CN105431954A - 可抵御有害事件的网络系统 - Google Patents

Abstract

一种可抵御有害事件的网络系统，由通过无线电、光或其他电磁信号进行相互通信，或者通过物理连接，诸如电线、电缆或其他能够携带信息和通信信号的物理连接方式进行相互通信的自主供电且可移动的多个节点构成。所述节点由一能量发生器供电且包括多种数据、信息和声音采集、接收和发射设备以及机械、光学和推进设备。

Description

可抵御有害事件的网络系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月15日提交的美国专利申请号13/835,373的优先权的权益，其公开内容通过引用方式在此并入。

技术领域

本发明涉及通过固态设备来产生电能，并且更具体地说，涉及通过在不同材料之间的接合处产生的热增强型内建电势(built-inpotentials)的电压源的使用来产生电能，不同材料包括金属、半导体、陶瓷(氧化物、碳化物等)以及碳(石墨、木炭)。

背景技术

电能产生设备利用能量输入，包括但不限于电磁波(太阳光、红外光等)、热能、机械能和原子能，并且接着将这些不同形式的能量输入转换为可以使用的电能。这些设备的制造虽然已经很好地确立但是可能仍旧是昂贵的和复杂的。

目前大部分能量产生来自于矿物燃料的不可再生的燃烧，并且虽然这种形式的能量转换依然比其他任何类型的电产生都低廉，但是对于环境和人类健康的长期危害并不能由能量产生的成本来普遍地衡量。此外，石油转化为电能的效率估计仅仅在9％。

与基于矿物燃料的电能产生相比时，由太阳能电池产生的电的成本也相当昂贵，并且在缺少相应的光频率(夜晚时间)时它们存在能量存储问题。另外，因为光电效应，太阳能电池只能利用太阳光中的某些频率，其提供的效率是太阳入射能量的11-30％。

基于风、水力电气和原子能输入的其他类型的能量转换系统尽管在一些情况中成本有效，但是却消积地影响环境和/或可能要求大量的资本支出。其他更多特殊类型的发电设备例如热电、热电子和磁液体动力设备，当前没有使其适应大量电能产生的必须的转换效率，并且另外，其制造起来很复杂。即使在2006年10月2日石油流通价格在61美元/桶徘徊时，可选形式的能量转换生产和操作起来也不是成本有效的。这些形式的能量输入(例如，煤和原子能)被认为与基于石油的能量输入是可成本竞争的，其通过温室气体和粒子的排放或者通过放射性废物的产生对环境造成了危害。

发明内容

本发明，即一种新型的电能产生设备，基于将稳定的材料——氧化物、半导体、金属以及碳分层，从而在各材料的界面处出现电压差，并且总电压值被显示在设备的正极外层和负极外层之间。通过利用在具有不同的电子/空穴(hole)结构和密度的稳定材料之间的界面两侧形成的内建电势，可以从该设备或电池中产生电流。

因此，本发明的几个目标和优势在于：(a)提供一种电能产生方法，其可以通过在世界上大部分地区容易得到的多种材料产生；(b)提供一种电能产生方法，其容易以古老的、连续或分批的印刷和喷涂技术制造，并且不需要昂贵的加工或制造工艺；(c)提供一种电能产生方法，其不伴随有粒子、放射性废物、温室气体或其他有害污染物的排放；(d)提供一种电能产生方法，其在非常低的温度下(低于室内温度)和非常高的温度下(高于3000K)以及两者之间的温度下实施；(e)提供一种电能产生方法，其不一定出于转换目的而要求输入功率的持续供给；(f)提供一种电能产生方法，其仅仅要求热的出现，以便利用现有的内建电势，在某些材料接合时，其来自这些材料之间在材料界面处可获得的静电力；(g)提供一种电能产生方法，其可以具有非常平坦的维度，以自然地并入现有区域中，例如墙壁、汽车车篷、飞机机身、道路等；(h)提供一种电能产生方法，其可以用于运输交通工具中，包括但不限于飞机、自行车、汽车、船以及卡车；(i)提供一种电能产生方法，其中，能产生设备可以用在已经被电池、发电机和电容器使用的类似结构中，以利用已经存在的基础设施。

进一步的目标和优势在于提供一种在尺寸和比例上可以变化的电能产生方法，以适应较小设备——例如收音机以及较大的实体——例如住宅、城镇和城市的能量需求。根据随后的说明和附图，再进一步的目标和优势将变得显而易见。

附图说明

图1A是从负极或正极的侧面所看到的大部分基础设备电池的二维视图；

图1B是电池的理论上的电路等效；

图1C是以根据本发明的一个实施例的大部分基础设备电池的立体图；

图2是示出在封闭或隔热情况下如何处理电池周围温度的流程图；

图3是示出不同的热处理之后两个实际电池的电流的曲线图；

图4是示出不同的热处理之后两个实际电池的电压的曲线图；

图5示出了针对以不同的电阻负载连接的钢、氧化镨、碳/石墨和镀锌钢电池的采样点的最符合的电压-电流线；

图6是包括在诸如杜瓦瓶(Dewarflask)或陶瓷容器隔离型容器中的具有控制器电路以及热电偶和加热元件的能量电池(powercell)设备的侧面的横截面示意图；

图7A是在设备的碳和氧化物层接合之前电荷行为的示意图；

图7B是紧接在设备的碳和氧化物层接合之后电荷行为的示意性表现；

图7C是在设备的碳和氧化物层接合之后处于热平衡的电荷行为的示意性表现；

图7D是电阻负载连接在设备的所接合的碳和氧化物层之间时，整个电池内的电荷行为的示意性表现；

图8是具有黑体吸收装置和热存储面板的、封装/热密封在玻璃或塑料薄板中的氧化物碳电池。

具体实施方式

本发明，一种新型的电能产生设备，是基于将不同的材料——氧化物、半导体、金属以及碳有目的地分层，从而在各材料的界面处出现电压差，并且总电压值被呈现在设备的正极和负极之间。通过在具有不同的电子结构和密度的稳定材料之间的界面两侧形成内建电势使得从该设备产生电。一旦采用正确排列的层，设备就可以被视为任何电能设备并且串联或并联地堆叠，以达到期望的电压输出或电流输出。

电子以波的形式振荡并发射电磁能量。这些波具有基于普朗克公式的频率分布。同样，因为原子之间的连接，一个或多个原子从其平衡位置迁移将会产生一组通过点阵传播的振动波。因为材料可能包括呈其刚性态的非晶体成分和晶体成分，所以电子的运动可以由光子和声子原因引起，但不限于光子和声子原因。在热电子发射时，因为热振动能量克服了使电子保持在原材料表面的静电力，所以电子从材料表面溢出并聚集到不同的材料上。相反，塞贝克效应涉及不同温度的金属或半导体存在时产生了电压的表现。在光电发射时，当电子吸收高于阈值频率的电磁辐射时就从物质中被发射出来。

当具有不同电子/空穴密度的两种不同材料彼此接触时，在两种材料之间的边界处形成了内建电势。这种情况发生的原因在于电子和空穴扩散进电子和空穴浓度较低的区域中。因为发生复合(recombination)，最终形成了电场，这对抗进一步的复合。对两种材料之间的耗尽区上的此电场进行积分，确定了内建电势的值。

当自由电子因来自热源或电磁源中的热的增加而获得动能时，它们中的大部分能够迁移通过耗尽区，并与势垒区另一侧上的空穴结合。结果使耗尽区变宽并增大了内建电势，所述内建电势是结温(conjunctiontemperature)的线性函数。如果负载被连接在两种不同的材料之间，那么电流就流动。离子流动出现在器件的层中，进一步促进了电子在整个电路中的流动。

当达到热平衡时，内建电势也达到恒定的平衡值。此时，如果在电池的端子两侧施用电阻负载，则内建电势起到充电泵的作用，从而推动电流通过负载。如果电池的表面积足够大或者电阻负载足够大，那么该电流的电流强度将会足够小，以使通过耗尽区的复合速率将快到足以使内建电势和电流保持稳定和无限。然而，如果电阻负载太小或者电池的表面积太小，那么复合速率就不能跟上电池的能量需要，并且电流将呈现出更多地在电容器设备中出现的形状，最终恶化。

将经适当选择的材料两侧存在的内建电势与光子、声子组合和动态感应的电子运动相结合产生了固态电流发生器，这表明增加的电压与设备的增加的温度成正比且增加的电流与增加的温度的四次方成比例。与热电子/热电设备中不同，温度梯度对于设备的操作不是必需的，并且事实上，只要选择了具有某些确定特性的正确材料，设备就在室温下产生电流。与依赖于比使用的具体材料的阈值频率要高的电磁辐射的光电设备不同的是，本发明利用了材料中存在的热能来产生内建电势，当负载被应用到电池时，所述内建电势将导致电子流动。

在这里所述的固态发生器的一个实施方案中，将碳石墨(按体积计，大约90％，但可以变化)、氯化钠(离子固体—按体积计，大约10％，但可以变化)以及任选的，少量诸如聚丙烯酸酯乳液的粘合剂和蒸发性流体(水)混合在一起以形成稀薄的糊状物(paste)或油墨。然后，将此糊状物施用到金属表面或箔至足够而均匀的厚度(虽然采用的是0.2-1.0毫米的厚度，但可以要求更大的厚度，这取决于更高的操作温度以及在这些温度下所要求的更高的内建电势)，并使其干燥，接着任选地，加热到使其充分固化成更加稳定的固态材料的温度(所采用的干燥温度不超过150摄氏度，但可以更高，这取决于操作温度和设备条件)。

随后，将氧化物、氯化钠、聚丙烯酸酯乳液粘合剂(参见上文)以及水基体(matrix)形成的第二糊状物施用到第一基体的该干燥层上至足够的厚度(虽然再次采用的是0.2-1毫米的厚度，但可以要求更大的厚度，这取决于操作条件)。将金属薄片或箔施用到该层上，然后使第二基体层干燥。这使电池的内层和负极和/或正极之间更好地粘着。使由四层：金属—碳/石墨材料—氧化物—金属组成的此基础电池干燥和/或加热至足够高的温度，该温度不会损坏电池，但是固化成更稳定的固态材料(<150摄氏度)。

一旦电池被干燥，那么根据预期的最小操作温度和最大操作温度，电池可以或者通过与固态电解质结合并使其溶解，或者通过实际上成为主要电解质，允许电池吸收诸如水的流体，这将有利于载荷子的传导。离子流体的选择依赖于电池的操作温度。在比电解质的蒸发温度更高的温度下操作的电池必须被密封并加压以保证离子流体不漏出。

当电池已经吸收了足够量的电解流体时，接着用温度适当的防电和防潮的密封物绕边缘密封以保证电池的完整。密封物可以包括，但不限于环氧胶、经热处理的塑料、绝缘胶带或其他类型的密封物以及在电解质的溶解温度下固化的陶瓷釉。只要电池保持在操作温度下，该操作温度允许电解液发挥作用，但不会在电池中产生其他任何的非电解质材料或金属，那么电池就将呈现出一个电压以达到电解质的熔点。此时，浸没在不同温度的槽中的电池将导致电压成比例的变化。电池不需要温度差来操作，但是基于连接至其上的电阻负载以及电池的环境温度来布配(erogate)。理想的电阻负载允许电子和空穴以保持恒定的电压和电流的速率发生复合。

制造和材料详情

因为功率输出与碳和氧化物层之间的表面积的大小成正比，所以金属基底可以形成有很多沟槽、谷或脊，并且当施用碳及接着施用氧化物层时，沟槽、谷或脊继续穿过每个被施用的层，从而导致较高的表面积。可以通过滚筒、刷子、喷雾器、丝网印刷技术、喷墨打印机或者允许油墨或涂料散布在表面上的其他任何方法施用碳糊状物或涂料以及氧化物糊状物或涂料。虽然电池不但会以非晶态材料操作，而且还会以氧化物和碳材料的更多的晶态层操作，但简单地将材料应用为糊状物的能力会极大地降低制造成本并减少昂贵的晶体生长和制备技术的使用。

现有的光电和热电设备的当前的缺陷中的一个就在于需要洁净室和尖端(即昂贵)的技术以及用于晶体生长和设备制造的工艺。在产生原型(prototype)中，使用的金属箔或薄片是铝、不锈钢以及镀锌的不锈钢。由石墨组成的碳层与氯化钠、水和丙烯酸粘合剂混合。使用的氧化物层来源于下列金属中的每一个：镨、钛、锡、镍、铁、铜、铬、锰，并且还与氯化钠、水和丙烯酸粘合剂混合。对于在室温和简易应用中获得的最大电压和电流来说，氧化镨和氧化钛是优选的。最后，整个电池被封装在塑料薄片中并利用暴露的正极触点(contact)和负极触点而热密封。一个基础电池一般是8.5x11英寸的纸张的尺寸，并且厚度大约是8张纸。应该注意，以氧化锰制成的电池能够被再充电，并且因而还可以用作电荷存储器件。

就操作温度而言，可以使用不同的材料。例如在以铝薄片、氧化镨和石墨制成电池的情况下，操作温度应该低于铝的熔化温度，并且因为水的出现，应该是更低。包括水作为离子溶液的一部分的电池的使用意味着操作温度比水的沸点要低，或者电池在外部被加压以保持其完整性而避免使得水蒸气扩张。高温电池可以包括作为负极和正极的钨(熔点3695K)、石墨(熔点4300-4700K)或者其他的碳材料和氧化物(熔点3573K)。作为用于载荷子增强的离子流体的氯化钠的使用将允许理论上的最大操作温度，该最大操作温度小于其1738开尔文的沸点温度。

如果能够以接近氧化钍的熔点使用离子流体，那么最大操作温度大约会比开氏绝对温度的3573K熔点低些。注意，采用在室温下1伏特时分配100微安(0.0001瓦特)的钛、石墨和氧化钍的单个一平方米的电池，理论上在3000K时每10伏特分配大约1安培(10瓦特)。因此，操作温度从300K到3000K的增加导致设备的功率输出增加了100000倍。当然，这假设离子流体适当地操作在这种较高的温度下。

第二实施方案还考虑使用陶瓷，该陶瓷是已经本色烧结进瓷砖中。碳糊状物可以被施用在这些瓷砖上，并且接着金属负极如以上那样施用或者简单地由压力固定在适当位置。因为在这种情况下，氧化物层是更加稳定的陶瓷形式，所以操作温度可以更高。在任何情况下，该实施方案都应该被密封以包括电解液。

实验结果

图1C是自电池的角落处截取的立体图。传导薄片或箔20被用作基底，其上被施用适当厚度的任何施主物质(donormaterial)21，所述适当厚度将在导体20和施主物质21之间的界面两侧显示电压差。用于薄片或箔20的导体包括，但不限于铝、铜、铁、钢、不锈钢、镀锌的不锈钢和碳板。其他导体可以包括其他任何没有提及过的金属或者金属合金。施主物质21可以是，但不限于是迄今为止已经测试过的表现出电压差和良好的传导性的材料——还包括有锆和二氧化硅化合物的氧化镨混合物、氧化铬以及碳化硅。

薄片或箔20和施主物质21之间的界面处显示的电压还受到出现的潮湿物质或者使流体和化合物激活(enabling)的其他载荷子的影响。加入了以任意比例的下列成分：水、丙二醇和氯化钠组成的载荷子流体的氧化钛、氧化锌、氧化锡、氧化铝、氧化亚铜、氧化铜和Fe₂O₂离子氧化物都呈现可辨别的电压。载荷子(离子)流体可以由能够使薄片或箔20和施主物质21之间产生界面电压的任何流体组成。丙二醇和盐增加了温度范围，超过该温度范围离子流体停止流动和运动。

施主物质被施用到层23，层22不应该与层20是相同导体，因为产生的电压会与层20和21之间的电压相同，一旦三层20，21，22形成在一起，因而就会抵偿掉层21和22之间的界面上产生的任何电压电势。相反，用于层22的有效导体被确定为石墨糊状物，包括石墨、水和用于制备涂料的丙烯酸粘合剂。其他碳粉可以就像石墨那样操作。石墨糊状物在层20和22之间产生了1伏特的电压电势。

层23可以是与在层20中使用的相同的金属。在铝、氧化镨、石墨、铝分层的电池的情况下，正导线由图1C中的25表示，而负导线由图1C中的24表示。电池的理论上的电学符号由图1B表示，其中，电池27的内电阻与电压电势28串联。

图3示出了连接至100000欧姆电阻器的分层的并热塑性密封的铝箔、氧化镨和碳素石墨电池的三种不同情况(曲线31、32和33)的作为时间函数的电流。同样还示出了连接至100000欧姆电阻器的较大的钢-氧化镨-碳素石墨-镀锌的钢电池的电流(图3的曲线34)。

电流曲线31示出了电流从0至3.2EE-5安培的峰值形成，并接着以某一递减率递减。

电流曲线32示出了电流从0至2.8EE-5安培的峰值形成，并接着以某一递减率递减。这是在电池停止操作10分钟之后。

电流曲线33示出了电流从0至4EE-5安培的峰值形成，并接着以某一递减率递减。这是在电池被在沸水中剧烈地加热几分钟之后。

电流曲线34示出了对于较大的钢电池，电流在室温下升至2.7EE-5安培。这里的电流更加稳定并且递减地更加缓慢。这是该电池的表面积的函数，其允许电子更加容易地运动通过耗尽区。

图4示出了在连接至100000欧姆电阻器的分层的并热塑性密封的铝箔、氧化镨和碳素石墨电池的两侧测量的三种不同方案(曲线45、46和47)的作为时间函数的电压。同样示出的是测量出的连接至100000欧姆电阻器的较大的钢-氧化镨-碳素石墨-镀锌的钢电池的作为时间函数的电压48。

电压曲线图45示出了0时刻等于4.5伏特的开路电压。当电路以100000欧姆电阻器被闭合时，电压以一定的递减率向下递减。

电压曲线46示出了0时刻等于4.2伏特的开路电压。当电路以100000欧姆电阻器被闭合时，电压以一定的递减率向下递减。这样的结果是在电池从电压线45和图3的电流线31中示出的早期放电开始停止操作10分钟之后。

图4的电压曲线47示出了0时刻等于4.9伏特的开电路电压。当电路以100000欧姆电阻器被闭合时，电压以一定的递减率向下递减。这样的结果是在电池在沸水中被剧烈地加热2分钟并停止操作(开电路)10分钟之后。

图4的电压曲线48示出了针对较大的钢-氧化镨-碳素石墨-镀锌的钢电池的室温下0时刻等于3伏特的开路电压。当电路以100000欧姆电阻器被闭合时，电压以一个非常缓慢的速率向下递减。与在电压曲线45至47中使用的电池相比，这种电池被认为面积相当大，并且放电更加缓慢，同时对自身充电更加快速。

可以重复步骤，电池发出的电流的量直接地与电池中各层之间的界面面积成比例。另外，由电池发出的电流与电池的环境温度成比例。在确定电池尺寸时，应该考虑对于给定电池结构的这两个最重要的因素。当空间很重要时，电池的环境温度应该被充分重视。当空间不是很重要时，那么更多的考虑应该给予在较低温度下运行的大电池阵列。

图5示出了钢、氧化镨、碳/石墨以及镀锌钢电池的电压-电流曲线图。室温下该具体电池的电压-电流线59如下：

V＝-5.6356*I+Voc

或者

V＝-5.6356I+2.64

假定功率P＝VxI，得P＝-5.6356*I^Λ2+Voc*I

dP/dI＝-5.6356*2*I+Voc

令dP/dl＝0，解出I，得

Imax＝-Voc/(5.6356*2)＝2.64/(5.6356*2)＝0.23423EE-5安培

这是功率输出最大化时的电流，并且应该由以下负载产生

Rmax＝(-5.6356*Imax+Voc)/Imax＝563560欧姆。

图6是几个堆叠的能量电池64的侧面的横截面视图，其串联地包括在具有隔离盖61的隔离的容器60中。堆叠的电池64具有伸出容器60外并连接至控制器电路72的正导线65和负导线66。控制器电路的逻辑在图2中示出。控制器电路72通过导线65和66使用来自电池的能量。控制器电路通过至热电偶器件63的连接69来测量温度。

为了维持通过导线70和71的额定电压，控制器电路72使用来自电池64的能量，以通过使用连接至导线68和67的螺线管62来加热容器60的内部，从而增加隔离的容器60、61中的温度。控制器电池72被预先编程为使最佳温度升高，以及阻止隔离的容器60的槽过热。注意，容器60、61的内部温度的下降应该是因为热通过壁、线路和容器的盖传导出容器的结果而不是因为热转换为电流。

电池合并进能量系统

因为不要求温度差，很多有趣的系统设计可以被用于在这里提及的电池的用途。

很多串联或并联的电池可以放置到一起，并且将以直流电的形式提供能量至各种用途。逆变器(inverter)应该在需要的地方用于将DC变换为AC。因为电池的内建电势随着温度变化，提供可预测的DC电压的DC-DC变换器将是需要的。

各种组合的电池可以被封装在热收集器中，以产生较高的操作电压和功率输出。在电磁辐射的情况下(太阳光、人造光等)，可以使电池放置在将光转化为热的光吸收介质中。参见图8——一个具有黑体吸收器的、封装在玻璃或塑料中的氧化物碳电池，黑体吸收器使太阳光转化为热并将其存储。

使用这些电池的任何系统的效率将取决于系统存储热并防止其自电池损耗的能力。电池可以以级联的方式使用，通过这种方式，外部电池将周围的热转化为电，接着电被在中心的大部分电池上转化为热。以这种方式，电池本身作为隔热介质使用，使热上升至较热区域。另外，完全闭合或隔离的系统将产生非常具有效率的发生器，因为热可通过感应加热和感受器(susceptor)的使用以非接触的方式包括在系统中。作为密封物使用的合适材料将极大地降低热能的损耗。密封物可以包括陶瓷、塑料、环氧树脂和丙烯酸树脂。参见图6，隔离/闭合系统的逻辑设计图。

设备在室温下产生电。将设备浸入热槽中使得电压成比例地升高(与以开氏绝对温度表示的设备温度成比例)以及使电流指数上升。因此，降低设备的环境温度使显现出的电压降低。因为热-电压-功率特征，更有效的系统将使设备保持在隔离的容器中或者封装在隔热或绝缘的材料中。根据功率输出的需要，可以通过使用感应加热器来增加容器内的环境温度。为了避免设备内的热通过输出线路的传导而损耗，应该通过将其电流从直流转换为交流并使用变压器设备从产生的磁场中获取电流，而可以从设备中获取能量。

虽然本发明通过目前认为是最具有操作性且最佳的实施方式描述如上，不应将这些实施方式理解为对本发明的限制。相反地，在本发明的精神范围内的众多其他修改和等同变换也应包含在权利要求书所限定的保护范围内。

此外，由于其功能的自主性以及高度的可移动性，使得本发明还可应用于高度分布式的电力布置。基于其分布式特性，将能很好地抵御诸如自然灾害、战争等有害事件，并因此能够作为分布式信息网络的基础设施。

该分布式信息网络可以由电能发生器以及具有但不限于下述功能的多种设备的任意组合而组成的多个节点构成：计算机、电子设备、卫星、天线、WiFi电子、地震测量电子、医疗监护仪器、电话和通话设备、噪音声音记录及测量设备、热传感设备、温度气压及天气监测设备、烟雾及气体警报器、安全装置、雷达设备、声呐装置、光学设备、网络路由电子、推进器和机械设备。与现有的尚未完全集成且面临灾害时存在停电风险的通信及电力设施相比，该系统显然更为坚固。

在一优选实施方式中，所述分布式信息网络中的每个设备均包括根据本发明的电能发生器以及用于与网络中的其他设备通信的一通信设备。

此外，根据本发明的电能发生器的输出功率等级，可以使多个设备共用一个电能发生器和通信设备以实现与网络中其他设备的通信。

Claims (3)

1.一种用于网络通信的系统，其特征在于，包括：通过网络进行通信的至少两个通信设备，所述通信设备由一自主能量发生器供电；

所述自主能量发生器包括至少一个电池，所述至少一个电池包括一层富含电子的施主材料，其与一层富含空穴的受主材料相接触，该两层材料均与一电路电连接；

所述至少一个电池中还吸收或包含有一离子材料，以促进电子从所述电池的一侧流动到另一侧，由此形成在所述施主和受主材料的界面的两侧具有电势的电池；

进而提供一种具有分布式电力产生能力且可抵御有害事件的通信系统。

2.如权利要求1所述的用于网络通信的系统，其特征在于，所述离子材料为液体。

3.如权利要求1所述的用于网络通信的系统，其特征在于，所述离子材料为固体。