CC BY
397. Nageri, M. Manganese-doped BaTiO3 nanotube arrays for enhanced visible light photocatalytic applications / M. Nageri, V. Kumar // Materials Chemistry and Physics. - V. 213. - 2018. - P. 400-405;
8. Lott, J. Terahertz photonic crystals based on barium titanate/polymer nanocomposites / J. Lott, C. Xia, L. Kosnosky, C. Weder, J. Shan // Adv. Mater. -2008. - 20. - P. 3649-3653;
9. Parks, G.A. The zero point of charge of oxides / G.A. Parks, P.L. de Bruyn // J. Phys. Chem. - 1962. -Vol. 66. - P. 967-973.
10. Pramchu, S. First-Principles Calculations of Ferroelectricity and Structural Stability in Bi- and Alkali-Metal-Modified BaTiOs for PTC Thermistor Applications / S. Pramchu, A.P. Jaroenjittichai, Y. Laosi-ritaworn // Ceramics International. - V. 44. - 2018. -P. 519-521;
11. Sardarian, P. A newly-designed magnetic/dielectric [Fe3O4 / BaTiOa @ MWCNT] nanocomposite system for modern electromagnetic absorption applications / P. Sardarian, H. Naffakh-Moosavy, S.S.S. Af-ghahi // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - V.441. - 2017. - P. 257-263;
12. Selvarajan, S. BaTiO3 nanoparticles as biomaterial film for self-powered glucose sensor application / S. Selvarajan, N. Rao Alluri, A. Chandrasekhar, S.-J. Kim // Sensors and Actuators B: Chemical. - V. 234. - 2016. - P. 395-403;
13. Singh, D.K. Efficient dual emission mode of green emitting perovskite BaTiO3: Er3+ phosphors for display and temperature sensing applications / D.K.
Singh, J. Manam // Ceramics International. - V. 44. -№ 9. - 2018. - P. 10912-10920;
14. Vouilloz F.J., Reactivity of BaTiOs-Ca10(PO4)6(OH)2 phases in composite materials for biomedical applications / F.J. Vouilloz, M.S. Castro, G.E. Vargas, A. Gorustovich, M.A. Fanovich // Ceramics International. - V. 43. - № 5. - 2017. - P. 4212-4221;
15. Wang, C. Dielectric and ferroelectric properties of SrTiO3-Bi0.54Na0.46TiO3-BaTiO3 lead-free ceramics for high-energy storage applications / C. Wang, F. Yan, H. Yang, Y. Lin, T. Wang // Journal of Alloys and Compounds. - V. 749. - 2018. - P. 605-611;
16. Xuguang, L. BaTiO3 platelets and poly(vinyl-idene fluoride-trifluoroethylenechlorofluoroethylene) hybrid composites for energy storage application / L. Xuguang, L. Hang, C. Sheng, H. Xianghui, M. Chao, Z. Xuefan, L. Weiwei, W. Zhong, Z. Kechao, Z. Dou // Mechanical Systems and Signal Processing. - V. 108.
- 2018. - P. 48-57;
17. Лимарь, Т.Ф. Сравнительная оценка тита-ната бария, полученного разными способами / Лимарь Т.Ф., Барабанщикова Р.М., Савочкина А.И., Величко Ю.Н. // Электроная техника. - 1971. - Вып. 2(23). - C.33;
18. Ротенберг Б.А. Керамические конденсаторные диэлектрики / Б.А. Ротенберг. - Спб, «Гири-конд». - 2000. - 183 с.;
19. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы / М. Лайнс, А. Гласс; Пер. с англ. под ред. В.В. Леманова, Г.А. Смоленского. - М.: Мир, 1981.
- 736 с.;
СОВРЕМЕННЫЕ ФАЗОПЕРЕХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В КАЧЕСТВЕ НЕТРАДИЦИОННОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ
Хрисониди В.А.
Старший преподаватель кафедры химии ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет»,
Джамирзе, Р.К.
Студент
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет» MODERN PHASE-SHIFTING MATERIALS USED AS AN UNCONVENTIONAL ENERGY SOURCE
Khrysonidi V.
Senior Lecturer, Department of Chemistry Kuban State University of Technology Dzhamirze R.
Student Kuban State University of Technology,
Аннотация
Современные экологические и экономические представления доказывают большое значение развития технологии и использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Эта технология особенно востребована для регионов, наиболее удаленных от основных систем центрального энергоснабжения. В настоящее время требуется создание тех накопителей энергии, которые бы заменили первичные преобразователи энергии, подверженные изменчивостью нестабильных энергетических потоков. Это касается солнечных и ветровых электроустановок, вырабатываемая мощность которых зависит от времени года, суток, а также погодных условий.
Автором рассмотрены основные возможности и перспективы применения в качестве нетрадиционного источника энергии современных фазопереходных материалов. Изучена проблема замены первичных преобразователей, вырабатывающих непостоянную энергию, на эффективные и долговечные накопители энергии.
Abstract
Modern environmental and economic concepts prove the importance of technology development and the use of renewable energy sources (RES). This technology is particularly in demand for regions that are most remote from the main Central power supply systems. Currently, it is necessary to create energy storage devices that would replace primary energy converters, which are subject to the variability of unstable energy flows. This applies to solar and wind power plants, whose power output depends on the time of year, day, and weather conditions.
The author considers the main opportunities and prospects of using modern phase-transition materials as an unconventional energy source. The problem of replacing primary converters that produce inconsistent energy by efficient and durable energy storage devices has been studied.
Ключевые слова: фазовый переход, возобновляемые источники энергии (ВИЭ), тепловое аккумулирование, энергосистема.
Keywords: materials with phase transition, renewable energy sources (RES), thermal storage, power system.
Аккумулированию тепла в настоящее время уделяют большое внимание. Оно широко применяется для аккумулирования солнечной энергии, создания комфортных условий в жилых и производственных помещениях. Применение тепловых аккумуляторов способствует сглаживанию суточных и сезонных пиков потребления электроэнергии, снижению расхода энергетических ресурсов.
Современные экологические и экономические представления доказывают большое значение развития технологии и использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Эта технология особенно востребована для регионов, наиболее удаленных от основных систем центрального энергоснабжения. В настоящее время требуется создание тех накопителей энергии, которые бы заменили первичные преобразователи энергии, подверженные изменчивостью нестабильных энергетических потоков. Это касается солнечных и ветровых электроустановок, вырабатываемая мощность которых зависит от времени года, суток, а также погодных условий.
Необходимость стабилизации выработки, поступления и потребления энергии, позволяющая регулировать рабочий режим тепловых сетей, привела к созданию и развитию способов теплового аккумулирования (ТА). Одним из таких методов является использование скрытой теплоты фазовых переходов «твёрдое тело - жидкость», относящихся к неорганическим, органическим и эвтектическим соединениям (композициям).
Современная наука требует решить проблему поиска и использования теплоаккумулирующих материалов, основанных на фазовом переходе (ФТАМ), которые имели бы в своем составе многокомпонентные системы (МКС). Для решения этой задачи используют результаты исследований химического взаимодействия различных веществ, в том числе химических и фазовых превращений, а также проводят физико-химический анализ МКС.
Основной объект изучения, рассмотренный в данной статье, - энергоустановки, базирующиеся на
возобновляемых источниках энергии (ВИЭ) с целью теплового акумулирования, которое достигается за счет скрытой теплоты фазового перехода. Также изучены программно-вычислительные комплексы, необходимые для оптимизации фазопере-ходных теплоаккумулирующих материалов и их применения.
Аккумулирование энергии в системах энергоснабжения потребителей
Максимальная мощность энергоустановок проявляется только в момент наибольшей нагрузки вследствие неравномерного режима энергопотребления. Мощность используется не полностью, что приводит к недостаточной маневренности регулирования мощности и подачи ресурсов на гидроэлектростанциях, атомных и ветровых электростанциях. Поэтому при проектировании и эксплуатации энергетических установок необходимо создание системы эффективного использования мощности и резервов энергии. В качестве основы для таких энергоустановок применяют возобновляемые источники энергии (энергия воды, солнца, ветра и т.д.), непрерывно генерирующие энергию за счет внедрения в систему теплоаккумуляторов. Использование аккумулирующих установок помогает избегать провалов потребления энергии, регулируя режим энергоснабжения потребителей.
Все накопители энергии делят на группы по трем основным критериям: номинальной мощности (энергоемкости), требованиям к месту установку и быстродействию. На таблицах 1 и 1 представлены две группы аккумуляторов энергии:
- маневренные с малым значением времени реверса (до 1 с), но рассчитанные на небольшую (до 109 Дж) энергоемкость (химические, инерционные);
- не обладающие большим быстродействием, но рассчитанные на энергоемкость до 1014 Дж (ГАЭС и тепловые НЭ).
Таблица 1
Виды аккумуляторов энергии_
Критерии сопоставления Тип накопителя
ГАЭС Инерционные ВАГТЭС Тепловые МГДЭС
Осуществимость Эксплуатируются Эксплуатируются в ФРГ Эксплуатируются в ФРГ Эксплуатируются Эксплуатируются
Оценка удельных капиталовложений 130-269 руб/кВт 340-700 руб/кВт 140-250 руб/кВт 100-230 руб/кВт 40 руб/кВт
Оптимальная энергоемкость Более 1013 Дж До 109 Дж Более 200 МВТ*ч - -
Удельная энергоемкость, Дж ~ 5*103 107 105 - -
Требования к месту установки Есть Нет Есть Нет Есть
КПД, % До 75 70-85 40-50 До 40 18-20
Технически оптимальная мощность, мВт До 2800 До 50 200-1000 - До 500
Номинальное напряжение, кВ 20 20 10 - -
Время работы, с До 106 1-60 105 - До 104
Время хранения Не ограничено Ограничено Не ограничено Ограничено -
Число циклов работы В пределах срока службы В пределах срока службы В пределах срока службы В пределах срока службы В пределах срока службы
Время реверса, с 120 0,1 10 100-200 1,25
Примечания:
ГАЭС - гидроаккумулирующая электростанция;
ВАГТЭС - воздушно-аккумулирующая газотурбинная электростанция; МГДЭС - магнитогидродинамический генератор.
Таблица 2
Виды аккумуляторов энергии_
Критерии сопоставления Накопители электрической энергии
Химические Топливные Аномальные конденсаторы СПИН ЛНЭЭ
Осуществимость Эксплуатируются в США Опытная эксплуатация в США Существовали в СССР Эксплуатируются в США После 1990 г.
Оценка удельных капиталовложений 70-120 руб/(кВТ*ч) 20-300 долл/кВт 1 коп/Дж 0,1 коп/Дж -
Оптимальная энергоемкость До 10 МВт*ч - 106-107 107-1013 -
Удельная энергоемкость До 109 Дж/м3 45 Вт*ч/м3 107 108 108
Требования к месту установки Нет Нет Нет Нет Нет
КПД, % 60-80 45-56 90 97 90-97
Технически оптимальная мощность, мВт - - До 500 Более 500 Более 500
Номинальное напряжение, кВ До 0,38 - 1 100 1-100
Время работы, с До 104 До 105 10"'-105 102-105 10-2-105
Время хранения Ограничено Ограничено Ограничено Ограничено Не ограничено
Число циклов работы До100 - До 105 В пределах срока службы До 106
Время реверса, с 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
Примечания:
ЛНЭЭ - Линейные накопители электрической энергии.
Фазопереходные теплоаккумулирующие материалы
Действие фазопереходных теплоаккумулиру-ющих материалов ^TAM) основано на том, что зарядка AT сопровождается фазовым переходом (например, плавлением) так называемого рабочего вещества, которое при отборе теплоты затвердевает. Mожно выделить два преимущества ФTAM:
1. обладают большей удельной энергией, чем отличаются от теплоемкостных аккумуляторов переменной температуры;
2. интенсивность теплопередачи можно задавать разностью температур источника теплоты, заражающего аккумулятор, и теплоносителя, передающего выработанную энергию потребителю.
Так как температура плавления у каждого вещества своя, требуется постоянная замена рабочего вещества при новых заданных температурах. Это является основным недостатком фазопереходных аккумуляторов.
Выводы: В работе приведено описание эффективности энергоустановок на ВИЭ, доказана необходимость регулирования режимов выработки, подачи и потребления энергии с помощью теплового аккумулирования, изучен принцип работы используемых в них фазопереходных теплоаккумулирую-щих материалов.
Список литературы
1. David Linden, Thomas B. Reddy. (ed.) Handbook of Batteries. 3rd ed. New York: McGraw-Hill, -2002. Chap. з5.
2. http://www.oe.energy.gov. Science & Technology. [Электронный ресурс] - Режим доступности: http ://www .oe. energy. gov/eac. htm.
3. Абдрахманов Р.С., Переведенцев Ю.П. Возобновляемые источники энергии. Казань: Изд. Казанского университета, 1992. - 134 с.
4. Ададуров Е.А. Повышение эффективности использования аккумуляторов теплоты с возобновляемыми источниками энергии: дис. ... канд. техн. наук. М.: РГБ, 2005. - 173 с.
5. Бабаев Б.Д. Бак-аккумулятор для термохимического и фазопереходного аккумулирования тепла. Возобновляемая энергетика 2003: Состояние, проблемы, перспективы. 4-6 ноября 2003 г. Сборник докладов. СПб. Изд-во СПбГПУ, 2003. С. 528 - 530.
6. Долесов А.Г., Долесов Г.А., Хрисониди В.А. Холодоаккумулирующий материал. Патент на изобретение RU 2500709 C1, 10.12.2013. Заявка № 2012117381/05 от 26.04.2012.
7. Долесов А.Г., Долесов Г.А., Хрисониди В.А., Бархударян Г.В. Холодоаккумулирующий материал. Патент на изобретение RU 2488620 C1, 27.07.2013. Заявка № 2011151694/05 от 16.12.2011.
8. Долесов А.Г., Долесов Г.А., Хрисониди
B.А., Шабалина С.Г. Холодоаккумулирующий материал. Патент на изобретение RU 2485157 C1, 20.06.2013. Заявка № 2012100169/05 от 10.01.2012.
9. Долесов А.Г., Хрисониди В.А., Долесов Г.А. Теплоаккумулирующие составы на основе кристаллогидратов / Современные наукоемкие технологии. 2012. № 12. С. 14-15.
10. Хрисониди В.А., Доценко С.П., Шабалина
C.Г. Теплоаккумулирующий материал. Патент на изобретение RU 2567921 C1, 10.11.2015. Заявка № 2014117819/05 от 29.04.2014.
