Генератор електроенергії

Реферат: Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для отримання електроенергії. Генератор електроенергії включає корпус з пакетом, що містить щонайменше один елемент, який складається з одного сегнетоелектрика і двох електропровідних пластин, які щільно прилягають один до одного та розміщені в наступній послідовності: електропровідна пластина сегнетоелектрик - електропровідна пластина, інша, ніж перша. Електропровідні пластини виконані з різнорідних провідників, що мають різну концентрацію вільних електронів: двох різних металів: сурма-вісмут, залізо-нікель, титан-алюміній, або різних сплавів: хромельалюмель, хромель-копель, або комбінації металу та сплаву: залізо-копель, сурма-алюмель, вісмут-хромель. При наявності в пакеті більше одного елемента вони підключені до джерела споживання електричної енергії послідовно або паралельно, або комбіновано - декілька елементів підключено послідовно, а декілька елементів підключено паралельно. Як сегнетоелектрик використовують сегнетоелектрик – напівпровідник, вибраний з ряду матеріалів: нітрит натрію, напівпровідникова кераміка на основі необатів літію, калію, титанатів свинцю. Технічним результатом винаходу є зростання електричної потужності генератора. UA 115716 C2 (12) UA 115716 C2 UA 115716 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для отримання електроенергії. Поряд з традиційними динамічними генераторами електроенергії відомі менш поширені статичні пристрої, що не містять рухомих деталей, в яких використовується енергія хімічних реакцій, теплова енергія, енергія магнітного поля і т.д. Відомий пристрій для отримання електричної енергії, в якому використовується внутрішня енергія активних діелектриків, - сегнетоелектриків і електретів (див. патент на винахід UA №84117, МПК (2006) Н01М 6/00; H01G 4/00, опубл. 10.09.2008). Відомий пристрій для отримання електричної енергії, що включає корпус з пакетом пластин обох знаків, між пластинами знаходиться шар сегнетоелектрика, пристрій містить зарядову пластину, відокремлену від інших шаром сегнетоелектрика, при цьому зарядова пластина виконана з біполярного електрета, наприклад з політетрафторетилену, поліетилентерефталату, полікарбонату, титанату кальцію, скла, ситалів і ін., а як сегнетоелектрик використовують стабілізований монокристалічний сегнетоелектрик, наприклад титанат барію, полівініліденфторид, тригліцинсульфат, сегнетсіль, дигідрофосфат калію, ніобат літію, фторберилат амонію і ін., при цьому пакет пластин містить мінімально один елемент, який складається з одного електрета, двох пластин сегнетоелектрика та двох металевих пластин, при цьому усі шари щільно примикають один до одного та розміщені у наступній послідовності: металева пластина - сегнетоелектрик-електрет-сегнетоелектрик-металева пластина, а при наявності в пакеті більше ніж одного елемента вони чергуються таким чином, що кожний наступний елемент розташовується відносно до попереднього, прилягаючи однойменними зарядами металевих пластин. Для успішної роботи відомого пристрою необхідна впорядкована поляризація сегнетоелектриків, які спонтанно поляризуються. 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 електретів, низька їх стабільність в процесі експлуатації, а також складність виготовлення електретів та їх висока собівартість. Відомий статичний генератор електричної енергії (див. патент на винахід UA №85360, МПК (2006) H01G 4/12; Н01G 4/008; H01G 4/018, опубл. 12.01.2009), в якому немає електретів, а упорядковування поляризації з сегнетоелектриків, які спонтанно неполяризуються, здійснюють за допомогою постійного електромагнітного поля, яке створюється металевими пластинами, виконаними з різнорідних провідників зі значною різницею концентрацій вільних електронів. Статичний генератор електричної енергії, що містить корпус з пакетом металевих пластин обох знаків, які відокремлені шаром стабілізованого монокристалічного сегнетоелектрика, при цьому в пакеті всі шари щільно примикають один до одного, а металеві пластини виконані з різнорідних провідників, що мають різну концентрацію вільних електронів: з 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 щонайменше один елемент, який складається з одного шару 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. Недоліком відомого статичного генератора електричної енергії є мала питома електрична потужність через високий внутрішній електричний опір елементарних осередків. Високий внутрішній опір обумовлено застосуванням сегнетоелектриків, які за своєю природою є яскраво вираженими діелектриками з питомим електричним опором до 1016 Ом·см. Відомий статичний генератор вибраний прототипом. Прототип і генератор електроенергії, що заявляється, мають наступні спільні ознаки: - корпус з пакетом електропровідних пластин обох знаків, які відокремлені шаром стабілізованого монокристалічного сегнетоелектрика, при цьому в пакеті всі шари щільно примикають один до одного; - пакет пластин містить щонайменше один елемент, який складається з одного шару 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. 1 UA 115716 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відомо, що існують сегнетоелектрики, які одночасно мають і напівпровідникові властивості, так звані сегнетоелектрики-напівпровідники, що займають по величині питомого електричного опору (10-2-107 Ом-см) проміжне положення між провідниками і діелектриками. Наприклад, нітрит натрію (NaNО2), напівпровідникові кераміки на основі необатів літію, калію, титанатів свинцю, барію і багато інших, (див… Фридкин В.М. Сегнетоэлектрикиполупроводники. -М.: Наука, 1976. -408с. Иванов, В.В., Богомолов, А.А/ Сегнетоэлектрикиполупроводники. Калинин. Издательство Калининского университета 1978 г., 96с). Зокрема, сегнетоелектрик титанат барію ВаТіО3 діелектрик з питомим електричним опором більше 1012Ом·см, однак його можна перетворити в сегнетоелектрик-напівпровідник з питомим опором 10-103 Ом·см за допомогою примусового відновлення (див. Патент RU 2162457, МПК (7) С04В35/468, С04В35/64, опубл. 27.01.2001) або управляють його валентністю (див. Химия твердого тела и современные микро и нанотехнологии. VI Международная конференция. Кисловодск Ставрополь: СевКавГТУ, 2006. 510 с. ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУРОВОДНИКОВОГО ТИТАНАТА БАРИЯ, ЛЕГИРОВАННОГО ОКСИДОМ ЛАНТАНА BalXLaXTiO3 И ОКСИДОМ ВОЛЬФРАМА BaTil-XWXO3(x=0,001; 0,002) Эмелло ГГ. Шинкова Т.А.). 4+ Для отримання напівпровідникової кераміки на основі титанату барію її легують. Іони титана Ті 6+ 5+ 5+ 5+ 2+ 4+ 3+ 3+ 3+ 3+ заміщають на іони W , Sb , Nb , Та і ін., барію Ва на іони Mn , La , Nd ,Y , Gd та інші. Концентрація легуючих елементів зазвичай не перевищує 0,3 атомних %. В основу винаходу поставлено задачу отримання електричної енергії за рахунок утилізації внутрішньої енергії речовини, яку використовують. Поставлена задача вирішується в генераторі електроенергії, що включає корпус з пакетом з електропровідних пластин обох знаків, які розділені шаром стабілізованого монокристалічного сегнетоелектрика, в пакеті всі шари щільно прилягають один до одного, при цьому пакет пластин включає мінімально один елемент, виготовлений пошарово з сегнетоелектрика і двох електропровідних пластин, виконаних з різнорідних провідників із значною різницею концентрацій вільних електронів, які розміщені в наступній послідовності: провідникова пластина - сегнетоелектрик - відмінна від першої провідникова пластина, елементи підключені до джерела споживання електричної енергії послідовно або паралельно, або комбінований декілька елементів підключено послідовно, а декілька елементів підключено паралельно тим, що стабілізовані монокристали сегнетоелектриків замінюються стабілізованими монокристалами сегнетоелектриків-напівпровідників, наприклад, нітритом натрію, напівпровідниковими кераміками на основі необатів літію, калію, титанатів свинцю, барію і ін., які знижують внутрішньо електричний опір елемента і збільшують питому електричну потужність при підключенні до джерела споживання електричної енергії. Новим в пристрої, що заявляється, є те, що, замість стабілізованих монокристалів сегнетоелектриків використовують стабілізовані монокристали сегнетоелектриківнапівпровідників, наприклад, нітриту натрію, напівпровідникових керамік на основі титанатів барію, необатов літію, калію, титанатів свинцю та ін., які знижують внутрішній електричний опір елемента і збільшують питому електричну потужність при підключенні до джерела споживання електричної енергії. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, які заявляються, і технічним результатом, що досягається, полягає в наступному: - Використання сегнетоелектриків-напівпровідників з питомим електричним опором менше 107 Ом·см замість сегнетоелектриків - яскраво виражених діелектриків, з питомим електричним опором до 1016 Ом·см, дозволяє понизити внутрішній електричний опір елемента і отримати великі питомі електричні струми на тих же парах струмознімачів елемента. Збільшення питомих електричних струмів при незмінній різниці потенціалів приводить до природного зростання питомої електричної потужності елементу в більш ніж 2 рази по відношенню до прототипу. - Збільшення питомої електричної потужності елемента дозволяє розширити можливості практичного використання генератора, що заявляється, як в технічному, так і економічному планах. Генератор електроенергії, що складається мінімально з одного елемента, приведений на фіг. 1. Генератор електроенергії складається з корпусу 1, усередині якого розміщена пара провідників 2, виконаних з різнорідних провідників з різною концентрацією вільних електронів, між якими розміщений сегнетоелектрик-напівпровідник 3, через ізолятори 4 провідники 2 підключені до споживача енергії. Як приклади сегнетоелектриків-напівпровідників, які використовують для виготовлення елементів генератора електроенергії, що заявляється, приведені наступні напівпровідникові кераміки на основі титанатів барію: 2 UA 115716 C2 5 10 15 20 25 30 35 - титанат барію легований ніобієм (Nb) концентрацією 0,220 атомних % з питомим опором 6470 Ом·см; - титанат барію легований лантаном (La) концентрацією 0,125 атомних % з питомим опором 883500 Ом·см Зразок порівняння по прототипу виготовляється із застосуванням титанату барію з питомим опором 2710000000 Ом·см. Як пара різнорідних провідників використовують залізо-нікель. Генератор електроенергії складається мінімально з одного елемента. Елемент виготовляють шляхом послідовного вакуумного напилення на антиадгезійну підкладку 2 площиною 1 дм . Шари провідників формують товщиною 9-10 мкм, шар сегнетоелектриканапівпровідника формують завтовшки менше 1 мкм, забезпечуючи суцільне безпористе рівномірне покриття. Приклад 1 Виготовлення елемента зразка порівняння по прототипу з титанату барію. На поліровану фторопластову підкладку, оброблену поліметилсилоксаном, накладають 2 шаблон площиною 1 дм і напилюють шар заліза товщиною 9-10 мкм. Шаблон прибирають і напилюють наступний шар титанату барію, забезпечують суцільне безпористе та рівномірне покриття товщиною до 1 мкм. Потім повертають шаблон на колишнє місце і напилюють шар нікелю товщиною 9-10 мкм. Шаблон прибирають і за допомогою вакуумної присоски відокремлюють готовий елемент від підкладки. За допомогою діетилового ефіру видаляють сліди поліметилсилоксану з поверхні шару заліза, а залишки діетилового ефіру видаляють обдуванням сухим повітрям. Потім розташовують елемент між клемами, що виготовлені із заліза і нікелю відповідно. Отриманий генератор електроенергії підключають до споживача енергії. Приклад 2 Виготовлення елемента з титанату барію легованого ніобієм. Елемент виготовляють за методикою, що наведена в прикладі 1, при цьому замість титанату барію використовували титанат барію легований ніобієм. Приклад 3 Елемент виготовляють за методикою, що наведена в прикладі 1, при цьому замість титанату барію використовували титанат барію легований лантаном. У таблиці 1 приведена залежність електричної потужності, (мВт), а також величин напруги (В) і електричного струму (мА) одного елемента при зовнішньому навантаженні в 1000 Ом від матеріалів сегнетоелектрика-напівпровідника щодо зразка порівняння по прототипу з титанату барію. Вивчалася тривалість роботи кожного сегнетоелектрика-напівпровідника, що входять до складу одного елемента. В інтервалі температур від -20 до + 110° С кожен елемент безперервно працює впродовж більше 18000 годин. Таблиця 1 Матеріал сегнетоелектрика Титанат барію Титанат барію легований ніобієм (Nb) Титанат барію легований лантаном (La) Потужність мВт 1.129 Напруга В 1.062 Струм, мА 1.063 2.358 1.060 2.225 2.111 1.061 1.990 40 45 Як видно з приведеної таблиці 1, при використанні сегнетоелектриків-напівпровідників електрична потужність різко зростає. В разі вживання титанату барію легованого ніобієм (Nb) електрична потужність елемента генератора електроенергії зросла в 2,088 разу по відношенню до прототипу. В разі вживання титанату барію легованого лантаном (La) електрична потужність елемента генератора електроенергії зросла в 1,869 разу по відношенню до прототипу. Генератор електроенергії, що заявляється, має значну перевагу перед прототипом в питаннях практичного вживання. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 Генератор електроенергії, що включає корпус з пакетом, що містить щонайменше один елемент, який складається з одного сегнетоелектрика і двох електропровідних пластин, які 3 UA 115716 C2 5 10 щільно прилягають один до одного та розміщені в наступній послідовності: електропровідна пластина - сегнетоелектрик - електропровідна пластина, інша, ніж перша; електропровідні пластини виконані з різнорідних провідників, що мають різну концентрацію вільних електронів: комбінації двох різних металів, вибраних з ряду сурма-вісмут, залізо-нікель, титан-алюміній, або комбінації різних сплавів, вибраних з ряду хромель-алюмель, хромель-копель, або комбінації металу та сплаву, вибраних з ряду залізо-копель, сурма-алюмель, вісмут-хромель; при наявності в пакеті більше одного елемента вони підключені до джерела споживання електричної енергії послідовно або паралельно, або комбіновано - декілька елементів підключено послідовно, а декілька елементів підключено паралельно, який відрізняється тим, що як сегнетоелектрик використовують сегнетоелектрик - напівпровідник, вибраний з ряду нітрит натрію, напівпровідникова кераміка на основі необатів літію, калію, титанатів свинцю. Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4