Високоємний накопичувач електроенергії

Реферат: Винахід належить до високоємних накопичувачів електроенергії та може бути використаний в різних галузях промисловості. Високоємний накопичувач електроенергії, згідно з винаходом, всередині посудини містить активну масу з листового металевого матеріалу, згорнутого в рулон, із нанесеним принаймні на одну із його поверхонь аморфного кремнію із розвиненою структурою, початок якого з'єднують з позитивним низькоомним металевим стрижнем, а кінець рулону з'єднують з негативним металевим електродом. Аморфний кремній із розвиненою UA 102119 C2 (12) UA 102119 C2 шершавою та/або губчастою структурою може бути нанесений на листовий матеріал із обох сторін. Активна маса всередині посудини може мати вигляд пластин, з'єднаних між собою послідовно або паралельно. Листовий матеріал та/або посудина можуть бути металевими. Технічним результатом винаходу є підвищення ємності, потужності та зменшення собівартості. UA 102119 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Винахід належить до високоємних нагромаджувачів електроенергії та може бути використаний в різних галузях промисловості. В зв'язку з дефіцитом енергоносіїв надзвичайно актуальним завданням є пошук нових нагромаджувачів електроенергії. Відомі різні нагромаджувані електроенергії, в основному з використанням електролітів [1-3]. Відомий нагромаджувач електроенергії [4], вибраний як прототип, який містить два розділені сепаратором електроди із активованого вуглецевого матеріалу в водному електроліті, причому в активований вуглецевий матеріал інжектовано ербій. Однак, і аналоги і прототип мають малу ємність, недостатню потужність та шкідливі для здоров'я обслуговуючого персоналу. Так, наприклад, в свинцево-кислотних акумуляторах свинець, при взаємодії з електролітом, є отруйним, має малу механічну міцність, активна маса його легко висипається із пластин. В сріблоцинкових акумуляторах позитивний електрод виготовляють, як правило, із порошку 2 срібла, який пресують на каркас із срібного дроту під тиском 460 кг/см . Негативний електрод виготовляють із цинку, а електроліт готують із хімічно чистого їдкого калію, який адсорбується в порах активної маси. Як правило, для сепарації застосовують гідратно-целюлозну плівку, якою обмотують негативний електрод. Для захисту від окиснення позитивного електрода його обмотують капроновою тканиною. Указана сепарація не дає можливості проникнути колоїдним частинкам срібла від позитивного електрода до негативного. Однак, з часом відбувається поступове хімічне руйнування сепараторної плівки і ємність нагромаджувача електроенергії падає. В основу винаходу поставлено задачу значно підвищити ємність та потужність нагромаджувача електроенергії, знизити його собівартість. Поставлена задача вирішується тим, що високоємний нагромаджувач електроенергії, згідно з винаходом, всередині посудини містить активну масу з тонкого листового матеріалу, згорнутого в рулон, із нанесеним принаймні на одну із його поверхонь аморфного кремнію із розвиненою структурою, початок якого з'єднують з позитивним низькоомним металевим стрижнем, а кінець рулону з'єднують з негативним металевим електродом. Аморфний кремній із розвиненою шершавою та/або губчастою структурою може бути нанесений на листовий матеріал із обох сторін. Активна маса всередині посудини може мати вигляд пластин, з'єднаних між собою послідовно або паралельно. Листовий матеріал та/або посудина можуть бути металевими. Високоємний нагромаджувач електроенергії працює таким чином. При підключенні нагромаджувача до джерела електричної енергії відбувається зустрічний рух електронів і «дирок», які переміщуються під дією зовнішнього поля із аморфного кремнію до області р-n переходу (кремній-метал), збільшуючи число рухомих носіїв струму на клемах нагромаджувача. Опір контактної поверхні при цьому зменшується і електричний струм проходить через р-n перехід, заряджаючи нагромаджувач енергією. В контактній поверхні із сторони аморфного кремнію буде позитивний (+) заряд, а із сторони металевої плівки - негативний (-) заряд. В зв'язку з малою концентрацією електронів в кремнії, в 15 -3 22 -3 порівнянні з металевою плівкою (10 см замість 10 см ), товщина контактного шару на межі 4 металева плівка - кремнієва плівка приблизно в 10 раз більша, ніж в металевій плівці. Відомо, що ємність нагромаджувача прямо пропорційна площі активної маси. Тому при розвиненій шершавій та/або губчастій поверхні кремнієвої аморфної плівки площа активної маси збільшується і, відповідно, ємність нагромаджувача також збільшується. Після відключення нагромаджувача електроенергії від джерела зовнішньої електричної енергії проводять контроль та установлюють величину віддачі нагромаджувача по ємності і енергії. Віддачу по ємності визначають у відсотках: C  Cрозр / Сзар  100 , де: С - віддача нагромаджувана по ємності, %; Срозр - кількість ампер-годин, одержаних від нагромаджувача при контрольному розряді; 55 Сзар. - кількість ампер-годин, відданих нагромаджувачу при контрольному заряді. Віддача нагромаджувача по енергії (к.к.д.) є відношення кількості ват-годин, одержаних від нагромаджувача при контрольному розряді, до кількості ват-годин, даних нагромаджувачу при контрольному заряді.   Срозр.  Ucp.розр. / Сср. зар.  100 де: 1 UA 102119 C2  - віддача нагромаджувача по енергії, %; Ucp.розр . - середня напруга нагромаджувача при контрольному розряді; Сср. зар. - середня напруга нагромаджувача при контрольному заряді. 5 10 15 20 25 Якщо віддача по ємності не менше 84 %, а віддача по енергії не менше 65 %, то можна вважати, що нагромаджувач електроенергії придатний до експлуатації. Після контрольного розряду і контрольного заряду перевіряється опір ізоляції нагромаджувача. Величину опору ізоляції нагромаджувача визначають по формулі: ' Rіз.  [U /(U1  U1 )  1]  Zв , де: Rіз. - опір ізоляції, ом; U - показник вольтметра, в; U1 - показник вольтметра при включенні між плюсом і землею, в; ' U1 - показник вольтметра при включенні між мінусом і землею, в; Z в - опір вольтметра, ом. Виміри проводять при відключеному зарядному джерелу електроенергії. Опір ізоляції нагромаджувача напругою до 220 в повинний бути не менше 100 000 ом. Чим краща ізоляція нагромаджувача, тим менша сума напруг між його полюсами і землею. В ідеальному випадку, сума цих напруг може дорівнювати нулю. Напругу на контактах нагромаджувача електроенергії Uн.е. , коли він її віддає в зовнішній ланцюг, визначають по формулі: Uн.е.  E  E , де: E  i E  - потенціали позитивного і негативного полюсів. Корисну енергію нагромаджувача в ват-годинах або кіловат-годинах визначають по формулі: Wн  Uр.ср.  Ip. cp.  t де: Wн - енергія, віддана нагромаджувачем при розряді, ват-год.; Uр.ср. - середня напруга при розряді, в; Ip. cp. - середня сила струму, а; 30 35 40 45 50 55 t - час розряду, год. Фізичні явища в заявленому нагромаджувачі аналізуються з точки зору зонної теорії без математичних викладок, щоб спростити опис винаходу. Згідно з зонною теорією квантової фізики твердих тіл перехід електрона із валентної зони кремнію в зону провідності означає, що ковалентні зв'язки в атомах аморфного кремнію порушуються. Який-небудь із валентних електронів одного із атомів в сітці залишає своє місце. В залишеному ним місці появляється надлишок позитивного заряду. Це означає, що в валентній зоні кремнію з'являється вільний енергетичний рівень. Позитивна «дирка» поводить себе як позитивний заряд, рівний по величині заряду електрона. На звільнене електроном місце («дирку») може переміститися другий електрон, а це рівнозначно переміщенню позитивної «дирки» - вона появляється в новому місці, звідки вийшов електрон. В зовнішньому електричному полі електрони по активній масі рухаються в сторону, протилежну напрямку напруженості електричного поля. Позитивні «дирки» переміщуються в напрямку напруженості електричного поля, тобто в ту сторону, куди під дією електричного поля переміщувався б позитивний заряд. Таким чином, нагромадження електроенергії відбувається при незначних витратах на рекомбінацію носіїв зарядів. Конструктивно заявлений винахід має вигляд акумулятора у різних модифікаціях. Запропонований винахід дозволяє одержати нагромаджувач електроенергії з підвищеними ємністю, потужністю та зменшеною собівартістю. Таким чином, наведені дані підтверджують досягнення технічного результату при здійсненні заявленого винаходу. Джерела інформації 1. Пионтковский В.А. Эксплуатация электрических аккумуляторов на предприятиях электросвязи. - М.: Связь, 1969. 2. Грачев К.Я. Щелочные аккумуляторы. Госэнергоиздат, 1951. 3. Романов В.В. Серебряно-цинковые аккумуляторы. Изд-во МО СССР, 1969. 2 UA 102119 C2 4. Патент України № 80764, 2007. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 1. Накопичувач електроенергії, що містить посудину, в якій розташовані позитивний та негативний електроди та активна маса, який відрізняється тим, що активна маса складається зі з'єднаного з негативним електродом листового металевого матеріалу, принаймні на одну з поверхонь якого нанесено аморфний кремній з розвинутою структурою, при цьому активна маса має вигляд рулону, що огорнутий навколо позитивного електрода або має вигляд пластин, що з'єднані між собою, а позитивний електрод знаходиться у контакті з кремнієм. 2. Накопичувач за п. 1, який відрізняється тим, що структура аморфного кремнію є шершавою або губчастою і він нанесений на листовий матеріал з двох сторін. 3. Накопичувач за будь-яким з пп. 1 або 2, який відрізняється тим, що пластини з'єднані між собою послідовно або паралельно. 4. Накопичувач за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що посудина виконана металевою. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3