Заев Н.Е. - Емкостной конвертор тепла среды в электроэнергию (Патент РФ)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн admin

  • Администратор
  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 7444
Advertisement
Заев Н.Е. - Емкостной конвертор тепла среды в электроэнергию (Патент РФ)

Патент Российской Федерации RU2227947

Имя изобретателя: Заев Николай Емельянович
Имя патентообладателя: Заев Николай Емельянович
Адрес для переписки: 143930, Московская обл., п. Салтыковка, ул. Граничная, 8, Н.Е. Заеву
Дата начала действия патента: 2002.09.11

Изобретение относится к области нелинейных конденсаторов; согласно изобретению емкостной конвертор представляет собой нелинейную по напряжению ёмкость с нелинейным диэлектриком, в качестве которого используют органический пироэлектрический диэлектрик с сегнетоэлектрической поляризацией, способный в цикле заряд и разряд увеличивать проницаемость от ε0 ~ 1,2 до εv ~ 8 в переменном поле Е так, что εv/ε0 >> 1, обеспечивая тем самым φ >1, где φ = Wp/Wз > 1, Wp - мощность при разряде, W3 - мощность при заряде. Техническим результатом изобретения является увеличение удельных весовых и объёмных характеристик.



Описание изобретения



Использование: емкостной конвертор тепла среды в электроэнергию (С-кэссор (кэссор - аббревиатура Конвертор Энергии Среды)) - автономный генератор электроэнергии для всех потребителей её, мощностью от долей ватта до нескольких киловатт. Производимая С-кэссором энергия отбирается в виде тепла от окружающей среды, без использования какого-либо топлива. Изобретение осуществляют посредством проведения циклов "Зарядка-Разрядка" (далее - "ЗР") специальных - нелинейных диэлектриков - конденсаторов с частотой f. Конденсаторы объединены в батареи путём параллельного и последовательного соединения. Частота f циклов "ЗР" зависит от ёмкости Сз батареи при "Зарядке" и Ср при "Разрядке"; при переменном токе 50 Гц она равна 100 Гц.

Технический результат работы С-кэссора заключается в том, что мощность батареи на нагрузке при "Р" - Wp - больше потребляемой мощности W, при "З"; отношение
φ = Wр/Wз ~ 1,3÷1,4. Эта генерируемая мощность ∆W=Wp - Wз ~ (0,3÷0,4)·Wз возникает благодаря способности нелинейных диэлектриков (конденсаторов) преобразовывать свою внутреннюю свободную энергию при разрядке в электрическую, охлаждаясь за каждый цикл "ЗР" на малые доли градуса. После цикла "ЗР" к батарее притекает тепло от окружающей среды.

Известны С-кэссоры, конденсаторами в которых служат промышленно изготовленные вариконды [1, 2]. В них диэлектриком служит керамическая масса на основе титаната бария. Эти С-кэссоры имеют при 100 Гц удельную объёмную генерируемую мощность vWуд = ∆W/объём ~ 2,1 кВт/м3 и удельную весовую генерируемую мощность mWуд=0,442 кВт/т. 


Примечание. Расчёт по данным из [1, 2]: единичная ёмкость конденсатора-вариконда ВК2Б 0,15 μF, D=26 мм, h=10 мм, объём 3,714 см3, плотность 4,7 г/см3, вес~18 г. При V = 55 Вольт, f=100 Гц, Сn=33 μF (220 варикондов параллельно) коэффициент нелинейности К ~ 6 (С55=Сn·6). Вес батареи 3960 г, объём 836 см3. При 96 Вольт К = 12. При 55 Вольт в ВК2Б плотность энергии объёмная vАуд ≈ 0,366•10-3 Дж/см3 и mАуд ~ 0,075•10-3 Дж/г. Для сравнения - в плёнке ПЭТФ (лавсан) mАуд ~ 2 Дж/г [3].

 

Задачей изобретения является создание С-кэссора с более высокими удельными объёмными и массовыми характеристиками.

 

Поставленная задача решается применением в С-кэссорах вместо керамических диэлектриков нового класса нелинейных органических (недавно открытых, ~ в 1969 г.) диэлектрических веществ [4]. Это так называемые жидкокристаллические и пироэлектрические полимеры [4, стр.609-618]. Однако в виде плёнок, как промышленный продукт, на сегодня доступны поливинилоденфторид (ПВДФ) и сополимеры винилоденфторида с трифторэтиленом и тетрафторэтиленом. По данным каталога фирмы Kureha (Япония) её ПВДФ-плёнка типа КF имеет плотность 1,8 г/см3, эл. прочность ~700 кВ/мм (на плёнке толщиной 25μм), ε = 11÷10,7 при 60÷1000 Гц переменного тока.
Исследованиями последних лет установлена зависимость ε(Е), возникающая вследствие сегнетоэлектрической поляризации в указанных веществах. Для ПВДФ поле Е напряжённостью 60÷90 кВ/мм в течение 10-1÷10-3 с теоретически может увеличить исходное значение диэлектрической проницаемости в 50÷100 раз [5]. В опытах - увеличение на уровне 3÷8, то есть εv/ε0 >> 1 раз, в зависимости от частоты и уровня Е, обеспечивая тем самым φ > 1.

Преимущества С-кэссора с новыми диэлектриками видны из нижеследующего примера.
Пример. С-кэссор, батарея из конденсаторов, соединённых в блоки параллельно "n" штук (одинаковой Сn), а в батарее "N" блоков, соединённых последовательно или параллельно, исходя из условий зарядки или особенностей нагрузки при разрядке. Каждый из n конденсаторов имеет номинальную ёмкость, например, 0,15 μF, диэлектрик - плёнка KF (ПВДФ) толщиной 9•10-3 мм. При V = 750 Вольт, К = 6, его ёмкость 0,9 μF и в нём Е = 83 кВ/мм. Площадь плёнки S=142•10-3 см2, вес её - 0,23 г. Энергия в нём
(7502•0,15•10-6•6)/2 = 253,122•10-3 Дж, так что mАуд ≈ 1,1 Дж/г и  vАуд ≈ 2 Дж/см3.

По удельной плотности энергии ёмкость с ПВДФ превосходит ВК2Б примерно в тысячу раз.
Если n = 220, то в блоке Сn = 33•10-6 F и в нём диэлектрика 50,6 г. По данным [3] ориентировочно объём единичного конденсатора с выбранной плёнкой (на 750 В) 2,5÷3 см3, всей батареи - 660 см3, и вес её 1320 г, если плотность на уровне 2 г/см3. Этот блок втрое легче прототипа, а по объёму - на ~ 40% меньше.

При частоте циклов f = 100 Гц и φ = 1,35 мощность генерации этой батареей на единицу объёма:

 

vWуд = (250,122•10-3•100•0,35•220)/(660•10-6) = 2915 кВт/м3;



и на единицу массы:



mWуд = (250,122•10-3•100•0,35•220)/(1320•10-6) = 1459 кВт/т.



То есть по объёмной плотности генерируемой энергии предлагаемый С-кэссор превосходит прототип в 1300 раза, по массовой плотности - в 3000 раз.
Обеспечение полученных удельных мощностей возможно лишь при сведении до уровня 2÷3% потерь энергии в зарядной цепи. Для этого следует повышать напряжение зарядки Uз по зависимости, близкой к экспоненте:

 

Uз = A•Um•exp((t/α•R•C) + 1) ≈ A•Um ×× (2,5 + (2t/α•R•C) + (t2/2α2•R2•C2) ...),

 

где t - время, Um - нужное напряжение на ёмкости в конце зарядки, A•Um ~ начальное напряжение зарядки, α - безразмерное отношение допустимых потерь к энергии заряженной ёмкости. Поскольку в момент окончания зарядки t = α•R•C•(ln (1/A) -1), то при практически приемлемых α и А~0,01÷0,005, t максимально при α = 0,01 и А = 0,005:

 

t = 1•10-2•R•C•(ln2•102+1) = 1•10-2•R•C•6,3 = 6,3•10-2•R•C.

 

Из Uз(t) видно, что при столь малых t возможно возрастание Uз; и по синусоиде (0 - π/2) - даже линейный рост снизит потери энергии на зарядку. Устройства генерации энергии зарядки емкостей с Uз(t) по разным законам описаны в [6] без выделения предпочтительных Uз(t).

 

Литература


1. Заев Н.Е., Спиридонов Ю.С. Ёмкость - конвертор тепла среды в электроэнергию. / Электротехника, ?12, 1998. С.53-55.
2. Вариконды в электронных импульсных схемах. М., Советское радио, 1971.
3. Ренне В.Т. Плёночные конденсаторы с органическим диэлектриком. Л., Энергия, 1971. С.144-149.
4. Лайнс М., Гласс А. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. М., Мир, 1981.
5. Абрамова Н.А., Андреев А.М., Журавлева Н.М. Оптимизация плёночной пропитанной изоляции энергоёмких конденсаторов. / Электротехника, 1998, ?5, С.1-4.
6. Громовенко А.В., Опре В.М., Фёдоров А.В. Индуктивный заряд емкостных накопителей. / Электротехника, 2001, ?3, С.51-55

 

Формула изобретения

 

1. Емкостной конвертор тепла среды в электроэнергию, представляющий собой нелинейную по напряжению ёмкость с нелинейным диэлектриком, заряжаемую и разряжаемую циклами "ЗР" с частотой f Герц и отдающую при разрядке конверсионную энергию величиной φ > 1 от энергии зарядки на нагрузку, отличающийся тем, что нелинейным диэлектриком служит органический пироэлектрический диэлектрик с сегнетоэлектрической поляризацией, способный обратимо в цикле "ЗР" увеличивать проницаемость от ε0 ~ 1,2 до εv ~ 8 в переменном поле Е так, что εv/ε0 >> 1, обеспечивая тем самым φ > 1, где φ = Wp/Wз > 1, где Wp - мощность при разряде, W3 - мощность при зарядке.

2. Емкостной конвертор по п.1, отличающийся тем, что напряжённость поля Е при зарядке составляет 40÷110 кВ/мм при действии его в цикле "ЗР" не менее 5•10-3 с.

3. Емкостной конвертор по п.2, отличающийся тем, что уровень φ = 1,3÷1,4 достигает при зарядном напряжении U3:

Uз = A•Um•exp((t/α•R•C) + 1) ≈ A•Um ×× (2,5 + (2t/α•R•C) + (t2/2α2•R2•C2) ...),

если Um - максимальное напряжение на ёмкости, R - сопротивление цепи зарядки, t - время, А, α - безразмерные коэффициенты 0,01÷0,005, длительность полной зарядки:

t = α•R•C•(ln (1/A) - 1) ≥ 0,005 с.


Дата публикации 13.01.2007 г.

o-dima

  • Гость
Проведено численное моделирование процессов заряда и разряда нелинейного конденсатора через резисторы. Результаты и текст программы на Си находятся в приложении. Выводы:

1. Сумма энергий на резисторах в точности равна потреблённой от источника питания.

2. Распределение потреблённой энергии между зарядным резистором и конденсатором зависит от нелинейности ёмкости:
    2.1. При линейной ёмкости (ε=const) Wr = Wc;
    2.2. При нелинейности dε/dE<0 (Y5V и др.) Wr > Wc;
    2.3. При нелинейности dε/dE>0 (вариконд) Wr < Wc.

3. Наблюдаемое различие яркости свечения одинаковых лампочек в зарядной и разрядной цепях объясняется п.2, а не отбором тепловой энергии диэлектрика конденсатора, как это утверждал Заев, исходя из ложной предпосылки, что при заряде конденсатора Wr = Wc независимо от нелинейности ёмкости (см. его статьи, например, в New Energy Technology 2001 #2).
« Последнее редактирование: 26.04.2012, 16:28:22 от o-dima »