УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРЫ И ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ВАНАДИЕВОЙ РЕДОКС-БАТАРЕИ
DEVICE FOR STUDYING THE STRUCTURE AND OPERATING PRINCIPLE OF A VANADIUM REDOX BATTERY

Изобретение относится к обучающему оборудованию в области энергетики и электрохимии и может быть использовано как наглядно-методическое пособие для проведения лабораторно-практических занятий в образовательных учреждениях при изучении курса химии, электрохимии и альтернативной энергетики. Заявленное устройство является тренажером для работы с проточной ванадиевой редокс-батареей.
Одним из преобладающих направлений развития современной энергетики, является, так называемая, «зеленая энергетика». В процессе работы соответствующих энергетических установок не происходит загрязнения окружающей среды.
«Зеленая энергетика» при всех своих преимуществах, имеет один серьезный недостаток - нестабильное количество вырабатываемой энергии. Для обеспечения бесперебойной работы электросети требуются устройства для промежуточного хранения значительного количества электроэнергии. Одним из решений является система хранения электроэнергии на основе технологии, известной как проточная редокс-батарея, использующая жидкий электролит в качестве энергоносителя, например, раствор солей ванадия в кислой среде.
Однако, эксплуатация этих устройств требует особых знаний и навыков, которые в настоящее время плохо развиты у потребителей. В связи с этим, необходимо дополнительное освещение в образовательных программах или наглядных пособиях принципа работы ванадиевой редокс-батареи. Это особенно важно для начинающих специалистов (в частности, студентов).
Из уровня техники не выявлено устройств (стендов) для визуализации процессов, протекающих при работе ванадиевой редокс-батареи.
Техническим результатом, на который направлено заявленное изобретение, является обеспечение широких функциональных возможностей учебно-методического оборудования, а именно стенда для изучения структуры и принципа действия ванадиевой редокс-батареи.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для изучения ванадиевой редокс-батареи включает корпус, в котором расположены блок питания, плата управления два резервуара для электролита (анолита и католита соответственно), средство для отображения информации, блок для изменения типа подключения, блок насосов, компрессор и электрохимический генератор (ЭХГ), представляющий собой проточную редокс-батарею (стэк), состоящую из мембранно-электродных блоков. Количество пар разъемов в блоке для изменения типа подключения соответствует количеству мембранно-электродных блоков (МЭБ) в ЭХГ (в батарее). Выходы каждого из резервуаров посредством трубок соединены последовательно с соответствующим насосом и далее с соответствующими входами в МЭБ ЭХГ (батареи), 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 (связана проводным соединением) с блоком для изменения типа подключения, средством отображения информации, блоком насосов, компрессором, блоком питания и батареей. Через блок изменения типа подключения можно подключать выбранное количество МЭБ к плате управления как последовательно, так и параллельно.
Устройство также может содержать средство для ввода данных. Такое средство может быть выполнено в разных вариациях. Так, например, оно может быть выполнено в виде энкодера, отдельного блока, например, клавиатуры, или же функции указания и ввода на сенсорном экране (touch-экран), или же мышь, подключенная через USB-порт.
Между насосом и МЭБ может быть установлен разветвитель потоков.
Устройство также может быть снабжено индикатором напряжения.
Также устройство может дополнительно содержать порт для подключения внешней нагрузки, который необходим для подключения внешних устройств или преобразователей напряжения и тока.
Учебно-методический стенд, имитирующий работу проточной редокс-батареи, разработан для понимания специфики работы батареи в штатном режиме и при возникновении внештатных ситуаций, а также для обучения приемам работы и развития навыков управления и контроля в результате непрерывного интерактивного взаимодействия обучающихся с элементами управления, индикацией, сигнализацией и имитацией редокс-батареи.
Заявленное устройство - образовательный интерактивный стенд «Ванадиевая редокс-батарея» служит наглядной демонстрацией экологически безопасной технологии накопления больших объемов электроэнергии. В образовательных и практических целях, на стенде обеспечена возможность подключения мембранно-электродных блоков по параллельной или последовательной схеме, что позволяет управлять значениями разрядного тока и напряжения.
Опционально в стенде может быть реализована возможность контроля состава электролита методами фотометрии.
Стенд может (помимо образовательных функций), встраиваться в интерактивные макеты городов и других инфраструктурных объектов, а также использоваться в качестве интерактивной стационарной зарядной станции для устройств с различной потребляемой мощностью. Стенд может эффективно работать в паре с возобновляемыми источниками энергии, обеспечивая бесперебойное электроснабжение.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает широкие функциональные возможности учебно-методического оборудования (стенда «Ванадиевая редокс-батарея»).
Предложенное изобретение иллюстрируется графическими материалами, где на Фиг. 1 представлен общий вид заявленного устройства (стенда);
На Фиг. 2 - вид спереди (вариант исполнения);
На Фиг. 3-схематично показано движение жидкостей (анолит и католит);
На Фиг. 4 - схематично показано движение воздуха.
Заявленное устройство для изучения структуры и принципа действия ванадиевой редокс-батареи включает корпус 1, в котором размещены блок питания (на чертеже не указан), плата управления (не указана), электрохимический генератор 2 (редокс-батарея из МЭБ), два резервуара 3 и 4, один из которых предназначен для анолита, а другой для католита, средство 5 для отображения информации, блок 6 для изменения типа подключения, блок насосов 7, необходимый для перекачки электролита и компрессор 11, позволяющий прогонять воздух через резервуары 3 и 4 с электролитом, перемешивая его.
Выход резервуара 3 для анолита посредством трубок соединен последовательно с одним из насосов 7а и далее напрямую или через разветвитель потоков 8а с соответствующим входом в анодное пространство МЭБ ЭХГ 2, выход из анодного пространства МЭБ ЭХГ соединен трубкой с входом резервуара 3 для анолита. Выход резервуара 4 для католита посредством трубок соединен с другим насосом 7б и далее напрямую или через разветвитель потоков 8б с соответствующим входом в катодное пространство МЭБ ЭХГ 2, а выход из катодного пространства МЭБ соединен трубкой с входом резервуара 4 для католита. Компрессор 11 соединяют трубками последовательно с резервуарами 3 и 4 для анолита и католита с образованием замкнутого контура. Воздух прокачивается по трубкам 12, установленным внутри резервуаров.
Количество пар разъемов в блоке для изменения типа подключения соответствует количеству МЭБ в ЭХГ (в батарее).
Так, например, ЭХГ, состоящий из четырех МЭБ может выдавать напряжение от 5 до 10 Вт.
Мощность определяется габаритами батареи из МЭБ.
Средство отображения информации 5 необходимо для обеспечения наглядности происходящих процессов в работе предлагаемого устройства.
Позицией 9 обозначен индикатор напряжения, а позицией 10 обозначено отдельно стоящее средство для ввода данных (частный вариант исполнения такого средства). Средство для ввода данных позволяет задавать необходимые режимы работы. На мониторе (средство для отображения информации) 5 отображаются заданные параметры работы устройства и измеряемые величины, такие, например, как электрический ток, напряжение и мощность.
В совокупности средство отображения информации 5 и средство для ввода данных 10 позволяют подобрать оптимальные параметры режимов работы устройства. Стоит отметить, что средство ввода данных может быть заключено в средство отображения информации (touch-экран),
Электронная нагрузка позволяет имитировать потребителя. Иногда целесообразно дополнить устройство портом (клеммой) для подключения внешней нагрузки. Такой порт позволяет измерить напряжение сторонними приборами.
Позицией 13 обозначена световая подсветка, например, светодиодная лента.
Предлагаемое устройство имеет небольшие габариты(как правило, не превышают 600×500×300 мм), что позволяет с легкостью менять место его расположения, например, переносить из одной аудитории в другую. Стенд достаточно компактен, доступен по цене и безопасен.
На предлагаемом устройстве возможно задавать такие параметры, как скорость прокачки электролита, режим заряда батареи (гальваностатический, потенциостатический), зарядный ток, зарядное напряжение, тип подключения. На предлагаемом устройстве можно измерять такие параметры как ток, напряжение и мощность при заряде и разряде (каждого МЭБ или всей батареи), а также снимать ВАХ и ВтАХ, опционально состав электролита методом фотометрии.
На предлагаемом стенде возможно выполнение таких лабораторных работ, как:
- Снятие характеристических кривых батареи (ВАХ и ВтАХ);
- Влияние скорости подачи электролита на удельную мощность разряда;
- Определение емкости батареи и плотности хранимой энергии;
- Определение КПД ванадиевой редокс-батареи (Фарадеевская, вольтаическая и энергетическая эффективность);
- Влияние типа подключения МЭБ на выходные параметры батареи.