Перелік скорочень
Вступ
1. Загальна характеристика системи автономного електропостачання
2. Будова і склад електрохімічного генератора
3. Аналіз робочого процесу паливних елементів
4. Системи електрохімічних генераторів
5. Технологічні схеми електрохімічних агрегатів
5.1. Стаціонарний аміачно-повітряний електрохімічний агрегат
5.2. Пересувний метанольно-повітряний електрохімічний агрегат
5.3. Стаціонарний вуглецеводяний – повітряний електрохімічний агрегат
5.4. Пресувний вуглецеводяно-повітряний електрохімічний агрегат
5.5. Пересувний вуглецеводяно-повітряний електрохімічний агрегат, заснований на термічному розкладанні пального
6. Вибір можливих схем електрохімічних генераторів для автономних джерел електричної енергії
6.1. Захист електрохімічних генераторів від струму короткого замиканняі перенавантаження
6.2. Стан розробки електрохімічних генераторів за кордоном
Висновки
Список використаних джерел
ВСТУП
Серед важливіших проблем енергетики особливе місце займають проблеми безпосереднього перетворення хімічної енергії палива в електричну енергію. Електрохімічні генератори суттєво відрізняються від інших перетворювачів енергії, тому що енергія хімічної реакції безпосередньо перетворюється в електричну енергію, минаючи проміжну стадію перетворення її в теплоту. Тому ККД сучасних ЕХГ досягає 70-80%. Основною складовою частиною ЕХГ є паливний елемент. Для одержання необхідних значень напруги і струму паливні елементи об’єднуються у батареї.
Електрохімічний генератор становить з себе джерело енергії, яке складається з батареї паливних елементів і систем, які забезпечують її нормальне функціонування при зміні навантаження і зовнішніх умов експлуатації.
Відома значна кількість різних типів паливних елементів. Вони розподіляються по роду палива і стану електроліту, температур і тиску робочого процесу і виду електродів. На цей час достатньо розроблені і знаходять застосування в основному водень-кисневі паливні елементи з пористими електродами (лужний електроліт) або з іонообмінними (кислий електроліт).
Для використання в космічній енергетиці більш за все розроблені водень-кисневі низько- і середнє температурні паливні елементи з лужним електролітом і іонообмінними мембранами.
Основними вузлами технологічних схем ЕХА є генератори водню, що забезпечують отримання водню із вказаних ісходних горючих, та електрохімічні генератори (ЕХГ). У будь-якому виконанні ЕХА передбачається використання водяно-повітряного низькотемпературного ЕХГ зі щелочним електролітом. Для досягнення мети роботи необхідно розглянути технологічні схеми з припущенням щодо використання стаціонарних ЕХА, як резервних джерел енергії, пересувні – як резервні.
1 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМИ АВТОНОМНОГО
ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ
Відповідно до нормативних документів всі електроприймачі за надійністю і безперебійністю електропостачання підрозділяються на три категорії. До першої категорії прийнято відносити ті електроприймачі, порушення електропостачання яких може викликати небезпека для життя людей, значний збиток народному господарству, викликаний ушкодженням устаткування, масовим браком продукції чи розладом складних важковідновлювальних технологічних процесів, а також порушенням режиму роботи особливо важливих об'єктів, в тому числі військових. Електроприймачі першої категорії у свою чергу розділяються на двох груп: групу ІA і групу ІB. До електроприймачів групи ІA відносяться такі електроприймачі, перерва в електропостачанні яких не допустимо, тому що створює особливу небезпеку для життя людей і завдає шкоди державним інтересам. Електроприймачі групи ІA, як правило, особливо чуттєві до якості електроенергії. До електроприймачів групи ІB відносяться такі електроприймачі, що допускають короткочасний (на десяті частки секунди) переривши в електропостачанні. Електроприймачі групи ІB у меншому ступені, чим електроприймачі групи ІA, чуттєві до якості електроенергії.
До другої категорії відносяться електроприймачі, перерва в електропостачанні яких спричиняє масовий недовипуск продукції, простий робітників, устаткування, промислового транспорту, порушення нормальної життєдіяльності людей. Електроприймачі другої категорії допускають перерва в електропостачанні на час автоматичного включення резервних джерел живлення. До третьої категорії відносяться інші електроприймачі, що не підходять під визначення першої і другої категорій. Електроприймачі третьої категорії допускають перерви в електропостачанні на час, необхідне для чи ремонту заміни несправного устаткування, але не більш однієї доби.
У складі споживачів електричної енергії різних об'єктів є електроприймачі всіх трьох категорій. Забезпечення їхньою електроенергією здійснюється системою електропостачання, яку можна представити системи, що складається із системи зовнішнього електропостачання, внутрішнього електропостачання і системи автономного електропостачання. Система зовнішнього електропостачання забезпечує прийом електричної енергії від держенергосистеми і передачу її через системи внутрішнього й автономного електропостачання до електроприймачів об'єкта для їхнього тривалого живлення. Система внутрішнього електропостачання здійснює прийом, виробництво і розподіл електроенергії між електроприймачами споруджень об'єкта. Розподіл електроенергії усередині найбільше відповідальних споруджень об'єкта здійснюється системою автономного електропостачання. Як правило, основними електроприймачами системи автономного електропостачання є електроприймачі першої категорії. Ці електроприймачі вимагають організувати своє електропостачання від двох незалежних джерел, тобто таких джерел, один із яких зберігає свою працездатність при ушкодженнях і аваріях іншого джерела. Одним з таких джерел є держенергосистема, іншим резервним джерелом може служити дизель-електричні, газо та паротурбінні, атомні й інші електричні станції, а також електрохімічні генератори.
На рис. 1.1. наведений один з можливих варіантів структурної схеми системи автономного електропостачання, що містить основний (ОД) і резервний (РД) джерела, та комутаційну апаратуру, представлену автоматичними вимикачами QF1 - QF5. Далі позначено розподільні пристрої РП1 і РП2, перетворювач (ПЕ) і накопичувач (НЕ) енергії. У розглянутому варіанті системи автономного електропостачання в якості основного джерела в переважній більшості випадків використовується держенергосистема, а в якості резервного джерела застосовується електрохімічний генератор. Застосування ЕXГ у порівнянні з дизель-електричними станціями (ДЕС) з газотурбінними установками (ГТУ), радіоізотопними термоелектричними генераторами (РІТЕГ), ядерними енергетичними установками (ЯЕУ) з термоелектричними (ТЕЛП) і термоемісійними (ТЕМП) перетворювачами обумовлено їх кращими техніко-економічними показниками (табл. 1.2).
| Таблиця 1.2 Характеристики основних накопичувачів енергії |
| №з/п | Типи накопичувачів | ККД, % | Виділяєма енергія, кВт ч/м3 | Виділяєма потужність, Вт/кг | Виділяєма енергоємність, кДж/кг | Довговічність при глибині розряду |
| 1 | Інерційні | 90 | 60-150 | >104 | 10-60000 | >105 |
| 2 | Свинцево-кислотні | 75 | 30-60 | 500 | 64 | 300-500 |
| Нікель-кадмієві | 75 | 70-100 | 200 | 110 | 1000-3000 | |
| Окиснювально-відновлювальні | 75 | 15-60 | - | - | - | |
| Літієві | 75-80 | 40-1000 | - | - | 10 років | |
| 3 | ГАЕС | 75 | 300-500 | >104 | 28 | - |
| 4 | Молекулярні накопичувачі енергії | 95 | 0.2 | 104 | 1-10 | 104-106 |
| 5 | Накопичувачі тепла | 30 | 600 | - | - | - |
| 6 | Термоелектричні генератори | 10 | 30 | 50 | - | - |
| 7 | ЕХГ | 10 | 500-1000 | 500-1000 | 70-104 | 5000 |
2. БУДОВА І СКЛАД ЕЛЕКТРОХІМІЧНОГО ГЕНЕРАТОРА
Серед важливіших проблем енергетики особливе місце займають проблеми безпосереднього перетворення хімічної енергії палива в електричну енергію. ЕХГ суттєво відрізняються від інших перетворювачів енергії, тому що енергія хімічної реакції безпосередньо перетворюється в електричну енергію, минаючи проміжну стадію перетворення її в теплоту. Тому ККД сучасних ЕХГ досягає 70-80%. Основною складовою частиною ЕХГ є паливний елемент. Для одержання необхідних значень напруги і струму паливні елементи об’єднуються у батареї.
На цей час достатньо розроблені і знаходять застосування в основному водень кисневі паливні елементи з пористими електродами (лужний електроліт) або з іонообмінними (кислий електроліт).
Паливні елементи першого типу (рис.2.1) мають два електрода, простір між якими заповнений електролітом. До одного електрода (анода) подається газоподібний водень, а до другого (катода) – кисень. Позитивні іони водню переходять у розчин і анод заряджається негативним зарядом. Внаслідок дії електростатичного притягання між негативно зарядженим анодом і позитивно зарядженими іонами водню на поверхні розділу електрод-розчин виникає подвійний електричний шар, позитивна сторона якого знаходиться у розчині, а негативна – у металі. Різниця потенціалів між сторонами називається електродним потенціалом. Навколо катода також виникає подвійний електричний шар, тому що негативно зарядженні іони кисню утримуються позитивно зарядженим катодом. При підключенні споживача збиток електронів з анода починає переходити до катоду, здійснюючи корисну роботу в зовнішньому ланцюгу. Коли щезнуть збиточні електрони, іони водню почнуть переходити у глиб розчину.