловых насосов, термотрансформаторов тепла, бытовых холодильников; это обстоятельство является причиной их особых качеств: энергоэффективности, потенциальной надежности, простоты, бесшумности работы;
5. обладает экологической чистотой, работа энергетических устройств не сопровождается химическими реакциями, в качестве рабочих тел в них используются натуральные хладагенты, такие как аммиак и углекислота, а не фреоны;
6. является полифункциональной — ее основные элементы могут быть совмещены со строительными конструкциями — пространственными и наружными солнцезащитными устройствами, стезатраты при строительстве автономных индивидуальных домов;
7. поддается автоматизации с использованием компьютерной техники и обеспечивает плавное ре-
гулирование режимов работы устройств, входящих в энергосистему; она может быть использована как энергетическая основа для «умного дома»;
8. каждый активный и пассивный элемент энерготехнологии имеет самостоятельную коммерческую ценность и может быть использован в качестве товара народного потребления, экономя при своем использовании топливо и энергию.
На рис.6 представлены социально- экономические аспекты разработки.
Ниже рассмотрена технология совместной выработки электричества и тепла под номером 2 (рис. 1, 2).
Основным узлом барогальванического электротеплогенератора является токогенерирующая баро-гальваническая ячейка (БГЯ), представляющая собой электроизоляционный сосуд (рис.7), разделенный перегородкой из пористых газодиффузионных электродов, с заключенным между ними электролитом.
300 3 2010
строительная теплофизика и энергосбережение
Рисунок 5. Схема размещения энергосистемы в доме и на территории усадьбы.
Полости сосуда заполнены парами рабочего тела, находящимися при одинаковой температуре, но при разных давлениях.
Если электролит обладает проводимостью по ионам рабочего тела, то вследствие разности термодинамических потенциалов рабочего тела в полостях БГЯ, обязанной разнице давлений, на ее электродах возни-
Пары йода высокого давления
Газодиффузионные электроды_
Электролит с проводимостью по ионам рабочего тепа_
Диэлектрический сосуд
Пары йода низкого давления
Г
Нагрузка
Рисунок 7. Принципиальная схема токогенерирующей барогальванической ячейки.
кает э д с, пропорциональная разности термодинамических потенциалов рабочего тела, и образуется электрическая цепь: электроды — полезная нагрузка.
Рабочий процесс токообразования складывается из нескольких стадий, но феменологически он выглядит как переток рабочего тела через электродный блок электрохимической ячейки под действием перепада давлений. На электродном блоке БГЯ поток раздваивается: его ионная составляющая проходит через электролитную мембрану, а электронная составляющая проходит по внешней цепи через нагрузку, замыкающую контур между электродами высокого и низкого давлений.
Аналитической основой принципа действия БГЯ служит уравнение, отражающее закон сохранения энергии
Т ■ dS = Ыи + Р ■ ЫУ + сИ,
(1)
где Т — абсолютная температура источника тепла, равная при обратимом процессе абсолютной температуре системы;
dS — полный дифференциал энтропии системы; Ыи — полный дифференциал внутренней энергии системы;
Р — давление системы;
ЫУ — изменение объема системы;
а — изменение работы системы.
строительная теплофизика и энергосбережение
СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ ИННОВАЦИОННОЙ БАРОГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ КОМПЛЕКСНОЙ НАНОТЕХНОЛОГИИ СОЛНЕЧНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ МАЛОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ
ВКЛАД В РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ОБЩЕГОСУДАРСТВЕННОГО УРОВНЯ
- ЭКОНОМИЯ НЕВОСПОЛНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ;
ВКЛАД В РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЖИЗНИ НАСЕЛЕНИЯ
- ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО, ПСИХОЛОГИЧЕСКОГО, ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО И АКУСТИЧЕСКОГО КОМФОРТА ЧЕЛОВЕКА В СРЕДЕ ОБИТАНИЯ;
Рисунок 6. Социально-экономические аспекты разработки.
Тепло, подведенное к системе, Т ■ аК, расходуется на повышение внутренней энергии рабочего тела <аи, работу расширения Р ■ <аУ и внешнюю (электрическую) работу dL.
Для изотермического и изобарического процессов соотношение (1) может быть проинтегрировано
-T ■ S + P ■ V + U + L = G + L = const.
(2)
где О — изобарно-изотермический потенциал — потенциал Гиббса, является основной термодинамической функцией, определяющей внешнюю электрическую работу БГЯ — LБГЯ.
Из (2) следует непосредственно связь
Lsrя = -AG = E ■ Z ■ F
(3)
E = -
AG [-AU -Á(P V) + T ■ AS]
ZF
[-Al + T ■ AS] ZF
ZF
(4)
где А/ — изменение энтальпии системы.
Равенство (4) может быть использовано для вычисления эдс одной токогенерирующей ячейки.
Реальная внешняя электрическая работа БГЯ будет меньше идеальной, описываемой уравнением (3), на величину потерь, т.е. внешняя электрическая работа, приходящаяся на один моль рабочего тела, будет совершаться при напряжении, меньшем величины эдс.
V = E - V,
ПОТЕРЬ-
(5)
Вырабатываемая БГЯ удельная электрическая мощность, снимаемая с одного квадратного сантиметра площади электродов, будет равна
где Е — эдс на электродах одной ячейки, В;
Т — валентность иона, переносчика заряда в системе;
Р — число Фарадея, равное 96500 Кул/моль.
Сравнивая (2) и (3), найдем связь между эдс и изменением других термодинамических функций рабочего тела:
W = JV = J X
[-AU -A(P V) + T ■ AS] ZF
- V,
ПОТЕРЬ
} [ Вт/см2 ], (6)
где ./ — плотность тока на электродах БГЯ, А/см2.
Из (6) видно, что удельная мощность БГЯ может создаваться за счет перепада на ее электродах любой составляющей термодинамического потенциала, так что термодинамика процесса выработки электрической энергии не делает различия между тремя возможными дискретными вариантами образования разности термодинамических потенциа-
строительная теплофизика и энергосбережение
лов, равно как и непрерывным трехпараметричес-ким множеством переходных сочетаний между этими дискретными вариантами.
Однако, вполне очевидно, что техническое исполнение БГЯ существенно зависит от того, какой процесс между электродами ведет к выравниванию разности термодинамических потенциалов. Например, в гальванических и топливных элементах, когда в результате токообразующей реакции получается прочное химическое соединение, существенным являются все три дискретных вклада в изменение термодинамического потенциала: изменение внутренней энергии рабочего тела; работа, связанная с изменением объема реагирующих веществ; тепловое взаимодействие с окружающей средой, обеспечивающее изотермичность процесса.
Работа БГЯ основана на использовании систем, у которых изменение термодинамического потенциала происходит за счет работы расширения и внешнего теплообмена.
Работа в изотермическом процессе при отсутствии фазового перехода эквивалентна подводимому теплу. Циклы с использованием БГЯ осуществляются при низких давлениях (1^3) атм, поэтому пар с достаточно высокой для практических расчетов точностью можно считать идеальным газом.
Внутренняя энергия идеального газа является функцией только температуры, поэтому для изотермического процесса первый член правой части уравнения (1) Ыи равен нулю. Второй член уравнения (1) Р ■ ЫУ принимается равным нулю из-за отсутствия расширения газа.
Максимальная электрическая работа БГЯ, совершаемая при прохождении моля ионов рабочего тела через электролитную мембрану, будет в точности равно теплу, которое необходимо подвести к БГЯ для поддержания ее изотермичности.
Уравнение (1) примет вид
кгя = - V = Е ■ 2 ■ ^
(7)
где 5(, Б2 — энтропии рабочего тела при предельных давлениях Р( и Р2, Дж/кмоль ■ К.
Изменение энтропии в (7), естественно, ничем не отличается от того, которое произошло бы в системе, если бы мы сняли с нее не электрическую работу, а работу изотермического расширения
} V ■ ¿р
Р
(8)
Тогда максимальная электрическая работа БГЯ может быть описана следующим уравнением:
'2
1-БГЯ = ^2 - 5) = -1V ■ 6К =
к
= _* ■ Л * = _* ■ т ,п К
J к к
(9)
Сравнивая (7) и (9), получим связь между эдс процесса токогенерации, перепадом давлений на электролитной мембране и температурой БГЯ
Е = ^БГЯ
1п *
1 ■ Р 1 ■ Р р2 .
(10)
Рабочий процесс в электродном блоке БГЯ (рис. 7) состоит в ионизации рабочего тела высокого давления на границе рабочее тело — электрод — электролит, перетоке ионов рабочего тела через слой электролита под действием градиента электростатического поля, и рекомбинации ионов на границе электролит — электрод — рабочее тело в полости низкого давления, так что вырабатываемая БГЯ удельная электрическая мощность может быть описана уравнением
V/ =
м
I ■ р
¿•5
ю
■] , Вт/см2
(11)
где 8 — зазор между электродами, см; ю — электропроводность электролита, 1 /Ом ■ см.
Термодинамический цикл барогальванического электротеплогенератора (рис. 8) основан на применении БГЯ, подобных описанной, и может быть осуществлен следующим образом (рис. 9).
Процесс выработки электрической энергии постоянного тока происходит в БГЯ, нагретых теплом солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза до максимальной температуры цикла, так что выработка электроэнергии происходит с поглощением тепла в электродном блоке Осолн и/или Огаза и осуществляется изотермически — процесс (1-2). Рабочее тело низкого давления поступает в теплообменник — конденсатор, контактирующий с холодным источником тепла, где охлаждается — процесс (2-3), затем конденсируется — процесс (3-4) с выделением теплот Оохё и Оконд. Жидкое рабочее тело сжимается насосом — процесс (4-5) до давления Р( и подается в нагреватель — испаритель, где нагревается — процесс (5-6) с поглощением тепла солнечного излучения и/или биогаза ОнАгР и испаряется — процесс (6-7), поглощая солнечную энергию Оисп, после чего рабочее тело поступает в полость высокого давления БГЯ, где пере-
Р
строительная теплофизика и энергосбережение
гревается — процесс (7—1), поглощая солнечную энергию Опер- Цикл замкнут. Полезная работа цикла получается в форме электрической энергии. Эффективность цикла будет равна
Я ■ Т ■ 1п Р
П = ■
АН (Т6)+ I СРЖ с!Т + Я ■ Т. ■ !п — + I СРп с!Т ' (12)
'6/ ^ РЖ
т.
■ !п Р + [< Р J
где К — газовая постоянная, равная 8314 Дж/кмоль ■ К;
Р1, Р2 — предельные давления пара рабочего тела, Па;
АИ(Т&) — теплота испарения рабочего тела при Т6, Дж/кмоль;
СрЖ, Срп — теплоемкости жидкого и парообразного рабочего тела, при постоянном давлении, Дж/К.
На рис. 10 представлена конструктивная схема йодного барогальванического электротеплогенератора.
Сконцентрированная солнечная энергия поднимает температуру нагревателя — испарителя 6 от температуры окружающей среды, при которой йод находится в твердом состоянии ( температура плав-
<3 эл+ О
солн 1 солн
и/или
о "+0 ™
^газа 1 газа
'+ О г-
1 солн
и/или -
"гр+ огазг и
а„
о + о
^ ОХ/7 1 конд
Рисунок 8. Модуль барогальванического электротеплогенератора.
1 — Т.Б.Г.Я.; 2 — газодиффузионные электроды; 3 — электролит; 4 — теплообменник-конденсатор; 5 — насос; 6 — обратный клапан; 7 — нагреватель-испаритель.
ления йода 113,6 оС ), до 190+200 оС, превышающей температуру кипения йода на 10+20 оС (температура кипения йода 183 оС) [3].
Конструкция нагревателя — испарителя 6 с концентратором солнечного излучения 12 позволяет при плотности потока прямого солнечного излучения порядка 630 Вт/м2 и степени его концентрации 5+7 иметь температуру нагревателя-испарителя 6, на 178 оС превышающую температуру окружающей среды [4, 5]. Давление насыщенных паров йода при температуре кипения составляет 1 атм [3].
Одновременно с процессами нагрева и кипения йода в нагревателе — испарителе 6 за счет передачи тепла через его нижнюю теплопроводную стенку 13 будет происходить процесс нагрева твердого йода и его плавления в сборнике конденсата рабочего тела 8 и трубопроводе рабочего тела 23. Предельная температура нагрева йода в сборнике конденсата рабочего тела 8 лежит в интервале 115+120 оС, но не выше, чтобы не повышать минимальное давление р2. Давление насыщенных паров йода при 120 оС равно «10-2 атм [3].
Из нагревателя — испарителя 6 насыщенный пар йода с давлением «1 атм и температурой «200 оС по подводящему трубопроводу пара высокого давления 22 поступает в полости высокого давления 4 токогенерирующих барогальванических ячеек 1.
Сконцентрированная солнечная энергия и/или энергия сжигаемого биогаза нагревает БГЯ, поднимая их температуру до 300+320 оС. При плотности потока прямой солнечной радиации 630 Вт/м2 и степени концентрации потока 8+10 можно получить температуру, на 300 оС превышающую температуру окружающей среды [ 4, 5 ].
Примем в конструкции БГЯ толщину каждого из электродов 2 и электролита 3, равной 0,1 см. Тогда общая толщина электродных блоков, включающих электроды 2 и электролит 3, составит 0,3 см, и тепло от электродов высокого давления за счет их теплопроводности, а также теплопроводности электролита равномерно нагревает эти электродные блоки до температур порядка 300 оС.
За счет конвективного нагрева паров йода вблизи электродов высокого давления 2 будет происходить их перегрев до «300 оС.
Поскольку сборник конденсата рабочего тела 8 сообщается с полостями низкого давления 5 БГЯ с помощью отводящего трубопровода 21 конденсата рабочего тела, то в полостях низкого давления БГЯ давление пара йода будет равно Р2 = 10-2 атм. За счет конвективного нагрева пара йода низкого
строительная теплофизика и энергосбережение
Рисунок 9. Термодинамический цикл барогальванического электротеплогенератора.
(1—2) — процесс токогенерации; (2—3) — процесс охлаждения рабочего тела в теплообменнике-конденсаторе 4; (3—4) — процесс конденсации рабочего тела в теплообменнике-конденсаторе 4; (4—5) — процесс в насосе 5; (5—6) — процесс нагрева рабочего тела в нагревателе-испарителе 7; (6—7) — процесс испарения рабочего тела в нагревателе-испарителе 7; (7—1) — процесс перегрева рабочего тела в полости высокого давления Т.Б.Г.Я. 1. Цикл замкнулся.Полезная работа цикла получается в форме электрической энергии.
Рисунок 10. Конструктивная схема электротеплогенератора.
1 — Т.Б.Г.Я.; 2 — пористые электроды; 3 — электролит; 4, 5 — полости высокого и низкого давления ячеек 1; 6 — испаритель; 7 — конденсатор; 8 — сборник конденсата рабочего тела; 9 — насос для перекачки рабочего тела; 10 — оптически прозрачная верхняя стенка Т.Б.Г.Я. 1; 11 — оптически прозрачная верхняя стенка испарителя 6; 12 — концентраторы солнечного излучения; 13 — теплопроводная нижняя часть испарителя 6; 14 — теплопроводная стенка сборника конденсата рабочего тела; 15 — охладитель; 16 — аккумулятор тепловой энергии; 17 — теплообменник; 18 — насос; 19 — трубопроводы с теплоносителем; 20 — токовыводы; 21 — отводящий трубопровод конденсата рабочего тела; 22 — подводящий трубопровод пара рабочего тела; 23 — трубопровод подачи жидкого рабочего тела; 24 — обратный клапан; 25 — камеры для поглощения теплоносителем теплоты конденсации рабочего тела; 26 — подводящий трубопровод холодной воды; 27 — отводящий трубопровод горячей воды; 28 — выходные клеммы электротеплогенератора; 29 — прозрачная стенка Т.Б.Г.Я. 1; 30 — прозрачная стенка испарителя 6; 31 — газораспределительная биогазовая горелка; 32 — выход продуктов сгорания биогаза.
строительная теплофизика и энергосбережение
давления вблизи электродов 2 низкого давления будет происходить перегрев рабочего тела до 300 °С.
Таким образом БГЯ имеют температуру 300+320 оС и в их полостях 4 и 5 находится перегретый пар йода с давлениями Р( = 1 атм и Р2 = 10-2 атм.
При 300 оС электролит — йодистый свинец, в твердом состоянии обладает униполярной электропроводностью по ионам йода — Ю = 0,11 1 /ом • см [6]. Поэтому вследствие разности термодинамических потенциалов пара йода в полостях БГЯ, обязанной разнице давлений, на электродах БГЯ возникает эдс.
Рабочий процесс токообразования в БГЯ состоит в ионизации паров йода высокого давления по реакции ] + 2е = 2] - на границе электрод — электролит, перетоке ионов йода через слой йодистого свинца под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ионов йода на границе электролит — электрод по реакции 2. - = .2 + 2е в полостях низкого давления паров йода.
Удельный расход рабочего тела — йода по замкнутому контуру электротеплогенератора однозначно задается законом Фарадея, при этом считаем, что электронная проводимость электролита отсутствует
д =
1пол А 1 • Р
1 • $ БГЯ • А
1 • Р
(13)
где д — расход рабочего тела по контуру, г/сек; .пол— полный ток, вырабатываемый всеми БГЯ, в амперах;
Ббгя — площадь одной БГЯ, см; А — атомный вес рабочего тела, г/моль.
Электродвижущая сила каждой из БГЯ с учетом значений их параметров
Р2
I • Т, • !п —
Е =
1 • Р
= 0,24В
(14)
Ю = (0,24 - ]) • ], Вт/см2.
(15)
это тепло через змеевиковый теплообменник 17 в тепловой аккумулятор 16. Холодная вода, поступающая через подводящий трубопровод 26 в аккумулятор 16, аккумулирует это тепло, при этом ее температура повышается до 80+85 оС, и она может быть использована без дополнительного дог-рева для отопления или горячего водоснабжения здания.
В качестве теплоносителя может быть использован глицерин с температурой кипения 262 оС, превышающей температуру конденсации йода, чтобы теплоноситель не закипал.
Предельная теоретическая эффективность йодного электротеплогенератора будет равна
п
(- т.
карно
0,32.
(16)
К основным потерям в установке, снижающим эффективность преобразования солнечного тепла и/или тепла сжигаемого биогаза в электричество следует отнести следующие:
1 — потери тепла, связанные с отсутствием регенерации тепла в цикле;
2 — электрические потери, обусловленные ом-мическим сопротивлением электродных блоков БГЯ и коммутационных переходов между ними;
3 — тепловые потери в окружающую среду, обусловленные теплопроводностью используемых конструкционных материалов.
Если принять, что в сумме энергетические потери в два раза ухудшают предельный КПД, то в реальном устройстве он может составить величину порядка 16%. Сравним его с КПД фотоэлектрического солнечного модуля ( ФСМ ), серии «БС ЖЦПИ 564186.010», предназначенного для преобразования прямого солнечного излучения в энергию постоянного тока, разработанного и изготовленного отечественным предприятием ОАО «Сатурн» [7]. Согласно паспортным данным на ФСМ при облученности 1000 Вт/м2 вырабатываемая им мощность составляет 47,2 Вт при площади модуля
Выражение для удельной электрической мощности БГЯ, определяемое формулой (11), примет вид
5
ФСМ'
равной
с = 0,97 м • 0,465 м = 0,451 м2,
ФСМ ' ' ' '
(17)
В электротеплогенераторе отводимое от рабочего тела тепло 0охл в процессе (2-3) и тепло ОКОНД в процессе (3-4) не сбрасывается в окружающую его воздушную среду (рис.9 ), а передается через нижние наружные стенки 7 БГЯ теплоносителю, циркулирующему в камерах 25 и отводящему
где облучаемая длина ФСМ — 0,97 м; облучаемая ширина ФСМ — 0,465 м.
Облученность активной поверхности модуля ФСМ равна
РФСМ = 1000 Вт/м2 • 0,451 м2 = 451 Вт (18)
Следовательно, реальный коэффициент полезного действия ФСМ будет равен
строительная теплофизика и энергосбережение
47,2
п =-!-= 10,5%
451-100%
(19)
На рис. 11 представлены значения напряжений на клеммах одной токогенерирующей БГЯ и ее удельной мощности, рассчитанные по (13) и (14) в зависимости от плотности тока на электродах.
Как видно из рисунка, при работе токогенериру-ющей БГЯ в режиме максимальной удельной мощности, составляющей 15 10-3 Вт/см2, напряжение имеет величину 0,12 В при плотности тока 0,12 А/см2.
Сравним йодный барогальванический электротеплогенератор и фотоэлектрический генератор [7] одинаковой электрической мощностью 5 кВт, достаточной для электроснабжения автономного энергоэффективного жилого дома усадебного типа. Для получения мощности 5 кВт потребуется общая площадь токогенерирующих БГЯ, равная 33,3 м2, а у фотоэлектрического генератора [ 7 ] для получения той же мощности необходима общая площадь приемников излучения 47,7 м2.
В конструкции йодного барогальванического электротеплогенератора заложена возможность создания модульных установок электрической мощностью 1+20 кВт. В конструкции каждого модуля имеется возможность компоновки всех токогене-рирующих ячеек на единой диэлектрической «сотовой» раме со смешанной коммутацией электродов высокого и низкого давления, при этом в каждом модуле будет только одна полость высокого давления и одна полость низкого давления рабочего тела.
Расчетные характеристики свидетельствуют о конкурентоспособности и некоторых преимуществах барогальванического метода прямого преоб-
V/, Вт/см • 10":
15
10
к V.
0,3 - /
0,24с
0,2 РХ
0,1 ъ.
0,1 0,12
0,2 0,24
2
/, та/ст
Рисунок 11. Расчетные характеристики барогальванического электротеплогенератора.
разования тепла солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза в электричество с утилизацией сбросного тепла по сравнению с фотоэлектрическим методом получения энергии.
Литература
1. Л.А. Квасников, Р.Г. Тазетдинов. Регенеративные топливные элементы. — М.: Атомиздат, 1978. — 167 с.
2. Н.Кобаяси. Введение в нанотехнологию. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2008. — 133 с.
3. Кей Дж., Лэби Т. Таблица физических и химических постоянных. — М.: Государственное из-во физико-математической литературы, 1962. — 427 с.
4. Д. Даффи, У.А.Бекман. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. — М.: Из-во МГУ, 1980. — 420 с.
5. С.Зоколей. Солнечная энергия и строительство. — М.: Стройиздат, 1979. — 326 с.
6. Патент США № 3511715, кл.136-86, заявл. 07.01.66 г. Опубликовано 12.05.1970.
7. ГОСТР 51597-2000. Нетрадиционная энергетика, модули солнечные фотоэлектрические. —М.: Госстандарт, 2000.
Солнечный проект - 1. Барогальваническое энергоснабжение автономных энергоэффективных жилых зданий усадебного типа с использованием возобновляемой тепловой энергии
Разработаны научные основы комплексной технологии барогальванического энергоснабжения автономных энергоэффективных жилых зданий усадебного типа с использованием возобновляемой тепловой энергии — солнечного излучения, тепла элементов окружающей среды и биогаза, получаемого из биомассы, имеющейся на территории усадьбы. Рассмотрена технология электро- и теплоснабжения дома с использованием тепла сконцентрированного солнечного излучения и сжигаемого биогаза. Рассмотрена конструктивная схема электротеплогенератора, рассчитаны его энергетические характеристики и проведено сравнение барогаль-ванического метода получения электричества и тепла с фотоэлектрическим методом преобразования солнечной энергии. Разработан новый тип энергетики на базе регенеративных топливных элементов — барогальваническая микроэнергетика, которая позволяет заменить не-возобновляемый энергоресурс на возобновляемое тепло.
строительная теплофизика и энергосбережение
The solar project - 1. Barogalvanic power supply of independent power effective residential buildings of farmstead type with use of renewed thermal energy by S.A. Sidorzev, I.L. Shubin, K.V. Lutsko The scientific bases of a complex technology of barogalvanic power supply of independent power effective residential buildings of farmstead type with use of renewed thermal energy — a sunlight, heat of environment elements and the biogas received from a biomass, which is available in an estate territory are developed. The technology of electro- and heat supplies of a house with use of the concentrated sunlight and burnt biogas heat is considered. The constructive scheme of electro-heat-generator is considered, its power characteristics are calculated and comparison of barogalvanic method of an electricity and heat reception with a photo-electric method of transformation of a solar energy is drawn.
The new type of power on the basis of regenerative fuel elements — barogalvanic micropower which allows to replace non-renewable power resource by renewed heat is developed.
Ключевые слова: преобразование возобновляемого тепла, регенеративные топливные элементы, электрогенератор, электротеплогенератор, пассивные кондиционеры, солнцезащитные устройства, тепловые насосы, система энергоснабжения, энергоэффективность, удельные характеристики.
Key words: Transformation of renewed heat, regenerative fuel elements, the electrogenerator, electro-heat-generator, passive conditioners, sun-protection devices, thermal pumps, power supply system, power efficiency, specific characteristics.
«Солнечный проект-2». Барогальваническое энергоснабжение автономных энергоэффективных жилых зданий усадебного типа с использованием возобновляемой тепловой энергии
Использование тепловых насосов для отопления и охлаждения зданий и сооружений является одним из перспективных путей решения проблемы энергосбережения. Разработан новый метод реверсивной трансформации тепла окружающей среды и на его основе предложен новый класс тепловых насосов — барогаль-ванические парожидкостные тепловые насосы.
Рассмотрим парожидкостную технологию теп-лохладоснабжения индивидуального дома с использованием барогальванических паро- жидкостных тепловых насосов. Процесс выработки электрической энергии постоянного тока в токогенерирующей ба-рогальванической ячейке является обратимым: приложив к электродам ячейки обратное по полярности напряжение можно остановить процесс перетока паров рабочего тела из полости высокого в полость низкого давления ячейки. При приложении напряжения, превышающего эдс ячейки, рабочий процесс токообразования протекает в противоположном направлении: будет происходить сжатие пара рабочего тела от минимального давления Р до максимального давления Ртах с затратой на процесс сжатия подводимой от внешнего источника электроэнергии. Величина приложенного к электродам
барогальванической ячейки напряжения ограничена неравенством
V < V ,
прилож разл'
(1)
где Уразл — напряжение, при котором происходит электролиз материала электролитной мембраны. Следовательно, одна и та же ячейка может служить устройством для снятия изотермической работы расширения пара в виде электрической энергии и для изотермического сжатия пара с затратой соответствующей электроэнергии.
Компрессорная барогальваническая ячейка (КБГЯ) представлена на рис. 1.
Барогальванический компрессор содержит определенное количество КБГЯ, которые могут быть скоммутированы по электричеству на заданные постоянное рабочее напряжение — 12, 24, 36 В и мощности — 100, 500, 1000 Вт, необходимые для отопления или охлаждения помещений определенной площади. Принципиальные схемы модуля парожидкостного теплового насоса, содержащего барогальванический компрессор — 1, изображены на рис. 2 при работе в режиме обогрева и на
