СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H02N11/00 H01M14/00 B82B1/00 

Заявляемая группа изобретений включает способ получения электрической энергии от системы контактов наноструктурированных проводящих поверхностей с тонким водным слоем и гидроэлектрический генератор как источник электрической энергии. Группа изобретений относится к способам и устройствам для получения электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии. В заявляемой группе изобретений использованы не известные до сих пор принципы построения энергетических систем, которые в дальнейшем смогут найти широкое применение в различных областях науки и техники.

Сущность изобретения состоит в том, что система контактов наноструктурированных проводящих пластин с тонким водным слоем при определенных условиях становится источником электродвижущей силы (ЭДС). Чтобы создать эти условия необходимо, чтобы, во-первых, слой воды с двух противоположных сторон был окружен пластинами проводящего материала. Причем, чтобы избежать возможности изменения химического состава воды, проводящие пластины должны быть выполнены из материала, инертного по отношению к воде (металлы, металлоиды, их соли, сплавы, полупроводники). Во-вторых, поверхности проводящих пластин, контактирующие со слоем воды, должны быть наноструктурированными, т.е. должны иметь наноразмерные структурные неоднородности в виде выступов и/или впадин и/или наноразмерные параметрические неоднородности (неоднородности проводимости, диэлектрической проницаемости и др.). Между проводящими пластинами этой системы, то есть системы, состоящей из первой проводящей пластины, водосодержащего слоя и второй проводящей пластины, возникает разность электрических потенциалов. Возникновение разности потенциалов обусловлено процессом структурирования водной среды, которое инициируется неоднородным электрическим полем, существующим вблизи наноразмерных структурных и/или параметрических неоднородностей проводящих поверхностей пластин, контактирующих с молекулами воды. Количество таких проводящих пластин может быть в общем случае произвольным (более двух).

Таким образом, вблизи контактов наноструктурированных проводящих поверхностей с тонким водным слоем создаются условия для структурирования водной среды, такого, которое в свою очередь приводит к разделению и переносу противоположно заряженных компонентов водной среды на противолежащие проводящие поверхности пластин, окружающих водосодержащий слой.

Этот эффект впервые был экспериментально обнаружен авторами заявляемого изобретения и условно может быть обозначен как гидроэлектрический. Если к проводящим слоям системы подключить электрическую нагрузку, то протекающий в этой нагрузке ток приводит к выделению электрической энергии.

Таким образом, система контактов наноструктурированных проводящих поверхностей с тонким водным слоем толщиной от единиц нанометров и более при перечисленных выше условиях становится источником ЭДС, из которого можно получить электрическую энергию.

Установлено, что гидроэлектрический эффект чрезвычайно малой величины имеет место даже в том случае, когда тонкий слой чистой воды заключен между поверхностями проводящих пластин, практически лишенных выраженных неоднородностей, например, за счет предельно тщательной обработки этих поверхностей. Указанное явление обусловлено тем, что на таких поверхностях всегда принципиально присутствуют как структурные, так и параметрические нанонеоднородности, которые способствуют слабой, исчезающе малой структуризации тонкого водного слоя.

Пластины, ограничивающие слой воды, могут быть изготовлены не только из проводящего материала, но также из диэлектрика или полупроводника. В этом случае для достижения гидроэлектрического эффекта достаточно, чтобы их поверхности, контактирующие с водосодержащим слоем (одна или обе), имели токопроводящие включения - параметрические неоднородности. В свою очередь поверхности указанных токопроводящих включений, контактирующие с водосодержащим слоем, должны быть наноразмерными и/или иметь наноразмерные неоднородности. При этом для получения электрической энергии указанные проводящие включения в каждой пластине должны иметь электрический контакт с соответствующими контактами, к которым подключается нагрузка. Требуемые структурные и/или параметрические неоднородности были получены путем специальной обработки поверхности проводящих пластин, контактирующих с водосодержашим слоем, и/или путем искусственного нанесения соответствующего материала на поверхности проводящих пластин или проводящих включений. В качестве материала наносимого на поверхности проводящих пластин, в том числе могут быть использованы углеродные нанотрубки, алмазный порошок и т.д.

Таким образом, заявляемый способ генерации электрической энергии имеет принципиальные отличия от всех известных электрохимических, электромеханических, электрокинетических и гидродинамических способов получения электрической энергии. Эти принципиальные отличия заключаются в том, что в процессе генерации электрической энергии не происходит расхода материала работающего устройства в связи с отсутствием трущихся или иным образом соприкасающихся друг с другом поверхностей деталей и узлов.

Общий случай системы, позволяющей реализовать гидроэлектрический эффект, отображен на фиг.1 в форме ячейки, включающей водосодержащий слой, который ограничен пластинами, изготовленными из инертного по отношению к воде проводящего материала, поверхность которых контактирует с водосодержащим слоем и имеет наноразмерные структурные и/или параметрические неоднородности. В том случае, когда такие пластины состоят из диэлектрика или полупроводника, они должны содержать наноразмерные токопроводящие включения, которые должны быть подключены к соответствующим электрическим контактам.

При проведении экспериментов, давших возможность реализовать гидроэлектрический эффект в конкретных устройствах, пластины, окружающие водосодержащий слой, были изготовлены из материалов, инертных по отношению к воде - углерод, кремний, стеклоуглерод, диоксид ванадия, золото, хром и некоторых других материалов, содержащих наноразмерные неоднородности в виде выступов, или впадин, или параметрических неоднородностей на поверхности пластин, контактирующих с водой. В большинстве выполненных экспериментов в качестве водосодержащего был использован слой бидистиллята воды толщиной порядка 100 микрон, а площадь контакта проводящего слоя с водой составляла примерно 1 см². На внешней нагрузке таких ячеек получены токи от единиц наноампер до единиц микроампер при напряжении порядка 10-300 милливольт. Установлено, что наноразмерные неоднородности в виде выступов или впадин или параметрических неоднородностей на проводящей поверхности пластин, контактирующих с водосодержащим слоем, могут быть выполнены из непроводящего нерастворимого в воде материала. В этом случае также имеет место структурирование водного слоя диэлектрическими наноразмерными структурными неоднородностями, приводящее к гидроэлектрическому эффекту. Однако вероятность возникновения неоднородных электрических полей в однородной водной среде, приводящих к структурированию водного слоя, оказывается существенно меньше, нежели при наличии проводящих наноразмерных структурных неоднородностей. Вследствие этого величина эффекта генерации электрической энергии водосодержащим слоем значительно снижается. Примером таких непроводящих наноструктурных и микроструктурных неоднородностей, использованных в эксперименте, являются алмазные порошки, порошки толченого стекла, порошки корунда, порошки кораллового кальция «Алка-Майн», которые равномерно распределялись по поверхности одной из пластин.

Экспериментально установлено, что обнаруженное явление генерации электрической энергии имеет место в случаях, когда слой воды содержит химические и/или механические примеси, в том числе водорастворимые соли. Эффект качественно не изменяется при концентрациях до 1%.

Экспериментально установлено также, что величины получаемой ЭДС и внутреннее сопротивление водного слоя зависят от материала, из которого изготовлены контактирующие с водой пластины, а также характера неоднородностей, имеющих место на их поверхностях, и могут отличаться на два - четыре порядка.

Установлено также, что с увеличением толщины водного слоя, находящегося в контакте с одними и теми же материалами, от нескольких нанометров до 50 мкм напряжение (величина получаемой ЭДС) и ток уменьшаются.

При проведении исследований наблюдалась стопроцентная повторяемость экспериментальных результатов при сохранении условий эксперимента.

Температурные границы существования эффекта определяются условиями существования жидкой фазы.

Разработаны и испытаны устройства, представляющие собой источник электрической энергии, состоящий из слоя чистой воды, заключенного между пластинами, изготовленными из токопроводящих инертных по отношению к воде материалов, содержащие наноразмерные неоднородности на их поверхности, контактирующей со слоем воды. При выходном напряжении от 7-15 мВ до 500 мВ они обеспечивают в электрической нагрузке ток от 5-10 нА до 6000 нА. Данные результаты получены в интервале температур 12-30°С в слоях бидистиллированной воды толщиной не более 100-300 микрон и имеющих площадь рабочей поверхности от 1 до 2 см². В экспериментах использованы нерастворимые в воде материалы - кремний монокристаллический полированный, кремний монокристаллический с микрошероховатой поверхностью, кремний пористый монокристаллический с нанопорами, стеклоуглерод полированный и стеклоуглерод с микронеоднородностями, углеродные нанотрубки, диоксидванадиевые наноструктуры.

Конструкция обычной (неэкранированной) водосодержащей мембраны представлена на Фиг.2. Нижний электрод мембраны (11) соединен с внешней электрической цепью через отрезок медного провода ПЭВ-0.05 (7), концы которого запаяны на луженые оловом пятачки. Верхний электрод (10), ограничивающий водосодержащий слой (12), представляет собой тонкую электропроводящую пластинку, выполненную из материала с нанонеоднородностями. Он отделен от нижнего электрода (11) опорой из стекловолоконной нити (14). Верхний электрод (10) контактирует с пластиной из медной фольги (13), имеющей электрическое соединение диффузно-компрессионного типа с отрезком медного провода ПЭВ-0,05 (7), через который выполнено подключение к внешней электрической цепи. Аналогичным способом с внешней цепью соединен нижний электрод.

Экранированная гидроэлектрическая ячейка (Фиг.3) представляет собой цельнометаллическую герметичную емкость цилиндрической формы (1), запаянную на время выполнения эксперимента крышечкой из листовой латуни (2) толщиной 0,3 мм, и имеет припаянный к боковой стенке отрезок тонкой (с внутренним диаметром 3,0 мм) медной трубки (9), через которую пропущена двухпроводная линия (6), предназначенная для подключения к измерительной установке.

Для измерения токов и напряжений малых величин - нано- и микропорядков - требуется высокая степень помехозащищенности, что и повлекло за собой применение в эксперименте цельнометаллических экранирующих конструкций.

Внутри корпуса (1) (Фиг.3) расположена водосодержащая мембрана (3), которая закреплена на поверхности пластины из твердого диэлектрика, например поликора (5), с металлизированными верхней и нижней поверхностями (4), электрически соединенными между собой и цельнометаллическим корпусом ячейки. При этом контакт верхней пластины мембраны (10) с лежащей на ней пластиной из медной фольги является гальваническим. В свою очередь нижняя поверхность пластины мембраны (11) закреплена на верхней поверхности металлизированной поликоровой пластины (5). Мембрана водоэлектрической ячейки соединена со входом экранированной двухпроводной линии через дроссели (7) и проходные конденсаторы (8), образующие фильтр низкой частоты. Нижний и верхний плоские электроды мембраны, контактирующие с водой, имеют отклонение от параллельности относительно друг друга, не превышающее 0,1-0,3 мкм на 2 см². Расстояние выдерживалось с помощью стекловолоконной нити калиброванного диаметра (14).

Экранированная водоэлектрическая ячейка (Фиг.3) как генератор электричества работает следующим образом. Водосодержащая мембрана (Фиг.2), расположенная внутри цельнометаллического корпуса (1) экранированной водоэлектрической ячейки (Фиг.3), вырабатывает напряжение, которое через дроссели (7) и проходные конденсаторы (8) поступает на вход двухпроводной экранированной линии. Если к выходу линии подключить нагрузку, то через нее начнет протекать электрический ток.

Как показали эксперименты, электрические параметры экранированных гидроэлектрических ячеек остаются практически неизменными в течение длительного времени (до десятков часов). Изменения в электрических параметрах ячеек начинаются практически при испарении заметного количества воды из водосодержащей мембраны. Авторами не принималось каких-либо специальных конструктивных мер по герметизации ячеек, препятствующих испарению воды из них во время работы. Этот вопрос не является принципиальным. Хорошо известно, что уже существующие в настоящее время технологии позволяют без особого труда изготовить устройства, обеспечивающие полную герметизацию водосодержащих слоев в аналогичных созданному авторами устройствах, исключающие испарение и утечку воды из работающего водного слоя.

Ячейка как генератор электричества работает следующим образом. Гидросодержащая ячейка вырабатывает напряжение, которое через дроссели и проходные конденсаторы поступает на вход двухпроводной экранированной линии. Если к выходу линии подключить нагрузку, то через нее начнет протекать электрический ток. Несколько гидросодержащих ячеек могут быть соединены между собой параллельным или последовательным способом. В первом случае это приводит к увеличению рабочего тока, во втором - к увеличению рабочего напряжения.

Для изготовления граничных электродов гидросодержащих мембран использовались следующие материалы:

- пластины монокристаллического кремния с собственной проводимостью и степенью чистоты 999,999999% с поверхностью, полированной по 14 классу;

- пластины кремния, покрытые углеродными нанотрубами диаметром от 30 до 250 ангстрем, выращенными в виде тонких пленок толщиной 0,1-0,2 микрон;

- пластины нанопористого кремния той же степени чистоты n-типа и р-типа;

- пластины стеклоуглерода полированные;

- пластины стеклоуглерода с наноразмерными неоднородностями поверхности;

- пластины стеклоуглерода с наноострийными неоднородностями, покрытыми тонкой пленкой из углеродных нанотруб;

- пластины кремния, покрытые тонкой пленкой из диоксид ванадиевых наноструктур с размерами нанозерен 100-120 нанометров в высоту и 80-100 нанометров в ширину, расположенных вплотную друг к другу на поверхности подложки;

- пластины хрома полированные; пластины хрома наношероховатые;

- пластины золота полированные и наношероховатые; пластины танталовые полированные и наношероховатые.

Для приготовления гидросодержащих ячеек использовались:

бидистиллят воды; порошки алмазные №5, №14, №28; порошки корундовые №10, №28, №40; порошок кораллового кальция Алка-Майн естественного происхождения; порошок кораллового кальция Алка-Майн искусственного происхождения; пыль стеклянная (толченое стекло с размерами частиц 5-10 мкм).

Результаты экспериментов показали, что введение в чистую воду растворимых примесей (кислот, спиртов, физраствора) даже в чрезвычайно малых концентрациях (не превышающих 1%), еще не вызывающих заметного увеличения проводимости воды (менее 10%) и возможности появления концентрационных ячеек приводит к увеличению в несколько раз гидроэлектрического эффекта.

Следует подчеркнуть, что в целях обеспечения чистоты водных слоев, воспроизводимости результатов эксперимента и повышения точности измерений во всех проведенных экспериментах в качестве пластин, заключающих между собой тонкий водосодержащий слой, использовались полностью монолитные токопроводящие пластины. И только такие пластины на поверхностях, контактирующих с водным слоем, имели в свою очередь наноразмерные структурные или параметрические неоднородности. Особенно важно то, что в данном случае отпадает необходимость в технологически трудновыполнимом объединении проводящих включений на поверхности пластин, заключающих между собой водосодержащий слой, в общую электрическую шину, поскольку использование монолитного проводящего слоя автоматически решает эту задачу.

Результаты экспериментальных исследований источников электричества на основе системы контактов наноструктурированных проводящих поверхностей с тонким водным слоем.

Ниже в таблицах 1-7 приведены результаты экспериментов.

В таблицах S - площадь пластины. В колонке таблиц «Время» последняя цифра соответствует прекращению изменения тока и напряжения.

Способ получения электрической энергии от системы контактов наноструктурированных проводящих поверхностей с тонким водным слоем и устройство для его осуществления - гидроэлектрический генератор на основе наноструктурированных материалов как источник электрической энергии предназначены для получения электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии. В основу изобретения положен тот факт, что система контактов наноструктурированных проводящих поверхностей с водным слоем толщиной от нескольких нанометров до долей миллиметра при определенных условиях становится источником электродвижущей силы (ЭДС). Изобретение обеспечивает получение электрической энергии и может найти широкое применение в различных областях науки и техники. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил. 7 табл.

1. Способ получения электрической энергии, заключающийся в том, что слой воды толщиной от единиц нанометров до долей миллиметра размещают между пластинами, которые выполняют из проводящих инертных по отношению к воде материалов с получением гидроэлектрического эффекта, подключают к проводящим пластинам внешнюю электрическую нагрузку и снимают с указанных проводящих пластин электрическую энергию, при условии, что поверхности проводящих пластин, контактирующие со слоем воды, являются наноструктурированными.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхностях проводящих пластин, контактирующих со слоем воды, выполняют наноразмерные структурные неоднородности в виде выступов и/или впадин, и/или наноразмерные параметрические неоднородности.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что, по крайней мере, одну из пластин выполняют из диэлектрика с проводящими включениями, при этом включения объединены в одну электрическую шину.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в слой воды вводят химические и/или механические примеси при концентрациях не более 1%.5. Источник электрической энергии, содержащий, по крайней мере, две проводящие пластины, расположенные с возможностью подключения к внешней нагрузке и изготовленные из инертного по отношению к воде материала, между пластинами размещен слой воды толщиной от долей миллиметра до нанометра с образованием, по крайней мере, одной изолированной гидроэлектрической ячейки, при этом поверхности пластин, контактирующие со слоем воды, наноструктурированы.6. Источник по п.5, отличающийся тем, что поверхности проводящих пластин, контактирующие со слоем воды, имеют наноразмерные структурные неоднородности в виде выступов и/или впадин, и/или наноразмерные параметрические неоднородности.7. Источник по п.5 или 6, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна из проводящих пластин выполнена из диэлектрика с проводящими включениями, при этом включения объединены в одну электрическую шину с возможностью подключения к внешней нагрузке.8. Источник по п.5 или 6, отличающийся тем, что, по крайней мере, две изолированные ячейки соединены последовательно в единую электроцепь.9. Источник по п.5 или 6, отличающийся тем, что, по крайней мере, две изолированные ячейки соединены параллельно в единую электроцепь.10. Источник по п.5 или 6, отличающийся тем, что слой воды дополнительно содержит химические и/или механические примеси при концентрациях не более 1%.11. Источник по п.5, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, три проводящие пластины, изготовленные из нерастворимого в воде материала, между которыми размещены, по крайней мере, два слоя воды.