Фототермальная система, тепло в которой запасается в межатомных химических связях

В солнечной энергетике в настоящее время используются две технологии «сбора» даровой энергии Солнца: 1) генерация электричества путем преобразования в фотовольтаических элементах (панелях) энергии фотонов в электрический ток и 2) генерация тепловой энергии в термальных коллекторах путем нагрева жидкого теплоносителя фотонами инфракрасного диапазона. Электроэнергия, получаемая от фотовольтаических панелей, и тепловая энергия, получаемая от фототермальных коллекторов, вырабатываются только в светлое время суток, да и то с большими перепадами в производительности, зависящими от погодных условий (ясно, облачно, снег, дождь), поэтому и электрическую и тепловую энергию приходится накапливать «про запас» в аккумуляторах (в электрохимических, если используется фотовольтаическая система, или в тепловых, если используется фототермальная система).

Недавно в Швеции разработан третий вид «солнечной энерготехнологии», особенностью которой является «захват» энергии фотонов химическими связями между атомами «молекул-теплоносителей» и сохранение этой энергии в них длительное время «до востребования». То есть если в традиционной фототермальной системе тепловая энергия хранится в виде тепла воды (или другой жидкости), подогретой до температуры порядка +60°C, то в новой фототермальной системе тепловая энергия преобразуется в энергию химических связей между атомами в молекулах (которые при этом изменяют свою структуру), а ее выделение «по требованию» осуществляется путем обратной «перестройки» структуры молекулы с разрушением «теплохранящих» химических связей и возвратом к прежней устойчивой структуре молекулы.

Итак, группа ученых Технического университета Чалмерса (Chalmers tekniska högskola, Швеция) разработала и сконструировала прототип системы «химического захвата» энергии солнечного излучения молекулами норборнадиена, при котором в них происходит перестройка связей между атомами азота, водорода и углерода, приводящая к синтезу молекул квадрициклана (изомера норборнадиена). Реакция изомеризации «норборнадиен — квадрициклан» впервые была описана в 1972 году химиками Аризонского университета, которые обнаружили, что структура квадрициклана является более «химически напряженной» (78,7 ккал/моль), чем норборнадиена (25,6 ккал/моль), то есть при превращении норборнадиена в квадрициклан тепло поглощается, а обратное превращение «квадрициклан — норборнадиен» происходит с выделением тепла. Фотохимическая изомеризация «норборнадиен — квадрициклан» с использованием светового излучения была исследована в 1983 году учеными Афинского национального политехнического университета, которые спрогнозировали ее перспективность для использования в солнечной энергетике.

И вот по прошествии почти 35 лет эту «прогнозную идею» воплотили в инженерном решении шведские изобретатели. Ключевым компонентом этого решения является один из распространенных видов термального коллектора, представляющего собой параболический зеркальный концентратор, который автоматической системой управления ежесекундно ориентируется «по вектору» солнечных лучей. На его фокусной оси установлена труба из кварцевого стекла, по которой протекает жидкость, в которой растворен норборнадиен, превращающийся под воздействием солнечных лучей в квадрициклан. Раствор квадрициклана собирается в баке-аккумуляторе. При необходимости получить от этого аккумулятора тепловую энергию раствор прокачивается насосом через емкость, в которой размещен катализатор реакции «квадрициклан — норборнадиен», в результате которой раствор подогревается до +63°C и поступает в системы горячего водоснабжения и водяного отопления дома.