Страница:
Первоначально были разработаны аккумуляторы типа SBS, которые появились в начале 1980 года. Они использовались в авиации и аппаратуре связи. В 1989 году начали выпускаться батареи серий Cyclon Monobloc и Genesis.
Пластины в этих аккумуляторах изготовлены из сплава олова и свинца.
SBS -- батареи для широкого применения перекрывающие диапазон емкостей от 7 до 350 Ач. Высокая плотность энергии достигнута применением тонких намазных пластин, ионообменных сепараторов и сорбированного электролита. Отличительной особенностью SBS батарей является возможность быстрого перезаряда, т.к. 99% газов рекомбинирует при заряде.
Они терпимы к глубокому разряду и могут работать в циклическом и буферном режимах. Особенность конструкции позволяет использовать аккумуляторы в широком диапазоне температур. Верхний предел поднимается до 60oС при использовании дополнительного стального кожуха.
Конструкция аккумуляторов Cyclon и Monobloc аналогична аккумуляторам Планте (рис. p042). Их отличительной особенностью является спиральное расположение намазных пластин. Они устойчиво работают в циклическом режиме. Monobloc содержит в одном корпусе несколько банок, откуда и произошло название аккумулятора. Конструкция Genesis -- также моноблочная. Технические характеристики аккумуляторов Genesis приведены в табл. П1 приложения.
Батареи от Chloride Industrial Batteries в широком ассортименте используются:
в аппаратуре связи;
в авиации;
в вычислительной технике;
в транспортных средствах;
в медицинском оборудовании;
в автономных возобновляемых источниках энергии.
Аккумуляторы Cyclon и Monobloc перекрывают диапазон малых емкостей и предназначены, в основном, для маломощных переносных устройств. Они хорошо работают в циклическом режиме и неприхотливы.
Аккумуляторы Cyclon кроме цилиндрического исполнения могут изготавливаться в заданных формах и габаритах для малогабаритной аппаратуры под заказ. Эффективность рекомбинации газов в них составляет 99,7%. Рабочее положение произвольное. Клапан избыточного давления предохраняет батарею от взрыва и срабатывает при давлении 50 МПа.
2.5. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Топливные элементы осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного "холодного" горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.
Биохимики установили, что биологический водородно-кислородный топливный элемент "вмонтирован" в каждую живую клетку [9].
Источником водорода в организме служит пища -- жиры, белки и углеводы. В желудке, кишечнике, клетках она в конечноладывается до мономеров, которые, в свою очередь, после ряда химических превращений дают водород, присоединенный к молекуле-носителю.
Кислород из воздуха попадает в кровь через легкие, соединяется с гемоглобином и разносится по всем тканям. Процесс соединения водорода с кислородом составляет основу биоэнергетики организма. Здесь, в мягких условиях (комнатная температура, нормальное давление, водная среда), химическая энергия с высоким КПД преобразуется в тепловую, механическую (движение мышц), электричество (электрический скат), свет (насекомые излучающие свет).
Человек в который раз повторил созданное природой устройство получения энергии. В то же время этот факт говорит о перспективности направления. Все процессы в природе очень рациональны, поэтому шаги по реальному использованию ТЭ вселяют надежду на энергетическое будущее.
Открытие в 1838 году водородно-кислородного топливного элемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород он обнаружил побочный эффект -- электролизер вырабатывал электрический ток.
Что горит в топливном элементе?
Ископаемое топливо (уголь, газ и нефть) состоит в основном из углерода. При сжигании атомы топлива теряют электроны, а атомы кислорода воздуха приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения -- молекулы углекислого газа. Этот процесс идет энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это приводит к повышению их температуры. Они начинают испускать свет -- появляется пламя.
Химическая реакция сжигания углерода имеет вид:
C + O2 = CO2 + тепло.
В процессе горения химическая энергия переходит в тепловую энергию благодаря обмену электронами между атомами топлива и окислителя. Этот обмен происходит хаотически.
Горение -- обмен электронов между атомами, а электрический ток -- направленное движение электронов. Если в процессе химической реакции заставить электроны совершать работу, то температура процесса горения будет понижаться. В ТЭ электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом.
Основа любого ХИТ -- два электрода соединенные электролитом. ТЭ состоит из анода, катода и электролита (см. рис. p087) [10]. На аноде окисляется, т.е. отдает электроны, восстановитель (топливо CO или H2), свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод-электролит (CO+, H+). С другого конца цепи электроны подходят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединение электронов окислителем O2--). Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду.
В ТЭ вместе сведены вместе три фазы физико-химической системы:
газ (топливо, окислитель);
электролит (проводник ионов);
металлический электрод (проводник электронов).
В ТЭ происходит преобразование энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую, причем, процессы окисления и восстановления пространственно разделены электролитом. Электроды и электролит в реакции не участвуют, но в реальных конструкциях со временем загрязняются примесями топлива. Электрохимическое горение может идти при невысоких температурах и практически без потерь. На рис. p087 показана ситуация в которой в ТЭ поступает смесь газов (CO и H2), т.е. в нем можно сжигать газообразное топливо (см. гл. 1). Таким образом, ТЭ оказывается "всеядным".
Усложняет использование ТЭ то, что для них топливо необходимо "готовить". Для ТЭ получают водород путем конверсии органического топлива или газификации угля. Поэтому структурная схема электростанции на ТЭ, показанная на рис. p088, кроме батарей ТЭ, преобразователя постоянного тока в переменный (см гл. 3.6) и вспомогательного оборудования включает блок получения водорода.
Два направления развития ТЭ
Существуют две сферы применения ТЭ: автономная и большая энергетика.
Для автономного использования основными являются удельные характеристики и удобство эксплуатации. Стоимость вырабатываемой энергии не является основным показателем.
Для большой энергетики решающим фактором является экономичность. Кроме того, установки должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов и использовать природное топливо при минимальных затратах на подготовку.
Наибольшие выгоды сулит использование ТЭ в автомобиле. Здесь, как нигде, скажется компактность ТЭ. При непосредственном получении электроэнергии из топлива экономия последнего составит порядка 50%.
Впервые идея использования ТЭ в большой энергетике была сформулирована немецким ученым В. Освальдом в 1894 году. Позднее получила развитие идея создания эффективных источников автономной энергии на основе топливного элемента.
После этого предпринимались неоднократные попытки использовать уголь в качестве активного вещества в ТЭ. В 30-е годы немецкий исследователь Э. Бауэр создал лабораторный прототип ТЭ с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля. В это же время исследовались кислородно-водородные ТЭ.
В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. Но она была громоздкой из-за использования высокого давления газов (2...4 МПа).
С 1955 года в США К. Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные ТЭ. В них использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над созданием неплатиновых катализаторов.
После 1960 года были созданы демонстрационные и рекламные образцы. Первое практическое применение ТЭ нашли на космических кораблях "Аполлон". Они были основными энергоустановками для питания бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой и теплом.
Основными областями использования автономных установок с ТЭ были военные и военно-морские применения. В конце 60-х годов объем исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возрос применительно к большой энергетике.
Фирмой VARTA разработаны ТЭ с использованием двухсторонних газодифузионных электродов. Электроды такого типа называют "Янус". Фирма Siemens разработала электроды с удельной мощностью до 90 Вт/кг. В США работы по кислородно-водородным элементам проводит United Technology Corp.
В большой энергетике очень перспективно применение ТЭ для крупномасштабного накопления энергии, например, получение водорода (см. гл. 1). Возобновляемые источники энергии (солнце и ветер) отличаются рассредоточеностью (см гл. 4). Их серьезное использование, без которого в будущем не обойтись, немыслимо без емких аккумуляторов, запасающих энергию в той или иной форме.
Проблема накопления актуальна уже сегодня: суточные и недельные колебания нагрузки энергосистем заметно снижают их эффективность и требуют так называемых маневренных мощностей. Один из вариантов электрохимического накопителя энергии -топливный элемент в сочетании с электролизерами и газгольдерами (газгольдер [газ + англ. holder держатель] -- хранилище для больших количеств газа).
Первое поколение ТЭ
Наибольшего технологического совершенства достигли среднетемпературные ТЭ первого поколения, работающие при температуре 200...230oС на жидком топливе, природном газе либо на техническом водороде (технический водород -- продукт конверсии органического топлива, содержащий незначительные примеси окиси углерода). Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды выполнены из углерода, а катализатором является платина (платина используется в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности).
Одна таких электростанций введена в строй в штате Калифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батарей массой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чуть более 2 м и высотой около 5 м. Продумана процедура замены батареи с помощью рамной конструкции движущейся по рельсам.
Две электростанции на ТЭ США поставили в Японию. Первая из них была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационные показатели станции соответствовали расчетным. Она работала с нагрузкой от 25 до 80% от номинальной. КПД достигал 30...37% -это близко к современным крупным ТЭС. Время ее пуска из холодного состояния -- от 4 ч до 10 мин., а продолжительность изменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15 с.
Сейчас в разных районах США испытываются небольшие теплофикационные установки мощностью по 40 кВт с коэффициентом использования топлива около 80%. Они могут нагревать воду до 130oС и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и т.д. Около сотни установок уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов. Экологическая чистота электростанций на ТЭ позволяет размещать их непосредственно в городах.
Первая топливная электростанция в Нью-Йорке, мощностью 4,5 МВт, заняла территорию в 1,3 га. Теперь для новых станций с мощностью в два с половиной раза большей нужна площадка размером 30x60 м. Строятся несколько демонстрационных электростанций мощностью по 11 МВт. Поражают сроки строительства (7 месяцев) и площадь (30х60 м), занимаемая электростанцией. Расчетный срок службы новых электростанций -30 лет.
Второе и третье поколение ТЭ
Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами второго поколения. Они работают при температурах 650...700oС. Их аноды делают из спеченных частиц никеля и хрома, катоды -- из спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия. Повышенная температура помогает решить две крупные электрохимические проблемы:
снизить "отравляемость" катализатора окисью углерода;
повысить эффективность процесса восстановления окислителя на катоде.
Еще эффективнее будут высокотемпературные топливные элементы третьего поколения с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура -- до 1000oС. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого угля со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло высокотемпературных установок можно использовать для производства пара, приводящего в движение турбины электрогенераторов.
Фирма Vestingaus занимается топливными элементами на твердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью 25...200 кВт, в которых можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям экспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт. Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью 50 кВт работающие на метаноле с фосфорной кислотой в качестве электролита.
В создание ТЭ включается все больше фирм во всем мире. Американская United Technology и японская Toshiba образовали корпорацию International Fuel Cells. В Европе топливными элементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциум Elenko, западногерманская фирма Siemens, итальянская Fiat, английская Jonson Metju.
Глава 3
СИСТЕМЫ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Наиболее универсальный вид энергии -- электричество. Оно вырабатывается на электростанциях и распределяется между потребителями посредством электрических сетей коммунальными службами. Массовому потребителю безразлично каким током питаются бытовые приборы до тех пор, пока не мигают или не перегорают лампы освещения, телевизор или другие электроприборы.
Повышение грозовой активности, отмеченное в настоящее время, приводит к серьезным последствиям. Попадание молнии в линию электропередач или трансформаторную подстанцию сопровождается электромагнитными импульсами огромной мощности. Они распространяются по всем линиям, включая телефонные и повреждают подключенные устройства.
В сложившихся условиях потребителю самому следует принимать дополнительные меры по защите своего оборудования. Представленный анализ типичных нарушений в сетях электропитания и ряда устройств для защиты оборудования позволяет сделать оптимальный выбор.
Наиболее распространенным устройством нуждающимся в защите является персональный компьютер. Анализ сбоев и неисправностей проведенный IBM показал, что он подвергается более чем 120-ти нежелательным воздействиям в месяц. Это происходит не взирая на то, что современные источники питания обеспечены быстродействующей защитой.
По причине нарушений питающего напряжения в США средние потери рабочего времени составляют 9%. Кроме тривиальной потери данных и периодического "зависания" некачественная электроэнергия отрицательно влияет на работу накопителей информации. Те же проблемы характерны и для таких устройств как факсы, копировальные аппараты и пр.
Кроме оргтехники любое оборудование, простой которого приведет к материальным издержкам, а тем более к угрозе человеческой жизни, должно быть защищено.
Потери времени, вызванные неработоспособностью электронных устройств, обусловлены причинами соотношение которых отражает рис. p014. Среди них нарушения связанные с несоответствием параметров электроэнергии составляют почти половину. Следует отметить, что нарушение электропитания наносит ущерб соизмеримый со стихийными бедствиями.
При неисправностях в сети система защиты отключает потребителей на непродолжительное время (несколько секунд), а затем включает снова. Так возникают "провалы" напряжения. Характерной особенностью настоящего времени является смещение процентного соотношения в сторону полных или кратковременных пропаданий напряжения и мощных импульсных помех в сетях.
Броски напряжения, возникающие при аварийных переключениях и отключениях, вызывают перегрузки электрических приборов многократно превосходящие допустимые. Отключение недопустимо для производств с непрерывным циклом и в первую очередь там, где это сопряжено с угрозой для жизни людей.
Несоответствие параметров электроэнергии приводит к сбоям и преждевременному выходу из строя электронной техники. Наиболее совершенные источники питания электронных устройств работают в интервале напряжений питающей сети от 100 до 275 В при изменении частоты питающего напряжения от 45 до 60 Гц. Однако, при крайних значениях указанного диапазона они перегружены и не могут устойчиво работать продолжительное время.
Традиционно потребители обращают внимание на основные параметры, приводимые изготовителями электрических приборов -потребляемую мощность, величину и частоту питающего напряжения. Несоответствие качества электроэнергии для потребителя незаметно до тех пор, пока прибор не капризничает или не выходит из строя.
Для единичных нагрузок решением тривиальных проблем электроснабжения, связанных с пониженным напряжением, бросками и импульсными помехами, может стать установка стабилизатора напряжения или источника бесперебойного питания (ИБП).
Для распределенных нагрузок общей мощностью до нескольких киловатт удовлетворительным может считаться использование распределенных ИБП с группированием расположенных рядом нагрузок. При больших мощностях использование распределенных ИБП экономически нецелесообразно.
Системы бесперебойного электропитания -- устройства, основной задачей которых является удержание параметров питающего напряжения большой группы оборудования в заданных пределах при отклонениях параметров напряжения электрической сети и, как следствие, защита электронных приборов по цепи питания.
Параметрами, заслуживающими отдельного рассмотрения, являются частота и форма питающего напряжения. Снижение частоты приводит к потерям при передаче электроэнергии (понижение частоты в сети на 0,1% приводит к потере 10% мощности). Отклонение формы напряжения от синусоидальной также вызывает потери.
Мы становимся свидетелями снижения частоты до критической нижней отметки, ниже которой ситуация в сетях становится катастрофической. Процессы отключения при таких авариях становятся неуправляемыми, т.к. отключаются большие группы потребителей и неизвестно на каком из них рассеется огромная энергия запасенная в сети.
Потери возникают как по вине коммунальных служб, так и по вине потребителей. Уменьшить потери и, соответственно, издержки потребителю позволяет применение отдельных ИБП или систем гарантированного электропитания.
3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИСТОчНИКОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ
Исследования AT&T Bell Labs показали, что типичными для сетей являются следующие нарушения:
снижение (провалы) напряжения;
отключение напряжения;
броски напряжения и импульсные помехи;
шумовые помехи.
Наиболее распространенным нарушением является снижение напряжения на величину более 10%. Такие нарушения составляют 87% (см. рис. p015). В индустриальных зонах кратковременное понижение напряжения может быть вызвано включением мощных потребителей. Так пусковые токи асинхронных двигателей в 7...8 раз превосходят номинальные.
Здания старой постройки рассчитывалась на ограниченное потребление электроэнергии. С учетом старения сети в них не соответствуют энерговооруженности современного жилища или офиса. Это приводит к хроническому снижению напряжения в дневное и вечернее время.
Броски напряжения и импульсные помехи -- явление не частое. Они возникают во время работы коммутационной аппаратуры или в моменты атмосферных разрядов. Броски напряжения и импульсные помехи обычно имеют неповторяющийся характер. Возникающие импульсы большой мощности приводят к серьезному повреждению электронных устройств.
Шумовые помехи с большими уровнями -- явление редкое. Они могут быть периодическими и хроническими. Источником шума с широким спектром излучения является электрическая дуга. Периодические шумовые помехи возникают во время сварочных работ. Хронические -- при работе городского электротранспорта.
Практика показывает, что характерными признаками необходимости дополнительных мер защиты оборудования являются:
ограниченная мощность ввода и старая разводка в зданиях старой постройки;
расположение здания недалеко от строительных площадок и маршрутов электротранспорта;
наличие в зданиях мощного индустриального оборудования;
расположение оборудования в сельских районах удаленных от местных подстанций;
расположение оборудования в зоне с повышенной грозовой активностью.
Наиболее простым средством защиты электроприборов потребителя является комбинированное устройство, содержащее фильтр и устройство защиты от перенапряжения в сети. Следует отметить, что фильтр -- устройство симметричное, он подавляет помехи поступающие как из сети, так и от потребителя. Фильтр предназначен для подавления бросков напряжения ограниченной мощности и шумов общего вида.
Степень защиты нагрузки определяется временем срабатывания, диапазоном подавляемых частот, степенью подавления и максимальной энергией подавляемого выброса.
Стабилизаторы напряжения выдерживают в задаваемых пределах только амплитудные значения напряжения. Их следует использовать в тех случаях, когда применение источников бесперебойного питания экономически нецелесообразно. Стабилизатор увеличивает срок службы Ваших приборов и делает их более экономичными.
Название инверторов определяется их функциональным назначением -- способностью преобразовывать постоянный ток в переменный. Их используют как мобильные источники сетевого напряжения в автономных условиях, а в стационарных -- в качестве узлов резервных источников электропитания.
Логическим дополнением электрических сетей являются системы бесперебойного электропитания. Они содержат: фильтры, стабилизаторы, инверторы, аккумуляторные батареи, устройства коммутации и пр.
Устройство, называемое источником бесперебойного электропитания (UPS -- Uninterruptible Power Systems (Supplies)) может обеспечивать электроэнергией целое здание или домашний компьютер. Поэтому их разделяют на источники малой (до единиц киловатт), средней (от единиц до десятков киловатт) и большой мощности (до нескольких мегаватт).
ИБП подключается к сети переменного тока обычного качества и выполняет две функции:
улучшения качества электрического питания;
резервного источника питания.
Больше всего мифов о наилучших принципах работы ИБП распространено продавцами и дистрибьютерами. Нормативные документы, в частности, европейские стандарты EN50091-1 и EN50091-2 не дают определений принципов работы ИБП. Нормируются основные параметры, при соблюдении которых прибор будет соответствовать выбранному стандарту.
Следовательно, определение и классификация принципов работы ИБП предложенная фирмой-изготовителем или дистрибьютером вряд ли может служить критерием выбора того или иного устройства.
Все выпускаемые в мире ИБП по архитектуре построения можно разделить на два класса:
Off-Line (Standby) -- резервные источники;
On-Line (Double conversion) -- источники с двойным преобразованием.
3.1.1. РЕЗЕРВНЫЕ ИБП (OFF-LINE)
Принцип построения резервных Off-Line систем основан на том, что нагрузка изначально подключена к сети (рис. p016). В случае отключения или отклонения параметров сетевого напряжения от заданных, нагрузка переключается и запитывается от инвертора использующего энергию аккумуляторных батарей. Время старта инвертора и переключения нагрузки обычно не превышает 4-х миллисекунд.
Самый большой недостаток Off-Line источников -непосредственное подключение нагрузки к сети. При этом помехи беспрепятственно попадают в нагрузку. Мощность таких источников находиться в пределах от 250 до 2000 BA.
Резервные источники Off-Line получили широкое распространение на нашем рынке благодаря низкой стоимости, простоте эксплуатации, наличию удобного и несложного программного интерфейса и маркетинговой политике известной APC (American Power Conversion).
Интерактивные источники (Line-Interactive)
Разновидностью Off-Line ИБП являются так называемые интерактивные источники бесперебойного питания. Они получили широкое распространение. Отличительными признаками этих моделей (рис. p017) являются:
фильтры;
стабилизатор напряжения;
входной переключатель;
автотрансформатор.
В них усовершенствован инвертор и более развит процессор управления. Инвертор вместо ступенчатого формирует напряжение синусоидальной формы. Наиболее совершенные модели позволяют корректировать амплитуду и форму выходного напряжения.
Дополнительно может устанавливаться разделительный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку нагрузки от сети. Функция переключения обмоток автотрансформатора позволила расширить диапазон входного напряжения ИБП до 165...275 В (функция переключения -- повышение пониженного напряжения (+40В) и понижение повышенного (-40В) переключением обмоток автотрансформатора).
Пластины в этих аккумуляторах изготовлены из сплава олова и свинца.
SBS -- батареи для широкого применения перекрывающие диапазон емкостей от 7 до 350 Ач. Высокая плотность энергии достигнута применением тонких намазных пластин, ионообменных сепараторов и сорбированного электролита. Отличительной особенностью SBS батарей является возможность быстрого перезаряда, т.к. 99% газов рекомбинирует при заряде.
Они терпимы к глубокому разряду и могут работать в циклическом и буферном режимах. Особенность конструкции позволяет использовать аккумуляторы в широком диапазоне температур. Верхний предел поднимается до 60oС при использовании дополнительного стального кожуха.
Конструкция аккумуляторов Cyclon и Monobloc аналогична аккумуляторам Планте (рис. p042). Их отличительной особенностью является спиральное расположение намазных пластин. Они устойчиво работают в циклическом режиме. Monobloc содержит в одном корпусе несколько банок, откуда и произошло название аккумулятора. Конструкция Genesis -- также моноблочная. Технические характеристики аккумуляторов Genesis приведены в табл. П1 приложения.
Батареи от Chloride Industrial Batteries в широком ассортименте используются:
в аппаратуре связи;
в авиации;
в вычислительной технике;
в транспортных средствах;
в медицинском оборудовании;
в автономных возобновляемых источниках энергии.
Аккумуляторы Cyclon и Monobloc перекрывают диапазон малых емкостей и предназначены, в основном, для маломощных переносных устройств. Они хорошо работают в циклическом режиме и неприхотливы.
Аккумуляторы Cyclon кроме цилиндрического исполнения могут изготавливаться в заданных формах и габаритах для малогабаритной аппаратуры под заказ. Эффективность рекомбинации газов в них составляет 99,7%. Рабочее положение произвольное. Клапан избыточного давления предохраняет батарею от взрыва и срабатывает при давлении 50 МПа.
2.5. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Топливные элементы осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного "холодного" горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.
Биохимики установили, что биологический водородно-кислородный топливный элемент "вмонтирован" в каждую живую клетку [9].
Источником водорода в организме служит пища -- жиры, белки и углеводы. В желудке, кишечнике, клетках она в конечноладывается до мономеров, которые, в свою очередь, после ряда химических превращений дают водород, присоединенный к молекуле-носителю.
Кислород из воздуха попадает в кровь через легкие, соединяется с гемоглобином и разносится по всем тканям. Процесс соединения водорода с кислородом составляет основу биоэнергетики организма. Здесь, в мягких условиях (комнатная температура, нормальное давление, водная среда), химическая энергия с высоким КПД преобразуется в тепловую, механическую (движение мышц), электричество (электрический скат), свет (насекомые излучающие свет).
Человек в который раз повторил созданное природой устройство получения энергии. В то же время этот факт говорит о перспективности направления. Все процессы в природе очень рациональны, поэтому шаги по реальному использованию ТЭ вселяют надежду на энергетическое будущее.
Открытие в 1838 году водородно-кислородного топливного элемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород он обнаружил побочный эффект -- электролизер вырабатывал электрический ток.
Что горит в топливном элементе?
Ископаемое топливо (уголь, газ и нефть) состоит в основном из углерода. При сжигании атомы топлива теряют электроны, а атомы кислорода воздуха приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения -- молекулы углекислого газа. Этот процесс идет энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это приводит к повышению их температуры. Они начинают испускать свет -- появляется пламя.
Химическая реакция сжигания углерода имеет вид:
C + O2 = CO2 + тепло.
В процессе горения химическая энергия переходит в тепловую энергию благодаря обмену электронами между атомами топлива и окислителя. Этот обмен происходит хаотически.
Горение -- обмен электронов между атомами, а электрический ток -- направленное движение электронов. Если в процессе химической реакции заставить электроны совершать работу, то температура процесса горения будет понижаться. В ТЭ электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом.
Основа любого ХИТ -- два электрода соединенные электролитом. ТЭ состоит из анода, катода и электролита (см. рис. p087) [10]. На аноде окисляется, т.е. отдает электроны, восстановитель (топливо CO или H2), свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод-электролит (CO+, H+). С другого конца цепи электроны подходят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединение электронов окислителем O2--). Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду.
В ТЭ вместе сведены вместе три фазы физико-химической системы:
газ (топливо, окислитель);
электролит (проводник ионов);
металлический электрод (проводник электронов).
В ТЭ происходит преобразование энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую, причем, процессы окисления и восстановления пространственно разделены электролитом. Электроды и электролит в реакции не участвуют, но в реальных конструкциях со временем загрязняются примесями топлива. Электрохимическое горение может идти при невысоких температурах и практически без потерь. На рис. p087 показана ситуация в которой в ТЭ поступает смесь газов (CO и H2), т.е. в нем можно сжигать газообразное топливо (см. гл. 1). Таким образом, ТЭ оказывается "всеядным".
Усложняет использование ТЭ то, что для них топливо необходимо "готовить". Для ТЭ получают водород путем конверсии органического топлива или газификации угля. Поэтому структурная схема электростанции на ТЭ, показанная на рис. p088, кроме батарей ТЭ, преобразователя постоянного тока в переменный (см гл. 3.6) и вспомогательного оборудования включает блок получения водорода.
Два направления развития ТЭ
Существуют две сферы применения ТЭ: автономная и большая энергетика.
Для автономного использования основными являются удельные характеристики и удобство эксплуатации. Стоимость вырабатываемой энергии не является основным показателем.
Для большой энергетики решающим фактором является экономичность. Кроме того, установки должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов и использовать природное топливо при минимальных затратах на подготовку.
Наибольшие выгоды сулит использование ТЭ в автомобиле. Здесь, как нигде, скажется компактность ТЭ. При непосредственном получении электроэнергии из топлива экономия последнего составит порядка 50%.
Впервые идея использования ТЭ в большой энергетике была сформулирована немецким ученым В. Освальдом в 1894 году. Позднее получила развитие идея создания эффективных источников автономной энергии на основе топливного элемента.
После этого предпринимались неоднократные попытки использовать уголь в качестве активного вещества в ТЭ. В 30-е годы немецкий исследователь Э. Бауэр создал лабораторный прототип ТЭ с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля. В это же время исследовались кислородно-водородные ТЭ.
В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. Но она была громоздкой из-за использования высокого давления газов (2...4 МПа).
С 1955 года в США К. Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные ТЭ. В них использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над созданием неплатиновых катализаторов.
После 1960 года были созданы демонстрационные и рекламные образцы. Первое практическое применение ТЭ нашли на космических кораблях "Аполлон". Они были основными энергоустановками для питания бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой и теплом.
Основными областями использования автономных установок с ТЭ были военные и военно-морские применения. В конце 60-х годов объем исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возрос применительно к большой энергетике.
Фирмой VARTA разработаны ТЭ с использованием двухсторонних газодифузионных электродов. Электроды такого типа называют "Янус". Фирма Siemens разработала электроды с удельной мощностью до 90 Вт/кг. В США работы по кислородно-водородным элементам проводит United Technology Corp.
В большой энергетике очень перспективно применение ТЭ для крупномасштабного накопления энергии, например, получение водорода (см. гл. 1). Возобновляемые источники энергии (солнце и ветер) отличаются рассредоточеностью (см гл. 4). Их серьезное использование, без которого в будущем не обойтись, немыслимо без емких аккумуляторов, запасающих энергию в той или иной форме.
Проблема накопления актуальна уже сегодня: суточные и недельные колебания нагрузки энергосистем заметно снижают их эффективность и требуют так называемых маневренных мощностей. Один из вариантов электрохимического накопителя энергии -топливный элемент в сочетании с электролизерами и газгольдерами (газгольдер [газ + англ. holder держатель] -- хранилище для больших количеств газа).
Первое поколение ТЭ
Наибольшего технологического совершенства достигли среднетемпературные ТЭ первого поколения, работающие при температуре 200...230oС на жидком топливе, природном газе либо на техническом водороде (технический водород -- продукт конверсии органического топлива, содержащий незначительные примеси окиси углерода). Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды выполнены из углерода, а катализатором является платина (платина используется в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности).
Одна таких электростанций введена в строй в штате Калифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батарей массой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чуть более 2 м и высотой около 5 м. Продумана процедура замены батареи с помощью рамной конструкции движущейся по рельсам.
Две электростанции на ТЭ США поставили в Японию. Первая из них была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационные показатели станции соответствовали расчетным. Она работала с нагрузкой от 25 до 80% от номинальной. КПД достигал 30...37% -это близко к современным крупным ТЭС. Время ее пуска из холодного состояния -- от 4 ч до 10 мин., а продолжительность изменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15 с.
Сейчас в разных районах США испытываются небольшие теплофикационные установки мощностью по 40 кВт с коэффициентом использования топлива около 80%. Они могут нагревать воду до 130oС и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и т.д. Около сотни установок уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов. Экологическая чистота электростанций на ТЭ позволяет размещать их непосредственно в городах.
Первая топливная электростанция в Нью-Йорке, мощностью 4,5 МВт, заняла территорию в 1,3 га. Теперь для новых станций с мощностью в два с половиной раза большей нужна площадка размером 30x60 м. Строятся несколько демонстрационных электростанций мощностью по 11 МВт. Поражают сроки строительства (7 месяцев) и площадь (30х60 м), занимаемая электростанцией. Расчетный срок службы новых электростанций -30 лет.
Второе и третье поколение ТЭ
Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами второго поколения. Они работают при температурах 650...700oС. Их аноды делают из спеченных частиц никеля и хрома, катоды -- из спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия. Повышенная температура помогает решить две крупные электрохимические проблемы:
снизить "отравляемость" катализатора окисью углерода;
повысить эффективность процесса восстановления окислителя на катоде.
Еще эффективнее будут высокотемпературные топливные элементы третьего поколения с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура -- до 1000oС. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого угля со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло высокотемпературных установок можно использовать для производства пара, приводящего в движение турбины электрогенераторов.
Фирма Vestingaus занимается топливными элементами на твердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью 25...200 кВт, в которых можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям экспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт. Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью 50 кВт работающие на метаноле с фосфорной кислотой в качестве электролита.
В создание ТЭ включается все больше фирм во всем мире. Американская United Technology и японская Toshiba образовали корпорацию International Fuel Cells. В Европе топливными элементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциум Elenko, западногерманская фирма Siemens, итальянская Fiat, английская Jonson Metju.
Глава 3
СИСТЕМЫ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Наиболее универсальный вид энергии -- электричество. Оно вырабатывается на электростанциях и распределяется между потребителями посредством электрических сетей коммунальными службами. Массовому потребителю безразлично каким током питаются бытовые приборы до тех пор, пока не мигают или не перегорают лампы освещения, телевизор или другие электроприборы.
Повышение грозовой активности, отмеченное в настоящее время, приводит к серьезным последствиям. Попадание молнии в линию электропередач или трансформаторную подстанцию сопровождается электромагнитными импульсами огромной мощности. Они распространяются по всем линиям, включая телефонные и повреждают подключенные устройства.
В сложившихся условиях потребителю самому следует принимать дополнительные меры по защите своего оборудования. Представленный анализ типичных нарушений в сетях электропитания и ряда устройств для защиты оборудования позволяет сделать оптимальный выбор.
Наиболее распространенным устройством нуждающимся в защите является персональный компьютер. Анализ сбоев и неисправностей проведенный IBM показал, что он подвергается более чем 120-ти нежелательным воздействиям в месяц. Это происходит не взирая на то, что современные источники питания обеспечены быстродействующей защитой.
По причине нарушений питающего напряжения в США средние потери рабочего времени составляют 9%. Кроме тривиальной потери данных и периодического "зависания" некачественная электроэнергия отрицательно влияет на работу накопителей информации. Те же проблемы характерны и для таких устройств как факсы, копировальные аппараты и пр.
Кроме оргтехники любое оборудование, простой которого приведет к материальным издержкам, а тем более к угрозе человеческой жизни, должно быть защищено.
Потери времени, вызванные неработоспособностью электронных устройств, обусловлены причинами соотношение которых отражает рис. p014. Среди них нарушения связанные с несоответствием параметров электроэнергии составляют почти половину. Следует отметить, что нарушение электропитания наносит ущерб соизмеримый со стихийными бедствиями.
При неисправностях в сети система защиты отключает потребителей на непродолжительное время (несколько секунд), а затем включает снова. Так возникают "провалы" напряжения. Характерной особенностью настоящего времени является смещение процентного соотношения в сторону полных или кратковременных пропаданий напряжения и мощных импульсных помех в сетях.
Броски напряжения, возникающие при аварийных переключениях и отключениях, вызывают перегрузки электрических приборов многократно превосходящие допустимые. Отключение недопустимо для производств с непрерывным циклом и в первую очередь там, где это сопряжено с угрозой для жизни людей.
Несоответствие параметров электроэнергии приводит к сбоям и преждевременному выходу из строя электронной техники. Наиболее совершенные источники питания электронных устройств работают в интервале напряжений питающей сети от 100 до 275 В при изменении частоты питающего напряжения от 45 до 60 Гц. Однако, при крайних значениях указанного диапазона они перегружены и не могут устойчиво работать продолжительное время.
Традиционно потребители обращают внимание на основные параметры, приводимые изготовителями электрических приборов -потребляемую мощность, величину и частоту питающего напряжения. Несоответствие качества электроэнергии для потребителя незаметно до тех пор, пока прибор не капризничает или не выходит из строя.
Для единичных нагрузок решением тривиальных проблем электроснабжения, связанных с пониженным напряжением, бросками и импульсными помехами, может стать установка стабилизатора напряжения или источника бесперебойного питания (ИБП).
Для распределенных нагрузок общей мощностью до нескольких киловатт удовлетворительным может считаться использование распределенных ИБП с группированием расположенных рядом нагрузок. При больших мощностях использование распределенных ИБП экономически нецелесообразно.
Системы бесперебойного электропитания -- устройства, основной задачей которых является удержание параметров питающего напряжения большой группы оборудования в заданных пределах при отклонениях параметров напряжения электрической сети и, как следствие, защита электронных приборов по цепи питания.
Параметрами, заслуживающими отдельного рассмотрения, являются частота и форма питающего напряжения. Снижение частоты приводит к потерям при передаче электроэнергии (понижение частоты в сети на 0,1% приводит к потере 10% мощности). Отклонение формы напряжения от синусоидальной также вызывает потери.
Мы становимся свидетелями снижения частоты до критической нижней отметки, ниже которой ситуация в сетях становится катастрофической. Процессы отключения при таких авариях становятся неуправляемыми, т.к. отключаются большие группы потребителей и неизвестно на каком из них рассеется огромная энергия запасенная в сети.
Потери возникают как по вине коммунальных служб, так и по вине потребителей. Уменьшить потери и, соответственно, издержки потребителю позволяет применение отдельных ИБП или систем гарантированного электропитания.
3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИСТОчНИКОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ
Исследования AT&T Bell Labs показали, что типичными для сетей являются следующие нарушения:
снижение (провалы) напряжения;
отключение напряжения;
броски напряжения и импульсные помехи;
шумовые помехи.
Наиболее распространенным нарушением является снижение напряжения на величину более 10%. Такие нарушения составляют 87% (см. рис. p015). В индустриальных зонах кратковременное понижение напряжения может быть вызвано включением мощных потребителей. Так пусковые токи асинхронных двигателей в 7...8 раз превосходят номинальные.
Здания старой постройки рассчитывалась на ограниченное потребление электроэнергии. С учетом старения сети в них не соответствуют энерговооруженности современного жилища или офиса. Это приводит к хроническому снижению напряжения в дневное и вечернее время.
Броски напряжения и импульсные помехи -- явление не частое. Они возникают во время работы коммутационной аппаратуры или в моменты атмосферных разрядов. Броски напряжения и импульсные помехи обычно имеют неповторяющийся характер. Возникающие импульсы большой мощности приводят к серьезному повреждению электронных устройств.
Шумовые помехи с большими уровнями -- явление редкое. Они могут быть периодическими и хроническими. Источником шума с широким спектром излучения является электрическая дуга. Периодические шумовые помехи возникают во время сварочных работ. Хронические -- при работе городского электротранспорта.
Практика показывает, что характерными признаками необходимости дополнительных мер защиты оборудования являются:
ограниченная мощность ввода и старая разводка в зданиях старой постройки;
расположение здания недалеко от строительных площадок и маршрутов электротранспорта;
наличие в зданиях мощного индустриального оборудования;
расположение оборудования в сельских районах удаленных от местных подстанций;
расположение оборудования в зоне с повышенной грозовой активностью.
Наиболее простым средством защиты электроприборов потребителя является комбинированное устройство, содержащее фильтр и устройство защиты от перенапряжения в сети. Следует отметить, что фильтр -- устройство симметричное, он подавляет помехи поступающие как из сети, так и от потребителя. Фильтр предназначен для подавления бросков напряжения ограниченной мощности и шумов общего вида.
Степень защиты нагрузки определяется временем срабатывания, диапазоном подавляемых частот, степенью подавления и максимальной энергией подавляемого выброса.
Стабилизаторы напряжения выдерживают в задаваемых пределах только амплитудные значения напряжения. Их следует использовать в тех случаях, когда применение источников бесперебойного питания экономически нецелесообразно. Стабилизатор увеличивает срок службы Ваших приборов и делает их более экономичными.
Название инверторов определяется их функциональным назначением -- способностью преобразовывать постоянный ток в переменный. Их используют как мобильные источники сетевого напряжения в автономных условиях, а в стационарных -- в качестве узлов резервных источников электропитания.
Логическим дополнением электрических сетей являются системы бесперебойного электропитания. Они содержат: фильтры, стабилизаторы, инверторы, аккумуляторные батареи, устройства коммутации и пр.
Устройство, называемое источником бесперебойного электропитания (UPS -- Uninterruptible Power Systems (Supplies)) может обеспечивать электроэнергией целое здание или домашний компьютер. Поэтому их разделяют на источники малой (до единиц киловатт), средней (от единиц до десятков киловатт) и большой мощности (до нескольких мегаватт).
ИБП подключается к сети переменного тока обычного качества и выполняет две функции:
улучшения качества электрического питания;
резервного источника питания.
Больше всего мифов о наилучших принципах работы ИБП распространено продавцами и дистрибьютерами. Нормативные документы, в частности, европейские стандарты EN50091-1 и EN50091-2 не дают определений принципов работы ИБП. Нормируются основные параметры, при соблюдении которых прибор будет соответствовать выбранному стандарту.
Следовательно, определение и классификация принципов работы ИБП предложенная фирмой-изготовителем или дистрибьютером вряд ли может служить критерием выбора того или иного устройства.
Все выпускаемые в мире ИБП по архитектуре построения можно разделить на два класса:
Off-Line (Standby) -- резервные источники;
On-Line (Double conversion) -- источники с двойным преобразованием.
3.1.1. РЕЗЕРВНЫЕ ИБП (OFF-LINE)
Принцип построения резервных Off-Line систем основан на том, что нагрузка изначально подключена к сети (рис. p016). В случае отключения или отклонения параметров сетевого напряжения от заданных, нагрузка переключается и запитывается от инвертора использующего энергию аккумуляторных батарей. Время старта инвертора и переключения нагрузки обычно не превышает 4-х миллисекунд.
Самый большой недостаток Off-Line источников -непосредственное подключение нагрузки к сети. При этом помехи беспрепятственно попадают в нагрузку. Мощность таких источников находиться в пределах от 250 до 2000 BA.
Резервные источники Off-Line получили широкое распространение на нашем рынке благодаря низкой стоимости, простоте эксплуатации, наличию удобного и несложного программного интерфейса и маркетинговой политике известной APC (American Power Conversion).
Интерактивные источники (Line-Interactive)
Разновидностью Off-Line ИБП являются так называемые интерактивные источники бесперебойного питания. Они получили широкое распространение. Отличительными признаками этих моделей (рис. p017) являются:
фильтры;
стабилизатор напряжения;
входной переключатель;
автотрансформатор.
В них усовершенствован инвертор и более развит процессор управления. Инвертор вместо ступенчатого формирует напряжение синусоидальной формы. Наиболее совершенные модели позволяют корректировать амплитуду и форму выходного напряжения.
Дополнительно может устанавливаться разделительный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку нагрузки от сети. Функция переключения обмоток автотрансформатора позволила расширить диапазон входного напряжения ИБП до 165...275 В (функция переключения -- повышение пониженного напряжения (+40В) и понижение повышенного (-40В) переключением обмоток автотрансформатора).