Електрохімічний перетворювач теплоти в електроенергію модернізований [ЕХП(М)]

Автор:Олійник Д.К.

Реферат

Винахід відноситься до електрохімічних джерел енергії. Винахід ЕХП (м) є розвитком винаходу ЕХП №, який уже визнаний WIPO. Відповідно до закону Стефана-Больцмана, кожне тіло, нагріте до t° вище абсолютного нуля, випромінює потік електромагнітних хвиль потужністю R=σТ4. Використовуючи сили електролітичної дисоціації, ЕХП перетворює ці хаотичні хвилі в енергію постійного електричного поля, яка використовується для розкладу води на електрогенеруючі реагенти Н і ОН. Ці реагенти використовуються для виробництва електроенергії прямим способом, приблизно так, як це відбувається в паливних елементах. В результаті з’єднання Н і ОН знову отримується вода і електроенергія в формі постійного струму. Конструктивно ЕХП являє собою герметичний корпус, в якому розташовані два кадмієві електроди і один графітовий. Кадмій від графіту відділений поліамідною сіткою нижня частина якої занурена у водний розчин КОН. Кадмієві електроди працюють по черзі: коли один окислюється, то другий відновлюється.
Недоліком ЕХП є мала потужність через повільне відновлення кадмію. ЕХП(м) має блок електронний БЕ і спеціальні генератори для прискореного відновлення кадмію. БЕ забезпечує імпульсний режим елементів ЕХП, що збільшує потужність. ЕХП(м) економічно вигідно застосовувати там, де немає електромережі.

Технічна область:
Винахід відноситься до електрохімічних джерел енергії і може бути використаний для виробництва електричної енергії з будь-яким навантаженням її активної компоненти (складової частини).

Попередній рівень техніки:
Відомі електрохімічні способи виробництва енергії, при яких два різнорідних електроди (катод, який містить окислювач і анод, який містить відновлювач) поміщені в електроліт.
Тим часом між електродами встановлюється різниця потенціалів – електрична рушійна сила, що відповідає вільній енергії окислювально-відновної реакції. Дія хімічних джерел струму базується на протіканні по замкнутому зовнішньому ланцюгу просторово розділених зарядів: вільні електрони з катода, де вони приймають участь в окисно-відновній реакції, рухаються до анода, виробляючи струм розряду.

Відповідно до області застосування, хімічні джерела енергії поділяються на:

  • гальванічні елементи, які неможливо перезарядити через незворотність реакцій, які протікають усередині них;
  • електричні акумулятори – перезаряджуванні гальванічні елементи, які можна перезаряджати за допомогою зовнішнього джерела енергії (зарядного пристрою);
  • паливні елементи (електрохімічні генератори) – пристрої, подібні до гальванічного елементу, але відрізняються від нього тим, що речовини для електрохімічної реакції надходять ззовні, а продукти реакції видаляються з них, і це дає їм можливість функціонувати безперервно.

Основним недоліком гальванічних елементів являється обмежений термін роботи. Основним недоліком електричних акумуляторів та паливних елементів є необхідність здійснення конкретних дій по реалізації їхньої роботи: заряду для акумуляторів і постійна подача електроліту для паливних елементів.
Відомий Електрохімічний перетворювач теплоти в електроенергію (ЕХП), який визнаний винаходом Світовою службою інтелектуальної власності і опублікований за № РСТ/ІВ2011/001182. Це джерело струму має великий термін дії, тому що працює на зворотних електрохімічних процесах і його реагенти не витрачаються.
Це джерело не треба заряджати, тому що воно здатне перетворювати енергію теплових електромагнітних хвиль інфрачервоного спектра в енергію постійного електричного поля. Відповідно до закону Стефана – Больцмана, всі тіла, нагріті до температури вище абсолютного нуля, знаходяться в процесі променистого теплообміну. Наприклад, тіло чорного кольору, нагріте до t°-293° Кельвіна (20 °С), випромінює з м2 420 ватт енергії. Тіло не охолоджується тільки тому, що на нього з довкілля падає потік хвиль такої ж потужності. Якщо такий потік не падає, то тіло дуже швидко охолоджується. Наприклад, у безхмарну зоряну ніч поверхня Землі охолоджується приблизно на 10 °С за 8 годин. Теплові хвилі від поверхні Землі випромінюються в космос через практично прозору атмосферу. З космосу Земля вночі не отримує практично нічого, тому що випромінювання далеких планет і зірок дуже мале. Ранкові заморозки є наслідком такого теплообміну.
Перетворити енергію інфрачервоних хвиль в енергію постійного електричного поля (по аналогії з фотоелектричним перетворенням) – немає технічної можливості. Немає електронної апаратури, здатної реалізувати таке перетворення. В природі існує процес, який дуже раціонально реалізує таке перетворення – це електролітична дисоціація молекул.
Електролітична дисоціація молекул була відкрита шведським хіміком Сванте Арреніусом в 1887 році. Потім її досліджували російські вчені Д.І. Менделєєв і І.О. Каблуков. Цими вченими було доказано, що молекули сильних кислот і лугів у водяних розчинах майже повністю розриваються на іони. Рушійною силою дисоціації є електростатичні сили дипольних молекул. Під час дисоціації енергія хаотичних теплових хвиль інфрачервоного спектра перетворюється в енергію постійного електричного поля, яке зосереджено у просторі між іонами, роз’єднаними силами дисоціації. По цій причині розчин охолоджується, тому що постійне електричне поле теплових хвиль не виробляє і на термометр ніяк не діє.
Якщо в склянку води всипати ложку кухонної солі, то через кілька хвилин розчин у склянці стане холоднішим. Цей приклад показує, що частина теплової енергії витратилась на дисоціацію молекул солі і прийняла форму постійного електричного поля. Процес дисоціації завжди ендотермічний. Електролітична дисоціація викопує функцію випрямляча інфрачервоних хвиль, аналогічно тому, як фотоелектрична панель випрямляє хвилі світлового спектра.

Робота електрохімічного перетворювача теплоти в електроенергію

Роботу ЕХП зручно пояснити з допомогою діаграми (див. Фіг.1). На цій діаграмі по вертикалі відкладена енергія молекули КОН в електронвольтах, а по горизонталі – час. Нахил ліній діаграми характеризує швидкість зміненая величини енергії, тобто потужність процесу (приблизно).
Завдяки дисоціації молекула КОН розривається на іони і енергія їх зростає на 4,7еВ за рахунок поглинання теплових хвиль (див.лівий край діаграми). Пару іонів К+ і ОН- можна розглядати як мікроконденсатор з зарядом в один електрон і напругою в 4,7 В. Якщо підрахувати енергію цього конденсатора, перевести її у джоулі і помножити на число Авогадро, то отримаєм 426 КДж/моль. Ця величина відповідає довідпиковим данним. Отримавши таку велику енергію, іон калію К+ здатний витягнути із графіту вільний електрон і приєднати його до себе. Відбувається відновлення калію за рахунок природної сили – дисоціації. Відновлення калію електричним струмом вимагає великих затрат, тому що калій мас високий електродний потенціал, біля 3-х вольт. Відновлений калій реагує з водою, в результаті чого утворюється вільний водень і гідроокис калію КОН. Гідроокис калію КОН розривається на іон калію К+ і непарний гідроксид ОН-. Цей гідроксид не має пари в електроліті у вигляді іона калію або іона водню, тому що його позитивний заряд знаходиться у графіті. Непарний іон гідроксиду є більш агресивний ніж ті іони, які мають пару в електроліті. Тільки непарні гідроксиди здатні окислювати кадмій. Парні гідроксиди кадмій не окислюють. Непарні гідроксиди утворюються тоді, коли замкнуте електричне коло і протікає струм. При таких умовах дисоціація стає постійно діючим процесом і непарні гідроксиди утворюються постійно. Вони окислюють кадмій і віддають йому свій зайвий електрон. Цей електрон через резистор навантаження Rн повертається до графіту, якщо ключ К замкнутий.
Окислений кадмій відновлюється тим воднем, який отриманий в результаті розкладу води калієм.
Під час роботи ЕХП всі процеси є зворотними, реагенти не витрачаються і електроди не руйнуються. ЕХП може працювати десятки років.

Суть винаходу

Недоліком данного варіанта ЕХП є його мала потужність. На діаграмі показано, що лінія окислення кадмію більш нахилена ніж лінія відновлення. Окислення кадмію є процес керований і залежить від величини Rн.

Електрохімічний перетворювач теплоти в електроенергію

Відновлення кадмію – процес стихійний. Якщо зробити його керованим то потужність ЕХП можна збільшити. Конструкція такого модернізованого ЕХП(м) показана на Фіг.2. ЕХП(м) має вініпластовий герметичний корпус 5, в якому розташовані декілька секцій, ізольованих одна від одної. В кожній секції розташовано по два елементи ЕХП. Кожний елемент ЕХП має графітовий електрод 1, який являє собою графітовий лист з малими (01мм) отворами по всій поверхні, кадмієвий електрод 2, який складений з двох половинок, що прилягають до графітового електрода з двох боків, і являють собою тонку кадмієву стрічку, змотану у спіраль. Стрічка має по всій поверхні виступи, які забезпечують зазор між витками спіралі. До бокових ребер спіралі приварений кадмієвий вивод 6. Кадмієвий електрод відділений від графітового сепаратором із поліамідної сітки 3. Елементи в секціях теж розділені поліамідною сіткою 4. Графітовий електрод має вивод 7. На дні секції знаходиться невелика кількість водяного розчину гідроокису калію 7. Мінусові виводи першої секції об’єднані і цей вивод позначений символом «Загальний О». Плюсові виводи першої секції послідовно з’єднані з відповідними виводами наступної секції з метою отримання сумарної напруги U1 і U2 на останній секції. Паралельно виводам останньої секції підключенні електролітичні конденсатори С1 i С2. Напруги груп послідовних ЕХП U1 і U2 по черзі подаються для живлення споживача електроенергії Rн через транзисторні ключі VT3 і VT4. На бази цих транзисторів по черзі подаються меандри імпульсів довжиною t2 від блока електронного БЕ. Імпульсний режим ЕХП дозволяє отримати більшу потужність, тому що внутрішній опір ЕХП для імпульсного струму менший, ніж для постійного. Пульсації напруги сгладжуються конденсатором С3. Перша і друга групи елементів ЕХП працюють по черзі: коли працює перша група – друга відновлюється, тому що транзистор VT3 в цей час закритий. Коли працює друга група, то закритий транзистор VT4. Період перемикання груп завдається перемикачем S1 і може змінюватись в межах від 2-х мсек. до 200 годин. Швидкість відновлення кадмієвих електродів залежить від величини від’ємної напруги, яка діє на електродах. Самостійно ця напруга зростає досить повільно. Для прискорення відновлення в цьому варіанті ЕХП застосовані спеціальні генератори прискореного відновлення, які змонтовані на транзисторах VT1 і VT2, трансформаторах Тр.1 і Тр.2, діодах VD1 і VD2.
Генератори відновлення працюють по черзі на ту групу ЕХП, яка в данний час відновлюється. На базу працюючого транзистора подаються одиночні імпульси, довжиною t1 і великим періодом Т. Скважність цих імпульсів є великою і приблизно дорівнює: Q = Т/t1 ≈ 100. Незважаючи на таку велику скважність, ці імпульси швидко піднімають напругу U2 до максимально можливої в данних умовах величини. Під дією цієї напруги відновлення кадмію прискорюється, тому що спрацьовує відомий в електрохімії ефект катодного захисту. Катодний захист від корозії полягає в тому, що на металеві деталі подають невеликий від’ємний потенціал. Колір кадмієвих електродів під час відновлення змінюється від чорнобурого до світлокоричневого. Злагоджену роботу електронних ключів забезпечує блок електронний БЕ, який має в своєму складі тактовий генератор, лінійку поділювачів частоти і логічні мікросхеми, які керують транзисторами VT1-VT4. Живиться блок електронний від обох груп ЕХП через діоди VD3 і VD4. Споживає струм не більше 1 мА, тому що застосовані мікросхеми економної серії. ЕХП(м) працює за рахунок двох природних сил: електролітичної дисоціації і теплових інфрачервоних променів. Енергетичні машини, які працюють за рахунок природних сил, ніяких фундаментальних законів не порушують і вічними двигунами не являються. У всіх хімічних джерелах струму відбувається перетворення енергії хімічної реакції в електрику БЕЗ ПЕРЕХОДА В ТЕПЛОВУ ФОРМУ. Вони працюють в ізобарно-ізотермічному режимі. Закони термодинаміки не діють там, де немає градієнта температури ΔТ. ЕХП(м) економічно вигідно застосовувати для задоволення мінімальних потреб в електроенергії в тих місцях, де немає електромережі.
Перетворювач з габаритами 200*200*400 мм, на який розроблено ескізний проект, при температурі оточуючого середовища 20 ºС дає потужність 2 Вт. Працює вночі та в день, під землею та під водою, не потребує технічного обслуговування. Перші зразки автора працюють без помилок безвідмовно 15 років, коротких замикань не боїться.
Напрямки застосування:
  • живлення світлодіодних ламп;
  • живлення радіоприймачів та передавачів розташованих в важкодоступних місцях;
  • зарядка мобільних телефонів та інших гаджетів;
  • річкові навігаційні знаки (бакени);
  • системи сигналізації на не обслуговуваних транспортних перехрестях (залізничних, автомобільних та інших).

Автор зацікавлений в пошуку інвестора для серійного виробництва перетворювачів на заводах електронної,хімічної та машинобудівної галузях. Роялті-10%. Продаж патенту можливий тільки за умови організації виробництва за рахунок інвестора.

Теги: 

Категорія каталогу: