Реферат на тему Применение наноматериалов в качестве энергоносителей (фазово-переходные материалы)

Введение:

Одними из глобальных кризисов всего человечества в настоящий момент являются серьезная нехватка энергетических ресурсов при их всё возрастающем потреблении и прогрессирующее изменение климата. Решения этих проблем взаимосвязаны: перепрофилирование существующей топливной базы и принятие экологически чистой альтернативы в качестве основного источника энергии. Многие ученые, занимающиеся поиском новых и возобновляемых источников энергии, доказали, что солнечная энергия имеет максимальный потенциал для решения проблемы энергетического кризиса.
Использование солнечной энергии для нагрева горячей воды, обогрева помещения, приготовления пищи и сушки является ненадежным, так как солнечная энергия непостоянна и непредсказуема. Следовательно, это требует создания системы хранения энергии для эффективного накопления тепловой энергии, когда она доступна, и ее использования в не солнечные часы. Система накопления тепловой энергии уменьшит дисбаланс между спросом и предложением энергии, тем самым улучшая производительность системы и снизит затраты, связанные с потерей энергии.
Тепловую энергию можно запасать как изменение внутренней энергии теплочувствительного материала, скрытое тепло, термохимическое или комбинирование всех этих способов. Система хранения тепловой энергии требует некоторых отличительных особенностей используемого материала, таких как высокая эффективность аккумулирования тепла, большая теплоемкость на единицу массы и объема, очень малые тепловые потери, материал должен быть неагрессивным и иметь длительный срок службы с наименьшими затратами.
Одними из таких материалов являются фазово-переходные наноматериалы с различными теплофизическими свойствами, термической стабильностью и термической надежностью. Помимо этих характеристик, на эксплуатационные свойства материалов с фазовым переходом значительное влияние оказывает эффект инкапсуляции и стабилизация формы.

Заключение:

Развитие исследований в сфере нанотехнологий будет также способствовать решению серьезной технической проблемы аккумулирования значительных объемов водорода, что, в свою очередь, поможет совершить качественный скачок в технологиях создания компактных экологически чистых источников энергии для различных нужд, в первую очередь транспорта. В этой области уже сегодня активное применение находят углеродные нанотрубки, нанокристаллический магний, а также наноорганические соединения с пористой структурой.
Ключевым фактором, который оказывает наибольшее влияние на внедрение нанотехнологий в сфере энергетики, является существенное снижение стоимости наноматериалов в последние годы. Предполагается, что данная тенденция продолжиться и в ближайшем будущем.
Вместе с тем, массовое внедрение нанотехнологий в энергетике на данном этапе развития техники сдерживается рядом существенных препятствий:
• ограниченный срок службы многих нанопродуктов, недостаточный для их коммерческого использования;
• значительные размеры (в частности, для суперконденсаторов);
• высокие затраты;
• невысокая энергетическая эффективность для рядя технологий по сравнению с традиционными решениями;
• технологические трудности в организации массового производства нанопродуктов;
• необходимость обеспечения должной химической чистоты нанопродуктов.
Однако очевидным является факт, что данные затруднения носят временный характер и связаны в первую очередь с началом жизненного цикла большинства из рассматриваемых продуктов. Указанные недостатки могут быть преодолены уже в самое ближайшее время в случае обеспечения должного уровня финансирования инновационных проектов в сфере применения нанотехнологий в энергетике.

Фрагмент текста работы:

Основные задачи современной энергетики решаются в следующих областях:
– первичные источники энергии;
– производство и преобразование энергии;
– распространение энергии;
– хранение энергии;
– использование энергии.
В каждой из этих пяти фаз энергетики, в их решении, в повышении их эффективности находит в настоящее время, и будет находить еще более широкое использование в будущем применение нанотехнологий.
В частности, среди первичных источников энергии можно выделить следующие применения наноматериалов:
Фотовольтаика: нанооптимизация (эффективность) солнечных панелей (полимеры, красители, квантовые точки, нанотонкие пленки, антиотражающие покрытия, многослойные фотоэлементы с мультипереходами).
Энергия ветра: легкие и прочные полости пропеллера (лопасти винта) оптимальной геометрии из нанокомпозитов нового поколения, антикоррозионные покрытия.
Геотермальные источники: нанопокрытия и нанокомпозиты в износостойких устройствах бурильных установок.
Использование энергии волн прилива: коррозиестойкие покрытия.
Энергия биомассы: нанооптимизация (концентрация пестицидов, питание) режима выращивания биомассы (наносенсоры, актуаторы, процессоры).
Невозобновляемые источники (ископаемые), уголь, нефть, газ: погодостойкие и коррозиестойкие покрытия износостойких бурильных установок; добавки наночастиц, наноколлоидных систем для повышения эффективности бурения.
Атомная энергия: нанокомпозиты для защиты персонала от радиации, капсулирование источников радиации.
При производстве энергии наноматериалы применяются в следующих областях:
Газовые турбины: защита от коррозии и термодеструкции лопаток турбины (нанокерамика, интерметаллические нанопокрытия, повышение эффективности работы электростанций).
Термоэлектричество: наноструктурированные компаунды, наностержни, использование вторичного тепла для персонального пользования.
Топливные элементы: нанооптимизированные мембраны и электроды для повышения эффективности топливных элементов в автомобилях и в мобильной электроники.
Производство водорода: нанокатализаторы, нанофотоника, новые нанотехнологии, фотоэлектрика.
Двигатели внутреннего сгорания: износо- и коррозиестойкие нанопокрытия для защиты деталей двигателя, нанодобавки в топливо и масло.
Электромоторы: нанокомпозиты для сверхпроводимости компонентов в электромоторах, например электродвигателей кораблей.
При распространении энергии.
Передача энергии: высоковольтные линии с нанонаполнителями для электроизоляторов, мягкие магнитные наноматериалы для эффективной передачи энергии.
Сверхпроводимость: оптимизация высокотемпературной сверхпроводимости, основанной на наноразмерном интерфейсе с целью уменьшения потери электричества при его передаче.
Линии передач на основе углеродных трубок: сверхпроводимые кабели на основе углеродных трубок.
Беспроводная передача энергии: с помощью лазеров, микроволн и электромагнитного резонанса на основе нанооптимизации компонентов.
Умные линии передач: наносенсоры (магниточувствительные) для умных гибких передач с умным экономичным управлением сетей, в том числе локальных.
Теплопередача: оптимизация передачи (углеродные нанотрубки и композиты на их основе) в промышленности, сельском хозяйстве и домохозяйствах.
Хранение энергии.
Электрическая энергия: оптимизация устройства и работы Li-ионных батарей на основе наноструктурированных электродов и гибких керамических разделительных нанопленок в мобильных устройствах, в линиях передач.
Сверхнакопители (конденсаторы): наноматериалы для электродов (углеродный аэрогель, углеродные нанотрубки, наночастицы оксидов металлов, электролиты для повышения плотности электроэнергии).
Химическая энергия: водород, нанопористые материалы, металлорганика, гидриды металлов для микротепловых панелей в мобильной электронике, в автомобилях.
Трансформация (модификация) и очистка топлива: нанокатализаторы для повышения эффективности добычи, перегонки нефти, десульфуризации нефти, сжижения угля.
Резервуары для топлива: нанокомпозитные материалы для снижения улетучиваемости углеводородов.
Тепловая энергия: материалы с «памятью» формы для кондиционирования зданий.
Адсорбционное хранение: нанопористые материалы (цеолиты) для обратимого хранения тепла в зданиях и тепловых сетях.
Использование энергии.
Теплоизоляция: нанопористые пены и гели, аэрогели, полимерные пены для теплоизоляции зданий и в промышленных технологиях.
Кондиционирование воздуха: умное управление световыми и тепловыми потоками в зданиях с помощью наноэлектрохромных окон, микрозеркал и ИК-рефлекторов.
Легкие конструкции: материалы на основе нанокомпозитов, углеродные нанотрубки, металлополимерные композиции, легкие металлические изделия с нанопокрытием.
Промышленные процессы: замена энергозатратных процессов на нанотехнологии (нанокатализаторы, самосборка).
Освещение: энергосберегающие системы (лампы, светодиоды, квантовые точки).