Главная Обратная связь

Дисциплины:






Основные направления и перспективы развития нанотехнологий в области энергетики



• Использование возобновляемых источников (солнечные батареи, термоэлектрические приборы, топливные элементы).

• Хранение энергии (перезаряжаемые батареи и суперконденсаторы, водородные баки).

• Уменьшение потребления материалов (например, создание более легких и/или прочных конструкционных материалов или увеличение их активности).

• Использование альтернативных (более распространенных) материалов (например, замена редкоземельных элементов на наноструктурированные оксиды металлов при катализе).

Виды пребразователей энергии

1 Солнечные батареи.

1.1 Органические солнечные батареи (используется новый органический краситель, который дешевле рутения; используют новый тип электролита -

Гретцель в сотрудничестве с Китайской Академией Наук нашли альтернативу летучим электролитам, требующих герметизацию панелей и красителям на основе дорогого металла рутения и создали новый тип фотоэлемента на красителях, не только высокоэффективный, но и дешевый и более прочный. Ключ к новой технологии – новый органический краситель, который уменьшает стоимость панелей благодаря дешевизне по сравнению с красителями на основе рутения. Также исследователи использовали новый тип электролита, называемый ионной жидкостью. Фотоэлементы Вонга и его коллег достигли КПД в 9,8% в то время как фотоэлементы на основе красителя имеют в КПД среднем 4-5%

1.2 Тонкопленочные солнечные элементы.

Одним из наиболее эффективных абсорберов солнечного света является соединение Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Рекордная эффективность преобразования 19,9 % характерна для CIGS СЭ с площадью всего 0,4 см² и обеспечивается одновременным соиспаре-нием четырех элементов - Си, In, Ga и Se. Для создания высокоэффективного изделия необходимо получить пленочный слой CIGS толщиной 1-2 мкм с поликристаллической крупнозернистой структурой типа халькопирита и определенной кристаллографической ориентацией. Монолитно-интегрированный модуль (МИМ) чаще всего представляет собой стеклянную подложку, на которой с помощью тонких пленок соединены в единую батарею десятки и сотни единичных СЭ, выполненных в геометрии узких и длинных полос - стрипов. Полученные методом реактивного магнетронного распыления слои CIGS использовались для изготовления лабораторных МИМ СЭ на стеклянных подложках размера 100 х 100 мм. Каждый модуль содержал от 25 до 34 последовательно соединенных СЭ, ширина которых варьировалась в пределах 0.5-1 мм. Таким образом, пленки CIGS, сформированные методом реактивного магнетронного распыления, демонстрируют параметры, позволяющие изготавливать тонкопленочные МИМ СЭ с уровнем эффективности не хуже средних в современном производстве аналогичных приборов. Поскольку при использовании этого метода отсутствуют серьезные ограничения по масштабированию, можно полагать, что в ближайшее время он займет достойное место в производстве изделий для солнечной энергетики.



2. Топливные элементы.

Уже сегодня топливные элементы на порядок превышают показатели лучших образцов традиционных батарей. Если обычный ионно-литевый элемент может обеспечить 300 Вт/ч из расчетов на литр объема, то топливный элемент, работающий на метаноле, теоретически сможет выдавать 4800 Вт/ч из расчетов на литр объема. Это означает, что время работы мобильного телефона без подзарядки превысило бы календарный месяц, а ноутбуки, оснащенные такими батареями, работали бы автономно сутками. Ученные из университета Висконсин нашли новое решение. В результате своих исследований они смогли не только значительно увеличить КПД элемента, но и открыть более простые и недорогие технологии. Роль материала топливных каналов выполнял фильтр, состоящий из пористой окиси алюминия, стоимость которой не превышает 100 долларов. Такой фильтр пронизан мельчайшими цилиндрическими отверстиями, диаметр которых не превышает 200 нм, и используется в лабораторных условиях для выращивания нанопроводников. Исследователи в фильтре вырастили нанопроводники из сплава меди и платины и, растворив медь, добавили в фильтр азотную кислоту. В результате, медь растворилась в азотной кислоте, и каждое отверстие этого фильтра вместо цельных проводников оказалось заполнено пористыми платиновыми электродами. Такие проводники имеют огромную площадь рабочей поверхности и чрезвычайно сложную структуру. Далее, исследователи заполнили поры «титановой губки» раствором NaBH4 и поместили лист фильтрующей электролитической бумаги между массивами из нанотрубок, обеспечивая тем самым выход ионов водорода. Электроды можно подводить к любому участку внешней поверхности данного элемента, а это значительно упрощает подключение источника питания. Такие элементы можно соединять как параллельно, так и последовательно, изменяя таким образом напряжение и силу тока в батарее. Еще находясь на стадии прототипа, этот новый элемент в 10 раз превзошел по своей эффективности современные топливные элементы, которые изготовлены при помощи литографических технологий и оказался намного дешевле в изготовлении.

Накопители энергии

1. Суперконденсаторы.

Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) разработали новое уникальное устройство – фотоэлектрохимический суперконденсатор – способное прямо преобразовывать солнечную световую энергию в электрическую и параллельно накапливать ее с высокой плотностью в двойном электрическом слое электродов на основе различных нанопористых материалов. В качестве накопителей в автономных солнечных электростанциях обычно используются герметичные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи- цена за 1 kWh энергии, отдаваемой таким аккумулятором в течение всего срока службы, составляет немало – 0,3–0,35 $USА. Сотрудники ФИАН нашли способ уменьшения стоимости солнечной электроэнергии – фотоэлектрохимический суперконденсатор совмещающий в себе полупроводниковый солнечный элемент и накопитель энергии с двойным электрическим слоем на основе нанопористых материалов. Устройство состоит из многокомпонентного фотоэлектрода, нанопористых отрицательного и положительного электродов, пористого сепаратора, разделяющего положительный и отрицательный электроды, и электролита. Для изготовления электродов устройства предлагается использовать нанопористые углеродные материалы с заданным средним размером нанопор. Благодаря нанопористой структуре один грамм таких материалов будет иметь площадь поверхности до 1400–1600 м2, а электрическую емкость (в некоторых электролитах) – до 1500 фарад. Это означает, что каждый кубический сантиметр «нанопористого конденсатора» способен накопить в среднем в 1 000 000 раз больше энергии, нежели обычный классический конденсатор. Расчетная цена 1 kWh выработанной электроэнергии PES-фотоконденсатора составляет около 0,1$USA Как показывают проведенные расчеты, PES-фотоконденсаторы могут обладать удельной разрядной энергией не менее 12 Wh/kg, энергетической эффективностью 10% и циклическим ресурсом более 7 000 циклов (а это более 15 лет непрерывной эксплуатации)

9 Мембранные технологии.

Мембраны, как и другие фильтрующие материалы, можно рассматривать как полупроницаемые среды: они пропускают воду, но не пропускают, точнее, хуже пропускают некоторые примеси.

Движущей силой, заставляющей жидкость проникать через препятствие в виде тонкой перегородки, может быть: а) приложенное давление; б) разница концентраций растворенных веществ; в) разница температур по обе стороны перегородки; г) электродвижущая сила.

Для самоочищения мембраны применяется тангенциальная схема. Собирают воду с обеих сторон мембраны: одна часть потока проходит через мембрану и образует фильтрат (или пермеат), то есть очищенную воду, а другую направляют вдоль поверхности мембраны, чтобы смывать задержанные примеси и удалять их из зоны фильтрации. Эта часть потока называется концентратом или ретентатом, и обычно ее либо сбрасывают в дренаж, либо (например, при очистке гальванических стоков) отводят для дальнейшей обработки и выделения нужных компонентов.

Достигнуть частичного обессоливания воды можно методом нанофильтрации, удалив соли жесткости вместе с двухзарядными анионами и частично – однозарядные катионы натрия и калия и анионы хлора. Более глубокое обессоливание обеспечивает низконапорный обратный осмос. Максимальная селективность по всем компонентам обеспечивается мембранами обратного осмоса, работающими при высоком давлении.

Материалы, пропускающие воду, но не пропускающие частицы, содержащиеся в воде, называются полупроницаемыми мембранами. Процесс, при котором вода проникает через такие мембраны, называется осмосом. Из подобных мембран состоят стенки клеток живых организмов.

Представим емкость, разделенную полупроницаемой (осмотической) мембраной: в части А сосуда содержится раствор соли с большей концентрацией, в части В - с меньшей концентрацией соли.

Растворы стремятся к выравниванию концентраций. Молекулы воды будут проникать через осмотическую мембрану до тех пор, пока концентрация солей в воде не сравняется в обеих частях емкости. Молекулы соли не могут проходить через осмотическую мембрану. Через некоторое время уровни растворов в частях емкости станут разными.

Можно обратить процесс осмоса, если, например, прилагая определенное давление к части А емкости, противодействовать природному осмосу.

В результате в части А сосуда будет меньшее количество жидкости и большая концентрация раствора. В части В - напротив, меньшая концентрацию раствора и больше жидкости.

В процессе обратного осмоса на молекулярном уровне идёт разделение воды и растворенных в ней веществ, при этом загрязнения остаются с одной стороны обратноосмотической мембраны (в сосуде А), а с другой стороны обратноосмотической мембраны идёт накопление чистой воды (в данном случае - в сосуде В).

Как и при обратном осмосе, механизмом переноса при нанофильтрации является диффузия (только отверстия в мембране крупнее => пропускает более крупные частицы).

Классификация мембран по размерам пор: Ультрафильтрационные(поры от 1 до 0,05 микрон); Нанофильтрационные(поры 5-50 нм, или 0,05-0,005 мкм); Обратноосмотические(менее 0,01 мкм).

Мембраны могут иметь различную геометрическую форму: трубчатые, половолоконные и плоские.

10 (Новые возобновляемые источники энергии)»





sdamzavas.net - 2020 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...