ЕМКОСТНОЙ КОНВЕРТОР ТЕПЛА СРЕДЫ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ Российский патент 2004 года по МПК H01M14/00 H02N11/00 

Использование: емкостной конвертор тепла среды в электроэнергию (С-кэссор (кэссор – аббревиатура Конвертор Энергии Среды)) - автономный генератор электроэнергии для всех потребителей ее мощностью от долей ватта до нескольких киловатт. Производимая С-кэссором энергия отбирается в виде тепла от окружающей среды, без использования какого-либо топлива. Изобретение осуществляют посредством проведения циклов “Зарядка-Разрядка” специальных -нелинейных диэлектриков - конденсаторов с частотой f. Конденсаторы объединены в батареи путем параллельного и последовательного соединения. Частота циклов “ЗР” f зависит от емкости С_з батареи при “Зарядке” и С_р при “Разрядке”; при переменном токе 50 Гц она равна 100 Гц.

Технический результат работы С-кэссора заключается в том, что мощность батареи на нагрузке при “Р” - W_p - больше потребляемой мощности W, при “З”; отношение Эта генерируемая мощность ΔW=W_p-W_з ≈ (0,3-0,4)W_з возникает благодаря способности нелинейных диэлектриков (конденсаторов) преобразовывать свою внутреннюю свободную энергию при разрядке в электрическую, охлаждаясь за каждый цикл “ЗР” на малые доли градуса. После цикла “ЗР” к батарее притекает тепло от окружающей среды.

Известны С-кэссоры, конденсаторами в которых служат промышленно изготовленные вариконды [1, 2]. В них диэлектриком служит керамическая масса на основе титаната бария. Эти С-кэссоры имеют при 100 Гц удельную объемную генерируемую мощность и удельную весовую _mW_уд=0,442 кВт/т.

Примечание. Расчет по данным из [1, 2]: единичная емкость конденсатора-вариконда ВК2Б 0,15 μF, D=26 мм, h=10 мм, объем 3,714 см³, плотность 4,7 г/см³, вес~18 г. При V=55 В, f=100 Гц, С_n=33 μF (220 варикондов параллельно) коэффициент нелинейности К~6 (С₅₅=С_n·6). Вес батареи 3960 г, объем 836 см³. При 96 В К=12. При 55 В в ВК2Б плотность энергии объемная _vА_уд ≅ 0,366·10^-3 Дж/см³ и _mА_уд ≈ 0,075·10^-3 Дж/г. Для сравнения - в пленке ПЭТФ (лавсан) _mА_уд ~ 2 Дж/г [3].

Задачей изобретения является создание С-кэссора с более высокими удельными объемными и массовыми характеристиками.

Поставленная задача решается применением в С-кэссорах вместо керамических диэлектриков нового класса нелинейных органических (недавно открытых, ~ в 1969 г.) диэлектрических веществ [4]. Это так называемые жидкокристаллические и пироэлектрические полимеры [4, стр.609-618]. Однако в виде пленок, как промышленный продукт, на сегодня доступны поливинилоденфторид (ПВДФ) и сополимеры винилоденфторида с трифторэтиленом и тетрафторэтиленом. По данным каталога фирмы Kureha (Япония) ее ПВДФ-пленка типа КF имеет плотность 1,8 г/см³, эл. прочность ~700 кВ/мм (на пленке толщиной 25μм), ε=11-10,7 при 60-1000 Гц переменного тока.

Исследованиями последних лет установлена зависимость ε(Е), возникающая вследствие сегнетоэлектрической поляризации в указанных веществах. Для ПВДФ поле Е напряженностью 60-90 кВ/мм в течение 10^-1-10^-3 с теоретически может увеличить исходное значение диэлектрической проницаемости в 50-100 раз [5]. В опытах увеличение на уровне 3-8, т.е. раз, в зависимости от частоты и уровня Е, обеспечивая тем самым ϕ>1.

Преимущества С-кэссора с новыми диэлектриками видны из нижеследующего примера.

Пример. С-кэссор, батарея из конденсаторов, соединенных в блоки параллельно n штук (одинаковой С_n), а в батарее N блоков, соединенных последовательно или параллельно, исходя из условий зарядки или особенностей нагрузки при разрядке. Каждый из n конденсаторов имеет номинальную емкость, например, 0,15 μF, диэлектрик - пленка KF (ПВДФ) толщиной 9·10^-3 мм. При V=750 В, К=6, его емкость 0,9 μF и в нем Е=83 кВ/мм. Площадь пленки S=142·10^-3 см², вес ее - 0,23 г. Энергия в нем так что _mА_уд ≅ 1,1 Дж/г и _vА_уд ≅ 2 Дж/см³; по удельной плотности энергии емкость с ПВДФ превосходит ВК2Б примерно в тысячу раз.

Если n=220, то в блоке С_n=33·10^-6 F и в нем диэлектрика 50,6 г. По данным [3] ориентировочно объем единичного конденсатора с выбранной пленкой (на 750 В) 2,5-3 см³, всей батареи - 660 см³, и вес ее 1320 г, если плотность на уровне 2 г/см³. Этот блок втрое легче прототипа, а по объему - на ~ 40% меньше.

При частоте циклов f=100 Гц и ϕ=1,35 мощность генерации этой батареей на единицу объема

и на единицу массы

т.е. по объемной плотности генерируемой энергии предлагаемый С-кэссор превосходит прототип в 1300 раза, по массовой плотности - в 3000 раз.

Обеспечение полученных удельных мощностей возможно лишь при сведении до уровня 2-3% потерь энергии в зарядной цепи. Для этого следует повышать напряжение зарядки U_з по зависимости, близкой к экспоненте:

где t - время, U_m - нужное напряжение на емкости в конце зарядки, AU_m ≈ начальное напряжение зарядки, а - безразмерное отношение допустимых потерь к энергии заряженной емкости. Поскольку в момент окончания зарядки то при практически приемлемых а и А~0,01-0,005, t максимально при а=0,01 и А=0,005:

t=1·10^-2·R·C·(ln2·10²+1)=1·10^-2·R·C·6,3=6,3·10^-2·R·C.

Из U_з(t) видно, что при столь малых t возможно возрастание U_з и по синусоиде даже линейный рост снизит потери энергии на зарядку. Устройства генерации энергии зарядки емкостей с U_з(t) по разным законам описаны в [6] без выделения предпочтительных U_з(t).

ЛИТЕРАТУРА

1. Заев Н.Е., Спиридонов Ю.С. Емкость - конвертор тепла среды в электроэнергию. Электротехника, №12, 1998. С.53-55.

2. Вариконды в электронных импульсных схемах. М., Советское радио, 1971.

3. Ренне В.Т. Пленочные конденсаторы с органическим диэлектриком. Л., Энергия, 1971. С.144-149.

4. Лайнс М., Гласс А. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. М., Мир, 1981.

5. Абрамова Н.А., Андреев А.М., Журавлева Н.М. Оптимизация пленочной пропитанной изоляции энергоемких конденсаторов. - Электротехника, 1998, №5, С.1-4.

6. Громовенко А.В., Опре В.М., Федоров А.В. Индуктивный заряд емкостных накопителей. - Электротехника, 2001, №3, С.51-55.

Изобретение относится к области нелинейных конденсаторов, согласно изобретению емкостной конвертор представляет собой нелинейную по напряжению емкость с нелинейным диэлектриком, в качестве которого используют органический пироэлектрический диэлектрик с сегнетоэлектрической поляризацией, способный в цикле заряд и разряд увеличивать проницаемость от ε₀ ~ 1,2 до ε_v ~ 8 в переменном поле Е так, что обеспечивая тем самым ϕ>1, где W_p - мощность при разряде, W₃ - модность при заряде. Техническим результатом изобретения является увеличение удельных весовых и объемных характеристик. 2 з.п.ф-лы.

1. Емкостной конвертор тепла среды в электроэнергию, представляющий собой нелинейную по напряжению емкость с нелинейным диэлектриком, заряжаемую и разряжаемую циклами "ЗР" с частотой f Герц и отдающую при разрядке конверсионную энергию величиной ϕ>1 от энергии зарядки на нагрузку, отличающийся тем, что нелинейным диэлектриком служит органический пироэлектрический диэлектрик с сегнетоэлектрической поляризацией, способный обратимо в цикле "ЗР" увеличивать проницаемость от ε₀ ~ 1,2 до ε_v ~ 8 в переменном поле Е так, что , обеспечивая тем самым ϕ>1, где , где W_p - мощность при разряде, W₃ - мощность при зарядке.2. Емкостной конвертор по п.1, отличающийся тем, что напряженность поля Е при зарядке составляет 40 ÷ 110 кВ/мм при действии его в цикле "ЗР" не менее 5·10^-3 с.3. Емкостной конвертор по п.2, отличающийся тем, что уровень ϕ=1,3-1,4 достигает при зарядном напряжении U₃

если U_m - максимальное напряжение на емкость, R - сопротивление цепи зарядки, t - время, А, α - безразмерные коэффициенты 0,01-0,005, длительность полной зарядки