RU2158048C1

RU2158048C1 - Solar-to-electric energy converter

Info

Publication number: RU2158048C1
Application number: RU99102269A
Authority: RU
Inventors: В.К. Гришин; Алим Александрович Вечер; В.В. Синявский
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2000-10-20

Abstract

FIELD: off-line power supplies including those spacecraft-mounted. SUBSTANCE: converter has pressurized case divided into two compartments both filled with same dissociating diatomic gas and separated by ion-exchange membrane whose material is electrolyte characterized by ionic conductance for atomic gas; both side surfaces of membrane mount gas-tight electrodes incorporating current leads; one of compartments has heat-transfer system; novelty is that part of other compartment case is made of material transparent to sun rays; chosen as diatomic gas is that dissociating into atomic gas under influence of sun rays. EFFECT: provision for direct conversion of solar energy into electricity. 3 cl, 1 dwg

Description

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. The invention relates to sources of electricity with direct conversion of heat into electricity and can be used to create autonomous solar sources of electricity, including space purposes.

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. Known machine and direct converters of solar thermal energy into electrical energy [1]. Engine converters include steam turbine and gas turbine units, as well as internal combustion engines, Stirling engines, piston expansion machines. The main types of direct heat converters are thermoelectric, thermionic and magnetohydrodynamic. In addition to the considered heat converters, other primary energy converters are also known, these are chemical - fuel cells or electrochemical generators and light - photovoltaic batteries.

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. Close to the invention is a converter in the form of a hydrogen-oxygen fuel cell [2]. The converter consists of two compartments separated by an ion-exchange membrane, electrodes made in the form of a grid are pressed to the lateral surfaces of which. The electrodes are connected to current collectors. There is hydrogen on one side of the membrane, and oxygen on the other. On the side of the oxygen electrode there are wicks for the removal of the resulting water and a tube in which cooling water circulates. Hydrogen and oxygen compartments are not interconnected. All this is inside the case. Individual such cells are electrically switched to the fuel cell stack.

Подобный элемент является преобразователем с расходом рабочего тела, что приводит к ограниченному ресурсу и энергоемкости. A similar element is a converter with a flow of the working fluid, which leads to a limited resource and energy consumption.

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. Closest to the invention in terms of technical features is a thermal energy converter directly into electrical energy [3], comprising a sealed enclosure divided into two compartments filled with the same dissociating diatomic gas and separated by an ion-exchange membrane, the material of which is selected as an electrolyte with ionic conductivity on the dissociated atomic gas of a diatomic gas, on both side surfaces of the membrane are gas-permeable electrodes provided with current leads, dynes of the compartments is provided with a supply system, and the other - the heat removal system.

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. Such a device is a converter of thermal energy directly into electrical energy, however, it cannot be used for direct (without preliminary conversion to heat) conversion of solar energy directly into electrical energy.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение возможности непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. The technical result achieved by using the invention is the ability to directly convert solar energy into electrical energy.

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. The indicated technological result is achieved in a solar-to-electric converter containing a sealed enclosure, divided into two compartments filled with the same dissociating diatomic gas and separated by an ion-exchange membrane, the material of which is selected as an electrolyte with ionic conductivity through the dissociated atomic gas of a diatomic gas both sides of the membrane are gas-permeable electrodes equipped with current leads, and one of the compartments is equipped with a heat removal system a chamber in which a part of the housing of another compartment is made of a material transparent to solar radiation, and a gas dissociates into atomic gas under the influence of solar radiation is selected as a dissociating diatomic gas. As a diatomic gas dissociating under the influence of solar radiation, a gas with a low dissociation energy, for example, iodine, fluorine, chlorine, bromine or mixtures, can be selected. The heat removal system can be made in the form of a heat-emitting system, for example, based on heat pipes.

На чертеже приведена схема преобразования солнечной энергии в электрическую. The drawing shows a diagram of the conversion of solar energy into electrical energy.

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. The converter of solar energy into electrical energy contains a housing 1 with two compartments, and part 2 of the housing of one of the compartments is made in the form of a wall transparent to solar radiation, for example, of glass, quartz or other transparent material. The ion exchange membrane 3 divides the internal space inside the housing 1 into two compartments - irradiated by solar radiation 4 and cooled 5. On both sides of the membrane 3 are placed contacting gas-permeable electrodes 6 and 7, for example, in the form of a grid, each of which is equipped with insulated from the housing 1 current leads 8 and 9, which through sealed current leads 10 are allocated outside the housing 1. The compartment 5 is equipped with a heat removal system 11, which can be made heat-emitting, for example, based on heat pipes or in the form of heat-emitting ribs . Compartments 4 and 5 are filled with a diatomic gas, for example, iodine. The compartments 4 and 5 communicate with each other, for example, in the form of a tube, slit, capillary 12 in the ion exchange membrane or as a separate unit, which can also be made in the form of a throttle or check valve.

Преобразователь солнечной энергии в электрическую работает следующим образом. The Converter of solar energy into electrical works as follows.

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. Solar radiation, passing through the transparent part 2 of housing 1, enters the diatomic gas molecules sorbed by the surface of the electrode 6 in compartment 4. Upon irradiation, the diatomic gas dissociates into atomic gas with the absorption of a certain amount of solar energy proportional to the specific heat of dissociation of the selected diatomic gas. The atomic gas formed as a result of dissociation in compartment 4 has a higher chemical potential than the gas in compartment 5 in a molecular state (at equal pressures). Due to this difference in chemical potentials, it is possible to obtain electrical work if they are separated by an ion-exchange membrane 3, the material of which is a solid electrolyte containing ions that can be obtained by ionizing a gas atom (e.g., iodine) by attaching an electron to it. Then, if from the side of the atomic gas the surface of the membrane (electrolyte) contacts additionally with the electronic conductor (electrode 6), the gas atoms will capture the electrons of the electronic conductor and pass into the electrolyte in the form of ions (membrane 3). If the other side of the membrane (electrolyte) also contacts the electronic conductor (electrode 7), but molecular gas is located on this side, then due to its lower chemical potential than atomic gas, the process of molecular gas ionization will occur to a lesser extent. As a result, the electronic conductor (electrode 6) on the side of the atomic gas has a more positive potential than the conductor (electrode 7) on the side of the molecular gas. Therefore, when the conductors are closed (electrodes 6 and 7), an electric current will flow through the external circuit. In addition, the ion concentration is higher from the side of the membrane (electrolyte) 3 in contact with the atomic gas (illuminated compartment 4), therefore, when the electrodes 6 and 7 are closed inside the membrane (electrolyte) 3, an ion diffusion current occurs. As a result of this process, the working substance is transferred from the part of the system where its chemical potential is higher (illuminated compartment 4) to the part where its chemical potential is lower (compartment 5 with molecular gas). Therefore, when the electrodes are closed through an external circuit, the gas pressure in the cooled compartment 5 will increase, and in the illuminated compartment 4 will decrease. To organize a continuous process of generating electricity, it is necessary to ensure the transition of diatomic gas from the cooled side of the membrane (compartment 5) to the illuminated (compartment 4). This is realized by connecting the compartments 4 and 5 using the tube 12, which can also be made in the form of a check valve or throttle. The unconverted part of the solar radiation supply is removed by the heat removal system 11, which can be made on the basis of heat pipes or in the form of heat transfer ribs.

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. Thus, part of the solar energy spent on the dissociation of a diatomic gas into an atomic gas is then converted into electricity by the recombination of an atomic gas using an ion-exchange membrane.

Рассмотрим процесс преобразования более подробно. Consider the conversion process in more detail.

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.Let a diatomic gas X2 under the action of solar (electromagnetic radiation) with a frequency wg and above dissociate into an atomic

, (1)
in this case, the dissociating gas absorbs the following amount of solar energy for each square meter of the irradiated surface (with full absorption)

where A is the solar constant; T is the temperature of an absolute black body with a spectral energy distribution close to the radiation of the Sun (6000K); h is Planck's constant.

Уравнение (2) получено из формулы Планка для спектральной плотности излучения абсолютно черного тела. Equation (2) is obtained from the Planck formula for the spectral radiation density of a completely black body.

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). It is advisable to choose halogen as the diatomic gas, since other diatomic gases have too high values of wg. Using the well-known data on wg, the coefficient K and the fraction of energy absorbed during the dissociation of halogens were calculated (Table 1).

Среди галогенов наилучшим является иод. Among halogens, iodine is the best.

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. The atomic gas resulting from photodissociation has a higher chemical potential than in the molecular state at equal pressure. Due to this difference in chemical potentials, it is possible to obtain electrical work as follows.

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.Let an atomic gas come into contact with an electrolyte (ion-exchange membrane) containing ions that can be obtained by ionizing atom X by adding an electron e to it. Then, if on the side of the atomic gas the surface of the electrolyte (membrane) contacts in addition with the electronic conductor (electrode), X atoms will capture the electrons of the electronic conductor and transfer in the form of X-1 ions into the electrolyte according to the scheme

If the other side of the electrolyte (membrane) is also in contact with the electronic conductor (electrode), but molecular gas X2 is located on this side, then due to its lower chemical potential than the chemical potential of an atomic gas, the ionization process X2 according to the scheme

proceeds to a lesser extent. Thus, the electron conductor on the side of the atomic gas has a more positive potential, i.e. when the conductors are closed, an electric current will flow through the external circuit. In fact, the proposed device is a galvanic cell (GE), which can be schematically depicted as follows:

We estimate the expected characteristics of the proposed converter. We choose the pressure of the working fluid equal to 1 bar (105 Pa). Then the EMF E of the converter as a GE will be equal
E = D Go / 2F,
where D Go is the standard isobar potential of the dissociation reaction X2 ---- 2X, F is the Faraday number (96,500 coulomb / g-eq). According to the reference data, we have the data presented in table. 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. Calculated using the data in table. 2, the values of EMF E and electrochemical efficiency h, which is obtained by dividing E = A + BT by the constant term A in the equation E = A + BT, are given in Table 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.The total efficiency of the converter can be characterized by the maximum possible value of electric power per unit of the irradiated surface and the total energy conversion efficiency, which is equal to the product of the electrochemical efficiency h and the fraction of energy absorbed during dissociation (Table 1)
wmax = Kh (kW / m ² ),
h total = Kh / A
The values of w max and h total are given in table. 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. Thus, the converter of solar energy into electrical energy has a relatively high efficiency and, in principle, can have a long life due to the lack of consumable components. To increase the efficiency of the gas-permeable electrode (electronic conductor) should be performed with increased sorption ability in relation to diatomic gas.

Источники информации
1. А.А. Куландин, С.В. Тимашев, В.П. Иванов. Энергетические системы космических аппаратов, - М.: Машиностроение, 1972, с. 10 - 15.Sources of information
1. A.A. Kulandin, S.V. Timashev, V.P. Ivanov. Energy systems of spacecraft, - M.: Mechanical Engineering, 1972, p. 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. 2. Power installations of spacecraft / S.A. Podshivalov, E.I. Ivanov, L.I. Muratov and others. Under the general. ed. Nevyarovsky and V.S. Viktorova. -M.: Energoizdat, 1981, p. 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. 3. Patent RU 2074460 C1 "Converter of thermal energy directly into electrical energy" / V. K. Grishin, A.A. Evening, V.V. Sinyavsky / Application 94039447 from 10/04/94.

Claims

1. The converter of solar energy into electrical energy, containing a sealed enclosure, divided into two interconnected compartments filled with the same dissociating diatomic gas and separated by an ion-exchange membrane, the material of which is selected electrolyte with ionic conductivity through the dissociated atomic gas of diatomic gas, both lateral surfaces of the membrane are gas-permeable electrodes provided with current leads, and one of the compartments is equipped with a heat removal system, characterized in that part of the housing of another compartment is made of a material transparent to solar radiation, and a gas dissociating into atomic gas under the influence of solar radiation is selected as a diatomic gas.

2. The invention according to claim 1, characterized in that as a diatomic gas dissociating under the influence of solar radiation, a gas with a low dissociation energy is selected.

3. The invention according to claim 2, characterized in that iodine, fluorine, chlorine, bromine or a mixture thereof is selected as a diatomic gas with a low dissociation energy.