Источники энергии - В Лаврус

Современное производство ХИТ является самостоятельной отраслью электротехнической промышленности. Автоматизация изготовления источников тока явилась одной из причин их выпуска в огромных количествах с высокими удельными характеристиками.

Утилизация отработавших срок службы ХИТ вызвала определенные экологические проблемы. В производстве ХИТ используются ртуть, кадмий, сурьма и другие токсичные химические элементы. Сбор и переработка большого количества источников тока затруднительна. Это послужило причиной для поиска новых материалов и разработки источников тока свободных от токсичных элементов.

Хорошо известные гальванические элементы и аккумуляторы содержат ограниченное количество реагентов и способны в одном цикле "произвести" лишь фиксированную порцию энергии. Однако, есть третий тип ХИТ, в котором окислитель и восстановитель непрерывно подаются, соответственно, к катоду и аноду, а материал самих электродов в реакциях не участвует. Такие устройства называются топливными элементами (ТЭ) (см. гл. 2.5).

Первое практическое применение "новый" химический источник тока нашел в космосе, несмотря на то, что был открыт более 150 лет назад. Топливный элемент обладает наивысшими удельными характеристиками и КПД. В нем нет перемещающихся деталей, он бесшумен и кроме электроэнергии вырабатывает тепло. Топливный элемент -- обратимое устройство, с помощью которого можно вырабатывать топливо (разлагать воду на кислород и водород), т.о. он может выполнять роль аккумулятора.

Практическое использование топливных элементов началось в 60-х годах с их использования на борту космических кораблей. Американская корпорация United Technology затратила на разработку ТЭ по проекту "Аполло" около 100 млн. долларов (мощность созданной бортовой установки -- 2,5 кВт). В 1977 году та же корпорация изготовила и испытала установку мегаваттной мощности, а в начале 80-х годов в Нью-Йорке была смонтирована электростанция на 4,5 МВт для широкомасштабной демонстрации преимуществ "нового" способа получения электроэнергии.

Мы являемся свидетелями первых шагов коммерческого использования ТЭ. От лабораторных исследований до широкого внедрения в энергетике проходит около полувека. Критерием широкого использования можно считать момент, когда новые энергоустановки достигнут 10-процентной доли в общей мощности отрасли. История развития энергетических установок в большой энергетике позволяет оценить прогнозируемые сроки внедрения ТЭ.

Топливный элемент -- сверстник паровой турбины. Лабораторные исследования паровых турбин начались в 70-х годах прошлого века, их экспериментальные образцы возникли в первой половине 80-х годов, демонстрационная модель создана в 1890 году, первая промышленная паротурбинная установка -- в 1895-м, а 10-процентную долю в общей мощности электростанций турбины обеспечили в 1910 году [2].

В атомной энергетике лабораторные исследования велись в 30-х годах, экспериментальная установка была создана в 1941 году, демонстрационная -- в 1953-м, первая промышленная атомная электростанция -- в 1955-м, и лишь в 1978 году доля атомных электростанций в энергетике СССР достигла 10%.

Примером современного маркетинга в энергетике служит деятельность корпораций по завоеванию десятипроцентной доли рынка. В настоящее время американская корпорация H Power Corp. исследует, проектирует, и производит ТЭ. Electro-Chem-Technic и Warsitz (США) производят и продают по низкой цене небольшие ТЭ, главным образом, для школ, колледжей и университетов. Цель состоит в том, чтобы сделать широко известными преимущества основных принципов ТЭ. Энергетическая компания Brooklyn Union (Канада) проводит испытания установочной партии ТЭ мощностью 200 кВт.

2.1. СТАЦИОНАРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Современная техника располагает целым рядом электронакопительных устройств. Это -- свинцовые, железо-никелевые, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые, серно-натриевые, медно-литиевые и другие типы аккумуляторов. Наиболее распространенными являются свинцовые аккумуляторы.

Аккумуляторами называются химические источники тока, предназначенные для многократного использования их активных веществ, регенерируемых путем заряда.

Аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии многоразового действия. Они состоят из двух электродов (положительного и отрицательного), электролита и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при протекании химической реакции окисления-восстановления электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы.

Экономичнее свинцового аккумулятора до сих пор ничего не изобретено. Широкое распространение они получили благодаря высокой надежности и невысокой цене. Эксперты ООН считают, что в обозримом будущем свинцовые аккумуляторы сохранят свое значение как одних из самых удобных источников электрической энергии.

Основным достоинством свинцовых аккумуляторов является стабильность напряжения при изменении тока нагрузки и температуры. Напряжение аккумулятора -- это разность потенциалов между полюсами при фиксированной нагрузке. В зависимости от электрохимической системы напряжение на зажимах аккумулятора составляет от 1,2 до 2 В.

Бытует ошибочное мнение, что основной сферой использования свинца является производство боеприпасов. Ежегодно только на свинцовые аккумуляторы расходуется немногим меньше половины добываемого в мире свинца.

Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор был создан французским исследователем Г. Планте (в 1859 г.). Электроды первого аккумулятора были изготовлены из листового свинца, а сепаратором служило полотно. Вся конструкция сворачивалась в спираль и вставлялась в емкость с 10% раствором серной кислоты.

Для увеличения емкости такого аккумулятора проводили многократные циклы заряда-разряда, чем формировали развитую поверхность пластин. Для такой тренировки требовалось от 1000 часов до двух лет. В последствии поверхностные пластины формировались гальваническим способом. Единственными источниками энергии в то время были первичные элементы. От них (в основном это были элементы Бунзена) осуществлялся заряд аккумуляторов.

Зарядом аккумулятора называется превращение электрической энергии в химическую, а разрядом -- химической в электрическую. Процесс разряда -- явление обратное заряду, когда сам аккумулятор отдает свой заряд во внешнюю электрическую цепь потребителю электроэнергии.

Значительно увеличить емкость электродов удалось в 1880 г. К. Фор стал изготавливать намазные электроды нанесением на поверхность пластин окислов свинца. Уже в 1881 году Э. Фолькмар предложил намазную решетку в качестве электродов. В том же году Селлону был выдан патент согласно которому решетки Фолькмара предлагалось изготавливать из сплава сурьмы и свинца.

Ускорению работ по совершенствованию свинцового аккумулятора способствовало изобретение Эдисоном лампы накаливания. В 1881 году по Сене ходила лодка с электрическим двигателем и батареей аккумуляторов Планте. В том же году создан электромобиль. Тогда же появились дешевые генераторы, позволившие начать коммерческое использование аккумуляторов.

В Кронштадте разработки конструкции аккумулятора начались в 1881 г., а уже в 1884-м на Неве прошел испытание электрический катер. Он мог пройти 30 миль при скорости до 6 узлов.

К 1890 году в промышленно развитых странах свинцово-кислотные аккумуляторы выпускались серийно. Первой патенты Фора, Фолькмара и Селлона купила Electrical Power Storage Company.

В 1900 году фирма VARTA выпустила стартерный аккумулятор для запуска автомобильного двигателя. VARTA является поставщиком заводов "Мерседес", "Фольксваген", "Ауди" и "Опель".

В 1938 году, Леопольд Джунгфер основал фирму Baren. Начиная с 1939 года фирмой были изготовлены батареи почти для каждой области применения.

В 1942 году в Италии Гиулио Долсетта основал фирму FIAMM. FIAMM выпускает стартерные, тяговые и стационарные аккумуляторы (см. гл. 2.3).

С появлением электростанций понадобились мощные стационарные аккумуляторы. На станциях постоянного тока они служили дополнительным источником энергии в моменты пиковых нагрузок. На станциях переменного тока стационарные аккумуляторы используются для вспомогательных целей. Так городские сети постоянного тока имели батареи аккумуляторов, которые развивали в 1927 году мощность:

80000 кВт -- Берлин,

95000 кВт -- Нью-Йорк.

Кроме аварийного освещения их используют для средств связи, в системах автоматики на железной дороге, в устройствах охранной и пожарной сигнализации и пр. Для телефонных станций они служили единственным источником постоянного напряжения.

Из большого разнообразия стационарных аккумуляторов, которые обеспечивают питание нагрузок на время отключения электроснабжения, в большей мере используются только свинцовые и никель-кадмиевые аккумуляторы (см. табл. П4 приложения).