СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ В ГИБРИДНОЙ УСТАНОВКЕ
METHOD OF ENERGY GENERATION IN HYBRID PLANT

Изобретение относится преимущественно к способам преобразования энергии углеводородного топлива (нефтепродукты, природный или синтез-газ, водород) в механическую (электрическую) преимущественно к транспортным энергетическим установкам и системам энергообеспечения на их основе и предназначено для транспортных средств, снабженных электро- или гибридным приводом.
Известны способы преобразования энергии углеводородного топлива (нефтепродукты, природный или синтез-газ, водород) в механическую (электрическую), в том числе, в транспортных энергоустановках, преобразующих первичную энергию в электрическую, которая запасается в электроаккумуляторах и затем по необходимости служит приводом движителя транспортных средств. Значительный потенциал имеют гибридные энергоисточники, которые выгодно использовать при постоянной нагрузке, в то время как транспортное средство движется неравномерно, что требует изменения мощности. Из особенностей работы транспортных энергогенерирующих систем известна проблема увеличения эффективности энергоисточника при работе на переменной мощности. Таким образом, возникает задача создания способов преобразования энергии, энергоаккумулирующих установок и систем, способных обеспечивать высокую эффективность генерации энергии в требуемом по условиям потребления неравномерном режиме вне зависимости от графика выработки первичной энергии.
В частности, предложен способ генерации энергии в гибридной силовой установки, содержащей первый накопитель энергии, работающий для поддержания рабочей мощности по меньшей мере одного мотора с фрикционной передачей; второй накопитель энергии, электрически соединенный с первым накопителем энергии и мотором с фрикционной передачей, при этом второй накопитель энергии работает для поддержания рабочей мощности по меньшей мере одного мотора с фрикционной передачей для пополнения мощности, взятой из первого накопителя энергии; и вспомогательную силовую установку, которая содержит топливный элемент и работает для заряда первого накопителя энергии (патент №2389618, оп. 20.05.2010, заявка РФ на изобретение №2007103167, дата публикации 2008.08.10). Недостатком данного способа и устройства является низкий КПД, связанный с потерями энергии при работе накопителя.
Известна движительная система, содержащая электродвигатель, который действует, чтобы производить механическую мощность для движения и чтобы генерировать электрическую мощность в течение динамического торможения электродвигателя; модуль накопления энергии, который действует, чтобы снабжать электродвигатель мощностью для выработки механической мощности для движения и чтобы получать электрическую мощность от электродвигателя в течение динамического торможения электродвигателя; и переключатель, который действует, чтобы выборочно соединять модуль накопления энергии с электродвигателем на основании рабочего параметра движительной системы (патент №2397076 оп. 20.08.2010 Бюл. №23, заявка РФ на изобретение №2007103196, дата публикации 2008.08.10). Недостатком данного способа и устройства также является низкий КПД.
Известен способ генерации энергии в гибридной силовой установке, содержащей систему электрических аккумуляторных батарей, установленную на внедорожном транспортном средстве с гибридной энергетической установкой, включающем в себя колеса для опоры и перемещения транспортного средства, генератор электрической мощности, двигатель, приводящий в действие генератор электрической мощности, и тяговые электродвигатели для привода этих колес, причем электрическая мощность, сгенерированная на этом транспортном средстве, аккумулируется в выбранные моменты времени в системе электрических аккумуляторных батарей и выдается из системы электрических аккумуляторных батарей для передачи тяговым электродвигателям с целью приведения в движение этого транспортного средства, причем эти транспортное средство и система батарей подвергаются воздействию окружающей среды, при этом система аккумуляторных батарей содержит множество батарей для аккумулирования и высвобождения электрической мощности, причем каждая батарея создает внутреннюю рабочую температуру батареи, которая превышает самую высокую температуру окружающей это транспортное средство среды; и систему охлаждения, отдельную от системы охлаждения двигателя и выполненную с возможностью регулирования температуры упомянутого множества батарей (патент №2388624 оп. 10.05.2010 Бюл. №13 - прототип). Недостатком способа является низкий КПД, связанный с затратами энергии и потерями напряжения батареи при недостаточном ее разогреве, а также сниженные динамические и маневренные возможности генерации энергии и надежность работы, ухудшенные экономические показатели энергоустановки и систем энергообеспечения на ее основе.
Задача изобретения - создать способ генерации энергии в гибридной энергоустановке, в котором повышены динамические и маневренные возможности генерации энергии, ресурс и надежность работы энергоустановки, снижен расход топлива, улучшены экономические показатели энергоустановок и систем энергообеспечения.
Поставленная задача решается тем, что предложен способ генерации энергии в гибридной энергоустановке, включающей тепловой двигатель, приводящий в действие генератор электрической энергии, которую аккумулируют в выбранные моменты времени в аккумуляторной батарее и выдают из них внешнему потребителю, при этом, по меньшей мере, часть продуктов сгорания, выходящих из двигателя, подают для нагрева аккумуляторной батареи.
Кроме того:
- в аккумуляторной батарее, по крайней мере, один из электродов или электролит используют в расплавленном состоянии.
- подвод тепла к аккумуляторной батарее осуществляют с помощью циркуляции расплавленного теплоносителя, в качестве которого используют материал одного из электродов или электролит.
- осуществляют циркуляцию расплавленного электрода или электролита аккумуляторной батареи, удаляя при этом побочные продукты электрохимической реакции.
- в качестве одного из электродов или электролита аккумуляторной батареи используют щелочной металл или его соединение.
- материал электрода или электролита аккумуляторной батареи выбирают из ряда, содержащего литий, калий, натрий или их соединения с серой, фосфором, хлором, фтором, алюминием, кислородом.
- осуществляют циркуляцию расплавленного электрода или электролита аккумуляторной батареи и регулируют циркуляцию электрода или электролита аккумуляторной батареи в зависимости от потребности в энергии или допустимой скорости разогрева топливного элемента.
- осуществляют циркуляцию электрода или электролита аккумуляторной батареи с помощью магнитогидродинамического насоса или естественной циркуляции.
На фигуре дана общая схема выполнения гибридной энергоустановки, где 1 - тепловой двигатель, 2 - генератор, 3 - электрические проводники, 4 - аккумуляторная батарея, 5 - продукты сгорания, 6 - теплообменник, 7 - циркулирующий теплоноситель, 8 - анод, 9 - электролит, 10 - катод, 11 - клемма аккумуляторной батареи, 12 - потребитель энергии.
В излагаемом примере осуществления изобретения в качестве аккумуляторной батареи 4 применяется натрий-серная батарея, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам электрохимического аккумулирования электроэнергии, с возможностью нагрева аккумуляторной батареи продуктами сгорания 5, выходящими из теплового двигателя транспортных или стационарных гибридных энергоустановок.
Способ осуществляется следующим образом.
Тепловой двигатель 1 вырабатывает в электрогенераторе 2 электроэнергию, которая передается по электрическим проводникам 3 аккумуляторной батарее 4. Выходящие из теплового двигателя 1 продукты сгорания 5 подают на охлаждение, которое производится путем нагрева в теплообменнике 6 циркулирующего теплоносителя 7. В аккумуляторной батарее 4 расплавленный жидкий натрий анода 8 отделен электролитом 9 от объема, занимаемого расплавленной жидкой серой катода 10. При подводе по электрическим проводникам 3 электроэнергии к клеммам 11 аккумуляторной батареи 4 производят электрохимическую реакцию, включающую:
0
+
На аноде: 2Na→2Na+2е-
0
=
На катоде: S+2е-→S
0
0
+
Общая реакция: 2Na+S→2 Na+S=
2
4
cell
+
2Na+4S→NaS (расплавленные сера катода 10 и натрий анода 8 на катоде и аноде, соответственно, вступают в реакцию, при которой через твердооксидный электролит 9 идут ионы натрия Na, что создает ЭДС на клеммах E~2 В). В варианте применения расплавленного электролита 9 создают электрохимические системы, ЭДС которых заведомо больше 1,48 В, т.е. выше напряжения разложения воды.
В режиме разряда аккумуляторной батареи 4 электроэнергия поступает к потребителю 12, а в режиме заряда аккумуляторной батареи 4 электроэнергия запасается в расплавленных сере и натрии на катоде 10 и аноде 8, соответственно.
Для подержания серы, натрия и продуктов их реакции (полисульфидов натрия) в расплавленном состоянии в аккумуляторной батарее 4 поддерживают температуру выше точки плавления наиболее тугоплавкого из этих материалов, как правило, выше 350°C. Температуру в аккумуляторной батарее 4 поддерживают за счет принудительного или естественного перемещения циркулирующего теплоносителя 7, который может нагреваться в теплообменнике 6 или, в режиме выделения в аккумуляторной батарее 4 избыточного тепла, например, в режиме ее заряда, может охлаждаться окружающей средой (на фигуре не показано). При использовании в качестве циркулирующего теплоносителя 7 жидкого металла циркуляцию целесообразно осуществлять с помощью магнитогидродинамического насоса (на фигуре не показан).
В качестве расплавленного теплоносителя 7 могут использовать материал одного из электродов (8, 10) или электролит 9.
В тракте циркуляции электрода (8, 10) или электролита 9 аккумуляторной батареи 4 осуществляют удаление нежелательных побочных продуктов электрохимической реакции (на фигуре не показано), что позволяет повысить эффективность аккумуляторной батареи 4, уменьшить падение ее вольт-амперных характеристик, снизить перенапряжение на катоде и аноде.
В качестве одного из электродов (8, 10) или электролита 9 аккумуляторной батареи 4 используют щелочной металл или его соединение. Могут использоваться вещества из ряда, содержащего литий, калий, натрий или их соединения с серой, фосфором, хлором, фтором, алюминием, кислородом. В частности, на аноде 8 может применяться литий, на катоде 10 - сера, а, в качестве электролита 9 - расплавленная эвтектическая смесь LiCl и KO, при использовании которой возможно реализовать гравитационное разделение активных масс за счет меньшей плотности лития в сравнении с серой.
2
2
4
Возможен вариант аккумуляторной батареи 4 с активными массами на основе литий-алюминиевого сплава (-) и сульфида железа (+). Электролит 9 может содержать смесь пероксида калия KO и LiCl, таким образом создают электрохимическую систему с ЭДС 1,33 В и теоретической удельной энергией 458 Вт·ч/кг. Применение в качестве материала анода интерметаллического сплава лития и алюминия с температурой плавления около 600°C позволяет в области содержания лития в сплаве 10-45% обеспечить поддерживать практически постоянным электрохимический потенциал сплава (+0,3 В против обратимого литиевого электрода), что позволяет иметь пологую разрядную характеристику электрода. Катод может быть изготовлен прессованием на железный токоподвод сульфида железа и графита с добавкой сульфида меди. Применение в качестве материала сепаратора нитрида бора (BN) или окиси иттрия может быть для улучшения смачиваемости добавлением в сепараторную матрицу LiAlCl. Модификацией описанной аккумуляторной батареи 4 является аккумулятор на базе электрохимической системы
4
2
2
LiSi+FeS→2LiS+Fe+Si
Существенным отличием данной аккумуляторной батареи 4 является более высокая удельная энергия (944 Вт·ч/кг). Реакция электрохимической системы:
4
2
LiSi|KCl-LiCl|FeS
2
2
8
Поскольку основным препятствием для увеличения электрического ресурса аккумуляторной батареи 4 являются короткие замыкания, например, вследствие механического прорастания железа при заряде и агломерация литий-алюминиевого сплава, а при разряде образуется ряд промежуточных соединений LiSi, LiSi и т.д., равновесные потенциалы которых сравнительно мало отличаются друг от друга, обусловливая пологую разрядную характеристику аккумуляторной батареи 4, паразитные соединения могут удаляться в тракте циркулирующего теплоносителя 7, если используется, например, в качестве электролита 9 - расплавленная эвтектическая смесь LiCl и KO.
3
-1
-1
-1
-1
В соответствии с правилом Вальдена-Писаржевского для жидких электролитов 9 произведение вязкости и удельной проводимости является постоянной величиной для данного вещества, не зависящей от растворителя, что является одним из преимуществ изобретения: электропроводность расплавленных солей намного выше проводимости водных растворов и, например, для смеси KCl+TiCl при 800°C достигает 100-500 Ом·м, в то время, как удельная электропроводность водного раствора хлорида калия не превышает 30 Ом·м. Сопротивление электролита 9 может быть снижено как снижением его толщины, так и повышением температуры за счет снижения вязкости. Например, для натрий-серной аккумуляторной батареи 4 зависимость падения напряжения на электролите 9 имеет следующий характер:
Температура (°C)
350°C
25°C
Толщина (мм)
1.00
Электропроводность (См/см)
0.246
0.004
Удельное сопротивление (Ом·см<sup>-2</sup>)
0.406
24.82
Падение напряжения, В (7.5 кА/м<sup>2</sup>)
0.304
18.62
Таким образом, для выхода и поддержания рабочего режима аккумуляторной батареи 4 необходимо достичь требуемой температуры. В известных способах для разогрева аккумуляторной батареи 4 до рабочей температуры электронагревателю требуется около суток, после чего поддерживается температура на рабочем уровне (выше 270°C) за счет энергии аккумуляторной батареи 4. Согласно изобретению часть продуктов сгорания, выходящих из двигателя, подают для нагрева аккумуляторной батареи до рабочей температуры, что снижает потери энергии и уменьшает расход топлива и время запуска гибридной энергоустановки.
Поскольку при разряде выделяется около 10% от выдаваемой энергии, что требует охлаждения аккумуляторной батареи 4 до температуры ниже максимальной рабочей (350°C), то регулируют циркуляцию электрода (8 или 10) или электролита 9 аккумуляторной батареи 4 в зависимости от потребности в энергии гибридной энергоустановки или допустимой скорости разогрева аккумуляторной батареи 4.
Таким образом, указанный способ позволит повысить динамические и маневренные возможности генерации энергии, ресурс и надежность работы энергоустановки, снизить расход топлива, улучшить экономические показатели энергоустановок и систем энергообеспечения - задача изобретения.