Электрохимические способы преобразования энергии

Одним из более многообещающих методов получения электроэнергии является химический метод преобразования хим энергии, который осуществляется в хим источниках тока (ХИТ).

ХИТ как источники электронной энергии имеют ряд бесспорных преимуществ: они владеют высочайшим КПД преобразования энергии (до 90%), не имеют подвижных, подверженных износу частей, бесшумны в работе, малочувствительны к вибрации и изменению температуры, экологически Электрохимические способы преобразования энергии безобидны, стопроцентно автономны.

К хим источникам тока относят гальванические элементы, батареи и топливные элементы.

Гальваническими элементами именуют устройства для прямого преобразования хим энергии заключенных в их реагентов в электронную. Реагенты (окислитель и восстановитель) входят конкретно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. После расхода реагентов элемент Электрохимические способы преобразования энергии не может быть возвращен в рабочее состояние. Такие элементы относят к первичным хим источникам тока – это источники тока разового деяния.

Механизм работы гальванического элемента разглядим на примере элемента Даниэля-Якоби, схема которого приведена на рис. 5.3.

Набросок 5.3 – Химический элемент

Он состоит из медной пластинки, погруженной в раствор сернокислой Электрохимические способы преобразования энергии меди и цинковой пластинки, погруженной в раствор сернокислого цинка . Для предотвращения прямого воздействия окислителя и восстановителя электроды разделены друг от друга пористой мембраной.

При погружении металла в раствор происходит сложное взаимодействие металла с компонентами раствора, в итоге которого происходит окисление металла и его ионы перебегают в раствор, оставляя в Электрохимические способы преобразования энергии металле электроны, заряд которых не скомпенсирован положительно заряженными ионами в металле. Металл становится заряженным негативно, а раствор положительно. Положительно заряженные ионы из раствора притягиваются к негативно заряженной поверхности металла, создавая на границе металл-раствор двойной электронный слой. Меж металлом и веществом появляется разность потенциалов, именуемая потенциалом электрода.

На поверхностях железных пластинок устанавливается Электрохимические способы преобразования энергии электронное равновесие:

на медной

,

на цинковой

.

Потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, потому при замыкании наружной цепи, т.е. при соединении цинка с медью железным проводником, электроны будут перебегать от цинка к меди. В итоге перехода электронов от цинка к меди равновесие на цинковом электроде Электрохимические способы преобразования энергии сместится на право, потому в раствор перейдет дополнительное количество ионов цинка. В то же время равновесие на медном электроде сместится на лево и произойдет разряд ионов меди.

Таким макаром, при замыкании наружной цепи появляются самопроизвольные процессы растворения цинка на цинковом электроде и выделение меди на медном электроде Электрохимические способы преобразования энергии. Данные процессы будут длиться до того времени, пока не выровняются потенциалы электродов либо не растворится весь цинк (либо не посадится вся медь).

Основными параметрами гальванических частей являются ЭДС, напряжение, емкость и удельная энергия.

Электродвижущая сила – разность потенциалов меж электродами в режиме холостого хода, т.е. режима, когда через элемент не проходит Электрохимические способы преобразования энергии электронный ток. ЭДС элемента не находится в зависимости от его размеров, а определяется типом применяемых электродов и концентрацией электролита. По мере работы элемента (разряда) миниатюризируется концентрация начальных реагентов и вырастает концентрация товаров реакции, что приводит к постепенному уменьшению ЭДС.

Напряжение элемента – разность потенциалов на электродах в процессе Электрохимические способы преобразования энергии прохождения тока. Напряжение элемента всегда меньше ЭДС из-за поляризации электродов и падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Внутренне сопротивление элемента вырастает с повышением плотности тока, что приводит к уменьшению его напряжения. Зависимость величины напряжения элемента от силы либо плотности тока именуется вольт-амперной чертой элемента. Кривая конфигурации напряжения во времени Электрохимические способы преобразования энергии в процессе разряда именуется разрядной кривой элемента.

Емкость элемента – выраженное в кулонах либо ампер-часах количество электричества, которое элемент способен дать при полном разряде. Она находится в зависимости от массы реагентов в элементе и их параметров.

При разряде элемента неизменным током , емкость определяется из выражения:

, (5.4)

энергию элемента можно отыскать из Электрохимические способы преобразования энергии уравнения:

, (5.5)

если элемент разряжается при неизменном наружном сопротивлении , то его емкость и энергия определяются из выражений:

, (5.6)

, (5.7)

где – емкость элемента при неизменном токе либо неизменном наружном сопротивлении, соответственно, А·ч; – энергия элемента, которую он дает во внешнюю цепь, Вт·ч; – среднее напряжение при разряде элемента, В; – время разряда Электрохимические способы преобразования энергии элемента, ч.

Удельная энергия – энергия, которую дает элемент во внешнюю цепь, отнесенная к единице его массы либо объема. Значения удельной энергии элемента охарактеризовывают его качество.

Для роста рабочего напряжения либо емкости гальванических частей употребляют электронные батареи. Электронной батареей именуется композиция включенных параллельно либо поочередно 2-ух либо более химических частей. Батареи являются комфортными Электрохимические способы преобразования энергии накопителями энергии, которые в течение недлинного периода времени могут поддерживать достаточно большой ток при сравнимо размеренном напряжении. Они отличаются компактностью, ординарны в эксплуатации и фактически не загрязняют окружающую среду. Тип батареи для определенных критерий работы выбирается по количеству запасаемой энергии на единицу массы и номинальному напряжению.

Гальванические батареи находят Электрохимические способы преобразования энергии обширное применение в качестве источников питания различных устройств: фонариков, часов, радиоприемников и т.п. Значимым недочетом гальванических частей является явление саморазряда – внедрение электрохимически активных веществ при отсутствии наружного тока, которое значительно уменьшает срок службы элемента.

Устройства, в каких происходят обратимые процессы преобразования хим и электронной энергии Электрохимические способы преобразования энергии, именуются аккумами. Процесс скопления хим энергии под действием наружного источника тока именуется зарядом, процесс перевоплощения хим энергии в электронную – разряд аккума. Батареи допускают неоднократные процессы заряда/разряда.

Простой аккумулятор обязан иметь два электрода – анод и катод, помещенных в электролит, который обеспечивает обмен ионами меж электродами.

Более всераспространенным типом восстанавливаемых химических частей Электрохимические способы преобразования энергии является свинцовый (кислотный) аккумулятор, который обширно употребляется в автомобилях. Анодом в этом аккуме является пористый свинец, а катодом – набор сеток, заполненных перекисью свинца ( ). Электролитом служит слабо концентрированная серная кислота ( ), которая при содействии с оксидом свинца образует новое хим соединение – .

При заряде аккума активная масса 1-го электрода преобразуется из Электрохимические способы преобразования энергии в , а активная масса второго электрода из преобразуется в . Разряд аккума происходит с образованием свободных электронов и воды, которая понижает концентрацию серной кислоты. Понижение концентрации электролита приводит к падению ЭДС и напряжения аккума. Сначала разряда напряжение падает относительно медлительно, но при напряжении ниже 1,7 В (плотность 1,17 г/см3) скорость уменьшения напряжения резко Электрохимические способы преобразования энергии увеличивается. При всем этом на электродах появляется неактивная пленка особенной кристаллической структуры, которая изолирует активную массу электрода от электролита – эффект сульфатирования. Потому для продления срока службы кислотных аккумов не рекомендуется их глубочайший разряд – ниже 70% от начальной емкости.

Широкому распространению свинцовых аккумов содействуют их тривиальные плюсы: высочайший Электрохимические способы преобразования энергии КПД преобразования энергии (около 80%), большая величина ЭДС и ее относительно маленькое изменение при неглубоком разряде, простота конструкции и низкая себестоимость.

Но, свинцовые батареи тяжелы и громоздки, имеют низкую удельную энергию на единицу массы (20-30 Вт·ч/кг), маленький срок службы (2-5 лет), подвержены саморазряду. Все же их обширно употребляют на автомобилях, самолетах Электрохимические способы преобразования энергии, стальных дорогах, элекрокарах и других устройствах, где нужен обычный идешевый автономный источник электроэнергии.

Другим всераспространенным типом аккумуляторных батарей являются батареи, у каких в качестве электролита заместо кислоты употребляется щелочь. Наибольшее распространение посреди щелочных аккумов получили никель-кадмиевые и никель-железные батареи. Большая часть реагентов щелочных аккумов находятся в жестком состоянии, что Электрохимические способы преобразования энергии обеспечивает размеренную величину ЭДС на их электродах и плотность конструкции. К плюсам щелочных аккумов относится большой срок службы (до 10 лет), высочайшая механическая крепкость, отсутствие необходимости подмены реагентов. Из недочетов можно отметить низкие значения КПД (60-65%) и маленькую величину ЭДС.

Щелочные батареи находят применение в качестве источников питания погрузчиков, рудничных Электрохимические способы преобразования энергии электровозов, различной электрической аппаратуры.

Новые разработки ориентированы на создание батарей с большенными удельными припасами энергии, большей удельной мощностью и поболее компактных или более дешевеньких. В последние годы исследования концентрировались вокруг химических источников, электродами в каких являются щелочные металлы и галогены.

Разработаны никель-цинковые батареи с удельной энергией Электрохимические способы преобразования энергии 50 Вт·ч/кг, ведутся разработки серно-натриевых аккумов с жестким электролитом, удельная энергия которых добивается 100-200 Вт·ч/кг. Данные разработки в особенности важны для больших городов, непростая экологическая обстановка которых почти во всем связана с наличием огромного количества автотранспорта с движками внутреннего сгорания. Внедрение аккумов с большой удельной энергией Электрохимические способы преобразования энергии позволит существенно сделать лучше экологию населенных пт за счет внедрения электроавтотранспорта.

Отдельным типом химических частей является топливный элемент. Топливный элемент отличается от выше рассмотренных химических частей тем, что активные вещества к нему подаются снаружи, а электроды в химических превращениях не участвуют. Потому что окислитель и восстановитель хранятся вне топливного Электрохимические способы преобразования энергии элемента, а его электроды во время работы не расходуются, он может эксплуатироваться долгое время. Обычно в топливных элементах употребляют водянистые либо газообразные восстановители (водород, метанол, углеводороды) и окислители (кислород и пероксид водорода).

На рис. 5.4 приведена принципная схема водороднокислородного топливного элемента с щелочным электролитом. Топливный элемент состоит из анода 1, катода 3 и Электрохимические способы преобразования энергии ионного проводника 2. К аноду подводится горючее (восстановитель), в этом случае водород, к катоду – окислитель, обычно незапятнанный кислород либо кислород воздуха.

На аноде элемента протекает хим реакция окисления водорода:

на катоде восстанавливается кислород:

.

Набросок 5.4 – Схема кислородно-водородного топливного элемента

Во наружной цепи происходит движение электронов от анода к катоду, а в Электрохимические способы преобразования энергии растворе – движение ионов от катода к аноду. Если просуммировать уравнения анодной и катодной реакций топливного элемента, получим уравнение токообразующей реакции:

.

В итоге протекания этой реакции во наружной цепи генерируется неизменный ток, и хим энергия конкретно преобразуется в электронную.

Внедрение водорода в качестве горючего связано с высочайшей ценой эксплуатации топливных частей, потому Электрохимические способы преобразования энергии изыскиваются способности внедрения других видов горючего, сначала природного и генераторного газа. Но, процесс окисления природных видов горючего при низких температурах происходит с очень малыми скоростями. Для ускорения электроокисления природного горючего разработаны высокотемпературные топливные элементы, с рабочей температурой 500-1000ºС. В качестве электролита в этих элементах употребляют расплавленные соли Электрохимические способы преобразования энергии либо твердые ионные проводники.

Разработаны также углеводородные элементы – керосиновый, гидразиновьй и формальдегидный, в каких, электролитом служит расплав карбоната щелочного металла.

В отличие от гальванических частей для непрерывного производства электроэнергии топливные элементы требуют ряда дополнительных устройств, обеспечивающих хранение и подвод горючего и окислителя, отвода товаров реакции, поддержании в данных границах напряжения Электрохимические способы преобразования энергии и температуры. Весь комплекс оборудования для производства электронной энергии на базе топливных частей именуется химической энергооустановкой.

Сделаны бывалые эталоны химических энергоустановок на мощности от 10-ов ватт до тыщ кв. Они имеют высочайший КПД (60-80%), бесшумны в работе, экономны, у их отсутствуют вредные отходы. Более разработаны кислородно-водородные энерго установки, которые Электрохимические способы преобразования энергии уже много лет с фуррором эксплуатируются на галлактических кораблях. Они обеспечивают галлактические корабли не только лишь электроэнергией, да и водой, которая является продуктом реакции в топливном элементе. Удельная энергия этих установок составляет 400-800 Вт·ч/кг, а КПД – 60-70% [6].

Создание дешевеньких топливных частей с высочайшим КПД, работающих на органическом горючем Электрохимические способы преобразования энергии, в широких масштабах позволило бы сохранить топливные ресурсы планетки на многие столетия. Широкомасштабное внедрение химических энергоустановок сдерживается их маленьким сроком службы и высочайшей ценой.

Водородная энергетика

Одной из более заманчивых перспектив развития энергетики является внедрение в качестве основного энергоэлемента водорода. Этому есть ряд весомых обстоятельств: водород является одним из часто Электрохимические способы преобразования энергии встречающихся хим частей на Земле, его можно получать из воды океанов, припасы которой фактически не ограничены; водород имеет по сопоставлению с другими видами топлив самую высшую теплоту сгорания на единицу массы (молекулярный водород содержит внутри себя в 3 раза больше энергии, чем равное ему по весу количество бензина – 143 МДж Электрохимические способы преобразования энергии/кг против 46 МДж/кг); водород экологически незапятнанный энергоэлемент – главным продуктом его сгорания является вода.

Принципиальным положительным свойством водорода является возможность его использования в обычных энергетических установках при их малозначительной модификации. Водород можно использовать в качестве горючего термических электрических станций заместо угля, мазута и газа, заправлять им авто и самолеты Электрохимические способы преобразования энергии заместо бензина и керосина, получив тем экологически идеальный транспорт.

При помощи водорода можно аккумулировать энергию, вырабатываемую атомными, солнечными и ветряными электрическими станциями в часы минимума нагрузок. Денька перекачки водорода можно использовать имеющиеся трубопроводы, служащие для транспортировки природного газа. При всем этом ввиду высочайшей энергетической плотности водорода, издержки на его Электрохимические способы преобразования энергии доставку к электрическим станциям оцениваются в 10-15 ниже издержек на транспортировку электронной энергии.

Возможность использования водорода в качестве основного энергоэлемента в технологических процессах получения, аккумулирования и транспортировки энергии, позволяет рассматривать водородную энергетику как суровую кандидатуру энергетике классической. Но для практического воплощения в жизнь мыслях водородной энергетики требуется неограниченное количество водорода.

Принципиально отметить Электрохимические способы преобразования энергии, что водород не является первичным источником энергии. Водород – это не горючее, он является только носитель энергии, как электричество. Водород еще легче сохранять, чем электроэнергию, но, чтоб выделить водород из связанных с ним хим частей, нужно затратить определенное количество энергии.

Вкупе с тем, не считая отмеченных выше плюсов, водород имеет Электрохимические способы преобразования энергии и ряд недочетов.

Он в восемь раз легче природного газа, а его большая теплота сгорания в 3,3 раза меньше, чем у метана.

Водород образует с воздухом взрывоопасные консистенции в существенно большем спектре концентраций, чем природный газ.

Температура сжижения водорода значительно ниже, чем у метана.

Главным вопросом развития водородной энергетики является Электрохимические способы преобразования энергии разработка выгодных технологий производства водорода. Существует огромное количество технологий получения водорода, посреди которых можно отметить каталитическую конверсию, термохимические и термоэлектрохимические способы разложения воды, электролиз воды (см. рис. 5.5).

Набросок 5.5 – Главные источники и пути получения водорода

В текущее время в мире большая часть производимого в промышленном масштабе водорода выходит в процессе паровой Электрохимические способы преобразования энергии конверсии метана. Приобретенный таким методом водород употребляется как реагент для чистки нефти и газа от примесей, как компонент азотных удобрений, горючее для ракетной техники. При температуре пара около 800°С происходит разложение метана и выделение водорода, осуществляемое на каталитических поверхностях. Достоинством технологии являются относительно низкие тепловые характеристики хим Электрохимические способы преобразования энергии реакций и то, что приблизительно половина водорода при паровой конверсии делается не из метана, а из воды. Но, способ каталитической конверсии углеводородов нельзя считать многообещающим из-за очень больших издержек энергии (порядка 20 МДж/м3 водорода) и в связи с сокращением припасов природного сырья – нефти либо газа.

Другой метод получения водорода основан Электрохимические способы преобразования энергии на использовании термохимических реакций с ролью химически активных соединений йода либо брома. Нагревая воду до температуры выше 2500°С, можно воплотить реакцию ее термолитического разложения на кислород и водород. Первичным продуктом служит вода, а сам процесс осуществляется в несколько циклов. Сложность этого процесса заключается в том, что тяжело Электрохимические способы преобразования энергии предупредить оборотную реакцию рекомбинации паров воды.

3-я разработка производства водорода – это электролитическое разложение воды. Электролиз можно производить под высочайшим давлением и получать высочайший выход водорода. Недочетом этого способа является значимый уровень употребления электроэнергии.

Для производства водорода прибыльно использовать термическую и электронную энергию, вырабатываемую АЭС и ГЭС в так именуемом провальном режиме Электрохимические способы преобразования энергии, другими словами в ночное время, когда падает уровень обыденного употребления энергии.

Из имеющихся технологий крупномасштабного производства водорода предпочтение следует дать электролитической технологии. Но и в данном случае издержки электроэнергии неприемлимо значительны – более тех же 20 МДж в расчете на 1 м3 незапятнанного водорода. Если рассчитывать на создание водорода на АЭС Электрохимические способы преобразования энергии и ГЭС в непиковые режимы работы, то расход энергии можно будет понизить более чем в 2 раза.

Согласно данным Минэнерго США, в современных критериях цена производства водорода способом паровой конверсии составляет 7 долл/ГДж (для критерий огромного завода), что уже соизмеримо со ценой обычного авто горючего. Расчет, выполненный спецами РНЦ «Курчатовский институт Электрохимические способы преобразования энергии» с учетом российских цен на газ, привел их к выводу, что водород будет более дешевеньким источником энергии по сопоставлению с бензином при текущих внутренних ценах на углеводородное горючее. Создание водорода электролизом воды на базе современных технологий оценивается по затратам от 10 до 20 долл. за ГДж.

Понижение цены водорода может быть Электрохимические способы преобразования энергии при строительстве инфраструктуры по доставке и хранению водорода. В США действует 750 км, а в Европе 1500 км водородных трубопроводных систем. Трубопроводы действуют при давлении 10-20 бар, сделаны из железных труб поперечником 25-30 см. Наистарейшем водородный трубопровод действует в районе германского Рура. 210 км трубопровода соединяют 18 производителей и потребителей водорода. Трубопровод действует Электрохимические способы преобразования энергии более 50 лет без аварий. Самый длиннющий трубопровод длиной 400 км проложен меж Францией и Бельгией.

Водород в текущее время, в главном, применяется в технологических процессах производства бензина, и для производства аммиака. США раз в год создают около 11 миллионов тонн водорода, что довольно для годичного употребления приблизительно 35-40 миллионов автомобилей.

Ожидается, что Электрохимические способы преобразования энергии к 2100 г. создание водорода достигнет 770-950 миллионов тонн (в 2000 г. оно составляло 50 Мт). Это приведет к формированию наикрупнейшго нового сектора мировой экономики. В качестве сопутствующих технологий самое обширное применение должны получить топливные элементы.

К концу 2006 года во всём мире было установлено более 800 стационарных энергетических установок на топливных элементах мощностью более 10 кВт Электрохимические способы преобразования энергии. Их суммарная мощность – около 100 MB. За 2006 год выстроено более 50 установок суммарной мощностью более 18 МВт.

Потребность в топливных элементах для децентрализованной стационарной энергетики (мощностью 250 кВт – 10 МВт) в наиблежайшие 10 лет составляет 100000 МВт. Цена 1 кВт планируется довести с современных 3000-6000 долл. до 1000-1500 долл. к 2015 г. Потребность в топливных элементах для автотранспорта (мощностью 25-50 кВт Электрохимические способы преобразования энергии) составляет 500 тыс. штук в год. Цена кв планируется довести с современных 3000-1000 до 100-50 долл [7].

Огромное внимание развитию водородной энергетике уделяется и в Рф. В 2005 «Норильский никель» основал инноваторскую компанию «Новые энерго проекты», задачей которой является разработка и внедрение топливных частей.

В 2006 «Норильский никель» заполучил контрольный пакет американской инноваторской компании Plug Электрохимические способы преобразования энергии Power, являющейся одним из фаворитов в сфере разработок, связанных с водородной энергетикой.

Подразумевается, что на базе русских и американских разработок с 2008 начнётся создание водородных энергетических установок в Рф.

Контрольные вопросы

1. Физический смысл термоэлектрического эффекта.

2. Механизм работы термоэлектрического генератора.

3. Достоинства термоэлектричексих генераторов.

4. Механизм работы магнитогидродинамического генератора.

5. Открытый и замкнутый цикл работы Электрохимические способы преобразования энергии установок с магнитогидродинамическим генератором.

6. Достоинства, особенности и трудности сотворения магнитогидродинамического генератора.

7. Достоинства хим источников тока.

8. Механизм работы гальваническго элемента Даниэля-Якоби.

9. Главные характеристики гальванических частей.

10. Систематизация аккумов.

11. Виды топливных частей.

12. Плюсы и недочеты водорода как энергоэлемента.

13. Пути и методы получения водорода.

14. Развитие водородной энергетики в Рф и мире.


elektrodvigateli-peremennogo-toka-obshego-naznacheniya-referat.html
elektrodvigateli-serii-375-50-gc-odnosekcionnie-diametr-953-mm.html
elektroemkost-svojstva-provodnika-v-elektricheskom-pole.html