CC BY
22
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2013. № 4 (17)
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
УДК 536.46
Е.С. Одинцов, Р.В. Фурсенко, О.В. Нецкина, О.В. Комова, В.И. Симагина, Д.В. Чусов
ОДИНЦОВ ЕГОР СЕРГЕЕВИЧ - инженер, Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиано-вича СО РАН, Новосибирск. E-mail: odinegor@gmail.com
ФУРСЕНКО РОМАН ВИКТОРОВИЧ - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, Новосибирск. НЕЦКИНА ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА - кандидат химических наук, научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск. КОМОВА ОКСАНА ВАЛЕНТИНОВНА - кандидат химических наук, научный сотрудник Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск. СИМАГИНА ВАЛЕНТИНА ИЛЬИНИЧНА - доктор химических наук, заведующая лабораторией исследования гид-ридных соединений Института катализа им. Г.К. Бореско-ва СО РАН, Новосибирск.
ЧУСОВ ДМИТРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ - инженер, Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, Новосибирск.
РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩИХ УСТРОЙСТВ, ИНТЕГРИРОВАННЫХ С КОМПАКТНЫМ ГЕНЕРАТОРОМ ГОРЮЧЕГО ГАЗА
В данной работе экспериментально изучены созданные авторами малоразмерные энергопреобразующие устройства, использующие термоэлектрические методы конверсии тепла, источником которого является диффузионное микропламя. К достоинствам предложенных систем можно отнести относительно высокую эффективность энергопреобразования (0,8% при вырабатываемой мощности 130 мВт), отсутствие системы принудительного охлаждения, простоту сборки и использование доступных материалов. Была проведена интеграция энергопреобразующего устройства и лабораторного образца генератора водорода, основанного на каталитическом гидролизе боргидрида натрия, в рамках единой системы. Сравнение результатов, полученных с использованием чистого водорода, подаваемого из баллона, с
© Одинцов Е.С., Фурсенко Р.В., Нецкина О.В., Комова О.В., Симагина В.И., Чусов Д.В., 2013
результатами, полученными в системе, состоящей из энергопреобразователя и каталитического генератора водорода, показало, что электрическая мощность энергопреобразующих систем при одних и тех же расходах горючего уменьшается на 3-15% при использовании портативного генератора водорода.
Ключевые слова: энергопреобразующие устройства, термоэлектричество, генератор водорода, диффузионное горение.
Development and experimental investigations of small-scaled energy conversion devices integrated with portable hydrogen generator. Egor S. Odintsov, Roman V. Fursenko, Dmitriy V. Chusov, Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics, SB RAS, Novosibirsk; Olga V. Netskina, Valentina I. Simagina, Oksana V. Komova, Boreskov Institute of Catalysis, SB RAS, Novosibirsk.
The article deals with the developed by the authors and experimentally investigated samples of small-scaled thermoelectrical energy conversion devices utilising the heat from diffusion microflame. The advantages of proposed systems include relatively high efficiency (0.8% at 130 mW generated power), no forced cooling system, ease of assembly and use of the available materials. The energy conversion device and laboratory sample of hydrogen generator based on the catalytic hydrolysis of sodium borohydride have been integrated into a single system. Comparison of the results obtained using pure hydrogen, with the results obtained in a system consisting of energy converter and a catalytic hydrogen generator demonstrate that, with the same fuel flow rates, the output electrical power energy is reduced by 3-15% when portable hydrogen generator is used.
Key words: energy conversion devices, thermoelectricity, hydrogen generator, diffusion combustion.
Введение
Возрастающая потребность в безопасных надежных источниках энергии с длительным периодом работы инициировала исследования в области создания экологически чистых и высокоэффективных источников энергии микро- и мезомасштабов. Автономные системы, преобразующие энергию водорода и углеводородных топлив в электроэнергию, имеют потенциальное преимущество перед современными литиевыми аккумуляторами за счет высокой гравиметрической плотности энергии таких топлив. Кроме того, системы с прямым преобразованием энергии водородных и углеводородных топлив могут быть оптимизированы с точки зрения обеспечения экологической безопасности. Это является важным фактором, учитывая, что проблема утилизации литиевых батарей до сих пор окончательно не решена. Преобразование энергии горючего газа в электричество даже с относительно низкой (~1%) эффективностью может приводить к увеличению времени автономной работы и/или снижению веса электрических или электромеханических систем, в которых в настоящее время используются аккумуляторные батареи [4]. Одним из способов преобразования энергии, активно развивающимся в последнее время, является использование термоэлектрических и термофото-электрических методов преобразования тепла и теплового излучения, выделяющихся при сгорании водорода и углеводородных топлив в микрокамерах сгорания. Относительно низкая стоимость применяемых компонентов и материалов, отсутствие жестких требований к чистоте газов, экологичность и безопасность делают этот подход привлекательным с точки зрения использования в малоразмерных автономных источниках энергии по сравнению с топливными элементами.
В то же время создание малоразмерных энергопреобразующих устройств наталкивается на ряд трудностей, связанных со сложностью организации устойчивого горения в микрокамерах сгорания из-за высокого уровня теплопотерь в элементы конструкции. Для преодоления этих трудностей в малоразмерном энергопреобразующем устройстве, разработанном группой ученых Принстонского университета [7], был применен каталитический микрореактор с тепловой рециркуляцией. Размеры устройства, произведенного из алюминиевой керамики и использующего платину в качестве катализатора, составили ~0,7 см3, а выходной мощности было достаточно для питания лампочки в 100 мВт. Лабораторные образцы термоэлектрических и термофотоэлектрических энергогенераторов на основе каталитических микрогорелок были также разработаны в Массачусетском технологическом институте [5, 6]. Эффективность энергопреобразования этих систем составляла 0,02-0,08% при вырабатываемой электрической мощности 1-75 мВт. Matsushita Electric Works и Университет Тохоку достигли эффективности 3% и выходной мощности 138 мВт на предложенном ими энергопре-образующем устройстве, основанном на термоэлектрической конверсии тепла, выделяющегося в результате каталитического горения. В работе [3] сообщалось об эффективности в 2,4%, достигнутой в энергопреобразующем устройстве с термофотоэлектрическими элементами и эмиттером на основе селективно излучающего материала. В устройстве использовался эффективный способ регенерации тепла, позволяющий повысить температуру эмиттера до 2000 K, также применялось водяное охлаждение. Высокие требования к точности сборки описанных выше устройств и необходимость использования дорогостоящих материалов, в частности катализаторов, необходимых для поддержания горения, ограничивают их широкое применение. Группой исследователей (в которую вошли и авторы данной статьи) из Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича (ИТПМ) СО РАН (Новосибирск) была предложена конструкция энергопреобразующего устройства с термоэлектрическим методом преобразования тепловой энергии. Созданный лабораторный образец был нечувствителен к качеству горючего газа и мог работать на различных дешевых и низкокалорийных углеводородных видах топлива. Эффективность системы при этом составляла порядка 0,8% [2]. Отличительной особенностью предложенных систем является использование доступных материалов, простота сборки, отсутствие необходимости использования катализаторов для поддержания процессов горения и применение системы естественного охлаждения, что позволяет снизить предполагаемую стоимость устройства.
Основным отличием систем, предложенных в настоящей работе, является интеграция малоразмерного источника энергии и компактного генератора водородсодержащего топлива в рамках единого устройства. Данная интеграция позволяет отказаться от газовых баллонов и, следовательно, уменьшить габариты устройств, повысить их безопасность и упростить процесс перезарядки. В связи с потенциальной взрывоопасностью предварительно перемешанных воздушно-водородных смесей в предлагаемом устройстве в качестве источника тепла используется диффузионное микропламя, стабилизированное на конце капилляра, через который производится подача горючего газа.
Описание энергопреобразующего устройства
и экспериментального оборудования
Схема энергопреобразующего устройства представлена на рис. 1. Термоэлектрические преобразователи 4 (Thermo Electrical, ТЕ) были установлены между медной полусферой 2,
нагреваемой диффузионным микропламенем, и медной пластиной 3, имеющей достаточно низкую температуру, близкую к комнатной, за счет естественной конвекции. Диффузионное водородное микропламя стабилизируется на конце капилляра 1 и нагревает медную полусферу. Преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании горючего газа, в электричество происходит за счет разности температур на рабочих плоскостях термоэлемента. Было создано несколько образцов энергопреобразующих устройств, но самым эффективным оказался вариант с пятью ТЕ модулями, последовательно установленными по периметру медной полусферы. В качестве преобразователя использовались малоразмерные (3x3 мм) ТЕ модули марки ТВ, производства компании «Криотерм» (Санкт-Петербург).
Рис. 1. Лабораторный образцец энергопреобразующего устройства: 1 - капилляр, 2 - нагреваемая пластина, 3 - радиаторные пластины, 4 - термоэлектрические модули тепла, выделяющегося в результате химической реакции
Выбор геометрии устройства обусловлен требованиями, предъявляемыми к автономным источникам энергии, а именно: простота сборки, доступность используемых материалов и компонентов, безопасность. Использование в качестве источника тепла диффузионного микропламени обеспечивает стабилизацию пламени в широком диапазоне расходов газа и позволяет отказаться от использования предварительно перемешанных горючих смесей, которые являются потенциально взрывоопасными и подготовка которых требует использования дополнительных систем, например инжектирования. Нагреваемый элемент энергопреоб-разующей системы представлял собой полусферический купол, обеспечивающий образование застойной зоны продуктов горения, что способствует более полному использованию тепла, выделяющегося в результате химической реакции.
Генератор водорода для данной системы основан на каталитическом гидролизе бор-гидрида натрия [1]. Принцип работы такого генератора состоит в равномерной дозированной подаче щелочного раствора КаВН4 на структурированный слой катализатора, на котором происходит выделение водородсодержащего газа, в дальнейшем используемого в энергопре-образующем устройстве.
Схема экспериментальной установки, использовавшейся для исследования характеристик образцов энергопреобразующих устройств, приведена на рис. 2. Раствор боргидрида натрия подается в генератор водорода при помощи поршневого микронасоса. Водородсо-держащий газ, вырабатываемый в ходе каталитической реакции в генераторе водорода, через пузырьковый расходомер подается в капилляр, на конце которого инициируется диффузионное пламя. Расход горючего газа регулировался путем изменения расхода боргидрида натрия, подаваемого в генератор водорода, и контролировался с помощью пузырькового расходомера. Было обнаружено, что такой способ позволяет обеспечить регуляцию расхода горючего с достаточной точностью. Электрическая схема энергопреобразующего устройства состояла из последовательно соединенных термоэлементов и нагрузки, в качестве которой использовался магазин сопротивлений. Напряжение на нагрузке измерялось вольтметром.
Насос-регулятор расхода Энергопреобразующее
устройство
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
Результаты экспериментальных исследований
В ходе экспериментальных исследований образцов энергопреобразующих устройств измерялся расход водорода Q и напряжение на нагрузке и. На основании этих данных вычислялась электрическая мощность Же1 =172 /Я, где Я - сопротивление нагрузки, и поток химической энергии Жс!] =О •./, определяемый как произведение расхода О и удельной теплоты сгорания водорода У. КПД преобразования химической энергии в электрическую равен отношению производимой электрической мощности к полной химической энергии, поступающей в систему в единицу времени 7] = 1¥е1 / \¥сН.
В ходе экспериментальных исследований было показано, что вырабатываемая мощность и КПД устройства достигают максимума при сопротивлении нагрузки, близком к внутреннему сопротивлению ТЕ модуля. В данном случае оно составляло приблизительно
6 Ом. На рис. 3 представлены зависимости электрической мощности и КПД от расхода водорода. Полые маркеры соответствуют измерениям, выполненным для устройства с четырьмя термоэлектрическими модулями. Черные - соответствуют результатам измерений с одним ТЕ модулем, умноженным на четыре. Приведенные на рис. 3 зависимости были получены при оптимальных значениях сопротивления нагрузки, которые составляют 6 и 20 Ом в случае использования одного и четырех ТЕ модулей соответственно. Как следует из рис. 3, электрическая мощность и КПД системы с четырьмя термоэлементами ровно в четыре раза превышает мощность системы с одним термоэлементом. Максимальный КПД, полученный в ходе исследования системы с четырьмя последовательно включенными в цепь термоэлементами, при оптимальном сопротивлении нагрузки 20 Ом, составил 0,63%, при этом вырабатываемая электрическая мощность была равна 0,105 Вт (рис. 3), напряжение на нагрузке - 1,4 В. В данной системе было установлено 4 ТЕ модуля из 5 возможных, но, сделав пересчет на 5 преобразователей, мы получим КПД системы 0,8% при электрической мощности 130 мВт.
Электрическая мощность, вырабатываемая ТЕ модулем, пропорциональна перепаду температур на рабочих сторонах модуля. В исследуемой системе температуры «горячей» и «холодной» пластины линейно возрастают с увеличением расхода горючего газа, при этом температура «горячей» пластины растет значительно быстрее температуры радиатора. На основании рис. 3 можно предположить, что дальнейшее увеличение расхода горючего газа приведет к росту вырабатываемой мощности и КПД устройства, однако максимальная рабочая температура термоэлектрических модулей, используемых в данном исследовании, составляла примерно 200 °С, что существенно ограничивало диапазон рабочих расходов водорода. По-видимому, использование высокотемпературных термоэлектрических модулей и максимально возможное увеличение их числа в подобных системах может способствовать увеличению вырабатываемой мощности и эффективности устройства.
Рис. 3. Зависимость электрической мощности и КПД системы от расхода водорода в случае использования четырех термоэлементов (полые маркеры). Черные маркеры соответствуют результатам измерений с одним термоэлектрическим модулем, умноженным на четыре
В ходе поисковых исследований и анализа результатов было выделено два потенциально перспективных способа повышения КПД энергопреобразования. Первый заключается в тепловой изоляции нагреваемого элемента лабораторного образца (элемент 2 на рис. 1), что позволяет уменьшить расход сжигаемого водорода, необходимый для поддержания температуры нагреваемого элемента на требуемом уровне. Для изоляции нагреваемого элемента был
изготовлен изолирующий купол, повторяющий геометрию нагреваемого элемента и имеющий толщину ~10 мм. В качестве изолятора использовалась базальтовая минеральная вата «Rockwool» (Дания). Второй путь повышения эффективности энергопреобразования состоит во внедрении вторичных излучателей (например, пористых тел или тонких тугоплавких нитей) в зону горения диффузионного микропламени, что может способствовать росту интенсивности теплового излучения и, следовательно, - интенсивности теплообмена между пламенем и нагреваемыми частями устройства. В данном исследовании в качестве вторичных излучателей использовались пористые металлокерамические насадки (пористость ~0,75-0,85) околоцилиндрической формы с высотой 10 и 5 мм и диаметром 5 мм. Насадки надевались непосредственно на капилляр 1 , рис. 1, на конце которого устанавливается пламя.
Зависимости электрической мощности и КПД энергопреобразующей системы от расхода водорода приведены на рис. 4. Кружками отмечены зависимости, полученные для лабораторного образца, представленного на рис. 1, без использования вторичных излучателей и без тепловой изоляции нагреваемого элемента. Квадраты соответствуют зависимостям, полученным при изоляции нагреваемого элемента энергопреобразующего устройства. Зависимости, обозначенные на рис. 4 полыми и сплошными треугольниками, соответствуют результатам, полученным при использовании вторичных излучателей высотой 5 и 10 мм соответственно. Как следует из рис. 4, тепловая изоляция нагреваемого элемента энергопреобразователя позволяет существенно повысить вырабатываемую мощность и КПД системы. В рассмотренном примере удалось повысить эффективность системы в 1,5 раза с 0,8 до 1,23%, при этом электрическая мощность системы возросла со 130 до 250 мВт. В то же время экспериментальные исследования показали, что внедрение вторичных излучателей в зону горения диффузионного микропламени приводит к существенному снижению КПД системы и ее мощностных характеристик. По-видимому, это может быть связано с тем, что вторичные излучатели, помимо того что способствуют интенсификации теплообмена между пламенем и нагреваемыми частями устройства, также приводят к увеличению радиационных теплопо-терь из зоны химической реакции, что ведет к существенному уменьшению температуры фронта пламени. При этом падение температуры пламени оказывает более значительное влияние, чем улучшение теплообменных характеристик, что приводит к общему снижению КПД системы.
(Вт)
0,3 0,25 0,2 0Д5 ОД 0,05
Q (мл/с)
»
П
1 л
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
I*
к
Q (мл/с)
Рис 4. Зависимости электрической мощности и КПД энергопреобразующей системы от расхода водорода. Образцы: кружки - без тепловой изоляции и вторичных излучателей; квадраты - с тепловой изоляцией нагреваемого элемента; треугольники - с вторичным излучателем высотой 5 мм (полые) и 10 мм (сплошные)
7
С целью исследования особенностей интеграции энергопреобразующих устройств и каталитических генераторов водородсодержащего газа было проведено сравнение экспериментальных результатов, полученных в системе, состоящей из энергопреобразователя и каталитического генератора водорода, с результатами, полученными с использованием чистого водорода, подаваемого из баллона. Было обнаружено, что электрическая мощность энерго-преобразующих систем при одних и тех же расходах горючего уменьшается на 3-15% при использовании портативного генератора водорода по сравнению с результатами, полученными при использовании баллонного водорода. Данное отличие обусловлено наличием дополнительных примесей в газе, генерируемом на катализаторе. Между тем качественное поведение полученных зависимостей не меняется. Использовавшийся на данном этапе лабораторный образец портативного генератора водорода позволял регулировать расход газа в широком диапазоне значений. При этом первые 5-10 ч чистого рабочего времени установленный расход газа поддерживается с высокой точностью в течение достаточно продолжительного времени. В дальнейшем, в связи с отравлением катализатора, наблюдаются существенные изменения расхода водорода при постоянном значении расхода боргидрида натрия, подаваемого на катализатор. Эти данные необходимо учитывать при разработке и создании энергопреобразующих устройств.
Представленные результаты позволяют заключить, что предложенные энергопреобра-зующие системы не чувствительны к составу горючего газа и их интеграция с каталитическими генераторами водорода не представляет технической сложности. В то же время необходимо учитывать возможное изменение мощностных характеристик при переходе от использования чистого водорода к каталитически генерируемому.
Необходимо отметить, что в ходе экспериментальных исследований использовался лабораторный образец каталитического генератора водорода, размеры которого достаточно существенны. Это было обусловлено необходимостью изменения расхода горючего газа в широком диапазоне значений для проведения экспериментальных исследований. В настоящее время существуют портативные генераторы водорода [1] с характерными размерами ~2-6 см, обеспечивающие генерацию водородсодержащего газа с постоянной скоростью в течение длительного (~5-10 ч непрерывной работы) времени. Выполненные в настоящей работе экспериментальные исследования позволяют определить характеристики портативного генератора водорода, необходимые для достижения максимальной эффективности энерго-преобразующей системы, интегрированной с подобным генератором горючего газа.
Заключение
Создан лабораторный образец энергопреобразующего устройства, использующего термоэлектрический метод конверсии тепла, источником которого служит диффузионное пламя. Разработанный образец энергогенератора показал относительно высокую эффективность энергопреобразования (0,8%, при вырабатываемой электрической мощности 130 мВт), соответствующую существующему мировому уровню. Предложены и экспериментально исследованы возможные пути повышения эффективности энергопреобразующих устройств. Показано, что в рассматриваемой системе теплоизоляция нагреваемого элемента позволяет повысить эффективность устройства в 1,5 раза (с 0,8 до 1,23%), при этом электрическая мощность возрастает со 130 до 250 мВт. Обнаружено, что введение в зону горения вторич-
ных излучателей приводит к уменьшению эффективности системы, и дано возможное объяснение этого явления.
Отличительной особенностью системы, предложенной в работе, является объединение энергопреобразователя и каталитического генератора водородсодержащего газа в рамках единой системы. Данное решение позволяет создать более компактную общую схему преобразователя энергии, повышает его экологическую и пожарную безопасность и делает возможным его использование в бытовых помещениях. Помимо этого использование доступных материалов, простота сборки, отсутствие необходимости в катализаторах для поддержания процессов горения и применение системы естественного охлаждения приводят к значительному снижению предполагаемой стоимости такого типа устройств.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке научного фонда программы развития ДВФУ и гранта РФФИ № 09-08-00546-а
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ/REFERENCES
1. Симагина В.И., Нецкина О.В., Комова О.В. Гидридные материалы - компактная форма хранения водорода для портативных топливных элементов // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 10. C. 54-64. = Simagina V.I., Netskina O.V., Komova O.V. Hydrides - compact form of hydrogen storage for portable fuel cell, Alternative Energy and Ecology. 2007;10:54-64. [Simagina V.I. Netskina O.V. Komova O.V. Gidridnye materialy kompaktnaja forma hranenija vodoroda dlja portativnyh toplivnyh 'elementov // Al'ternativnaja 'energetika i 'ekologija. 2007. 10. S. 54-64].
2. Фурсенко Р.В., Минаев С.С., Чусов Д.В. Разработка и экспериментальное исследование малоразмерных термоэлектрических энергопреобразующих устройств с диффузионным горением // Теплофизика и аэромеханика. 2011. Т. 18, № 1. С. 47-57. = Fursenko RV., Minaev S.S., Chusov D.V. Development and experimental study of small thermoelectric energy conversion devices with diffusion combustion, Thermophysics and Aeromechanics. 2011;18(1):47-57. [Fursenko R.V. Minaev S.S. Chusov D.V. Razrabotka i 'experimental'noe issledovanie malorazmernyh termo'elektricheskih 'energopreobrazujuschih ustrojstv s diffuzionnym goreniem // Teplofizika i A'eromehanika. 2011. T. 18, N 1. S. 47-57].
3. Durisch W, Bitnar B., von Roth F., Palfinger G., Small thermophotovoltaic prototype system, Solar Energy. 2003;75:11-15.
4. Fernandez-Pello A.C., Micropower generation using combustion: issues and approaches, Proc. Combust. Inst. 2002;29:883-899.
5. Nielsen O.M., Arana L.R., Baertsch C.D., Jensen K.F., Schmidt M.A., A Thermophotovoltaic MicroGenerator for Portable Power Applications, Transducers '03, The 12th Int'l Conf. on Solid-State Sensors and Actuators. Boston, MA, June 2003. P. 714-717.
6. Schaevitz S.B., Franz A.J., Jensen K.F., Schmidt M.A, A Combustion-Based MEMS Thermoelectric Power Generator, Transducers '01, The 11th Int'l Conf. on Solid-State Sensors and Actuators. Munich, Germany, June 2001, p. 30-33.
7. Vican J., Gajdeczko B.F., Dryer F.L., Milius D.L., Aksay I.A., Yetter R.A., Development of a Micro-reactor as a Thermal Source for MEMS Power generation, Proc. Combust. Inst. 2002;29:909-916.
