УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ELECTRIC POWER ACCUMULATION DEVICE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к источникам питания, которые могут быть использованы совместно с солнечными батареями, ветрогенераторами, для выравнивания пиков потребления электросетей.
Известна свинцовая аккумуляторная батарея (патент на изобретение №2299501, МПК Н01М 10/18, приоритет от 11.01.2006), содержащая корпус, свинцовые электроды, кислотный электролит. Недостатком данного устройства, как и всех свинцовых аккумуляторов, является загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для накопления электрической энергии (журнал Радио, №6 от 1955 г., стр.51-52) выполненное в виде газового аккумулятора, содержащего корпус, электроды, выполненные из активированного угля, погруженные в электролит, представляющий собой водный раствор хлорида натрия. По сравнению со свинцовыми аккумуляторами данный аккумулятор, благодаря использованию в качестве материала электродов активированного угля, а в качестве электролита - водного раствора поваренной соли, наносит минимальный ущерб окружающей среде. Недостатками указанного аккумулятора является засорение электродов, приводящее к снижению электрической емкости, а также деградация электролита. В результате ресурс подобных аккумуляторов составляет порядка 100 циклов. Ограниченность ресурса не позволяет использовать данный аккумулятор в промышленных масштабах.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание устройства для накопления электрической энергии с длительным ресурсом работы при минимальном загрязнении окружающей среды.
Технический результат достигается тем, что устройство для накопления электрической энергии, содержащее газовый электрический аккумулятор, включающий корпус, электроды, разделенные сепаратором, выполненные из токопроводящего адсорбента, погруженные в раствор электролита, токосъемники, согласно изобретению снабжено зарядным преобразователем, выполненным с возможностью изменения полярности зарядного тока, подключенного к электродам. Кроме того, оно может быть снабжено разрядным преобразователем, подключенным к аккумулятору. Зарядный и разрядный преобразователи могут быть выполнены в виде одного блока с использованием двунаправленных ключей. Причем электроды могут занимать весь объем корпуса. В качестве электролита может быть использован водный раствор хлорида натрия. В качестве материала электродов могут быть использованы активированный уголь, либо активированная сажа, либо активированный графит, либо коллоидный углерод, либо пироуглерод, либо их смеси. Над электродами возможно размещение адсорбента, отделенного от электродов сепаратором. Корпус аккумулятора может быть снабжен предохранительным клапаном. В корпусе аккумулятора может быть выполнено одно или несколько отверстий с крышками. Устройство может быть снабжено датчиками, которые могут быть связаны с сервисной службой. Корпус аккумулятора может быть снабжен нагнетающим клапаном, связанным с насосом.
Изобретение поясняется чертежами
где на фиг.1 представлена схема устройства для накопления электрической энергии; на фиг.2 представлена схема газового электрического аккумулятора; на фиг.3 представлена схема устройства с зарядным и разрядным преобразователем; на фиг.4 представлена схема устройства с единым зарядно-разрядным преобразователем; на фиг.5 представлена блок-схема зарядно-разрядного преобразователя, выполненного с применением двунаправленных ключей.
Устройство для накопления электрической энергии содержит зарядный преобразователь 1, подключенный с одной стороны к источнику питания, с другой стороны - к аккумулятору 2.
Аккумулятор 2 содержит корпус 3 с размещенными в нем электродами 4 и 5. В качестве материала электродов 4, 5 должен быть использован адсорбционный токопроводящий материал, например активированный уголь, либо активированная сажа, либо активированный графит, либо коллоидный углерод, либо пироуглерод, либо их смеси. Электроды 4, 5 могут занимать весь внутренний объем корпуса. Вывод электроэнергии осуществляется через токосъемники 6 и 7. Для устранения утечек газа над электродами размещен адсорбент 10. Электроды 4, 5 отделены друг от друга, а также от адсорбента 10 сепараторами 8 и 9. Корпус 3 аккумулятора 2 заполнен электролитом 11, например водным раствором хлорида натрия. Для залива и слива электролита 11 в корпусе 3 аккумулятора 2 выполнены отверстия 12, 13 с крышками. Для контроля работы аккумулятора 2 в нем установлены датчики 14. Для обеспечения продолжительной и безопасной работы аккумулятора 2 датчики 14 связаны с сервисной службой. На корпусе 3 аккумулятора 2 установлен предохранительный клапан 15. Для улучшения адсорбции в аккумуляторе 2 может создаваться повышенное давление с помощью нагнетающего клапана 16, соединенного с насосом 17. Напряжение с аккумулятора 2 может сниматься как напрямую, так и через разрядный преобразователь 18 (фиг.3). Если преобразователи выполнить с применением двунаправленных ключей, то зарядный 1 и разрядный 18 преобразователи можно совместить в один зарядно-разрядный преобразователь 19 (фиг.4). В случае работы зарядно-разрядного преобразователя 19 в однофазной сети и использования транзисторов с изолированным затвором, зарядно-разрядный преобразователь 19 может быть выполнен, например, по блок-схеме, представленной на фиг.5. Зарядно-разрядный преобразователь 19 состоит из фильтров 20, 21, 22, пар двунаправленных ключей 23-24, 25-26, 27-28, трансформатора 29 и блока управления 30. При этом зарядно-разрядный преобразователь 19 может также выполнять функции стабилизатора напряжения.
2
2
2
Работа устройства осуществляется следующим образом: напряжение от источника энергии преобразуется преобразователем 1 заряда в зарядный ток, поступающий через токосъемники 6 и 7 в электроды 4 и 5. Под действием электрического тока в электролите 11 идет процесс электролиза. Раствор электролита 11 разлагается на газы. В случае применения в качестве электролита 11 раствора хлорида натрия получаемые водород и хлор адсорбируются поверхностью электродов 4 и 5, а в электролите 11 накапливается гидроксид натрия (NaOH) согласно химической реакции: 2NaCl+2НО↔Н+Cl+2NaOH. Площадью поверхности электродов 4, 5 определяется емкость аккумулятора. При разряде аккумулятора газы выделяются из электродов 4 и 5 и, соединяясь с гидроксидом натрия (NaOH), снова образуют раствор хлорида натрия. При этом на электродах 4, 5 могут осаждаться водонерастворимые соли (например, соли кальция и др.), содержащиеся в угле и электролите 11, уменьшая полезную площадь электродов 4, 5 и снижая электрическую емкость. Кроме того, водород удерживается углем значительно хуже хлора, и после разряда аккумулятора 2 часть хлора остается в электроде 4 (5). При смене полярности остатки газов устремляются из электродов 4, 5 наружу, где они встречаются с другим газом, который начинает образовываться в процессе электролиза. Реакция между газами приводит к образованию соляной кислоты, которая растворяет водонерастворимые соли, очищая тем самым электроды 4, 5. Часть газов, образующихся в процессе электролиза, выделяется с поверхности электродов 4, 5 и скапливается под крышкой корпуса 3. Чтобы избежать их утечки, и, как следствие, деградации свойств электролита 11, над электродами 4, 5 может быть расположен дополнительный слой адсорбента 10, например активированного угля. Впитывая поочередно (при смене полярности) разные газы, в нем происходит химическая реакция с образованием соляной кислоты, которая нейтрализуется щелочью, образующейся при электролизе. Получающийся раствор хлорида натрия снова используется в процессе электролиза. Величина адсорбции зависит от давления. Повысить значение адсорбции и тем самым повысить емкость аккумулятора 2 можно, увеличивая давление внутри корпуса 3, для чего можно использовать насос 17 совместно с нагнетающим клапаном 16. Для контроля параметров аккумулятора в нем могут быть установлены датчики 14, измеряющие основные параметры работы аккумулятора 2, такие как температура, давление, значение РН, количество срабатываний предохранительного клапана, уровень электролита. В случае перезаряда аккумулятора 2, например при выходе из строя зарядного преобразователя 1, или выхода из строя датчика 14 давления, может сверх допустимого значения повыситься давление газа внутри корпуса 3. Для предотвращения разрыва корпуса 3 может быть установлен предохранительный клапан 15. Информация от датчиков 14 может быть передана в сервисную службу для оценки потребности в профилактических либо ремонтных работах, что положительно скажется на безопасности и сроке службы устройства.
Работа зарядно-разрядного преобразователя 19 осуществляется следующим образом: в зависимости от режима работы (заряд, разряд, стабилизация) напряжение через фильтры 20, 21, 22, устраняющие паразитные гармоники и обеспечивающие необходимый импеданс, подается через пару из симметричных двунаправленных ключей 23-24, 25-26, 27-28, преобразующих входное напряжение в напряжение переменного тока высокой частоты, преобразуемое трансформатором 29 и выпрямляемое синхронным выпрямителем, выполненным другой из пар симметричных двунаправленных ключей 23-24, 25-26, 27-28 и сглаженное одним из фильтров 20, 21, 22, подается в нагрузку. В зависимости от того, какая из пар ключей работает в режиме преобразования напряжения в высокочастотное, а какая - в режиме синхронного выпрямления, реализуются функции заряда, разряда аккумулятора, а также стабилизации выходного напряжения. Ключи управляются блоком управления 30, включающим в свой состав датчики напряжения, тока, температуры, управляющую логику и формирователи напряжений управления ключами. К блоку управления могут подводиться сигналы от датчиков аккумулятора, обеспечивающие контроль над его состоянием, включая измерение температуры, давления, РН и др.
Устройство для накопления электрической энергии способно без последствий переносить глубокие разряды, быстрый заряд повышенным током, имеет простую конструкцию, низкую стоимость используемых материалов. Его ресурс составляет несколько тысяч циклов.
Устройство может найти применение в составе установок альтернативной электроэнергетики совместно с солнечными батареями, ветрогенераторами и др., а также для выравнивания пиков потребления электрической мощности потребителями электрических сетей, что повысит эффективность использования существующих электростанций, линий электропередач, позволит снизить дефицит электрической энергии, избежать веерных отключений электропотребителей.