СЕТЕВАЯ СИСТЕМА, УСТОЙЧИВАЯ К НЕБЛАГОПРИЯТНЫМ СОБЫТИЯМ
ADVERSE EVENT-RESILIENT NETWORK SYSTEM

[0001] Эта заявка является продолжением части обычной заявки США 11/543,001, поданной 4 октября 2006 года, которая испрашивает приоритет предварительной заявки США №60/723,696, поданной 5 октября 2005 г., описание которых включено здесь в качестве ссылки.
Область техники
[0002] Изобретение относится к генерации электрической энергии с помощью твердофазного устройства, более конкретно путем использования в качестве источника напряжения усиленных термически потенциалов поля р-n перехода, возникающих при соприкосновении разнородных материалов, включая металлы, полупроводники, керамические материалы (оксиды, карбиды и т.п.) и углеродные материалы (графит, древесный уголь).
Предпосылки к созданию технологии
[0003] Устройства генерации электрической мощности используют в качестве подводимой энергии, в частности электромагнитные волны (солнечный свет, инфракрасный свет и т.п.), термическую энергию, механическую энергию и ядерную энергию, и затем преобразуют эти различные формы энергии в пригодную для использования электрическую энергию. Производство этих устройств, хоть и хорошо отработанное, может быть все еще дорогим и сложным.
[0004] В настоящее время большую часть энергии генерируют на основе необратимого сгорания ископаемых топлив, и хотя эта форма преобразования энергии все еще дешевле, чем другие типы генерации электричества, долговременный вред окружающей среде и здоровью человека не позволяет оценивать такое производство электроэнергии только с точки зрения его стоимости. В дополнение, конверсия нефти в электрическую энергию оценивается как имеющая только 9% эффективности.
[0005] Стоимость электрической энергии, получаемой от солнечных батарей, все еще довольно дорога по сравнению с энергией, получаемой при сгорании природного топлива, к тому же остается проблема сохранения энергии при отсутствии света в ночное время. Кроме того, из-за фотоэлектрического эффекта солнечные батареи могут иметь преимущество только при определенной частоте появления Солнца и их эффективность составляет 11-30% энергии, получаемой от Солнца.
[0006] Другие типы систем преобразования энергии основаны на энергии ветра, гидроэлектрической или ядерной, и на их стоимостную эффективность в некоторых случаях все же отрицательно влияет вред для окружающей среды и/или возможное требование больших вложений капитала. Другие более экзотические типы устройств преобразования энергии, такие как термоэлектрические, термоэлектронные и магнето-гидродинамические устройства, не имеют в настоящее время эффективности преобразования, необходимой для того, чтобы они стали приемлемыми для массового производства электрической энергии и, в дополнение, они сложны в производстве. Даже при теперешней стоимости нефти (61 $/баррель 2-го октября 2006 г.) альтернативные формы преобразования энергии все еще не эффективны по стоимости их производства и эксплуатации. Те источники подаваемой энергии (например, уголь и ядерная энергия), которые рассматриваются как конкурентные по стоимости с энергетикой, основанной на сжигании нефти, создают вред окружающей среде из-за выделения газов с тепличным эффектом и частиц или из-за производства радиоактивных отходов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ
[0007] Настоящее изобретение, новый тип устройства выработки электроэнергии, основано на нанесении слоев стабилизированных материалов - оксидов, полупроводников, металлов и углеродных материалов, так что возникает разность напряжений на границе раздела этих материалов, и значение полного напряжения снимают между внешними анодными и катодными слоями устройства. Выработка электричества от этого устройства или ячейки возможна благодаря использованию потенциала р-n-перехода, возникающего на границе раздела стабилизированных материалов с различной электронной/дырочной конфигурацией и различными их плотностями.
[0008] Таким образом, некоторые цели и преимущества настоящего изобретения представляют собой следующее: а) обеспечить способ выработки электроэнергии, которая может быть получена с помощью разнообразных материалов, доступных в большей части мира; b) обеспечить способ выработки электроэнергии, который легко может быть выполнен с помощью старых технологий печати и окрашивания (непрерывного действия или партиями) без необходимости дорогих процессов механической обработки и иных; с) обеспечить способ выработки электроэнергии, который не дает выделения частиц, радиоактивных отходов, газов с тепличным эффектом или других вредных загрязняющих агентов; d) обеспечить способ выработки электроэнергии, который позволяет работать и при низких температурах (ниже комнатной), и при очень высоких (выше 3000K), так же как и во всем этом интервале; е) обеспечить способ выработки электроэнергии, который не требует обязательной постоянной подачи мощности с целью преобразования энергии; f) обеспечить способ выработки электроэнергии, который просто требует присутствия тепла для того, чтобы реализовать преимущество существования потенциала р-n-перехода, возникающего благодаря электростатическим силам, возникающим между определенными материалами при соприкосновении их поверхностей; g) обеспечить способ выработки электроэнергии в очень плоском пространстве, так что его можно легко осуществить в таких пространствах, как стены, крыши автомобилей, фюзеляжи самолетов, дороги и т.д.; h) обеспечить способ выработки электроэнергии, который может быть использован в транспортных средствах, включая самолеты, велосипеды, автомобили, корабли, грузовые автомобили, но не ограничен только ими; i) обеспечить способ выработки электроэнергии, где устройства для выработки электроэнергии можно использовать в привычных конфигурациях, уже используемых в батареях, генераторах и конденсаторах, чтобы использовать преимущество уже существующей инфраструктуры.
[0009] Другой целью и преимуществом является обеспечение способа выработки электроэнергии, который можно изменять в размерах и масштабе для того, чтобы приспособить его к энергетическим потребностям малых устройств, таких как радио, и для более крупных потребителей, таких как дома, поселки и города. Дальнейшие цели и преимущества станут очевидными при рассмотрении последующего описания и чертежей.
Краткое описание чертежей
[0010] Фиг. 1А представляет собой двумерное представление устройства в наиболее общем виде, как его можно видеть со стороны катода или анода;
[0011] на фиг. 1В представлена теоретическая эквивалентная электрическая схема ячейки;
[0012] Фиг. 1С представляет собой вид в перспективе устройства в наиболее общем виде, сконструированного в одной форме согласно описанию изобретения;
[0013] Фиг. 2 представляет собой схему влияния температуры окружающей среды для герметизированной или изолированной ячейки;
[0014] Фиг. 3 представляет собой график протекания электрического тока для двух действующих ячеек после различного температурного воздействия;
[0015] Фиг. 4 представляет собой график напряжения для двух действующих ячеек после различного температурного воздействия;
[0016] Фиг. 5 представляет собой вольт-амперную характеристику для образцов устройств из стали, оксида празеодимия, углерода/графита и оцинкованной стали при различных приложенных омических нагрузках;
[0017] Фиг. 6 представляет собой схематическое изображение бокового поперечного сечения устройства преобразования энергии, заключенного в контейнер изолированного типа, такой как сосуд Дьюара или керамический контейнер с контроллерной схемой, термопарой и нагревательным элементом;
[0018] Фиг. 7А представляет собой схематическую иллюстрацию поведения зарядов до объединения слоев углерода и оксида в устройстве;
[0019] Фиг. 7В представляет собой иллюстрацию поведения зарядов сразу после объединения слоев углерода и оксида в устройстве;
[0020] Фиг. 7С представляет собой иллюстрацию поведения зарядов при термическом равновесии после объединения слоев углерода и оксида в устройстве;
[0021] на фиг. 7D схематически показано поведение зарядов во всей ячейке из слоев углерода и оксида при приложении омической нагрузки; а
[0022] на фиг. 8 представлена ячейка из слоев углерода и оксида, заключенная/герметизированная нагреванием в стекло или пластик с черным напылением и панелью аккумулирования тепла.
[0023] Настоящее изобретение, устройство нового типа для выработки электроэнергии, основано на целенаправленном наслаивании различных материалов, оксидов, полупроводников, металлов и углеродных материалов, так что на границе раздела материалов возникает перепад напряжения и проявляется величина полного напряжения между анодом и катодом устройства. Выработка электричества с помощью этого устройства определяется созданием потенциала поля р-n-перехода на границе раздела между стабильными материалами с отличными электронными конфигурациями и плотностями. При правильном нанесении последовательности слоев устройство можно эксплуатировать как любое электрическое устройство и устанавливать последовательно или параллельно для того, чтобы на выходе было достигнуто требуемое напряжение или ток.
[0024] Электроны колеблются и выделяют электромагнитную энергию в виде волн. Эти волны обладают частотным распределением, основанным на формуле Планка. Также, благодаря связям между атомами, перемещение одного или большего числа атомов из их равновесного состояния будет приводить к возникновению набора вибрационных волн, распространяющихся через кристаллическую решетку. Поскольку материалы в устойчивых состояниях могут содержать и аморфные, и кристаллические компоненты, движение электронов может проистекать из фотонных и фононных причин, но не ограничиваться ими. При термоионной эмиссии электроны стекают с поверхности материала и сгущаются в другом, отличном материале благодаря термической вибрационной энергии, преодолевающей электростатические силы, которые удерживают электроны на поверхности первого материала. Эффект Сибека вместо этого связан с проявлением напряжения, создаваемого различными металлами или полупроводниками в присутствии температуры. В фотоэлектрической эмиссии электроны выделяются из вещества при поглощении электромагнитного излучения, которое выше пороговой частоты.
[0025] Когда два разнородных материала с различной электронной/дырочной плотностью приводят в контакт друг с другом, на границе раздела между ними создается потенциал поля р-n-перехода. Это происходит благодаря диффузии электронов из области материала, обогащенного электронами, в область материала с пониженной их концентрацией (обогащенного дырками) и дырок из области материала, обогащенного дырками, в область материала с пониженной их концентрацией (обогащенного электронами). При протекании рекомбинации со временем образуется электрическое поле, препятствующее дальнейшей рекомбинации. Интегрирование электрического поля поверх обедненной зоны между двумя материалами (обогащенного электронами и обогащенного дырками) определяет величину потенциала поля р-n-перехода.
[0026] Если свободные электроны получают дополнительную кинетическую энергию благодаря нагреванию с помощью термического или электромагнитного источника, еще большая их часть способна мигрировать через обедненную зону и объединятся с дырками на другой стороне барьерной области. В результате расширяется обедненная зона и увеличивается контактное напряжение, которое линейно меняется в зависимости от температуры в месте их соединения. При подсоединении нагрузки к двум разнородным материалам потечет электрический ток. В слоях устройства присутствуют ионные текучие жидкости, дополнительно способствующие протеканию электронов через цепь.
[0027] При достижении термического равновесия потенциал поля р-n-перехода также достигает постоянной и равновесной величины. В этой точке при приложении к выводам ячейки нагрузки потенциал поля р-n-перехода действует как генератор подкачки заряда, толкающий ток через нагрузку. Если площадь поверхности ячейки достаточно большая или омическая нагрузка достаточно большая, ток будет достаточно мал, так что скорость рекомбинации через обедненную зону будет достаточно большой, чтобы потенциал поля р-n-перехода и ток оставались неизменными и неограниченными. Однако, если омическая нагрузка слишком мала или мала площадь поверхности ячейки, скорость рекомбинации не может поддерживаться с необходимой для ячейки энергией и кривая тока примет форму, более сходную со спадающей кривой разряда конденсатора.
[0028] Сочетание фотонных, фононных эффектов и кинетически индуцированного электронного движения вместе с фактом существования потенциала поля р-n-перехода у соответствующим образом подобранных материалов приводит к созданию твердофазного генератора электричества, который обеспечивает увеличение напряжения, прямо пропорциональное росту температуры устройства, и увеличение тока, пропорциональное росту температуры в четвертой степени. В отличие от термоионных/термоэлектрических устройств для работы описываемого устройства градиент температуры не является необходимым, фактически устройство дает электричество и при комнатной температуре, если выбраны материалы с определенными характеристиками. В отличие от фотоэлектрических устройств, зависящих от электромагнитного излучения, которое должно быть выше пороговой частоты для используемого конкретного материала, рассматриваемое устройство использует тепловую энергию, которая существует в его материалах для создания потенциала поля р-n-перехода, что и создает поток электронов при приложении нагрузки к ячейке.
[0029] В предпочтительном воплощении твердофазного генератора, описываемого здесь, смешивали углеграфит (примерно 90 об. %, но содержание можно изменять), хлорид натрия (ионный твердый продукт приблизительно 10 об. %, но содержание можно изменять) и, возможно, небольшое количество связующих, таких как акриловая полимерная эмульсия, а также испаряющиеся текучие среды (воду), чтобы сформировать тонкую пасту или тушь. Эту пасту затем наносили на металлическую поверхность или фольгу до достаточной и равномерной толщины (толщина составляла 0,2-1,0 мм, хотя могла потребоваться и большая толщина в зависимости от необходимости работать при более высоких рабочих температурах и более высоких потенциалах поля р-n-перехода при этих температурах), высушивали и, возможно, нагревали до достаточной температуры для ее отверждения в более стабильный твердый материал (температура при сушке не превышала 150°С, но могла быть и выше, в зависимости от рабочих температур и условий работы устройства).
[0030] На этот высушенный слой первой матрицы затем наносили вторую пасту из оксида, хлорида натрия, акриловой полимерной эмульсии в качестве связующего (см. выше) и воды до достаточной толщины (толщина нового слоя опять составляла 0,2-1,0 мм, хотя могла потребоваться и большая толщина, в зависимости от условий работы). Перед сушкой слоя второй матрицы на него накладывали металлический лист или фольгу. Это позволяло обеспечивать лучшее сцепление внутренних слоев ячейки и катодов и/или анодов. Эту основную ячейку, состоящую из четырех слоев (металл-углеродный/графитовый материал-оксид-металл) высушивали и/или нагревали до достаточно высокой температуры, чтобы не повредить ячейке, но сделать материал более стабильным и твердым (<150°С).
[0031] Высушенная ячейка в зависимости от ожидаемых рабочих минимальных и максимальных температур может (или не может, в случае, если в качестве средства транспортировки заряда выбран твердотельный ионный материал) поглощать текучую среду, такую как вода, которая будет способствовать условиям прохождения носителей заряда, либо путем сочетания с электролитом (в твердом или в растворенном виде), или фактически будучи первичным электролитом. Выбор ионной текучей среды или твердотельной среды зависит от рабочей температуры ячейки. Ячейки, которые будут работать при температуре выше температуры испарения электролита, должны быть герметизированы для того, чтобы избежать удаления ионных твердотельных или текучих сред.
[0032] После того, как ячейка поглотит достаточное количество электролитной текучей среды, ее герметизируют со всех сторон герметиком, подходящим по температуре, электрическим свойствам и условиям сохранения влаги для того, чтобы обеспечить целостность ячейки. Герметики могут включать, но не ограничиваться этим, эпоксидные клеи, обрабатываемые нагреванием пластмассы, изоляционные кабельные ленты или герметики иного типа, а также керамические глазури с температурой отверждения ниже температуры плавления электролита. Ячейка будет обладать напряжением, пока она остается при рабочей температуре, которая позволяет электролитной текучей среде функционировать, но не приводить к тому, чтобы другие неэлектролитные материалы или металлы в ячейки достигали своей температуры плавления. При температуре в рабочем диапазоне погружение ячейки в ванны с различной температурой приводит к пропорциональному изменению напряжения. Ячейке для работы не нужен температурный градиент, она обеспечивает ток при приложении омической нагрузки и при температуре окружающей среды. Идеальная омическая нагрузка позволяет происходить рекомбинации электронов и дырок со скоростью, которая поддерживает постоянное напряжение и ток.
[0033] ИЗГОТОВЛЕНИЕ И МАТЕРИАЛЫ ДЕТАЛИ
[0034] Поскольку выходная мощность прямо пропорциональна величине площади поверхности между слоями углерода и оксида, металлическая подложка может быть выполнена с множеством канавок, со складками или ребрами, и когда наносят слой углерода и затем слой оксида, создание канавок, складок и ребер продолжают в каждом наносимом слое, что приводит к более высокой площади поверхности. Углеродную пасту или краску и оксидную пасту или краску можно наносить с помощью роликов, кистей, пульверизаторов, технологий плоской печати, струйных принтеров или любым другим способом, который обеспечивает диспергирование туши или краски на поверхности. Хотя ячейки должны работать не только с аморфными материалами, но и с более кристаллическими слоями углеродных материалов и оксидов, возможность простого нанесения таких материалов, как паста, существенно уменьшает стоимость изготовления и позволяет избежать использования дорогих технологий выращивания кристаллов.
[0035] Недостатками современных фотоэлектрических и термоэлектрических устройств являются необходимость производства их в чистых помещениях и использование усложненных (т.е. дорогих) технологий и способов выращивания кристаллов и изготовления устройств. В созданных опытных образцах описываемых здесь ячеек использовали алюминий, нержавеющую сталь и нержавеющую оцинкованную сталь в виде металлической фольги и листов. Углеродный слой состоял из графита, смешанного с хлоридом натрия, водой и акриловым связующим. В качестве оксидных слоев использовали оксиды празеодимия, титана, олова, никеля, железа, меди, хрома, марганца, также в смеси с хлоридом натрия, водой и акриловым связующим. Оптимальными для обеспечения максимальных напряжения и тока, полученных при комнатной температуре и простыми в применении, были оксиды празеодимия и титана. Наконец, собранную ячейку заворачивали в лист пластмассы и герметизировали с помощью нагревания, наружу выходили только контакты от анода и катода. Одна базисная ячейка была размером с типичный лист бумаги 8,5×11 и толщиной приблизительно в 8 листов бумаги. Следует заметить, что ячейки из оксида марганца имели способность к перезаряду, и поэтому их можно использовать также как устройство для хранения заряда.
[0036] Для разных рабочих температур следует и можно использовать разные материалы. Например, для ячейки из листов алюминия, оксида празеодимия и графита рабочая температура должна быть ниже температуры плавления алюминия и даже еще ниже из-за присутствия воды. При использовании ячейки, содержащей воду как часть ионного раствора, предполагают, что рабочая температура должна быть ниже температуры кипения воды или что ячейка будет герметизирована снаружи для того, чтобы сохранять целостность при расширяющих ее выделяющихся парах воды. Высокотемпературная ячейка может включать вольфрам (температура плавления 3695К) в качестве катодов и в качестве анодов графит (температура плавления 4300-4700К) или другие углеродные материалы и оксид тория (температура плавления 3573К). Использование хлорида натрия в качестве ионной текучей среды для увеличения количества носителей заряда будет требовать более низкого теоретического максимума рабочей температуры, поскольку его температура кипения составляет 1738К.
2
[0037] Если можно использовать ионную текучую среду с температурой плавления, как у оксида тория, то максимальная рабочая температура будет немного ниже 3573К. Отметим, что единичная ячейка в 1 м, в которой используют вольфрам, графит и оксид тория, обеспечивающая 100 мкА при 1 В (0, 0001 Вт) при комнатной температуре, при 3000К, теоретически обеспечивает приблизительно 1 А при 10 В (10 Вт). Таким образом, увеличение рабочей температуры с 300 до 3000К приводит к увеличению выходной мощности устройства в 100000 раз. Предполагается, конечно, что ионная текучая среда может работать при такой высокой температуре.
[0038] Вторая реализация учитывает использование керамики, отожженной до плиток, не покрытых глазурью. В эти плитки может быть введена угольная паста, а металлические катоды накладывают сверху или просто удерживают на месте поджатием. Поскольку в этом случае слой оксида имеет форму очень стабильного материала, керамики, рабочая температура может быть выше. В любом случае реальная ячейка должна быть герметизирована для удержания раствора электролита.
[0039] Экспериментальные результаты
[0040] Фиг. 1С представляет собой вид ячейки в перспективе. Проводящий лист или фольгу 20 используют как основу, на которую наносят любой материал-акцептор 21 слоем соответствующей толщины, который будет проявлять разность напряжения через границу раздела между проводником 20 и донорским материалом 21. Проводящие материалы, используемые для 20, включают алюминий, медь, железо, сталь, нержавеющую сталь, оцинкованную нержавеющую сталь и углеродные пластины, но они не ограничены этим списком. Проводники могут быть выполнены из любого металла или металлических сплавов, не только уже упомянутых. Материал-акцептор 21 может быть (но не обязательно ограничен уже испытанными материалами) материалом, проявляющим приращение напряжения и имеющим хорошую проводимость, как оксид празеодимия, содержащий также соединения циркония и диоксида кремния, оксид хрома и карбид кремния.
2
2
[0041] На напряжение, проявляющееся на границе раздела между 20 и 21, оказывает влияние присутствие содержания влаги или другие текучие среды и соединения, обеспечивающие носителей заряда. Оксид титана, оксид цинка, оксид олова, оксид алюминия, оксид одновалентной меди, оксид двухвалентной меди и оксид железа FeO проявляют различимые напряжения, на которые влияют дополнительно и жидкостные носители заряда, ингредиенты которых (вода, пропиленгликоль и хлорид натрия) могут быть в любой пропорции. Обладающая носителями заряда (ионная) текучая среда может состоять из любых текучих сред, способных обеспечить развитие границы раздела между 20 и 21. Пропиленгликоль и соль увеличивают температурный диапазон, при котором ионные текучие среды могут оставаться жидкими и подвижными.
[0042] На слой 23 накладывают слой 22, материал-донор, который не является тем же самым проводником, таким как 20, так как создаваемое напряжение должно быть таким же, как между 20 и 21, и таким образом компенсировать любой потенциал между 21 и 22 при соединении вместе трех слоев. Вместо этого в качестве эффективного проводника для слоя 22 используется графитовая паста, содержащая графит, воду и акриловое связующее, используемое для приготовления красок. Как графит могут работать и другие углеродные порошки. Графитовая паста создает напряжение в 1 В между слоями 20 и 22. Слой 23 может быть из того же материала, что и используемый для 20. В случае алюминия, оксида празеодимия, графита, алюминиевой слоистой ячейки положительный отвод обозначается номером 25 на фиг. 1С, а отрицательный номером 24. На фиг. 1В представлена теоретическая электрическая схема ячейки, где внутреннее сопротивление 27 ячейки соединено последовательно с источником напряжения 28.
[0043] На фиг. 3 показана зависимость тока от времени для трех различных случаев (графические линии 31, 32 и 33), которые отражают поведение ячейки из слоев алюминиевой фольги, оксида празеодимия и углеграфита, герметизированной в пластмассе нагреванием, при подсоединении к ней нагрузочного сопротивления 100000 Ом. Графическая линия 34 на фиг. 3 показывает характер протекания тока в ячейке большего размера из слоев стали, оксида празеодимия, углеграфита и покрытой цинком стали при нагрузке 100000 Ом.
[0044] Линия 31 показывает резкое повышение тока от 0 до 3,2 ЕЕ -5 Ампер (А) и затем его уменьшение с уменьшающейся скоростью.
[0045] Линия 32 показывает резкое повышение тока от 0 до 2,8 ЕЕ -5 А и затем его уменьшение с уменьшающейся скоростью. Кривая снята после 10 мин отдыха ячейки.
[0046] Линия 33 показывает резкое повышение тока от 0 до 4 ЕЕ - 5 А и затем его уменьшение с уменьшающейся скоростью. Кривая снята после интенсивного нагревания ячейки в кипящей воде в течение нескольких минут.
[0047] Линия 34 показывает ток от большой стальной ячейки, повышающийся до 2,7 ЕЕ - 5 А при комнатной температуре. Ток стабилен и мало снижается со временем. Это является следствием большой площади поверхности ячейки, что обеспечивает более быстрое движение электронов через обедненную зону.
[0048] Фиг. 4 показывает изменение во времени напряжения ячейки из слоев люминиевой фольги, оксида празеодимия и углеграфита, герметизированной в пластике нагреванием, при подсоединении к ней нагрузочного сопротивления 100000 Ом. Показаны три разных сценария при нагрузке 100000 Ом (линии 45, 46 и 47). Линия 48 отражает изменение напряжения ячейки большего размера из слоев стали, оксида празеодимия, углеграфита и покрытой цинком стали при нагрузке 100000 Ом.
[0049] Линия 45 показывает напряжение разомкнутой цепи (4,5 В) в нулевой момент времени. При подключении нагрузки 100000 Ом напряжение снижается с уменьшающейся скоростью.
[0050] Линия 46 показывает напряжение разомкнутой цепи (4,2 В) в нулевой момент времени. При подключении нагрузки 100000 Ом напряжение снижается с уменьшающейся скоростью. Эта кривая получена для ячейки после 10 мин отдыха после разряда, показанного на фиг. 4 кривой 45 для напряжения и на фиг.3 кривой 31 для тока.
[0051] Линия 47 показывает напряжение разомкнутой цепи (4,9 В) в нулевой момент времени. При подключении нагрузки 100000 Ом напряжение снижается с уменьшающейся скоростью. Эта кривая получена для ячейки после нагревания в кипящей воде в течение 2 мин и отдыха в течение 10 мин.
[0052] Линия 48 показывает напряжение разомкнутой цепи (3 В) в нулевой момент времени при комнатной температуре. Кривая отражает информацию о поведении ячейки большого размера из слоев стали, оксида празеодимия, углерода/графита и оцинкованной стали. При подключении нагрузки 100000 Ом напряжение падает с очень малой скоростью. Эта ячейка много больше по площади, чем ячейка, поведение которой отражено линиями 45-47, и разряд ее идет значительно медленнее, в то время как повторный заряд идет быстрее.
[0053] Повторяем, что ток, который обеспечивает ячейка, прямо пропорционален площади поверхности раздела между слоями ячейки. Кроме того, он полиномиально пропорционален температуре окружающей среды. Эти два наиболее важных для данной структуры ячейки момента следует принимать во внимание при определении размеров ячейки. Если пространство ограничено, следует максимизировать температуру среды ячейки. Если этого ограничения нет, могут быть обеспечены большие размеры ячейки, работающей при пониженной температуре.
[0054] Фиг. 5 показывает вольт-амперную характеристику для ячейки из слоев стали, оксида празеодимия, углерода/графита и оцинкованной стали. Уравнение прямой 59 для этой конкретной ячейки при комнатной температуре имеет вид:
V=-5.6356⋅I+Voc или
V=-5.6356I+2.64.
∧
Поскольку P=V×I, имеем P=-5.6356⋅12+Voc⋅I
dP/dI=-5.6356⋅2⋅I+Voc
Приравнивая dP/dI=0 и решая относительно тока I, получим:
Imax=-Voc/(5.6356⋅2)=2.64/(5.6356*2)=0.23423 EE-5 Amps
Это ток, при котором выходная мощность максимизирована при сопротивлении нагрузки
Rmax=(-5.6356⋅Imax+Voc)/Imax=563560 Ohms.
[0055] Фиг. 6 представляет собой изображение бокового поперечного сечения устройства из блока 64 последовательно соединенных энергетических ячеек, помещенных в изолированный контейнер 60 с изолирующей крышкой 61. Блок 64 ячеек имеет выводы: положительный 65 и отрицательный 66, которые выходят из контейнера 60 и присоединены к цепи 72 контроллера. Логика работы цепи контроллера показана на фиг.10. Цепь 72 контроллера получает питание от ячеек через выводы 65 и 66. Цепь контроллера измеряет температуру через провод 69 к термопаре 63.
[0056] Для поддержания рабочего напряжения на выводах 70 и 71 цепь 72 контроллера получает энергию от ячеек 64, чтобы увеличить температуру в изолированном контейнере 60, 61 путем нагрева изнутри, используя нагревательный соленоид 62, который получает питание через выводы 67 и 68. Контроллер предварительно программируют для обеспечения оптимального роста температуры, а также для предотвращения перегрева контейнера 60. Отмечаем, что падение температуры внутри контейнера 60, 61 происходит из-за проводимости тепла через стенки контейнера, крышку, провода, а не из-за преобразования тепла в электричество.
[0057] Интеграция ячеек в энергетические системы
[0058] Благодаря отсутствию необходимости в градиенте температур может быть разработано много интересных проектов применений описанной здесь ячейки.
[0059] Некоторое количество ячеек, соединенных последовательно или параллельно, может быть размещено вместе, и они будут служить источником энергии, обеспечивающим постоянный ток для различных целей. Там, где это необходимо, следует использовать обратный преобразователь для преобразования постоянного тока в переменный. Поскольку получаемое от ячеек напряжение поля р-n-перехода изменяется в зависимости от температуры, для снабжения прогнозируемым напряжением постоянного тока будет необходим также конвертер постоянного тока в постоянный ток.
[0060] Ячейки в различных сочетаниях могут быть упакованы в аккумулятор тепла, чтобы обеспечивать на выходе более высокие рабочее напряжение и мощность. В случае электромагнитного излучения (солнечный свет, искусственный свет и т.п.) ячейки могут быть помещены в легкую поглощающую среду, которая превращает свет в тепло, см. фиг. 8, где оксидно-углеродная ячейка упакована в стекло или пластик с черным напылением, что превращает солнечный свет в тепло и сохраняет его.
[0061] Эффективность любой системы, использующей эти ячейки, зависит от способности системы сохранить тепло и предотвращать его потери из ячеек. Ячейки могут быть использованы в каскаде, где внешние ячейки преобразуют тепло внешней среды в электричество, которое затем преобразуется в тепло в центральных ячейках. В этом случае сами ячейки используют как изолирующую среду, обеспечивающую течение тепла к более теплым площадям. Вдобавок, сами полностью герметизированные или изолированные системы станут чрезвычайно эффективным генератором, в котором тепло может быть включено в систему бесконтактным способом через использование индукционного нагревания и токоприемника. Потери тепловой энергии значительно уменьшат правильно выбранные для герметизации материалы. Герметики включают керамические материалы, пластмассы, эпоксидные и акриловые смолы. См. фиг. 6 с диаграммой логики работы изолированной/герметизированной системы.
[0062] Устройство генерирует электричество при комнатной температуре. Погружение устройства в теплую ванну вызывает пропорциональный рост напряжения (пропорционально температуре устройства в К) и экспоненциальное увеличение тока. Следовательно, снижение температуры окружающей среды уменьшает заявляемое напряжение. Благодаря характеристикам тепло-напряжение-энергия в более эффективной системе устройство следует содержать в изолированном контейнере или заключать его в термически и электрически изолирующий материал. Температуру внутри контейнера в зависимости от требуемой выходной мощности можно повысить относительно температуры окружающей среды, если использовать индуктивный нагреватель. Чтобы избежать потерь тепла от кондукции через выходные провода, энергию можно извлекать из устройства путем преобразования постоянного тока в переменный и использования устройства трансформации для извлечения тока из генерируемого магнитного поля.
[0063] Хотя эта технология была описана вместе с примерами, которые в настоящее время считаются наиболее практичными и предпочтительными, следует понимать, что изобретения не должны ограничиваться раскрытыми примерами, а наоборот, предназначены для охвата различных модификаций и эквивалентных систем, которые включены в рамки сущности и объема прилагаемой формулы изобретения.
[0064] Кроме того, технология перспективна благодаря ее функциональной автономности и высокой мобильности, что позволяет ей быть включенной в сильнораспределенный массив устройств электропитания. Благодаря распределенному характеру эта система крайне устойчива к таким неблагоприятным событиям, как природные катастрофы, война т.д., и в результате может служить также в качестве инфраструктуры для распределенной информационной сети.
[0065] Эта распределенная информационная сеть будет состоять из нескольких узлов, состоящих из электрогенератора и любой комбинации нескольких устройств, в число которых входят (но не ограничиваются ими) следующие: компьютеры, электронные устройства, спутники, антенны, WiFi электроника, оборудование для сейсмических измерений, медицинские мониторы, устройства для телефонии и телефонное оборудование, звукозаписывающая аппаратура, звукоизмерительные приборы и шумомеры, теплоизмерительные приборы, устройства контроля температуры, барометрические приборы и устройства для мониторинга погоды, дымовые и газовые сигнализаторы, устройства безопасности, радиолокационные приборы, гидроакустические приборы, оптические приборы, устройства маршрутизации в сети Интернет, движители и механическое устройство. Очевидно, что эта система будет более надежной, чем существующие коммуникации и инфраструктуры электропитания, которые не полностью интегрированы и подвергаются риску сбоев питания из-за катастрофических событий.
[0066] В предпочтительном варианте, каждое из устройств в распределенной информационной сети будет включать в себя электрогенератор в соответствии с настоящим изобретением, и коммуникационное устройство для осуществления связи с другими устройствами в сети.
[0067] Кроме того, в зависимости от выходной номинальной мощности электрогенератора в соответствии с настоящим изобретением, несколько устройств могут совместно использовать электрогенератор и коммуникационное устройство для осуществления связи с другими устройствами в сети.