ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ МАКЕТ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ И ДЕМОНСТРАЦИИ РАБОТЫ ПРОТОЧНОЙ РЕДОКС-БАТАРЕИ
FUNCTIONAL LAYOUT FOR STUDYING THE STRUCTURE AND DEMONSTRATING THE OPERATION OF A FLOW REDOX BATTERY

Область техники
Заявленное изобретение относится к обучающему и научно-исследовательскому оборудованию в области альтернативной энергетики и электрохимии и может быть использовано как материальная база для проведения натурных испытаний проточных редокс-батарей в научно-исследовательских центрах (учреждениях), или учебно-методический объект при проведении практикумов и лабораторных работ в образовательных учреждениях в рамках изучения электрохимии, курсов общей химии, физики, физической химии, при знакомстве с принципами распределенной энергетики и сопутствующих им дисциплин. Предлагаемое изобретение обеспечивает широкий круг возможностей по наглядному изучению специфики такого типа химических источников тока (ХИТ), как проточные редокс-батареи (ПРБ), позволяет проводить тестирование ПРБ различной мощности и габаритных размеров с использованием электролитов различного состава, обладает бесшланговым соединением основных функциональных узлов и возможностью автономной работы в виде химического источника тока; знакомит пользователя с внешним видом энергонакопителей данного типа.
Чтобы получать энергию ветра, были придуманы ветряки, лопасти которых, обладая все более и более изощренной формой, вращаются под действием силы ветра. Чтобы получать энергию от водопадов, были придуманы гидротурбины, действующей силой которых является сопротивление потоку воды. В других случаях такое сопротивление создается искусственно строительством дамбы. Чтобы получать энергию солнечного света, были изобретены солнечные батареи. Кроме данных, самых распространенных, видов альтернативных источников энергии существует большое множество других, но особенный подход к способу получения энергии требует особого подхода и к способу ее накопления и хранения. Получение энергии от возобновляемых источников - ветер, вода, солнечный свет и т.п., является вовсе нетривиальной задачей, ведь солнце светит только днем; сила ветра зависит от степени и интенсивности перемешивания и перемещения воздушных, от интенсивности изменения температуры и пр.; горные реки всегда более полноводные зимой, а построить дамбы на каждую из них нет возможности либо по геологическим, либо по иным причинам. Вывод из данных слов понятен - любая форма альтернативной энергии обладает неким процентом непостоянства в своих объемах или возможностях к генерации (солнце светит только днем и т.п.). Для преобразования таких форм энергии в электрическую были созданы проточные редокс-батареи. Данный тип ХИТ обладает возможностью независимого масштабирования энергозапаса, путем изменения объема резервуаров под электролит, и мощности, путем изменения габаритных размеров стека (зарядно-разрядного модуля). Кроме того, данный тип ХИТ обладает возможностью быстро реагировать на перепады в объеме приходящей к преобразованию энергии, а также требуемой к отдаче уже запасенной энергии в виде электричества.
На данный момент общественность лишь начинает набирать знания в области альтернативной энергетики, разумного потребления природных ресурсов, необходимости их экономии и т.п. Особенно важной задачей является достоверно и доступно рассказать о способах накопления энергии от альтернативных источников, о процессах, лежащих в основе этих способов и подходов. Но, учитывая степень и скорость развития технологий, а также новизну самой идеи - проточной батареи, необходимо иметь предмет/оборудование/стенд - функциональный макет, имитирующий данный тип ХИТ. Наглядное пособие привлекает больше внимания, увлекает и придает характерную длительность интереса обучающегося к предмету обучения. Заявленное изобретение дает возможность показать работу реального объекта, имитирующее такой тип ХИТ, как ПРБ, а также самостоятельно поработать с ним, получив полноценную картину для истинного понимания структуры батареи и принципа ее работы. Таким образом, актуальной задачей является создание установки для натурного изучения принципа работы проточных редокс-батарей, их структуры, основных функциональных узлов, без которых ее работа невозможна; реализация данной установки без использования шланговых соединений придает дополнительную безопасность для пользователя, а возможность самостоятельного крепления батареи (стека) к монтажной плите с насосным модулем обеспечивает интерактивность и вовлеченность в процесс изучения. Кроме того, предложенное устройство обладает возможностью автономной работы в качестве химического источника тока в отсутствии каких-либо дополнительных устройств по запасанию резервного количества энергии.
Уровень техники
Актуальной задачей является создание функционального макета для изучения структуры и демонстрации работы проточной редокс-батареи, интегрируемого в среду обучения и одновременно не лишенного уровня научно-исследовательского оборудования, предназначенного для изучения структуры и состава комплекса проточных редокс-батарей, проведения тестирования данного типа ХИТ с различным уровнем имеющихся знаний в области распределенной энергетики (школьник/студент/сотрудник научной организации). Обозначенное устройство должно обладать возможностью сборки воедино различных функциональных узлов, приобретая, при этом, больший интерес у обучающегося; тестирования ПРБ различной мощности, энергоемкости и габаритных размеров; обладать бесшланговым соединением основных функциональных узлов и возможностью автономной работы в виде химического источника тока.
Наиболее и единственным близким к заявленному решению является устройство для изучения ванадиевой редокс-батареи [RU 2710683 С9, 2019], включающее корпус, в котором расположены блок питания, плата управления и редокс-батарея, а также два резервуара для электролита, средство для отображения информации, блок для изменения типа подключения, блок насосов и компрессор. Количество пар разъемов в блоке для изменения типа подключения соответствует количеству мембранно-электродных блоков (МЭБ) в батарее. Выходы каждого из резервуаров посредством трубок соединены последовательно с соответствующим насосом и далее с соответствующими входами в мембранно-электродный блок батареи, а выходы из МЭБ соединены трубками с входом в соответствующий резервуар. Компрессор соединен трубками последовательно с каждым из резервуаров с образованием замкнутого контура. Плата управления электрически скоммутирована с блоком для изменения типа подключения, средством отображения информации, блоком насосов, компрессором, блоком питания и батареей. Недостатком данного устройства является наличие большого количества шланговых соединений и трубок, являющихся местами повышенного риска для протечки и выхода электролита наружу. Кроме того, представленное решение лишает пользователя возможности увидеть реальный внешний вид проточных редокс-батарей, не дает самостоятельно произвести манипуляции по монтажу составных частей воедино. Также, описанное устройство не обладает способностью к автономной работе, будучи, при этом, химическим источником тока. Реализованный внешний вид и исходно собранная воедино конструкция лишает возможности участия пользователя в сборке устройства; исходя из структуры невозможно наглядно понять принцип действия реальных промышленных ПРБ, так как все коммуникации спрятаны внутри корпуса; не прослеживается связь объемов используемого электролита, и, как следствие, исключительность применения в качестве стационарных энергонакопителей, обладающих индустриальным внешним видом.
Раскрытие сущности
Технической проблемой заявленного изобретения является создание функционального макета, предназначенного для изучения комплекса проточных редокс-батарей; состоящего из отдельных функциональных узлов, способных к сборке в единую целостную конструкцию и обеспечивающего возможность тестирования ПРБ (стека) различных габаритных размеров, мощности и энергоемкости, а также работу на различных составах электролитов; соединения основных функциональных узлов должны быть выполнены без использования шлангов, что обеспечит дополнительную безопасность при работе с макетом, исключит возможность протечки. По достижению максимальной степени заряжения батареи, макет должен обладать возможностью автономной работы и одновременно выступать источником энергии. Конструкция должна обеспечивать сборку ее составных частей, что придаст дополнительный интерес у пользователя к участию в процессе изучения такого типа ХИТ, как ПРБ и заставит более полно понять принцип их действия. Размер макета, типы используемых конструкционных материалов должны дать понять, что данный тип ХИТ применяется исключительно в качестве стационарных энергонакопителей. Пропорциональность объема используемого электролита и размера стека обязаны дать понимание размеров реальный систем.
Техническим результатом, достигаемым заявленным изобретением, является создание функционального макета для изучения структуры и демонстрации работы проточных редокс-батарей, состоящий из таких функциональных узлов, как:
1) стек (зарядно/разрядный модуль), выполненный из химически устойчивых материалов, дающих возможность работы на различных системах электролитов;
2) отдельно стоящая монтажная плита с резервуарами под электролит, обладающие рабочим объемом в 1,5 л и выполненная с обеспечением высокой химической устойчивости к реагентам, используемым в составе большинства известных электролитов;
3) насосный модуль, изначально прикрепленный к монтажной плите посредством стяжки, обеспечивающий проток электролита различной интенсивности через стек.
Изначально стек располагается отдельно от собранных вместе монтажной плиты и насосного модуля, что позволяет пользователю произвести манипуляции по самостоятельному креплению стека к плите (посредством стяжки) при помощи фторкаучуковых прокладок. По окончанию проведения процесса заряда батареи, заявленное устройство может выступать в роли источника энергии, обеспечивая энергией, при этом, и себя и потребителя. На самообеспечение макету необходимо около 18 Вт в пиковом потреблении. Остальную мощность может принимать потребитель с рабочим напряжением 12 В и током приблизительно 0,5-1,0 А. Время стабильной работы потребителя будет варьироваться в зависимости от режима его работы (требований).
Технический результат достигается следующим образом. Стек обладает четырьмя удлиненными шпильками, при помощи которых он крепится к монтажной плите с резервуарами под электролит через 4 сквозных отверстия, расположенные в ней. Крепление данных двух функциональных узлов заявленного изобретения производится посредством их стяжки друг к другу 8 гайками. В монтажной плите находятся специальные углубления, к которым подходят каналы с циркулирующим электролитом внутри самой плиты. Сначала укладываются прокладки, выполняющие роль уплотнения прижимного соединения. Затем на них устанавливается стек и прижимается 4 гайками снизу плиты. После небольшого прижима систему проверяют на герметичность, запуская проток дистиллированной воды через весь макет, изначально залитой в резервуары. Как только вода прекращает сочиться из под места прижима стека к монтажной плите, стек прижимают еще 4 гайками сверху плиты, чтобы нивелировать изгиб плиты и скомпенсировать давление. Такой способ крепления стека к разработанной монтажной плите позволяет крепить батарею различного размера, что дает возможность проводить тестирование и исследования ПРБ различной мощности, которая определяется размерами электродной области каждого МЭБ, входящих в состав стека. Энергоемкость определяется объемом заливаемого электролита и концентрацией электроактивного вещества. Тем самым реализована возможность варьирования энергозапаса (энергоемкости) макета. Пользователь может заливать различный объем приготовленного электролита по своей методике, чем будет варьироваться длительность зарядно-разрядного цикла. Концентрация по электроактивному веществу в приготовленном электролите дает возможность менять количество получаемой энергии в единицу времени и различные другие характеристики. Все составные части макета, контактирующие с электролитом, выполнены из высоко химически устойчивых материалов (тефлон, фторкаучук, полиэфирэфиркетон и пр.), что дает возможность работы с различными по своей агрессивности химическими реагентами, входящими в состав электролитов. Как стек, так и насосный модуль крепятся к монтажной плите с резервуарами под электролит при помощи прижимной силы посредством шпилек и гаек. Полностью заряженная батарея обладает рабочим диапазоном напряжения в 8-16 В и способна выдерживать токи до 2 А. Таким образом, заложенной мощности, начиная от состояния полного заряжения батареи, хватает на поддержание работы самого макета (обеспечение работы насосного модуля - 18 Вт) и потребителя с параметрами в 12 В и около 0,5-1,0 А, выступая, при этом, и химическим источником тока. При конструировании предложенного устройства использованы популярные и знакомые в данной области науки и техники конструкционные материалы без какой-либо обработки или упаковывания в корпус. Данная мера предназначена для повышения степени наглядного понимания пользователем структуры и составных частей ПРБ. Макет обладает небольшими габаритными размерами 280*145*375 мм, что дает возможность его быстрого перемещения и использования в любом необходимом и удобном для того месте, правильно оборудованном под работы такого характера. Кроме того, реализация в таких габаритных размерах и весе 4,95 кг рассказывает о том, как оно будет в реальности, если пропорционально увеличить требования к мощностным показателям и энергозапасу. Монтажная плита выполнена прямоугольной формы, то помогает удобно расположить по бокам в ее нижней части резервуары под электролит, а посередине насосный модуль, расположенный строго напротив стека. Такое расположение функциональных узлов делает макет максимально компактным и удобным в использовании.
Конструкция изобретения может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения настоящего описания. Такие изменения не ограничивают объем притязаний и перечислены далее в тексте.
Устройство может быть выполнено различной формы. Так, например, стек может обладать прямоугольной формой, так как большинство промышленных стеков обладают именно такой в силу специфики происходящих процессов на поверхности электродов при превращении химической энергии в электрическую. Кроме того, стек может быть круглой формы.
Верхняя и нижняя части монтажной плиты могут быть из титана, что повысит химическую устойчивость поверхности, но также и вес самого устройства. Фторкаучук, используемый в роли уплотнительного и изолирующего от химически агрессивных реагентов электролита материала, может быть заменен на перфторкаучук или этилен-пропиленовый каучук, что сохранит или даже повысит химическую стойкость, но повысит себестоимость устройства. Тефлон может быть заменен на эбонит или другой схожий по своим свойствам материал. Монтажная плита с резервуарами под электролит может быть выполнена квадратной формы. Резервуары, при этом, могут быть цилиндрическими или квадратными.
Насос в насосном модуле может включать не мембранный двухголовый, а два одноголовых мембранных насоса; также шестеренчатый, центробежный или любой другой тип насоса также может быть использован в качестве перекачивающего устройства. Такая замена повлечет серьезные изменения в конструкции самой монтажной плиты, способе крепления насоса и т.п., но оставляет место быть.
Стек может содержать различное количество мембранно-электродных блоков, начиная от 2. При этом, макет позволяет тестировать и единичные ячейки, так называемые мембранно-электродные блоки. Стек и МЭБ могут иметь совершенно различную форму исполнения (прямоугольную, цилиндрическую, квадратную, как он исполнен в заявленной устройстве или иную), при условии, что столбы, предназначенные для крепления к монтажной плите, имеют аналогичные размер и расположены на том же расстоянии. В противном случае это также повлечет серьезное изменение структуры и устройства монтажной плиты - перемещать принимающие отверстия в плите под стек соосно с новым, отличным исполнением входных и выходных столбов стека, через которые происходит его запитка электролитом.
Заявленное устройство - функциональный макет для изучения структуры и демонстрации работы проточной редокс-батареи. Является материальной базой для ознакомления с основными и обязательными к наличию функциональными узлами такого типа энергонакопителя, а также для проведения научно-практических и лабораторных работ в рамках различных преподавательских курсов по ознакомлению с ХИТ в области распределенной энергетики. С целью повышения интереса к предмету изучения, реализовано с возможностью самостоятельного крепления стека к монтажной плите с резервуарами под электролит и насосным модулем. Также предназначено для проведения натурных испытаний проточных редокс-батарей на различных по составу электролитах объемом до 1,5 л на один бак и общим объемом 3 л. Устройство может работать автономно и, одновременно с этим, выступать в роли химического источника тока для потребителя с требованиями по напряжению в 12 В и току в 0,5 - 1,0 А от состояния заряжения батареи, приближенного к максимальному.
Опционально может быть реализована возможность крепления серии стеков различной мощности и габаритных размеров, формы.
Стенд может (помимо образовательных функций) встраиваться в интерактивные макеты городов и других инфраструктурных объектов, выполняя функцию прототипа стационарного накопителя энергии и в автономном режиме отдавать энергию по необходимости.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает широкие функциональные возможности учебно-методического оборудования, функционального макета для изучения структуры и демонстрации работы проточной редокс-батареи.
Краткое описание чертежей
Заявленное изобретение поясняется рисунками, где на фиг.1 - изображение собранного воедино функционального макета; на фиг.2 - изображение зарядно-разрядного модуля (стека); на фиг.3 - верхняя часть монтажной плиты; на фиг.4 - сопутствующие материалы к функциональному макету.
Осуществление изобретения
Ниже представлено более подробное описание заявляемого изобретения «макета», не ограничивающее его сущность, представленную в независимом пункте формулы, а лишь демонстрирующее возможность реализации назначения с достижением заявленного технического результата.
Предлагаемое изобретение состоит из монтажной плиты (1) с резервуарами под электролит (2), которые крепятся между слоями листовых материалов, входящих в состав монтажной плиты: дюралевых пластин (3) и (4), фторкаучуковых прокладок (5) и (6), а также тефлоновой пластиной (7). Достижение герметичного крепления резервуаров (2) и всей конструкции в целом происходит при помощи винтов (8) и гаек (9), расположенных по периферии и в центральной части плиты. К нижней ее части крепится насосный модуль, имеющий в составе сам насос (10), две ромбовидные дюралевые пластины (11), а также цилиндры (12). Крепление производится при помощи гаек (13) и шпилек (14), расположенных в нижней части насосного модуля. Внутри резервуаров (2) расположены трубки из поливинилиденфторида (15), вкрученные в нижнюю часть монтажной плиты (1). Изоляция электролитов от кислорода воздуха происходит при помощи закрытия резервуаров крышками (16). Стек (17) вставляется узкой частью питающих столбов (18) в специальные пазы (19), расположенные в центральной части монтажной плиты (1). После этого, при помощи гаек (9) и четырех удлиненных шпилек (20), стек прижимается к монтажной плите (1) перекрестным затягиванием гаек (9), расположенных снизу плиты. Затем аналогичными гайками притягивается сверху. Герметизация места контакта стека (17) и монтажной плиты (1) производится при помощи фторкаучуковых прокладок (21), вкладываемых заведомо в пазы (19). Движение электролита осуществляется при помощи насоса в направлении: из резервуара, через тефлоновую пластину в стек и обратно в тот же резервуар. Аналогичную схему движения имеет и электролит, расположенный в другом резервуаре.
Макет безопасен в использовании, обладает небольшими габаритными размерами (280*145*375 мм) и малым весом (4,95 кг), что никак не ограничивает пользователя в его перемещении и применении в различных по своей специфике местах и областях.
Предлагаемое изобретение можно использовать при проведении различных научно-практических и лабораторных работ, воркшопов. Макет дает возможность исследовать функциональные возможности стеков (зарядно-разрядных модулей / батарей МЭБ) различной мощности, и, как следствие, габаритов. Обладает возможностью выступать химическим источником тока при самообеспечении, запитывая потребителя с параметрами до 12 В и 1 А в течение некоторого времени (в зависимости от различных факторов: концентрации электроактивного компонента электролита, точных требованиях потребителя, их постоянства и т.п.). Позволяет подключение различных установок и приборов для тестирования ХИТ (потенциостаты-гальваностаты / станции для тестирования батарей и пр.). Обладает рабочим диапазоном по напряжению в 8-16 В и выходной мощностью в 12 Вт в условиях самообеспечения на 18 Вт в пиковом потреблении.
На предлагаемом изобретении возможно проведение таких воркшопов, научно-практических и лабораторных работ, как:
1) проведение циклических зарядно-разрядных испытаний «макета» (ресурсных испытаний);
2) изучение процесса заряжения электролита (батареи/стека) гальвано- и потенциостатическим методами, а также комбинацией данных методов;
3) изучение влияния концентрации электроактивного вещества на энергоемкость, длительность цикла заряда-разряда и вытекающие из этого следствия;
4) изучение влияния скорости протока электролита на основные показатели ПРБ: КПД по энергии/заряду/напряжению;
5) снятие вольт-амперной характеристики (ВАХ) стека при степени заряжения батареи 50 и (или) 100%;
6) изучение влияния различия требований потребителя на время работы батареи в режиме самообеспечения;
7) проведение мероприятий по популяризации такой области научной деятельности, как альтернативная энергетика и хранение энергии от возобновляемых энергоресурсов;
8) исследование процесса распределения потенциала по всем МЭБ, входящих в состав стека.