CC BY
39
power consumption and increase of energy losses in traction network and power chain of traction mechanism.
In this mode the control of traction mechanism consists in alternating change of higher connection of traction motor to the lower one, leading to surges and fluctuations of energy consumption. To improve the coefficient of efficiency of traction motors, balancing a traction load in a traction power supply system, and thus improving the power coefficient of traction mechanism, it is suggested to input into unfilled area of power control between the highest and lowest characteristics, the additional intermediate native (running) traction characteristics.
They can be obtained by operative shutdown (temporary, in motion, and then, if necessary, an operative regeneration) of groups of motors (two engines in the branches) with P-connection. This will improve the controllability and expand the range of power control of traction mechanism. The running time of the locomotive will not change as the additional diagrams do not exclude the principal one, but complement it and are used if necessary
Keywords: DC electric locomotives, discrete power control, excess power, irregular power consumption, power losses, traction motors shutdown
Представлено можливжть моде-лювання гальваностатичного розря-ду джерел живлення цикличного типу роботи за допомогою емтричних стввгдношень. Проаналгзовано структурно компоненти, як описують форму розрядно1 криво1
Ключов1 слова: структурне моде-лювання, гальваностатичний розряд, ттеркалящя
Представлена возможность моделирования гальваностатического разряда источников питания циклического типа работы с помощью эмпирических соотношений. Проанализированы структурные компоненты, которые описывают форму разрядной кривой
Ключевые слова: структурное моделирование, гальваностатический разряд, интеркаляция
УДК: 541.136
СТРУКТУРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ РОЗРЯДУ ЕЛЕКТРОХ1М1ЧНО1 КОМ1РКИ СТРУМУ З КАТОДОМ НА ОСНОВ1 MgF2
I. М. Гасюк
Доктор фiзико-математичних наук, профессор*, декан фiзико-технiчного факультета E-mail: [email protected] М.Я. С^чка* Контактний тел.: 097-790-15-84, 099-321-70-02 E-mail: [email protected] С. В. В о й т к i в Астрант* О.М. Угорчук Астрант
*Кафедра матерiалознавства i нов^шх технолопй Прикарпатський нацюнальний уыверситет iM. Василя Стефаника вул. Шевченка, 57, м. 1вано-Франмвськ, Украша, 76018
1. Вступ
У теор ц iмпедансу досить широко використовуеться структурне моделювання при дослщженш рiзних електрохiмiчних процеав i систем [1].
Структурне моделювання Грунтуеться на системному пщход^ при якому дослщжуваний об'ект розглядаеться як система, що складаеться з тдсистем або елементш [2]. Окремi модельш компоненти знахо-дяться в безпосереднш близькосп, не проникаючи при цьому один в один. Взаемодiя мiж ними здшснюеться через поверхш, що роздшяють !х, i зв'язки, таким чином, структурна модель електрохiмiчноí системи е дея-кою електротехшчною схемою. Структурш iмпеданснi моделi будуються з елементш, яю за сво!м фiзичним змютом вщповщають модельованим процесам. При
цьому елементами структурно! моделi можуть бути як стандартт електротехтчт елементи, так i специфiчнi електрохiмiчнi. Структурш моделi завжди дуже наочт i зрозумШ як з електротехшчно! точки зору, так i з електрохiмiчноl, що е !х безперечною перевагою. Проте до недавнього часу структурне моделювання викори-стовувалося тшьки в теорп iмпедансу, тобто в моделях з малими струмами. У робоп [3] показано, що методи структурного моделювання можуть бути з устхом застосоват i при моделюванш процесiв розряду в аку-муляторах при великих робочих струмах.
Експериментально доведено [3], що в загальному випадку рiвняння, що описуе розрядт характеристики хiмiчних джерел струму, повинне мати вигляд:
и = Е0 - Я1 - И2(и) + Afз(q) , (1)
С I. М. Гасюк. М. Я. СНка. С. В. Войтов.
де Ео - ЕРС акумулятора; Я - внутршнш опiр аку-мулятора; i - струм розряду; К, А, В - експериментальн константи; q - кiлькiсть електрики, вщдана акумулято-ром на момент вимiрювання напруги и.
Таким чином, в загальному випадку така залежн кть е сумою чотирьох доданкiв (1), на пiдставi чого струк-турну модель акумулятора можна представляти у виглядi послщовних сполучених чотирьох елементiв (рис.1).
О-^ ЕРС у
Активац1йно-0М1ЧНИЙ елешент
Елемент. що визначае поляризащю заряд-розряду
Релаксацшний елемент
Рис.1. Структурна модель акумулятора
Першим елементом е щеальне джерело постшно! ЕРС (Ео). Другий елемент описуе активацшно-омiчну частину в роботi акумулятора. Третш елемент перетворюеться в нуль при q = 0 i росте за абсолютною величиною у мiру розряду акумулятора, тобто даний елемент описуе змшу напруги, пов'язану iз ступенем розрядженост акумулятора. Тому дану змшу напруги умовно називають поляризащею розряду акумулятора. Останнiй елемент описуе перехщт процеси, що ви-никають в акумуляторi при його включенн на розряд. Змiну напруги, що вщповщае цьому елементу, умовно назвемо релаксацшною поляризацiею.
До найб шьш перевiрених емп iричних стввщношень, що описують змiну напруги на клемах акумуляторiв при 1х розрядi постiйним струмом, можна в1днести стввщношення:
Шеферда [1] -
и = Е - Ш - К
а - q
1 + А
Хаскшо!-Даниленко [2] -
и = Е - Ri - К
а - q.
-А
ехр
ехр
-В-9
-в-9-
й
-1
-1
Романова (модифiкований вигляд) [2-4] -
и = Е - Ш - К
1 - ехр
qi
а - q.
-А
ехр
-в-5-а.
-1
(2)
(3)
; (4)
ти [8], якщо поляризац1я розряду описуеться сшввщ-ношенням Хаскшо!-Даниленко (3), то лшшш дiлянки кривих при рiзних струмах розряду повиннi бути май-же паралельними, оскiльки при заданому q = q0 точки на рiзних розрядних кривих в1д^зняються тiльки на значення падiння напруги на активацiйно-омiчному опорi (Ш). Якщо ж нахил лшшних дшянок розрядних кривих зростае iз зростанням величини розрядного струму, то це означае, що для моделювання такого виду розрядних кривих слщ застосовувати рiвняння Шеферда (2), оскшьки в цьому спiввiдношеннi К е функщею струму розряду:
-К-
а - Ч
= - кч
(5)
100 150
С, А год/кг
де Q - емтсть акумулятора, яку вiн здатний вщдати при розрядi (повна емтсть акумулятора).
О^м цих залежностей, юнуе багато iнших бiльш вузьких i менш перевiрених спiввiдношень [5-9].
Дат стввщношення отриманi шляхом дослщження акумуляторiв р iзних типiв. Наприклад, рiвняння Шеферда спочатку було отримане для кислотних акумуляторiв, але в даний час воно широко використовуеться i при аналiзi розряду лужних систем [2, 3].3авданням пропоновано'1 роботи е аналiз можливостей структурного моделювання електрохiмiчноl комiрки стуму з катодом на основi MgF2.
2. Результати i 1х обговорення
Розряднi кривi, отриман i вщ лтево! електрохiмiчноl комiрки з катодом на основi синтезованого дрiбно-дисперсного фториду магнiю MgF2 при рiзних струмах розряду наведет на рис.1. [10] Зпдно результапв робо-
Рис. 2. Спiвставлення розрядних кривих електрохiмiчноí комiрки з катодом на основi дрiбнодисперсного фториду магшю при рiзних струмах розряду
Нами проведено структурне моделювання розрядних кривих (рис.2) та знайдено емшричт коефшДенти, представлен в таблицi. Як приклад, на рис.3 наведено результати апроксимацп криво!, отримано! для струмiв розряду за формулами (2-4). Хоча хороше узгодження апроксимацiйних кривих (криву при роз-рядному струмi 1 мкА розбивали на 2 частини i моде-лювали кожну з них окремо) з експериментальними точками спостертаеться для всiх моделей, розрахунок емтричних коефiцiентiв показав розбiжностi в '1х зна-ченнях для рiзних апроксимацш (див. табл. 1.).
У зв'язку з тим, що гальваностатична крива при дуже малих струмах розряду характеризуеться двома горизонтальними плато, то для моделювання криво! отримано1 при густит струму 1мкА и розбивали на 2 крив! Найбшьш чутливим до вибору моделi виявився коефiцiент К , що описуе процес поляризацп заряду-розряду. Збiльшення коефiцiента К при зменшенн струму пов'язане iз змiною максимально можливого значення впроваджено! кiлькостi лiтiю (зменшуеться розрядна емтсть). Для перевiрки адекватностi за-стосування аналиичних спiввiдношень до експе-риментальних даних ми використали методику [1], зпдно яко! сталi коефiцiенти знаходяться таким чином, щоб, по-перше, дане стввщношення найбiльш точно описувало хщ експериментально! залежностi i, по-друге, якщо оптимальн коефiцiенти в цiлому не змшюються в залежностi вщ режимiв розряду, то дане спiввiдношення в щлому не вимагае удосконалення i вiрно описуе дослщжуваний об'ект. Цим критершм, в основному, задовольняе сшввщношення Шеферда,
4
50
200
250
яке можна, очевидно, устшно використовувати для структурного моделювання процесГв розряду не тшьки нiкель-кадмieвих акумуляторiв [6-9], а й лтй-юнних джерел струму циклiчного типу роботи з катодом на основi дрiбнодисперсного фториду.
цгтад щмд
Таблиця 1
цмд
0 20 60 80
Рис. 3. Апроксимащя розрядних кривих за моделями Шеферда (2)
Повертаючись до аналiзу компонентiв структурно! схеми, Г зокрема поляризацГ!, оскiльки перший елемент являе собою Гдеальне джерело стало! ЕРС, описуеться константою i не вимагае детального обгрунтування, а другий - характеризуе омiчний спад напруги, що пов'язаний з структурою матерiалу катоду i особли-востями його електропровiдностi, сл1д вГдзначити, що для даного типу джерел в широкому iнтервалi струмiв розряду справедливе стввГдношення:
ир =
р а - Ч
(6)
Це стввГдношення можна представити як розряд деякого псевдо конденсатора
ир = -^,
р С
де
С = с
1 - я. а
; с0=а,
0 к
(7)
(8)
де С - емнГсть псевдоконденсатора, яка зменшуеться по мiрi розряду.
Незважаючи на те, що електрохiмiчнi i фiзичнi про-цеси, що вГдбуваються при розрядi акумулятора i конденсатора рiзнi, з електрично! точки зору цi процеси схож!
Струм розряду Е, В R, Ом К, Ом (В) А, В В х2
Стввщношення Шеферда
100 мкА 5.32 24580 11516 1.22 28.74 0.00068
80 мкА 4.94 28980 12900 1.21 29.08 0.0004
60 мкА 4.75 32100 17700 1.02 32.69 0.00059
50 мкА 4.6 29800 20100 1.14 35.17 0.00502
10 мкА 4.4 35500 58900 0.97 39.52 0.00436
1 мкА 4.37 24000 31000 0.89 16.36 0.00132
2.94 47000 74000 0.47 27.63 0.00274
Стввщношення Хаскшо!-Даннленко
100 мкА 4.68 18100 1.15 1.22 26.67 0.00069
80 мкА 4.38 21900 1.117 0.81 29.97 0.00041
60 мкА 4.27 24100 0.963 1.22 28.65 0.00059
50 мкА 4.21 26700 0.864 1.36 29.55 0.00505
10 мкА 4.14 31200 0.765 1.20 42.39 0.00124
1 мкА 4.17 23400 0.538 0.67 13.47 0.00574
2.97 42300 0.690 0.59 29.447 0.00465
Стввщношення Романова
100 мкА 4.71 18400 11500 1.22 22.68 0.00069
80 мкА 4.4 22200 14014 0.81 30.025 0.0004
60 мкА 4.28 24300 30700 1.09 29.67 0.00059
50 мкА 4.11 29600 33450 1.27 40.64 0.00325
10 мкА 4.05 55400 61000 1.1 47.23 0.00154
1 мкА 4.14 62700 34000 0.54 32.19 0.00547
2.85 71600 81300 0.38 17.63 0.00366
При розрядi лiтiевого джерела струму з катодом на основi MgF2 на останньому в1дбуваеться реакцГя, яка е основною струмотворчою реакщею.
xLi+ + хе- + MgF2 ^ LixMgF2.
(9)
Оскiльки при q ^ Q поляризац1я розряду рiзко зростае за абсолютною величиною, а напруга комiрки рiзко падае, то це свГдчить про вичерпання ресурсу реакцГ! (9). Дiйсно, оскiльки саме реакщя (9) утримуе потенцiал позитивного електроду приблизно на од-наковому рiвнi (п1д час розряджання комiрки), то !! вичерпування повинно призвести потенщал електрода до iнших, бГльш низьких значень. Отже, з штерпретацп поляризацГ! розряду (6) у виглядi розряду псевдоконденсатора (7) випливае висновок про те, що ресурс струмотворчо! реакцп для лтевих джерел струму можна коректно описати зменшенням емностi С псевдоконденсатора (8) шд час розряду.
З рис. 1 видно, що нахил лГнГйних дГлянок розрядних кривих зростае Гз збГльшенням струму розряду. Таку поведГнку розрядних кривих можна пояснити з огляду на те, що при збшьшенш струму розряду зменшуеться глибина проникнення електрохГмГчного процесу всередину катоду Г, як наслГдок, зменшуеться емшсть, оскГльки зменшуеться ефективна катодна маса.
Г2 Cl
Рис. 4. Повна структурна модель акумулятора
Останиш елемент блочно! схеми (рис.4) описуе перехiднi процеси, що виникають в акумуляторi при його BBiMKœHHi на розряд. Аналопчт спiввiдношення, що описують роботу цього елемента мають однаковий вигляд у рiвняннях (2-4), а саме:
ur = A
exp
- Bq -1
Q
(10)
В роботi [3] показано, що у випадку ткель-кадмiевого акумулятора структурно цей елемент можна представити у виглядi декГлькох псевдоконденсаторiв, розмiщених паралельно. Найпростiша структурна схема такого елемента наведена на рис.4, де Я -отр електролиу, С2 - основний псевдоконденсатор, що вгдповщае основнiй струмотворчш реакцГ! (9); г1,г2,С1 -елементи релаксацшного блоку; Е - iдеальне джерело струму. Ця модель мае доволГ наочну електрохiмiчну iнтерпретацiю. Вона описуе дв Г паралельш електрохГшчш реакцГ!, причому г2 Г С2 - отр активацГ! Г псевдоемнГсть основно! струмотворчо! реакци (9), а г4 Г С4 - ошр активацГ! Г псевдоемнГсть паралельно! (невгдомо!) електрохГмГчно! реакцГ!. Оскгльки розряднГ кривГ лтй-Гонного акумулятора з катодом на основГ рутилу з ви-
сокою точнГстю моделюються рГвнянням Шеферда (2), то можна припустити, що наявшсть релаксацГйно! компонента у структурнш моделГ однозначно свгдчить про Гснування електрохГмГчно! реакцГ!, що йде паралельно з основною струмотворчою реакщею при розрядГ комГрки, причому ця паралельна електрохГмГчна реакцГя е вгдповгдальною за появу початково! нелГнГйно! дГлянки розрядно! криво!. У результат заряду лГтГй-Гонного акумулятора на поверхш катоду будуть утворюватись нестшю активнГ комплекси, що мГстять лГтГй Г вГльнГ радикали розчинника електролГту (можливе утворен-ня фториду лГтГю). Завдяки розпаду цих комплексГв Г перерозподГлу ступеня зарядження з глибиною елек-троду спостерГгаеться спад напруги комГрки зразу пГсля !! ввГмкнення на розряд.
3. Висновки
В данш роботГ ми показали, що емтричш стввГдношення, отриманГ для нжель-кадмГевих Г свин-цевих акумуляторГв, можна з успГхом використати для моделювання розрядних кривих лтй-юнних джерел струму циклГчного типу роботи з катодом на основГ фториду магтю рутильно! структири, незважаючи на суттевГ вГдмшносп процесГв, що в них вгдбуваються.
З аналГзу результатГв моделювання, найбГльш придатним аналГтичним виразом можна вважати стввщношення Шеферда (2), а структурну модель електрохГмГчно! комГрки представити у виглядГ чоти-рьох компонент, кожна з яких описуе окремий етап у формуванш розрядно! криво!. Показано, що змша форми розрядно! криво! в залежностГ вгд величини струму розряду визначаеться поляризацшним еле-ментом (вГдповщае за нахил лшшно! !! частини) та релаксацшною компонентою, що е вщповгдальною за нелГнГйний характер початково! дГлянки.
C
Лiтература
1. Хаскина, С.М., II Сб. работ по химическим источникам тока. / С.М. Хаскина, И.Ф. Даниленко // Л.: Энергоатомиздат, - 1981. - С 34.
2. Теньковцев, В.В. Основы теории эксплуатации герметичных НК аккумуляторов. / В.В. Теньковцев, Б.И. Цептер // Л.: Энергоатомиздат, - 1985.
3. Романов, В.В.,Химические источники тока./ Романов В.В., Хашев ЮМ. // М.: Сов. радио, - 1978.
4. Гринберг, Л.С. II Сб. работ по ХИТ. Л.: Энергия, - 1966. - С.222.
5. Hyman, Е.А. II U.S. Department of Energy. - 1977. - P.65.
6. Галушкин, Н. Е. Анализ эмпирических зависимостей, описывающих разряд щелочных аккумуляторов/ Галушкин Н.Е., Галушкина Н.Н.// Электрохимическая энергетика, - 2005 - 5(1) - с. 43-50 .
7. Львов, А. Л. Литиевые химические источники тока / А. Л. Львов // Соросовский образовательный журнал. - 2001. -№ 3. - С. 45-51.
8. Львов, А. Л. Химические источники тока / А. Л. Львов // Соросовский образовательный журнал. - 1998. - № 4. - С. 45-49.
9. O. Tremblay. Experimental Validation of a Battery Dynamic Model for EV Applications / Olivier Tremblay1, Louis-A. Dessaint // World Electric Vehicle Journal - 2009 - vol.3. - ISSN 2032-6653
10. Гасюк 1.М. Вплив густини струму на розрядт характеристики лтевих джерел струму з катодом на основ1 MgF2 / I.M. Гасюк, М.Я. Очка, В.В. Угорчук, Л.С. Кайкан, П.П. Якубовський // Ф1зика i хiмiя твердого тша - Т. 12, № 4 (2011) с. 1092-1096
Abstract
It was shown that the design of discharge curve lithium-ion batteries of cyclic type with the cathode based on magnesium fluoride MgF2 could be carried out taking into consideration the empirical relations, describing the discharge of lead and nickel-cadmium batteries. The most suitable analytical pattern of the analyzed in the work could be considered Shepherd relation. The structural model of electrochemical cell could be presented in the form of
four components, each of which describes a certain stage in the formation of the discharge curve. The change of the shape of the discharge curve is determined by polarizing element that is responsible for the slope of the linear part, and by the relaxation component that is responsible for the non-linear nature of the initial position of the charge curve. The falling of maximum value of accumulated charge with the increase of current density is connected with a decrease of the depth of penetration of the electrochemical process inside the cathodic material. Presence of relaxation component in the structural model indicates the existence of an electrochemical reaction, which runs simultaneously with the main charge generating reaction during the discharge of the cell. This electrochemical reaction is responsible for the appearance of the initial non-linear position of the discharge curve Keywords: structural modeling, galvanostatic discharge, intercalation
-□ □-
Розглянуто призначен-
ня натурних дослiджень водоймищ-охолоджувачiв ТЕС та АЕС. Проведено аналгз натур-них ггдротермучних дослгджень водоймищ-охолоджувачi в i
ггдротермхчних споруд ТЕС i АЕС, що експлуатуються. Представлено аналЬзроботи водоймища-охолоджу-вача Вуглегiрськог ТЕС
Ключовi слова: ТЕС, АЕС, натур-не досл^ження, водоймище-охолод-жувач
□-□
Рассмотрено назначение натурных исследований водоемов-охладителей ТЭС и АЭС. Проведен анализ натурных гидротермических исследований водоемов-охладителей и гидротермических сооружений эксплуатируемых ТЭС и АЭС. Представлен анализ работы водоема-охладителя Углегорской ТЭС
Ключевые слова: ТЭС, АЭС, натурное исследование, водоем-
охладитель -□ □-
УДК 627.81:621.175.3
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДОЕМОВ-ОХЛАДИТЕЛЕЙ
Л. Н. Антонова
Главный специалист, кандидат технических наук Тепломеханический отдел Харьковский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «Энергопроект» ул. Московский проспект, 10/12, г. Харьков, Украина, 61003
Контактный тел.: (067) 5451006 Г. И. Канюк
Профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой,
декан энергетического факультета* Контактный тел.: (057) 733791482 Д. В. Михайский Старший преподаватель* Контактный тел.: (057) 7337865 Л. Н. Омельченко Доцент*
Контактный тел.: (057) 733 78 65 А. Р. Фоки на
Ассистент* Контактный тел.: (099) 2173074 E-mail: [email protected] *Кафедра теплоэнергетики и энергосбережения Украинская инженерно-педагогическая академия ул. Университетская, 16, г. Харьков, Украина, 61003
1. Исходные положения
Назначение натурных исследований водоемов-охладителей.
Техническое водоснабжение тепловых электростанций осуществляется и проектируется по прямоточной и оборотной схемам с использованием естественных или наливных водоемов-охладителей, градирен и брызгаль-ных устройств. Для атомных электростанций, как правило, техническое водоснабжение по оборотной схеме с наливными водоемами-охладителями и, соответственно, с применением градирен и брызгальных устройств. Использование наливных водоемов-охладителей для производственного водоснабжения предприятий и объектов, не имеющих отношения к АЭС, запрещается [1].
Практика показала, что водоемы-охладители являются наиболее эффективными охладителями воды, так как обладают техническими и экономическими преимуществами по сравнению с другими охладителями. Однако, гидравлические и гидротермические процессы, происходящие в водоемах-охладителях, относятся к весьма сложным вопросам гидромеханики и теории тепло - и массообмена.
Как уже отмечалось, гидротермический режим водоема-охладителя, а соответственно и степень охлаждения потока, зависят от целого ряда факторов, тесно взаимосвязанных между собой. Так, например, рост мощности электростанции сопровождается повышением расхода или температуры циркуляционной воды, в результате чего увеличиваются теплопотери, обу-
©
