Разработка автономного электроснабжения для теплонасосной установки
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
±оты по созданию элементов и систем искусственного фотосинтеза. Существует несколько подходов к их созданию. Один из них реализован в солнечной батарее, предложенной Аливисатасом, принцип работы которой поясняет рис. П 2.1.
В этом устройстве матрица коллекторов собирает свет и передает энергию возбуждения в единый реакционный центр, где она преобразуется в запасаемую химическую энергию с использованием наноматериалов: нанокристаллов CdSe с размерами 50 А. Поглощающие частицы из CdSe помещены в проводящую матрицу из органического вещества.
Между двумя плоскостями батареи (задняя металлизирована, передняя прозрачна) приложено внешнее напряжение UП. Под действием образованного при этом поля электронно-дырочные пары, образующиеся при поглощении света наночастицей, разделяются на составляющие (электроны и дырки), которые начинают двигаться к соответствующим полюсам и создают в устройстве электрический ток.
В этом устройстве возможен также перенос энергии возбуждения между поглощающими наночастицами.
При изменении полярности UП наночастицы из CdSe способны излучать свет, и устройство выполняет функцию светоизлучающего диода.
Другой подход к созданию солнечных батарей реализует фотохимическая ячейка Грацеля, изображенная на рисунке, использующая оптическое возбуждение заряженных молекул красителя. Возбужденные молекулы красителя передают отрицательный заряд наночастицам TiO2 (их размеры составляют 100-300 А). В результате происходит фотоокисление обратимых пар в растворе. Эффективность преобразований солнечной энергии ячейками этого типа составляет около 10%. В двух рассмотренных вариантах появление электрического тока связано с использованием наноматериалов, которые обеспечивают поглощение света, генерацию носителей заряда и их разделение. Перспективы практического использования таких устройств зависят от успехов в конструировании наноструктурных материалов.
Рис. П 2.1 Две концепции прямого преобразования солнечной энергии (в электрическую или химическую) с использованием наноматериалов: а) солнечная батарея Аливисатоса; б) фотохимическая ячейка
Перспективы создания высокоэффективных литиевых аккумуляторов также связаны с применением наноструктурных материалов. В аккумуляторах наноструктурные материалы используются для мембран и катализаторов.
Целесообразность использования наноматериалов в литиевом аккумуляторе иллюстрирует рис. П 4.2.
Рис. П 2.2 Литиевый аккумулятор, созданный на основе наноматериалов
В аккумуляторах важную роль играют диффузионные процессы. Использование наноструктурных электродов значительно повышает скорость зарядки/разряда и стабильность работы. Применение аэрогелей V205 и наночастиц LiС0О2 или Мп02 позволяет повысить качество катода. Эффективность работы анода повышается при его наноструктурировании путем использования углеродных нанотрубок и сплавов Li/Sn.
В качестве электролитов в литиевых аккумуляторах используется соединения LiPF6/EC-DC или LiClO4/РРС.
Рассматриваются возможности создания батареек на основе углеродных нанотрубок. Отмечается, что литий, являющийся носителем заряда в некоторых батарейках, можно помещать внутри нанотрубок. Утверждается, что в трубке можно разместить один атом лития на каждые шесть атомов углерода. Другим возможным использованием нанотрубок является хранение в них водорода, что может быть использовано при конструировании топливных элементов как источников электрической энергии для объектов с автономным питанием (например, автомобилей). Топливный элемент состоит из двух электродов и специального электролита, пропускающего ионы водорода между ними, но не пропускающего электроны. Водород направляется на анод, где он ионизируется. Свободные электроны движутся к катоду по внешней цепи, а ионы водорода диффундируют к катоду через электролит, где из этих ионов, электронов и кислорода образуются молекулы воды. Такой системе необходим источник водорода. Одна из возможностей состоит в хранении водорода внутри углеродных нанотрубок. По существующим оценкам, для эффективного использования в этом качестве трубка должна поглощать 6,5% водорода по весу. В настоящее время в трубку удалось поместить только 4% водорода по весу.
Элегантный метод заполнения углеродных нанотрубок водородом состоит в использовании для этого электрохимической ячейки, показанной на рис. П 2.3
Рис. П 2.3 Устройство наноэлектронной химической ячейки, используемой для введения водорода в углеродные трубки
Ячейка содержит электролит на основе КОН, а отрицательный электрод состоит из листа углеродных нанотрубок. При подаче на электроды напряжения ионы Н+ движутся к отрицательному электроду. Одностенные нанотрубки в форме листа бумаги составляют отрицательный электрод в растворе КОН, являющемся электролитом. Другой электрод состоит из Ni(ОН)2. Вода электролита разлагается с образованием положительных ионов водорода (H+), движущихся к отрицательному электроду из нанотрубок.
Электроды из НТ благодаря высокой обратимой емкости могут использоваться в литиевых (литий-ионных) батареях. В современных батареях катоды выполнены из оксидов переходных металлов (LixCoO2, LixMn2O4), а аноды - из графита или разупорядоченного углерода. Металлический литий и ионы лития могут быть интеркалированы в межтрубные пространства сростков трубок, между слоями многослойных нанотрубок рулонной структуры или углеродных нановолокон, содержащи?/p>