ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2227947
ЕМКОСТНОЙ КОНВЕРТОР ТЕПЛА СРЕДЫ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ
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 емкость
с нелинейным диэлектриком, в качестве которого используют органический
пироэлектрический диэлектрик с сегнетоэлектрической поляризацией, способный в цикле
заряд и разряд увеличивать проницаемость от  0
~ 1,2 до v ~ 8 в переменном поле Е так, что
 обеспечивая тем самым 
>1,
где  Wp - мощность при
разряде, W3 - модность при заряде. Техническим результатом изобретения является
увеличение удельных весовых и объемных характеристик.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Использование: емкостной конвертор тепла среды в электроэнергию (С-кэссор (кэссор –
аббревиатура Конвертор Энергии Среды)) - автономный генератор электроэнергии для всех
потребителей ее 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”
специальных -нелинейных диэлектриков - конденсаторов с частотой f. Конденсаторы
объединены в батареи путем параллельного и последовательного соединения. Частота
циклов “ЗР” f зависит от емкости 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 
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 объемную генерируемую мощность 
и удельную весовую mWуд=0,442 кВт/т.
Примечание. Расчет по данным из [1, 2]: единичная емкость конденсатора-вариконда ВК2Б 0,15  F,
D=26 мм, h=10 мм, объем 3,714 см3, плотность 4,7 г/см3, вес~18 г. При V=55 В, f=100 Гц, Сn=33
F (220 варикондов параллельно) коэффициент
нелинейности К~6 (С55=Сn·6). Вес батареи 3960 г, объем 836 см3. При 96 В К=12. При 55
В в ВК2Б плотность энергии объемная vАуд 
0,366·10-3 Дж/см3 и mАуд ~ 0,075·10-3 Дж/г. Для сравнения - в пленке ПЭТФ (лавсан) mАуд ~ 2 Дж/г [3].
Задачей изобретения является создание С-кэссора с более высокими удельными объемными
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 пленок, как промышленный продукт,
на сегодня доступны поливинилоденфторид (ПВДФ) и сополимеры винилоденфторида с
трифторэтиленом и тетрафторэтиленом. По данным каталога фирмы Kureha (Япония) ее ПВДФ-пленка
типа КF имеет плотность 1,8 г/см3, эл. прочность ~700 кВ/мм (на пленке толщиной 25м),
=11-10,7 при 60-1000 Гц переменного тока.
Исследованиями последних лет установлена зависимость (Е),
возникающая вследствие сегнетоэлектрической поляризации в указанных веществах. Для
ПВДФ поле Е напряженностью 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, т.е. 
раз, в зависимости от частоты и уровня Е, обеспечивая тем самым >1.
Преимущества С-кэссора с новыми диэлектриками видны из нижеследующего примера.
Пример. С-кэссор, батарея из конденсаторов, соединенных в блоки параллельно n штук (одинаковой
Сn), а в батарее N блоков, соединенных последовательно или параллельно, исходя из
условий зарядки или особенностей нагрузки при разрядке. Каждый из n конденсаторов
имеет номинальную емкость, например, 0,15 F,
диэлектрик - пленка KF (ПВДФ) толщиной 9·10-3 мм. При V=750 В, К=6, его емкость 0,9 F
и в нем Е=83 кВ/мм. Площадь пленки S=142·10-3 см2, вес ее - 0,23 г. Энергия в нем 
так что mАуд
1,1 Дж/г и vАуд
2 Дж/см3; по удельной плотности
энергии емкость с ПВДФ превосходит ВК2Б примерно в тысячу раз.
Если n=220, то в блоке Сn=33·10-6 F и в нем диэлектрика 50,6 г. По данным [3]
ориентировочно объем единичного конденсатора с выбранной пленкой (на 750 В) 2,5-3 см3,
всей батареи - 660 см3, и вес ее 1320 г, если плотность на уровне 2 г/см3. Этот блок
втрое легче прототипа, а по объему - на ~ 40% меньше.
При частоте циклов f=100 Гц и =1,35 мощность
генерации этой батареей на единицу объема
и на единицу массы
т.е. по объемной 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:
где t - время, Um - нужное напряжение на емкости в конце зарядки, AUm ~ начальное напряжение зарядки, а - безразмерное отношение допустимых потерь к энергии
заряженной емкости. Поскольку в момент окончания зарядки 
то при практически приемлемых а и А~0,01-0,005, t максимально при а=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 
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. Емкость - 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. Пленочные 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 пленочной пропитанной изоляции
энергоемких конденсаторов. - Электротехника, 1998, №5, С.1-4.
6. Громовенко А.В., Опре В.М., Федоров 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 емкость с нелинейным диэлектриком, заряжаемую и разряжаемую циклами "ЗР"
с частотой f Герц и отдающую при разрядке конверсионную энергию величиной >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 0
~ 1,2 до v ~ 8 в переменном поле Е так, что
, обеспечивая тем самым >1,
где , где Wp -
мощность при разряде, W3 - мощность при зарядке.
2. Емкостной конвертор по п.1, отличающийся тем, что напряженность 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 =1,3-1,4
достигает при зарядном напряжении U3
если Um - максимальное напряжение на емкость, R - сопротивление цепи зарядки, t -
время, А,  - безразмерные коэффициенты
0,01-0,005, длительность полной зарядки
Версия для печати
Дата публикации 13.01.2007гг
вверх
|
