CC BY
0УДК (661.96) :661.961 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗЕЛЁНОГО ВОДОРОДА ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ _СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ_
М.У.Носиров, Ю.Б.Собиров, Ш.Р.Нурматов, Х.Ю.Рахимов*
Ключевые слова: энергия, солнце, водород, кислород, щелочь, электролиз, фотоэлектрические модули, газгольдер, диссоциация, склонение, угол, наклона.
В последние годы возрастает интерес к водородной энергетике. Это объясняется тем, что водород является неисчерпаемым и экологически чистым энергоносителем. Наиболее широко распространенным способом получения водорода является - электролиз дистиллированной воды. В результате чего получают водород, кислород и некоторые примеси.В работе приведен метод получения зелёного водорода электролизом воды с использованием солнечной энергии. Необходимая электрическая энергия электролиза воды получается из лучистой энергии солнца с помощью фотоэлектрической станции мощностью 10 кВт. Собранный из отдельных фотоэлектрических панелей мощностью 350 Вт с размерами 1х2 м в количестве 30 шт. ФЭС состоит из 30 модулей и каждый из них проверен с помощью инфракрасной камерой в процессе работы с целью проверки работоспособности каждого элемента. Приведены сравнительные характеристики тока образования в электролизере водных растворов щелочей натрия и калия. В работе анализируется влияние угла наклона солнечной установки на эффективность её работы. Проведён сравнительный анализ точности определения оптимальных углов наклона солнечных установок по различным методам. На основе анализа данных выработаны рекомендации для оптимального угла солнечной установки для территории Паркентского района, где установлена фотоэлектрическая станция мощностью 10 кВт. Полученная электрическая энергия направляется к электролизёру для получения водорода и кислорода из воды. Нами разработаны и созданы электролизеры с различными конструкциями и разных мощностей от 0,1 кВт до 10 кВт. По данным Международного энергетического агентства, к 2040 году в мире 20-35 процентов вырабатываемой электроэнергии будет приходиться за счет возобновляемых видов энергии: солнечной и ветряной энергии. По мнению большинство ученых и специалистов, начиная с 2040 года, водород может заменить невозобновляемые виды энергий такие как, нефть, газ и уголь [1].
Во всем мире бурно развивается водородная энергетика, с использованием невозобновляемых и возобновляемых видов энергии с предпочтением энергии солнца, ветра, биогаза и т.д. [2-6].
Для создания фотоэлектрической станции (ФЭС) мощностью 10 кВт, нами приобретены фотоэлектрические панели типа TSM-350PE15H мощностью 350 Вт с размерами 1х2 м в количестве 30 шт. Основные характеристики фотоэлектрической панели приведены в таблице 1.
Таблица 1. Основные характеристики фотоэлектрической панели.
Параметры Ед. Изм. Величина
Максимальная мощность Рмах 350+2,5%
* Носиров Миржалол Ужабой угли, базовий докторант. Собиров Юлдаш Бекжонович, доктор технических наук (Б8с), старший научный сотрудник. Нурматов Шавкат Расулматович, кандидат техничеких наук, старший научный сотрудник. Рахимов Хамдам Юлдашевич, доктор физико-математических наук (Б8с), научный консультант. Институт Материаловедения АН РУз.
Максимальное напряжение Vmp 39,9 В
Максимальный ток Imp 9,23 А
Напряжения холостого хода Voc 46,7 В +3,0%
Ток короткого замыкания Isc 9,71A +4,0%
Максимальное использование серии 20 A
Выбор мощности 0 ~5 W
Максимальное напряжение системы IEC1500 В
Фотоэлектрические панели в количестве 30 штук с общей площадью 60 м2 установили на стойках и с учетом географических координат местности и времени года наклонены на оптимальный угол [7].
Для проверки работоспособности фотоэлементов фотоэлектрических
батарей используется также
инфракрасные камеры. Например, в работе Л.Д. Сагинова [8] приведена методика определения локальных дефектов в фотоэлектрических преобразователях (ФЭП) солнечного излучения путем бесконтактного измерения распределения температуры по площади ФЭП при подаче на него прямого и обратного напряжения. Неоднородность распределения температуры по поверхности ФЭП возникает вследствие неоднородности плотности тока из-за наличия локальных дефектов. Температура определяется по интенсивности теплового излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра посредством специальной тепловизионной системы.При помощи тепловизора можно контролировать производительность работы фотоэлектрических модулей. Это позволяет за короткое время провести контроль мощностей ФЭС и по тепловизонному изображению можно легко определить фотоэлементы вышедшие из строя. Это облегчить замену этих фотоэлементов [9]. Нами были исследованы все 30 модулей ФЭС мощностью 10 кВт находящаяся в институте Материаловедения НПО "Физика-Солнце" АН Республики
Узбекистан, результаты исследования приведены на рис.4.
Один из распространённых способов получения водорода используя солнечной энергии является -электролиз воды. В Узбекистане, с высоким ресурсом солнечной энергии -96% от ВИЭ, выгодно использовать электролизеры [10-12]. Общая схема получения водорода электролизом воды приведена на рис.2.
Разложение воды в процессе электролиза осуществляется за счет внутренней энергии электролита. Производительности электролиза воды в процессе получения водорода зависит от силы тока, от свойств и состояния поверхности электродов а также от электролита. С целью предотвращения накопления различных примесей на поверхности электродов в процессе получения водорода электролизом воды используются дистиллированная вода [13,14].
Таблица 2. Сравнительные характеристики повышения силы тока в электролизере при применении щелочей натрия и калия.
Щёлочь натрия Щёлочь калия
Количество щелочи, гр Сила тока, А Сила тока, А
10 0,44 0,40
20 0,80 0,70
30 1,19 0,95
40 1,58 1,22
50 1,61 1,45
60 1,69 1,64
70 1,77 1,85
80 1,75 2,0
90 1,77 2,1
2.2
2.0
1.8
1.6
<
1.4
го
о к 1.2
т
и 1.0
С )
0,8
0.6
0,4
0.2
Количество щелочи в гр.
Рис.4. Сравнительные характеристики щелочей в качестве электролитического раствора в электролизе для получения водорода.
Для получения электролитического раствора применяются различные соли и щелочи. Часто применяют в качестве электролитического водного раствора щелочи натрия (№ОН) и калия (КОН). В таблице 2 приведены сравнительные характеристики повышения силы тока в электролизере при применении щелочей натрия и калия.
На рис. 4 приведены сравнительные характеристики щелочей натрия и калия в электролизере для получения водорода, когда щелочи добавляют в литр дистиллированной воды. Электроды (анод и катод) тоже изготовлены из нержавеющей стали. С целью увеличения производительности выхода водорода, расстояние между электродами сделано минимальным [15, 16]. В качестве электролита использованы щелочи натрия (NaOH) и калия
(KOH). Максимальная
производительность водорода получена при использовании 32% раствор щелочи калия КОН в дистиллированной воде. В электролизере проходит химическая реакция по следующей известной схеме
[17]:
2Н2О + энергия ^ 2H2+O2 В результате диссоциации воды, на молекулы кислорода и водорода, водород по объему получается вдвое больше, чем кислород. В рамках инновационного проекта Ф3-2019123016 «Разработка опытного образца установки
для получения водорода с использованием солнечной энергии» министерства инновационного развития республики Узбекистан, нами разработаны электролизеры различной конструкции и мощности от 1 до 10 кВт (см. рис.5).
В результате исследования осуществлен анализ отечественных и международных литературных данных о получения водорода электролизом воды с использованием энергии солнца, создана ФЭС мощностью 10 кВт и исследуются характеристики ФЭС в зависимости плотности падающего лучистого потока на приёмной поверхности фотоэлектрических модулей в реальных условиях их работы на территории Узбекистана.Работа выполнена в рамках инновационного проекта Ф3-2019123016 «Разработка опытного образца установки для получения водорода с использованием солнечной энергии» министерства инновационного развития республики Узбекистан.
Литература:
1. PQ-5063-сон 09.04.2021. O'zbekiston Respublikasida qayta tiklanuvchi va vododod energitikasini rivojlantirish chora-tadbirlari to'g'risida (https://lex.uz/docs/-5362032)
2. Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М., Пузаков В.Н. Принципы и перспективы использования солнечной энергии для получения нового вида топлива - водорода - посредством электролиза воды. // Гелиотехника, №2, 2005 г. - С.3 -13.
3. Шаропов У.Б., Ахатов Ж.С., Ахадов Ж.З. и др. Способы получения водорода в фокусе зеркально-концентрирующих систем солнечного излучения. Материалы международной научной конференции «Новые материалы и гелиотехнологии» г. Паркент, Узбекистан, 20-21 мая 2021г. -С. 266-268.
4. Рискиев Т.Т., Абдурахманов А.А., Ходжаев А.Ш., Акбаров Р.Ю., Ходжаев Р.А. Маматкосимов М.А., Базаров А.В. Перспективы производства технического водорода на большой солнечной печи. // Гелиотехника, №4, 2003 г. -С.54-61.
5. Mustafa El-Shafie, Shinji Kambara, Yukio Hayakawa. Hydrogen Production Technologies Overview. // Journal of Power and Energy Engineering, 2019, 7, 107-154. DOI: 10.4236/jpee.2019.71007.
6. Devaraj D. et al., International Journal of Energy Production and Management, Vol. 5, No 2 (2020) 91-101. DOI: 10.2495/EQ-V5-N2-91-101.
7. Акбаров Р.Ю. Оптимальные углы наклона солнечных установок для Паркентского района (узбекистан). Материалы международной научной конференции "Новые материалы и гелиотехнологии" 20-21 мая 2021 года. г.Паркент, Узбекистан. С. 186-190.
8. Сагинов Л.Д. Исследование локальных дефектов в фотоэлектрических преобразователях: методика и аппаратурная реализация // Гелиотехника, 2016. №3. С. 20-26.
9. Матчанов Н.А., Ахадов Ж.З., Собиров Ю.Б., и др. Использование тепловизора для измерения оптико-энергетических характеристик солнечных концентрирующих и фотоэлектрических установок. // Проблемы энерго - и ресурсосбережения, 2018. №3-4. -С.362-367.
10. Абдурахманов Б.М., Аладьина З.Н., Анарбаев А.И., Захидов Р.А., Кадыров А.Л. Фотоэлектрический топливный генератор водорода. // Гелиотехника, №3, 2006 г. -С.18-23.
11. Ахадов Ж.З., Султонов А.М. Некоторые физико-химические аспекты фотокаталитического разложения воды с помощью концентрированного потока солнечного излучения. // Гелиотехника, №4, 2015 г. -С. 101-105.
12. Захидов Р.А., Анарбаев А.И. Водородные технологии и использование солнечной энергии в производстве водорода. // Гелитехника, №4, 2005 г. -С.22-28.
13. Dincer I. Green methods for hydrogen production. Int. J. Hydrogen Energy 37, 1954-1971 (2011).
14. Ferreira M.J.F., et al. Batch sodium borohydride hydrolysis systems: Effect of sudden valve opening on hydrogen generation rate // International Journal of Hydrogen Energy. Volume 37, Issue 2, January 2012, Pages 1947-1953.
15. Mengjiao Wang, Guizhou Wang; Zhenxin Sun; Yukui Zhang; Dong Xu. Global Energy Interconnection. Vol. 2 No. 5 Oct. 2019, p. 436-443.
16. Green hydrogen cost reduction scaling up electrolysers to meet the 1.5°C climate goal. IRENA. "Green hydrogen cost reduction". 2020. 106 p.
17. Maximilian Schalenbach, Geert Tjarks, Marcelo Carmo, Wiebke Lueke, Martin Mueller, and Detlef Stoltena. Acidic or Alkaline? Towards a New Perspective on the Efficiency of Water Electrolysis. Journal of The Electrochemical Society, 163 (11) F3197-F3208 (2016).
18. Григорьев С.А., Порембский В.И., Фатеев В.Н., Самсонов Р.О., Козлов С.И., Получение водорода электролизом воды: современное состояние, проблемы и перспективы. // «Транспорт на альтернативном топливе». 2008. № 3 (3) май. С. 62-69.
QUYOSH ENERGIYASIDAN FOYDALANGAN HOLDA YASHIL VODOROD OLISH USULLARI
Ushbu maqolada biz dolzarb va rivojlanayotgan yashil vodorod olish haqida aytib o'tdik. O'zbekiston iqlimi jihatdan 260-270 kun quyoshli kun deb qabul qilingan. Shunday ekan quyosh energiyasidan foydalanib olingan elektr tokini vodorod olish uchun sarflashimiz mumkin bo'ladi. Bizning Materialshunoslik institutimizda o'rnatilgan 10 kVt li quyosh panelli stansiyasida olingan tokni yashil vodorod olishda tarjibalar sinovdan o'tkazildi. O'tkazilgan sinovlar natijasida quyidagilar aniqlandi:
- 10 kVt/soat quvvatli elektrolizyorning ishlab chiqarish samaradorligi 12% ni
tashkil qildi;
- soatiga 100 litr vodorod va 200 litr kislorod ajratib olindi.
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗЕЛЁНОГО ВОДОРОДА ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
В этой статье мы рассказали о реальном и развивающемся производстве зеленого водорода. С точки зрения климата солнечными днями в Узбекистане считаются 260-270 дней. Поэтому мы сможем использовать электроэнергию, полученную с помощью солнечной энергии, для производства водорода. У нас в Институте материаловедения установлена солнечная панель мощностью 10 кВт. Были проведены эксперименты по получению зеленого водорода из тока, получаемого на станции. В результате испытаний были выявлены:
- производственная эффективность электролизера 10 кВт/ч составила 12%;
- За час извлекалось 100 литров водорода и 200 литров кислорода.
METHODS FOR PRODUCING GREEN HYDROGEN USING SOLAR ENERGY
In this article, we talked about the real and developing production of green hydrogen. From a climate point of view, 260-270 days are considered sunny days in Uzbekistan. Therefore, we will be able to use electricity obtained from solar energy to produce hydrogen. We have a 10 kW solar panel installed at the Institute of Materials Science. Experiments were conducted to produce green hydrogen from the current generated at the station. As a result of the tests, the following were revealed:
- the production efficiency of the 10 kW/h electrolyser was 12%;
- In an hour, 100 liters of hydrogen and 200 liters of oxygen were extracted.
