Автономний спосіб перетворення енергії сонячного випромінювання в хімічну енергію водню

Автономний спосіб перетворення енергії сонячного випромінювання в хімічну енергію водню, який включає виробництво високопотенційного тепла, високотемпературний електроліз водяної пари та металогідридне акумулювання водню, який відрізняється тим, що високопотенційне тепло одержують шляхом концентрації сонячного випромінювання та подальшого його перетворення в тепло, здійснюють фотоперетворення сонячної енергії в електричну, а водень акумулюють в неруйнівних спечених металоматричних композиційних матеріалах на основі металогідридів. (19) (21) u200704541 (22) 24.04.2007 (24) 10.02.2009 (46) 10.02.2009, Бюл.№ 3, 2009 р. (72) БРАТАНІЧ ТЕТЯНА ІВАНІВН А, U A, ЛУДАНОВ КОСТЯНТИН ІВАНОВИЧ, UA, СКОРОХОД ВАЛЕРІЙ ВОЛОДИ МИРОВИЧ, UA, ПЕРМЯКОВА ТЕТЯНА ВОЛОДИМИРІВН А, UA (73) БРАТАНІЧ ТЕТЯНА ІВАНІВН А, U A, ЛУДАНОВ КОСТЯНТИН ІВАНОВИЧ, UA, СКОРОХОД ВАЛЕРІЙ ВОЛОДИ МИРОВИЧ, UA, ПЕРМЯКОВА ТЕТЯНА ВОЛОДИМИРІВН А, UA 3 39060 кового металогідрида низька внаслідок значного перехідного термоопору на міжчастинкових контактах. Це й призводить до низької швидкості сорбції та десорбції водню порошковими сорбентами, а також до низької швидкості зарядки та розрядки гідридного акумулятора. В свою чергу, кінетика акумулювання водню впливає на інтегральну ефективність способу його виробництва та накопичення. Таким чином, можна констатувати, що суттєвим недоліком способу-прототипа є низька швидкість накопичення та видачі водню порошковими гідридними акумуляторами, що призводить до зниження ефективності способу виробництва та акумулювання водню в цілому. Задачами запропонованого способу є забезпечення можливості автономного виробництва водню та підвищення швидкості акумулювання та видачі водню металогідридами. Поставлена задача автономного виробництва водню досягається: по-перше, шляхом заміни процесу одержання високопотенційного тепла, необхідного для здійснення високотемпературного електроліза водяної пари, від ядерного реактора згідно з прототипом на одержання високопотенційного тепла шляхом концентрації сонячного випромінювання та подальшого його перетворення в тепло; по-друге, шляхом заміни способу одержання електричної енергії, необхідної для електролітичного розкладу водяної пари, з централізованої електричної мережі згідно з прототипом на одержання електричної енергії шляхом фотоперетворення сонячної енергії на фотобатареях. Поставлена задача підвищення швидкості акумулювання та видачі водню металогідридами досягається шляхом заміни акумулювання водню в порошкових металогідридах згідно з прототипом на акумулювання водню в неруйнівних спечених металоматричних композиційних матеріалах на основі металогідридів. Згідно запропонованого автономного способу високопотенційне тепло одержують наступним чином (Р.А. Захидов, Г.А. Умаров, А.А. Вайнер. Теория и расчет гелиотехнических концентрирующих систем. Изд-во ФАН, Узб. ССР, Ташкент, 1977). Пряме сонячне випромінювання падає на поверхню параболоїдного дзеркала і відбивається у його фокус, розташований в отворі порожнинної моделі абсолютно чорного тіла (АЧТ) в геліоприймачі, поглинається стінками моделі АЧТ з високим ступенем чорнити і таким чином перетворюється на високопотенційне тепло, яке потім теплопровідністю передається електролізеру. Одна частина високопотенційного тепла витрачається на перетворення води у перегріту водяну пару, др уга частина витрачається на забезпечення теплового ефекту ендотермічної електродної реакції розкладу водяної пари на водень та кисень, а третя частина - на підтримання сталої високої температури електролізу шляхом компенсаії тепловтрат в навколишнє середовище. Згідно запропонованого автономного способу електричну енергію, необхідну для електролітичного розкладу водяної пари, одержу 4 ють наступним чином (див. М.М. Коптун. Солнечные элементы. М, Наука, 1987). Сонячне випромінювання падає на поверхню фотоелементів (наприклад, з кремнію), поглинається ними і перетворюється в електричну енергію. Згідно запропонованого автономного способу водень акумулюють в неруйнівних спечених металоматричних композиційних матеріалах на основі металогідридів (Братани Т.И., Скороход В.В., Солонин С.М. Способ получения композиционного гидрирующегося материала, А.с. №1611965, Бюл. из., №12, 1990г.; Братанич Т.И., Скороход В.В., Солонин С.М. Способ получения композиционного материала для обратимого поглощения водорода. А.с. №1743692, Бюл. из., №6, 1992г.) Структура таких композиційних матеріалів являє собою безперервну пористу металеву матрицю, наприклад, з міді або нікелю, в якій рівномірно розташовані включення порошкових металогідридів. Підвищення швидкості акумулювання та видачі водню неруйнівними спеченими металоматричними композиційними матеріалами на основі металогідридів забезпечується значним покращенням теплопередачі в них у порівнянні з порошковими металогідридами за рахунок підвищення теплопровідності матриці і композита в цілому внаслідок формуванням в них якісних міжчастинкових контактів в процесі спікання композитів. Таке покращення теплопередачі в композитах сприяє швидшому підведенню та відведенню тепла, необхідного для здійснення ендо- та екзотермічних реакцій видачі та поглинання водню. Висока питома воднеємність композитів забезпечується шляхом спікання псевдоневзаємодіючої системи металева матриця - металогідрид з оптимально мінімізованою міжфазною поверхнею. Запропонований спосіб можна охарактеризувати наступною сукупністю ознак: - високопотенційне тепло одержують шляхом концентрації сонячного випромінювання та його подальшого перетворенням в тепло; - здійснюють фотоперетворення сонячної енергії в електричну; - водень акумулюють в неруйнівних спечених металоматричних композиційних матеріалах на основі металогідридів. Таким чином, запропонований автономний спосіб перетворення енергії сонячного випромінювання в хімічну енергію водню включає виробництво високопотенційного тепла шляхом концентрації сонячного випромінювання та його подальшого перетворенням в тепло, фотоперетворення сонячної енергії в електричну, високотемпературний електроліз перегрітої водяної пари та акумулювання водню в неруйнівних спечених металоматричних композиційних матеріалах на основі металогідридів. Корисна модель ілюструється таким прикладом виконання запропонованого автономного способу перетворення енергії сонячного випромінювання в хімічну енергію водню. Високопотенційне тепло одержували наступним чином. Пряме сонячне випромінювання щільністю 0,95ккал/см 2хв потрапляло на поверхню 5 39060 параболоїдного дзеркала концентратора СГУ1 діаметром 1,5м. Внаслідок цього у фокальній плямі максимальна щільність концентрованого пучка досягала 5140ккал/м 2с, а коефіцієнт зосередження дорівнював 6,26см(-2) При цьому в круговий отвір геліоприймача СГУ1 входило 2,4кВт концентрованого сонячного випромінювання, яке поглиналося стінками порожнинної моделі АЧТ і таким чином перетворювалося на високопотенційне тепло. Це тепло теплопровідністю передавалося по мідному стержню до навитого на нього теплообмінника, де витрачалося на перетворення води у водяну пару, та до високотемпературного електролізера, де витрачалося на компенсацію теплового ефекту реакції електролітичного розкладу водяної пари на водень та кисень та на підтримання робочої температури високотемпературного електролізера (~ 1000°С) шляхом компенсації тепловтрат. Отже, високопотенційне тепло згідно запропонованого способу одержували не від стороннього джерела, як у прототипі (від ядерного реактора), а безпосередньо в умовах виробництва водню від Сонця, тобто автономно. Електричний струм одержували не від стороннього джерела, як у прототипі (від електричної мережі), а також автономно, тобто безпосередньо в умовах виробництва водню, від Сонця шляхом фотоперетворення сонячної енергії в електричну. Сумарне (пряме та розсіяне) сонячне випромінювання потрапляло на поверхню напівпровідникових кремнієвих фо тоелементів та перетворювалося у фотостр ум, який живив електролізер. Для перетворення 1кг пари на водень та кисень до електролізера підводили 1,28кВт·год електроенергії від фотобатареї. Здійснювали високотемпературний електроліз водяної пари. Перегріта пара розкладалася на водень та кисень у високотемпературному електролізері з твердим електролітом на основі диоксиду цирконію при температурі близько 1000°С при напрузі 0,8В. Одержаний водень накопичували в неруйнівних спечених металоматричних композиційних матеріалах на основі металогідридів складу 50%мac. TiFe - 50%мас. Сu, які готували методом порошкової металургії. Для цього порошок TiFe з розміром частинок 0,2-0,4мм змішували з порошком свіжовідновленої міді ПМС2 (фракція 40мкм) у масовому співвідношенні 1:1. Суміш пресували тиском 200МПа до пористості 40,6%. Після цього пресовки щільно пакували в спеціальну товстостінну гідридну пресформу, де їх 6 гідрували та дегідрували напротязі 10 циклів. При цьому в умовах гідрування пресовок із зафіксованими зовнішніми границями пористі інтерметалідні частинки, збільшуючись в об'ємі, створювали напруження, під дією яких пориста мідна матриця пластично деформувалась та ущільнювалась. Після закінчення циклічного гідрування пресовки спікали у вакуумі при 900°С на протязі 30 хвилин. Готові таблетки композитів 50%мac. TiFe - 50%мас. Сu щільно пакували в корпусі гідридного акумулятора. Далі здійснили порівняльну оцінку швидкостей виділення водню з акумуляторів на основі композита 50% мас. TiFe - 50% мас. Сu та порошкового TiFe при температурах 50 та 70°С. Результати випробовувань приведені на рисунку. Рисунок – Залежність швидкості виділення водню з гідридних акумуляторів на основі композита 50% мас. TiFe - 50% мас. Сu та порошкового TiFe при температурах 50 Фіг.1 та 70°С Фіг.2. 1 – композит 50%мас. TiFe – 50%мас. Cu; 2 – порошок TiFe. З графіку видно, що швидкість виділення водню з акумулятора на основі композита 50%мас. TiFe – 50%мас. Сu перевищує швидкість виділення водню з акумулятора на основі порошкового TiFe. При цьому для номінальних значень воднеємності (190мл/г TiFe) ця різниця склала 5,4 рази при 50°С та 8,5 рази при 70°С. Наведений приклад експериментально доводить можливість підвищення швидкості виділення водню з акумуляторів на основі неруйнівних спечених композитів у порівнянні з акумуляторами на основі порошкового сорбенту. Аналогічний характер має і порівняльна оцінка швидкостей поглинання водню, так як швидкість накопичення водню лімітується так само процесом теплопередачі, як і у випадку виділення водню з металогідридів. Таким чином, можна констатувати, що запропонований спосіб виробництва та акумулювання водню забезпечує вирішення задач автономного виробництва водню та підвищення швидкості його акумулювання та видачі. Використання запропонованого способу забезпечить можливість виробництва водню без використання зовнішніх джерел високопотенційного тепла та електричного струму і підвищення швикостей накопичення та видачі водню користувачам. Запропонований спосіб може бути використаний в автономних воднезаправних станціях для живлення водневих автомобілів, працюючих на паливних комірках. 7 Комп’ютерна в ерстка Д. Шев ерун 39060 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601