CN112823572B - 用于在大气中转换能量的器件以及用于制造该器件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于从带电微粒中转换电能的器件，包括：正极，该正极包括以板状布置的组合物，该组合物包含粘合剂和填充物，其中，该填充物被分散在该粘合剂中，并且该填充物至少包含二氧化钛和活性炭微粒。该器件还包括以板状布置的负极，该负极包含金属合金，其中该金属合金包含铝和镁。该器件还包括气体可渗透的绝缘体。所述正极、所述气体可渗透的绝缘体和所述负极被堆叠成层状结构。所述气体可渗透的绝缘体被布置作为所述正极与所述负极之间的中间层。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于产生电能的器件以及用于制造该器件的方法。
背景技术
尽管诸如石油和天然气等的化石能源正在迅速枯竭，并且全球对可再生清洁能源的需求正在增长，出现了新的用于产生能量的技术。这种技术的一个示例是将太阳能转换为电能，其中使用光伏转换将太阳辐射转换为电能。
太阳辐射能量不是唯一的可再生能源。带电微粒在地球大气中非常丰富，可提供无限量的能源。已知可以使用可以悬浮在大气中并捕获带电微粒的铜线来收集这种能量。悬浮的铜线表现出电荷的积累，该电荷的积累可以例如使用电压表来进行电气测量。但是，还没有记录到这种电荷的有用应用，例如利用电荷为电器供电。
从Chalmers,J.Alan,Atmospheric Electricity,Pergamon Press,London(1957)知道，具有由太阳辐射和/或放射性产生的带正电微粒形式的正电荷可悬浮在地球大气中。由这种产生带正电微粒的过程产生的自由电子通过例如雷暴被转移到地球。随后，地球相对于地球大气带负电。可以使用例如悬浮在地面上方的导线来收集带正电微粒。这样的导线可以由铜制成。
与使用已知的铜线来转换带电微粒相关联的问题是铜导体表面的磁化率(susceptibility)。具有未经处理的表面的普通铜线无法有效捕获微粒，因此充电缓慢。被捕获的微粒将其能量转换为电荷，但是由于这些微粒的捕获缓慢、效率低下，因此无法有效利用如此收集的电能。可以利用用于悬浮导体的替代材料，诸如包含诸如石墨的活性炭微粒的电线，如在申请号为2014210308的美国公开专利申请中所示的例子。
专利文献CA2678756A1进一步公开了一种电容器，该电容器存储来自空气和地面的电能。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造用于能量转换的器件的方法，并且该器件具有改善的带电微粒的磁化率和改善的能量转换率。
该目的在根据方案1的用于从带电微粒中转换电能的器件中实现。
用于从带电微粒中转换电能的器件包括正极，该正极包括以板状布置的组合物，该组合物包含粘合剂和填充物，其中，该填充物被分散在该粘合剂中，并且该填充物至少包含二氧化钛和活性炭微粒。
该器件还包括以板状布置的负极，该负极包含金属合金，其中该金属合金包含铝和镁。
正极和负极为板状。正极和负极具有相互对应的结构。正极和负极可以是扁平的。在其他示例中，正极和负极可以具有波纹结构、圆柱形或折叠结构等。
该器件还包括气体可渗透的绝缘体。
正极、气体可渗透的绝缘体和负极被堆叠成层状结构。该气体可渗透的绝缘体被布置作为正极与负极之间的中间层。
绝缘的正极能够从地球大气中捕获带正电微粒。当被捕获时，微粒与来自正极的电子重新结合。从而使正电极带正电。当连接到负载时，电能可以用作电压和电流，其可以从负极和正极中漏出(drain)。这样收集的电能可以用在诸如电阻负载的至少一种电负载中，或者可选地，存储在诸如可充电电池的蓄电装置中，然后用到电器中。
在一个实施例中，板状正极在极化方向上被横向静电极化，而金属合金沿压延(roll)方向被压延，并且，相对于负极布置正极，使得正极的极化方向垂直于负极的压延方向。
这显著提高了通过正极捕获带电微粒的效率，从而导致输出电压增加。
在一个实施例中，粘合剂包含热固性树脂，其中该树脂已经通过使用相关联的催化剂固化该树脂而被硬化。
在一个实施例中，热固性树脂包括环氧树脂。
在一个实施例中，填充物的粒径小于500nm。
在一个实施例中，气体可渗透的绝缘体包括合成材料的非织造织物层。
这样可以使正极和负极通过气体可渗透的绝缘体与地球大气接触。
在一个实施例中，该金属合金还包含以下中的至少一种：锰、铜、锌和硅。
这样可以获得更高的电压。
该目的还在根据方案7的用于从带电微粒中转换电能的系统中实现。该系统包括如上所述的用于从带电微粒中转换电能的器件，其中，正极在与气体可渗透的绝缘体相背(opposite)的表面指向地球大气，并且其中负极接地。
通过接地，负极呈现相对于地球大气为负的接地电位。这样，来自大气的带正电微粒被吸引到负极。随后，带正电微粒由正极通过面向地球大气的表面捕获，该表面与面向气体可渗透的绝缘体的表面相背。
通过将正极和负极连接到电负载(例如电阻器)，将产生流过该负载的电流，其中来自负极的电子将中和正极中捕获的带正电微粒。
该目的还在根据方案8的制造用于从带电微粒中转换电能的器件的方法中实现。
该方法包括制造正极。制造正极包括将粘合剂与填充物混合成组合物，其中该填充物被分散在该粘合剂中。该粘合剂包含树脂，该填充物至少包含二氧化钛和活性炭微粒。
该组合物被浇铸到用于形成正极的模具中。该模具被布置用于将正极形成为包含该组合物的板状。该组合物通过用催化剂固化而被硬化。该组合物随后可被冷却。
该方法还包括制造负极，包括准备金属合金棒，其中该金属合金包含铝和镁。
该方法还包括提供气体可渗透的绝缘体。
该方法还包括将正极、气体可渗透的绝缘体和负极堆叠成层状结构，其中，该堆叠包括将该气体可渗透的绝缘体布置为正极与负极之间的中间层。
在一个实施例中，制造正极还包括在极化方向上对包含组合物的板进行静电极化，其中，该极化方向沿板的横向方向，以及，制造负极还包括沿单行压延方向将金属合金棒压延成金属合金板以获得负极，以及，将正极、气体可渗透的绝缘体和负极堆叠成层状结构还包括将正极和负极彼此相对地布置，以使正极的极化方向垂直于负极的压延方向。
这改善了带正电微粒的捕获，从而增加了器件的输出电压。
在一个实施例中，树脂包含热固性树脂和相关联的催化剂，其中，正极的硬化包括使用催化剂对树脂进行固化。
在一个实施例中，树脂包含环氧树脂。
在一个实施例中，填充物被研磨成粒径小于500nm。
在一个实施例中，气体可渗透的绝缘体包括合成材料的非织造织物层。
这种非织造织物使得来自地球大气层的空气进入正极与负极之间。
在一个实施例中，该合成材料包含聚酯。
在一个实施例中，该方法还包括在对组合物硬化之后，对该组合物进行冷却，并且其中，在对组合物进行冷却期间执行静电极化。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的用于从带电微粒中转换电能的器件。
图2示出了根据本发明的实施例的、制造根据本发明的实施例的用于转换电能的器件的方法的框图。
图3示出了根据本发明的实施例的用于从带电微粒中转换电能的系统的示意图。
附图标记说明
| 100 | 用于从带电微粒中转换电能的器件 |
| 101 | 负极 |
| 102 | 正极 |
| 103 | 气体可渗透的绝缘体 |
| D1 | 负极压延方向 |
| D2 | 正极极化方向 |
| 300 | 制造用于转换电能的器件的方法 |
| 301 | 制造正极 |
| 302 | 制造负极 |
| 303 | 提供绝缘材料片 |
| 304 | 将正极、气体可渗透的绝缘体和负极堆叠成层状结构 |
| 400 | 用于从带电微粒中转换电能的系统 |
| 401 | 地球大气 |
| 402 | 接地电极 |
| 403 | 导电引线 |
| 404 | 电负载 |
| 405 | 地 |
| 406 | 带正电微粒 |
具体实施方式
图1中示出了用于转换电能的器件100的示例。该器件100包括正极102、气体可渗透的绝缘体103和负极101的堆叠。
正极102由填充物和作为粘合剂的热固性树脂制成。该热固性树脂可以是环氧树脂，其可以通过本领域技术人员已知的合适的硬化剂来固化。填充物包含二氧化钛。该填充物还包含活性炭微粒。该填充物被研磨成粒径小于500微米的二氧化钛微粒和活性炭微粒。活性炭微粒由可在600℃–900℃的温度范围内进行热解的碳微粒制成。磨碎的活性炭微粒在热解过程中获得分形(fractal)的形状。这样可以改善从地球大气中捕获带电微粒。如在申请号为2014210308的美国公开专利申请中的例子所示，碳微粒提供了尖的导电表面，从而改善了电能的捕获。活性炭的分形结构进一步提高了这种效果。
在研磨后，填充物被分散到环氧树脂中，形成混合物。向该混合物中添加硬化剂。将带有填充物和硬化剂的环氧树脂浇铸到模具中，在该模具中进行固化。该固化在至少150℃的温度下进行。
该模具被成形为允许制造板状正极102。在固化之后，正极102可以在横向方向(又称为极化方向D2)上经受至少200kV/m的电场，而在固化后对正极进行冷却，使二氧化钛微粒沉淀在环氧树脂内的极化位置。磨碎的活性炭微粒还为正极102提供导电性。
在冷却之后，从模具中移除极化的正极102。为了便于从模具中移除正极102，可以在模具内施加打蜡剂。可替换地，打蜡剂可以在固化之前与树脂进行混合。
在厚度为3mm的正极的示例中，粒径为0.3微米的二氧化钛含量可以在100–200gr/dm2的范围内。
此外，在相同的示例中，活性炭含量可以在100–200mg/dm2的范围内。
负极101由包含铝和镁的金属合金制成。除了铝和镁之外，锌、锰、铜可以被添加。该金属合金还可以包含硅。
具有所有成分的金属合金的示例性组分显示在下表1中，其中对于每种元素，其相对含量的范围以重量百分比(WT％)为单位。
本领域技术人员将认识到，可以将其他成分或元素添加到金属合金中。
| 元素 | WT％范围 |
| 铝 | 90-98 |
| 镁 | 0.2–1.5 |
| 锰 | 0.1–0.3 |
| 铜 | 0.2–0.6 |
| 锌 | 0.1–0.5 |
| 硅 | 0.7-1.7 |
表1，对于每种元素，以WT％为单位的优选的金属合金组分
金属合金棒可以被沿单行方向D1压延以获得金属合金片。负极101可以被从该金属合金片中切下。
气体可渗透的绝缘体103可以由气体可渗透的合成材料片形成。该合成材料片可渗透气体。该气体可以是空气。该合成材料片优选地由非织造的合成织物片制成，例如聚酯。
负极101、正极102和气体可渗透的绝缘体103被堆叠并且随后被压缩，以形成器件100。如图1所示，极化方向D2与压延方向D1可以相互垂直地选择。
在示例性实施例中，正极102、负极101和气体可渗透的绝缘体103的尺寸为10cm×10cm，然而，可以考虑其他尺寸。尺寸越大，器件的电流容量越高，即，可以从器件100漏出更多的电流。
多个器件100可以串联连接，其中，第一器件的负极101连接到第二器件的正极102，并且其中，根据在第一器件100的正极102与第二器件100的负极101之间测得的总电压确定输出电压，以增加其输出电压。
用于转换电能的多个器件100也可以在堆叠方向上被堆叠，其中，在堆叠方向上，多个器件100中的每个串联连接。当堆叠的器件形成器件的串联连接时，这可以实现更高的电压，其中每个单独的器件的电压可以相加。
此外，多个器件100可以并联连接，其中，多个器件100中的每个的负极101互连，并且其中，多个器件100中的每个的正极102互连。这将增加并行连接的器件100的电流容量，其与互连的器件100的数量成比例。
本领域技术人员将认识到可以设想并串联(parallel and series)连接的器件100的配置。
图2的框图示出了制造用于转换电能的器件100的方法300。
在步骤301中，制造正极102，在步骤302中，制造负极101。
在步骤301中，通过将作为粘合剂的树脂与作为填充物的二氧化钛和活性炭微粒混合成组合物来制造正极102。优选地，该树脂为热固性树脂。更优选地，该树脂为环氧树脂。
二氧化钛和活性炭微粒被研磨成粒径小于500nm。在混合期间，填充物被分散在树脂中。所得到的组合物随后与硬化剂进行混合。对于环氧树脂，硬化剂可以是包含伯胺、环酐、多酚和硫醇的非决定性列表中的一者。优选地，硬化剂包含环状化学结构。
组合物随后被浇铸到用于形成正极102的模具中，其中，该模具被布置用于将正极102形成为包含该组合物的板。该组合物在模具中被热硬化以形成板。如上所述，在硬化时，通过施加电场来对正极102进行静电极化。
在步骤302中，通过准备如上所述的具有金属和硅的金属合金来准备负极101。金属和硅被熔化到一起，并被浇铸到用于形成棒的模具中。模具中的金属随后被冷却。金属合金棒在单行压延方向上被压延成金属合金板。然后，切割压延的金属合金板，以从金属合金板获得负极102。
正极102、气体可渗透的绝缘体103和负极101被堆叠。当堆叠时，正极102和负极101可以彼此相对地设置，使得正极的极化方向D2在垂直于负极101的压延方向D1的方向上。
如图1所示的器件100被示出由扁平状的堆叠的正极102、负极101和气体可渗透的绝缘体103制成。可替代地，器件100可以以弯曲状的层压方式被制造，其中，正极、负极和气体可渗透的绝缘体具有相应的曲率或弯曲的板状，从而允许将这些部件堆叠和压缩。
在步骤303中，提供包括非织造合成材料片的气体可渗透的绝缘体103。
步骤301-303可以以随机顺序执行。
在步骤304中，正极102、气体可渗透的绝缘体103和负极101被堆叠。
在图3中，用于从带电微粒中转换电能的系统400被示意性地示出，该系统具有如上所述的器件100。负极101连接到地405。这可以例如通过使用接地电极402来执行。负极101将相对于地球大气401带负电。
面向地球大气401的正极102将吸引来自地球大气401的带正电微粒406，这些微粒随后可以被正极102捕获。带正电微粒406被正极102中的电子中和，从而该正极102带正电。可以使用导电引线403将带负电的负极101与带正电的正极102之间的电荷差转移到电负载404。电负载404可以例如是电阻负载、电功率转换器和诸如可充电电池的蓄电装置中的至少一种。通过使用电功率转换器，捕获的电能可以用于以与正极102和负极101之间的累积电压差不同的电压为电气设备或电器供电。
对于本领域技术人员将清楚的是，本发明的范围不限于以上讨论的示例，而是在不脱离由所附权利要求定义的本发明的范围的情况下，可以对其进行若干修改和变型。具体地，可以对本发明的各个方面的特定特征进行组合。本发明的一个方面可以通过添加结合本发明的另一个方面描述的特征被进一步有利地增强。尽管已经在附图和说明书中详细示出和描述了本发明，但是这样的图示和描述应被认为仅是说明性或示例性的，而不是限制性的。
本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他步骤或元件，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制本发明的范围。
Claims (16)
1.一种用于从地球大气(401)的带电微粒中转换电能的器件(100)，包括：
正极(102)，所述正极(102)包括以板状布置的组合物，所述组合物包含粘合剂和填充物，其中，所述填充物被分散在所述粘合剂中，并且所述填充物至少包含二氧化钛微粒和活性炭微粒，并且其中所述正极(102)被布置成面对所述地球大气(401)以从所述地球大气(401)吸引带正电微粒，所述带正电微粒随后能够被所述正极(102)捕获；
以板状布置的负极(101)，所述负极(101)包含金属合金，其中所述金属合金包含铝和镁；
气体可渗透的绝缘体(103)；
其中，所述正极(102)、所述气体可渗透的绝缘体(103)和所述负极(101)被堆叠成层状结构，并且其中，所述气体可渗透的绝缘体(103)被布置作为所述正极(102)与所述负极(101)之间的中间层。
2.根据权利要求1所述的器件(100)，其中：
板状正极(102)在极化方向(D2)上被横向静电极化；并且其中，
所述负极(101)的所述金属合金沿压延方向(D1)被压延；并且其中，
相对于所述负极(101)布置所述正极(102)，使得所述正极(102)的所述极化方向(D2)垂直于所述负极(101)的所述压延方向(D1)。
3.根据权利要求1所述的器件(100)，其中，所述粘合剂包含热固性树脂，其中该树脂已经使用相关联的催化剂被硬化。
4.根据权利要求3所述的器件(100)，其中所述热固性树脂包括环氧树脂。
5.根据前述权利要求1-4中的任一项所述的器件(100)，其中，填充物微粒的粒径小于500nm。
6.根据前述权利要求1-4中的任一项所述的器件(100)，其中，所述气体可渗透的绝缘体(103)包括合成材料的非织造织物层。
7.根据前述权利要求1-4中的任一项所述的器件(100)，其中，所述金属合金还包含以下中的至少一种：锰、铜、锌和硅。
8.一种用于从带电微粒中转换电能的系统(400)，所述系统(400)包括根据前述权利要求中的任一项所述的用于从地球大气(401)的带电微粒中转换电能的器件(100)，其中，所述正极(102)在与所述气体可渗透的绝缘体(103)相背的表面指向地球大气(401)，并且其中，所述负极(101)接地(405)。
9.一种制造(300)用于从来自地球大气(401)的带电微粒中转换电能的器件(100)的方法，所述方法包括：
制造(301)正极(102)，所述正极(102)被布置成面对所述地球大气以从所述地球大气吸引带正电微粒，所述带正电微粒随后能够被所述正极捕获，包括：
将粘合剂与填充物混合成组合物，其中所述填充物被分散在所述粘合剂中，其中，所述粘合剂包含树脂，并且其中，所述填充物至少包含二氧化钛和活性炭微粒；
将所述组合物浇铸到用于形成所述正极(102)的模具中，其中，所述模具被布置用于将所述正极(102)形成为包含所述组合物的板状；
对所述组合物进行硬化；
制造(302)负极(101)，包括：
准备金属合金棒，其中，所述金属合金包含铝和镁；
提供(303)气体可渗透的绝缘体(103)；
将所述正极(102)、所述气体可渗透的绝缘体(103)和所述负极(101)堆叠(304)成层状结构，其中，所述堆叠(304)包括将所述气体可渗透的绝缘体(103)布置为所述正极(102)与所述负极(101)之间的中间层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中：
所述制造(301)正极(102)还包括：在极化方向上对包含所述组合物的所述板进行静电极化，其中，所述极化方向沿所述板的横向方向；并且其中，
所述制造(302)负极(101)还包括：沿单行压延方向将所述金属合金棒压延成金属合金板以获得所述负极；并且其中，
所述将所述正极(102)、所述气体可渗透的绝缘体(103)和所述负极(101)堆叠(304)成层状结构还包括：将所述正极(102)和所述负极(101)彼此相对地布置，以使所述正极(102)的所述极化方向(D2)垂直于所述负极(101)的所述压延方向(D1)。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述粘合剂包含热固性树脂，并且其中，对所述正极(102)进行硬化包括：使用相关联的催化剂对所述热固性树脂进行固化。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述热固性树脂包括环氧树脂。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其中，所述填充物被研磨成粒径小于500nm。
14.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其中，所述气体可渗透的绝缘体(103)包括合成材料的非织造织物层。
15.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括：
在对所述正极(102)的所述组合物进行硬化之后，对所述组合物进行冷却，并且，在对所述组合物进行冷却期间执行对所述正极(102)的所述静电极化。
16.根据权利要求9-12和15中任一项所述的方法，其中，所述金属合金还包含以下中的至少一种：锰、铜、锌和硅。
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