admin / 18.12.2018

Самый большой конденсатор

Конденсатор вместо аккумулятора

Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?

Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.

Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.

При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственнен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности — гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.

Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.

Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.

Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.

Использование двойного электрического слоя

На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой — электролит, а изоляцией между обкладками — окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.

Сравнение конструкций разных типов конденстаторов (Источник: Википедия)

Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.

Суперконденсаторы различной емкости производства Maxwell

Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии — с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».

Параметры суперконденсаторов

Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.

Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.

Принципиальная схема источника бесперебойного питания
напряжением на суперконденсаторах, основные узлы реализованы
на одной микосхеме производства LinearTechnology

Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае — емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.

Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.

Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.

Применение суперконденсаторов

Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.

Грунтовый светодиодный светильник с питанием
от солнечных батарей, накопление энергии
в котором осуществляется в суперконденсаторе

Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.

Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.

Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.

Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.

Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.

Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.

В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.

Системы утилизации тепла в холодильных установках

  • Главная
  • Архив журнала
  • МИР КЛИМАТА №62 (2010)
  • Системы утилизации тепла в холодильных установках

Во всем мире и прежде всего в странах Западной Европы и США широко применяются технические решения, позволяющие снизить стоимость жизненного цикла холодильной установки. Это и применение электронных расширительных вентилей, и оптимизация давления конденсации в зависимости от температуры наружного воздуха, и установка давления всасывания холодильной машины в зависимости от нагрузки на нее, и управление компрессорами и вентиляторами конденсатора с помощью преобразователей частоты, позволяющих существенно уменьшить потребление энергии. В России активное внедрение подобных решений долгое время сдерживалось из-за заметно более низких, чем на Западе, цен на энергоносители, не позволявших окупить дополнительные капиталовложения в относительно короткий срок. Однако в последние годы технологии энергосбережения становятся все более и более актуальными и в нашей стране.

Системы утилизации тепла конденсации холодильной машины стоят особняком от перечисленных выше решений, поскольку позволяют экономить не электроэнергию, потребляемую непосредственно системой холодоснабжения, а дают возможность снизить затраты других систем, используемых на объекте.

Если рассматривать термодинамику цикла, то можно увидеть, что есть две основные возможности снять теплоту. Первая — использовать перегрев сжатого в компрессоре газа. Вторая — утилизировать теплоту конденсации хладагента.

При использовании перегрева сжатого газа в холодильном контуре устанавливается дополнительный теплообменник. В этом случае можно утилизировать до 20% всего тепла, сбрасываемого установкой. Так как температура хладагента в конце процесса сжатия может превышать 100 °C, среда (воздух или вода) нагревается до 80–90 °C.

При утилизации теплоты конденсации можно снять намного больше тепла, но тепла низкопотенциального, позволяющего нагреть воду или воздух лишь до 30 градусов.

Для чего может быть использовано утилизированное тепло? Наиболее очевидное применение — воздушное отопление зимой. В простейшем варианте установка имеет два параллельно установленных конденсатора, один — на улице (он работает в теплое время года), а второй — внутри помещения (он подогревает воздух в холода). В недорогом исполнении такое решение не имеет никакой регулирующей автоматики. Перевод из зимнего режима в летний производится вручную отключением соответствующего конденсатора, при помощи запорных клапанов. Более сложные варианты имеют один конденсатор, установленный в помещении, и систему, направляющую поток воздуха либо на улицу, либо внутрь помещения. Управление распределением потока может быть как ручным, так и автоматическим.

В настоящее время набирает популярность применение утилизированного тепла для подогрева воды, идущей на различные технические нужды.

Как правило, и для отопления, и для нагрева воды используют перегрев сжатого газа, так как температуры, которую можно получить при утилизации тепла конденсации хладагента, недостаточно. Использование перегрева газа позволяет нагреть воду до 40–50 °C и выше. В случае когда холодильная машина не обеспечивает нужной производительности или же не может работать постоянно, а емкости бака-аккумулятора для поддержания температуры недостаточно, применяют электрические нагреватели или газовые бойлеры.

Интересной разновидностью подобных систем являются каскадные установки с высокотемпературным тепловым насосом в качестве верхнего контура, который подогревает воду до 65–80 °C. Такая вода может использоваться для санитарной обработки поверхностей (при этой температуре погибает большинство бактерий), в химическом производстве. При большой потребности в горячей воде для промышленных нужд целесообразно применение систем с транскритическим циклом на СО2. Они менее эффективны по сравнению с традиционными, но позволяют нагревать воду до более высокой температуры.

Для применения систем утилизации тепла желательно, чтобы графики работы холодильной машины и потребности в горячей воде по возможности совпадали. Поэтому наиболее целесообразно использовать эти системы там, где холод вырабатывается постоянно. Например, на предприятиях пищевой промышленности, где горячая вода необходима для мойки помещений. Интересным представляется применение систем подобного рода на ледовых катках. Горячая вода здесь может использоваться для защиты грунта под охлаждаемой плитой от замерзания, а также для различных технологических нужд. Оценке экономической эффективности применения систем утилизации на промышленных предприятиях была посвящена статья в журнале «МИР КЛИМАТА» № 52.

Все больший интерес к подобным системам проявляют магазины и торговые сети. Еще бы — при относительно небольших дополнительных капитальных затратах системы рекуперации тепла позволяют обеспечить горячей водой целый супермаркет!

Интересен американский опыт использования теплоты перегрева конденсаторов молокоохладителей на фермах. Принципиальная схема установки показана на рис. 1. Вода, поступающая из водопровода, нагревается горячим газом и поступает в подогреватель, где ее температура увеличивается до требуемого значения. Эксплуатация таких установок в течение года позволила в три раза снизить расход энергии на нагрев воды. Особо заметный экономический эффект был получен там, где подогрев осуществлялся жидким топливом.

Следует отметить, что система утилизации тепла может быть установлена и на уже действующей холодильной машине. Так, канадская служба по вопросам энергетической эффективности The Office of Energy Efficiency (OEE) опубликовала отчет о модернизации системы холодоснабжения кухни одного из крупных медицинских центров Канады. Линии нагнетания всех 10 компрессоров объединили в одну и установили на ней пластинчато-паяный теплообменник, в котором вода подогревалась с 10 °C до 30 °C и направлялась в газовый бойлер, где доводилась до необходимой температуры. Благодаря применению утилизации годовое потребление газа снизилось на 40%, срок окупаемости системы составил 2,3 года. В нашей стране успешный опыт модернизации действующей установки был осуществлен компанией «Простор-Л» на ледовой арене «Локомотив» в Ярославле. Система утилизации тепла, вырабатывающая горячую воду для технологических нужд, была установлена спустя полтора года после сдачи объекта в эксплуатацию. Благодаря ее применению расход горячей воды из городской сети сократился в десять раз, а сама система окупилась менее чем за два года.

Важно отметить, что системы утилизации тепла обычно выполняются по индивидуальным проектам под конкретную задачу. Крайне важно правильно подобрать все компоненты системы и без ошибок ее спроектировать. Теплообменник-утилизатор, как правило, имеет пластинчатую конструкцию, хотя на больших установках применяются и кожухо-трубные теплообменники. Если в конструкции предусмотрено наличие предконденсатора, необходим его точный подбор с целью недопущения конденсации хладагента. При использовании одновременно нескольких источников тепла, например, средне- и низкотемпературных центральных холодильных машин, важно предусмотреть такую их компоновку в машинном отделении, которая позволит обеспечить удобную прокладку трубопроводов для горячей воды и доступ к системам автоматики и запорной арматуре.

В качестве примера использования утилизации тепла в промышленности рассмотрим систему, которую применил один из лидеров холодильного бизнеса — компания ООО «Термокул» (г. Москва) (рис. 2). Горячая вода вырабатывается системой холодоснабжения камеры шоковой заморозки. Вода, получаемая в результате нагрева, используется для размораживания мяса, оттаивания камеры шоковой заморозки и мытья полов после завершения смены. Ее можно использовать и для других нужд. В данной системе на линии нагнетания перед основным конденсатором смонтирован предконденсатор (рис. 3), представляющий собой пластинчато-паяный теплообменник фирмы «Данфосс». Суммарное тепло перегрева горячего газа, выделяемое системой холодоснабжения на базе трех винтовых компрессоров Bitzer HSN 8571, составляет 450 кВт. Предконденсатор позволяет утилизировать до 400 кВт тепла. Вода, имеющая температуру 8 °C, нагревается до 40 °C с производительностью 11 кубометров в час, что позволяет полностью удовлетворить все технологические потребности. Для компенсации снижения производительности при отключениях компрессоров в системе установлен бак-накопитель объемом 3 кубических метра.

Применение такого технического решения позволяет экономить на электроэнергии и прокладке инженерных коммуникаций, что является очень важным для предприятия.

Статью подготовили Сергей Бучин и Сергей Смагин


  • Ассоциация Предприятий Индустрии Климата (АПИК)

    Ассоциация Предприятий Индустрии Климата (АПИК) была создана в 1997 г. В настоящий момент АПИК объединяет около 100 профессиональных климатических компаний России.
    Основная цель АПИК – совместное решение проблем российского климатического бизнеса, утверждение цивилизованных форм работы и принципов здоровой конкуренции, пропаганда передовой техники и технологий, защита интересов российских поставщиков климатической техники и услуг.
    Что такое АПИК
    Как стать членом АПИК

    Выставка «МИР КЛИМАТА» — главное событие климатической индустрии

    Производители, заводы, дистрибьюторы и оптовые поставщики климатического оборудования на выставке представляют рынку новинки кондиционирования, отопления, вентиляции, промышленного холода.
    Присоединяйтесь к главному событию климатической индустрии и приходите на выставку «МИР КЛИМАТА 2019».
    Участники выставки
    Деловая программа
    Получить билет

    Учебно-консультационный центр «УНИВЕРСИТЕТ КЛИМАТА».

    Единственное учебное заведение, после которого специалисты сразу могут успешно работать в климатических компаниях.
    Программы обучения
    График занятий
    Обучение происходит на производственной базе, оснащенная учебными стендами и климатическими установками: центральные системы кондиционирования, бытовые и полупромышленные кондиционеры, тепловое оборудование.
    Материально-техническое обеспечение

FILED UNDER : Справочник

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*