ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ Российский патент 2000 года по МПК H01M14/00 

Изобретение относится к источникам электроэнергии с непосредственным преобразованием тепла в электричество и может быть использовано при создании автономных солнечных источников электроэнергии, в том числе космического назначения.

Известны машинные и прямые преобразователи солнечной тепловой энергии в электрическую [1]. К машинным преобразователям относятся паротурбинные и газотурбинные установки, а также двигатели внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга, поршневые расширительные машины. Основными типами прямых преобразователей теплоты являются теплоэлектрические, термоэмиссионные и магнитогидродинамические. Помимо рассмотренных преобразователей теплоты известны также другие преобразователи первичной энергии, это химической - топливные элементы или электрохимические генераторы и световой - фотоэлектрические батареи.

Близким к изобретению является преобразователь в виде водородно-кислородного топливного элемента [2]. Преобразователь состоит из двух отсеков, разделенных ионообменной мембраной, к боковым поверхностям которой прижаты электроды, выполненные в виде сетки. Электроды соединены с токосъемниками. С одной стороны мембраны находится водород, с другой - кислород. Со стороны кислородного электрода имеются фитили для отвода образующейся воды и трубки, в которых циркулирует охлаждающая вода. Водородный и кислородный отсеки между собой не соединены. Все это находится внутри корпуса. Отдельные такие элементы электрически коммутируются в батарею топливных элементов.

Подобный элемент является преобразователем с расходом рабочего тела, что приводит к ограниченному ресурсу и энергоемкости.

Наиболее близким к изобретению по совокупности технических признаков является преобразователь тепловой энергии непосредственно в электрическую [3], содержащий герметичный корпус, разделенный на два отсека, заполненных один и тем же диссоциирующим двухатомным газом и разделенных ионообменной мембраной, в качестве материала которой выбран электролит с ионной проводимостью по диссоциированному атомному газу двухатомного газа, на обеих боковых поверхностях мембраны размещены газопроницаемые электроды, снабженные токовыводами, причем один из отсеков снабжен системой подвода, а другой - системой отвода тепла.

Такое устройство является преобразователем тепловой энергии непосредственно в электрическую, однако не может быть использовано для непосредственного (без предварительного перевода в тепло) преобразования солнечной энергии непосредственно в электрическую.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение возможности непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую.

Указанный технологический результат достигается в преобразователе солнечной энергии в электрическую, содержащую герметичный корпус, разделенный на два отсека, заполненных одним и тем же диссоциирующим двухатомным газом и разделенных ионообменной мембраной, в качестве материала которой выбран электролит с ионной проводимостью по диссоциированному атомарному газу двухатомного газа, на обеих боковых поверхностях мембраны размещены газопроницаемые электроды, снабженные токовыводами, причем один из отсеков снабжен системой отвода тепла, в котором часть корпуса другого отсека выполнена из прозрачного для солнечного излучения материала, а в качестве диссоциирующего двухатомного газа выбран газ, диссоциирующий в атомарный газ под действием солнечного излучения. В качестве двухатомного газа, диссоциирующего под действием солнечного излучения, может быть выбран газ с малой энергией диссоциации, например иод, фтор, хлор, бром или смеси. Система отвода тепла может быть выполнена в виде теплоизлучающей системы, например, на основе тепловых труб.

На чертеже приведена схема преобразования солнечной энергии в электрическую.

Преобразователь солнечной энергии в электрическую содержит корпус 1 с двумя отсеками, причем часть 2 корпуса одного из отсеков выполнена в виде прозрачной для солнечного излучения стенки, например, из стекла, кварца или другого прозрачного материала. Ионообменная мембрана 3 делит внутреннее пространство внутри корпуса 1 на два отсека - облучаемый солнечным излучением 4 и охлаждаемый 5. На обеих сторонах мембраны 3 размещены контактирующие с ней газопроницаемые электроды 6 и 7, например, в виде сетки, каждый из которых снабжен изолированными от корпуса 1 токовыводами 8 и 9, которые через герметичные токовыводы 10 выделены за пределы корпуса 1. Отсек 5 снабжен системой отвода тепла 11, которая может быть выполнена теплоизлучающей, например, на основе тепловых труб или в виде теплоизлучающих ребер. Отсеки 4 и 5 заполнены двухатомным газом, например, иодом. Отсеки 4 и 5 сообщаются между собой, например, в виде трубки, щели, капилляра 12 в ионообменной мембране или в виде отдельного узла, который может быть выполнен также в виде дросселя или обратного клапана.

Преобразователь солнечной энергии в электрическую работает следующим образом.

Солнечное излучение, пройдя через прозрачную часть 2 корпуса 1, попадает на молекулы двухатомного газа, сорбированные поверхностью электрода 6 в отсеке 4. При облучении двухатомный газ диссоциирует на атомарный газ с поглощением некоторого количества солнечной энергии, пропорционального удельной теплоте диссоциации выбранного двухатомного газа. Образовавшийся в результате диссоциации в отсеке 4 атомарный газ обладает более высоким химическим потенциалом, чем газ в отсеке 5 в молекулярном состоянии (при равных давлениях). За счет этой разности химических потенциалов можно получить электрическую работу, если они разделены ионообменной мембранной 3, материалом которой является твердый электролит, содержащий ионы, которые могут быть получены при ионизации атома газа (например, иода) присоединением к нему электрона. Тогда, если со стороны атомарного газа поверхность мембраны (электролита) контактирует дополнительно с электронным проводником (электродом 6), атомы газа будут захватывать электроны электронного проводника и переходить в виде ионов в электролит (мембрану 3). Если другая сторона мембраны (электролита) также контактирует с электронным проводником (электрод 7), но с этой стороны расположен молекулярный газ, то в силу его меньшего химического потенциала, чем у атомарного газа, процесс ионизации молекулярного газа будет происходить в меньшей степени. В результате электронный проводник (электрод 6) со стороны атомарного газа имеет более положительный потенциал, чем проводник (электрод 7) со стороны молекулярного газа. Поэтому при замыкании проводников (электродов 6 и 7) через внешнюю цепь потечет электрический ток. Кроме того, концентрация ионов выше со стороны мембраны (электролита) 3, контактирующего с атомарным газом (освещаемый отсек 4), поэтому при замыкании электродов 6 и 7 внутри мембраны (электролита) 3 возникает диффузионный ток ионов. В результате такого процесса происходит перенос рабочего вещества из той части системы, где его химический потенциал выше (освещаемый отсек 4), в ту часть, где его химический потенциал ниже (отсек 5 с молекулярным газом). Поэтому при замыкании электродов через внешнюю цепь давление газа в охлаждаемом отсеке 5 будет повышаться, а в освещаемом отсеке 4 понижаться. Чтобы организовать постоянный процесс генерирования электроэнергии, необходимо обеспечить переход двухатомного газа с охлаждаемой стороны мембраны (отсек 5) на освещаемую (отсек 4). Это реализуется путем соединения отсеков 4 и 5 с помощью трубки 12, которая может быть выполнена также в виде обратного клапана или дросселя. Непреобразованная часть подающего солнечного излучения отводится системой 11 отвода тепла, которая может быть выполнена на основе тепловых труб или в виде теплопередающих ребер.

Таким образом, часть солнечной энергии, затраченной на диссоциацию двухатомного газа на атомарный газ, затем за счет рекомбинации атомарного газа с помощью ионообменной мембраны превращается в электроэнергию.

Рассмотрим процесс преобразования более подробно.

Пусть двухатомный газ X2 под действием солнечного (электромагнитного излучения) с частотой wg и выше диссоциирует на атомарный
, (1)
при этом диссоциирующий газ поглощает следующее количество солнечной энергии на каждый квадратный метр облучаемой поверхности (при полном поглощении)

где A - солнечная постоянная; T - температура абсолютного черного тела со спектральным распределением энергии, близким к излучению Солнца (6000K); h - постоянная Планка.

Уравнение (2) получено из формулы Планка для спектральной плотности излучения абсолютно черного тела.

В качестве двухатомного газа целесообразно выбрать галоген, так как другие двухатомные газы имеют слишком высокие значения wg. По известным данным по wg были рассчитаны коэффициент K и доля энергии, поглощенная при диссоциации галогенов (табл. 1).

Среди галогенов наилучшим является иод.

Получившийся в результате фотодиссоциации атомарный газ обладает более высоким химическим потенциалом, чем в молекулярном состоянии при равном давлении. За счет этой разности химических потенциалов можно получить электрическую работу следующим образом.

Пусть атомарный газ контактирует с электролитом (ионообменной мембраной), содержащим ионы, которые могут быть получены при ионизации атома X присоединением к нему электрона e. Тогда, если со стороны атомарного газа поверхность электролита (мембраны) контактирует дополнительно с электронным проводником (электродом), атомы X будут захватывать электроны электронного проводника и переходить в виде ионов X-1 в электролит по схеме

Если другая сторона электролита (мембраны) также контактирует с электронным проводником (электродом), но с этой стороны расположен молекулярный газ X2, то в силу его меньшего химического потенциала, чем химический протенциал атомарного газа, процесс ионизации X2 по схеме

протекает в меньшей степени. Таким образом, электронный проводник со стороны атомарного газа имеет более положительный потенциал, т.е. при замыкании проводников через внешнюю цепь потечет электрический ток. Фактически предлагаемое устройство представляет собой гальванический элемент (ГЭ), который схематически может быть изображен следующим образом:

Оценим ожидаемые характеристики предлагаемого преобразователя. Выберем давление рабочего тела равным 1 бар (105 Па). Тогда ЭДС Е преобразователя как ГЭ будет равен
E = D Go/2F,
где D Go - стандартный изобарный потенциал реакции диссоциации X2----2X, F - число Фарадея (96500 кулон/г-экв). По справочным данным имеем данные, представленные в табл. 2.

Вычисленные с использованием данных табл. 2 значения ЭДС Е и электрохимического КПД h, который получен делением E=A+BT на постоянный член A в уравнении E=A+BT, приведены в табл.3.

Итоговая эффективность преобразователя может быть охарактеризована максимально возможным значением электрической мощности с единицы облучаемой поверхности и общим КПД преобразования энергии, который равен произведению электрохимического КПД h на долю энергии, поглощенной при диссоциации (табл. 1)
wмакс = Kh(кВт/м²),
h общ = Kh/A
Значения wмакс и h общ приведены в табл. 4.

Таким образом, преобразователь солнечной энергии в электрическую обладает относительно высоким КПД и принципиально может обладать длительным ресурсом в связи с отсутсвием расходуемых компонентов. Для повышения эффективности газопроницаемый электрод (электронный проводник) должен быть выполнен с повышенной сорбционной способностью по отношению к двухатомному газу.

Источники информации
1. А.А. Куландин, С.В. Тимашев, В.П. Иванов. Энергетические системы космических аппаратов, - М.: Машиностроение, 1972, с. 10 - 15.

2. Энергетические установки космических аппаратов /С.А. Подшивалов, Э.И. Иванов, Л.И. Муратов и др. Под общ. ред. Невяровского и В.С. Викторова. -М.: Энергоиздат, 1981, с. 18 - 19, 27 - 29.

3. Патент RU 2074460 C1 "Преобразователь тепловой энергии непосредственно в электрическую" /В. К. Гришин, А.А. Вечер, В.В. Синявский/ Заявка 94039447 от 04.10.94.

Назначение: автономные источники электроэнергии, в том числе космические. Сущность изобретения: преобразователь солнечной энергии в электрическую содержит герметичный корпус, разделенный на два отсека, заполненных одним и тем же диссоциирующим двухатомным газом и разделенных ионообменной мембраной, в качестве материала которой выбран электролит с ионной проводимостью по диссоциированному атомарному газу двухатомного газа, на обеих боковых поверхностях мембраны размещены газопроницаемые электроды, снабженные токовыводами, причем один из отсеков снабжен системой отвода тепла. Часть корпуса другого отсека выполнена из прозрачного для солнечного излучения материала, а в качестве двухатомного газа выбран газ, диссоциирующий в атомный газ под действием солнечного излучения. Изобретение позволяет непосредственно преобразовать солнечную энергию в электрическую. 2 з.п. ф-лы, 4 табл., 1 ил.

1. Преобразователь солнечной энергии в электрическую, содержащий герметичный корпус, разделенный на два сообщающихся между собой отсека, заполненных одним и тем же диссоциирующим двухатомным газом и разделенных ионообменной мембраной, в качестве материала которой выбран электролит с ионной проводимостью по диссоциированному атомарному газу двухатомного газа, на обеих боковых поверхностях мембраны размещены газопроницаемые электроды, снабженные токовыводами, причем один из отсеков снабжен системой отвода тепла, отличающийся тем, что часть корпуса другого отсека выполнена из прозрачного для солнечного излучения материала, а в качестве двухатомного газа выбран газ, диссоциирующий в атомарный газ под действием солнечного излучения. 2. Изобретение по п.1, отличающееся тем, что в качестве двухатомного газа, диссоциирующего под действием солнечного излучения, выбран газ с малой энергией диссоциации. 3. Изобретение по п.2, отличающееся тем, что в качестве двухатомного газа с малой энергией диссоциации выбран иод, фтор, хлор, бром или их смеси.