Материалы студенческой научно-практической конференции «Студенчество и техника» Заречный 2004
| Топливные элементы Ожидаемый прирост выработки электроэнергии в США Ожидаемый интегральный эффект от выхода на рынок электромобилей на ТЭ, АБ и гибридных |
Смотрите также:
- «16» января 2013 г. Положение о Межрегиональной научно-практической студенческой конференции
- Чгу студенческий отдел чгу «Студенчество глазами студентов и общества» Материалы
- Студенческой научно-практической конференции (Иркутск, декабрь, 2012 г
- Материалы научно-практической конференции
- Программа всероссийской студенческой научно-практической конференции «Актуальные проблемы
- Л. Н. Уланская ф 54 Филологические этюды: лингвистика, методика
- Современное общество: взгляд изнутри материалы II международной научно-практической конференции
Практическое применение магнитной жидкости основано на эффектах, которые никаким другим способом создать невозможно. Приведем самое простое применение. Довольно часто разнообразные жидкости используются в технике для передачи силы или энергии. Например, ковш небольшого экскаватора приводится в действие давлением масла, поступающего в гидроцилиндры. Главные элементы гидравлической техники это краны, вентили, золотники и клапаны, способные в нужный момент прерывать или, наоборот, разрешить течение жидкости. Ни один кран надежным назвать нельзя, его детали подвержены износу. Магнитные жидкости могут перекрывать канал или регулировать расход жидкости, а также менять направление ее потока в трубопроводе см. рис. 1 .  Рис. 1 Клапан с использованием магнитной жидкости. В расширенную часть трубы при помощи внешнего магнита вводят и удерживают там магнитную жидкость. Она играет роль перекрывающего клапана; один канал закрыт, и жидкость по нему не протекает. Если с помощью магнита перевести магнитную жидкость в другой канал трубопровода и перекрыть его, освободится первый. Таким же образом можно регулировать поток жидкости в трубопроводе, предварительно установив на заданном участке трубы электромагнит и введя небольшое количество магнитной жидкости. Поскольку труба расположена вертикально, жидкая среда, накапливающаяся над магнитно-жидкостным клапаном, удерживается до определенного уровня. Как только он будет превышен, клапан под действием силы тяжести начнет отрываться, и жидкость будет просачиваться вниз. Особенность устройства состоит в том, что после пробоя вниз проходит только избыточная часть жидкости, а определенный ее объем удерживается над клапаном. Еще один вариант использования магнитных жидкостей. Инженеры считают, что автомобиль может обойтись без коробки передач, если на вал двигателя поставить маховик и кратковременно, сотни раз в секунду, подключать мотор к колесам. Однако все попытки создать такую систему (ее называют импульсной передачей) наталкивались на низкую долговечность переключающего устройства. Магнитно–жидкостные муфты сцепления практически не изнашиваются и позволяют создать автомобиль с очень низким расходом топлива. Кроме того магнитная жидкость, на основе машинных масел или смазочно-охлаждающих материалов, служит прекрасным герметизатором в различного рода уплотнениях, подшипниках трения и качения, сложных узлах станков и машин. Установленные по периметру уплотнения маленькие магниты не позволят жидкости вытекать из зазора, работоспособность устройства увеличивается в пять раз! Магнитные жидкости можно также использовать для закрепления деталей при обработке, см. рис.2.  Рис. 2 Магнитная жидкость применяется для удобного, временного закрепления деталей. Можно разработать устройство, которое будет преобразовать энергию колебательного движения в электрическую. Оно представляет собой катушку, внутри которой находится ампула с магнитной жидкостью см. рис 4.  Рис. 3. Установка для преобразования механической энергии в электрическую Малейший толчок или изменение наклона приводит к перетеканию жидкости, а значит, и к изменению магнитного потока. Катушка соединена с накопителем энергии ( данном случае с конденсатором) через выпрямитель. Развиваемое напряжение зависит от числа витков катушки. Когда обычные смазочно-охлаждающие жидкости и способы их подачи неприменимы, магнитные жидкости можно использовать в механизированном и ручном инструменте, в замкнутом изолированном пространстве и других особых условиях. По механизму воздействия на процесс резания магнитные жидкости аналогичны смазочно-охлаждающим материалом, но в зону резания их можно подавать магнитным полем. Под его влиянием повышается смачиваемость и усиливается расклинивающее давление, интенсифицируется смазочное действие, так как улучшаются условия проникновения магнитной жидкости на поверхности контакта. Магнитные жидкости оказывают более сильное охлаждающее действие, так как по теплоемкости и теплопроводности превосходят все смазочно- охлаждающие материалы. При сверлении отверстий в титановых и алюминиевых сплавах немагнитная стружка, смазанная магнитной жидкостью, притягивалась к намагниченному сверлу и легко удалялась из отверстия. Это явление позволяет собирать остатки немагнитных металлов и абразивной пыли, образуемой при шлифовке поверхности.
Топливные элементы (ТЭ) относятся к химическим источникам энергии, в которых энергия химических реакций непосредственно преобразуется в электрический ток. Как известно, существуют три типа химических источников тока: – гальванические элементы (ГЭ) (одноразовое использование), – аккумуляторные батареи (АБ) (многоразовое использование); – топливные элементы (вырабатывающие ток по мере подачи реагентов). Их еще называют электрохимическими генераторами. Первые два типа источников тока известны достаточно хорошо и широко используются, чего нельзя сказать о ТЭ, которые эксплуатируются в основном пока на космических аппаратах, хотя область возможного их применения значительно шире, чем у ГЭ и АБ. Она определяется условиями протекания химической реакции, основными характеристиками и конструктивными особенностями ТЭ. В отличие от аккумуляторных батарей (которые являются вторичными источниками энергии) ТЭ не требуют перезарядки. Компоненты реакции в них заранее не закладываются, как это имеет место в ГЭ, которые после израсходования компонентов приходится выбрасывать. В ТЭ топливо и окислитель подаются по мере необходимости, т.е. тогда, когда необходим электрический ток. Типовой ТЭ имеет два электрода – анод и катод, разделенные электролитом. На катоде осуществляется процесс получения ионов кислорода, которые через электролит переходят на анод, где вступают в реакцию с водородом, содержащимся в поступающем топливе, а освобождающиеся электроны поступают в цепь нагрузки. В 1989-1993 гг. американским специалистам удалось решить целый ряд принципиальных проблем и осуществить технологический прорыв, содержание которого заключается в: – оптимизации процесса протекания химической реакции в топливном элементе в результате повышения эффективности катализа; – обеспечении невосприимчивости к загрязнениям и отработке методов их удаления; – использовании новых материалов и конструктивно-схемных решений. В целом разработки, проведенные за последние 10 лет, позволили: – увеличить площадь реакции и величину тока, снимаемого с единицы поверхности электродов (до 11 000 А/м2 при работе с чистым водородом и кислородом и до 4300 А/м2 – с воздухом и водородсодержащим газом); – продлить срок непрерывной эксплуатации ТЭ до 5 лет; – повысить эффективность преобразования энергии в электричество до 60…85 % (при утилизации выделяемого тепла) и удельную энергоемкость до 460…585 Вт ч/кг; – значительно расширить диапазон используемых топлив; – снизить стоимость ТЭ. Наиболее распространенным классификационным признаком ТЭ является вид электролита. Выделяют семь основных типов топливных элементов. В щелочных ТЭ (ТЭЩ) электролитом является едкий калий (КОН). Такие ТЭ использовались на космических аппаратах (КА) "Джемини", "Аполлон", "Спейс Шаттл". Они отличаются надежностью, имеют большую выходную мощность и малые габариты. Основным их недостатком является то, что KOH реагирует с двуокисью углерода, что затрудняет протекание реакции и требует тщательной очистки воздуха и топлива от СО2. На КА для этого использовался чистый кислород, для широкого применения такой процесс слишком дорог. В фосфорнокислотных ТЭ (ТЭФК) электролит Н3РО2 не реагирует с СО2, и задача по очистке снимается. Эффективность преобразования энергии топлива в электричество составляет около 40 %. При комбинированном варианте использования, т.е. при утилизации выделяемого тепла (рабочая температура ТЭ составляет 204 0С) в турбогенераторах, эффективность достигает 85 %. ТЭФК первыми поступили на коммерческий рынок. Созданы и продаются портативные блоки с выходным напряжением 24 В и мощностью 250 Вт, пригодные для обеспечения питанием радиоаппаратуры и телевизоров. В США производятся блоки ТЭ мощностью 200 кВт для электростанций. Эти блоки были закуплены Японией для электростанции мощностью 11 МВт. Подобные установки планируется использовать в домах, на передвижных электростанциях, а также в качестве источников энергии для автобусов, электровозов и морских судов. В ТЭ на расплаве солей угольной кислоты (карбонатов) (ТЭРК) в качестве электролита используется карбонат калия К2СО3 или карбонат лития Li2CO3. Рабочая температура, при которой электролит становится хорошим проводником, составляет 650 0С. Эффективность ТЭРК достигает 60 %, а при комбинированном варианте использования – более 80 %. Стоимость подобных ТЭ, как считается, будет ниже стоимости ТЭ на фосфорной кислоте. В штате Калифорния построено несколько маломощных электростанций, которые проходят сейчас всесторонние эксплуатационные испытания. Прорабатываются варианты использования ТЭРК на электростанциях, работающих на газе, получаемом при газификации угля, на тяжелых транспортных средствах и судах. ТЭ на твердых окислах (твердый электролит) (ТЭТО) используют в качестве электролита окись иттрия, стабилизированную двуокисью циркония (Y2O3, ZrO2). Этот твердый керамический материал работает при температуре около 1000 0С. Процесс изготовления этих ТЭ можно автоматизировать. Эффективность преобразования энергии достигает 60 %, в комбинированном варианте – более 80 %. В качестве топлива может использоваться метан – основной компонент природного газа. Упрощенные требования к подготовке топлива, высокая удельная мощность, небольшая стоимость будут способствовать внедрению их на тяжелые транспортные средства. В твердополимерных ТЭ (ТЭПМ) электролитом является полимерный материал, известный под названием "протонная мембрана" ("мембрана, обеспечивающая обмен протонами"). Элемент дешевле и проще по конструкции в сравнении со всеми предыдущими типами. Работает при низких температуре (от 66 до 150 0С) и давлении, имеет большую удельную мощность, способен быстро адаптироваться к изменяемой нагрузке. ТЭПМ предназначены для установки на легковых автомобилях, грузовиках, космических станциях, надводных и подводных кораблях и судах. Конструктивно ТЭПМ выполнены из двух электродов, разделенных мембраной, выполняющей роль электролита. Величина тока определяется площадью зоны реакции. При работе с чистым кислородом плотность тока достигает 11 000 А/м2, а при работе с воздухом – 4300 А/м2. Коэффициент полезного действия ТЭПМ достигает 60 % (без утилизации выделяемого тепла). ТЭ, реализующие протекание прямой реакции метанола с воздухом (ТЭД), относятся к ТЭ на твердых электролитах, но в последнее время выделяются как самостоятельный тип в связи со спецификой технологии изготовления. Щелочные ТЭ с алюминиевым анодом (ТЭАА) отличаются тем, что получение энергии осуществляется за счет электрохимической реакции окисления алюминия с выделением тепла (4Al + 3O2 + 6H2O ? 4Al(OH) 3). Происходит также саморазряд элемента с выделением водорода (2Al + 6H2O ? 2Al(OH) 3 + 3H2). Эффективность ТЭАА превышает 90 %, но их серьезным недостатком является разрушение анода в процессе функционирования. Зарубежные специалисты часто называют этот тип ТЭ полутопливными элементами. Благодаря большой удельной мощности данный тип ТЭ может найти применение в “экстремальных” системах. В США исследованиями по ТЭ руководит Министерство энергетики (МЭ) в рамках трех федеральных программ, предусматривающих создание ТЭ для электростанций, транспортных средств, а также административных и жилых зданий. По оценкам МЭ США за ближайший двадцатилетний период прирост выработки электроэнергии за счет ТЭ превысит аналогичный показатель ядерной энергетики. ^ в период с 1995-2015 гг.
К 2000 г. МЭ США планирует снизить стоимость электростанции на ТЭ до $1000…1500 в расчете на 1 кВт мощности, что соответствует стоимости эксплуатируемых сегодня электростанций, и приступить к серийному строительству электростанций мощностью 300…500 МВт. В настоящее время ведется проектирование автомобиля, использующего топливные элементы. Ожидается, что к 2000 г. «автомобильные» ТЭ будут иметь следующие характеристики: – удельную мощность 330 Вт/кг; – отношение мощности к объему 330 Вт/л; – КПД примерно 51 %; – время готовности к движению (разогрев) из холодного состояния 5 мин; – стоимость – не более чем $50 за 1 кВт. Перечисленные характеристики обеспечат конкурентоспособность автомобилей с ТЭ на коммерческом рынке. Серийное производство автобусов и легковых автомобилей, использующих ТЭ, запланировано развернуть в период 2003-2007 гг. ^
|
