CN104321467A - 太阳光发电方法和发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种目前没有的新的太阳光发电方法和发电装置。本发明的发电方法是向溶解有正型氢分子或离子键性氢化氢的电离氢水照射至少包括193nm的光，在该电离氢水与包含阳离子的水之间产生电位差，从而进行发电。

Description

太阳光发电方法和发电装置
技术领域
本发明涉及使用太阳光的发电方法和发电装置，尤其是利用常温、常压的电离氢水的氢等离子体场的发电方法。
背景技术
作为可再生利用的能源，利用太阳光发电受到注目。作为在太阳光发电中使用的材料，已知单晶硅、多晶硅、无定形二氧化硅，但存在它们的能量转换效率并不那么高的问题。例如，专利文献1公开了为了改善转换效率而按照一定的规则排列太阳光发电部件的太阳光发电装置。此外，可以将红外光以热能的形式回收(专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000-106451号公报
专利文献2：日本特开2011-198825号公报
发明内容
本发明的目的是提供一种目前没有的新的太阳光发电方法和发电装置。
此外，本发明的目的是提供利用在常温、常压的电离氢水中产生的氢等离子体的太阳光发电方法和发电装置。
用于解决问题的手段
本发明的发电方法是向溶解有正型氢分子或离子键性氢化氢的电离氢水照射至少包括193nm的光，在该电离氢水与包含阳离子的水之间产生电位差，从而发电。优选上述光是太阳光。此外，上述光还可以是真空紫外光。优选在上述电离氢水中浸渍阴极，在上述包含阳离子的水中浸渍阳极，使两电极之间产生电位差。例如上述包含阳离子的水可以使用海水。
本发明的发电装置具有容纳溶解有正型氢分子或离子键性氢化氢的电离氢水的第1容纳单元、容纳包含阳离子的水的第2容纳单元、在上述第1容纳单元内设置的第1电极、在上述第2容纳单元内设置的第2电极和向上述电离氢水照射至少包括193nm的光的照射单元。优选上述第1容纳单元包含至少能透过193nm波长的材料，上述照射单元隔着上述透过的材料照射光线。优选发电装置还包含与上述第1和第2电极电连接的蓄电元件。
发明的效果
根据本发明，能通过目前没有的新方法进行发电。
附图说明
图1是表示氢分子分类的表。
图2(A)是表示正型氢分子结构的图，图2(B)是表示仲型氢分子结构的图。
图3是可溶于水的氢分子和不溶于水的氢分子的示意图。
图4A是表示在水中添加仲型氢分子的氢气时的氧化还原电位(ORP)和pH随时间变化的关系的曲线图。
图4B是表示图4A的水的溶解氢与pH随时间变化的关系的曲线图。
图5A是表示在水中添加正型氢分子的氢气时的氧化还原电位(ORP)和pH随时间变化的关系的曲线图。
图5B是表示图5A的水的溶解氢与pH随时间变化的关系的曲线图。
图6A是表示在图5A的水中添加氧气时的溶解氢与pH随时间变化的关系的曲线图。
图6B是表示在图5A的水中添加氧化物时的溶解氢与pH随时间变化的关系的曲线图。
图7是说明根据本发明实施例的氢等离子体场产生方法工序的流程图。
图8是表示由于电离氢水而乳化的乳状油的状态的照片。
图9是表示向图8的乳状油照射太阳能时的乳状油状态的照片。
图10(A)是表示根据本发明实施例的氢等离子体场产生装置的构成例的图，图10(B)是表示根据本发明实施例的乳化装置的构成例的图。
图11是说明根据本发明第2实施例的氢等离子体场产生方法的工序的流程图。
图12是说明使用本发明实施例涉及的电离氢水进行太阳光发电的原理。
具体实施方式
图1根据与温度的关系对氢分子进行分类。如该图所示，氢分子的键合形式在高温(250℃以上)为离子键性，在低温(-273℃)下为共价键性，在常温(23±1.5℃)下，离子键性与共价键性之比为75％∶25％。
在氢键是离子键性的情况下，氢分子类型是100％的正型，另一方面，在共价键性的情况下，氢分子是100％的仲型。此外，在常温下，正型与仲型之比为3∶1。
在氢键为离子键性的情况下，氢气具有溶于水的溶解性，另一方面，在共价键性的情况下，氢分子具有不溶于水的不溶性。此外，在常温下，溶解性和不溶性之比为3∶1。这些氢分子与温度的关系可以参考J.D.Lee浜口博·菅野等翻译的《李氏-无机化学》东京化学同人1982年。
图2(A)表示可溶于水的正型氢分子的结构，图2(B)表示不溶于水的仲型氢分子的结构。如图2(A)所示，正型氢分子中，2个氢原子核10的自旋轴18是相同方向，2个电子12在其中一个氢原子核10的周围自由移动。其结果，产生如图所示的分子极性14。另一方面，如图2(B)所示，仲型氢分子中，核自旋轴18的取向是相反方向，2个电子12被2个氢原子核10所共有。因此，不会产生分子极性。另外，16表示电子自旋轴。
图3表示不溶于水的仲型H2和可溶于水的正型H2的示意图。如上所述，在-273℃的低温下，100％处于不溶于水的仲型氢分子、即共价键性的氢化氢的状态，即使该共价键性的氢化氢进入水中，也是H2＝H·H，无法电离。
另一方面，在250℃以上的高温、无氧的还原状态下，100％会成为可溶于水的正型氢分子、即离子键性的氢化氢的状态。若向仲型氢分子照射太阳能hv，则氢分子由仲型向正型转化，如果停止照射太阳能hv，则氢分子由正型向仲型转化。这已经由Michel Frunzi et al.：“A Photochemical On-OffSwitch for Tuning the EquilibriumMixture of H2Nuclear Spin Isomers as a Function of Temperature”，Journal of theAmerican Chemical Society(JACS)，No.133，pp.14232-14235，2011进行了实验。另外，如图2(A)、图3所示，添加MH或MH2(M是指金属，MH或MH2是氢化金属)如后所述那样诱发能形成氢等离子体场的场。
接着，对仲型或正型氢分子的实验结果进行说明。此外，在实验中，ORP/pH计使用东亚DKK MM-60R，溶解氢计使用东亚DKK DH-35A。
作为实验用水，在水中添加仲型氢分子的氢气后使用。图4A表示在水中添加仲型氢分子的氢气时的氧化还原电位(ORP)与pH随时间变化的关系，图4B是图4A的水溶液中的溶解氢与pH随时间变化的关系。在添加氢气的时刻ORP会暂时变小，但ORP会立即恢复到原来的电位。此外，pH基本不发生变化。在添加氢气时会暂时产生氢气，但之后氢气基本不会再产生。发现共价键性氢分子即使进入水中，氢也不会电离，氢不溶于水。
图5A表示在水中添加正型氢分子的氢气时的氧化还原电位(ORP)与pH随时间变化的关系，图5B表示图5A的水中的溶解氢与pH随时间变化的关系。在添加氢气时，ORP变小，然后ORP逐渐变大。此外，关于pH，在添加氢气时pH会达到9左右，之后逐渐收敛至pH8左右。此外，如图5B所示，在经过84小时后，氢逐渐产生，然后，即使经过250小时，仍会继续产生氢。即发现，正型氢分子若进入水中，则氢分子电离，可溶于水。
图6A表示如图5A那样在水中添加正型氢分子并在之后添加氧气时的ORP与溶解氢分子随时间的变化。可知，若添加氧气，则之后会强制产生溶于水的氢分子。氢分子的产生在之后还持续至40小时以上。
图6B中，若如图5A那样在水中添加正型氢分子并在之后添加氧化物(含氧物质)，则突然产生大量的溶于水的氢分子，峰值时达到80ppb。氢分子的产生在之后还持续至90小时以上。因此，电离氢水中溶解的氢分子的量是将测定时间中产生的氢分子的量的累计值作为溶解氢分子的量。
由此，如果在水中加入离子键性的氢分子(正型)，就会产生电离，以的方式而稳定，形成电离氢水(等离子体水)。另一方面，共价键性的氢分子(仲型)即使加入水中，氢也不会电离。H2＝H·H，是非电离氢水。电离氢水可以在常温、常压下保存。还确认该水的抗氧化能力维持了2年半以上。
接着，对根据本发明实施例的氢等离子体场的产生方法进行说明。首先，作为溶解有正型氢分子的溶液(例如水)，准备电离氢水(S101)。电离氢水包含正型氢分子或离子键性氢分子，在溶液中，氢分子电离成这种电离氢水可以通过在水中添加例如CaH2、MgH2等氢化金属而得到。除了上述以外，添加的氢化金属还可以是元素周期表上所示的碱金属、碱土金属、第13族或第14族的金属所形成的氢化金属。
接着，向电离氢水照射作为太阳能的超声波或微波(S102)。除了照射太阳光以外，还可以向电离氢水照射人工生成的选定波长的超声波或微波。在电离氢水中，氢分子通过电离成形成作为雾化颗粒的微气泡。如果向电离氢水照射超声波或微波，则对微气泡形成搅拌(S103)，产生微空化(S104)，进一步形成细小的微气泡(S105)，诱发能形成氢等离子体的场(能分解和合成氢等离子体的场)(S106)。变细小的微气泡再次结合而成长为大的微气泡，若大到一定程度时会无法承受，微气泡就会破裂，产生氢等离子体场(S107)。这些微气泡的成长、破裂在水中持续产生。由此，在电离氢水的溶液中诱发能形成氢等离子体的场，在雾化颗粒化的微气泡裂开时，形成氢等离子体场。
接着，对在乳状油的制造方法中采用本发明氢等离子体场产生方法的例子进行说明。通过在电离氢水中产生氢等离子体场，从而能稳定地产生高质量的乳状油。图8中所示的照片表示：将CaO和MgO按重量比1∶1混合后在无氧还原状态的气氛中进行还原煅烧，将所生成的5％的CaH2、5％的CaO、5％的MgH2和5％的MgO浸于超纯水中，在所形成电离氢水中产生的粒径大小各异的乳状油。某些颗粒的直径为20μm，某些颗粒的直径为50μm。需要额外留意的是，此处所示的油乳液是在不添加表面活性剂或乳化剂等的情况下通过电离氢水而乳化的。
在图8所示的乳液中，照射作为太阳能的超声波或微波。如上所述，电离氢水会诱发能形成氢等离子体场的场，在通过太阳能进行振动搅拌的微气泡裂开时形成氢等离子体场。图9表示对图8的乳状油照射太阳光后的乳状油。由该照片也可知，由于氢等离子体场的产生，颗粒变得更加细小。在附图的例子中，1个颗粒的直径约为5μm的程度。
乳状油通过照射太阳光，从而粒径变细，但若停止照射太阳能，则乳状油的粒径恢复到原始状态，即成为如图8所示的较大粒径。因此，通过控制太阳光对乳状油的照射或者人工生成的选定波长的微波或超声波对乳状油的照射，能够改变乳状油的粒径。
图10(A)是表示根据本发明实施例的氢等离子体场产生装置的构成例的框图。本实施例的氢等离子体场产生装置的构成至少包含：保持溶解有正型氢分子的电离氢水的保持容器100、向保持容器100的电离氢水照射超声波或微波的照射单元110和控制照射单元110的照射的控制器120。相反，照射单元110只要使用太阳能进行照射，则照射单元110形成包含能透过太阳光或遮光的快门(シヤツタ一)。控制器130控制快门的开闭和快门的开闭时间。
图10(B)是表示根据本发明实施例的乳化装置的构成例的框图。本实施例的乳化装置除了图10(A)的构成以外，还具有注入油的注入单元130。油在常温下为固体的情况下，通过加热进行液化，将其与保持容器100内的电离氢水混合。控制器120经由阀门控制注入油的时机和量等。
接着，参照图11的流程对本发明第2实施例的氢等离子体场的产生方法进行说明。与上述图7所示的实施例相同，准备含有离子键性的氢分子(即正型氢分子)的电离氢水(S201)。这种电离氢水也可以根据例如由本发明人所发明的日本专利第4404657号的制造方法等制备氢化金属(MH2或MH)，在自来水等水中悬浮该氢化金属(MH2或MH)而得到。由此，可以诱发能形成氢等离子体场的水(S202)。
接着，若对能形成氢等离子体场的水照射真空紫外光(例如氩准分子灯紫外光(UV)灯(波长193nm)的市售UV灯)(S203)，则可得到溶解氧气为0或几乎不存在溶解氧气的碱还原性矿化水(S204)。换句话说，可以得到作为电离氢水的以 的形式溶解有氢分子的氢等离子体水。诱发氢等离子体场后的水由于太阳光或真空紫外光灯中所含的波长193nm＝振动数50GHz(氢的振动数)的光能量而引起水的光分解，形成氢气(4H2↑)和氧气(O2↑)而气化，然后在水中残留6个电子，形成碱还原性的水。在该水中，溶解氧为0或者基本不存在。由实验确认到，在向该电离氢水照射太阳光时，溶解氧为0或者基本不存在。
图11(B)表示本发明第2实施例的其它例子。在图11(B)的流程图中，使用与图7所示的第1实施例时相同的过程来诱发能形成氢等离子体的场。即，向含有离子键合的氢分子(正型氢分子)的溶液照射微波，形成微气泡(S201A)，形成能得到氢等离子体的场(S202)。该微波至少含有波长193nm。以后的步骤与图11(A)时相同，通过照射波长193nm或振动数50GHz的真空紫外光(S203)，从而生成溶解氧为0的真空状态的电离氢水(氢等离子体水)(S204)。
本发明第2实施例的产氢方法可以使用图10(A)所示的氢等离子体场产生装置。在该情况下，在照射单元110中，作为至少包含波长193nm的真空紫外光的光源，优选使用准分子UV灯。此外，本发明的第2实施方式还可以应用于图10(B)中所示的乳化装置。
由此，根据本发明，可以在常温、常压、真空的水中或液体中产生氢等离子体场，而该氢等离子体场是与目前在高温、高压的大气中产生的氢等离子体场完全不同的体系。
接着，对本发明的第3实施例进行说明。本发明的第3实施例涉及使用在第1和第2实施例中说明的能形成氢等离子体场的电离氢水进行太阳光发电。如上所述，由于193nm(50GHz)的微波所具有的能量足以切断2个氢原子和1个氧原子经由电子而形成的键，因此若向溶解氧为0的电离氢水照射与该波长相当的真空紫外线，则实质上引起水的光分解，产生雾化颗粒，引起水的蒸发。此时，电离氢水中，维系水分子的电子无处可去而残留下来，成为富电子的电离氢水、即氢等离子体水。
利用该原理，例如在容器内容纳富阳离子的人工海水和富电子的电离氢水(氢等离子体水)，阳极使用例如铜(Cu)板，阴极使用例如镁(Mg)板，若照射太阳光，则在电极间产生电位差，形成电流流动。图12(A)是说明利用氢等离子体的产生进行太阳光发电的原理的图。在该图中，在容器300内容纳有能形成氢等离子体场的电离氢水310，在其中浸渍阴极320。在优选的方式中，容器300由至少能透过193nm波长的透明材料构成，在更优选的方式中，容器300由对太阳光透明的材料构成。另一方面，在容器400内，放置富阳离子的人工海水410，在其中浸渍阳极420。
若向电子氢水310照射包括193nm波长的太阳光330，则如上所述，诱发氢等离子体场后的水由于波长193nm(振动数50GHz)的光能而引起光分解，形成氢气(4H2↑)和氧气(O2↑)而气化，然后在水中残留6个电子，形成富电子的电离氢水。由此，若将阳极420和阴极320导电连接，则产生电流流动。此外，如图12(B)所示，通过在两电极间连接电容器等蓄电元件或蓄电装置500，从而能在蓄电元件中积蓄电荷，可以使用积蓄的电能对负载进行电驱动。
由此，对于这种能形成氢等离子体场的电离氢水而言，对其照射太阳光，从而产生氢等离子体场，使电离氢水成为富电子的状态，由此能够利用100％的太阳光进行发电。另外，在上述实施例中，使用人工海水作为富阳离子的水，除了人工海水以外，还可以使用其它包含阳离子的水。
对本发明的优选实施方式进行了详细描述，但本发明并不受到特定实施方式的限定，只要在权利要求范围内记载的本发明要旨的范围内，就可以进行各种变化和变更。
符号说明
10：氢原子核
12：电子
14：分子极性
16：电子自旋轴
18：核自旋轴
300、400：容器
310：电离氢水
320：阴极
330：太阳光
410：富阳离子的人工海水
420：阳极
500：蓄电元件

Claims (9)

1.一种发电方法，其中，向溶解有正型氢分子或离子键性氢化氢的电离氢水照射至少包括193nm的光，在该电离氢水与包含阳离子的水之间产生电位差，从而进行发电。
2.如权利要求1所述的发电方法，其中，所述光是太阳光。
3.如权利要求1所述的发电方法，其中，所述光是真空紫外光。
4.如权利要求1所述的发电方法，其中，在所述电离氢水中浸渍阴极，在所述包含阳离子的水中浸渍阳极，使两电极之间产生电位差。
5.如权利要求1所述的发电方法，其中，所述包含阳离子的水是海水。
6.一种发电装置，其具有容纳溶解有正型氢分子或离子键性氢化氢的电离氢水的第1容纳单元、容纳包含阳离子的水的第2容纳单元、在所述第1容纳单元内设置的第1电极、在所述第2容纳单元内设置的第2电极和向所述电离氢水照射至少包括193nm的光的照射单元。
7.如权利要求6所述的发电装置，其中，所述第1容纳单元包含至少能透过193nm波长的材料，所述照射单元隔着所述透过的材料照射光。
8.如权利要求6或7所述的发电装置，其中，所述照射单元照射太阳光。
9.如权利要求6所述的发电装置，其中，所述发电装置还包含与所述第1和第2电极电连接的蓄电元件。
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