Электрохимический генератор

нский ельски и Госс инстиоя ССС 3511711966. ИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОРр ески соединенные ерирующие ячейки ких сосудов, разэлектродами с закэлектролитом и низкого давле" онденсатор рабочеЭЛЕКТРОХИМ ий электри бой токоге иэлектриче пористыми между ним ти высоког аритель и в еле ни юченн а пол ия, и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54)(57)содержащ чмежду со н го тела, гидравлически связанные с сосудами, сборник конденсата рабочего тела и насос для его перекачки,о т - л и ч а ю щ и й с я теМ, что, с целью повышения КПД И упрощения эксплуатации путем использования солнечной энергии, верхние части сосудов и испарителя выполнены оптически прозрачными и снабжены по периметру кон" центраторами солнечного излучения, а нижние выполнены из теплопроводного материала, служат конденсатором и снабжены охладителем, включающим аккумулятор тепла, теплообменник и насос с трубопроводами для теплоносителя, а нижние части испарителя и сборника конденсатора расположены Е с тепловым контактом один относитель. но другого.Изобретение относится к гелиотехнике, в частности к элехтрохимическимгенераторам, преобразующим тепловуюэнергию в электрическую,Известен электрохимический генератор, содержащий электрически соединенные между собой токогенерирующие ячейки в виде диэлектрическихсосудов, разделенных пористыми электродами с заключенным между ними электролитом на полости высокого и низкого 10давления, испаритель и конденсаторрабочего тела, гидравлически связан-ные с.сосудами, сборник конденсатарабочего тела и насос для его перекачки 1 .15Термодинамический цикл такого генератора характеризуется следующим.В испарителе к йоду (рабочему телу)подводится тепловая энергия я примаксимальной температуре цикла , Тисп ои происходит испарение йода,Пар йодачерез подвОдящий трубопровод паравысокого давления с параметрами Т ,испфР поступает в полости высокого давления токогенерирукщих ячеек, которыепредставляют собой сосуды, разделенные перегородками из пористых никелевых электродов с заключенным междуними электролитом, йодистым свинцом,на две полости - высокого и низкогоавления пара рабочего тела,и ограниченные непрозрачными и нетеплопроводными верхними и нижними наружнымистенками. Вследствие разности термодинами ческих потенциалов (т.д.п.) рабочего гела в полостях ячеек, обусловленной разницей давлений пара, на их электродах возникает электродвижущая :ила (ЭДС), появляется электрический 40 гок и вырабатывается электрическая энергия Ч 9, Пар йода низкого давления из полостей низкого давления ячеек с параметрами Т р, Р,д через отводящий трубопровод пара низкого давления поступает в регенеративный геплообменник, где охлаждается и с параметрами Т,н, Р, поступает в конденсатор, где конденсируется, отдавая в окружающую его среду теплоту конденсации йода й . Сконденсироанный йод поступает в сборник конденсата рабочего тела, а затем через грубопровод рабочего тела - к насо.у, где сжимается до начального дав- тениЯ Р,Юн . ДлЯ своей Работы насос 55 ютребляет часть электрической энер-. ии Ы , выработанной ячейками. Затемжидкий йод с параметрами Тон ф Риь оступает в регенеративный теплооб 1 енник, где подогревается до макси альной температуры цикла Тщ , при том его давление остается неизменым Р 1, , и вновь поступает в испаитель. Термодинамический цикл генератора замкнут. Полезная работа цикла получается в форме электрическойэнергии,В теоретическом цикле (Т-Я диаграмма) такого генератора процессыподвода и отвода тепла изотермичны.Цикл состоит из двух изотерм и двухэквидистантных изобар, т.е. он эквивалентен циклу Карно. Поэтому КПДпреобразования тепловой энергии вэлектрическую таким генератором может быть максимально близким к предельному КПД цикла Карно. Это является главным достоинством электрохимического генератора.Однако в известном генераторене предусмотрен подвод тепла непосредственно к токогенерирующим ячейкам с тем, чтобы избежать явлениятепловой поляризации, связанного спонижением температуры ячеек засчет снятия с них нескомпенсированной теплом электрической мощности,Реальный цикл генератора по этойпричине будет отличаться от оптимального тем, что изотерма рабочегопроцесса выработки электрическойэнергии Т будет располагаться междуизотермами испарения Т и конденеспсации Тр . Очевидно, это обстоятельство снизит КПд цикла и ухудшитэлектроэнергетические характеристики генератора,К недостаткам генератора следуетотнести также сложность подготовкиего к работе. При температуре окружающей среды йод находится в твердом состоянии,.а в генераторе не предусмотрен подвод тепла к трубопроводу, соединяющему конденсатор с испарителем.Целью изобретения является повы-,шЕние КПд генератора и упрощение егоэксплуатации путем использования солнечной энергии,Цель достигается тем, что в электрохимическом генераторе, содержащемэлектрически соединенные между собойтокогенерирующие ячейки в виде диэлектрических сосудов, разделенныхпористыми электродами с заключенныммежду ними электролитом на полостивысокого и низкого давления, испаритель и конденсатор рабочего тела,гидравлически связанные с сосудами,сборник конденсата рабочего тела инасос для его перекачки, верхние час.ти сосудов и испарителя выполненыоптически прозрачными и снабжены попериметру концейтраторами солнечногоизлучения, а нижние выполнены из теплопроводного материала, служат конденсатором и снабжены охладителем,включающим аккумулятор тепла, теплообменник и насос с трубопроводамидля теплоносителя, а нижние частииспарителя и сборника конденсата расположены с тепловым контактом одинотносительно другого,На фиг. 1 показана конструктивнаясхема генератора; на Фиг. 2 - генератор, план; на фиг, 3 - .термодинамический цикл предложенного генератора показан сплошными линиями, известного генератора - пунктирными;на фиг 4 - расчетные характеристики генератора.Электрохимический генератор содержит электрически соединенные между собой токогенерирующие ячейки ввиде диэлектрических сосудов 1 (фиг,1 ),разделенных пористыми электродами 2с заключенным между ними электролитом 3 на полости 4 и 5 высокого инизкого давления соответственно,испаритель б и конденсатор 7 рабочеготела, гидравлически связанные с сосудами 1 сборник 8 конденсата рабочего тела и насос 9 для его перекачки. 20Верхние части 10 сосудов 11 и верхняя часть 11 испарителя 6 выполненыоптически прозрачными и снабженыпо периметру концентраторами 12 солнечного излучения. 25Нижние части 13 сосудов 1 и нижняя часть 14 испарителя б выполненыиз теплопроводного материала, Нижниечасти 13 сосудов 1 служат конденсатором 7 и снабжены охладителем 15,включающим аккумулятор 16 тепла,теплообменник 17, насос 18 с трубопроводами 19 для теплоносителя,Нижняя часть 14 испарителя б и. сборник 8 конденсата рабочего теларасположены с тепловым контактом от 35носительно друг друга.Сосуды 1 имеют, например,. прямоугольную форму. и выполнены иэ керамики. Пористые электроды 2 выполненыникелевыми. Электролитом 3 служит 40йодистый свинец с проводимостью по,иону рабочего тела (йода). Электролит 3 обеспечивает газоплОтность между полостями 4 и 5. Электролит 3обеспечивает .газоплотность между 45полостями 4 и 5. Электроды 2 имеютоковыводы 20. Три токогенерирующиечейки электрически соединены между собой. например последовательно,Токогенерирующие ячейки выполненыпрактически в виде коллекторов солнечной энергии, к которым по периметрупримыкают плоские концентраторы 12,расположенные под углом 120 ф к верхней части 10 сосудов 1 (ячеек), выполненной в виде прозрачной. плоскойстенки. Концентраторы 12 на сосудах 1могут быть закреплены шарнирно и складываться, Верхние частй 10 сосудов 1могут быть выполнены из двух, трех.слоев стеклй, установленных с зазора-ми, которые вакуумированы для, уменьшения потерь тепла, Токогенерирующиеячейки расположены неподвижно подуглом 37-45 ф к горизонту в зависимости от широты местности, в которой 65 установлен генератор. Степень концентрации излучения порядка 7-10,Нижние части 13 сосудов 1 выполнены, например, из нержавеющей сталии имеют развитую поверхность теплообмена, являясь конденсатором 7 паров рабочего тела (йода) низкого давления,Керамические стенки сосудов 1 свнешней стороны теплоиэолированы,Отводящий трубопровод 21 конденсата,рабочего тела выполнен иэ нержавеющей стали, теплоизолирован и соединяет полости 5 низкого давления сосудов 1 со сборником 8 конденсатарабочего тела,Испаритель б представляет собойколлектор. солнечной энергии в формеплоского сосуда, изготовленного; например, из нержавеющей стали и заполненного рабочим телом, напримерйодом. Поверхность испарителя, обращенная к солнцу, имеет степень черноты, близкую к единице. Она теплоизолирована от окружающей средыдвух- или трехслойным стеклом с вакуумными промежутками (не показаны).Испаритель 6 теплоизолирован дляуменьшения потерь теплаК боковымграням испарителя б по периметрупримыкают плоские концентраторы 12,орасположенные под углом 120 к поверхности испарителя б,.восприни-.мающей солнечную радиацию.Закрепление плоских концентраторов на стенках испарителя 6 аналогично закреплению плоских концентраторовна сосудах 1,Испаритель б расположен неподвижно под углом 37-45 ц к горизонту,в зависимости от широты местности,на которой. установлен генератор.Подводящий трубопровод 22 парайода высокого давления представляетсобой теплоизолированный с внешнейстороны распределительный трубопровод, выполненный из нержавеющейстали, и соединяющий испаритель 6 стокогенерирующими ячейками (сосудами 1).Сборник 8 конденсата рабочего телапредставляет собой теплоизолированный с внешней стороны сосуд в видебачка для сбора сконденсированногорабочего тела и изготовлен из нержавеющей стали. н расположен на теплопроводной нижйей части 14 испарителя 6, не подвергающейся солнечномуоблучению, Площадь контакта бачка сиспарителем б является поверхностьютеплообмена. Трубопровод 23 рабочего .тела также расположен на нижней части 14 испарителя б и площадь его контакта с испари. телем б тоже является поверхностью теплообмена. Трубопровод сделан из нержавеющей стали, теплоизолирован свнешней стороны и соединяет сборник8 конденсата рабочего, тела с испарителем б.Насос 9 для прокачки рабочего телавода 23 и сл жит яустановлен в нижней части трубопро- Одновременно сс процессами разоаи служит для подачи жидкого 5 греза и кипения йода в испарит л бр бочего тела из сборника 8 конден- за счет передачи тепла че5 парителесата в испа итель бачи тепла через его нижр ель б. Для своей ра- нюю теплопроводную часть 14 будутботы насос 9 пот ебляетр часть элект- происходить процессы нагрева твердорической энергии, вырабатываемой ге- го Йода и его плавлени бнератором.ния в с орнике.м., 10 8 конденсата рабочего тела и трубоОбратный клапан 24 расположен на проводе 23. ПределЬная температуратрубопроводе 23 у входа в испари- нагрева йода 115-120 ОСтель б и обеспечивает устойчивую чтобы не повышать минимальное давциркуляцию рабочего тела в генера- ление пара йода. Давлениа.авление насыщенныхторе (по стрелкам на фиг. 1,2), 15 паров йода при температуре 120 ОСОхладитель 15 теплоизолирован от равно 10атм.окружающей его среды и состоит из Из испарителя б пар йода с давлерасположенных под нижними частями 13 нием 1 атм и температурой 200 ОС пососудов 1, камер 25 теплоносителя,подводящему трубопроводу 22 пара высвязанных с расположенным в аккуму 20сокого давления поступает в голосто иляторе 16 тепла змеевиковым теплооб сосУдов 1.менником 17, и насоса 18 для прокач- Тепловая энергия сконцентрированки теплоносителя, ного солнечного излучения Б проходя.Каме 25Фамеры 25 выполнены, например, щего через прозрачные верхние части25из нержавеющей стали и примыкают к 10.сосудов 1попадает на электродл дынижним частям 13 сосудов 12 и поднимает их температуру до 300"Змеевиковый теплообменник 17 слу С. При плотности потока падающейжит для передачи тепловой энергии, радиации 630 Вт/м 2 и степени концентпоглощенное теплоносителем в камерах рации К : 7 возможно получение тем 25, воде, содержащейся в аккумуля- пературы, на 300 ОС превышающей темпеторе 16 тепла. ратуру окружающей среды,Насос 18 для прокачки теплоносите- Считая толщину каждого электродаля обеспечивает его циркуляцию по 2 равной 0,1 см и толщину слоя электконтуру. Для своей работы насос 18 ролита 3 равной 0,1 см, получим, чтопотребляет часть электрической энер- тепло от электродов 2 за счет теплогии, вырабатываемой генератором. 35 проводности электродов 2 и электроАккумулятор 16 тепла представляет лита 3 равномерно нагревает эти блособой теплоизолированный с внешней ки до температуры ЗОООС. Эа счет констороны бак, заполненный водой. В вективного нагрева вблизи электродовнем расположен змеевиковый теплооб пара йода высокого давления происменник 17. Аккумулятор 16 снабжен 40 ходит его перегрев до 300 ОС, С другойподводящим патрубком 26 для холодной сзороны, поскольку сборник 8 конденводы и отводящим патрубком 27 для по- сата рабочего тела сообщается с по"догретой воды, на которых расположе- лостями 5 сосудов 1 с помощью отводяна регулирующая запорная арматура, щего трубопровода 21 конденсата раГенератор имеет выходные клеммы 45 бочего тела, то в полостях 5 сосудов28 для подключения к нагрузке (потре давление йара йода будет такжебителю) или к аккумуляторной батарее 10атм. За счет конвективного нагредля ее зарядки, после чего эта бата" ва пара йода низкого давления вблизирея подключается к нагрузке. электродов 2 происходит перегрев раГенератор работает следующим об- бочего тела до 300 С, Таким образом,разом. сосуды 1 имеют температуру 300 сС иТепловая энергия сконцентрирован- в их полостях 4 и .5 вблизи электроного солнечного излученич поднимает дов 2 находится перегретый пар йодагемпературу испарителя 6 от темпера- с давлением Р ; Риса = 1 атм, иГуры окружающей среды, при которой Рми= Р= 1 Л атм соответственно.йод находится в твердом состоянии 55 Прй темйературе 300 фС электролит 3о,Т.пл. йода 113,6 С) до температуры(йодистый свинец) в твердом состоя(.90-200 С, на 10-20 С . превышающей нии обладает проводимостью по ионамсемпературу кипения йода (Т.кип. йо- йода,Она составляет величину Ж =а 183 С),О:0,1 . Поэтому, вследствие раз нос-.Конструкция испарителя б с четы ти термодинамических потенциаловехэеркальным концентратором 12 (ТДП) пара йода в полостях 4 и 5,юзволяет, при плотности потока падаю- связанной с разницей давлений, наей радиации равной 630 вт/м и сте- электродах 2 возникает ЭДС, проени концентрации К = 5 иметь темпе- порциональная разности ТДП реалиоФатуру испарителя б, на 178 С превы зуемая во внешней электрическойцепи: электроды 2 - полезная нагрузка.Рабочий процесс токообразования в ячейках состоит изионизации паров йода высокого давления в полос- тях 4 по реакции +2 = 2 , на границе электрод 2 - электролит. 3, перетокеионов через слой электролита 3 под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ионов Йода на границе электролит 3 - элек трод 2 по реакции 21 = 1 + 2 е в полостях 5. Так как пар йода по своим свойствам близок к идеальному газу, то ЭДС, возникающая на клеммах 28 каждой ячейки, будет равна 15ИО В Туч РмаксгР К "Р ела 20 перепад ТДП р дж/моль; валентность и чика заряда в- число Фарадея газовая постоя дж/моль. фК;(Риси) лРмюн (Рконд мальные давле атм. е очего она, пе систем кулон иная экс ия парон моль;25 рев йода,этой 30 спери- тнотур.ть т 35 Величины Формуле, хо ментальными го генерато Удельная И, вырабаты иметь видитанные и уются с э ЭДС изве же темпер кая мощно ками, буд ЭДС, рассч ошо соглас значениями а для тех электричес аемая ячей ОялЭЕ-1) Вт 40 гд 1 - плотность тока на электродах ячейки, А/смфмект - толщина электролита, см.Термодинамический цикл генерато ра представлен на фиг, 3 сплошными . линиями. Процесс токообразования производится в ячейках, нагретых солнечной энергией до максимальной температуры цикла - .ф , так что расширение паров йода через электродные блоки происходит изотермически (процесс Ац -В") с поглощением солнечного тепла Я . Пары йода низкого давления охлаждаются у внутренних поверхностей нижних частей 13 (процесс В" -С), а затем конденсируются на этих поверхностях (процесс С - В) при минимальной темпера-туре цикла Тконд, после чего жидкий йод самотеком, под действием силы тя жести, поступает в сборник 8 конденсата рабочего тела, Затем жидкий йод насосом 9 сжимается до максимального давления Р, (процесс В-Е) и подается в нспаритель 6. В нем за счет сол енечной энергии он подогревается (процесс Е-Г) и испаряется (процесс Г-А),а затем через подводящий трубопровод22 пара высокого давления поступаетв полости 4 сосудов 1, где перегревается до максимальной температурыцикла Тч (процесс А-А ), и цикл заВ генераторе отводимое от рабочего тела тепло процессов В-С и Сне сбрасывается в окружающую сосуды 1 среду, а передается через нижние теплопроводные части 13 теплоносителю, циркулирующему в камерах 25, который отводит это тепло через теплообменник 17 в водяной аккумулятор 16 тепла. Находящаяся в нем вода аккумулирует зто тепло, ее температура повышается и она используется, например, на бытовые нужды, В качестветеплоносителя может быть использовано органическое соединение, например глицерин с температурой кипения 262 превьяаающей температуру конденсации йода, чтобы теплоноситель не закипал.Предельная э ть цикла прямого преобра пловой энер гии солнечного в электрическую энергию ффективносзования теизлученияравна 1 Я, -Тннн нТ9 ЧТмакс -Тм чТмакс Карн 73-390573 На Фиг. 4 представлены значениянапряжений на клеммах 28 одной изячеек и ее удельной мощности, рассчитанных по представленным выше формулам, в зависимости от плотности тока на электродах 2. Как видно из граФина, при работе ячейки в режимемаксимальной удельной мощности, составляющей 15 10Вт/см", напряжениена клеммах 28 будет равно 0,12 В приплотности тока 0,12 А/см.Для получения мощности 5 кВт потребуется общая площадь ячеек равная 33,3 м(например, для Фотогенератора в этом случае необходима общаплощадь панели 70 м),При размере каждой из ячеек равноразмеру модуля из кремниевых солнечных элементов, например 38 х 102 см,каждая ячейка будет иметь максимальную мощность 582 Вт (у Фотогенератора - 33 В). Для получения мощноств 5 кВт потребуется 86 ячеек (у фотгенератора - 150 модулей). При последовательном соединении всех ячеекнапряжение на выходных клеммах 28генератора составит величину 10,3 В(у фотогенератора - 16 В при паралиоельном электрическом соединении вс одулей).В генераторе тся .дешее вещества - й стый свине х использую од и йоди вы мыкается. Полезная работа цикла получается в форме электрической энергии.и .относительно недорогие материалы - .пористый никель, нержавеющая сталь.Это является предпосылкой к снижениюудельной стоимости вырабатываемойэнергии5В нем также заложена возможность . создания установки заданной электрической мощности (1-20 кВт) путем подключения к подводящему трубопроводу 22 пара высокого давления и от- о водящему трубопроводу 21 конденсата рабочего тела необходимого количества ячеек, что обусловлено отсутствием у йода в жидкой и паровой Фазах электронной проводимости, приво дящей к короткому замыканию электродов 2 через пар рабочего тела,Использование солнечной энергиии ее подвод непосредственно к токогенерирующим ячейкам (сосудам 1)позволяет избежать явления тепловойполяризации, что повышает КПД цикла,а тепловой контакт использующегосолнечную энергию испарителя 6 сосборником 8 конденсата рабочего телаа счет плавления последнего упрощаетксплуатациюэлектрохимического генератора,Использование солнечной энергиидля работы электрохимического генератора делает его автономным.илиал ППП "Патент", г.Ужгород,ул,Проектная ИИПИ 969079 каз 8248/7 Тираж 783 Подписное УР ЩФ За/