Φωτοηλεκτροχημική επαναφόρτιση μπαταριών μετάλλου-αέρα
Στις ημέρες μας, η υπερβολική εξάρτηση για την παραγωγή ενέργειας οποιασδήποτε μορφής από τα ορυκτά καύσιμα αποτελεί βασικό πρόβλημα. Έτσι, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι μια εναλλακτική λύση, η οποία τείνει να είναι πολύ λιγότερο επιβλαβής για το περιβάλλον αλλά και τον άνθρωπο. Οι ανθρώπινες...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2022
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/16145 |
| id |
nemertes-10889-16145 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Μπαταρίες μετάλλου-αέρα Μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα Φωτοηλεκτροχημικό κελί Metal air-batteries Zinc air-batteries Photoelectrochemical cell |
| spellingShingle |
Μπαταρίες μετάλλου-αέρα Μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα Φωτοηλεκτροχημικό κελί Metal air-batteries Zinc air-batteries Photoelectrochemical cell Παπαδογιάννης, Βαγγέλης Φωτοηλεκτροχημική επαναφόρτιση μπαταριών μετάλλου-αέρα |
| description |
Στις ημέρες μας, η υπερβολική εξάρτηση για την παραγωγή ενέργειας οποιασδήποτε μορφής από τα ορυκτά καύσιμα αποτελεί βασικό πρόβλημα. Έτσι, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι μια εναλλακτική λύση, η οποία τείνει να είναι πολύ λιγότερο επιβλαβής για το περιβάλλον αλλά και τον άνθρωπο. Οι ανθρώπινες απαιτήσεις σε ενέργεια και η διαρκής τεχνολογική εξέλιξη φέρνουν στο προσκήνιο καινοτόμες ιδέες που πριν από μερικά χρόνια ήταν άγνωστες στο ευρύ κοινό. Μια τέτοια ιδέα είναι αυτή της εκμετάλλευσης της ηλιακής ακτινοβολίας για παραγωγή ενέργειας και ταυτόχρονα αποθήκευσης αυτής. Αυτό πραγματοποιείται μεταξύ άλλων και μέσω μπαταριών, ιδιαιτέρως δε στην περίπτωσή μας, μέσω μπαταριών μετάλλου-αέρα, οι οποίες ονομάζονται έτσι αλλά στη πραγματικότητα είναι στοιχεία καυσίμου με «καύσιμο» το μέταλλο. Αυτές οι συσκευές μετατρέπουν χημική ενέργεια σε ηλεκτρική, δηλαδή λειτουργούν ως συστήματα παραγωγής ενέργειας έχοντας μικρό αντίκτυπο στο περιβάλλον και μεγάλη αποδοτικότητα. Στη παρούσα εργασία, το μέταλλο που χρησιμοποιήθηκε είναι ο ψευδάργυρος λόγω του χαμηλού κόστους του, της αφθονίας του, της ασφάλειας και της ισχύος ενέργειας που διαθέτει.
Οι μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα έχουν την δυνατότητα επαναφόρτισης υπό την έννοια ότι το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγωγή ενός οξειδίου του ψευδαργύρου σε μεταλλικό ψευδάργυρο. Η κατανάλωση ρεύματος για αυτή την διαδικασία αντιστοιχεί με αποθήκευση ενέργειας και είναι αντίστοιχη με την επαναφόρτιση της μπαταρίας. Στην παρούσα εργασία, προχωρήσαμε ένα βήμα παρακάτω και για τη φόρτιση της μπαταρίας προτείνουμε τη χρήση ηλιακής ενέργειας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω μιας φωτοηλεκτροχημικής διάταξης. Η προτίμηση φωτοηλεκτροχημικής διάταξης, αντί π.χ. ενός κοινού φωτοβολταϊκού στοιχείου, γίνεται για να συνδυαστεί η λειτουργία της μπαταρίας με τη φόρτισή της σε μία και μοναδική συσκευή με μείωση και των χρησιμοποιούμενων υλικών και της γεωμετρίας τους.
Στα πλαίσια της εργαστηριακής έρευνας για την παρούσα διπλωματική εργασία, πραγματοποιήθηκαν πειράματα με τρεις διατάξεις-κελιά. Αρχικά, διεξήχθηκαν πειράματα για την κατανόηση της συμπεριφοράς μιας μπαταρίας ψευδαργύρου-αέρα κατά την αποφόρτιση αυτής, σε διαφορετικές συγκεντρώσεις αλκαλικού ηλεκτρολύτη. Στη συνέχεια, έγιναν πειράματα με το φωτοηλεκτροχημικό κελί. Πρώτα χρησιμοποιήθηκε η κάθοδος αέρα για την παραγωγή ρεύματος και γενικότερα την ανάδειξη της εύρυθμης λειτουργίας του κελιού. Έπειτα, χρησιμοποιήθηκε ως κάθοδος ένα φύλλο ψευδαργύρου και πραγματοποιήθηκε η επαναφόρτισή του με τη χρήση της ηλιακής ακτινοβολίας, κατάλληλων ηλεκτρολυτών και εξωτερικού κυκλώματος, εφόσον σωματίδια Zn εναποτίθενται ξανά στο μέταλλο. Ένα μεγάλο κέρδος που προέκυψε ήταν στη δαπάνη ισχύος για τη φόρτιση της μπαταρίας. Περισσότερα από 2.5 V ηλεκτρικής τάσης αποκτάται με φωτοηλεκτροκαταλυτική φόρτιση. Αυτό είναι ένα πλεονέκτημα μεγάλης τεχνολογικής σημασίας και δικαιολογεί την επιλογή του παρόντος συστήματος. |
| author2 |
Papadogiannis, Vangelis |
| author_facet |
Papadogiannis, Vangelis Παπαδογιάννης, Βαγγέλης |
| author |
Παπαδογιάννης, Βαγγέλης |
| author_sort |
Παπαδογιάννης, Βαγγέλης |
| title |
Φωτοηλεκτροχημική επαναφόρτιση μπαταριών μετάλλου-αέρα |
| title_short |
Φωτοηλεκτροχημική επαναφόρτιση μπαταριών μετάλλου-αέρα |
| title_full |
Φωτοηλεκτροχημική επαναφόρτιση μπαταριών μετάλλου-αέρα |
| title_fullStr |
Φωτοηλεκτροχημική επαναφόρτιση μπαταριών μετάλλου-αέρα |
| title_full_unstemmed |
Φωτοηλεκτροχημική επαναφόρτιση μπαταριών μετάλλου-αέρα |
| title_sort |
φωτοηλεκτροχημική επαναφόρτιση μπαταριών μετάλλου-αέρα |
| publishDate |
2022 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/16145 |
| work_keys_str_mv |
AT papadogiannēsbangelēs phōtoēlektrochēmikēepanaphortisēmpatariōnmetallouaera AT papadogiannēsbangelēs photoelectrochemicalrechargingofmetalairbatteries |
| _version_ |
1771297253161435136 |
| spelling |
nemertes-10889-161452022-09-05T14:01:45Z Φωτοηλεκτροχημική επαναφόρτιση μπαταριών μετάλλου-αέρα Photoelectrochemical recharging of metal-air batteries Παπαδογιάννης, Βαγγέλης Papadogiannis, Vangelis Μπαταρίες μετάλλου-αέρα Μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα Φωτοηλεκτροχημικό κελί Metal air-batteries Zinc air-batteries Photoelectrochemical cell Στις ημέρες μας, η υπερβολική εξάρτηση για την παραγωγή ενέργειας οποιασδήποτε μορφής από τα ορυκτά καύσιμα αποτελεί βασικό πρόβλημα. Έτσι, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι μια εναλλακτική λύση, η οποία τείνει να είναι πολύ λιγότερο επιβλαβής για το περιβάλλον αλλά και τον άνθρωπο. Οι ανθρώπινες απαιτήσεις σε ενέργεια και η διαρκής τεχνολογική εξέλιξη φέρνουν στο προσκήνιο καινοτόμες ιδέες που πριν από μερικά χρόνια ήταν άγνωστες στο ευρύ κοινό. Μια τέτοια ιδέα είναι αυτή της εκμετάλλευσης της ηλιακής ακτινοβολίας για παραγωγή ενέργειας και ταυτόχρονα αποθήκευσης αυτής. Αυτό πραγματοποιείται μεταξύ άλλων και μέσω μπαταριών, ιδιαιτέρως δε στην περίπτωσή μας, μέσω μπαταριών μετάλλου-αέρα, οι οποίες ονομάζονται έτσι αλλά στη πραγματικότητα είναι στοιχεία καυσίμου με «καύσιμο» το μέταλλο. Αυτές οι συσκευές μετατρέπουν χημική ενέργεια σε ηλεκτρική, δηλαδή λειτουργούν ως συστήματα παραγωγής ενέργειας έχοντας μικρό αντίκτυπο στο περιβάλλον και μεγάλη αποδοτικότητα. Στη παρούσα εργασία, το μέταλλο που χρησιμοποιήθηκε είναι ο ψευδάργυρος λόγω του χαμηλού κόστους του, της αφθονίας του, της ασφάλειας και της ισχύος ενέργειας που διαθέτει. Οι μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα έχουν την δυνατότητα επαναφόρτισης υπό την έννοια ότι το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγωγή ενός οξειδίου του ψευδαργύρου σε μεταλλικό ψευδάργυρο. Η κατανάλωση ρεύματος για αυτή την διαδικασία αντιστοιχεί με αποθήκευση ενέργειας και είναι αντίστοιχη με την επαναφόρτιση της μπαταρίας. Στην παρούσα εργασία, προχωρήσαμε ένα βήμα παρακάτω και για τη φόρτιση της μπαταρίας προτείνουμε τη χρήση ηλιακής ενέργειας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω μιας φωτοηλεκτροχημικής διάταξης. Η προτίμηση φωτοηλεκτροχημικής διάταξης, αντί π.χ. ενός κοινού φωτοβολταϊκού στοιχείου, γίνεται για να συνδυαστεί η λειτουργία της μπαταρίας με τη φόρτισή της σε μία και μοναδική συσκευή με μείωση και των χρησιμοποιούμενων υλικών και της γεωμετρίας τους. Στα πλαίσια της εργαστηριακής έρευνας για την παρούσα διπλωματική εργασία, πραγματοποιήθηκαν πειράματα με τρεις διατάξεις-κελιά. Αρχικά, διεξήχθηκαν πειράματα για την κατανόηση της συμπεριφοράς μιας μπαταρίας ψευδαργύρου-αέρα κατά την αποφόρτιση αυτής, σε διαφορετικές συγκεντρώσεις αλκαλικού ηλεκτρολύτη. Στη συνέχεια, έγιναν πειράματα με το φωτοηλεκτροχημικό κελί. Πρώτα χρησιμοποιήθηκε η κάθοδος αέρα για την παραγωγή ρεύματος και γενικότερα την ανάδειξη της εύρυθμης λειτουργίας του κελιού. Έπειτα, χρησιμοποιήθηκε ως κάθοδος ένα φύλλο ψευδαργύρου και πραγματοποιήθηκε η επαναφόρτισή του με τη χρήση της ηλιακής ακτινοβολίας, κατάλληλων ηλεκτρολυτών και εξωτερικού κυκλώματος, εφόσον σωματίδια Zn εναποτίθενται ξανά στο μέταλλο. Ένα μεγάλο κέρδος που προέκυψε ήταν στη δαπάνη ισχύος για τη φόρτιση της μπαταρίας. Περισσότερα από 2.5 V ηλεκτρικής τάσης αποκτάται με φωτοηλεκτροκαταλυτική φόρτιση. Αυτό είναι ένα πλεονέκτημα μεγάλης τεχνολογικής σημασίας και δικαιολογεί την επιλογή του παρόντος συστήματος. Nowadays, a major problem has arised due to the excessive dependence of energy being pro-duced from fossil fuels. Thus, renewable energy sources are an alternative, which tends to be much less harmful to the environment and humans. Human demands of energy and the constant techno-logical development bring to the fore innovative ideas that a few years ago were unknown to the general public. One such idea is the simultaneous utilization and storage of solar radiation for energy production. This is accomplished, among other things, through batteries, and especially in our case, by using the so called metal-air batteries, that are in fact fuel cells that use metal as “fuel”. These devices convert chemical energy into electrical energy, by acting as systems that generate power while also having low environmental impact and high efficiency. In this thesis, the metal used is zinc due to its low cost, its abundance, its safety and its power output. Zinc-air batteries are rechargeable meaning that electricity can be used to reduce a zinc oxide to metallic zinc. The power consumption for this process corresponds to energy storage and is equiva-lent to recharging the battery. In the present dissertation, we went one step further and to charge the battery we recommend the use of solar energy which is converted into electricity through a pho-toelectrochemical device. The photoelectrochemical device preference, instead of e.g. a common photovoltaic cell, is made to combine the operation of the battery with its charge in a single device with a reduction of both the materials used and their geometry. As part of the laboratory research for the present dissertation, experiments were performed with three cell-devices. Initially, experiments were performed to understand the behavior of a zinc-air battery during its discharge at different concentrations of alkaline electrolyte. Experiments with the photoelectrochemical cell were then performed. First the air cathode was used to generate electrical current and in general to highlight the proper functioning of the cell. A zinc foil was then used as the cathode and recharged using solar radiation, suitable electrolytes and an external circuit, provided that Zn particles were re-deposited on the metal. A large gain was reported in the power consump-tion that is needed to charge the battery. Approximately more than 2.5 V of electrical voltage is ob-tained by photoelectrocatalytic charging. This is an advantage of great technological importance and justifies the choice of this system. 2022-04-11T05:12:35Z 2022-04-11T05:12:35Z 2022-04-07 http://hdl.handle.net/10889/16145 gr application/pdf |
