Разработка автономного электроснабжения для теплонасосной установки

1. Проект Федерального Закона №111730-5 «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности».

2. Игнатов А.Н. Классическая электроника и наноэлектроника: учеб. пособие/ А.Н. Игнатов, Н.Е. Фадеева, В.Л. Савиных, В.Я. Вайспапир, С.В. Воробьева -- М.: Флинта: Наука, 2009. -- 728 с., стр. 485.

3. Тузов В.П. Электротехнические устройства летательных аппаратов: Учеб. пособие для авиац. неэлектротехн. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1987. - 152 с.: ил., стр. 114-123.

4. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. М.: Издательство МЭИ, 1999, стр.

5. Байбаков С.А. Тимошкин А.С. Определение расчетных условий при наладке систем теплоснабжения с учетом тепловых потерь в сетях. Энергетик, 2007, №7, стр.35-37.

6. Энергоэффективный жилой дом в Москве. АВОК, 1999г. №4.

7. Борисов И.И. «О стратегии развития энергетики. Энергетик.» 2007г.№3, стр. 5-7.

8. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Москомархитектура. ГУП «НИАЦ», 2001г.

9. Проценко В.П. Проблемы использования теплонасосных установок в системах централизованного теплоснабжения. Энергетическое хозяйство. 1994г. №2

10. Васильев Г.П., Крундышев Н.С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области. АВОК. 2002г. №5.

11. Васильев Г.П. Энергоэффективные здания с теплонасосными системами теплоснабжения. ЖКХ, 2002г.,

12. Шеффер Н.И. Определение характеристик компрессионного холодильника. Физика в школе. 1991г., №6, с. 46-47.

13. www.thermocompressor.ru/sistemy-otopleija/ustroystva-raboti//

14. Бондарь Е.С., Калугин П.В. Энергосберегающие системы кондиционирования воздуха с аккумуляцией холода. С.О.К. - 2006.-N3. с. 44-

15. Калнинь И.М. Техника низких температур на службе энергетики. Холодильное дело. - 1996. -N1.

16. http://www.domteplo.ru/Geothermal_Heat_Pump.htm.

17. Доклад конференции Организации Объединенных Наций по проблемам окружающей человека среде, Стокгольм, 5-16 июня 1972 года (издание Организации Объединенных Наций, в продаже под № R.73. II. А. 14), глава 1.

18. Бокуняев А.А., Горбачев Б.В., Китаев В.Е. Электропитание устройств связи: Учебник для вузов/ А.А. Бокуняев, Б.В. Горбачев, В.Е Китаев и др.; Под ред. В.Е. Китаева. - М.: Радио и связь, 1988. - 280 с.: ил., стр.82-83.



ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Параметры фотопреобразователей

Таблица П1.1

Параметры фотоэлементов ФП103,5 и ФП85

№	Наименование параметров	ФП 103,5 х 103,5	ФП 85х85
		Ф 103,5	Ф 103,5/2	Ф 103,5/4	Ф 85	Ф 85/2	Ф 85/4
1	Максимальная выходная мощность Рmax, (Вт) AM 1,5; 25° С	1.47	0.73	0.37	0.94	0.47	0,235
2	Напряжение Uxx, (В)	0,59-0,61	0,59-0,61	0,59-0,61	0,59-0,61	0,59-0,61	0,59-0,61
3	Ток короткого замыкания Iкз, (А)	3,2 - 3,6	1,6- 1,8	0,8 - 0,9	2,1 -2,2	1,05- 1,1	0,53 - 0,54
4	Напряжение при макс. мощности, (В)	0,48 ± 0,02	0,48 ± 0,02	0,48 ± 0,02	0,48 ± 0,02	0,48 ± 0,02	0,48 ± 0,02
5	Ток при максимальной мощности, (А)	2,85 - 3,3	1,4-1,65	0,7 - 0,82	1,9-2,0	0,95 - 1,0	0,48 - 0,5
6	Размеры. (мм)	103, 5х 103,5x0,4	103.5x51 8x0.4	51.8x51.8x0.4	85x85x0.4	85x42.5x0.4	42.5x42.5x0.4
7	Параметры материала	Удельное сопротивление 1 - 40 Ом/см; тип проводимости - р, n; ориентация - (100)
8	Толщина (мм)	0,35 - 0,4
9	Диаметр (мм)	125	100

Таблица П1.2

Параметры фотопреобразователей ФП125, ФП100

№ п/п	Наименование параметров	125	100
		ФП 125	ФП КС* 125x62,5	ФП 100	ФП КС*100х50 100
1	Максимальная выходная мощность Рmах, (Вт) AM1,5;25с С	1,533-2,024	0,767- 1,012	0,981 - 1,295	0,491 -0,648
2	Напряжение Lu. (В)	0,59 - 0,61	0,59-0,61	0,59-0,61	0.59 - 0,61
3	Ток 4,, (А)	3,6 - 4,35	1,8-2,2	2,43 - 2,9	1,26- 1,50
4	Напряжение UmM, (В)	0,48 ± 0,02	0,48 ± 0,02	0,481 0,02	0,4810,02
5	Ток, inu, (А)	3,33 - 4,05	1,66-2,02	2,13-2,59	1,06- 1,29
6	Размеры, (мм)	125 х 0,4	КС 125 162,5x0,4	100x0,4	КС100х 50x0,4
7	Параметры материала: Удельное сопротивление 1 - 40 Ом / см; тип проводимости -р-п; ориентация - (100)
8	Толщина, (мм)	0.35 - 0.4
9	Диаметр слитка, (мм)	125	100

Таблица П1.3

Параметры модулей MSW 3-5

Технические параметры	Тип модуля
	MSW- 3(12)	MSW- 3,5(12)	MSW- 3,5(6)	MSW - 5(12)-1	MSW- 5(6)-1	MSW 5(12)-2	MSW 5(6)-2	MSW 7(12)
Максимальная мощность, (Вт)	3	3,5	3,5	5	5	5	5	7
Минимальная мощность, (Вт)	2,5	3	3,0	4,5	4,5	4,5	4,5	6
Ток максимальной мощности, (А)	0,21	0,21	0,42	0,3	0,6	0,3	0,6	0,42
Напряжение макс. мощности,(В)	15	17	8,5	15	7,5	17	8,5	17
Номинальное напряжение, (В)	12	12	6	12	6	12	6	12
Ток короткого замыкания, (А)	0,24	0,25	0,5	0,36	0,72	0,36	0,72	0,58
Напряжение холостого хода, (В)	19	21,3	10,7	19	9,5	21,3	10,7	21,3
Размеры:
- длина, (мм)	213	243	295	250	243	303	303	295
- ширина, (мм)	206	206	162	243	243	206	206	295
- высота, (мм)	21	21	21	21	21	21	21	21
Тип псевдоквадрата,мм	1/8 пк 85	1/8 пк 85	1/4 пк 85	1/8 пк 103,5	1/4 пк 103.5	1/6 пк 85 мм	1/3 пк 85	1/4 пк 85 мм
Число СЭ (размещение)	32 (4x8)	36(4*9)	18(3x6)	32(4x8)	16(4x4)	36(4x9)	18(2x9)	36(6x6)
Вес, (кг)	0.5	0.6	0.6	0.8	0.8	0.82	0.8	1.4



Таблица П1.4

Параметры модулей MSW 6-24

Технические параметры	Тип модуля
	MSW- 7(6)	MSW- 12(12)	MSW- 12(6)	MSW- 15(12)	MSW- 15(6)	MSW- 24(12)	MSW- 24(6)	MSW30 (12)
Максимальная мощность, (Вт)	7	12	12	15	15	24	24	30
Минимальная мощность, (Вт)	6	10,5	10,5	13,0	13,0	21,5	21,5	27
Ток максимальной мощности, (А)	0,84	0,71	1,42	0,9	1,8	1,42	2,84	1,8
Напряжение макс мощности, (В)	8,5	17	8,5	17	8,5	17	8,5	17
Номинальное напряжение. (В)	6	12	6	12	6	12	6	12
Ток короткого замыкания, (А)	1,16	0,88	1,76	1,16	2,32	1,7	3,4	2,32
Напряжение холостого хода, (В)	10.7	21.3	10.7	21,3	10.7	21.3	10.7	21.3
Размеры:
длина, (мм)	295	352	352	565	565	674	664	813
ширина, (мм)	290	352	345	287	287	345	345	376
- высота, (мм)	21	38	38	38	38	38	38	38
Тип псевдоквадрата,мм	1/2 ПК 85	1/4 пк 103,5	1/2 пк 103,5	1/2 пк 85	пк 85 мм	1/2 пк 103,5	пк 103,5	пк 85
Число СЭ (размещение)	18 (3x6)	36(6x6)	18(3x6)	36(3x12)	18(3x6)	36(6x6)	18(3x6)	36(4x9)
Вес, (кг)	1,4	1,8	1,8	2,7	2,7	3,5	3,5	5

Таблица П1.5

Параметры модулей 45-100

Технические параметры	Тип модуля
	MSW- 45(12)	MSW- 50(12)	MSW- 60(12)	MSW- 60(24)	MSW- 65(12)	MSW- 65(24)	MSW- 100(12)	MSW- 100(24)
Максимальная мощность, (Вт)	45	50	60	60	65	65	100	100
Минимальная мощность, (Вт)	40	45	55	55	60	60	90	90
Ток максимальной мощности, (А)	2,65	2,88	3,53	1,77	3,78	1,89	5.88
Напряжение макс. мощности, (В)	17	17,4	17	34	17,2	34,4	17	34
Номинальное напряжение, (В)	12	12	12	24	12 .	24	12	24
Ток короткого замыкания, (А)	3,3	3,5	4,4	2,2	4,54	2,27	6,92
Напряжение холостого хода, (В)	21,3	21,4	21,3	42,6	21,5	43	21,4
Размеры: - длина, (мм)	985	985	1080	1080	1080	1080	1306
- ширина, (мм)	450	450	550	550	550	550	666
- высота, (мм)	38	38	38	38	38	38	38
Тип псевдоквадрата, мм	пк 103,5	пк 103,5	пк 85 мм	пк 85 мм	пк 85 мм	пк 85 мм	пк 102,8мм
Число СЭ (размещение)	36(4x9)	36(4x9)	72(6x12)	72(6x12)	72(6x12)	72(6x12)	72
Вес, (кг)	7	7	7,7	7,7	7,7	7,7

Таблица П1.6

Параметры модулей MSW 18-60

Технические параметры	Тип модуля
	MSWr- 18(12)	MSWr- 20(12)	MSWr- 36(12)	MSWr- 40(12)	MSWr- 70(12/24)	MSWr- 80(12/24)	MSWr- 55(12)	MSWr- 60(12)
Максимальная мощность, (Вт)	18	20	36	40	70	80	55	60
Минимальная мощность, (Вт)	16	18	32	36	63	72	50	55
Ток максимальной мощности, (А)	1,06	1,18	2,12	2,35	4,11/2,06	4,7/ 2,35	3,2	3,5
Напряжение макс. мощности, (В)	17	17	17	17	17/34	17/34	17,2	17,2
Номинальное напряжение, (В)	12	12	12	12	12/24	12/24	12	12
Ток короткого замыкания, (А)	1,35	1,4	2,7	2,8	4,4/2,7	5/3,0	3,8	4,1
Напряжение холостого хода, (В)	21,3	21,4	21,3	21,4	21,3/42,6	21,3/42,6	21,4	21,4
Размеры:
- длина, (мм)	492	492	970	970	1265	1265	1206	1206
- ширина, (мм)	400	400	400	400	580	580	486	486
- высота, (мм)	38	38	38	38	38	38	38	38
Размер СЭ	1/2 100	1/2 100	100	100	100	100	125	125
Число СЭ (размещение)	36(4x9)	36(4x9)	36(4x9)	36(4x9)	72(6x12)	72(6х12)	36(4x9)	36(4x9)
Вес, (кг)	2,8	2,8	5,6	5,6	10,6	10,6	8,5	8,5
Электрические характеристики модулей измерены при условиях: АМ 1,5; 25°С; 1000 В т/мI

Технические характеристики модуля:

Сопротивление изоляции, МОм, не менее:

в нормальных климатических условиях - 10,0

при температуре - 70°С3,0

в конце испытаний на влагостойкость - 0,5

Условия эксплуатации модулей:

температура воздуха, - °С-45ч+40

предельные рабочие температуры модуля, - °С-50ч+75

относительная влажность воздуха при t=25°C,% до 100

атмосферное давление, кПа84,0 - 106,7

Модуль сохраняет работоспособность:

при воздействии вибрационных нагрузок в диапазоне частот от 1 до 35 Гц при ускорении до 0,5 g;

после воздействия:

солнечное излучение с интегральной плотностью светового потока не более 1500 Вт/м1. в том числе плотностью потока ультрафиолетовой части спектра (длина 280-400 µm) 68 Вт/м1;

дождя интенсивностью 5 мм/мин;

соляного тумана;

снеговой или гололедно-ветровой нагрузки до 2000 Па.

Срок службы модуля - не менее 20 лет.

Гарантийный срок- 10 лет



Таблица П1.7

Параметры модулей LYZE 1,7-7

Технические параметры	Тип модуля
	Lyre- U(6)	Lyre- 3,5(12)	Lyre- 5(12)-1	Lyre- 5(6)-1	Lyre- 5(12)-2	Lyre- 5(6)-2	Lyre- (702)	Lyre-8(12)
Максимальная мощность, (Вт)	1,7	3,5	5	5	5	5	7	8
Минимальная мощность, (Вт)	1,5	3	4,5	4,5	4,5	4,5	6	7
Ток максимальной мощности, (А)	0,23	0,24	0,34	0,67	0,3	0,6	0,47	0,48
Напряжение макс. мощности, (В)	7,5	15	15	7,5	17	8,5	15	17
Номинальное напряжение, (В)	6	12	12	6	12	6	12	12
Ток короткого замыкания, (А)	0,29	0,29	0,42	0,84	0,35	0,7	0,58	0,58
Напряжение холостого хода, (В)	9,5	19	19	9,5	21,3	10,6	19	21,3
Размеры:
- длина, (мм)	205	205	242	234	292	292	377	286
- ширина, (мм)	105	194	231	231	194	190	190	283
- высота, (мм)	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5
Тип псевдо квадрата	1/8 пк 8 мм	5 1/8 пк 85 мм	1/8 пк 103,5 мм	1/4 пк 103,5 мм	1/6 пк 85 мм	1/3 пк 85 мм	1/4 пк 85 мм	1/4 пк 85 мм
Число СЭ (размещение)	16(4x4)	32(4x8)	32 (4x8)	16 (4x4)	36(6x6)	18(3x6)	32(4x8)	36(6x6)

Таблица П1.8

Параметры модулей LYZE 8-24

Технические параметры	Тип модуля
	Lyre-8 (6)	Lyre- 10(12)	Lyre- 12(12)	Lyre- 12(6)	Lyre- 16(12)	Lyre- 16(6)	Lyre- 24(12)	Lyre-2 4 (6)
Максимальная мощность, (Вт)	8	10	12	12	16	16	24	24
Минимальная мощность, (Вт)	7	9	11	11	14,5	14,5	21,5	21,5
Ток максимальной мощности, (А)	0,95	0,6	0,71	1,42	0,95	1,9	1,42	2,84
Напряжение макс. мощности, (В)	8,5.	17	17	8,5	17	8,5	17	8,5
Номинальное напряжение, (В)	6	12	12	6	12	6	12	6
Ток короткого замыкания, (А)	1,16	0,7	0,84	1,68	1,16	2,3	1,68	3,36
Напряжение холостого хода, (В)	10,6	21,3	21,3	10,6	21,3	10,7	21,3	10,7
Размеры:
- длина,, (мм)	286	363	342	342	553	541	664	652
- ширина, (мм)	277	277	339	333	277	277	333	333
- высота, (мм)	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5
Tип псевдоквадрата, мм	1/2 пк 85	1/3 пк 85	1/4 пк 103,5	1/2 пк 103,5	1/2 пк 85	пк 85 мм	1/2 пк 103,5	пк 103,5
Число СЭ (размещение)	18(3x6)	36(4x9)	36(6x6)	18(3x6)	36(3x12)	18(3x6)	36(3x12)	18(3x6)
Вес, (кг)	0,200	0,250	0,300	0,300	0,400	0,400	0,600	0,600

Электрические характеристики модулей измерены при условиях: AM 1,5; 25°С; 1000 Вт/м1.

Технические характеристики модуля:

Сопротивление изоляции, МОм, не менее:

в нормальных климатических условиях - 5,0

при температуре - 70°С3,0

в конце испытаний на влагостойкость - ,5

Условия эксплуатации модулей:

температура воздуха, - °С-15ч+40

предельные рабочие температуры модуля, - °С-10ч+75

относительная влажность воздуха при - t=25°C,% до 100

атмосферное давление, кПа84,0 - 106,7

Модуль сохраняет работоспособность:

после воздействия;

солнечного излучения с интегральной плотностью светового потока не более 1125 Вт/м1, в том числе плотностью потока ультрафиолетовой части спектра (длина 280 - 400 цт) 68 Вт/м1;

дождя интенсивностью 5 мм/мин;

соляного тумана:

снеговой или гололедно-ветровой нагрузки до 2000 Па.

Срок службы модуля - не менее 5 лет.

Гарантийный срок - 1 год.

Таблица П1.9

Параметры модулей MSW 6-12

Технические параметры	Тип модуля
	MSWm- 1,7(6)	MSWm- 3,5(12)	MSWm- 5(12)-1	MSWm- 5(6)-1	MSWm- 5(12)-2	MSWm- 5(6)-2	MSWm- 7(12)	MSWm- 8(12)
Максимальная мощность,(Вт)	1,7	3,5	5	5	5	5	7	8
Минимальная мощность, (Вт)	1,5	3	4,5	4,5	4,5	4,5	6	7
Ток максимальной мощности, А	0,23	0,24	0,34	0,67	0,3	0,6	0,47	0,48
Напряжение максимальной мощности, В	7,5	15	15	7,5	17	8,5	15	17
Номинальное напряжение, В	6	12	12	6	12	6	12	12
Ток короткого замыкания, А	0,29	0,29	0,42	0,84	0,35	0,7	0,58	0,58
Напряжение холостого хода, В	9,5	19	19	9,5	21,3	10,6	19	21,3
Размеры:
Длина, мм	260	260	300	290	350	350	430
Ширина, мм	110	200	240	240	198	198	200	290
Высота, мм	3,5	3,5	3,5	3,5	3,5	3,5	3,5	3,5
Тип псевдоквадрата, мм	1/8 пк 85	1/8 пк 85	1/8 пк 103,5	1/4 пк 103,5	1/6 пк 85	1/3 пк 85	1/4 пк 85	1/4 пк 85
Число СЭ (размещение)	16(4х4)	32(4х8)	32(4х8)	16(4х4)	36(6х6)	18(3х6)	32(4х8)	36(6х6)
Вес, кг	0,160	0,320	0,450	0,450	0,400	0,400	0,640	0,720

Таблица П1.10

Параметры модулей MSWm 8-24

Технические параметры	Тип модуля
	MSWm- 8(6)	MSWm- 10(12)	MSWm- 12(12)	MSWm- 12(6)	MSWm- 16(12)	MSWm- 16(6)	MSWm- 24(12)	MSWm- 24(6)
Максимальная мощность,(Вт)	8	10	12	12	16	16	24	24
Минимальная мощность, (Вт)	7	9	11	11	14,5	14,5	21,5	21,5
Ток максимальной мощности, А	0,95	0,6	0,71	1,42	0,95	1,9	1,42	2,84
Напряжение максимальной мощности, В	8,5	17	17	8,5	17	8,5	17	8,5
Номинальное напряжение, В	6	12	12	6	12	6	12	6
Ток короткого замыкания, А	1,16	0,7	0,84	1,68	1,16	2,3	1,68	3,36
Напряжение холостого хода, В	10,6	21,3	21,3	10,6	21,5	10,7	21,3	10,7
Размеры:
Длина, мм	340	440	400	400	610	600	720
Ширина, мм	285	285	345	340	285	285	340	340
Высота, мм	3,5	3,5	3,5	3,5	3,5	3,5	3,5	3,5
Тип псевдоквадрата	1/2 пк 85 мм	1/3 пк 85 мм	1/4 пк 103,5 мм	1/2 пк 103,5 мм	1/2 пк 85 мм	пк 85 мм	1/2 пк 103,5 мм	пк 103,5 мм
Число СЭ(размещение)	18(3х6)	36(4х9)	36(6х6)	18(3х6)	36(3х12)	18(3х6)	36(3х12)	18(3х6)
Вес, кг	0,720	0,960	1,080	1,080	1,450	1,450	2,180	2,180

Электрические характеристики модулей измерены при условиях: АМ 1,5; 250С; 1000 Вт/м

Технические характеристики модуля:

Сопротивление изоляции, Мом, не менее:

В нормальных климатических условиях - 5,0

При температуре 700С - 3,0

В конце испытаний на влагостойкость - 0,5

Условия эксплуатации модулей:

Температура воздуха, 0С - 15ч+40

Предельные рабочие температуры модуля, 0С - 10ч+75

Относительная влажность воздуха при t=25⁰С,% - до 100

Атмосферное давление, кПа - 84,0 - 106,7

Модуль сохраняет работоспособность:

После воздействия:

Солнечного излучения с интегральной плотностью светового потока не более 1125 Вт/м, в том числе плотность потока ультрафиолетовой части спектра (длина 280-400 мкм)68 Вт/м

Дождя интенсивностью 5 мм/мин

Соляного тумана

Снеговой или гололёдно-ветровой нагрузки до 2000 Паэ

Срок службы модуля - не менее 5 лет

Гарантийный срок - 1 год

Таблица П1.11

Параметры модулей PVM

Технические характеристики модулей
Тип модуля	Масса, кг	Габаритные размеры, мм	Мощность, Вт	Напряжение, В	Ток, А
PVM-10q	1,8	510х234х30	10,2	16,2	0,64
PVM-15	3,5	508х410х30	16,2	16,2	1,0
PVM-30	6,0	975х410х30	33	16,2	2,1
PVM-45	7,7	970х595х30	45	16,2	3,1
PVM-50	7,7	970х595х30	50	16,2	3,1
ASE-50	9,2	1024х462х39	50	15,44	2,9
Температурные коэффициенты%/°С	-0,4	-0,5	+0,1

Электрические характеристики приведены для следующих условий:

плотность солнечного излучения 1000 Вт/мI

мощность, напряжение и ток в точке отбора максимально мощности при температуре 25°С.

Таблица П1.12

Результаты расчёта для солнечных элементов типов Ф103 и Ф85 (по П1.1)

	Солнечные элементы
	Ф103,5	Ф103,5/2	Ф103,5/4	Ф85	Ф85/2	Ф85/4
10	Максимальная выходная средняя мощность Pвых макс ср, Вт	1,47	0,73	0,37	0,94	0,47	0,235
11	Площадь элемента S д, см2	07,09	53,54	26,83	72,25	36,12	78,06
12	Отношение , []	0,01388	0,01388	0,01388	0,01301	0,01301	0,01301



ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Электрические накопители энергии

Электричество -- наиболее удобная и универсальная форма энергии в современном мире. Поэтому именно накопители электрической энергии развиваются наиболее быстро. К сожалению, в большинстве случаев удельная ёмкость недорогих устройств невелика, а устройства с высокой удельной ёмкостью слишком дороги для хранения больших запасов энергии при массовом применении.

Конденсаторы

Самые массовые «электрические» накопители энергии -- это обычные радиотехнические конденсаторы. Они обладают огромной скоростью накопления и отдачи энергии -- как правило, от нескольких тысяч до многих миллиардов полных циклов в секунду, и способны так работать в широком диапазоне температур многие годы, а то и десятилетия. Объединяя несколько конденсаторов параллельно, легко можно увеличить их суммарную ёмкость до нужной величины.

Конденсаторы можно разделить на два больших класса -- «сухие» неполярные и электролитические, имеющие существенно большую удельную ёмкость, но требующие соблюдения полярности при подключении и более чувствительные к внешним условиям, прежде всего к температуре.

Ионисторы

Ионисторы, которые иногда называют «суперконденсаторами», можно рассматривать как своего рода промежуточное звено между электролитическими конденсаторами и электрохимическими аккумуляторами. От первых они унаследовали практически неограниченное количество циклов заряда-разряда, а от вторых -- относительно невысокие токи зарядки и разрядки (цикл полной зарядки-разрядки может длиться секунду, а то и намного дольше). Ёмкость их также находится в диапазоне между наиболее ёмкими конденсаторами и небольшими аккумуляторами -- обычно запас энергии составляет от единиц до нескольких сотен джоулей.

Дополнительно следует отметить достаточно высокую чувствительность ионисторов к температуре и ограниченное время хранения заряда -- от нескольких суток до нескольких недель максимум.

Электрохимические аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы были изобретены ещё на заре развития электротехники, и сейчас их можно встретить повсюду -- от мобильного телефона до самолётов и кораблей.

Как правило, при необходимости запасать достаточно большую энергию -- от нескольких сотен килоджоулей и более -- используются свинцовые аккумуляторы (пример -- любой автомобиль). Однако они имеют немалые габариты и, главное, вес. Если же требуется малый вес и мобильность устройства, то используются более современные типы аккумуляторов -- никель-кадмиевые, металл-гидридные, литий-ионные, полимер-ионные и др. Они имеют гораздо более высокую удельную ёмкость, однако и удельная стоимость хранения энергии у них заметно выше, поэтому их применение обычно ограничивается относительно небольшими и экономичными устройствами -- мобильными телефонами, различными камерами и ноутбуками.

По режиму использования электрохимические аккумуляторы (прежде всего мощные) также подразделяются на два больших класса -- так называемые тяговые и стартовые. Тяговые аккумуляторы ориентированы на относительно равномерный разряд в течение достаточно длительного времени, когда параметры разряда сравнимы с током и временем зарядки, а глубина разряда может быть достаточно большой -- прежде всего это аккумуляторы для электротранспорта, электроинструмента и источников бесперебойного питания (UPS). Стартовые, наоборот, способны выдать очень большой ток в течении короткого времени, но при штатной эксплуатации не должны испытывать глубокий разряд -- таковы обычные автомобильные аккумуляторы, выдающие в течении нескольких секунд на стартёр ток в сотни ампер при зарядном токе порядка 5..10 А и длительности зарядки в несколько часов. Обычно стартовый аккумулятор достаточно успешно может работать в качестве тягового (главное -- контролировать степень разряда и не доводить его до такой глубины, которая допустима для тяговых аккумуляторов), а вот при обратном применении слишком большой ток нагрузки может очень быстро вывести тяговый аккумулятор из строя. С другой стороны, менее жёсткие условия разряда позволяют несколько облегчить конструкцию тяговых аккумуляторов по сравнению с их стартовыми собратьями, а допустимость большей глубины разряда позволяет приблизить реально используемую ёмкость к номинальной.

К недостаткам электрохимических аккумуляторов можно отнести весьма ограниченное число циклов заряда-разряда (в большинстве случаев -- 1..2 тысячи, а при несоблюдении рекомендаций производителей -- гораздо меньше), чувствительность к температуре, длительное время заряда, иногда в десятки раз превышающее время разряда, и необходимость соблюдения методики использования (недопущение глубокого разряда для свинцовых аккумуляторов и, наоборот, соблюдение полного цикла заряда-разряда для металл-гидридных и многих других типов аккумуляторов). Время хранения заряда также обычно довольно ограничено -- от недели до года-другого (я имею в виду, что оставшийся в аккумуляторе заряд будет намного меньше исходного, а вовсе не то, что по истечении указанного срока он будет совсем «пуст», хотя возможно и такое). У старых аккумуляторов уменьшается не только ёмкость, но и время хранения, причём и то, и другое может сократиться во много раз.

Химические накопители энергии

Этот способ накопления энергии стоит рассмотреть отдельно, поскольку такие процессы часто позволяют получать энергию как в том виде, из которого она запасалась, так и в любом другом. Можно выделить «топливные» и «безтопливные» разновидности. В отличии от низкотемпературных термохимических накопителей, которые могут запасти энергию, просто будучи помещёнными в достаточно тёплое место, здесь не обойтись без специальных технологий и высокотехнологичного оборудования, иногда весьма громоздкого. В частности, если в случае низкотемпературных термохимических реакций смесь реагентов обычно не разделяется и всегда находится в одной и той же ёмкости, реагенты для высокотемпературных реакций хранятся отдельно друг от друга и соединяются лишь тогда, когда нужно получить энергию.

Накопление энергии наработкой топлива

Электролизёр

На этапе накопления энергии происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается топливо, например, из воды выделяется водород -- прямым электролизом, в электрохимических ячейках с использованием катализатора или с помощью термического разложения, скажем, электрической дугой или сильно сконцентрированным солнечным светом. «Освободившийся» окислитель может быть собран отдельно (для кислорода это необходимо в условиях замкнутого изолированного объекта -- под водой или в космосе) либо за ненадобностью «выброшен», поскольку в момент использования топлива этого окислителя будет вполне достаточно в окружающей среде и нет необходимости тратить место и средства на его организованное хранение.

На этапе извлечения энергии наработанное топливо окисляется с выделением энергии непосредственно в нужной форме, независимо от того, каким способом было получено это топливо. Например, водород может дать сразу тепло (при сжигании в горелке), механическую энергию (при подаче его в качестве топлива в двигатель внутреннего сгорания или турбину) либо электричество (при окислении в топливной ячейке). Как правило, такие реакции требуют дополнительной инициации (поджига), что весьма удобно для управления процессом извлечения энергии.

Наноэлектронные аккумуляторы энергии и топливные элементы

В настоящее время активно ведутся работы по созданию элементов и систем искусственного фотосинтеза. Существует несколько подходов к их созданию. Один из них реализован в солнечной батарее, предложенной Аливисатасом, принцип работы которой поясняет рис. П 2.1.

В этом устройстве матрица коллекторов собирает свет и передает энергию возбуждения в единый реакционный центр, где она преобразуется в запасаемую химическую энергию с использованием наноматериалов: нанокристаллов CdSe с размерами 50 А. Поглощающие частицы из CdSe помещены в проводящую матрицу из органического вещества.

Между двумя плоскостями батареи (задняя металлизирована, передняя прозрачна) приложено внешнее напряжение UП. Под действием образованного при этом поля электронно-дырочные пары, образующиеся при поглощении света наночастицей, разделяются на составляющие (электроны и дырки), которые начинают двигаться к соответствующим полюсам и создают в устройстве электрический ток.

В этом устройстве возможен также перенос энергии возбуждения между поглощающими наночастицами.

При изменении полярности U_П наночастицы из CdSe способны излучать свет, и устройство выполняет функцию светоизлучающего диода.

Другой подход к созданию солнечных батарей реализует фотохимическая ячейка Грацеля, изображенная на рисунке, использующая оптическое возбуждение заряженных молекул красителя. Возбужденные молекулы красителя передают отрицательный заряд наночастицам TiO2 (их размеры составляют 100-300 А). В результате происходит фотоокисление обратимых пар в растворе. Эффективность преобразований солнечной энергии ячейками этого типа составляет около 10%. В двух рассмотренных вариантах появление электрического тока связано с использованием наноматериалов, которые обеспечивают поглощение света, генерацию носителей заряда и их разделение. Перспективы практического использования таких устройств зависят от успехов в конструировании наноструктурных материалов.

Рис. П 2.1 Две концепции прямого преобразования солнечной энергии (в электрическую или химическую) с использованием наноматериалов: а) солнечная батарея Аливисатоса; б) фотохимическая ячейка

Перспективы создания высокоэффективных литиевых аккумуляторов также связаны с применением наноструктурных материалов. В аккумуляторах наноструктурные материалы используются для мембран и катализаторов.

Целесообразность использования наноматериалов в литиевом аккумуляторе иллюстрирует рис. П 4.2.

Рис. П 2.2 Литиевый аккумулятор, созданный на основе наноматериалов

В аккумуляторах важную роль играют диффузионные процессы. Использование наноструктурных электродов значительно повышает скорость зарядки/разряда и стабильность работы. Применение аэрогелей V205 и наночастиц LiС0О2 или Мп02 позволяет повысить качество катода. Эффективность работы анода повышается при его наноструктурировании путем использования углеродных нанотрубок и сплавов Li/Sn.

В качестве электролитов в литиевых аккумуляторах используется соединения LiPF6/EC-DC или LiClO4/РРС.

Рассматриваются возможности создания батареек на основе углеродных нанотрубок. Отмечается, что литий, являющийся носителем заряда в некоторых батарейках, можно помещать внутри нанотрубок. Утверждается, что в трубке можно разместить один атом лития на каждые шесть атомов углерода. Другим возможным использованием нанотрубок является хранение в них водорода, что может быть использовано при конструировании топливных элементов как источников электрической энергии для объектов с автономным питанием (например, автомобилей). Топливный элемент состоит из двух электродов и специального электролита, пропускающего ионы водорода между ними, но не пропускающего электроны. Водород направляется на анод, где он ионизируется. Свободные электроны движутся к катоду по внешней цепи, а ионы водорода диффундируют к катоду через электролит, где из этих ионов, электронов и кислорода образуются молекулы воды. Такой системе необходим источник водорода. Одна из возможностей состоит в хранении водорода внутри углеродных нанотрубок. По существующим оценкам, для эффективного использования в этом качестве трубка должна поглощать 6,5% водорода по весу. В настоящее время в трубку удалось поместить только 4% водорода по весу.

Элегантный метод заполнения углеродных нанотрубок водородом состоит в использовании для этого электрохимической ячейки, показанной на рис. П 2.3

Рис. П 2.3 Устройство наноэлектронной химической ячейки, используемой для введения водорода в углеродные трубки

Ячейка содержит электролит на основе КОН, а отрицательный электрод состоит из листа углеродных нанотрубок. При подаче на электроды напряжения ионы Н+ движутся к отрицательному электроду. Одностенные нанотрубки в форме листа бумаги составляют отрицательный электрод в растворе КОН, являющемся электролитом. Другой электрод состоит из Ni(ОН)2. Вода электролита разлагается с образованием положительных ионов водорода (H+), движущихся к отрицательному электроду из нанотрубок.

Электроды из НТ благодаря высокой обратимой емкости могут использоваться в литиевых (литий-ионных) батареях. В современных батареях катоды выполнены из оксидов переходных металлов (LixCoO2, LixMn2O4), а аноды - из графита или разупорядоченного углерода. Металлический литий и ионы лития могут быть интеркалированы в межтрубные пространства сростков трубок, между слоями многослойных нанотрубок рулонной структуры или углеродных нановолокон, содержащих множественные дефекты. Литий может заполнять внутренние полости открытых углеродных нанотрубок.

Максимально достигнутое значение емкости для однослойных нанотрубок составляет 1200 мА•ч/г, однако оно сильно зависит от способа изготовления электрода. Полученные пиролитическим методом многослойные нанотрубки имеют больше дефектов, чем дуговые трубки, и проявляют более высокую емкость. К недостаткам устройств относятся изменение напряжения при разряде и большой гистерезис в циклах заряд-разряд.

Промышленные батареи в начале 2000-х годов имели емкость 330 мА-ч/г. В конце 2004 г. специалисты из США демонстрировали лабораторную батарею, которая характеризовалась удельной энергией 600 Вт ч/кг и импульсной удельной мощностью 3 кВт/кг.

Введение углеродных нанотрубок в обычные свинцово-кислотные аккумуляторы увеличивает срок их службы.

«Лес» нанотрубок проявил себя как функциональный материал в эффективных солнечных батареях.

Применение углеродных нанотрубок в электронике обещает значительное уменьшение размеров электронных схем и электронных устройств при одновременном снижении затрат энергии и резком повышении быстродействия. Можно говорить о том, что углеродные нанотрубки сегодня являются одним из важнейших материалов наноэлектроники.



ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Математическая модель ТНУ с автономным электроснабжением

1. Расчет тепловой нагрузки Q₀ [4]

(1)

где Q₀ - тепловая нагрузка системы отопления, ;

e - удельная безразмерная тепловая нагрузка отопления;

G₀ - расход воды на отопление, ;

с - теплоемкость воды, ; с_воды=4,2

t_св - температура воды перед системой отопления (после конденсатора ТНУ), °С;

t_вп - температура воздуха в отапливаемом помещении.

2. Коэффициент преобразования ц, представляющий отношение тепловой нагрузки Q₀ к затраченной электрической мощности ТНУ N [кВт]

(2)

Величина ц=3-7 [18].

При расчете ТНУ ц задаются.

3. Расчет N_пр при заданном ц

(3)



4. Расчет суммарной электрической нагрузки ТНУ

(4)

Расчет схемы электроснабжения

5. Выбор и обоснование схемы электроснабжения ТНУ в виде фотопреобразователь/термопреобразователь - машинный агрегат [рис. 4.2]

(Кратко описать 1-2 предложения из текста)

Определение по N_ТНУ U_д и I_д машинного агрегата.

6. Расчет фотопреобразователя ФП (рис. 4.4) с U_фп и I_фп

(5)

. (6)

где E_фэ - напряжение отдельного фотоэлемента

I_фэ - ток отдельной фотобатареи.

По рассчитанным U_фп и I_фп выбор стандартных солнечных модулей

7. Расчет термопреобразователя ТП (рис. 4.5)

a. ТП с проволочными термометрами (рис 4.5)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

Напряжение термобатареи

(13)

Напряжение термомодуля

(14)

(15)

ТП с полупроводниковыми термоэлементами (рис 4.6)

(16)

(17)

Напряжение термомодуля

(18)

8. Расчет фотопреобразователя на заданную электрическую нагрузку Nтну=3 кВт.

Выбираем солнечный элемент MSV-100 (21) с параметрами: длина l=130 см, ширина h=67 см, мощность Nфэ=100 Вт.

Расчет количества солнечных элементов

(20)



Цена одного солнечного элемента Cфэ=12 000 руб.

Стоимость n=30 солнечных элементов

Стфэ=Сфэ*nфэ=12000*30=360 000 руб. (21)

Площадь n=30 солнечных элементов:

Sфэ=l*h=1,3*0,67=0,871 м2 (22)

Sфэ - площадь одного солнечного элемента.

Общая площадь солнечных элементов

S=Sф*n=0,871*30=25,13 м2 (23)

Солнечные элементы размещаем по одному по периметру, поэтому n=30 солнечных элементов, размещенные по периметру Pp, длина каждого l=1,3 м, займут длину периметра

Pp=n*l=30*1,3= 39 м. (24)

Размещено на Allbest.ru