Одинцов, Р.В. Фурсенко, О.В. Нецкина, О.В. Комова, В.И

Разработка и экспериментальное исследование малоразмерных энергопреобразующих
устройств, интегрированных с компактным генератором горючего газа.
Е.С. Одинцов1,2, Р.В. Фурсенко1,2, О.В. Нецкина3, О.В. Комова3, В.И. Симагина3, Д.В. Чусов1.
1
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия
2
3
Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск, Россия
Одинцов Егор Сергеевич (ответственный автор) – инженер, Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия. Инженер, «Лаборатория перспективных технологий горения», Инженерная школа, Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия. E-mail: odinegor@gmail.com. Тел:
89607989256.
Фурсенко Роман Викторович– к.ф.-м.н., старший научный сотрудник Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия. Ведущий научный сотрудник, «Лаборатория перспективных технологий горения», Инженерная
школа, Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия.
Нецкина Ольга Владимировна- к.х.н., научный сотрудник Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск, Россия
Комова Оксана Валентиновна- к.х.н., научный сотрудник Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск, Россия
Симагина Валентина Ильинична- д.х.н., заведующая лабораторией, научный сотрудник Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск, Россия
Чусов Дмитрий Васильевич - инженер, Институт теоретической и прикладной механики им.
С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск, Россия.
Аннотация. В данной работе были созданы и экспериментально изучены малоразмерные
энергопреобразующие устройства, использующие термоэлектрические методы конверсии
тепла, источником которого является диффузионное микропламя. К достоинствам предложенных систем можно отнести: относительно высокую эффективность энергопреобразования(0,8%при вырабатываемой мощности 130мВт), отсутствие системы принудительного
охлаждения, простоту сборки и использование доступных материалов. Была проведена интеграция энергопреобразующего устройства и лабораторного образца генератора водорода, основанного на каталитическом гидролизе боргидрида натрия, в рамках единой системы.
Сравнение результатов полученных с использованием чистого водорода, подаваемого из
баллона, с результатами, полученными в системе, состоящей из энергопреобразователя и каталитического генератора водорода показало, что электрическая мощность энергопреобразующих систем при одних и тех же расходах горючего уменьшается на 3-15% при использовании портативного генератора водорода.
Ключевые слова: энергопреобразующие устройства, термоэлектричество, генератор водорода, диффузионное горение.
Введение.
Возрастающая потребность в безопасных надежных источниках энергии с длительным периодом работы инициировала исследования в области создания экологически чистых и высокоэффективных источников энергии микро- и мезо- масштабов. Автономные системы, преобразующие энергию водорода и углеводородных топлив в электроэнергию, имеют потенциальное преимущество перед современными литиевыми аккумуляторами за счет высокой гравиметрической плотности энергии таких топлив. Кроме того, системы с прямым преобразованием энергии водородных и углеводородных топлив могут быть оптимизированы с точки
зрения обеспечения экологической безопасности, что является важным фактором, учитывая,
что проблема утилизации литиевых батарей до сих пор окончательно не решена. Преобразование энергии горючего газа в электричество даже с относительно низкой (~1%) эффективностью может приводить к увеличению времени автономной работы и/или снижению веса
электрических или электромеханических систем, в которых в настоящее время используются
аккумуляторные батареи [4]. Одним из способов преобразования энергии, активно развивающимся в последнее время, является использование термоэлектрических и термо-фотоэлектрических методов преобразования тепла и теплового излучения, выделяющихся при
сгорании водорода и углеводородных топлив в микрокамерах сгорания. Относительно низкая стоимость применяемых компонентов и материалов, отсутствие жестких требований к
чистоте газов, экологичность и безопасность делают этот подход привлекательным с точки
зрения использования в малоразмерных автономных источниках энергии по сравнению с
топливными элементами.
В то же время создание малоразмерных энергопреобразующих устройств наталкивается на ряд трудностей, связанных со сложностью организации устойчивого горения в микрокамерах сгорания из-за высокого уровня теплопотерь в элементы конструкции. Для преодоления этих трудностей в малоразмерном энергопреобразующем устройстве, разработанном группой ученых Принстонского университета [7], был применен каталитический микрореактор с тепловой рециркуляцией. Размеры устройства, произведенного из алюминиевой
керамики и использующего платину в качестве катализатора, составили ~0.7 см^3, а выходной мощности было достаточно для питания 100 мВт лампочки. Лабораторные образцы термоэлектрических и термо-фото-электрических энергогенераторов на основе каталитических
микрогорелок были также разработаны в Массачусетском технологическом институте [5,6].
Эффективность энергопреобразования этих систем составляла 0.02-0.08% при вырабатываемой электрической мощности 1-75 мВт. Matsushita Electric Works и Университет Тохоку достигли эффективности 3% и выходной мощности 138 мВт на предложенном ими энергопре-
образующем устройстве основанном на термоэлектрической конверсии тепла, выделяющегося в результате каталитического горения. В работе [3] сообщалось о эффективности 2.4%,
достигнутой в энергопреобразующем устройстве с термо-фото-электрическими элементами
и эмиттером на основе селективно излучающего материала. В устройстве использовался эффективный способ регенерации тепла, позволяющий повысить температуру эмиттера до 2000
K, и применялось водяное охлаждение. Высокие требования к точности сборки описанных
выше устройств и необходимость использования дорогостоящих материалов, в частности
катализаторов, необходимых для поддержания горения, ограничивают их широкое применение. Группой исследователей из ИТПМ СО РАН была предложена конструкция энергопреобразующего устройства с термоэлектрическим методом преобразования тепловой энергии.
Созданный лабораторный образец был нечувствителен к качеству горючего газа и мог работать на различных дешевых и низкокалорийных углеводородных видах топлива. Эффективность системы при этом составляла порядка 0.8%[2]. Отличительной особенностью предложенных систем является использование доступных материалов, простота сборки, отсутствие
необходимости использования катализаторов для поддержания процессов горения и применение системы естественного охлаждения, что позволяет снизить предполагаемую стоимость
устройства.
Основным отличием систем, предложенных в настоящей работе является интеграция
малоразмерного источника энергии и компактного генератора водородсодержащего топлива
в рамках единого устройства. Данная интеграция позволяет отказаться от газовых баллонов
и, следовательно, уменьшить габариты устройств, повысить их безопасность и упростить
процесс перезарядки. В связи с потенциальной взрывоопасностью предварительно перемешанных воздушно-водородных смесей, в предлагаемом устройстве в качестве источника
тепла используется диффузионное микропламя, стабилизированное на конце капилляра, через который производится подача горючего газа.
Описание энергопреобразующего устройства и экспериментального оборудования
Схема энергопреобразующего устройства представлена на Рис. 1. Термоэлектрические преобразователи 4(Thermo Electrical,ТЕ), были установлены между медной полусферой
2, нагреваемой диффузионным микропламенем и медной пластиной 3, имеющей достаточно
низкую температуру, близкую к комнатной, за счёт естественной конвекции. Диффузионное
водородное микропламя стабилизируется на конце капилляра 1 и нагревает медную полусферу. Преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании горючего газа, в
электричество происходит за счет разности температур на рабочих плоскостях термоэлемента. Было создано несколько образцов энергопреобразующих устройств, но самым эффектив-
ным оказался вариант с пятью ТЕ модулями, последовательно установленными по периметру медной полусферы. В качестве преобразователя использовались малоразмерные ТЕ модули марки ТВ производства компании «Криотерм» (Санкт-Петербург) размером 3x3 мм.
3
2
4
1
Рис. 1. Лабораторный образцец энергопреобразующего устройства.
1 – капилляр, 2 – нагреваемая пластина, 3 – радиаторные пластины, 4 – термоэлектрические модули
Выбор геометрии устройства обусловлен требованиями, предъявляемыми к автономным источникам энергии, а именно, простота сборки, доступность используемых материалов
и компонентов, безопасность. Использование в качестве источника тепла диффузионного
микропламени обеспечивает стабилизацию пламени в широком диапазоне расходов газа и
позволяет отказаться от использования предварительно перемешанных горючих смесей, которые являются потенциально взрывоопасными и подготовка которых требует использования дополнительных систем, например, инжектирования. Нагреваемый элемент энергопреобразующей системы представлял собой полусферический купол, обеспечивающий образование застойной зоны продуктов горения, что способствует более полному использованию
тепла, выделяющегося в результате химической реакции.
Генератор водорода, для данной системы, основан на каталитическом гидролизе боргидрида натрия [1]. Принцип работы такого генератора состоит в равномерной дозированной
подаче щелочного раствора NaBH4 на структурированный слой катализатора, на котором
происходит выделение водородосодержащего газа, в дальнейшем используемый в энергопреобразующем устройстве.
Схема экспериментальной установки, использовавшейся для исследования характеристик образцов энергопреобразующих устройств, приведена на Рис.2. Раствор боргидрида
натрия подается в генератор водорода при помощи поршневого микро насоса. Водородсодержащий газ, вырабатываемый в ходе каталитической реакции в генераторе водорода, через
пузырьковый расходомер подается в капилляр на конце которого инициируется диффузионное пламя. Расход горючего газа регулировался путем изменения расхода боргидрида
натрия, подаваемого в генератор водорода и контролировался с помощью пузырькового расходомера. Было обнаружено, что такой способ позволяет обеспечить регуляцию расхода горючего с достаточной точностью. Электрическая схема энергопреобразующего устройства
состояла из последовательно соединенных термоэлементов и нагрузки, в качестве которой
использовался магазин сопротивлений. Напряжение на нагрузке измерялось вольтметром.
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
Результаты экспериментальных исследований.
В ходе экспериментальных исследований образцов энергопреобразующих устройств
измерялся расход водорода Q и напряжение на нагрузке U . На основании этих данных вычислялась электрическая мощность Wel  U 2 / R , где R - сопротивление нагрузки, и поток
химической энергии Wch  Q  J , определяемый как произведение расхода Q и удельной теплоты сгорания водорода J . КПД преобразования химической энергии в электрическую равен отношению производимой электрической мощности к полной химической энергии, поступающей в систему в единицу времени   Wel / Wch .
В ходе экспериментальных исследований было показано, что вырабатываемая мощность и КПД устройства достигают максимума при сопротивлении нагрузки, близком к
внутреннему сопротивлению ТЕ модуля. В данном случае оно составляло приблизительно 6
Ом. На Рис. 3 представлены зависимости электрической мощности и КПД от расхода водорода. Полые маркеры соответствуют измерениям, выполненным для устройства с четырьмя
термоэлектрическими модулями. Черные кружки на Рис. 3 соответствуют результатам измерений с одним ТЕ модулем умноженным на четыре. Приведенные на Рис 3 зависимости были получены при оптимальных значениях сопротивления нагрузки которое составляет 6 и 20
Ом в случае использования одного и четырех ТЕ модулей, соответственно. Как следует из
Рис. 3 электрическая мощность и КПД системы с четырьмя термоэлементами ровно в четыре
раза превышает мощность системы с одним термоэлементом. Максимальный КПД, полученный в ходе исследования системы с четырьмя последовательно включенными в цепь термоэлементами, при оптимальном сопротивление нагрузки 20 Ом, составил 0.63%, при этом вырабатываемая электрическая мощность была равна 0.105 Вт (Рис. 3), напряжение на нагрузке
1.4 В. В данной системе было установлено 4 ТЕ модуля из 5 возможных, но сделав пересчёт
0.18
0.8
Wel (W)
0.16
0.7
0.14
 (%)
0.6
0.12
Wel (4TE)
0.10
 (4TE)
 (1TE) X4
0.5
Wel (1TE) X4
0.4
0.08
0.3
0.06
0.2
0.04
0.1
0.02
Q (cc/s)
0.00
0.0
Q (cc/s)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Рис. 3. Зависимость электрической мощности и КПД системы от расхода водорода в случае использования
четырех термоэлементов (полые маркеры). Черные маркеры соответствуют результатам измерений с одним термоэлектрическим модулем, умноженным на четыре.
на 5 преобразователей мы получим КПД системы 0,8% при электрической мощности 130
мВт.
Электрическая мощность, вырабатываемая ТЕ модулем, пропорциональна перепаду
температур на рабочих сторонах модуля. В исследуемой системе температуры «горячей» и
«холодной» пластины линейно возрастают с увеличением расхода горючего газа, при этом
температура «горячей» пластины растет значительно быстрее температуры радиатора. На
основании Рис. 3 можно предположить, что дальнейшее увеличение расхода горючего газа
приведет к росту вырабатываемой мощности и КПД устройства, однако максимальная рабочая температура термоэлектрических модулей, используемых в данном исследовании, составляла примерно 200С, что существенно ограничивало диапазон рабочих расходов водорода. По-видимому, использование высокотемпературных термоэлектрических модулей и
максимально возможное увеличение их числа в подобных системах может способствовать
увеличению вырабатываемой мощности и эффективности устройства.
В ходе поисковых исследований и анализа результатов было выделено два потенциально перспективных способа повышения КПД энергопреобразования. Первый заключается
в тепловой изоляции нагреваемого элемента лабораторного образца (элемент 2 на рис.1), что
позволяет уменьшить расход сжигаемого водорода, необходимый для поддержания температуры нагреваемого элемента на требуемом уровне. Для изоляции нагреваемого элемента был
изготовлен изолирующий купол повторяющий геометрию нагреваемого элемента и имеющий толщину ~ 10 мм. В качестве изолятора использовалась базальтовая минеральная вата
"Rockwool" (Дания). Второй путь повышения эффективности энергопреобразования состоит
во внедрении вторичных излучателей (например, пористых тел или тонких тугоплавких нитей) в зону горения диффузионного микропламени, что может способствовать росту интенсивности теплового излучения и, следовательно, интенсивности теплообмена между пламенем и нагреваемыми частями устройства. В данном исследовании в качестве вторичных излучателей использовались пористые метало-керамические насадки (пористость ~0.75-0.85)
околоцилиндрической формы с высотой 10 и 5 мм и диаметром 5 мм. Насадки надевались
непосредственно на капилляр 1 рис.1, на конце которого устанавливается пламя.
Зависимости электрической мощности и КПД энергопреобразующей системы от расхода водорода приведены на рис4. Кружками приведены зависимости, полученные для лабораторного образца представленного на рис.1 без использования вторичных излучателей и без
тепловой изоляции нагреваемого элемента. Квадраты соответствуют зависимостям, полученным при изоляции нагреваемого элемента энергопреобразующего устройства. Зависимости, обозначенные на рис. 4 полыми и сплошными треугольниками, соответствуют результатам, полученным при использовании вторичных излучателей высотой 5 и 10 мм, соответ-
ственно. Как видно из рис. 4 тепловая изоляция нагреваемого элемента энергопреобразователя позволяет существенно повысить вырабатываемую мощность и КПД системы. В рассмотренном примере удалось повысить эффективность системы в 1.5 раза с 0.8% до 1.23%,
при этом электрическая мощность системы возросла со 130 до 250 мВт. В тоже время, экспериментальные исследования показали, что внедрение вторичных излучателей в зону горения
диффузионного микропламени приводит к существенному снижению КПД системы и ее
мощностных характеристик. По-видимому, это может быть связано с тем, что вторичные излучатели, помимо того, что способствуют интенсификации теплообмена между пламенем и
нагреваемыми частями устройства, также приводят к увеличению радиационных теплопотерь из зоны химической реакции, что ведет к существенному уменьшению температуры
фронта пламени. При этом падения температуры пламени оказывает более значительное
η (%)
Wel (Вт)
Q (мл/с)
Q (мл/с)
Рис 4. Зависимости электрической мощности и КПД энергопреобразующей системы от расхода водорода. Кружки – образец без тепловой изоляции и вторичных излучателей, квадраты
– образец с тепловой изоляцией нагреваемого элемента, треугольники – образец со вторичным излучателем высотой 5 мм (полые) и 10 мм (сплошные)
влияние, чем улучшение теплообменных характеристик, что приводит к общему снижению
КПД системы.
С целью исследования особенностей интеграции энергопреобразующих устройств и
каталитических генераторов водородсодержащего газа было проведено сравнение экспериментальных результатов, полученных в системе состоящей из энергопреобразователя и каталитического генератора водорода с результатами, полученными с использованием чистого
водорода, подаваемого из баллона. Было обнаружено, что электрическая мощность энергопреобразующих систем при одних и тех же расходах горючего уменьшается на 3-15% при
использовании портативного генератора водорода по сравнению с результатами, полученными при использовании баллонного водорода. Данное отличие обусловлено наличием дополнительных примесей в газе, генерируемом на катализаторе. Между тем качественное поведение полученных зависимостей не меняется. Использовавшийся на данном этапе лабораторный образец портативного генератора водорода позволял регулировать расход газа в широком диапазоне значений. При этом первые 5-10 часов чистого рабочего времени установленный расход газа поддерживается с высокой точностью в течение достаточно продолжительного времени. В дальнейшем, в связи с отравлением катализатора, наблюдаются существенные изменения расхода водорода при постоянном значении расхода боргидрида натрия,
подаваемого на катализатор. Эти данные необходимо учитывать при разработке и создании
энергопреобразующих устройств. Представленные результаты, позволяют заключить, что
предложенные энергопреобразующие системы не чувствительны к составу горючего газа и
их интеграция с каталитическими генераторами водорода не представляет технической
сложности. В тоже время необходимо учитывать возможное изменение мощностных характеристик при переходе от использования чистого водорода к каталитически генерируемому.
Необходимо отметить, что в ходе экспериментальных исследований использовался
лабораторный образец каталитического генератора водорода, размеры которого достаточно
существенны . Это было обусловлено необходимостью изменения расхода горючего газа в
широком диапазоне значений для проведения экспериментальных исследований. В настоящее время существуют портативные генераторы водорода [1] с характерными размерами ~ 26 см, обеспечивающие генерацию водородсодержащего газа с постоянной скоростью в течении длительного (~5-10 часов непрерывной работы) времени. Выполненные в настоящей работе экспериментальные исследования позволяют определить характеристики портативного
генератора водорода, необходимые для достижения максимальной эффективности энергопреобразующей системы, интегрированной с подобным генератором горючего газа.
Заключение
Создан лабораторный образец энергопреобразующего устройства, использующего
термоэлектрический метод конверсии тепла, источником которого служит диффузионное
пламя. Разработанный образец энергогенератора показал относительно высокую эффективность энергопреобразования (0.8%, при вырабатываемой электрической мощности 130 мВт),
соответствующую существующему мировому уровню. Предложены и экспериментально исследованы возможные пути повышения эффективности энергопреобразующих устройств.
Показано, что в рассматриваемой системе теплоизоляция нагреваемого элемента позволяет
повысить эффективность устройства в 1.5 раза (с 0.8% до 1.23%), при этом электрическая
мощность возрастает со 130 до 250 мВт. Обнаружено, что введение в зону горения вторичных излучателей приводит к уменьшению эффективности системы и дано возможное объяснение этого явления.
Отличительной особенностью системы, предложенной в работе, является объединение энергопреобразователя и каталитического генератора водородсодержащего газа в рамках
единой системы. Данное решение позволяет создать более компактную общую схему преобразователя энергии, повышает его экологическую и пожарную безопасность и делает возможным его использование в бытовых помещениях. Помимо этого, использование доступных материалов, простота сборки, отсутствие необходимости использования катализаторов
для поддержания процессов горения и применение системы естественного охлаждения, приводят к значительному снижению предполагаемой стоимости такого типа устройств.
Благодарности
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке научного фонда программы
развития ДВФУ и РФФИ (грант № 09-08-00546_а).
Список литературы
1. Симагина В.И., Нецкина О.В., Комова О.В. Гидридные материалы – компактная форма хранения водорода для портативных топливных элементов// Альтернативная энергетика и экология – 2007. – №10. – C. 54-64.
2. Фурсенко Р.В., Минаев С.С., Чусов Д.В. Разработка и экспериментальное исследование малоразмерных термоэлектрических энергопреобразующих устройств с диффузионным горением//
Теплофизика и Аэромеханика, 2011, т.18 №1 с.47-57.
3. Durisch W, Bitnar B., von Roth F., Palfinger G. Small thermophotovoltaic prototype system// Solar
Energy – 2003. – V.75. – P. 11-15.
4. Fernandez-Pello A.C. Micropower generation using combustion: issues and approaches// Proc.
Combust. Inst. – 2002. – V. 29. – P.883-899.
5. Nielsen O.M., Arana L.R., Baertsch C.D., Jensen K.F., Schmidt M.A., A Thermophotovoltaic Micro-Generator for Portable Power Applications// Transducers ’03, The 12th Int’l Conf. on SolidState Sensors and Actuators. – Boston, MA, June 2003. – P. 714-717.
6. Schaevitz S.B., Franz A.J., Jensen K.F., Schmidt M.A, A Combustion-Based MEMS Thermoelectric
Power Generator// Transducers ’01, The 11th Int’l Conf. on Solid-State Sensors and Actuators. –
Munich, Germany, June 2001. – P. 30-33.
7. Vican J., Gajdeczko B.F., Dryer F.L., Milius D.L., Aksay I.A., Yetter R.A. Development of a Microreactor as a Thermal Source for MEMS Power generation// Proc. Combust. Inst. – 2002. – V. 29. –
P. 909–916.
3
2
4
1
Рис. 1. Лабораторные образцы энергопреобразующего устройства.
1 – капилляр, 2 – нагреваемая пластина, 3 – радиаторные пластины, 4 – термоэлектрические модули
Рис. 2. Схема экспериментальной установки
0.18
0.8
Wel (W)
0.16
0.7
0.14
 (%)
0.6
0.12
Wel (4TE)
0.10
 (4TE)
 (1TE) X4
0.5
Wel (1TE) X4
0.4
0.08
0.3
0.06
0.2
0.04
0.1
0.02
Q (cc/s)
0.00
0.0
Q (cc/s)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Рис. 3. Зависимость электрической мощности и КПД системы от расхода водорода в случае использования
четырех термоэлементов (полые маркеры). Черные маркеры соответствуют результатам измерений с одним термоэлектрическим модулем, умноженным на четыре.
η (%)
Wel (Вт)
Q (мл/с)
Q (мл/с)
Рис 4. Зависимости электрической мощности и КПД энергопреобразующей системы от расхода водорода. Кружки – образец без тепловой изоляции и вторичных излучателей, квадраты
– образец с тепловой изоляцией нагреваемого элемента, треугольники – образец со вторичным излучателем высотой 5 мм (полые) и 10 мм (сплошные)