Электрохимический генератор Советский патент 1983 года по МПК F24F3/02 

о: со

О

41

:о

Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к электрохимическим генератораг, преобразующим тепловую энергию в электрическую.

Известен электрохимический генератор, содержащий электрически соединенные между собой токогенерирующие ячейки в виде диэлектрических сосудов, разделенных пористыми электродами с заключенным между ними электролитом на полости высокого и низкого давления, испаритель и конденсатор рабочего тела, гидравлически связанные с сосудами, сборник конденсата рабочего тела и насос для его перекачки ij .

Термодинамический цикл такого генератора характеризуется следующим. В испарителе к йоду (рабочему телу) подводится тепловая энергия максимальной температуре цикла - и происходит испарение йода.Пар йода через подвбдящий трубопровод пара, высокого давления с параметрами РЫХЛ, поступает в полости высокого давления токогенерирующих ячеек, которые

предст.авляют собой сосуды, разделенные перегородками из пористых никелевых электродов с заключенным между ними электролитом, йодистым свинцом, «на две полости - высокого и низкого давления пара рабочего тела,и ограниченные Henpo3pa4HHivtH и нетеплопроводными верхними и нижними наружными стенками.

Вследствие разности термодинамических потенциалов (т.д.п.) рабочего гела.в полостях ячеек, обусловленной разницей давлений пара, на их электродах возникает электродвижущая аила (ЭДС), появляется электрический ГОК и вырабатывается электрическая энергия Wij . Пар йода низкого давлеН1ИЯ из полостей низкого давления ччеек с параметрами , через этводящий трубопровод пара низкого давления поступает в регенеративный теплообменник, где охлаждается и с 1араметрами мид поступает в конденсатор, где конденсируется, отдаэая в окружающую его среду теплоту сонденсации йода QJOHA- Сконденсирозанный йод поступает в сборник конleHcaxai рабочего тела, а затем через трубопровод рабочего тела - к насо:у, где сжимается до начального давтения РКОП своей работы насос ютребляет часть электрической энерйи , выработанной ячейками. Зате сидкий йод с параметрами , Р, юступает в регенеративный теплообteHHMK, где подогревается до макси альной температуры цикла Т,;,, при том его давление остается неизмен1ЫМ Ру,(, , и вновь поступает в испаитель. Термодинамический цикл -генеатора замкнут. Полезная работа дикла получается в форме электрической энергии.

В теоретическом цикле (T-S диаграмма) такого генератора процессы подвода и отвода тепла изотермичны. Цикл состоит ,из двух изотерм и двух эквидистантных изобар, т.е. он эквивалентен циклу Карно. Поэтому КПД преобразования тепловой энергии в электрическую таким генератором может быть максимально близким к предельному КПД цикла Карно. Это является главным достоинством электрохимического генератора.

Однако в известном генераторе не предусмотрен подвод тепла непосредственно к токогенерирующим ячейкам с тем, чтобы избежать явления тепловой поляризации, связанного с понижением температуры ячеек за счет снятия- с них нескомпенсированной теплом электрической мощности. Реальный цикл генератора по этой причине будет отличаться от оптимального тем, что изотерма рабочего процессу выработки электрической энергии , будет располагаться между изотермами испарения Т,, и конденсации TjjQjj. Очевидно, это обстоятельство снизит КПД цикла и ухудшит электроэнергетические характеристики генератора,

К недостаткам генератора следует отнести также сложность подготовки его к работе. При температуре окружающей среды йод находится в твердом состоянии,.а в генераторе не предусмотрен подвод тепла к трубопроводу, соединяющему конденсатор с испарителем.

Целью изобретения является повыт шёние КПД генератора и упрощение его эксплуатации путем использования солнечной энергии.

Цель достигается тем, что в электрохимическом генераторе, содержащем электрически соединенные между собой токогенерирующие ячейки в виде диэлектрических сосудов, разделенных пористыми электродами с заключенным мейуз.у ними электролитом н полости высокого и низкого давления, испаритель и конденсатор рабочего тела, гидравлически связанные с сосудами, сборник конденсата рабочего тела и насос для его перекачки, верхние части сосудов и испарителя выполнены оптически прозрачными и снабжены по периметру концейтраторами солнечного излучения, а нижние выполнены из теплопроводного материала, служат конденсатором и снабжены охладителем, включающим аккумулятор тепла, теплообменник и насос с трубопроводами для теплоносителя , а нижние части испарителя и сборника конденсата расположены с тепловым контактом один, отнасительно другого. На фиг. 1 показана конструктивная схема генератора; на фиг. 2 - генератор, план; на фиг. 3 - термодинамический цикл предложенного генератора показан сплошными линиями, известного генератора - пунктирньами; на фиг. 4 - расчетные характеристики генератора. Электрохимический генератор содержит электрически соединенные между собой токогенерирующие ячейки в виде диэлектрических сосудов 1 (фиг. 1) разделенных пористыми электродами 2 с заключенным между ними электролитом 3 на полости 4 и 5 высокого и низкого давления соответственно,испаритель 6 и конденсатор 7 рабочего тела, гидравлически связанные с сосудами 1, сборник S конденсата рабочего тела и насос 9 для его перекачки.Верхние части 10 cocyдoв l и верхняя часть 11 испарителя 6 выполнены оптически прозрачными и снабжены по периметру концентраторами 12 солнечного излучения. Нижние части 13 сосудов 1 и ниж-няя часть 14 испарителя 6 выполнены из теплопроводного материала. Нижние части 13 сосудов 1 служат конденсатором 7 и снабжены охладителем 15, включающим аккумулятор 16 тепла,теп лообменник 17, насос 18 с трубопроводами 19 для теплоносителя. Нижняя часть 14 испарителя 6 и сборник 8 конденсата рабочего тела расположены с тепловым контактом от носительно друг друга. Сосуде 1 имеют, например, прямоугольную форму и выполнены из керамики. Пористые электроды 2 выполнен никелевыми. Электролитом 3 служит йодистый свинец с проводимостью по .ирну рабочего тела (йода). Электролит 3 обеспечивает газоплотность ме ду полостями 4 и 5. Электролит 3 обеспечивает газоплотность между полостяг 4 и 5. Электроды 2 имеют гоковыводы 20. Три токогенерирукнцие ячейки электрически соединены меж ду собой, например последовательно. Токогенерирующие ячейки выполнены практически в виде коллекторов солнечной энергии, к которым по периметру примыкают плоские концентраторы 12, расположенные под углом 120° к верхней части 10 сосудов 1 (ячеек), выполненной в виде прозрачной плоской стенки. Концентраторы 12 на сосудах могут быть закреплены шарнирио и скл дываться. Верхние части 10 сосудов 1 могут быть выполнены из двух, трех, слоев стекл, установленных с зазора ми, которые вакуумированы для, уменьшения потерь тепла. Токогенерирукхцие ячейки расположены неподвижно под углом 37-45 к горизонту в зависимос ттл от широты местности, в которой установлен генератор. Степень концентрации излучения порядка 7-10. Нижние части 13 сосудов 1 выполнены, например, из нержавеющей стали и имеют развитую поверхность теплообмена, являясь конденсатором 7 паров рабочего тела (йода) низ.кого давления.. Керамические стенки сосудов 1 с внешней стороны теплоизолированы.Отводящий трубопровод 21 конденсата .рабочего тела выполнен из нержавеющей стали, теплоизолирован и соединяет полости 5 низкого давления сосудов 1 со сборником 8 конденсата рабочего тела. Испаритель 6 представляет собой коллектор солнечной энергии в форме плоского сосуда, изготовленного, например, из нержавеющей стали и заполненного рабочим телом, например йодом. Поверхность испарителя, обращенная к солнцу, имеет степень черноты, близкую к единице. Она теплоизолирована от окружающей среды двух- илитрехслойным стеклом с вакуумньвли промежутками (не показаны). Испаритель 6 теплоизолирован для уменьшения потерь тепла. К боковым граням испарителя 6 по периметру приьвлкают плоские концентраторы 12, расположенные под углом 120° к поверхности испарителя 6, воспринимающей солнечную радиацию. Закрепление плоских концентраторов на стенках испарителя 6 аналогично закреплению плоских -концентраторов на сосудах 1. Испаритель 6 расположен неподвижно под углом 37-45 к горизонту,, в зависимости от широты местности, на которой.установлен генератор. Подводящий трубопровод 22 пара йода высокого давления представляет собой теплоизолированный с внешней стороны распределительный трубопровод, выполненный из нержавеющей стали, и соединяющий испаритель 6 с токогенерирующими ячейками (сосудами 1). Сборник 8 конденсата рабочего тела представляет собой теплоизолированный с внешней стороны сосуд в виде бачка для сбора сконденсированного рабочего тела и изготовлен из нержавеющей стали. Он расположен на теплопроводной нижйей части 14 испарителя 6 , не подвергающейся солнечному облучению. Площадь контакта бачка с испарителем 6 является поверхностью теплообмена. Трубопровод 23 рабочего тела также расположен на нижней части 14 испарителя 6 и площадь его контакта с испарителем б тоже является поверхностью теплообмена. Трубопровод сделан из нержавеющей стали, теплоизолирован с

внешней стороны и соединяет сборник 8 конденсата рабочего, тела с испарителем 6.

Насос 9 для прокачки рабочего тел установлен в нижней части трубопровода 23 и служит для подачи жидкого рабочего тела из сборника 8 конденсата в испаритель 6.-Для своей работы насос 9 потребляет часть электрической энергии, вырабатываемой генератором. ,

Обратный клапан 24 расположен на трубопроводе 23 у входа в испаритель б и обеспечивает устойчивую циркуляцию рабочего тела в генераторе (по стрелкам на фиг. 1,2).

Охладитель 15 теплоизолирован от окружающей его среды и состоит из расположенных под нижними частями 13 сосудов 1, камер 25 теплоносителя, связанных с расположенным в аккумуляторе 16 тепла змеевиковым теплообменником 17, и насо.са 18 для прокачки теплоносителя.

Камеры 25 выполнены, например, из нержавеющей стали и примыкают к нижним частям 13 сосудов 1.

Змеевиковый теплообменник 17 служит для передачи тепловой энергии, поглощенное теплоносителем в камерах 25, воде, содержащейся в аккумуляторе 16 тепла.

Насос 18 для прокачки теплоносителя обеспечивает его циркуляцию по контуру. Дпя своей работы насос 18 потребляет часть электрической энергии, вырабатываемой генератором.

Аккумулятор 16 тепла представляет собой теплоизолированный с внешней стороны бак, заполненный водой. В нем расположен змеевиковый теплооб менник 17. Аккумулятор 16 снабжен подводящим патрубком 26 для холодной воды и отводящим патрубком 2 для подогретой воды, на которых расположена регулирующая запорная арматура.

Генератор имеет выходные клеммы 28 для подключения к нагрузке (потребителю) или к аккумуляторной батаре для ее зарядки, после чего эта батарея подключается к нагрузке.

Генератор работает следующим образом.

Тепловая энергия сконцентрированного солнечного излучения поднимает температуру испарителя 6 от температуры окружающей среды, при которой ЙОД находится в твердом состоянии ;т.пл. йода й13,бс) до температуры 190-200С, на 10-20С превышающей температуру кипения йода (Т.кип. йоla 183°С).

Конструкция испарителя 6 с четызехзеркальньлм концентратором 12 юзволяет, при плотности потока падаю1ей радиации равной 630 вт/м и сте(ени концентрации К 5 иметь темпе атуру испарителя 6, на превыЗнающую температуру окружающей среды. Давление насыщенных паров йода при температуре кипения равно 1-атм.

Одновременно с процессами разогрева и кипения йода в испарителе 6 за счет передачи тепла через его нижнюю теплопроводную часть 14 будут происходить процессы нагрева твердого йрда и его плавления в сборнике. 6 конденсата рабочего тела и трубопроводе 23. Предельная температура Нагрева йода 115-120 С, но не выше, чтобы не повышать минимальное давление пара йода. Давление насыщенных паров йода при температуре 120°С равно 102 атм.

Из испарителя 6 пар йода с давле-г нием 1 атм и температурой 200с по подводящему трубопроводу 22 пара высокого давления поступает в полости 4 сосудов 1.

Тепловая энергия сконцентрированного солнечного излучения S, проходящего через прозрачные верхние части 10 сосудов 1 попадает на электроды 2 и поднимает их температуру до 300320°С. При плотности потока падающей радиации 630 Вт/м и степени концент рации К 7 возможно получение температуры, на превышающей темпе)эатуру окружающей среды.

Считая толщину каждого электрода 2 ра;вной 0,1 см и толщину слоя электролита 3 равной 0,1 см, получим, что тепло от электродов 2 за счет теплопроводности электродов 2 и электролита 3 равномерно нагревает эти блоки до температуры . За счет конвективного нагрева вблизи электродов 2 пара йода высокого давления происходит его перегрев до . С друго стороны, поскольку сборник 8 конденсата рабочего тела сообщается О лостями 5 сосудов 1 с п 7мощью отводящего трубопровода 21 конденсата рабочего тела, то в полостях 5 сосудов 1 давление пара йода будет также 10 атм. За счет конвективного нагрева пара йода низкого давления вблизи электродов 2 происходит neperiJes рабочего тела до . Таким образом, сосуда 1 имеют температуру и в их полостях 4 и 5 вблизи электродов 2 находится перегретый пар йода с давлением Цмк исп атм, и РМИН соответственно. При температуре электролит 3 (йодистьй свинец) в твердом состоянии оЪладает проводимостью по ионам йода. Она составляет величину М 0,1 . Поэтому, вследствие разнос ти термодинамических потенциалов (ТДП) пара йода в полостях 4 и 5, связанной с разницей давлений, на электродах 2 возникает ЭДС, пропорциональная разности ТДО, реализуемая во внешней электрической цепи: электроды 2 - полезная нагрузка. Рабочий процесс токообразования в ячейках состоит изионизации :паров йода высокого давления в поло тях 4 по реакции +2 2 , на границе электрод 2 - электролит- 3, перетоке ионов через слой электролита 3 под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ион йода на границе электролит 3 - элек трод 2 по реакции 21 1,2+ 2е-в полостях 5. Так как пар йода по своим свойствам близок к идеальному газу, то ЭДС, возникающая на клеммах 28 каж дой ячейки, будет равна V - Н ТУЧРмакс , - - 7 р - -1-П р . tMHB 2 573 2,3 ,1 п ох ,3 . 10-4 ig Т02 024 в., где До - перепад ТДП рабочего тела дж/моль; Z - валентность иона, перенос чика заряда в системе; F - число Фара.дея, кулон/моль R - газовая постоянная,. ; дж/моль. К; ).РМЦН (РИНА) - экстре маке исп мальные давления паров йо атм. Величины ЭДС, рассчитанные по это формуле, хорошо согласуются с экспер ментальными значениями ЭДС известного генератора для тех же температур Удельная электрическая мощность W, вырабатываемая ячейками, будет иметь вид „ / 12 D-t Л- ZF (0,24-1) Вт/см где I - плотность тока на электродах ячейки, А/см, о-тлект - толщина электролита, см. Термодинамический цикл генератора представлен на фиг, 3 сплошными линиями. Процесс токообразования производится в ячейках, нагретьох солнечной энергией до максимальной температуры цикла - Т , так что расширение паров йода через эле ктрод ные блоки происходит изотермически (процесс А -в) с поглощением солнечного тепла Q,,,. Пары йода низкого давления охлаждаются у внутренних поверхностей нижних частей 13 (процесс ), а затем конденсируются на этих поверхностях (процесс С - D) при минимальной температуре цикла после чего жидкий йод Сс1мотеком, под действием силы тя жести, поступает в сборник 8 конденсата рабочего тела. Затем жидкий Йод насосом 9 сжимается до максимального давления Р,. (процесс D-E) и подается в испаритель 6. В нем за счет сол вечной энергии он.подогревается (процесс E-F) и испаряется (процесс F-A), а затем через подводящий трубопровод 22 пара высокого давления поступает в полости 4 сосудов 1, где перегревается до максимальной температуры цикла (процесс А-А), и цикл замыкается. Полезная работа цикла получается в форме электрической энергии, В генераторе отводимое от рабочего тела тепло процессов В-С и C-D не сбрасывается в окружающую сосуды . 1 среду, а передается через нижние теплопроводные части 13 теплоносителю, циркулирующему в камерах 25, который отводит это тепло через теплообменник 17 в водяной аккумулятор 16 тепла. Находящаяся в нем вода аккумулирует это тепло, ее температура повышается и она используется, например, на бытовые нужды. В качестве теплоносителя может быть использовано органическое соединение, например глицерин с температурой кипения превышающей температуру конденсации йода, чтобы теплоноситель не закипал. Предельная эффективность цикла . прямого преобразования тепловой энергии солнечного излучения в электрическую энергию равна м Тмдкс -Тмцц Eju -TKQHAUopHOT otKcС 573-390 о 32 573- На фиг. 4 представлены значения напряжений на клеммах 28 одной из ячеек и ее удельной мощности, рассчитанных по представленным выше формулам, в зависимости от плотности тока на электродах 2. Как видно из графика, при работе ячейки в режиме максимальной удельной мощности, составляющей 15-10 Вт/см, напряжение на 28 будет равно 0,12 В при плотности тока 0,12 А/см. Для получения мощности 5 кВт потребуется общая площадь ячеек равная 33,3 м (например, для фотогенератора в этом случае необходима общая площадь панели 70 м). При размере каждой из ячеек равной размеру модуля из кремниевых солнечных элементов, например 38x102 см, каждая ячейка будет иметь максимальную мощность 58)2 Вт (у фотогенератора - 33 В).-Для получения мощности в 5 кВт потребуется 86 ячеек (у фотогенератора - 150 модулей). При последовательном соединении всех ячеек напряжение на выходных клеммах 28 Генератора составит величину 10,3 В 1у фотогенератора - 16 В при параллельном электрическом соединении всех модулей), В генераторе используются дешевые вещества - йод и йодистый свинец. и относительно недорогие материалы пористый никель, нержавеющая сталь. Это является предпосылкой к снижению удельной стоимости вырабатываемой энергии. В нем также згшожена возможность создания установки заданной электрической мощности (1-20 кВт) путем подключения к подводящему трубопроводу 22 пара высокого давдения и отводящему трубопроводу 21 конденсата рабочего тела необходимого количества ячеек, что обусловлено отсутствием у Йода в жидкой и паровой фазах электронной проводимости, приводящей к короткому замыканию электродов 2 через пар рабочего тела. Использование солнечной энергии и ее подвод непосредственно k токо генерирующим ячейкам (сосудам) позволяет избежать явления тепловой поляризёщии, что повышает КПД цикла, а тепловой контакт использующего солнечную энергию испарителя 6 со сборником 8 конденсата рабочего тела Ьа счет плавления последнего упрощает эксплуатацию электрохимического генератора. Использование солнечной энергии для работы электрохимического генератора делает его автономным.

V « Ц,