ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ
ЭНЕРГЕТИКА
RENEWABLE ENERGY
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
SOLAR ENERGY
Статья поступила в редакцию 14.09.15. Ред. per. № 2356
The article has entered in publishing office 14.09.15. Ed. reg. No. 2356
УДК 620.92.004.4; 620.93
НОВЫЕ ФАЗОПЕРЕХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ И ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Б.Д. Бабаев
ФГБО ВПО «Дагестанский государственный университет» РФ 367025, Махачкала, ул. Магомеда Гаджиева, 43а тел.: 89884689985; e-mail: bdbabaev@yandex.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.20.001
Заключение совета рецензентов: 15.09.15 Заключение совета экспертов: 17.09.15 Принято к публикации: 18.09.15
В статье даны термодинамические характеристики новых, полученных экспериментально, эвтектических составов и выявленных программой реакций в многокомпонентных системах на основе солей щелочных и щелочноземельных металлов. Показана перспективность и экологическая безопасность их использования в качестве фазопереходных и термохимических теплоаккумулирующих материалов в энергоустановках на базе возобновляемых источников энергии по сравнению с гидроаккумулированием.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, аккумулятор тепла, теплоаккумулирующая система, фазопереходный теплоаккумулирующий материал.
NEW PHASE-TRANSITION HEAT-ACCUMULATING MATERIALS FOR RENEWABLE ENERGY STORAGE AND ENVIRONMENTALLY SOUND
B.D. Babaev
Daghestan State University 43a Magomed Gadzhiev str., Makhachkala, 367025 Russian Federation ph.: 89884689985; e-mail: bdbabaev@yandex.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.20.001
Referred 15 September 2015 Received in revised form 17 September 2015 Accepted 18 September 2015
The article provides new thermodynamic characteristics obtained experimentally, and the eutectic compositions identified program reactions in multi-component systems based on salts of alkali and alkaline earth metals. The prospects and environmental safety of their use as phase-transition and thermo chemical heat storage materials in power plants based on renewable energy are compared with hydraulic accumulation.
Keywords: renewable energy, accumulator heat, heat storage system, heat storage in phase transition material.
Бабаев Баба Джабраилович Baba D. Babaev
Сведения об авторе: доцент кафедры «Возобновляемые источники энергии» Дагестанского государственного университета. Стаж работы в данной области 25 лет.
Образование: Московский инженерно-строительный институт (МИСИ).
Область научных интересов: химические методы преобразования и аккумулирования энергии. Публикации: 125 статей и 15 патентов. тел.: 8988 468 99 85; е-шай: bdbabaev@yandex.ru
Information about the author:
associate professor of Dagestan State University. 25 years of experience.
Education: Moscow Engineering and Construction Institute.
Research area: chemical methods for the conversion and energy storage.
Publications: 125 articles and 15 patents.
ph.: 8988 468 99 85, e-mail: bdbabaev@yandex.ru
Введение
Большая часть мировой энергетики (95 %) базируется на сжигании органического и атомного топлива. Эти способы получения первичного тепла подвергаются жесткой и справедливой критике в связи с недопустимым воздействием на окружающую среду. Использование органического и атомного топлива приводит к критическому, вследствие антропогенного фактора, потеплению климата из-за выброса в атмосферу добавочного тепла, количество которого начинает составлять заметную долю от общей солнечной радиации, и загрязнению атмосферы парниковыми газами. Принятый международным сообществом «Киотский протокол» предполагал реальное ограничение развития промышленности передовых в техническом отношении стран, достигших разумных пределов в выбросах в атмосферу парниковых газов. Однако возникший в последние годы мировой экономический кризис если не остановил действие «Киотского протокола», то в значительной мере затормозил его выполнение, что чревато дальнейшим усугублением экологической обстановки.
В любом случае потребности человечества в энергии будут возрастать с каждым годом, и при этом энергетика должна развиваться более высокими темпами, чем другие отрасли, поскольку она обеспечивает не только прогресс общественного производства, но и быстро растущую бытовую нагрузку населения, пропорциональную росту его численности и общего уровня жизни.
Современная энергетика, ориентированная на преимущественное использование органического топлива, является самым сильным загрязнителем окружающей среды, воздействующим на биотопы, биоценозы и на человека как часть биосферы [1, 2].
Более того, современная энергетика оказывает влияние на биосферу в целом и весьма значительно на геоэкологическую составляющую окружающей среды (биотопы практически всех иерархических уровней): в планетарном масштабе - на атмосферу, гидросферу, литосферу - и на локальном уровне за счет потребления кислорода, выброса газов, влаги, золы, тепла и т.д.; потребления воды, создания водохранилищ, сбросов загрязняющих и нагретых вод, жидких отходов и др.; изменения почв и подстилающих грунтов, ландшафтов и их составляющих,
потребления ископаемых видов топлива, выброса токсинов и т.д.
Но человечество не может существовать без использования ресурсов планеты, многие из которых, в частности энергоносители, при нынешнем развитии техники и технологий по ряду прогнозов могут быть исчерпаны в исторически обозримой перспективе. Это, в свою очередь, окажет прямое негативное влияние на условия существования как будущих поколений, так и на дальнейшее функционирование биосферы. Следовательно, исчерпание природных ресурсов имеет и общегуманитарный аспект: нынешнее поколение не имеет права оставить будущих обитателей без любого, даже малозначимого, составляющего планеты.
Преимущества возобновляемых источников энергии
Одно из самых актуальных направлений формирующейся во многих странах системы экологической безопасности и безусловного ресурсосбережения -реализация программ по освоению нетрадиционных источников энергии. Солнечное излучение с энергетической и термодинамической точек зрения является высококачественным первичным источником энергии, допускающим принципиальную возможность ее преобразования в другие виды энергии (тепло-, электроэнергию и др.) с высоким коэффициентом полезного действия, включая обеспечение экологической безопасности нашей планеты, в том числе и на фоне глобального потепления климата [1, 2].
Использование возобновляемых источников (солнечной, ветровой и т. т.) энергии - это:
• экономия органических энергоресурсов со снижением нагрузки на окружающую среду от вредных выбросов, в частности, группы газов, вызывающих парниковый эффект;
• исключение выделения добавочного тепла в окружающую среду.
Таким образом, исследование повышения эффективности устройств, преобразующих солнечную и ветровую энергию, есть задача не только техническая, но и экологическая.
Необходимо отметить, что применение солнечной энергии для теплоснабжения имеет широкие перспективы, поскольку КПД солнечных тепловых коллекторов достигает 60-80 %.
Одно из возможных мероприятий, которое позволит более эффективно использовать тепловую энергию в различных областях народного хозяйства, - аккумулирование тепла посредством применения тепловых аккумуляторов (ТА) различной конструкции.
Фазопереходные теплоаккумулирующие материалы
Уже сегодня в солнечных системах теплоснабжения для аккумулирования вместо бака с водой предлагаются фазопе-реходные теплоаккумулирующие материалы (ФТАМ), в которых тепловая энергия накапливается не только за счет теплоемкости, но и за счет скрытой теплоты фазового перехода АН.
Энергоаккумулируюшая способность ФТАМ определяется по формуле:
W„„ = m
(V - ¿o) + AH + c- (к - ¿фп )], кДж
ЛЧ/А - е -
-✓А.С 'ю1
где т - масса ТАМ; /0> 4 - начальная и конечная температура ФТАМ соответственно, 0С.
Экспериментально выявленные наиболее энергоемкие составы эвтектик двух-, трех-, четырех- и пя-тикомпонентных систем, входящих в Ы, Са, Ва || Б, Мо04, а также их теплоемкости, рассчитанные по экспериментальным данным об энтальпии, приведены в табл. 1. В таблице использовались следующие обозначения: ^ - температура плавления; Ау 0°298 -энергия Гиббса образования вещества при стандартных условиях; А уH298 - энтальпия образования вещества при стандартных условиях; АНпл - энтальпия плавления вещества; Ср - изобарная теплоемкость вещества [3].
Из табл. 1 и анализа перспективных теплоакку-мулирующих материалов [4] видно, что наиболее энергоемкими в многокомпонентных системах являются эвтектические составы сечений в стабильных симплексах солевых расплавов, содержащих фториды, хлориды, нитраты и сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов. Предлагается применять также энергоемкие обратимые химические реакции, протекающие между вышеуказанными солями.
N
Таблица 1
Эвтектические составы многокомпонентных систем, полученных экспериментально, и их термодинамические свойства
Table 1
Eutectic compositions of multicomponent systems, obtained experimentally, and their thermodynamic properties
Система Состав эвтектики в весовых % 'пл, °C А*™ кДж/кг, Cp, кДж/кг К, расчет
Номер компонента системы эксперимент твердая фаза, t = 298оС жидкая фаза, t = tn+
1 2 3 4 5
(LiF)2-CaMoO4 40 60 - - - 738 770 1,06 1,45
(LiF)2-BaMoO4 45,1 54,9 - - - 770 782 0,99 1,40
(LiF)2-Na2MoO4 4,3 95,7 - - - 558 462 0,73 0,98
(LiF)2-CaMO4-BaMoO4 32,4 40,4 27,2 - - 726 655 0,93 1,25
(LiF)2-CaF2-BaMoO4 34,8 30,3 34,9 - - 748 625 0,98 1,42
(LiF)2-Li2MoO4-BaMoO4 15,4 67 17,6 - - 558 430 0,95 1,18
(LiF)2-BaF2-BaMoO4 28 43,2 28,8 - - 750 604 0,76 1,10
(LiF)2-Li2MoO4-CaMoO4 16,5 80,3 3,2 - - 570 320 1,03 1,28
(LiF)2-CaF2-CaMoO4 41,7 11,1 47,2 - - 730 694 1,09 1,53
(LiF)2-Li2MoO4-Na2MoO4 1,4 49,8 48,8 - - 424 420 0,82 1,01
(LiF)2-(NaF)2-Na2MoO4 1,1 5,0 93.9 - - 550 410 0,72 0,97
Li2MoO4-Na2MoO4-CaMoO4 48,8 47 4,2 - - 442 189 0,80 0,98
Li2MoO4-Na2MoO4-BaMoO4 45,4 43,9 10,7 - - 432 199 0,77 0,94
Li2MoO4-CaMoO4-BaMoO4 86,4 2,2 11,4 - - 622 236 0,86 1,00
Li2MoO4
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.