СПОСОБ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H01M10/00 

Изобретение может быть использовано для аккумулирования электрической энергии, полученной в результате преобразования механической энергии ветра, солнечных батарей, геотермальной энергии тепловых источников и др.

Известен способ аккумулирования электрической энергии при помощи свинцовых, никель-кадмиевых и других аккумуляторов (химическим путем).

Данный способ заложен в процесс зарядки-разрядки известного свинцового аккумулятора, на токоотводы которого нанесен активный материал разнополярных электродов, разнополярные электроды разделены сепараторами, собраны в блоки, установлены в корпусе с электролитом. (RU 2050644 С1, МПК Н01М 2/18, опубл. 20.12.1995 г.).

Данный способ также заложен в процесс зарядки-разрядки известного никель-кадмиевого аккумулятора, включающего пакет электродных пластин с разделением положительного и отрицательного электродов сепараторами, установленный в аккумуляторный корпус, залитый электролитом (RU 2336605 С1, МПК Н01М 2/18, опубл. 20.10.2008 г.).

Способ аккумулирования электрической энергии при помощи указанных выше устройств основан на химическом способе аккумулирования электрической энергии. Недостатком при работе (зарядке-разрядке) данных аккумуляторов является химическое взаимодействие электродов с электролитом. В результате химического растворения одного из электродов в электролите снижается срок службы и ресурс работы аккумулятора.

Известен электрический аккумулятор, содержащий корпус, электролит, блок электродов с сепараторами в виде стержней, расположенных на расстоянии, равном толщине электродов и соединенных вверху планкой (SU 1480692 А1, МПК Н01М 2/,18, опубл. 27.12.1995 г.).

Недостатком такого аккумулятора является ограниченность срока службы и ресурса работы.

Известен свинцовый аккумулятор, принятый за прототип, содержащий блоки отрицательных и положительных электродов, разделенных между собой сепараторами и помещенных в сосуд, заполненный электролитом (RU 2325013 С1, МПК Н01М 10/06, опубл. 20.05.2008 г.). В основу его работы заложено активное химическое взаимодействие электродов с электролитом.

Недостатком данного аккумулятора является то, что химически активный электролит по отношению к электродам разрушает их с образованием неразлагаемых сульфатов на поверхности электродов. Это снижает стойкость электродов, ограничивает срок службы и ресурс работы аккумуляторов.

Целью способа аккумулирования электрической энергии и устройства для его осуществления является повышение срока службы и ресурса работы аккумулятора за счет исключения химического взаимодействия электролита и электродов и отсутствия разрушаемых за счет химических реакций электродов.

Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе аккумулирования электрической энергии в отличие от прототипа аккумулирование осуществляют нехимическим путем, для чего приготавливают тиксотропную диспергированную систему из частиц ферромагнитного материала, диспергированных в жидкой или твердой фазе немагнитного материала, помещают ее в корпус с механизмом намагничивания, создают магнитное поле, активируют тиксотропную диспергированную систему, заряжают аккмулятор до максимальной емкости.

Устройство для осуществления способа позволяет достигнуть технический результат за счет того, что включает корпус, подключенный к источнику постоянного тока, но в отличие от прототипа внутри корпуса расположены тиксотропная диспергированная система частиц из ферромагнитного материала, диспергированная в жидкой или твердой фазе немагнитного материала и механизм намагничивания, который представляет собой соленоид, подключенный к источнику постоянного тока, ось соленоида расположена параллельно горизонтальной оси корпуса.

Кроме того, в устройстве для осуществления способа в отличие от прототипа механизм намагничивания может быть выполнен в виде параллельно соединенных между собой, по крайней мере, двух соленоидов, размещенных друг над другом, причем первый и последний соленоиды подключены к источнику постоянного тока.

Из курса коллоидной химии известно, что при наложении внешнего магнитного поля в устойчивых золях, суспензиях, порошках диспергированных ферромагнитных материалов происходит структурирование ферромагнитных частиц вдоль магнитного поля. При снятии магнитного поля происходит восстановление первоначального состояния (Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. - М.: Изд-во Московского университета, 1982. - 348 с.). Структурирование и восстановление положения частиц в золях, суспензиях и порошках диспергированных ферромагнитных материалов, то есть изменение взаимного положения частиц в магнитном поле приводит к появлению эдс в замкнутом контуре соленоида, который размещен внутри этих коллоидов.

В заявляемом изобретении используется новый нехимический способ аккумулирования электрической энергии по сравнению с традиционными методами, где для аккумулирования энергии используется химическое взаимодействие электродов с электролитом.

Предлагаемый способ основан на реологических свойствах дисперсной системы, обусловленных, в частности, тем, насколько независимо одна от другой могут двигаться частицы в дисперсной среде, то есть от концентрации, взаимодействия, формы частиц. При определенных условиях частицы в дисперсной среде склонны к слипанию, то есть при малых концентрациях возникают агрегаты (флокулы) частиц.

При соударении агрегатов, а также при их проникновении в соседние слои может происходить разрушение агрегатов. Это ведет к появлению неньютоновских свойств у дисперсной системы. Таким образом, наиболее существенное влияние на реологические свойства системы оказывает взаимодействие (агрегатирование) частиц, которое препятствует их свободному переносу слоями движущейся жидкости, то есть фиксирует взаимное положение частиц. В коллоидной химии явление фиксации пространственного положения частиц за счет возникновения связей между ними называется структурированием дисперсной системы. Обратимое разрушение и восстановление связей между частицами в структурированной дисперсной системе называется тиксотропией, а сами структурированные дисперсные системы с такими свойствами - тиксотропными. Разрушение связей между частицами при потенциальном характере их взаимодействия означает удаление частиц друг от друга на определенное расстояние, что возможно сразу для всех или большинства частиц только при наличии свободного объема, то есть структурная сетка должна быть ажурной. В структурированных дисперсных системах связь частиц в сетке сильнее, чем в коллоидных растворах. При прочих равных условиях все виды сил между частицами, а следовательно, и потенциал молекулярно-электростатического парного взаимодействия частиц пропорционален радиусу частиц. Эта связь должна быть больше, так как силы сцепления частиц противостоят не только тепловому движению, но и гравитационному полю.

В процессе приготовления структурированных дисперсных систем необходимо исходить из следующего. Структурирование повышает вязкость суспензии и пропорционально ему, при перемешивании, растут напряжения в неразрешенных образованиях, что ведет к интенсивному их разрушению и дальнейшему увеличению густоты структурной сетки, а следовательно, росту вязкости, прогрессирующему разрушению образований. В связи с этим на стадии приготовления суспензии целесообразно повышение концентрации диспергируемого порошка с добавлением растворителя по мере перетирания смеси. Однородность структурированных дисперсных систем обеспечивают путем загущения дисперсной среды. В качестве загустителя используются растворы полимеров: полиизобутилен и др. Механизм действия загустителя сводится к структурированию среды. Частицы суспензии, более грубо дисперсные компоненты системы при этом пассивно вкраплены в структурированную среду, то есть могут выступать в роли активного наполнителя структурированной дисперсной системы. Введение наполнителя усиливает структурно-механические свойства системы. В этом случае частицы на структурированных дисперсных системах играют роль суспензии ферромагнитных материалов. При одинаковом размере частиц их доменная структура зависит от природы ферромагнетика. К числу таких материалов относятся гексаферрит бария ВаО 6 Fe₂O₃ и гамма окись железа g-Fe₂O₃.

Это обусловлено возможностью изменять взаимодействие между частицами и структуру системы с помощью магнитного поля, полной определенностью структуры дисперсных ферромагнетиков. Процесс намагничивания многодоменных частиц дисперсных ферромагнетиков обусловлен смещением междоменных границ внутри частицы. При этом растет размер областей, направление намагниченности которых совпадает с направлением внешнего поля, а размер других доменов соответственно уменьшатся. Если частицы однодоменны, то основную роль играет изменение направления намагниченности частицы, то есть направление ее магнитного момента. Возможность изменения ориентации частицы под влиянием действующего на частицу поля определяется тремя факторами: энергией магнитной анизотропии частицы, интенсивностью вращательной диффузии магнитного момента, структурно-механическими свойствами системы. В золях ферромагнетиков это легко выполнимо, так как намагниченность устойчивой текучести феррожидкости ограничена величиной I=(7,7-10)10⁴ А/м.

Во внешнем поле, то есть при намагничивании частиц, энергетически наиболее выгодно такое взаимное положение частиц, когда их диполи параллельны и лежат на общей прямой, проходящей через центры диполей. В золях и суспензиях это ведет к образованию цепочек, ориентированных вдоль поля. Особенность такой структуры состоит в том, что она не является сплошной, как коагуляционные сетки.

Причина структурообразования заключается, прежде всего, в полидисперсности системы. Наличие в цепочке крупной частицы создает большой магнитный поток, для насыщения которого к ней присоединяются две и большее число цепочки из мелких частиц. Анизотропия структуры при этом сохраняется, она становится трехмерной.

Следовательно, основной причиной структурообразования является магнитодипольное взаимодействие частиц ферромагнетика (Бибик Е.Е., Матыгуллин Б.Я. Магнитостатические свойства коллоидных магнетитов. Магнитная гидродинамика, - 1973. - №1. - c.68-72).

Пример. Приготовление тиксотропной диспергированной системы из частиц ферромагнитного материала диспергированных твердой фазе немагнитного материала происходит следующим образом. Магнитный порошок ВаО 6 Fe₂O₃ смешивается с жидкой основой - керосином и ПАВ - олеиновая кислота, содержание которой составляет 10-20% объема основы. После загрузки 0,2 кг/л магнитного порошка в корпус производится его помол в течение 2-3 часов.

Получившаяся после помола пудра диспергируется ультразвуком в течение 20 минут при частоте 17 кГц. В результате диаметр частиц магнитного порошка составляет 50-90 нм, концентрация 10¹⁶ г/см³.

Механизм намагничивания конструируют путем намотки медной проволоки диаметром 0,5 мм на жесткий каркас диаметром 50-60 мм, который затем удаляют. Соленоид помещают в прямоугольный корпус, который 70-80% объема заполняется приготовленной диспергированной ферромагнитной системой. После этого соленоид подключают к источнику постоянного тока напряжением 10-12 В, сила тока 1,2 А и создается магнитное поле Н=(5-6)10^-5 А/м. Получившаяся в результате кривая намагничивания соответствует насыщению при Н=6·10^-4 А/м. Этому значению поля соответствует намагниченность насыщения. В течение времени, равном 200 сек, происходит изменение удельной восприимчивости от 1,8 до 0,6 и объема от 20 до 15 см³. Таким образом, в течение 3-4 минут среднее число соседних частиц в тиксотропной диспергированной системе увеличивается более двух, что достаточно для образования объемной сетки из ферромагнитных частиц в объеме суспензии внутри соленоида. Таким образом, происходит зарядка аккумулятора.

Для реализации способа предлагается устройство, включающее корпус, источник постоянного тока, внутри корпуса залита или засыпана тиксотропная диспергированная система частиц из ферромагнитного материала, диспергированная в жидкой или твердой фазе немагнитного материала, установленный внутри корпуса механизм намагничивания, который представляет собой соленоид, ось которого расположена вдоль горизонтальной оси корпуса, параллельно его нижней части, причем соленоид подключен к источнику постоянного тока.

Кроме того, для реализации способа предлагается устройство, в котором механизм намагничивания выполнен в виде последовательно соединенных между собой по крайней мере двух соленоидов, размещенных друг на другом параллельно нижней части корпуса, причем первый и последний соленоиды подключены к источнику постоянного тока.

На фиг.1 схематично изображен общий вид аккумулятора, на фиг.2 - аккумулятор при зарядке, на фиг.3 - аккумулятор при разрядке.

На фиг.1, 2, 3 обозначены: 1 - корпус, 2 - механизм намагничивания в виде соленоида, 3 - тиксотропная диспергированная система частиц из ферромагнитного материала, 4 - крышка корпуса, 5 - упоры.

Работа аккумулятора (зарядка-разрядка) осуществляется следующим образом.

Открытый корпус 1 (фиг.1 и фиг.2) на 70-80% объема заполняется приготовленной диспергированной ферромагнитной системой. Затем в него опускают механизм намагничивания - соленоид 2, который закрепляется на крышке 4 с помощью упоров 5. После этого соленоид подключают к источнику постоянного тока напряжением 10-12 В, сила тока 1,2 А и создается магнитное поле Н=6·10^-5 А/м. В результате активации тиксотропной диспергированной ферромагнитной системы происходит структурирование системы вдоль направления напряженности магнитного поля соленоида, то есть происходит зарядка аккумулятора.

При отключении аккумулятора (фиг.3) от источника постоянного тока происходит процесс размагничивания тиксотропной диспергированной ферромагнитной системы. При отключении аккумулятора от источника постоянного тока намагниченность ферромагнитных частиц снижается, в результате тиксотропных свойств система приходит в первоначальное неструктурированное состояние, то есть происходит движение ферромагнитных частиц в соленоиде в обратном направлении. При этом в соленоиде 2 индуцируется эдс обратного направления, ток идет в обратном направлении. В этом случае аккумулятор разряжается.

Работа механизма намагничивания в виде параллельно соединенных между собой, по крайней мере, двух соленоидов, размещенных друг над другом, когда первый и последний соленоиды подключены к источнику постоянного тока происходит следующим образом. При зарядке аккумулятора к источнику постоянного тока подключаются последовательно соединенные между собой соленоиды, помещенные в диспергированную ферромагнитную систему. Каждый из соленоидов самостоятельно активирует ферромагнитную систему, а при их параллельном соединении емкость аккумулятора суммируется. При разрядке процессы происходят в противоположном направлении.

Так как в заявляемом аккумуляторе отсутствуют химические процессы, то срок службы аккумулятора практически не ограничен.

В традиционных оксидно-никелевых и оксидно-кадмиевых аккумуляторах при емкости 60-73 А/ч, количество циклов зарядки-разрядки 7200-10600, время наработки от 6 до 8 месяцев.

Изобретение относится к аккумулированию электрической энергии, полученной в результате преобразования механической энергии ветра, солнечных батарей, геотермальной энергии тепловых источников и др. Технический результат заключается в повышении срока службы и ресурса работы аккумулятора за счет исключения химического взаимодействия электролита и электродов и отсутствия разрушаемых химическим путем электродов. Способ аккумулирования электрической энергии заключается в том, что аккумулирование осуществляют нехимическим путем, для чего приготавливают тиксотропную диспергированную систему из частиц ферромагнитного материала, диспергированных в жидкой или твердой фазе немагнитного материала, помещают ее в корпус с механизмом намагничивания, создают магнитное поле, активируют тиксотропную диспергированную систему, заряжают аккмулятор до максимальной емкости. Устройство для осуществления способа включет корпус, подключенный к источнику постоянного тока, внутри корпуса расположены тиксотропная диспергированная система частиц из ферромагнитного материала, диспергированная в жидкой или твердой фазе немагнитного материала, и механизм намагничивания, который представляет собой соленоид, подключенный к источнику постоянного тока, ось соленоида расположена параллельно горизонтальной оси корпуса. Кроме того, устройство для осуществления способа включает механизм намагничивания, который выполнен в виде параллельно соединенных между собой, по крайней мере, двух соленоидов, размещенных друг над другом, причем первый и последний соленоиды подключены к источнику постоянного тока. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ аккумулирования электрической энергии, отличающийся тем, что аккумулирование осуществляют нехимическим путем, для чего приготавливают тиксотропную диспергированную систему из частиц ферромагнитного материала, диспергированных в жидкой или твердой фазе немагнитного материала, помещают ее в корпус с механизмом намагничивания, создают магнитное поле, активируют тиксотропную диспергированную систему, заряжают аккмулятор до максимальной емкости.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее корпус, подключенный к источнику постоянного тока, отличающееся тем, что внутри корпуса расположены тиксотропная диспергированная система частиц из ферромагнитного материала, диспергированная в жидкой или твердой фазе немагнитного материала, и механизм намагничивания, который представляет собой соленоид, подключенный к источнику постоянного тока, ось соленоида расположена параллельно горизонтальной оси корпуса.

3. Устройство для осуществления способа по п.2, отличающееся тем, что механизм намагничивания выполнен в виде параллельно соединенных между собой, по крайней мере, двух соленоидов, размещенных друг над другом, причем первый и последний соленоиды подключены к источнику постоянного тока.