Статичний генератор електричної енергії

Статичний генератор електричної енергії, що містить корпус з пакетом металевих пластин обох знаків, які відокремлені шаром стабілізованого C2 2 (19) 1 3 85360 поліетилентерефталату, полікарбонату, титанату кальцію, скла, ситалу і ін., а як сегнетоелектрик використовують стабілізований монокристалічний сегнетоелектрик, наприклад, титанат барію, полівініліденфторид, триглицинсульфат, сегнетову сіль, дигідрофосфат калію, ніобат літію, фторберилат амонію і ін., при цьому пакет пластин містить мінімально один елемент, який складається з одного електрету, двох пластин сегнетоелектрика і двох металевих пластин, усі вони щільно прилягають один до одного і розміщені в наступній послідовності: металева пластина - сегнетоелектрикелектрет-сегнетоелектрик-металева пластина, а при наявності в пакеті більше одного елемента вони чергуються таким чином, що кожний наступний елемент розташовується по відношенню до попереднього, прилягаючи однойменними зарядами металевих пластин. Для успішної роботи відомого пристрою необхідна впорядкована поляризація сегнетоелектриков. Така поляризація відбувається у відомому пристрої під дією постійного електромагнітного поля, яке створюється зарядовими пластинами, роль яких виконують електрети. Недоліком відомого пристрою є мала тривалість життя електретов, низька їх стабільність в процесі експлуатації, а також складність виготовлення електретов та їх висока собівартість. Відомий пристрій вибраний прототипом. Прототип і пристрій, що заявляється, мають такі спільні ознаки: - наявність корпусу, усередині якого розташовані пакети пластин обох знаків, які розділені шаром стабілізованого монокристалічного сегнетоелектрика; - пакет пластин включає мінімально один елемент, який складається з одного сегнетоелектрика та дво х металевих пластин. Відомо, що в різних металах концентрація вільних електронів різна, при цьому при тісному їх зіткненні завжди відбувається перехід частки електронів з поверхні одного з них на поверхню іншого. Внаслідок цього між цими металами створюється різниця потенціалів. Відомо, що чим далі один від одного розташовуються обидва метали в приведеній нижче ряду (метал, який розташований лівіше, має позитивний заряд), тим більше напруга [див. Б.В. Некрасов, Основы общей химии, М, Химия, 1973, т.2, стр.383]. Ряд напруги металів: Sb Fe Mo Cd W Cu Zn Au Ag Pb Sn Mg Al Hg Pt Pd Ni Bi Описане вище явище властиво не лише для всіх металів, але і для їх сплавів - провідників електрики, наприклад, таких широко відомих як хромель, алюмель, копель і так далі [див. Советский энциклопедический словарь, издательство «Советская энциклопедия», Москва, 1982, стр.46, 634, 1473]. Якщо між парою різнорідних провідників, що мають значну різницю концентрацій вільних електронів помістити шар активного діелектрика, наприклад сегнетоелектрика, відбувається впорядковування його поляризації у напрямі силових 4 ліній взаємодії електронномагнітних полів пари різнорідних провідників. Таким чином, пара різнорідних провідників, що мають значну різницю концентрацій вільних електронів, забезпечуватиме наявність постійного електромагнітного поля для впорядковування спонтанної поляризації сегнетоелектрика. При замиканні зовнішнього електричного ланцюга виникає електричний струм, потужність якого залежить від величини сумарного внутрішнього опору, площині контакту сегнетоелектрика з провідниками, ступеня поляризації сегнетоелектрика, природи самого сегнетоелектрика і природи пари провідників, а також від електричної ємності системи в цілому. Відомо, що навіть найбільш довгоживучі електрети (до ста років) по своїй стабільності і довговічності в десятки разів поступаються будь-якій парі провідників. У пристрої, що заявляється, немає рухомих складових, таким чином генератор електричної енергії є статичним. В основу винаходу поставлено задачу створити пристрій для отримання електричної енергії за рахунок утилізації внутрішньої енергії речовини, яка використовується. Поставлена задача вирішена в статичному генераторі електричної енергії, що включає корпус з пакетом металевих пластин обох знаків, які відокремлені шаром стабілізованого монокристалічного сегнетоелектрика, при цьому в пакеті всі шари щільно примикають один до одного тим, що металеві пластини виконані з різнорідних провідників що мають різну концентрацію вільних електронів: - різних металів, наприклад, сурма-вісмут, залізо-нікель, титан-алюміній, - або різних сплавів, наприклад, хромель алюмель, хромель - копель, - або комбінації металу та сплаву, наприклад, залізо - копель, сурма -алюмель, вісмут - хромель, при цьому пакет пластин містить мінімально один елемент, який складається з одного сегнетоелектрика та двох різнорідних провідникових пластин які розміщені в наступній послідовності: провідникова пластина сегнетоелектрик провідникова пластина, а при наявності в пакеті більше, ніж одного елемента вони підключені до джерела споживання електричної енергії послідовно, або паралельно, або комбіновано - декілька елементів підключені послідовно, а декілька елементів підключені паралельно. Новим в пристрої, що заявляється, є те, що металеві пластини виконані з різнорідних провідників що мають різну концентрацію вільних електронів: - різних металів, наприклад, сурьма-висмут, залізо-нікель, титан-алюміній, - або різних сплавів, наприклад, хромель алюмель, хромель - копель, - або комбінації металу та сплаву, наприклад, залізо - копель, сурьма -алюмель, висмут - хромель, при цьому пакет пластин містить мінімально один елемент, який складається з одного сегнетоелектрика та двох різнорідних провідникових плас 5 85360 тин які розміщені в наступній послідовності: провідникова пластина - сегнетоелектрик - провідникова пластина, а при наявності в пакеті більше, ніж одного елемента вони підключені до джерела споживання електричної енергії послідовно, або паралельно, або комбіновано - декілька елементів підключені послідовно, а декілька елементів підключені паралельно. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються і технічним результатом, що досягається в статичному генераторі електричної енергії полягає в наступному: - використання в одному елементі різнорідних провідникових пластин із значною різницею концентрацій вільних електронів, між якими розміщений стабілізований монокристалічний сегнетоелектрик, дозволяє забезпечити наявність постійного електромагнітного поля, необхідного для впорядковування спонтанної поляризації сегнетоелектрика. Експериментально встановлені пари провідникових пластин, що дозволяють забезпечити необхідне електромагнітне поле для впорядковування спонтанної поляризації сегнетоелектрика. При наявності в пакеті більше одного елемента, вони підключаються до джерела споживання електричної енергії як послідовно, так і паралельно, залежно від мети, яка переслідується. У всіх випадках відбувається збільшення електричної потужності пакету. Проте, при послідовному їх з'єднанні, зростання потужності відбувається за рахунок підвищення електричної напруги, а при паралельному з'єднанні, зростання потужності відбувається за рахунок зростання електричного струму. Комбінація з'єднань елементів різко розширює конструктивні можливості при проектуванні і виготовленні статичних генераторів електричної енергії з заданими вольтамперными характеристиками. Статичний генератор електричної енергії, що складається мінімально з одного елемента приведений на Фіг.1. На Фіг.2 приведений зовнішній вигляд статичного генератора електричної енергії, що складається з чотирьох елементів, сполучених послідовно. На Фіг.3 приведений зовнішній вигляд статичного генератора електричної енергії, що складається з семи елементів, сполучених паралельно. На Фіг.4 приведений зовнішній вигляд статичного генератора електричної енергії, що складається з п'яти елементів, що мають змішане з'єднання. Статичний генератор електричної енергії складаєтьсяз корпусу 1, в якому розміщений мінімально один елемент, що містить пару провідників 2, виконаних з різнорідних металів і/або сплавів, що мають різну концентрацію вільних електронів, між провідниками 2 розміщений сегнетоелектрик 3, при цьому провідники 2 через ізолятори 4 підключені до споживача енергії. Як приклади матеріалів, які використовують для виготовлення пари металевих пластин приведені наступні метали і сплави: сурьма - висмут залізо - нікель 6 титан - алюміній хромель - алюмель хромель - копель залізо - копель сурьма - алюмель хромель - висмут, при цьому в якості сегнетоэлектрика використовують титанат барію, точка Кюрі °С (ТК) - 120, максимальна спонтанна поляризація (Ps) мкКл/м 2 300. Елемент виготовляють шляхом послідовного вакуумного напилення на антиадгезійну підкладку площиною 1дм 2 або 0,25дм 2 шару одного провідника товщиною 9-10мкм, шару сегнетоелектрика менше ніж 1мкм, та шару другого провідника, товщиною 9-10мкм таким чином, що забезпечують суцільне безпористе рівномірне покриття. Приклад 1 Виготовлення елемента, провідникові пластини якого виконаніз сурьми та висмута. На поліровану фторопластову підкладку, оброблену поліметилсілоксаном, накладають шаблон заданої площіни (1дм 2 або 0,25дм 2) і напилюють шар сурьми товщиною 9-10мкм. Шаблон прибирають і напилюють наступний шар титанату барію, забезпечують суцільне безпористе та рівномірне покриття товщиною до 1мкм. Потім повертають шаблон на колишнє місце і напилюють шар висмуту товщиною 9-10мкм. Шаблон прибирають і за допомогою вакуумної присоски відокремлюють готовий елемент від підкладки. За допомогою діетилового ефіру видаляють сліди поліметилсілоксану з поверхні шару сурьми, а залишки діетилового ефіру видаляють обдуванням сухим повітрям. Потім розташовують елемент між клемами, що виготовлені з сурьми і висмута відповідно. Отриманий статичний генератор електричної енергії підключають до споживача енергії. Приклад 2 Виготовлення елемента, провідникові пластини якого виконані із заліза та нікелю. Елемент виготовляють за методикою, що наведена в прикладі 1, при цьому замість сурьми використовують залізо, а замість висмута - нікель. Приклад 3 Виготовлення елемента, провідникові пластини якого виконані з титану та алюмінію. Елемент виготовляють за методикою, що наведена в прикладі 1, при цьому замість сурьми використовують титан, а замість висмуту - алюміній. Приклад 4 Виготовлення елемента, провідникові пластини якого виконані з хромеля та алюмеля. Елемент виготовляють за методикою, що наведена в прикладі 1, при цьому замість сурьми використовують хромель, а замість висмуту алюмель. Приклад 5 Виготовлення елемента, провідникові пластини якого виконані з хромеля та копелі. Елемент виготовляють за методикою, що наведена в прикладі 1, при цьому замість сурьми використовують хромель, а замість висмуту - копель. 7 85360 Приклад 6 Виготовлення елемента, провідникові пластини якого виконані із заліза та копелі. Елемент виготовляють за методикою, що наведена в прикладі 1, при цьому замість сурьми використовують залізо, а замість висмуту - копель. Приклад 7 Виготовлення елемента, провідникові пластини якого виконані з сурьми та алюмелі. Елемент виготовляють за методикою, що наведена в прикладі 1, при цьому замість висмуту використовують алюмель. Приклад 8 Виготовлення елемента, провідникові пластини якого виконані з висмуту і хромелі. Елемент виготовляють за методикою, що наведена в прикладі 1, при цьому замість сурьми використовують хромель. Приклади залежності величини електричної потужності, (млВт), а також величин напруги (В) та електричного струму (млА) одного елемента від матеріалів, з яких виготовлена кожна пара провідникових пластин та їх розмірів при зовнішньому навантаженні в 1000ом наведені в Таблиці 1. Вивчалася тривалість роботи кожної пари проводникових пластин, що входять до складу одного елемента. В інтервалі температур -20°С +110°С кожний елемент безперервно працює впродовж більше ніж 18000 годин. Приклади залежності величин електричної потужності (млВт), напруги (В) і величини струму (млА) пакету, що складається з десятьох послідовно сполучених елементів від матеріалів, з яких виготовлена кожна пара провідникових пластин та їх розмірів при зовнішньому навантаженні в 1000ом наведені в Таблиці 2. Вивчалася тривалість роботи кожної пари провідників, що входять до складу десяти елементів. В інтервалі температур -20°С +110°С кожен пакет з десяти послідовно сполучених елементів 8 безперервно працює впродовж більше ніж 18000часов. Приклади залежності величин електричної потужності (млВт), напруги (В) та величини струму (млА) пакету, що складається з десяти паралельно сполучених елементів від матеріалів, з яких виготовлена кожна пара провідникових пластин та їх розмірів, при зовнішньому навантаженні в 1000ом наведені в Таблиці 3. Вивчалася тривалість роботи кожної пари провідникових пластин , що входять до складу десяти елементів. В інтервалі температур 20°С+110°С кожен пакет з десяти паралельно сполучених елементів при зовнішньому навантаженні в 1000ом безперервно працює впродовж більше, ніж 18000 годин. Приклади залежності величини потужності, напруги і стр уму від геометричних параметрів і матеріалу провідникових пластин та принципу зборки пакетів в статичному генераторі електричної енергії приведені в Таблиці 1-3. Як видно з приведених таблиць (див. Таблиці 1, 2, 3) при використанні пари провідникових пластин сурьма - висмут і сегнетоелектрика титаната барія, потужність одного елемента при робочих площинах 1дм 2 або 0,25дм 2 складає 1,268 або 0,301млВт відповідно. Потужність пакету з десяти елементів при цих же робочих площинах, підключених послідовно і паралельно складає 18,97/4,514млВт і 18,91/4,515млВт відповідно. Такий генератор працює в інтервалі температур 20°С +110°С більше ніж 18000 годин. Статичний генератор електричної енергії, що заявляється, може знайти застосування в електротехніці як автономне джерело електроживлення. В порівнянні з відомими, генератор, що заявляється, конструктивно простий і дозволяє отримувати електричну енергію шляхом використання внутрішньої енергії матеріалів, які використовують при його виготовленні. Таблиця 1 Матеріал провідникових пластин Сурьма-висмут Залізо-нікель Титан-алюміній Хромель-алюмель Хромель-копель Залізо-копель Сурьма-алюмель Хромель-висмут Площина пластин 1,00дм 2 Електр. Потужність Напруга струм млВт В млА 1,268 1,126 1,127 1,129 1,062 1,063 1,090 1,044 1,045 1,115 1,055 1,056 0.993 0,996 0,997 1,100 1,048 1,049 1,120 1,058 1,059 1,236 1,112 1,111 Площина пластин 0,25дм 2 Електр. Потужність Напруга струм млВт В млА 0,301 1,121 0,269 0,268 1,055 0,254 0,260 1,030 0,252 0,265 1,041 0,255 0,236 0,989 0,239 0,261 1,094 0,240 0,267 1,116 0,239 0,294 1,130 0,260 9 85360 10 Таблиця 2 Матеріал провідникових пластин Сурьма-висмут Залізо-нікель Тітан- алюміній Хромельалюмель Хромель-копель Железо-копель Сурьма-алюмель Хромель-висмут Площина пластин 1,00дм 2 Потужність Напруга Електр. струм млВт В млА 18, 970 16,800 1,129 17,870 16,320 1,095 15,670 14,900 1,052 17,050 15,730 1,084 12.700 12,550 1,012 16,120 15,210 1,060 14,890 15,950 1,071 17,790 16,500 1,078 Площина пластин 0,25дм 2 Потужність Напруга Електр. струм млВт В млА 4,514 16,780 0,269 4,138 16,290 0,255 3,742 14,850 0,252 4,019 15,700 0,256 2,988 12,500 0,239 3,651 15,150 0,241 3,802 15,91 0,239 4,299 16,470 0,261 Таблиця 3 Матеріал провідникових пластин Сурьма-висмут Залізо-нікель Тітан- алюміній Хромель-алюмель Хромель-копель Залізо-копель Сурьма-алюмель Хромель-висмут Площина пластин 1,00дм 2 Електр. Потужність Напруга струм млВт В млА 18,910 1,1270 16,780 17,850 1,064 16,780 15,660 1,045 14,990 17,030 1,056 16,130 12.710 1,000 12,710 16,110 1,050 15,340 14,900 1,059 14,070 17,760 1,114 15,940 Комп’ютерна в ерстка М. Ломалова Площина пластин 0,25дм 2 Потужність млВт Напруга В Електр. струм млА 4,515 4,139 3,742 4,020 2,989 3,650 3,800 4,229 1,126 1,062 1,044 1,056 0,998 1,094 1,116 1,130 4,009 3,900 3,584 3,807 2,995 3,336 3,405 3,742 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601