CC BY
37
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ЭНЕРГОАВТОНОМНЫХ УСАДЕБНЫХ ДОМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЛИ БИОГАЗА
ELECTRICITY ÈNERGOAVTONOMNYH USADEBNYH HOMES USING HEAT FROM SOLAR RADIATION OR BIOGAS
, К.В.Люцько
, K. Lutsko
НИИСФ РААСН
Рассматривается новая электрохимическая технология получения электрической энергии из возобновляемого тепла: метод прямого преобразования возобновляемого тепла в электричество и конструкция солнечного электрогенератора. Энерготехнология относится к классу нанотехнологий.
The new electrochemical technology of electric energy reception from renewed heat is considered: a method of direct transformation of renewed heat into electricity and a design of the solar electric generator. The power technology belongs to the class of nanotechnologies.
Статья является дальнейшим описанием разработки "Солнечный проект", частично опубликованный в работах [1,2,3]. В НИИСФ РААСН выполнено исследование, целью которого является разработка и создание научных основ комплексной технологии автономного электро- и теплохладоснабжения энергоэффективных малоэтажных жилых зданий усадебного типа на основе развития и применения впервые в строительстве регенеративных концентрационных топливных элементов с комбинированным использованием тепловой энергии солнечного излучения, "зелёной" биомассы усадьбы и элементов окружающей среды.
Для достижения поставленной цели разработаны следующие технологии:
1) совместного электро- и горячего водоснабжения дома с использованием тепла солнечного излучения;
2) совместного электроснабжения, отопления, и горячего водоснабжения дома с использованием тепла сжигаемого биогаза, выработанного из "зелёной" биомассы усадьбы;
3) электроснабжения дома с использованием тепла солнечного излучения или биогаза;
4) "парожидкостного" или "парового" обогрева и охлаждения жилых помещений дома с использованием тепла элементов окружающей среды;
5) термостатирование холодного помещения кладовой дома и бытового холодильника;
6) пассивного охлаждения жилых помещений со светопроёмами, выходящими на южный фасад дома;
7) барогальванического автономного электро- и теплохладоснабжения "пассивного" усадебного дома.
Технология 1) опубликована в [1], парожидкостная технология 4) опубликована в [2], а технология 6) опубликована в [3]. Блок-схема разработки комплексной энерготехнологии представлена на рисунке 1.
С.А. Сидорцев
S.Sidortsev
Ниже будет описана технология 3). На рис. 2 и 3 представлен генератор для получения электрической энергии, а на рис. 4 - представлен термодинамический цикл его работы.
Рис.2. Генератор для получения электроэнергии до поворота на 180°
Рис. 3. Генератор для получения электроэнергии после поворота на 180°
Суть способа прямого преобразования тепла солнечного излучения или сжигаемого биогаза в электрическую энергию постоянного тока заключена в следующем [4]. Процесс выработки электричества производится в ячейке 1 (рис. 2) с электролитом 2 и электродами 3 и 4, нагретой теплом сконцентрированного солнечного излучения или сжигаемого биогаза, или их совместным теплом до верхней температуры цикла Tmax=573°K так, что происходит расширение перегретого жидкого йода - процесс (1-2) на рис. 4 от максимального давления, равного Pmax=2,5 атм. до перегретого пара йода низкого давления, равного (такое давление имеет упругий пар йода над своей твёрдой фазой при 300оК). Через электродный блок, включающий электроды и электролит, происходит изотермический процесс выработки электрической энергии с поглощением возобновляемого тепла. Пар йода низкого давления Pmin = 2,5-10"4 атм. охлаждается в полости 5 у внутренней поверхности крышки 6. Затем, минуя жидкое состояние, йод кристаллизуется на этой поверхности при нижней температуре цикла Tmin = 300оК - температуре окружающей среды.
Процесс выработки электричества - процесс токогенерации, будет продолжаться до тех пор, пока всё рабочее тело из полости 7 не перейдёт в полость 5. Затем поворачивают ячейку 1 на 180° вокруг оси поворота 8, при этом функции полостей 7 и 5 и электродов 3 и 4 изменяются (рис. 3).
За счёт возобновляемого тепла твёрдый йод в полости 5 нагревается до температуры плавления - процесс (4-5) на рис. 4, переводится из твёрдого состояния в жидкое - процесс (5-6), после чего жидкий йод перегревается до верхней температуры цикла Tmax=573°K -процесс (6-1), при этом давление перегретого жидкого йода будет равно Pmax=2,5 атм. Цикл замкнут. Полезная работа цикла - получение электрической энергии постоянного тока.
3/2011
ВЕСТНИК
_МГСУ
ШФШ ГОРЦЕЕ £ ШЛОЬПШаяинЯй <РЧ||ИМИ 1 (Т Ь Г ■ |) 11 #I
ичнн им*» I«№ МмлМ I - 2л- II ММ I • *
цтФг-пч рочая^ирй чн г негой г*лп-::|гмм аг1^тг5ст».гн'»п1дапвв*1
. « ил .Гц:.1Г* рь.^ша роо! НА' . 1пя гглхкт I ■ эшспвд 1 та нр «* и« II - I - шхзостя I
• I пгалс£ 11 -I
Ц ПЧШНИ !| II пгаигсг
■ ■■■■ ■
1Г-ЦЛ .....1 ^ г" ™ т_ г т-4 1 г | а к
1 т—-1ММ 1-Р1 ■■!■■■ !■■■ I
1 ИннмН» 14. ||Р-Р г ш, 1И11ЧР 11 * I■ I | |щ ■ ........ I !■ н-
• I I
■ 'ИЧ^ ■ 4 "¥"М| » И* -
ЫИЦ1Ы1 III ■I «М +-г-.....
Рис. 4. Термодинамический цикл электрогенератора
Связь между током и расходом рабочего тела через электрогенерирующую ячейку однозначно задаётся законом Фарадея, при этом считаем, что у электролита отсутствует электронная проводимость.
А
ё = ^ол.'— (г/ceк), (1)
Ъ?
где А - атомный вес рабочего тела, г/моль; ё - расход рабочего тела по контуру, г/сек. Предельная эффективность разработанного способа равна Ттах-Ттт 573-300 _ . _
п=-=-=0,47 (2)
-1 Ттах 573
и превышает аналогичное значение для прототипа, которое равно 0,32 [5], лежащего в основе технологии 1).
На рис. 5 показана конструктивная схема модуля солнечного электрогенератора [6], работающего по способу [4], а на рис. 6 представленные расчётные значения напряжений (у) и удельной мощности на клемму генератора в зависимости от плотности тока (Г) на его электродах.
Рис. 5. Схема модуля солнечного электрогенератора
Генератор содержит опору (рис. 5) с электрогенерирующей ячейкой 2 в виде диэлектрического сосуда 3 с оптически прозрачной верхней стенкой 4 и конденсатором 5, разделённого расположенными параллельно верхней стенке 4 и нижней стенке 6 пористыми электродами 7 с заключённым между ними электролитом 8 на две полости 9 и 10. Полость 9 заполнена рабочим телом - йодом. Сосуд 3 по периметру охватывает концентратор солнечной энергии 11. Сосуд 3 установлен на опоре 1 с возможностью поворота на 180° и выполнен со смещением полости 9 над полостью 10, причём конденсатор 5 расположен на выступающих поверхностях 12 полостей 9 и 10. Нижняя стенка 6 сосуда 3 выполнена оптически прозрачной, а концентратор солнечного излучения 11 установлен на расположенной у боковой стенки 13 сосуда 3 дополнительной опоре 14 с возможностью поворота на 90° от плоскости поворота сосуда 3.
Концентратор 11 выполнен из четырёх зеркал, закреплённых с возможностью складывания на общей раме 16, шарнирно установленной на дополнительной опоре 14. Сосуд 3 имеет шарнирные узлы 17. Генератор имеет токовыводы 18.
Генератор работает следующим образом (рис. 5). Тепловая энергия сконцентрированного солнечного излучения поднимает температуру полости 9 от температуры
3/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
окружающей среды, при которой йод находится в твёрдом состоянии (Тпл.йода = 113,6°С), до температуры 300^320°С, при которой йод находится в жидкой фазе в перегретом состоянии с давлением Ршах=2,5 атм.
Рабочий процесс выработки электричества в ячейке 2 состоит в ионизации жидкого перегретого йода высокого давления в полости 9 по реакции 12+2ё=2| на границе электрод 7 - электролит 8 под действием градиента электростатического поля, рекомбинация ионов йода на границе электролит 8 - электрод 7 по реакции 2|=12+2ё в полости 10. Расширение перегретого жидкого йода через электроды 7 с электролитом 8 происходит изотермически с поглощением солнечного тепла - процесс (1-2) на рис. 4. Пар йода низкого давления Р,д = 2,5-Ю-4 атм. охлаждается у поверхности 12 полости 10 - процесс (2-3), а затем, минуя жидкое состояние, йод кристаллизуется на этой поверхности 12 - процесс (3-4) при нижней температуре цикла Т^ = 300°К (температуре окружающей среды).
Процесс выработки электричества будет продолжаться до тех пор, пока всё рабочее тело из полости 9 не перейдёт в полость 10 (аналогия с работой песочных часов). Затем концентратор 11 отводят от плоскости сосуда 3 на 90° и переворачивают ячейку 2 на 180°, при этом функции полостей 9 и 10 и электродов 7 меняются местами. Затем переводят йод из твёрдого состояния в жидкое - процесс (5-6) с поглощением солнечного тепла, после чего жидкий йод нагревают - начальный участок процесса (6-1) и перегревают его до верхней температуры цикла Тшах=573°К - конечный участок процесса (6-1) с поглощением солнечного тепла, при этом давление перегретого жидкого
йода будет равно Ршах=2,5 атм. Цикл рабо-
ты генератора замкнут. Полезная работа цикла получается в форме электрической энергии.
При работе барогальванического генератора в режиме максимальной удельной мощности, составляющей величину = 50-10"3 Вт/см2 (рис. 6), напряжение на клеммах 18 ячейки 2 будет равно V = 0,225 В при плотности тока на электродах 7 равной I = 0,225 А/см2 (пунктиром показаны характеристики электрогенератора-прототипа: = 21-10-3 Вт/см2, V = 0,145 В, I = 0,145 А/см2, при КПД Карно равном Цкарно = 0,32).
Разработанная технология электроснабжения усадебного дома - способ получения электроэнергии в барогальваническом электрогенераторе и его конструкция позволяют получить очень высокую эффективность прямого преобразования возобновляемого тепла в электрическую энергию постоянного тока.
Используя современные достижения науки и техники, газо-диффузионные электроды могут быть изготовлены из новых нано-материалов - графитовых нанотрубок методом напыления, а слой твёрдого электролита, расположенного между электродами из нанотрубок, может быть создан с помощью современных и новых нанопроцессов напыления [7]. Эти аргументы являются предпосылкой к созданию эффективного и дешёвого солнечного электрогенератора.
Рис. 6. Расчётные значения энергетических параметров солнечного электрогенератора
Разработанная энерготехнология является принципиально новой нанотехнологи-ей, её реализация и использование при энергоснабжении энергоавтономных малоэтажных жилых зданий усадебного типа снизит остроты проблем энергосбережения и экологии в Российской Федерации.
Литература
1. Сидорцев С.А., Шубин И.Л., Люцько К.В. "Солнечный проект - 1. Барогальваническое энергоснабжение автономных энергоэффективных жилых зданий усадебного типа с использованием возобновляемой тепловой энергии", Журнал "Академия. Архитектура и строительство", М., № 3, с 297-308, , 2010.
2. Сидорцев С.А., Шубин И.Л., Люцько К.В. "Солнечный проект - 2. Барогальваническое теплохладоснабжение энергоэффективных жилых зданий усадебного типа с использованием низкопотенциальной тепловой энергии элементов окружающей среды", Журнал "Академия. Архитектура и строительство", М., № 3, с 308-314, 2010.
3. Сидорцев С.А., Люцько К.В. "Солнечный проект - 3. Саморегулирующиеся солнцезащитные устройства - пассивные кондиционеры в системе барогальванического энергоснабжения автономных энергоэффективных жилых зданий усадебного типа". Материалы международной практической конференции "Энергосбережение и экология в строительстве и ЖКХ, транспортная и промышленная экология", г. Будва (Черногория), 02-10 сентября 2010 г., Научно-исследователь-ский институт строительной физики РААСН, М., с 46-56, 2010.
4. Сидорцев С.А. Авторское свидетельство СССР №1169498.
5. Сидорцев С.А. Авторское свидетельство СССР № 969079.
6. Сидорцев С.А. Авторское свидетельство СССР № 1099681.
7. Н.Кобаяси. Введение в нанотехнологию. М., БИНОМ, 2-е изд., 2008.
Literature
1. Sidorcev S.A., Shubin I.L., Lyuc'ko K.V. "Solnechnyi proekt - 1. Barogal'vanicheskoe ener-gosnabjenie avtonomnyh energoeffektivnyh jilyh zdanii usadebnogo tipa s ispol'zo-vaniem vozobnov-lyaemoi teplovoi energii", Jurnal "Akademiya. Arhitektura i stroitel'stvo", M., № 3, s 297-308, , 2010.
2. Sidorcev S.A., Shubin I.L., Lyuc'ko K.V. "Solnechnyi proekt - 2. Barogal'vanicheskoe tep-lohladosnabjenie energoeffektivnyh jilyh zdanii usadebnogo tipa s ispol'zovaniem nizkopotencial'noi teplovoi energii elementov okrujayuschei sredy", Jurnal "Akademiya. Arhitektura i stroitel'stvo", M., № 3, s 308-314, 2010.
3. Sidorcev S.A., Lyuc'ko K.V. "Solnechnyi proekt - 3. Samoreguliruyuschiesya solnceza-schitnye ustroistva - passivnye kondicionery v sisteme barogal'vanicheskogo energosnabjeniya avto-nomnyh energoeffektivnyh jilyh zdanii usadebnogo tipa". Materialy mejdunarodnoi prakticheskoi kon-ferencii "Energosberejenie i ekologiya v stroitel'stve i JKH, transportnaya i promyshlennaya ekolo-giya", g. Budva (Chernogoriya), 02-10 sentyabrya 2010 g., Nauchno-issledovatel'-skii institut stroi-tel'noi fiziki RAASN, M., s 46-56, 2010.
4. Sidorcev S.A. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR №1169498.
5. Sidorcev S.A. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 969079.
6. Sidorcev S.A. Avtorskoe svidetel'stvo SSSR № 1099681.
7. N.Kobayasi. Vvedenie v nanotehnologiyu. M., BINOM, 2-e izd., 2008.
Ключевые слова: прямое преобразование тепла в электричество, электрогенератор, термодинамический цикл, электролит, газо-диффузионные электроды, энергоэффективность.
Keywords: direct transformation of heat into electricity, electric generator, thermodynamic cycle, electrolyte, gas-diffusion electrode, energy-efficiency
Москва, Локомотивный проезд, дом 21;
тел. +7 (499) 488-76-97, e-mail: [email protected]
