Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков
№ 1-3 (2018)
Скачать выпуск PDF

ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА

17-25 305
Аннотация

Представлены результаты разработки методики комплексной оценки эффективности системы, включающей в себя солнечные коллекторы, бак-аккумулятор, грунтовый аккумулятор теплоты, а также системы отопления здания. Данная модель нестационарного теплообмена позволяет для различных климатических условий, типов гелиотехнического оборудования, типов систем отопления здания определить площадь и количество солнечных коллекторов и объем сезонного (грунтового) аккумулятора теплоты, обеспечивающих необходимые температурные характеристики здания. Для свойственного в условиях резкоконтинентального климата сезонного изменения приходов солнечной радиации и температуры окружающей среды получены аналитические выражения и выполнено численное исследование времени использования аккумулированной энергии для здания отапливаемой площадью 70 м2 . Показано, что при объеме грунтового аккумулятора тепла 500 м3 и максимальной температуре нагрева 90 ºС запасенной энергии достаточно для обогрева здания системой «теплый пол» более чем на 100 суток. Представлены данные, подтверждающие целесообразность применения солнечных систем теплоснабжения с грунтовым аккумулятором теплоты для суровых климатических условий, характерных для Уральского федерального округа России. Использование грунтовых аккумуляторов теплоты является простым и малозатратным способом переноса во времени (с летнего на зимний период) энергии солнечного излучения, что позволяет существенно сократить затраты органического топлива на обогрев помещений в отопительный период. Наибольшая эффективность использования аккумулированной в грунте энергии достигается благодаря низкотемпературным системам обогрева (теплый пол, воздушное отопление). Представленная методика является достаточно универсальной и может применяться для любых грунтов и накопительных сред, отличающихся от естественного грунта теплофизическими характеристиками (талькохлорит, талькомагнезит, солевые композиции и пр.), а также для других типов тепловых нагрузок, в том числе, для поддержания благоприятного температурного режима в плавательных бассейнах и сельскохозяйственных сооружениях закрытого грунта и пр.

 

26-36 426
Аннотация

Рассмотрена возможность совершенствования системы теплоснабжения г. Челябинска путём внедрения теплонасосной технологии для утилизации сбросного низкопотенциального тепла. Проанализированы проблемы системы теплоснабжения в Российской Федерации. Большинство потребителей в крупных городах средней полосы России снабжаются тепловой энергией за счёт эксплуатации централизованной системы теплоснабжения. Такой подход является во многом устаревшим и неприменим к современной энергетической системе. Повысить эффективность централизованного теплоснабжения предлагается посредством тепловых насосов. Описан пример проведения оценки эффективности применения данного метода, а именно произведены расчёты, конечным результатом которых стала оценка эффективности утилизации сбросного низкопотенциального тепла в системе теплоснабжения г. Челябинска. Для этого предварительно были проанализированы источники информации о способах утилизации сбросной тепловой энергии, принципах работы тепловых насосов, классификации городских источников сбросного тепла. Первым этапом исследования стала разработка методики расчёта, позволяющей произвести данную оценку при варьируемых начальных параметрах объектов системы теплоснабжения. Это позволило оценить эффективность применения тепловых насосов для каждой категории городских источников сбросной тепловой энергии: энергетической (ТЭЦ, котельные, тепловые сети) и неэнергетической (жилые, общественные и производственные объекты). Второй этап заключался в применении полученной методики в условиях г. Челябинска. В качестве исходных были выбраны данные, характеризующие климатические особенности, энергетические параметры источников централизованного теплоснабжения, а также данные по населению, экономике и промышленным объектам г. Челябинска. Результатом проведённого исследования стало численное значение эффективности утилизации сбросного тепла в г. Челябинске.

 

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

37-48 289
Аннотация

Сенсоры для детектирования химических агентов военного назначения и токсичных индустриальных химикатов должны быть чувствительны к малым концентрациям детектируемых газов, значительно меньшим, чем опасные для жизни и здоровья концентрации. В статье кратко обсуждались классические военные и токсичные индустриальные сенсоры. Сравнивалось воздействие ядерных бомб и химических агентов и токсичность реальных и симулирующих газов. Проанализированы симулянты и методы для испытаний сенсоров. Показана зависимость чувствительности сенсора, изготовленного из SnO2, от концентрации диметил метилфосфоната (ДММФ). Отмечено, что добавки MoO3, NiO, Al2O3, In2O3, Pt, ZnO и ZrO2 повышают чувствительность к ДММФ, а добавки Al2O3, In2O3, ZrO2 и ZnO – чувствительность материалов к дипропиленгликоль метилэтилену (ДПГМЭ). При этом SnO2-сенсоры с ZrO2 and ZnO добавками показывают высокую чувствительность к ацетонитрилу. Сенсоры, изготовленные из пленок SnO2, легированных кобальтом, продемонстрировали чувствительность к таким газам военного назначения, как зарин и иприт. Измерения были проведены при температуре нагрева подложки 210 ºC и экспозиции до сравнительно большой дозы газов (200 ppm зарина и 100 ppm иприта). Показано, что SnO2<Co> сенсор проявлял чувствительность к иприту, начиная с 25 ppm. Установлены значения чувствительности такого сенсора при 50 ppm и 12,5 ppm. Приведены результаты исследований сенсоров пропиленгликоля, диметилформамида и формальдегида, изготовленных из тонкопленочных нанокомпозитов на основе диоксида олова и многостенных углеродных нанотрубок путем гидротермального синтеза и золь-гель метода. Исследования характеристик отклика и восстановления сенсоров данных газов при рабочей температуре 50–300 oC позволили установить ее оптимальное значение в диапазоне 200–220 ºC. При этом зависимость чувствительности датчика от концентрации газа во всех случаях была линейной. Кроме того, были измерены минимальные концентрации газа PG, DMF и FA, при которых регистрируется воспринимаемый сигнал.

 

49-56 242
Аннотация

Исследовано взаимодействие сплава состава 80 ат. % Ti + 20 ат. % Fe (Ti80Fe20) с аммиаком под давлением 0,6÷0,8 МПа в интервале температур 100 ÷ 500 ºC: определены фазовые превращения в системе Ti80Fe20–NH3,  установлен состав продуктов, найдены условия образования гидридных и нитридных фаз, определена температура образования гидридных фаз с максимально возможным содержанием водорода для использования сплава в металлогидридных аккумуляторах водорода. Показана зависимость направления реакции сплава с аммиаком, проходящей в присутствии NH4Cl (10 мас. % от количества сплава) как активатора, от температуры. Одним из продуктов реакции, проведенной при 100 ºC, является гидридная фаза состава Ti4FeH8,3, которая при дальнейшем небольшом повышении температуры реакции разлагается на гидридные фазы титана и интерметаллического соединения TiFe. При температуре взаимодействия 200 ºC и выше происходит внедрение в металлическую решетку гидрида интерметаллида TiFeH-2 незначительных количеств азота с образованием фазы TiFeH-2Nx, а при температуре 350 ºC и выше в составе продуктов реакции появляется нитрид титана TiN. Взаимодействие сплава с аммиаком при 500 ºC приводит к образованию смеси нитрида титана и металлического α-Fe. Отмечено резкое увеличение удельной поверхности продуктов реакции при повышении температуры процесса от 250 ºC до 400 ºC (от 0,2 м2/г до 46,4 м2/г), что свидетельствует об образовании смеси высокодисперсных порошков. Металлогидридный аккумулятор водорода на основе исследованного сплава может работать в интервале температур от комнатной до 600 ºC и выделять до 3 мас. % водорода.

57-69 240
Аннотация

Разработан специализированный стенд для проведения практических работ по курсу водородной энергетики, состоящий из водородно-воздушного топливного элемента, электронной системы управления, платы контроля функциональных параметров и источника водорода на основе металлогидридного баллона. В качестве топливного элемента в данном стенде использовался 40-ваттный стек, состоящий из 22 мембранно- электродных блоков. Исследованы вольт-амперные характеристики стека, показано, что для эффективной работы топливного элемента при рабочей нагрузке 3 А необходимы потоки водорода более 0,7 л/мин. Изучено распределение температуры внешней поверхности стека при разной силе тока и установлено, что максимальная температура не превышает 45 ºС в режиме рабочей нагрузки стенда. Дано подробное описание разработанной станции водородной заправки металлогидридных баллонов с различными формфакторами и объемами от 50 мл до 15 л. Соединительные элементы станции выдерживают перепады давления от 0,1 Па (~10-3 мм.рт.ст) до 1,5 МПа (15 атм). В качестве источника водорода в данном стенде использовались гидриды сплавов La0,9Се0,1Ni5 и La0,8Се0,2Ni5. Исследования Р–С зависимостей циклов «абсорбция – десорбция» водорода для этих сплавов были проведены при температуре 25 ºС и 45 ºС. Детально описана процедура заправки водородом металлогидридных баллонов. Данный стенд позволяет в реальном времени измерять и стабилизировать температуру топливного элемента по двум термодатчикам с краю и в центре топливного элемента; контролировать температуру металлогидридного баллона; измерять напряжение и ток на топливном элементе; измерять ток через подключенную внешнюю нагрузку, независимо от внутренней электронной нагрузки стенда; измерять расход водорода. Данный стенд может применяться как для демонстрации работы альтернативных источников энергии, так и для обучения и тренинга персонала, работающего в области энергетики.

 

70-93 296
Аннотация

Прогресс в области водородной энергетики и перспективные направления ее современного развития тесно связаны с разработкой топливных элементов, в том числе, твердооксидных топливных элементов и твердо- фазных мембран для получения водорода, кислорода и синтез-газа. Необходимым условием производства конкурентоспособных устройств в данной области является использование электродных материалов, сочетающих высокую электрохимическую активность, стабильность характеристик во времени и низкую стоимость. Оксиды Ln2NiO4 со слоистой структурой Раддлесдена – Поппера с высокой смешанной ионно- электронной проводимостью и умеренными коэффициентами теплового расширения являются перспективными материалами для кислородпроводящих мембран и катодов среднетемпературных твердооксидных топливных элементов. В настоящей работе проведены исследования структуры, электропроводности, подвижности кислорода и электрохимических свойств Ln2-xCaxNiO4+δ (Ln = La, Pr, Nd; x = 0; 0,3) с целью выявления факторов, оказывающих наиболее значительное влияние на электрохимическую активность и стабильность электродов. Установлено, что допирование кальцием приводит к стабилизации структуры и увеличению электропроводности материалов. Однако электрохимическая активность электродов с введением кальция снижается в разной степени, зависящей от природы лантаноида. Прямой связи такого снижения ни с электрическими свойствами, ни с содержанием междоузельного кислорода не было обнаружено. Выявлена корреляция поляризационного сопротивления электродов с реакционной способностью (константой обмена) и подвижностью (коэффициентом самодиффузии) кислорода в электродном материале. С помощью метода C18O2 SSITKA показано, что общая подвижность кислорода в допированных материалах падает при уменьшении содержания высокоподвижного междоузельного кислорода и нарушении кооперативного механизма переноса кислорода. В случае La1,7Ca0,3NiO4+δ это приводит к появлению канала медленной диффузии и существенному уменьшению суммарного коэффициента диффузии, что может быть причиной значительного увеличения поляризационного сопротивления электродов. В материалах с празеодимом и неодимом такое явление не наблюдалось. Разработанные в данном исследовании электроды на основе Pr1,7Ca0,3NiO4+δ и Nd1,7Ca0,3NiO4+δ имеют приемлемый уровень электрохимической активности наряду с высокой электропроводностью и повышенной стабильностью по сравнению с недопированными составами и могут быть рекомендованы в качестве катодов среднетемпературных топливных элементов.

 

 

94-102 131
Аннотация

Сравнивались каталитические свойства синтезированных авторами смешанных оксидов шпинельной структуры Со3О4 и NiCo2O4 при их использовании в качестве катализаторов реакции восстановления кислорода в щелочной среде. Данная реакция является одной из важнейших при разработке альтернативных источников энергии с высокими удельными характеристиками – металловоздушных источников тока, а также топливных элементов. Одним из реагентов в таких системах является кислород, другим – может выступать металл (Zn, Li и др.) или водород. Для поиска высокопроизводительных катализаторов применялся метод сравнения каталитической активности катализаторов, нанесенных на плоские электроды, при этом, для того чтобы использовать образцы в качестве электродов, добивались достаточной адгезии. Катализатор Со3О4 был получен на подложке гидротермальным методом из раствора, содержащего 0,1М Co(NO3)2 и 0,4 М мочевины. Синтез NiCo2O4 осуществляли электрохимическим методом из раствора 0,01 М Ni(NO3)2 и 0,02 М Co(NO3)2. Аттестацию образцов проводили с помощью рентгенофазового анализа, электрохимические характеристики определяли методом циклической вольтамперометрии в 1 М растворе NaOH. Установлено, что каталитически активные центры формировались на поверхности электрода с нанесенным слоем соответствующего оксида в процессе катодной поляризации. Электродная реакция при образовании одного центра соответствовала двухэлектронному переходу. Общее число центров можно было определить по количеству электричества. Степень заполнения также определяли по количеству электричества как функции потенциала по катодной ветви вольтамперограммы. Расчет проводили путём численного интегрирования тока по методу трапеций в пакете Excel. На основе выполненных расчетов установлен вид и параметры изотермы заполнения поверхности активными центрами как функции потенциала электрода. Впервые показано, что заполнение поверхности активными центрами происходит в соответствии с изотермой Фрумкина – Темкина. Кроме того, рассчитаны параметры изотерм и плотность центров на поверхности, а также эффективное расстояние между ними. Наибольшее количество центров получено для электрода с нанесенным слоем NiCo2O4 – 2,27∙1017шт/см2 .

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИ

103-117 275
Аннотация

Приведены краткие сведения о коррозионно-агрессивных соединениях серы в тракте пылеугольного котла. При сгорании угля с повышенным содержанием серы образуется сернистый ангидрид (SO2) и серный ангидрид (SO3). По мере движения продуктов сгорания по конвективной шахте котла их температура снижается и достигает значений начала конденсации серной и сернистой кислоты. В статье описан экономичный и достаточно простой по исполнению эксперимент, позволяющий определить мероприятия по уменьшению низкотемпературной коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева (НТПН). В рамках исследования методов повышения энергетической и экологической эффективности работы оборудования и на основе анализа результатов промышленных испытаний различных способов снижения выбросов оксидов серы при сжигании непроектных видов бурого угля выполнена оценка некоторых методов и подготовлены научно-обоснованные технические предложения для достижения минимально возможных концентраций оксидов серы в выбросах с дымовыми газами в атмосферный воздух. При этом учитывался ряд важных нормативно-правовых актов, содержащих комплекс мер по переходу на принципы наилучших доступных технологий, и принималась во внимание разработка информационно-технического справочника по наилучшим доступным технологиям («Сжигание топлива на крупных установках в целях производства энергии») для объектов электроэнергетики. Кроме того, были определены некоторые мероприятия, направленные на повышение надежности и эффективности работы НТПН котлов тепловых электрических станций с точки зрения экологической и экономической целесообразности.

 

ИНФОРМАЦИЯ

НОВОСТИ НАУКИ И ТЕХНИКИ



ISSN 1608-8298 (Print)