Способ накопления электрической энергии и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для накопления электрической энергии большой энергоемкости в автономных системах электропитания. Сущность способа и устройства, его реализующего, заключается в том, что рабочий элемент предварительно обрабатывают до достижения атомарно-гладкой его поверхности, размещают его на одном из электродов и помещают в вакуумную камеру, а другой электрод соединяют с положительным потенциалом источника постоянного тока и осуществляют его вращение, измеряют величину тока утечки в цепи рабочий элемент - первый электрод - второй электрод, при достижении нулевого значения тока утечки снимают электроды и устанавливают рабочий элемент между другими электродами, соединенными с положительным потенциалом источника постоянного тока, предварительно понижая температуру в вакуумной камере до 5 - 10 К, повторно измеряют ток утечки, при достижении которым нулевого значения повышают температуру в вакуумной камере до нормальной и измеряют потенциал рабочего элемента. Рабочий элемент выполнен в виде диска, диаметр которого не менее чем в 80 - 100 раз больше его толщины и размещен на поверхности первого электрода, установленного с возможностью контакта со вторым электродом, при этом рабочая поверхность первого электрода в области, контактирующей с рабочей поверхностью второго электрода, выполнена в виде составного сегментообразного диска, сегменты которого выполнены последовательно чередующимися из проводящего и диэлектрического материалов, а рабочая поверхность второго электрода, установленного с возможностью вращения, выполнена в виде последовательно чередующихся выступов и впадин, при этом третий и четвертый электроды, заменяющие первый и второй электроды, выполнены из меди в виде стержней, в рабочий элемент расположен соосно между ними. Достигаемый технический результат состоит в создании электрического энергонакопителя энергетической объемной плотности, превышающей 10 ГВт · ч/м³. Изобретение позволяет получит автономные сверхмощные энергонакопители с высокой энергетической плотностью. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для накопления электрической энергии большой энергоемкости в автономных системах электропитания.

Известен способ зарядки аккумулятора [1], основанный на пропускании через аккумулятор постоянного тока повышенной плотности и периодического подключения его электродов к дополнительному источнику электрической энергии для пропускания через аккумулятор импульсов тока обратной полярности длительностью 1-10 мс, при этом амплитуду импульсов выбирают на 5-10% больше величины ЭДС аккумулятора в момент подключения дополнительного источника. Сущность изобретения заключается в том, что заряд ведут при повышенной плотности постоянного тока, причем в течение зарядного периода производят снятие диффузионных ограничений, препятствующих повышению зарядного тока, путем подачи кратковременных импульсов электрического тока, длительность которых выбирают в миллисекундном диапазоне, а амплитуду такой величины, чтобы электродный потенциал был равен или близок потенциалу нулевого заряда. Длительность и скважность импульсов регулируют в функции определенных параметров аккумулятора, например напряжения на зажимах аккумулятора или его ЭДС, давления газа и т. д. , либо независимо от них по заранее заданной программе, что дает возможность предупредить появление нежелательных химических изменений в аккумуляторе. Импульсы электрического тока обратной полярности указанных длительности и амплитуды подают от внешнего источника, например от сети переменного тока промышленной частоты, коммутируемого по заданному закону.

Недостаток известного способа заключается в его невысокой эффективности, заключающейся в том, что аккумулятор, заряженный этим способом, обладает невысокой энергоемкостью и имеет объемную энергетическую плотность порядка 0,1 МВт/м³, что определяется физическими принципами получения электричества за счет ионизации кислоты.

Известное устройство для накопления электрической энергии [2] содержит батарею накопительных элементов в виде n включенных последовательно конденсаторов, n дифференциальных усилителей, n элементов задержки, блок амплитудной селекции, n элементов И, n ключей, n шунтовых резисторов, n диодов, ограничительный резистор, коммутатор, датчик тока, первый второй и третий пороговые элементы. Устройство позволяет в результате отслеживания заряда каждого последовательно включенного конденсатора и управления зарядом каждого последовательно включенного конденсатора и управления зарядом конденсаторов путем их шунтирования осуществить заряд каждого из конденсаторов равномерно и получить на каждом конденсаторе и на всей батареи требуемый уровень рабочего напряжения.

Недостатком этого устройства является его невысокая энергоемкость.

Известен способ накопления электрической энергии в молекулярном конденсаторе [3] , который является наиболее близким способом по технической сущности и решаемой задаче. Известный способ заключается в том, что электрическую энергию накапливают в молекулярных конденсаторах, которые являются наиболее пригодными для накопления большого количества электрической энергии, так как электрическая удельная емкость молекулярных конденсаторов значительно выше электрической удельной емкости традиционных конденсаторов. Длительному хранению накопленной электрической энергии в таких конденсаторах препятствует сравнительно низкое значение постоянной времени саморазряда (10-12 сут), обусловленное небольшим электрическим сопротивлением поляризованной среды. Увеличение срока хранения электрической энергии достигается снижением потерь за счет саморазряда. Способ заключается в том, что молекулярный конденсатор заряжают от источника постоянного тока до номинального напряжения. В конце процесса зарядки конденсатор охлаждают до температуры, при которой ток утечки - i утечки соответствует величине, определяемой соотношением: где U_o - напряжение, до которого заряжают конденсатор; C - равновесная емкость молекулярного напряжения; t - время хранения, за которое напряжение на обкладках конденсатора уменьшается на допустимую величину.

Процесс накопления осуществляют следующим образом.

Молекулярный конденсатор заряжают от источника постоянного тока до номинального напряжения. В конце процесса зарядки температуру конденсатора понижают, пока ток утечки не достигнет желаемой величины. В замороженном состоянии накопленная электрическая энергия может храниться в течение нескольких месяцев. Для разряда молекулярный конденсатор необходимо разогреть до рабочей температуры. Способ позволяет применять молекулярные конденсаторы вместо химических резервных источников тока, причем в отличие от последних молекулярные конденсаторы могут быть использованы многократно, однако существенный недостаток этого способа заключается в том, что конденсатор обладает относительно малой энергоемкостью.

Общими существенными признаками предлагаемого способа и известного являются следующие: зарядка рабочего элемента от источника постоянного тока, измерение тока утечки и последующее понижение температуры рабочего элемента.

Отличительными существенными признаками предлагаемого способа накопления электрической энергии являются следующие: рабочий элемент предварительно обрабатывают до достижения атомарно-гладкой его поверхности, размещают его на одном из электродов и помещают в вакуумную камеру с давлением 10^-7 - 10^-8 мм рт. ст. , а другой электрод соединяют с положительным потенциалом источника постоянного тока величиной 15-25 кВ и осуществляют его вращение со скоростью 200-220 с^-2, измеряют величину тока утечки в цепи рабочий элемент - первый электрод - второй электрод, при достижении нулевого значения тока утечки снимают электроды и устанавливают рабочий элемент между другими электродами, соединенными с положительным потенциалом источника постоянного тока, величину которого плавно изменяют от 25 до 250 кВ, предварительно понижая температуру в вакуумной камере до 5-10 К, повторно измеряют ток утечки, при достижении которым нулевого значения повышают температуру в вакуумной камере до нормальной и измеряют потенциал рабочего элемента.

Известно устройство для накопления электрической энергии [4], которое является наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к предложенному устройству, содержащее созданный обкладками конденсатора единый гибридный узел типа конденсатор-катушка индуктивности, при этом обкладки конденсатора являются и обмотками катушки индуктивности, выполненные из сверхпроводящего материала и погруженные в криоген. Катушка индуктивности имеет сердечник с заданной магнитной проницаемостью, смещением которого можно повышать индуктивность обмоток катушки.

Накопление электрической энергии производят в накопителе с помощью источника тока, диодов и выключателей в объеме диэлектрика и за счет циркуляции тока в обмотках.

Общим существенным признаком заявляемого устройства и известного является рабочий элемент, размещенный между двумя электродами.

Отличительными существенными признаками предлагаемого устройства являются следующие: рабочий элемент выполнен в виде диска, диаметр которого не менее чем в 80-100 раз больше его толщины, и размещен на поверхности первого электрода, установленного с возможностью контакта со вторым электродом, при этом рабочая поверхность первого электрода в области, контактирующей с рабочей поверхностью второго электрода, выполнена в виде составного сегментообразного диска, сегменты которого выполнены последовательно чередующимися из токопроводящего и диэлектрического материалов, причем площадь поверхности сегментообразного диска в 3,5-4 раза превышает площадь поверхности рабочего элемента, а рабочая поверхность второго электрода, установленного с возможностью вращения, имеет Z-образную форму и выполнена в виде последовательно чередующихся выступов и впадин, при этом дополнительно введенные третий и четвертый электроды, заменяющие первый и второй электроды, выполнены из меди в виде стержней, диаметры которых равны диаметру рабочего элемента, соосно расположенного между ними, причем зазор между поверхностями рабочего элемента, третьего и четвертого электродов не превышает 10^-2 - 10^-3 нм.

При этом рабочий элемент выполнен из свинца, а зазор между поверхностями выступов и впадин второго электрода составляет 10-20 мкм.

Технический результат, который достигается при использовании изобретения - способа накопления электрической энергии и устройства для его осуществления, - это создание электрического энергонакопителя энергетической объемной плотности, превышающей 10 ГВт·ч/м³. Для получения такой энергетической плотности необходимо провести глубокую ионизацию атомов металла, например атомов свинца, до L-оболочки включительно.

На фиг. 1 и 2 схематически изображено устройство для накопления электрической энергии, где на фиг. 1: 1 - рабочий элемент, 2 - первый электрод, 3 - второй электрод, на фиг. 2: 1 - рабочий элемент, 2 - третий электрод, 3 - четвертый электрод.

Способ накопления электрической энергии основан на зарядке рабочего элемента, выполненного, например, из свинца, от источника постоянного тока. Для получения энергетической плотности, превышающей 10 ГВт·ч/м³, необходимо провести глубокую ионизацию атомов свинца до L-оболочки включительно, что позволяет получить потенциал ионизации около 15 кВ (Физические величины, Справочник. -М.: Энергоиздат, 1991, с.419). Следовательно, работа по восстановлению свинца на L оболочке для одного электрона равна 15 кэВ. На L-оболочке располагается 8 электронов (Яворский В.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. -М.: Наука, 1964, с. 695), которые в сумме имеют 120 кэВ энергии на один атом. Один килограмм свинца имеет около 10²⁴ атомов (там же с.134), следовательно, суммарная энергия одного килограмма свинца составляет более 10²⁹ эВ или 1 МВт/ч. Так как объем одного килограмма свинца около 10^-4 м³ (Кошкин Н. И. Ширкевич М. Г. Справочник по элементарной физике М.: Наука, 1972, с. 37), то его энергетическая плотность соответственно более 10 ГВт·ч/м³.

Глубокая ионизация свинца проводится за счет "холодной" эмиссии электронов (Яворский В.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. -М.: Наука, 1964, с. 391) в поле высокой напряженности плюсового полюса высоковольтного источника тока (там же, с. 342). После завершения полной ионизации ионизированный свинец представляет собой положительный полюс любой электрической цепи, отрицательным полюсом для которой является "нулевой" потенциал или "земля" (там же, с. 362). После заполнения соответствующих электронных оболочек процесс зарядки устройства может повторяться неограниченное число раз.

Для обеспечения ионизации свинца рабочий элемент предварительно обрабатывают до достижения атомарно-гладкой его поверхности.

Процесс ионизации рабочего элемента проводится последовательно в несколько этапов.

Первый этап - это вывод валентных электронов из рабочего элемента методом электростатического наведения зарядов на его поверхности.

Для этого устройство для накопления электрической энергии, содержащее рабочий элемент 1, первый электрод 2 и второй электрод 3 (фиг.1), помещают в вакуумную камеру с давлением 10^-7 - 10^-8 мм рт.ст. Предварительно рабочий элемент 1, выполненный из свинца, в виде диска (фиг.1), площадь поверхности которого не менее чем в 80-100 раз больше его толщины, обрабатывают до достижения атомарно-гладкой его поверхности, затем устанавливают на поверхность первого электрода 2 (фиг.1), при этом рабочая поверхность первого электрода 2 в области, контактирующей с рабочей поверхностью второго электрода 3 (фиг. 1), выполнена в виде составного сегментообразного диска, сегменты которого выполнены последовательно чередующимися из токопроводящего и диэлектрического материалов, причем площадь поверхности сегментообразного диска в 3,5-4 раза превышает площадь поверхности рабочего элемента 1, а рабочая поверхность второго электрода 3, установленного с возможностью вращения, имеет Z-образную форму и выполнена в виде последовательно чередующихся выступов и впадин, зазор между поверхностями которых составляет 10-20 мкм.

Второй электрод 3 соединяют с положительным потенциалом источника постоянного тока величиной 15-25 кВ и осуществляют его вращение со скоростью 200-220 с^-1, измеряют величину тока утечки в цепи рабочий элемент 1 - первый электрод 2 - второй электрод 3, при достижении нулевого значения тока утечки снимают первый и второй электрода (фиг.1) и устанавливают рабочий элемент 1 (фиг. 2) между третьим электродом 2 и четвертым электродом 3 (фиг.2). Введенные третий 2 и четвертый 3 электроды (фиг.2), заменяющие первый 2 и второй 3 электроды (фиг. 1), выполнены из меди в виде стержней, диаметры которых равны диаметру рабочего элемента 1 (фиг.2), соосно расположенного между ними, причем зазор между поверхностями рабочего элемента, третьего и четвертого электродов (фиг.2) не превышает 10^-2-10^-3 нм.

Третий и четвертый электроды предварительно соединяют с положительным потенциалом источника постоянного тока, величину которого плавно изменяют от 25 до 250 кВ, предварительно понижая температуру вакуумной камере до 5-10 К, после чего повторно измеряют ток утечки, при достижении им нулевого значения повышают температуру в вакуумной камере до нормальной и измеряют потенциал рабочего элемента.

Расчет режимов ионизации, осуществляемых при реализации способа, и параметров устройства, приведенных ниже, подтверждают возможность достижения технического результата - получения устройства, имеющего высокую энергетическую плотность.

Геометрические размеры рабочего элемента: диаметр - 0,113 м, толщина - 0,001 м, площадь одной стороны - S = 0,01 м², объем - 1·10^-5 м³.

Масса рабочего элемента, выполненного из свинца, -0,113 кг, число атомов рабочего элемента - 3,29·10²³, число выводимых электронов - 2,6·10²⁵, число валентных электронов - 3,6·10²⁴, число электронов O-оболочки - 5,9·10²⁴, число электронов N-оболочки - 1,1·10²⁵, число электронов M-оболочки - 5,9·10²⁵, число электронов L-оболочки - 2,6·10²⁴.

Валентные электроны выводятся из рабочего элемента электростатическим наведением зарядов на поверхности и формированием тока утечки через отводной электрод при контакте. Процесс проводится в вакуумной камере с давлением 10^-7 - 10^-8 мм рт.ст. при нормальной температуре.

Допустимый тепловой поток q = λ·ΔT/L - 3,5·10 Вт/м², λ - 35 Вт/м·К, T - 100 К, L -0,001 м.

Тепловой поток через площадь контакта S g(S) = g·S - 3,5·10⁴ Вт.

Для обеспечения расчетного отвода тепла от рабочего элемента в процессе вывода валентных электронов температура "отводного" электрода не должна превышать 50^oC.

Допустимая энергия перегрева - Q = c·m·Δt -1450 Дж.

Время накопления энергии перегрева (10 ч)r - 3,6 ·10⁴с.

Допустимый ток эмиссии валентных электронов I = (Q·S/ρ·k·τ)(1/2) , I - 36 A.

Удельное сопротивление свинца ρ - 0,221 Ом·мм²/м.

Коэффициент увеличения сопротивления при температуре 373 К К -1,4.

Плотность тока j= I/S - 0,0036 А/мм².

Ток эмиссии I - 16 А.

Число выводимых валентных электронов N(F)_ц= I·τ/e - 3,6·10²⁴.

Полное время вывода валентных электронов T = N(P)·r/N(F)_ц - 3,6 ч.

При проведении расчета конструкция электродов имеет определенную конфигурацию и геометрические размеры: нижний электрод (соединенный с рабочим элементом) разбивается на чередующиеся сектора из токопроводящего и изоляционного материала равной ширины не более 2 мм, суммарная площадь проводящих секторов должна быть не менее (3,5)-(4) S, где S - площадь поверхности рабочего элемента, верхний электрод выполняется целиком из проводящего материала с чередованием выступов и впадин, причем ширина выступов не должна превышать 1 мм, ширина впадин - 3 мм, глубина впадин - 15 мкм.

Время перекрытия рабочих электродов не более t - 3·10^-5 с.

Соответствующая скорость исполнительных органов на диаметре 0,1 м v=b/t - 67 м/с, ω - 212 с^-1.

Величина поверхностного заряда Ns = I·t - 4,8·10^-4К.

Поверхностная плотность зарядов σ = Ns/4S - 1,2·10^-2 К/м².

Напряженность поля E = σ/ε - 1,36 · 10⁹В/м.

Плотность тока полевой эмиссии меньше 1,0·10^-5А/см².

Рабочее напряжение верхнего электрода при зазоре 15 мкм U= E·h - 20,4 кВ.

Второй этап процесса ионизации заключается в следующем: после вывода из рабочего элемента валентных электронов рабочий элемент, выполненный из свинца, теряет свойство проводимости электрического тока и становится диэлектриком, поэтому вывод электронов с внутренних оболочек проводится методом полевой эмиссии на атомных расстояниях полного контакта рабочего элемента, имеющего атомарно-гладкую поверхность после обрабатывания его поверхности, и электродов, выполненных из меди, которые прикладываются к обеим сторонам рабочего элемента, процесс проводится при температуре 5 K. В условиях отсутствия электронов по переходу с одной оболочки на другую переводится в гамма-излучение (рентгеновское), поэтому отсутствует какой-либо источник, повышающий температуру рабочего элемента, в то же время вся высвобождаемая энергия поглощается электродами, повышая их внутреннюю температуру.

Максимальная энергия одного электрона Ee - 15,9 кэВ, 2,5·10^-15Дж.

Максимальный тепловой поток через поверхность электрода q = T/L 2·10⁶ Вт/м², 2·10⁶Дж/с·м².

Удельная теплопроводность 0,1 λ_доп. - 2000 Вт/м·К.

Глубина полного поглощенного излучения l - 0,01 м.

Допустимый перепад температуры ΔT - 10 К.

Тепловой поток с учетом площади S q(S)= q·S - 2·10⁴ Дж/с.

Время, необходимое для вывода L-электронов T=N(L)·Ee/q-325 000 с, 90,3 ч; M-электронов - 147500 с, 41,0 ч; N-электронов 68750 с, 19,1 ч.

Токи эмиссии при выводе соответствующих электронов I=N(L)·e/T - 1,28 A; M-электронов - 6,40 А; N-электронов - 25,60 А.

Полное время вывода всех электронов 90,3+41,0+19,1+3,6 - 146,8 ч.

Рабочее напряжение определяется из условия прилегания поверхностей электродов к поверхности рабочего элемента, не более 10^-2-10^-3 нм, а также из условия превышения силы выталкивающего электрического поля над силой, удерживающей электрон на орбите.

Сила, удерживающая валентный электрон на орбите F = A/l - 1,89·10^-3Н, l = 2r (r - радиус электрона) - 1,69·10^-16м, A - работа выхода валентного электрона 4 эВ, 6,4·10^-19 Дж.

Сила, удерживающая электрон на L-орбите, должна быть больше или равна силе, удерживающей валентный электрон, следовательно орбита L-оболочки не может отстоять от края атома более чем на 7950 r, средняя разряженность электронных оболочек составляет 0,02 от общей глубины электронных оболочек, поэтому L-оболочка не может быть ближе к краю атома менее чем на 4000 r (без учета межоболочковых интервалов).

Возможный интервал L-орбиты от края атома: максимум - 1,34·10^-12м, минимум - 6,73 ·10^-13 м, принимаем l минимум - 6,73·10^-13м.

Сила, удерживающая электрон на L-орбите F = A/l - 3,78·10^-3Н.

Сила противодействия равна 4·10^-3 Н.

Необходимая напряженность поля на уровне L-оболочки E = F/e - 2,5·10¹⁶ В/м.

Потенциал напряжения U= E·d при d = 10^-11 м максимален - 250 кВ, d = 10^-12 м минимален - 25 кВ.

Конкретное рабочее напряжение определяется эмпирически по величине тока эмиссии (см. таблицу).

Полная суммарная энергия одного атома 162 кэВ - 2,6 · 10^-17 Дж, 7,2·10^-18 Вт·ч.

Полная энергия аккумуляции рабочего элемента - 2,3 МВт·ч.

Максимальное рабочее напряжение - 15,9 кВ.

Максимальный рабочий ток - 0,1 A.

Максимальная мгновенная мощность - 1,6 кВт.

Полное время разряда - 1482 ч (3 мес).

Побочный эффект - рентгеновское излучение с длиной волны .

Защитный экран, выполненный из железа толщиной 2,5 см, обеспечивает ослабление излучения до безопасного уровня и в то же время может являться источником рабочих электронов для автономных объектов.

Внутреннее напряжение материала, вызванное глубокой ионизацией, не превышает 500 кг/м².

Технический результат, который достигается при использовании изобретения - способа накопления электрической энергии и устройства для его осуществления, - это создание электрического энергонакопителя с энергетической плотностью, превышающей 10 ГВт·ч/м³.

Изобретение имеет народнохозяйственное значение, позволяющее получить автономные сверхмощные энергонакопители с высокой энергетической плотностью.

Формула изобретения

1. Способ накопления электрической энергии, согласно которому осуществляют зарядку рабочего элемента от источника постоянного тока и измеряют ток утечки с последующим понижением температуры рабочего элемента, отличающийся тем, что рабочий элемент предварительно обрабатывают до получения его атомно-гладкой поверхности, размещают рабочий элемент на первом электроде устройства для накопления электрической энергии и помещают их в вакуумную камеру с давлением 10^-7 - 10^-8 мм рт.ст., в которой размещен второй электрод устройства, соединяют второй электрод с положительным потенциалом источника постоянного тока величиной 15 - 25 кВ, осуществляют вращение второго электрода с частотой 200 - 220 с^-1, измеряют величину тока утечки в цепи рабочий элемент - первый электрод - второй электрод, по достижении нулевого значения тока утечки снимают первый и второй электроды, заменяют их третьим и четвертым электродами и устанавливают соосно между ними рабочий элемент, соединяют третий и четвертый электроды с положительным потенциалом источника постоянного тока, понижают температуру в вакуумной камере до 5 - 10К и плавно изменяют величину потенциала источника постоянного тока от 25 до 250 кВ, повторно измеряют ток утечки, по достижении нулевого значения которого повышают температуру в вакуумной камере до нормальной и измеряют потенциал рабочего элемента.

2. Устройство для накопления электрической энергии, содержащее рабочий элемент, размещенный между первым и вторым электродами источника тока, отличающееся тем, что оно снабжено третьим и четвертым электродами, предназначенными для замены первого и второго электродов, рабочий элемент выполнен в виде диска, диаметр которого не менее чем в 80 - 100 раз превышает его толщину, имеющего возможность размещения на поверхности первого электрода, установленного с возможностью контакта с вторым электродом, при этом рабочая поверхность первого электрода в области, имеющей возможность контактирования с рабочей поверхностью второго электрода, выполнена в виде составного сегментообразного диска, сегменты которого выполнены последовательно чередующимися из токопроводящего и диэлектрического материалов, причем площадь поверхности сегментообразного диска в 3,5 - 4,0 раза превышает площадь поверхности рабочего элемента, а рабочая поверхность второго электрода, установленного с возможностью вращения, выполнена в виде последовательно чередующихся выступов и впадин, при этом третий и четвертый электроды выполнены из меди в виде стержней, диаметры которых равны диаметру рабочего элемента, имеющего возможность установки между ними соосно, причем зазор между поверхностями рабочего элемента и поверхностями третьего и четвертого электродов не превышает 10^-2 - 10^-3 нм.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что рабочий элемент выполнен из свинца, а зазор между поверхностями выступов и впадин второго электрода составляет 10 - 20 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3