способ термоэлектрического преобразования энергии

Формула изобретения

1. Способ термоэлектрического преобразования энергии, включающий размещение при разных температурах двух разнородных элементов, отличающийся тем, что элементы выполняют в виде электродов с разнородными физико-химическими свойствами поверхностей, которые располагают между собой с зазором, при этом зазор заполняют токопроводящей жидкостью с нелинейными анизотропными свойствами.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разнородность по физико-химическим свойствам контактных поверхностей электродов достигается за счет различной энергии молекулярного взаимодействия с анизотропной проводящей жидкостью.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что различие в энергии молекулярного взаимодействия контактных поверхностей электродов с анизотропной проводящей жидкостью достигается за счет различной степени шероховатости их поверхности, или за счет их химического травления, или за счет механического натирания поверхностей в различных направлениях.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве анизотропной проводящей жидкости используют состав на основе раствора жидких кристаллов в растворителе.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве жидких кристаллов используют нематический жидкий кристалл.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики, в частности к преобразователям тепловой энергии в электрическую, и может использоваться при создании преобразователей прямого действия, преобразующих тепловую энергии непосредственно в электрическую с высоким коэффициентом полезного действия (КПД).

В настоящее время во всем мире очень актуальной становится задача по созданию простых, надежных и дешевых преобразователей прямого действия, преобразующих непосредственно тепловую энергию в электрическую с высоким, более 50%, КПД. Во многом это связано с тем, что сейчас для выработки электроэнергии человечество использует невозобновляемые природные ресурсы, которые, к тому же, при сжигании образуют выбросы в атмосферу парниковых газов, нарушающих экосистему Земли и приводящих к глобальному потеплению.

Известен способ прямого преобразования энергии, использующий фотоэффект (см. Физическая энциклопедия, М., 1998 г., т.5, стр. 368-369). Способ заключается в облучении соединенных между собой пластин из полупроводникового материала n-типа и р-типа квантами световой энергии, под действием которой в материале образуются свободные носители зарядов, а значит, может протекать постоянный электрический ток.

К недостаткам фотоэлектрических преобразователей следует отнести, во-первых, низкий КПД. Это связано с тем, что фотоэффект проявляется в основном под воздействием видимого и ультрафиолетового излучения. Поэтому для лучших преобразователей коэффициент преобразования солнечного излучения - отношение электрической мощности, развиваемой преобразователями в номинальной нагрузке, к падающей световой мощности достигает 15-18%.

Во-вторых, отдача мощности от фотоэлектрических преобразователей обычно не превышает нескольких десятков Вт/м². Следовательно, для создания мощных преобразователей требуется значительная площадь.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является способ прямого термоэлектрического преобразования энергии (см. Физическая энциклопедия, М. , 1998 г., т.5, стр. 99), основанный на эффекте Зеебека, включающий размещение при разных температурах двух соединенных между собой разнородных проводящих элементов из полупроводниковых материалов.

Основным недостатком известного способа преобразования энергии, как и для вышеприведенного аналога, является низкий КПД, не превышающий для лучших полупроводниковых преобразователей 15%. При этом для получения преобразователя мощностью несколько Вт потребуется соединение нескольких сотен элементов, что существенно повышает себестоимость такого устройства и мало пригодно для широкого применения.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи по устранению указанных недостатков, а именно на создание способа термоэлектрического преобразования энергии с высоким КПД, пригодного для применения в устройствах, предназначенных для широкого применения.

Поставленная задача по созданию способа термоэлектрического преобразования энергии, включающего размещение при разных температурах двух разнородных элементов, решена тем, что элементы выполняют в виде электродов с разнородными физико-химическими свойствами поверхностей, которые располагают между собой с зазором, при этом зазор заполняют токопроводящей жидкостью с нелинейными анизотропными свойствами. Выполнение электродов с разнородными физико-химическими свойствами поверхностей и заполнение зазора между ними токопроводящей жидкостью с нелинейными анизотропными свойствами позволяет создать принципиально новый способ термоэлектрического преобразования энергии.

Целесообразно разнородность поверхностей электродов обеспечить за счет различной энергии молекулярного взаимодействия контактных поверхностей электродов с анизотропной проводящей жидкостью. При этом эффективность способа термоэлектрического преобразования энергии тем выше, чем выше различие энергии связи между контактными поверхностями электродов и анизотропной проводящей жидкостью.

Выгодно получить различие в энергии молекулярного взаимодействия контактных поверхностей электродов с анизотропной проводящей жидкостью за счет различной степени шероховатости их поверхности, или за счет химического травления контактных поверхностей электродов, или за счет механического натирания контактных поверхностей электродов в различных направлениях.

Эффективно использовать в качестве анизотропной проводящей жидкости состав на основе жидких кристаллов и растворителя, который повышает электропроводность анизотропной жидкости за счет появления свободных радикалов.

Выгодно для повышения эффективности преобразования энергии использовать в качестве жидких кристаллов нематический жидкий кристалл (НЖК).

Заявляемый способ термоэлектрического преобразования энергии не имеет аналогов среди известных на сегодняшний день в электроэнергетике способов прямого преобразования энергии, что позволяет сделать вывод о том, что он удовлетворяет критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен макет устройства, реализующего заявляемый способ термоэлектрического преобразования энергии, а на фиг.2 приведена зависимость напряжения между электродами, отнесенного на 1 градус разности температур электродов, в зависимости от температуры анизотропной жидкости (средней температуры между электродами).

Макет устройства (фиг. 1) включает электрод 1 (состоящий из диэлектрической подложки 3 с токопроводящим слоем 2) и электрод 4 (также состоящий из диэлектрической подложки 3 с токопроводящим слоем 2), между которыми помещена анизотропная жидкость 5. Электроды 1 и 4 соединены между собой через резистор нагрузки 6, напряжение на котором контролируется вольтметром 7. Со стороны электрода 1 был подведен поток тепловой энергии, а со стороны электрода 4 отводился тепловой поток. На фиг.2 приведен график 8 - зависимость напряжения между электродами, отнесенного на 1 градус температуры, в зависимости от средней температуры анизотропной жидкости, а линиями 9 отмечен коридор возникающих флуктуаций.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Электрод 1 нагревают до температуры Т1, а электрод 4 поддерживают при температуре Т2. Под действием градиента температуры, пропорционального Т1-Т2, анизотропная проводящая жидкость начинает по разному взаимодействовать с электродами 1 и 4, что связано с различной энергией молекулярного взаимодействия контактных поверхностей электродов с анизотропной проводящей жидкостью, т.к. электроды выполнены из одного и того же материала, но обладают разными физико-химическим свойствами по отношению к жидкой проводящей среде 5. Различные энергии связи молекул рабочей среды создают внутри объема проводящей жидкости 5 градиент свободной энергии, что приводит к различным по амплитуде тепловым флуктуациям в ориентации линейных молекул вдоль оси, перпендикулярной плоскости электродов. Если при этом в среде находятся свободные носители заряда (электроны и/или свободные радикалы, отколовшиеся от молекул НЖК под воздействием растворителя), причем носители одного знака практически неподвижны, а другие могут легко перемещаться внутри объема, то происходит их разделение, которое можно интерпретировать, как некий аналог контактной разности потенциалов. В отличие от обычной контактной разности потенциала между двумя разнородными металлами в нашем случае эффект наблюдается в химически однородном веществе. При наличии градиента температуры и возможности взаимодействия носителей заряда с электронами электродов 1 и 4 возникает электрический ток и регистрируется разность потенциалов между электродами 1 и 4 прибором 7, а через резистор нагрузки 6 начинает течь ток. Согласно графику 8 максимальное значение величины напряжения, отнесенное на градус разности температур (Т1-Т2), в ходе эксперимента достигало 3.6 В при средней температуре между электродами 95^oС. Более высокие значения температуры не поднимали из-за возможности разрушения выбранного типа НЖК. При температурах, близких к предельным, КПД заявляемого способа достигал 50% и более.

Выявленный эффект возникновения разности потенциалов между электродами был проверен в различных вариантах выполнения макета термопреобразователя энергии.

Вариант 1

В качестве подложек электродов использовались стеклянные пластины, на которые напылением был нанесен слой окиси индия (In₂O₃). Процесс напыления проводился при разных углах к напыляемой поверхности, благодаря чему удалось создать различную шероховатость поверхностей. В качестве анизотропной проводящей жидкости использовался состав на основе НЖК (метоксибензилиден). КПД макета составлял не менее 53% при температуре 95^oС.

Вариант 2

В качестве подложек электродов использовались стеклянные пластины, на которые напылением был нанесен слой, состоящий из смеси окиси олова (SnO) и окиси индия (In₂O₃). После напыления поверхности электродов были подвергнуты химическому травлению, чем и были созданы условия для возникновения различных энергий связи молекул анизотропной проводящей жидкости с проводящим материалом электродов. В качестве анизотропной проводящей жидкости использовался состав на основе НЖК (октил-циано-бифенил). КПД макета составлял не менее 57% при температуре 95^oС.

Вариант 3

В качестве подложек электродов использовались кварцевые пластины, на которые напылением был нанесен слой окиси олова (SnO). После напыления поверхности электродов были подвергнуты механическому натиранию в различных направлениях (круговое вращение и прямолинейное движение), чем и были созданы условия для возникновения различных энергий связи молекул анизотропной проводящей жидкости с проводящим материалом электродов. В качестве анизотропной проводящей жидкости использовался состав на основе НЖК (пентил-циано-бифенил). КПД макета составлял не менее 48% при температуре 95^oС.

Таким образом, заявляемый способ позволяет создать принципиально новый класс теплоэлектрических преобразователей с высоким КПД и доступных для широкого применения.