СТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2011 года по МПК H02N1/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для получения электроэнергии.

Наряду с широко применяемыми традиционными промышленными генераторами получения электроэнергии известны менее распространенные, в которых используется энергия химических реакций, тепловая энергия, энергия магнитного поля и т.д.

Известен конденсатор с зарядовым устройством (см. заявка RU 95106327, МПК Н01G 4/12, опубл. 1997.02.20). Конденсатор содержит корпус, в котором заключены пакеты пластин одного и другого знака, вставленные друг в друга и разделенные слоем сегнетоэлектрика. Конденсатор выполнен в виде нескольких секций, каждая из которых имеет в нижней торцевой части зарядовую пластину, отделенную от других пластин слоем такого же сегнетоэлектрика, причем все зарядовые пластины соединены между собой проводником и подключены к дополнительному выводу. Известное устройство представляет собой модернизированный конденсатор в котором зарядовая пластина выполнена из металла.

Однако в случае применения известного конденсатора в качестве статического генератора постоянного электрического тока необходима постоянная зарядка зарядовых пластин внешним дополнительным источником питания.

Известно устройство для получения электрической энергии, в котором используется внутренняя энергия активных диэлектриков - сегнетоэлектриков и электретов (см. патент на полезную модель UA №34582, МПК 6 Н01J 45/00, опубл. 2008.08.11).

Известно устройство для получения электрической энергии, включающее корпус с пакетами пластин обоих знаков, разделенных слоем сегнетоэлектрика и оборудованных зарядовой пластиной, отделенной от остальных слоем сегнетоэлектрика, при этом зарядовая пластина выполнена из биполярного электрета, например из политетрафторэтилена, поликарбоната, титаната кальция, стекла и др., а в качестве сегнетоэлектрика используется стабилизированный монокристаллический сегнетоэлектрик, например титанат бария, поливинилиденфторид, триглицинсульфат, сегнетовая соль, дигидрофосфат калия, ниобат лития, фторберилат аммония и др., при этом пакет пластин включат минимально один элемент, который состоит из одного электрета, двух пластин сегнетоэлектрика и двух металлических пластин, при этом все слои плотно прилегают друг к другу и размещены в следующей последовательности: металлическая пластина-сегнетоэлектрик-электрет-сегнетоэлектрик-металлическая пластина, а при наличие в пакете больше одного элемента они чередуются таким образом, что каждый последующий элемент размещается по отношению к предыдущему, прилегая одноименными зарядами проводниковой части.

Для успешной работы известного устройства необходима упорядоченная поляризация спонтанно поляризующихся сегнетоэлектриков. Такая поляризация происходит в известном устройстве под действием постоянного электромагнитного поля, которое создается зарядовыми пластинами, роль которых исполняют электреты.

Недостатками известного устройства являются малая продолжительность жизни электретов, низкая их стабильность в процессе эксплуатации, а также сложность изготовления электретов и, естественно, их высокая себестоимость.

Известное устройство выбрано прототипом. Прототип и заявляемое устройство имеют следующие общие признаки:

- корпус с пакетом электропроводных пластин обоих знаков, которые разделены слоем стабилизированного монокристаллического сегнетоэлектрика;

- пакет пластин включает минимально одну элементарную ячейку, состоящую из одного сегнетоэлектрика и двух металлических пластин.

Известно, что в разных металлах концентрация свободных электронов различна, при этом при тесном их соприкосновении всегда происходит переход части электронов с поверхности одного из них на поверхность другого. Вследствие этого между этими металлами создается разность потенциалов.

Известно, что чем дальше друг от друга располагаются оба соприкасающихся металла в приведенном ниже ряду (положительно заряжается стоящий левее металл), тем напряжение больше (см. Б.В.Некрасов. Основы общей химии. М.: Химия, 1973, т.2, стр.383). Термоэлектрический ряд металлов

Sb Fe Mo Cd W Сu Zn Au Ag Pb Sn Mg Al Hg Pt Pd Ni Bi

Описанное выше явление присуще не только для всех чистых металлов, но и для их сплавов - проводников электричества, например таких широко известных и применяемых, как хромель, алюмель, копель и т.д. (см. Советский энциклопедический словарь, издательство «Советская энциклопедия», Москва, 1982, стр.46, 634, 1473).

Если между парой разнородных проводников, имеющих значительную разницу концентраций свободных электронов, поместить слой активного диэлектрика, например сегнетоэлектрика, происходит упорядочивание его поляризации в направлении силовых линий взаимодействия электронно-магнитных полей пары разнородных проводников.

Таким образом, пара разнородных проводников, имеющих значительную разницу концентраций свободных электронов, будет обеспечивать наличие постоянного электромагнитного поля для упорядочивания спонтанной поляризации сегнетоэлектрика. При замыкании внешней электрической цепи возникает электрический ток, мощность которого зависит от величины суммарного внутреннего сопротивления, рабочей площади контакта сегнетоэлектрика с проводниками, степени поляризации сегнетоэлектрика, природы самого сегнетоэлектрика и природы пары проводников, а также от электрической емкости системы в целом. Известно, что даже наиболее долгоживущие электреты (до ста лет) по своей стабильности и долговечности в десятки раз уступают любой паре проводников.

В заявляемом устройстве нет движущихся составляющих, таким образом генератор электрической энергии является статическим.

В основу изобретения поставлена задача создания устройства для получения электрической энергии за счет утилизации внутренней энергии используемых веществ.

Поставленная задача решается в статическом генераторе электрической энергии, включающем корпус с пакетом металлических пластин обоих знаков, разделенных слоем стабилизированного монокристаллического сегнетоэлектрика, при этом в пакете все слои плотно прилегают друг к другу тем, что металлические пластины выполнены из разнородных проводников с различной концентрацией свободных электронов: двух различных металлов, например сурьма-висмут, железо-никель, титан-алюминий, или различных сплавов, например хромель-алюмель, хромель-копель, или комбинации металла и сплава, например железо-копель, сурьма-алюмель, висмут-хромель, при этом пакет пластин включат минимально одну элементарную ячейку, которая состоит из одного сегнетоэлектрика и двух разнородных проводников, которые размещены в следующей последовательности: проводник - сегнетоэлектрик - проводник, а при наличии в пакете больше одной элементарной ячейки они подключены к источнику потребления электрической энергии последовательно, или параллельно, или комбинированно - несколько элементарных ячеек подключены последовательно, а несколько элементарных ячеек подключены параллельно.

Новым в заявляемом устройстве является то, что металлические пластины выполнены из разнородных проводников с различной концентрацией свободных электронов: двух различных металлов, например сурьма-висмут, железо-никель, титан-алюминий, или различных сплавов, например хромель-алюмель, хромель-копель, или комбинации металла и сплава, например железо-копель, сурьма-алюмель, висмут-хромель, при этом пакет пластин включат минимально одну элементарную ячейку, которая состоит из одного сегнетоэлектрика и двух разнородных проводников, которые размещены в следующей последовательности: проводник-сегнетоэлектрик-проводник, а при наличии в пакете больше одной элементарной ячейки они подключены к источнику потребления электрической энергии последовательно, или параллельно, или комбинированно - несколько элементарных ячеек подключены последовательно, а несколько элементарных ячеек подключены параллельно.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных отличий и достигаемым техническим результатом состоит в следующем:

- использование в одной элементарной ячейке разнородных проводников со значительной разницей концентраций свободных электронов, между которыми помещен стабилизированный монокристаллический сегнетоэлектрик, позволяет обеспечить наличие постоянного электромагнитного поля, необходимого для упорядочивания спонтанной поляризации сегнетоэлектрика. Экспериментально установлены пары проводников, позволяющие обеспечить столь необходимое упорядочивающее электромагнитное поле.

При наличии в пакете больше одной элементарной ячейки они подключаются к источнику потребления электрической энергии как последовательно, так и параллельно, в зависимости от преследуемой цели.

Во всех случаях происходит увеличение электрической мощности пакета. Однако при последовательном их соединении рост мощности происходит за счет повышения электрического напряжения, а при параллельном соединении рост мощности происходит за счет роста электрического тока. Комбинация соединений элементарных ячеек резко расширяет конструктивные возможности при проектировании и изготовлении статических генераторов электрической энергии с заданными вольтамперными характеристиками.

Статический генератор электрической энергии, состоящий минимально из одной элементарной ячейки, приведен на фиг.1. Статический генератор электрической энергии состоит из корпуса 1, внутри которого размещена пара проводников 2, выполненных из разнородных проводников с различной концентрацией свободных электронов, между которыми размещен сегнетоэлектрик 3, через изоляторы 4 проводники 2 подключены к потребителю энергии.

На фиг.2 приведен внешний вид статического генератора электрической энергии, состоящего из четырех элементарных ячеек, соединенных последовательно.

На фиг.3 приведен внешний вид статического генератора электрической энергии, состоящего из семи элементарных ячеек, соединенных параллельно.

На фиг.4 приведен внешний вид статического генератора электрической энергии, состоящего из пяти элементарных ячеек, имеющих смешанное соединение.

В качестве примеров материалов, которые используют для изготовления пар металлических пластин, приведены следующие металлы и сплавы;

сурьма-висмут

железо-никель

титан-алюминий

хромель-алюмель

хромель-копель

железо-копель

сурьма-алюмель

хромель-висмут,

при этом в качестве сегнетоэлектрика используют титанат бария, точка Кюри°С (Т_к) - 120, максимальная спонтанная поляризация (P_s) мкКл/м² - 300.

Элементарную ячейку изготавливают путем последовательного вакуумного напыления на антиадгезионную подложку площадью 1 дм² и 0,25 дм². Слои проводников формируют толщиной 9-10 мкм, слой сегнетоэлектрика формируют толщиной менее 1 мкм, обеспечивая сплошное беспористое равномерное покрытие.

Пример 1.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из сурьмы и висмута.

На полированную фторопластовую подложку, обработанную полиметилсилоксаном, накладывают шаблон заданной площади (1 дм² или 0,25 дм²) и напыляют слой сурьмы толщиной 9-10 мкм. Шаблон убирают и напыляют следующий слой титаната бария, обеспечивая сплошное беспористое равномерное покрытие толщиной до 1 мкм. Затем возвращают шаблон на прежнее место и напыляют слой висмута толщиной 9-10 мкм. Шаблон убирают и с помощью вакуумной присоски отделяют готовый элемент от подложки. С помощью диэтилового эфира удаляют следы полиметилсилоксана с поверхности слоя из сурьмы, а остатки диэтилового эфира удаляют обдувом сухим воздухом. Затем помещают элементарную ячейку между клеммами, изготовленными из сурьмы и висмута соответственно. Полученный статический генератор электрической энергии подключают к потребителю энергии.

Пример 2.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из железа и никеля.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо сурьмы использовали железо, а вместо висмута - никель.

Пример 3.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из титана и алюминия.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо сурьмы использовали титан, а вместо висмута - алюминий.

Пример 4.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из хромеля и алюмели.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо сурьмы использовали хромель, а вместо висмута - алюмель.

Пример 5.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из хромеля и копели.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо сурьмы использовали хромель, а вместо висмута - копель.

Пример 6.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из железа и копели.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо сурьмы использовали железо, а вместо висмута - копель.

Пример 7.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из сурьмы и алюмели.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо висмута использовали алюмель.

Пример 8.

Изготовление элементарной ячейки, проводниковые слои которой выполнены из висмута и хромеля.

Элементарная ячейка изготовлена по методике, описанной в примере 1, при этом вместо сурьмы использовали хромель.

В таблице 1 представлена зависимость величины электрической мощности (мВт), а также величин напряжения (В) и электрического тока (мА) одной элементарной ячейки при внешней нагрузке в 1000 Ом от материалов, из которых изготовлена пара проводников, и их площади (дм²).

Изучалась длительность работы каждой пары металлических пластин, входящей в состав одной элементарной ячейки. В интервале температур - 20°С+110°С каждая элементарная ячейка непрерывно работает на протяжении более 18000 часов.

В таблице 2 представлена зависимость величин электрической мощности (мВт), напряжения (В)и величины тока (мА) пакета, состоящего из десяти последовательно соединенных элементарных ячеек, при внешней нагрузке в 1000 Ом от материалов, из которых изготовлена каждая пара проводников, и их площади.

Изучалась длительность работы каждой пары проводников, входящих в состав десяти элементарных ячеек. В интервале температур - 20°С+110°С каждый пакет из десяти последовательно соединенных элементарных ячеек непрерывно работает на протяжении более 18000 часов.

В таблице 3 представлена зависимость величин электрической мощности (мВт), напряжения (В)и величины тока (млА) пакета, состоящего из десяти параллельно соединенных элементарных ячеек, от материалов, из которых изготовлена пара проводников при внешней нагрузке в 1000 Ом и площади проводников.

Изучалась длительность работы каждой пары проводников, входящих в состав десяти элементарных ячеек. В интервале температур - 20°С+110°С каждый пакет из десяти параллельно соединенных элементарных ячеек при внешней нагрузке в 1000 Ом непрерывно работает на протяжении более 18000 часов.

Примеры зависимости величины мощности, напряжения и тока от геометрических параметров и материала проводников и принципа сборки пакетов в статическом генераторе электрической энергии приведены в таблицах 1-3.

Как видно из приведенных таблиц (см. таблицы 1, 2, 3), при использовании пары проводников сурьма-висмут и сегнетоэлектрика титаната бария мощность одной элементарной ячейки при рабочих площадях 1,00 дм² и 0,25 дм² составляет 1,268 и 0,301 мВт соответственно. Мощности пакета из десяти элементарных ячеек при этих же рабочих площадях, подключенных последовательно и параллельно, составляют 18,97/4,514 мВт и 18,91/4,515 мВт соответственно. Такой генератор работает в интервале температур - 20°С+110°С более 18000 часов.

Заявляемый статический генератор электрической энергии может найти применение в электротехнике в качестве автономного источника электропитания. По сравнению с известными заявляемый генератор конструктивно прост и позволяет получать электрическую энергию, используя внутреннюю энергию материалов, использованных при его изготовлении.

Таблица1 Материал пары проводников 1,00 дм² 0,25 дм² Мощность, мВт, ячейка 1 дм² Напряжение, В, ячейка 1 дм² Ток, мА, ячейка 1 дм² Мощность, мВт, ячейка 0,25 дм² Напряжение, В, ячейка0.25 дм² Ток, мА, ячейка 0,25 дм² Сурьма-висмут 1,268 1,126 1,127 0,301 1,121 0,269 Железо-никель 1,129 1,062 1,063 0,268 1,055 0,254 Титан алюминий 1,090 1,044 1,045 0,260 1,030 0,252 Хромель-алюмель 1,115 1,055 1,056 0,265 1,041 0,255 Хромель-копель 0.993 0,996 0,997 0,236 0,989 0,239 Железо-копель 1,100 1,048 1,049 0,261 1,094 0,240 Сурьма-алюмель 1,120 1,058 1,059 0,267 1,116 0,239 Хромель-висмут 1,236 1,112 1,111 0,294 1,130 0,260

Таблица 2 Материал пары проводников 1,00 дм² 0,25 дм² Мощность, мВт, ячейка 1 дм² Напряжение, В, ячейка 1 дм² Ток, мА, ячейка 1 дм² Мощность, мВт, ячейка 0,25 дм² Напряжение, В, ячейка 0,25 дм² Ток, мА, ячейка 0,25 дм² Сурьма-висмут 18,970 16,80 1,129 4,514 16,78 0,269 Железо-никель 17,870 16,32 1,095 4,138 16,29 0,255 Титан-алюминий 15,670 14,90 1,052 3,742 14,85 0,252 Хромель-алюмель 17,050 15,73 1,084 4,019 15,70 0,256 Хромель-копель 12,700 12,55 1,012 2,988 12,50 0,239 Железо-копель 16,120 15,21 1,060 3,651 15,15 0,241 Сурьма-алюмель 14,890 15,95 1,071 3,802 15,91 0,239 Хромель-висмут 17,790 16,50 1,078 4,299 16,47 0,261

Таблица 3 Материал пары проводников 1,00 дм² 0,25 дм² Мощность, мВт, ячейка 1 дм² Напряжение, В, ячейка 1 дм² Ток, мА, ячейка 1 дм² Мощность, мВт ячейка 0,25 дм² Напряжение, В, ячейка 0,25 дм² Ток, мА, ячейка 0,25 дм² Сурьма-висмут 18,91 1,1270 16,78 4,515 1,126 4,009 Железо-никель 17,85 1,064 16,78 4,139 1,062 3,900 Титан-алюминий 15,66 1,045 14,99 3,742 1,044 3,584 Хромель-алюмель 17,03 1,056 16,13 4,020 1,056 3,807 Хромель-копель 12,71 1,000 12,71 2,989 0,998 2,995 Железо-копель 16,11 1,050 15,34 3,650 1,094 3,336 Сурьма-алюмель 14,90 1,059 14,07 3,800 1,116 3,405 Хромель-висмут 17,76 1,114 15,94 4,229 1,130 3,742

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для получения электроэнергии. Статический генератор электрической энергии включает корпус с пакетом металлических пластин обоих знаков, разделенных слоем стабилизированного монокристаллического сегнетоэлектрика, при этом в пакете все слои плотно прилегают друг к другу. Согласно изобретению металлические пластины выполнены из разнородных проводников с различной концентрацией свободных электронов: двух различных металлов, например сурьма-висмут, железо-никель, титан-алюминий; различных сплавов, например хромель-алюмель, хромель-копель; комбинации металла и сплава, например железо-копель, сурьма-алюмель, висмут-хромель, при этом пакет пластин включает минимально одну элементарную ячейку, которая состоит из одного сегнетоэлектрика и двух разнородных проводников, которые размещены в следующей последовательности: проводник - сегнетоэлектрик - проводник, а при наличии в пакете больше одной элементарной ячейки они подключены к источнику потребления электрической энергии последовательно, или параллельно, или комбинированно - несколько элементарных ячеек подключены последовательно, а несколько элементарных ячеек подключены параллельно. Техническим результатом является простота конструкции, увеличение электрической мощности. 4 ил., 3 табл.

Статический генератор электрической энергии, включающий корпус с пакетом металлических пластин обоих знаков, разделенных слоем стабилизированного монокристаллического сегнетоэлектрика, при этом в пакете все слои плотно прилегают друг к другу, отличающийся тем, что металлические пластины выполнены из разнородных проводников с различной концентрацией свободных электронов: двух различных металлов, например сурьма-висмут, железо-никель, титан-алюминий, или различных сплавов, например хромель-алюмель, хромель-копель, или комбинации металла и сплава, например железо-копель, сурьма-алюмель, висмут-хромель, при этом пакет пластин включат минимально одну элементарную ячейку, которая состоит из одного сегнетоэлектрика и двух разнородных проводников которые размещены в следующей последовательности: проводник - сегнетоэлектрик - проводник, а при наличии в пакете больше одной элементарной ячейки они подключены к источнику потребления электрической энергии последовательно, или параллельно, или комбинированно - несколько элементарных ячеек подключены последовательно, а несколько элементарных ячеек подключены параллельно.