EA010301B1

EA010301B1 - Устройство экстракции и преобразования энергии

Info

Publication number: EA010301B1
Application number: EA200501431A
Authority: EA
Inventors: Пауло Эммануэль Де Абреу
Original assignee: Гуасемми Партисипасойнш Сосиетариаш Лтда.
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2008-08-29
Also published as: TW429664B; US6509713B2; AP9801247A0; WO2004077921A8; CN1257615A; BR9705871C3; DE602004022387D1; PE65799A1; BR9705871C2; JP2002502541A; UY25016A1; ATE438946T1; WO2004077921A2; CO4790122A1; ZA984460B; DE19881039T1; EP1602161B1; CA2260083C; WO2004077921A3; GB9901722D0

Abstract

Изобретение относится к устройствам для извлечения и преобразования энергии за счет взаимодействия света и вещества. Устройство по изобретению содержит по меньшей мере два металлических резервуара, характеризующихся высоким отношением их площади поверхности к массе метала, из которого они изготовлены. Указанные по меньшей мере два металлических резервуара приводят в состояния растяжения и сжатия с созданием термопотенциалов в свободном электронном газе. В одном из вариантов осуществления используется квантовый конденсатор, образованный по меньшей мере двумя пористыми пластинами, находящимися между парой батарей и приводимыми в состояния растяжения и сжатия.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройствам для извлечения и преобразования энергии посредством взаимодействия между светом и веществом, имеющим место, когда соответственно расположенные компоненты, представляющие собой изолированные резервуары свободного электронного газа с большим отношением массы к площади, подвергают сжатию и растяжению.

Уровень техники

Назначение генераторов энергии заключается в том, чтобы поддерживать заданное электромеханическое усилие между выводами электроразрядного устройства или любого электромеханического устройства, служащего для перемещения, нагревания, освещения, резонансного возбуждения или для снабжения энергией, используемой практически с любой целью, включая процесс зарядки и разрядки батарей за счет преобразования энергии.

Термин батарея (батареи) используется в данном документе (если конкретный контекст не подразумевает какое-либо иное значение) для описания одной или нескольких электрохимических ячеек, электрически соединенных между собой по последовательной и/или параллельной схеме. В более конкретном значении данный термин обозначает аккумуляторную батарею, именуемую также перезаряжаемой батареей или просто аккумулятором. Способы зарядки батареи хорошо известны. Самый распространенный из них состоит в пропускании через батарею постоянного тока. Хотя данный способ является весьма простым, он может приводить к повышению температуры и к избыточному выделению газов. Кроме того, полная перезарядка батареи требует длительного времени.

Улучшенный способ зарядки батареи описан в международной заявке РСТ/и897/02729 (νθ 97/32384). Он предназначен для зарядки кислотно-свинцовых, ионно-литиевых или никель-кадмиевых батарей. Данный способ предусматривает изменение первого начального периода за счет подачи во время этого периода на батарею первой пачки высокочастотных импульсов тока, причем частота этих импульсов подбирается из условия интенсификации перемешивания электролита.

В патенте США № 5801515 описаны способ и устройство для быстрой зарядки батареи с применением тока, имеющего мультичастотный состав, без использования процесса разрядки.

В патенте США № 6388425 для осуществления зарядки предложено использовать волновые фронты, имеющие в своем составе длительные импульсы зарядки с продолжительностью примерно 60-180 с, разделенные двумя паузами, между которыми предусмотрен период разрядки длительностью 10-20 с.

Помимо разработок, направленных на создание новых процессов зарядки батареи, многие фирмы стремятся создать батареи с новыми структурными характеристиками, позволяющими достичь более высоких эксплуатационных показателей. Например, фирма Ма18И8Ы1а 1пби81па1 Е1ес1пса1 Со. Ыб. подала в Японии патентную заявку 11-194008 (опубликованную под номером 2001-023682, см. также документ νΡΙ/Пегтееп! ΑΝ2001-207435/ΧΡ002306657), в которой описан герметичный кислотно-свинцовый аккумулятор, содержащий положительный электрод в форме пластины и отрицательный пористый свинцовый электрод в форме пластины определенных размеров. Данный аккумулятор был разработан с целью достижения улучшенных зарядных характеристик. Та же фирма подала европейскую заявку ЕР 0644404 А1; в ней описана герметичная щелочная батарея, снабженная средствами для уменьшения искажения формы корпусов, в которые устанавливаются ячейки, обусловленного генерацией тепла в ячейке вследствие реакций на электроде и выделения джоулева тепла при протекании процессов разрядки и зарядки.

В этой связи следует отметить, что в процессе реакции на электродах, а также при зарядке/разрядке деформации подвергаются не только корпус, но также пластины, образующие батарею. С учетом этого обстоятельства в европейском патенте ЕР 1228544 В1 решается проблема возникновения механических напряжений в пластинах батареи и, более конкретно, проблема деформации ползучести, вызванная скольжением на границах зерен, что может привести к ухудшению характеристик и сокращению срока службы батареи. Предлагаемый подход заключается в изменении структуры границ зерен непосредственно в используемом материале. Благодаря этому электрод кислотно-свинцовой батареи приобретает повышенную сопротивляемость деформации ползучести, интеркристаллитной коррозии и растрескиванию.

С другой стороны, в статье С1ейег е1 а1. СйагдеЯпбисеб РесеШЫе δίταίη ίη а Ме1а1, 8с1епсе Мадахше. Αρηΐ 11, 2003, Уо1. 300, рр. 312-315, отмечается, что путем ввода зарядов в некоторых металлах могут быть получены механические напряжения с реверсируемой амплитудой. Данный эффект особенно характерен для металлов с предельно высокими значениями отношения поверхности к объему. В немецком патенте № 19952447 С1 (соответствующем международной заявке РСТ/ЕР00/10079, νθ 01/33590) описано устройство, содержащее электрод; слой, имеющий проницаемую для металла губчатую наноструктуру, в которой подавляющее большинство атомов локализовано на легкодоступных поверхностях; электролит и средства подачи напряжения. Данное устройство обеспечивает получение оптического или механического эффекта, представляющего интерес для нескольких приложений.

Вопросы реверсируемых деформаций металлов анализировались в книге Тимошенко и др. (Т1шозйепко е1 а1. Тйеогу о£ Е1авбс 81аЬ11йу. Νονν Уогк: МсСга^-НШ, 8есопб Εάίΐίοη, 1963, рр. 470-485) при рассмотрении экспериментальных результатов, относящихся к тонким оболочкам, подвергаемым реверсируемым деформациям. В частности, рассматривались результаты испытаний на изгиб, состоящие в

- 1 010301 одновременном сжатии и растяжении симметричных сторон металлических оболочек, характеризующихся большими отношениями диаметра к толщине (ϋ/ί). При этом был сделан вывод о том, что расхождение между экспериментом и теорией более существенно для более тонких оболочек. В данной книге с использованием графиков и формул объясняется, что различные металлические сплавы имеют одинаковую критическую кривую, когда они характеризуются одинаковыми отношениями Ό/1 и Е/ п_у В частности, кривая, обозначенная на фиг. 1, как 545, - это критическая кривая как для латуни, так и для стали при Е/п_у = 545. Основываясь на результатах, полученных для испытаний на осевое сжатие и на изгиб применительно к тонким трубкам из стали и латуни, автор делает вывод, что для всех значений отношения диаметр/толщина (ϋ/1) значения, найденные для критического напряжения, примерно в 1,4 раза превышают значения, полученные в испытаниях на осевое сжатие.

Ведется также поиск новых источников энергии, в частности энергии нулевых колебаний (/его ροίηί епегду, ΖΡΕ), которые способны служить альтернативой рассмотренных известных источников. В публикации Путхоффа (ΡιιΙΙιοίΤ. Сап 1Не Уасииш Ье Епщпеегеб Гог 8расе Пщ1и аррйсайопк? ΝΑ8Α ВгеакФгоидН РгориИюп Р11У51С5 ^огккйор, Аид. 12-14, 1997, ΝΑ8Α Ьетак Везеагсй СеШег. С1еуе1апб, ОН) отмечается, что квантовый вакуум - это огромнейший резервуар неиспользуемой энергии с плотностями энергии, по консервативным оценкам Фейнмана и др., соответствующими по порядку величины или превосходящими плотности ядерной энергии. Соответственно, в данной статье ставится следующий вопрос: Возможно ли практическое использование ΖΡΕ? Далее Путхофф отмечает, что в его лаборатории ведутся исследования нескольких экспериментальных вариантов, направленных на практическое использование ΖΡΕ. В качестве примера можно указать, что патент США № 6665167 основывается на генерировании энергии с использованием эффекта Казимира, т. е. механических сил.

Техническая проблема

Рассмотренным решениям, соответствующим уровню техники, свойственны определенные недостатки, обусловленные техническими проблемами, которые будут рассмотрены далее.

В частности, рассмотренные решения не учитывают реверсируемые механические напряжения в электродах батареи, обусловленные протеканием заряда. Кроме того, в них не используются резервуары свободного электронного газа с большим отношением массы к площади, которые подвергаются сжатию и растяжению. Далее, рассмотренные решения не описывают реализацию возможности генерирования энергии и даже не указывают на такую возможность.

В этой связи необходимо отметить, что хотя в вышеупомянутой статье, опубликованной в журнале 8аепсе Мада/ше, было указано, что процессы зарядки и разрядки с применением губчатого электрода создают реверсируемую упругую деформацию в металлах, это явление не было привязано к процессам, происходящим внутри батареи, или к механизмам упругости в таких металлах, присутствующих в губчатом электроде, которые применяются в кислотно-свинцовой батарее. Более того, в упомянутом патенте ΌΕ 19952447 автор указанной статьи предлагает только один электрод, один проницаемый пористый слой, один электролит и одно средство для подачи напряжения. Далее, он упоминает, что подходящий электрод должен содержать металл, обладающий высокой проводимостью, но не предлагает схемы с двумя батареями, в частности с двумя кислотно-свинцовыми батареями. Однако для генерирования энергии за счет взаимодействия между оптическим излучением и веществом необходимо использовать металл с низкой проводимостью и с низкой температурой плавления, в частности свинец, т. е. металл, обладающий ползучестью при комнатной температуре.

В упомянутой книге Тимошенко и др. также не приводится решение технической проблемы расхождения между экспериментом и теорией для более тонких оболочек. Кроме того, здесь не выявлена промышленная применимость для 40% повышения критического напряжения при чистом изгибе по сравнению с осевым сжатием, обнаруженного для всех значений отношения диаметра к толщине (Л/ΐ). Однако при заданной температуре основная проблема состоит в том, что металлы неспособны к изменению своих внутренних свойств, например критического напряжения, без деформации своих размеров под воздействием свободного электронного газа, и наоборот. Следовательно, можно утверждать, что авторы названной книги, как и другие исследователи, не предложили практического подхода к генерированию энергии из энергии нулевых колебаний.

Более того, описанные в ЕР 1228544 В1 попытки решить техническую проблему путем повышения сопротивляемости действию указанной деформации направлены прямо противоположно реализации преимущества от использования такой деформации для того, чтобы генерировать энергию.

Исследования и патенты, опубликованные Путхоффом, также не указывают путей достижения промышленной применимости энергии нулевых колебаний. В связи с этим он делает вывод о том, что необходимы технические прорывы, которые пока невозможно точно предсказать. В частности, упомянутый патент США № 6665167 не позволяет осуществить генерирование больших количеств энергии нулевых колебаний в связи с существованием технологических ограничений при изготовлении требуемых пластин для реализации эффекта Казимира в значительных масштабах. При этом описанный вариант изобретения не связан с процессами, происходящими в батарее.

С учетом перечисленных проблем и других ограничений батареи и генераторы энергии, имеющиеся

- 2 010301 на сегодняшний день, обладают общим недостатком, который состоит в их способности к преобразованию только традиционных видов энергии. Гидроэлектрические источники энергии и источники, основанные на ископаемых топливах, характеризуются высокой стоимостью и наносят значительный ущерб окружающей среде. Использование атомной энергии сокращается вследствие высокой стоимости ее производства и крайне высоких эксплуатационных рисков, о которых можно судить по результатам катастроф, освещавшихся мировой прессой в течение последних десятилетий. Энергия ветра, приливная энергия, солнечные батареи и топливные элементы характеризуются слишком высокими затратами для гарантированного получения с их помощью неограниченных объемов энергии.

Таким образом, решениям, известным из уровня техники, свойственно много технических проблем, что препятствует получению энергии с использованием энергии нулевых колебаний (ΖΡΕ). Все имеющиеся в настоящее время батареи являются принципиально потребителями энергии, поскольку процессы зарядки и разрядки являются необратимыми, т. е. известные батареи рассеивают энергию. Кроме того, ограниченный срок службы батарей приводит к образованию токсичных отходов, так что батареи создают огромные экологические проблемы.

Сущность изобретения

Для того чтобы решить рассмотренные технические проблемы, в рамках настоящего изобретения созданы устройства для экстракции энергии и ее преобразования за счет взаимодействия между оптическим излучением и веществом. Для этой цели используются по меньшей мере два соответственно расположенных металлических резервуара с большим отношением площади поверхности к металлической массе. Согласно некоторым вариантам изобретения эти резервуары приводят в состояния растяжения и сжатия, создавая тем самым термопотенциалы в свободном электронном газе.

Первый вариант указанного устройства, использующий приведенное выше техническое решение, представляет собой очень простое устройство, состоящее из наружной металлической оболочки, испытывающей усилия растяжения и связанной посредством болтов и гаек, изолированных посредством диэлектрика, с внутренней металлической оболочкой, испытывающей усилия сжатия. Генерирование энергии осуществляется за счет доминирующего фотоэлектрического процесса.

Второй вариант осуществления устройства экстракции и преобразования энергии содержит по меньшей мере две пары батарей, действующих в качестве квантовых конденсаторов. При этом используется способ, предусматривающий приведение, на одном из своих этапов, металлических электродов одной из батарей в состояние растяжения, тогда как металлические электроды другой батареи приводятся на том же этапе в состояние сжатия. На следующем этапе электроды, находившиеся в состоянии растяжения и в состоянии сжатия, соединяют друг с другом. Данный новый способ предпочтительно осуществляют с использованием свинца, причем термопотенциалы электронного газа в течение цикла изменяются от 0 К (-273,15 °С) до температуры, вдвое превышающей абсолютную рабочую температуру. В предпочтительном варианте эти температуры соответствуют примерно 0 К (-273,15 °С) и примерно 600 К (326,85 °С).

Для того чтобы специалист в данной области техники мог легко воспроизвести настоящее изобретение с использованием нескольких описанных вариантов его осуществления и с достижением адекватных технических показателей, далее будут рассмотрены различные аспекты и параметры устройств для экстракции энергии и ее преобразования.

При комнатной температуре, составляющей примерно 300 К (26,85 °С), металлы при растяжении увеличиваются в объеме, а при сжатии металлы сокращают свой объем в соответствии с приводимыми ниже соотношениями.

Символ	Описание
Р	Приложенная нагрузка
А	Площадь поперечного сечения (до нагрузки)
1	Длина (до нагрузки)
Е	Модуль упругости
V	Коэффициент Пуассона
	Нормальное напряжение = Р/А
ε	Удельная продольная деформация = σ/Ε

Более конкретно, каждый кубический метр объема при растяжении приобретает относительное увеличение, равное (1 - 2νε + ε), а при сжатии уменьшается на (1 + 2νε-ε).

С другой стороны, при сжатии металла имеет место увеличение как концентрации в нем свободных электронов, так и его энергии Ферми, тогда как при растяжении металла, наоборот, имеет место уменьшение как концентрации в нем свободных электронов, так и его энергии Ферми в соответствии со следующим уравнением:

г

1т 1.8 л·)

- 3 010301 где

Символ

Характеристика

Ер

Ь

Энергия Ферми

Постоянная Планка

Масса электрона

Концентрация свободных электронов

Энергия Ферми увеличивается при увеличении концентрации свободных электронов в пространстве, поскольку электроны заполняют возможные состояния энергии таким образом, что, в соответствии с принципом Паули, каждое состояние заполняется парой электронов до тех пор, пока не будет достигнут уровень, отвечающий энергии Ферми.

Согласно распределению £(И) Ферми-Дирака, как это показано на графике, представленном на фиг. 2, вероятность обнаружения электрона на определенном энергетическом уровне и рассчитывается по формуле:

Как видно из графика £(И), представленного на фиг. 2 как функция энергетического уровня и, для данной температуры Т>0 К при и, равном Е_Р, вероятность обнаружения £(И) электрона равна 50%.

Значительные вариации в распределении Ферми-Дирака имеют место при больших значениях энергии Ферми, причем они обусловлены температурой или удельной продольной деформацией, созданной в материале при его растяжении или сжатии.

Фиг. 2 иллюстрирует то обстоятельство, что небольшая часть состояний с энергиями, превышающими энергии Ферми, является занятой, в то время как такая же небольшая часть состояний с энергиями, меньшими энергии Ферми, является свободной.

Контролируемое возбуждение этой части энергетических уровней, слегка превышающих энергию Ферми, достигается сжатием одной из оболочек, причем это возбуждение сочетается с возбуждением такой же доли электронов, находящихся в энергетических состояниях, лежащих немного ниже уровня энергии Ферми. Энергия, получаемая за счет растяжения другой оболочки, увеличивается благодаря большому отношению диаметра к толщине. Это позволяет перераспределить возбужденные состояния таким образом, что £(И) для и = Е_Р изменяется от 50% для каждой оболочки до £(Е_Р+АЕ_Р) в одной из оболочек и до £(Ер-АЕ_Р) в другой оболочке. Идеальный вариант состоит в получении значения £(Е_Р +АЕ_Р), равного нулю, и значения £(Е_Р-ДЕ_Р), равного 100%. В этом случае будет иметь место полная переориентация электронов свободного электронного газа в металлических оболочках.

Квантовая физика показывает, что точная доля возбужденных электронов с уровнями энергии, лежащими немного выше и немного ниже уровня энергии Ферми, рассчитывается как 9кТ/16 Е_Р. С учетом этого было экспериментально подтверждено, что удельная продольная деформация может быть записана как ε = ΔΙ/Ι = п_у/Е = 9кТ/32 Е_Р. Поскольку полная энергия деформации оболочки определяется как и = Ρ/ε/2 = /Ασ²/2Ε, а формируемое напряжение сжатия равно напряжению σ растяжения, пс = σ4 = σ. Так как 2 2 2 2 энергии пропорциональны квадратам соответствующих напряжений, получаем σ0Γ1ί10 = σ0 + σ4 или σ0Γ1ί10 = 2σ², т. е. σ0Γ1ί10 = σ/2, или σ_0Γ1ί10 = 1,414σ.

Далее будет рассмотрен фотоэлектрический эффект в широкой спектральной полосе. Энергия Е фотона связана с его частотой ν в соответствии с уравнением: Е = Ιιν. При фотоэлектрическом процессе фотон полностью поглощается электроном в фотокатоде. Когда электрон испускается из поверхности металла, его кинетическая энергия К задается выражением К = Ιιν - ω, где Ιιν - это энергия поглощаемого фотона, а величина ω равна работе, необходимой для выхода электрона из металла.

Работа (ω) должна быть израсходована на преодоление полей притяжения, создаваемых поверхностными атомами, и потерь кинетической энергии в связи со столкновениями внутренних электронов. Некоторые электроны связаны сильнее, чем другие, тогда как некоторые электроны теряют энергию при столкновениях в процессе движения по своей траектории. В случае более слабых связей и отсутствия внутренних потерь фотоэлектрон будет испущен с максимальной кинетической энергией К_тах = Ιιν - ω_ο, где ω,, - это характеристическая энергия для металлов, называемая работой выхода. Она соответствует минимальной энергии, необходимой для того, чтобы электрон пересек поверхность металла и преодолел силы притяжения, которые в нормальном состоянии связывают электрон с металлом в отсутствие механических напряжений. Следовательно, Ιιν, = ω_ο, и, поскольку К_тах = еУ_о, получаем еУ_о = 1ιν-ω_ο.

График, приведенный на фиг. 3, показывает результаты измерений кинетической энергии для натрия на некоторых частотах. Пороговая частота без механического возбуждения равна 4,39 х 10¹⁴ Гц.

До настоящего момента электрон в металле рассматривался как частица, помещенная в коробку. Другими словами, мы подразумеваем, что электроны не покидают металл, поскольку стенки энергетической коробки очень высоки. Однако опыт показывает, что электроны могут выходить из металлов,

- 4 010301 например, в случаях фотоэлектрического эффекта и термоионной эмиссии. Этот же процесс имеет место при осуществлении способа по настоящему изобретению, согласно которому происходит модифицирование функции потенциальной энергии металла в естественном состоянии в функцию потенциальной энергии металла, который возбуждается за счет механических напряжений. Эти напряжения ассоциированы с зоной поверхности, которая увеличена благодаря использованию адекватной геометрии и технологии, как это раскрывается в данном описании.

Для электронов внутри металла энергетическая функция примерно постоянна. Вблизи поверхности металла энергия быстро возрастает и достигает своего максимального значения вне границы металла. Если приписать потенциальной энергии электрона вне металла нулевой уровень, то, как показано на фиг. 4А, глубину потенциальной ямы для электрона можно обозначить, как -У_о.

Как это следует из графика, представленного на фиг. 3, значение У_о может быть определено из фотоэлектрических экспериментов. Это связано с тем фактом, что существует такая граничная частота ν_ο, что фотоны, соответствующие меньшим частотам, не могут выбить электроны из металла, находящегося в естественном состоянии, т. е. свободного от механических напряжений.

Отсюда следует, что значительная часть электронов с высокой энергией (быстрых электронов) у поверхности металла находится на пороговом уровне 1ιν_ο энергии, лежащем ниже верхней границы потенциальной ямы. Тот факт, что имеет место быстрое нарастание фототока, когда энергия фотонов превышает пороговое значение, свидетельствует о резком увеличении количества электронов, кинетическая энергия которых меньше, чем у электронов внутри металла. Это очень точно соответствует функции распределения Ферми-Дирака. Чем больше быстрых электронов имеют кинетическую энергию Е_р, тем больше других электронов имеют энергию, немного меньшую Е_р.

В соответствии с изобретением предлагаются технологии, позволяющие получить на поверхности металла значительное количество быстрых электронов с уровнями энергии, меньшими 1ιν_ο. т. е. лежащими ниже верхнего края потенциальной ямы, путем возбуждения их до энергий, превышающих Е_р.

При Т=0 К (-273,15°С) все состояния заселены на энергетическом уровне, соответствующем Е_р, лежащем выше дна потенциальной ямы. Верхнее энергетическое состояние имеет общую энергию -Ην_ο, т. е. -еУ_о + Е_Р = -Ιιν,,

При этом еУ_о = Ер + ω_ο, и следует учесть также тот факт, что при температуре 300 К (26,85°С) некоторая часть возбужденных электронов имеет энергию АЕ_Р, слегка превышающую Е_р, что может быть достигнуто за счет механических напряжений. При условии, что еУ_о = Е_р + АЕ_Р + <в_о, оказывается возможным модифицировать форму потенциальной функции металлов, свободных от напряжения (которая применительно к фотоэлектрическому эффекту показана в графической форме на фиг. 4А), к потенциальной функции металлов под напряжением, созданным воздействием механических сил (см. фиг. 4В).

При реализации процесса, в котором часть возбужденных электронов находится на уровнях, лежащих немного выше и немного ниже уровня энергии Ферми, нужно учитывать следующие свойства и технические параметры: (а) температуру; (б) валентность металла; (в) упругое напряжение в металле; (г) отношение нормального напряжения к модулю упругости для металлов, п_у/Е; (д) отношение диаметра к толщине И/ΐ; (е) площадь поверхности; (ж) возрастание критических напряжений сжатия или растяжения в двух взаимосвязанных металлических оболочках на 41,4%. С учетом названных факторов было найдено техническое решение генерирования энергии нулевых колебаний (2РЕ) в соответствии с первым вариантом устройства по изобретению, имеющее промышленную применимость и вытекающее из возрастания сопротивления металлических оболочек (рассмотренного в книге Тимошенко и др.). Данное решение реализуется через взаимодействие тепловой, фотонной, упругой и электрической энергий.

Отсюда вытекает возможность эффекта, эквивалентного 0 К (-273,15°С), который в случае осуществления первого варианта устройства экстракции и преобразования энергии использует эффект напряжения, влияющего только на массу электронного газа. Подобный подход является более эффективным, чем обычные промышленные процессы, известные из уровня техники, в которых охлаждению подвергаются все атомные частицы металла. Однако еще более значительные результаты, в том числе использование меньшей металлической массы, достигаются при использовании вариантов указанного устройства, в котором применены губчатые электроды.

Чтобы облегчить понимание, далее будут рассмотрены упругая (механическая), тепловая и электрическая энергии, ассоциированные с резервуарами свободных электронов, поверхность которых имеет большое отношение массы к площади. Из практических соображений, с учетом ряда характеристик, в качестве иллюстративного примера резервуара свободных электронов выбрана губчатая свинцовая пластина. Действительно, ее легко получить, она проста в обращении, ее свойства можно легко найти во многих опубликованных источниках. В дополнение, данный металл представляет особый интерес, поскольку характеризуется предельно высоким отношением между площадью поверхности контакта и активной массой чистого металла. Некоторые характеристики пористой пластины и микрокристаллов приведены в таблице:

- 5 010301

Характеристика	Значение	Обозначение
Размеры пластины	0,120 м х 0,140 м х 0,002 м
Нормальное напряжение	12,7x10® Па	а_у
Модуль упругости	17,4x10® Па	Е
Масса чистого свинца	8,7 х 10’² кг	ГЛ
Молярная масса свинца	207,21	м
Плотность свинца	11,34 х 10³ кг/м³	Р
Объем свинца	7,67 х 10“® м³	V = т/р
Удельная теплоёмкость свинца	128Дж/кг°С	с
Число Авогадро	6,02 х10²³	Να

Механическая энергия (Е_м), которую необходимо сообщить пористой свинцовой пластине для того, чтобы достичь предела диапазона упругости, составляет: Е_м = Е п_у2У/Е = Е (12,7 х 10^-6) 2(7,67 х 10^-6)/ (17,4 х 10⁹) = 3,55 х 10^-2Дж.

Тепловая энергия, необходимая, чтобы нагреть массу свободного электронного газа в пористой свинцовой пластине от температуры 0 К (-273,15°С) до 300 К (26,85°С), составляет Е_т = 1,77 х 10^-2 Дж, в соответствии с уравнением то = (т/М)(ЫА)(т)(2) = (87/207,2) (6,02х10²³) (9,11х 10^-31) (2) = 4,61х10^-7 кг и Ет = (4,61х10^-7)(128)(300) = 1,77х10^-2 Дж. Следовательно, эта энергия составляет половину значения механической энергии (Ем).

Таким образом, пористый свинец был выбран также и потому, что применительно к нему легче убедиться, что удельная продольная деформация (ε) равна половине значения для доли возбужденных электронов с энергией, незначительно большей и незначительно меньшей Е_Р. Как следствие, меньше энергии используется для того, чтобы ориентировать электронный газ в пористом свинце вследствие низкого значения нормального напряжения и значительного эффекта ползучести при комнатной температуре.

Электрическая энергия (Е_е) пористой свинцовой пластины в растворе кислоты может быть определена следующим образом. Исходя из энергии конденсатора, сформированного отрицательной пластиной с размерами 0,120 м х 0,140 м х 0,002 м в водном растворе Н₂§0₄ с содержанием 1250 кг/м³ при температуре 300 К (26,85°С), его емкость была экспериментально определена равной 0,29 Ф. Данное значение связано с емкостным эффектом электронного газа. В данном случае речь идет о квантовом конденсаторе, поскольку не существует классического конденсатора с диэлектриком, который является столь же хорошим проводником, что и раствор электролита на основе сильной кислоты.

Приведенное выше значение емкости может быть получено из кривой разряда между двумя отрицательными пористыми свинцовыми пластинами, находящимися внутри одинаковых ячеек, при длительности разряда до двукратного падения напряжения, составляющей 0,400 с при наличии между пластинами сопротивления, равного 20, и при применении цифрового осциллографа в реальном времени. Результаты измерений могут быть подтверждены оценкой по уравнению: С = АС_Ауе/Е_РР, где:

Значение А = 2x0,12 х 0,14 = 3,36 X 10~² М²С_А = 9,5 х 10¹⁸ атом./м²	Определение Площадь поверхности пластин Атомная плотность чистого РЬ (111)
ν = 2	Валентность РЬ
е= 1,60 х 10 ¹⁹ К	Заряд электрона
Е_РЬ = 0,35 В	Потенциал электрода из РЬ

В соответствии с приведенным уравнением емкость, обусловленная эффектом свободного электронного газа, составляет 0,29 Ф, что хорошо совпадает со значением, полученным экспериментально. Следовательно, электрическая энергия Е_е, определенная как теоретически, так и посредством эксперимента, может быть рассчитана, как: Е_е = ЕС Е_РЬ ² = Е (0,29) (0,35)² = 1,78 х 10^-2 Дж.

Таким образом, электрическая и тепловая энергии равны одна другой, причем каждая из них составляет 50% от механической энергии. Это обстоятельство может быть использовано для оптимизации массы губчатых электродов.

Итак, процесс разряда поверхностного электрического заряда, имеющегося на пористом свинцовом электроде, вызывает эффект, эквивалентный доведению температуры до 0 К (-273,15°С). Подобный разряд быстрее воздействует на массу электронного газа, приводя к более эффективному процессу, чем тот, который принят для первого варианта устройства экстракции и преобразования энергии. Тем самым обеспечивается возможность осуществления второго варианта устройства по изобретению. Таким обра

- 6 010301 зом, с учетом приведенного объяснения специалисты могут реализовать различные варианты осуществления настоящего изобретения.

Устройство экстракции и преобразования энергии согласно первому варианту осуществления изобретения содержит наружную металлическую оболочку и внутреннюю металлическую оболочку, связанную с наружной металлической оболочкой посредством болтов и гаек. Болты и гайки обеспечивают приведение наружной металлической оболочки в состояние растяжения, а внутренней металлической оболочки в состояние сжатия. При этом внутренняя металлическая оболочка электрически изолирована посредством диэлектриков от наружной металлической оболочки, и обе металлические оболочки характеризуются большим отношением диаметра к толщине.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения устройство экстракции и преобразования энергии содержит наружную металлическую оболочку, диэлектрики, установленные на обоих концах наружной металлической оболочки, и металлические стержни, установленные внутри наружной металлической оболочки, электрически изолированные от нее и проведенные сквозь указанные диэлектрики. Крепежные элементы установлены в концевых частях стержней с возможностью приведения наружной металлической оболочки в состояние сжатия, а металлических стержней - в состояние растяжения. При этом наружная металлическая оболочка характеризуется большим отношением диаметра к толщине.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения устройство экстракции и преобразования энергии содержит первую и вторую отрицательные пористые свинцовые пластины и третью и четвертую положительные пористые пластины из диоксида свинца. Все указанные пластины образованы микрочастицами или частицами меньших размеров и погружены предпочтительно в раствор кислоты с соответствующими добавками. Первая и третья пластины установлены в виде батареи. Вторая и четвертая пластины установлены в виде второй батареи, причем обе эти батареи функционируют в качестве квантовых конденсаторов. По меньшей мере одна из первой и третьей пластин и из второй и четвертой пластин поочередно приводится в состояние сжатия посредством первого источника, имеющего первую полярность, и в состояние растяжения посредством второго источника, имеющего вторую полярность, обратную по отношению к первой. Одновременно с этим, по меньшей мере, другая из первой и третьей пластин и из второй и четвертой пластин поочередно приводится в состояние растяжения посредством второго источника и в состояние сжатия посредством первого источника.

Способ экстракции энергии и ее преобразования посредством описанного устройства характеризуется наличием чередующихся циклов разрядки от второго источника и зарядки от первого источника. Данный способ включает последовательность, состоящую из четырех шагов. На первом шаге между первой и третьей пластинами включают первый источник, приводящий первую пластину в состояние сжатия, тогда как между второй и четвертой пластинами включают второй источник, приводящий вторую пластину в состояние растяжения. На втором шаге вторую пластину соединяют с первой пластиной, а третью пластину соединяют с четвертой пластиной. На третьем шаге между второй и четвертой пластинами включают первый источник, приводящий вторую пластину в состояние сжатия, тогда как между первой и третьей пластинами включают второй источник, приводящий первую пластину в состояние растяжения. На четвертом шаге первую пластину соединяют со второй пластиной, а третью пластину соединяют с четвертой пластиной. В следующем периоде повторяют описанный цикл, состоящий из четырех шагов.

Преимущества устройства экстракции и преобразования энергии

Устройства для экстракции энергии и ее преобразования в соответствии с изобретением используют природную энергию, доступную в любой точке проживания. При этом достигаются преимущества низкой стоимости, отсутствие любых неблагоприятных экологических эффектов и любого риска вредного воздействия на людей, растения или животных благодаря достижению двойной ориентации свободного электронного газа в металлах, представляющего собой неисчерпаемый источник энергии.

По сравнению с уровнем техники настоящее изобретение обеспечивает многочисленные преимущества, поскольку известные технические решения не используют результат взаимодействия нескольких видов энергии, как это осуществлено благодаря созданию устройства по изобретению и соответствующих ему устройств для экстракции энергии и ее преобразования. Указанное взаимодействие будет иметь огромное значение и широчайшее применение благодаря техническим, экономическим и экологическим преимуществам, в частности, наличию следующих эффектов.

Импульсы, используемые в качестве разрядных импульсов в нескольких рассмотренных выше известных решениях, не позволяют обеспечить генерирование энергии даже в случае обычной батареи. Настоящее изобретение позволяет реализовать эффективные разрядные импульсы в форме импульсов механического растяжения, управляемых посредством электрического разряда. Данный разряд увеличивает размеры кристаллической решетки свинца, что обеспечивает возможность повторного накопления соответствующего электрического заряда за счет изменения объема кристаллической решетки. Это изменение объема кристаллической решетки электрода происходит между состоянием растяжения при разряде и состоянием сжатия, достигаемым в конце импульса повторной зарядки. Подобный способ имеет то преимущество, что позволяет осуществить повторную зарядку более быстро и эффективно, чем даже в

- 7 010301 обычных батареях, использующих более практичные системы.

В то время как обычные системы зарядки применимы только к одной батарее, как это описывается во всех рассмотренных выше документах, устройство по изобретению и соответствующие ему устройства для экстракции энергии и ее преобразования используют несколько губчатых свинцовых электродов в более чем одной электролитической среде, что требует наличия, по меньшей мере, двух батарей. Эти две батареи позволяют реализовать двойную ориентацию свободного электронного газа.

Благоприятные экологические эффекты, достигаемые при использовании изобретения, являются весьма важными. Изобретение позволяет, по меньшей мере, в четыре раза продлить срок службы существующих батарей, тем самым во столько же раз уменьшая количество токсичных отходов. Кроме того, появляется возможность повторного использования выброшенных батарей, что еще больше увеличит полезное влияние изобретения на окружающую среду.

При осуществлении изобретения упругая энергия металла также используется для того, чтобы генерировать энергию, необходимую для практического использования, из энергии нулевых колебаний в процессе разрядки и зарядки батарей. Реализуемое при этом преимущество состоит в повышенной эффективности при меньшем потреблении материала.

Реализуются и другие полезные эффекты. Портативные и стационарные устройства экстракции и преобразования энергии позволяют отказаться от линий передачи энергии, которые являются чувствительными к плохой погоде, дорогостоящими и вызывающими экологические проблемы. Указанные устройства, по существу, не требуют никакого обслуживания и имеют длительный срок службы, поскольку являются малошумящими и не создают механических вибраций. Они могут использоваться при любых окружающих условиях, поскольку не нагреваются и не создают запаха. Они требуют меньших материальных расходов, чем любая иная энергетическая система, поскольку используют источник с наиболее высокой доступной плотностью энергии, а именно энергии нулевых колебаний, плотность энергии которой имеет тот же порядок величины, что и ядерная энергия, или даже больше. В заключение следует отметить, что предлагаемая технология может быть реализована в широких масштабах благодаря использованию регенерируемого материала, в изобилии имеющегося в природе.

Перечень фигур чертежей

На фиг. 1 приведен график, построенный на основе графика, представленного на стр. 470 книги Тимошенко и др. (Т1то8Йепко е! а1. Тйеогу οί Е1а8бс 8!аЫ1йу, №\ν Уогк: МсОга^-НШ, 8есопб Εάίΐίοη, 1963). С учетом особенностей изобретения и для облегчения понимания по оси абсцисс отложены значения отношения диаметра к толщине (Ό/1). Видно, что даже различные металлические сплавы характеризуются одинаковой критической кривой, когда отношения Ό/1 и Е/п_у имеют одинаковые значения.

Фиг. 2 иллюстрирует функцию ί(υ) распределения Ферми-Дирака при 0 К (-273,15°С) и при других температурах, соответствующую вероятности того, что электрон находится на определенном энергетическом уровне υ.

На фиг. 3 представлены результаты выполненных Миликаном измерений граничных потенциалов, обусловленных падением света на поверхность натрия для различных частот (данные заимствованы из книги ЕкЬегд е! а1. Ркюа Оиапйса - ОиапШт рйукю а!отк, то1еси1е8, коНбк пис1е1 апб рагйс1ек, Рю Эе •Гапепо: Сатрик, 1994, р. 53).

Фиг. 4А иллюстрирует среднюю потенциальную энергию электрона проводимости в металле, свободном от механических напряжений (по данным книги ЕкЬегд е! а1. Ркка Онапбса - ОиапШт рйукю аЮпъ. то1еси1е8, коНбк пис1е1 апб рагбскк, Рю Эе 1апе1го: Сатрик, 1994, р. 518).

Фиг. 4В иллюстрирует среднюю потенциальную энергию электрона проводимости в металле, возбужденном приложением механического напряжения.

На фиг. 5А представлено перспективное изображение первого варианта устройства по изобретению, на котором показаны его компоненты, включая болты и гайки, наружную металлическую оболочку, внутреннюю металлическую оболочку и изоляторы.

На фиг. 5В, в перспективном изображении, представлен первый вариант устройства по изобретению с пространственным разделением его компонентов.

На фиг. 5 С первый вариант устройства по изобретению представлен на видах сверху и в сечении плоскостью АА.

На фиг. 5Ό, в перспективном изображении, представлен второй вариант устройства по изобретению, причем показаны его компоненты, включая болты и гайки, наружную металлическую оболочку и изоляторы.

На фиг. 5Е, в перспективном изображении, представлен упрощенный вариант устройства по изобретению с пространственным разделением его компонентов.

Фиг. 6А, 6В, 6С и 6Ό схематично иллюстрируют функционирование второго варианта устройства по изобретению на каждом из четырех шагов (этапов) его рабочего цикла.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения представляется второй вариант устройства экстракции и преобразования энергии, основными компонентами которого являются по

- 8 010301 меньшей мере две пары батарей, функционирующих в качестве квантовых конденсаторов. При этом в соответствии с предпочтительным вариантом способа по изобретению предусматривается приведение на одном из шагов (этапов) рабочего цикла металлических электродов одной из батарей в состояние растяжения, тогда как металлические электроды другой батареи на этом же шаге приводятся в состояние сжатия. На следующем шаге электроды, приведенные в состояние растяжения и в состояние сжатия, соединяют друг с другом для перевода их в равновесное состояние. Данный новый процесс предпочтительно осуществляется с изменением термопотенциалов электронного газа в пределах цикла от значения, соответствующего 0 К (-273,15°С), до значения, соответствующего удвоенной абсолютной рабочей температуре, наиболее предпочтительно от температуры, близкой к 0 К, до температуры, близкой к 600 К (326,85°С).

В первом варианте заявленного устройства экстракция энергии и ее преобразование обеспечиваются через взаимодействие между оптическим излучением и веществом при приведении в состояние сжатия и в состояние растяжения резервуаров свободного электронного газа с большим отношением массы к площади и изолированных один от другого. Данные резервуары представляют собой металлические оболочки.

Первый вариант устройства экстракции и преобразования энергии, представленный на фиг. 5А, 5В и 5 С, образован наружной металлической оболочкой 1а, внутренней металлической оболочкой 2а, болтами и гайками 3 а, диэлектриками или изоляторами 4а, предпочтительно полимерными, и электрическими проводниками 5а, 5Ь, подключенными к прибору для измерения напряжения, такому как мультиметр, с целью контроля переноса лучистой энергии.

Металлические оболочки 1а, 2а в некоторых вариантах изобретения характеризуются большим отношением диаметра к толщине (О/Ι) при соответствующем адекватном соотношении между нормальным напряжением и модулем упругости металла (п_уЕ).

Болты и гайки 3а обеспечивают создание растягивающего усилия в наружной металлической оболочке 1а и усилия сжатия во внутренней металлической оболочке 2а. Между парами болт/гайка 3 а и металлической оболочкой 2а помещены диэлектрики 4а для того, чтобы обеспечить взаимную изоляцию указанных оболочек. Электрическое напряжение, генерируемое лучистой энергией, контролируется, например, цифровым мультиметром, подключенным к электрическим проводникам 5а, 5Ь.

Другой упрощенный вариант представлен на фиг. 5Ό и 5Е. В этом случае энергию получают, приводя в состояние сжатия металлическую оболочку 1Ь с большим отношением Ό/1 с одновременным приведением в состояние растяжения стержней (болтов) 3Ь, которые изолированы от оболочки у ее нижнего и верхнего концов посредством жесткого полимера 4Ь. Как показано на чертеже, металлическая оболочка может иметь цилиндрическую форму. Электрическое напряжение, генерируемое лучистой энергией, контролируется, например, цифровым мультиметром, подключенным к электрическим проводникам 5с, 56.

В варианте устройства, представленном на фиг. 5А, 5В, 5С, 5Ό и 5Е, металлические оболочки 1а, 2а, 1Ь и металлические болты (стержни) и гайки 3а, 3Ь имеют одинаковый химический состав. Проведенные испытания подтвердили наличие дополнительной возможности достичь удовлетворительных характеристик и при различных химических составах компонентов 1а, 2а, 1Ь, 3а, 3Ь. В зависимости от конкретных применений механическая конструкция устройства может изменяться. Однако из практических соображений целесообразно использовать оболочки, подвергаемые сжатию, и стержни, подвергаемые растяжению и связанные на обоих концах с оболочками посредством пары изоляторов.

В качестве примера конструктивного решения варианта по фиг. 5Ό оболочка может быть выполнена из титана и иметь диаметр 0,085 м; толщину 0,0002 м и высоту 0,090 м. В этом случае в условиях комнатной температуры и влажности 70% ток может составлять 40 х 10^-9 А на каждый болт.

Таким образом, описанные варианты устройства экстракции и преобразования энергии, воплощая инновационную конструктивную концепцию, имеют простую форму и обеспечивают легкость понимания принципа экстракции энергии и ее преобразования через взаимодействие между оптическим излучением и веществом, активируемое непосредственно путем создания механических напряжений. Описанная конструкция позволяет генерировать очень малые мощности с использованием электродвижущей силы, присущей используемому металлу (или используемым металлам). Данное свойство обусловлено малой используемой площадью поверхности и малым значением отношения площади металлической поверхности к металлической массе.

Для того чтобы получить прирост энергии по сравнению с описанными вариантами устройства экстракции и преобразования энергии, был разработан второй вариант указанного устройства с применением пористых свинцовых пластин. В данном варианте экстракция энергии и ее преобразование происходят в результате взаимодействия между оптическим излучением и веществом, активированным за счет создания механического напряжения, генерируемого электрическими силами. На фиг. 6А, 6В, 6С и 6Ό проиллюстрирован неограничивающий пример осуществления данного варианта, показывающий возможности модификации конструкции в пределах объема изобретения. Данный пример демонстрирует практичный подход к осуществлению предлагаемой технологии с обеспечением основных характери

- 9 010301 стик, соответствующих второму варианту устройства по изобретению при более высокой мощности и меньшей металлической массе при одинаковом занимаемом объеме. В рассматриваемом примере используется небольшое количество пластин, образующих пары батарей по меньшей мере две таких пары. Батареи функционируют в качестве квантовых конденсаторов. Для облегчения понимания данные батареи будут обозначаться в дальнейшем как 10, 11.

Прежде всего, следует отметить, что описываемая технология была выбрана с целью достижения большего отношения между площадью поверхности и массой металла, образующего резервуар свободных электронов в заданном объеме. Эта цель достигается использованием отрицательных пористых свинцовых пластин, которые в дальнейшем будут обозначаться, как 6, 7. Для облегчения понимания указанные свинцовые пластины рассматриваются как состоящие из микрочастиц чистого металла и сформированные способами, хорошо известными из уровня техники применительно к изготовлению свинцовокислотных батарей. Описываемый инновационный эффект может быть усилен благодаря использованию более тонких пластин и более мелких частиц, что позволяет получить еще большее отношение между площадью металлических поверхностей и массой металла, образующего резервуар свободных электронов. Повышение данного отношения приводит к увеличению эффективности генерирования энергии.

Кроме того, определенное физическое положение отрицательных пористых свинцовых пластин 6, 7 относительно положительных пористых пластин из диоксида свинца (которые далее будут обозначаться как 8, 9) внутри батарей 10, 11 позволяет управлять возбуждением свободного электронного газа в отрицательных пористых свинцовых пластинах 6, 7 с использованием состояния сжатия, создаваемого электродвижущими силами от источника 12, и состояния растяжения, создаваемого разрядкой с использованием источника 13 обратной полярности, как это показано на чертеже.

Источник 12 и источник 13 обратной полярности функционируют внутри батарей 10, 11 иногда на том же шаге и иногда на различных шагах с воздействием на две отрицательные свинцовые пластины 6, 7, а также на две положительные пластины 8, 9 из диоксида свинца, как это показано на фиг. 6А, 6В, 6С и 6Ό и как это будет описано далее.

Для того чтобы второй вариант устройства мог начать работу, он (включая отрицательные свинцовые пластины 6, 7, а также положительные пластины 8, 9 из диоксида свинца) предпочтительно должен быть полностью заряжен.

На первом шаге, проиллюстрированном фиг. 6А, между отрицательной свинцовой пластиной 7 и положительной пластиной 9 из диоксида свинца включают источник 12, обеспечивающий сжатие отрицательной свинцовой пластины 7, тогда как между отрицательной свинцовой пластиной 6 и положительной пластиной 8 из диоксида свинца включают источник 13 обратной полярности, приводящий отрицательную свинцовую пластину 6 в состояние растяжения.

На втором шаге, проиллюстрированном фиг. 6В, отрицательную свинцовую пластину 6, которая была подвергнута растяжению на первом шаге, соединяют с другой отрицательной свинцовой пластиной 7, подвергнутой сжатию на первом шаге. Одновременно положительную пластину 8 из диоксида свинца соединяют с другой положительной пластиной 9 из диоксида свинца. Благодаря конструктивному взаимодействию поляризационных батарей 10, 11 указанное соединение отрицательной свинцовой пластины 6 обеспечивает поступление в нее потока электронного газа из отрицательной свинцовой пластины 7, подвергнутой сжатию на первом шаге.

На третьем шаге, проиллюстрированном фиг. 6С, источник 12 включают между отрицательной свинцовой пластиной 6 и положительной пластиной 8 из диоксида свинца, подвергая сжатию отрицательную свинцовую пластину 6, тогда как источник 13 обратной полярности включают между отрицательной свинцовой пластиной 7 и положительной пластиной 9 из диоксида свинца, приводя отрицательную свинцовую пластину 7 в состояние растяжения.

На четвертом шаге отрицательную свинцовую пластину 7, которая была подвергнута растяжению на третьем шаге, соединяют с другой отрицательной свинцовой пластиной 6, подвергнутой сжатию на третьем шаге. Одновременно положительную пластину 8 из диоксида свинца соединяют с другой положительной пластиной 9 из диоксида свинца. Благодаря конструктивному взаимодействию поляризационных батарей 10, 11 указанное соединение отрицательной свинцовой пластины 7 обеспечивает поступление в нее потока электронного газа из отрицательной свинцовой пластины 6, подвергнутой сжатию на третьем шаге.

Внутренние электрические соединения между пластинами 6, 7, 8, 9, источником 13 обратной полярности и источником 12 переключаются посредством контура управления, который поочередно осуществляет описанный цикл зарядки, разрядки и отключения. Данный контур управления обеспечивает повторяемость цикла; в предпочтительном варианте управление этим контуром осуществляется соответствующим программным обеспечением.

Разность между выходной энергией и входной энергией в цикле соответствует генерируемой энергии. Эта генерируемая энергия при заданной температуре является функцией состава и концентрации электролитических батарей 10, 11; геометрии батарей и пластин; размеров кристаллов или частиц; свойствами отрицательных свинцовых пластин 6, 7 и положительных пластин 8, 9 из диоксида свинца; а также длительностью активации генератора на каждом из четырех шагов.

- 10 010301

В своем усовершенствованном варианте устройство экстракции и преобразования энергии может содержать более двух батарей (которые всегда используются парами), действующих в качестве квантовых конденсаторов. Для того чтобы производить постоянный ток, все батареи поочередно реализуют цикл, описанный выше применительно к батареям 10, 11. При этом каждая батарея может содержать более одной отрицательной пористой свинцовой пластины 6, 7 и более одной положительной пластины 8, 9 из диоксида свинца. Указанные пластины всегда устанавливаются симметрично в каждой батарее и подключаются в каждом цикле так, как это описано применительно к отрицательным свинцовым пластинам 6, 7 и положительным пластинам 8, 9 из диоксида свинца в соответствующих парах батарей.

При этом на втором и четвертом шагах (фиг. 6В и 6Ό) система генерирует энергию за счет взаимодействия оптического излучения с веществом, действуя как квантовый конденсатор; тогда как на первом и третьем шагах (фиг. 6А и 6С) система действует как электрическая система, подвергаемая сжатию и растяжению.

Чтобы облегчить понимание изобретения, далее будет рассчитана результирующая энергия, генерируемая при использовании второго варианта устройства по изобретению. Используются те же пористые свинцовые пластины с размерами 0,120 м х 0,140 м х 0,002 м, которые рассматривались выше. Рассматриваемый вариант устройства содержит две экспериментальных открытых батареи с двумя положительными и двумя отрицательными пластинами, расположенными симметрично в каждой батарее. Батарея содержит также электролит на основе водного раствора Н₂80₄ с плотностью 1250 кг/м³, включающий Ыа₂80₄ с плотностью 1300 кг/м³ при 300 К. Каждая из используемых батарей имеет номинальное напряжение 2,04 В.

В данном, рассматриваемом в качестве примера, заявленном устройстве подается импульс со следующими характеристиками:

Характеристика	Значение	Символ
Заряд при разрядке	6,47 К	Ос
Заряд при зарядке	4,56 К	Он
Разность зарядов при разрядке	1,91 К	до
и зарядке
Примерная длительность	1,000 с	»т
второго и четвертого шага
Примерная длительность	1,175с	1к⁼1с

первого и третьего шагов

Далее приводятся некоторые характеристики рассматриваемого устройства экстракции и преобразования энергии в каждом полуцикле

Характеристика	Значение	Символ
Средний генерируемый	0,88 А	I
ток
Среднее выходное	2,04 В	V
напряжение
Средняя генерируемая	1,79 Вт	Р
мощность
Выход энергии	3,89 Дж	ΔΕ

Таким образом, устройство с указанными характеристиками в каждом цикле будет генерировать 7,8 Дж чистой энергии.

Устройства для экстракции энергии и ее преобразования функционируют посредством переноса заряда между пластинами аккумуляторов и/или квантовых конденсаторов с использованием импульсов, которые стимулируют излучение, взаимодействующее с веществом, генерируя энергию посредством процесса, в основном, фотоэлектрического типа. При этом данный процесс успешно реализуется в металле, в котором могут быть технически просто обеспечены: более высокое отношение массы к площади; низкое нормальное напряжение; адекватное отношение нормального напряжения к модулю упругости.

Промышленная применимость

Устройство по изобретению и соответствующие ему устройства для экстракции энергии и ее преобразования могут быть реализованы (не единственно возможным образом) существующей промышленностью, производящей аккумуляторы, источники бесперебойного питания, а также силовые источники или любые аналогичные продукты.

При этом устройства для экстракции энергии и ее преобразования могут найти промышленное

- 11 010301 применение в качестве источников электрической энергии, действующих в качестве основного блока, подающего энергию на распределительный щит для нужд целого здания. С помощью портативных индивидуальных генераторов энергии может быть реализована концепция энергосистем для индивидуального жилья (Ноте Еиетду Буйетк).

Устройства для экстракции энергии и ее преобразования могут также встраиваться в различное оборудование, такое как персональные компьютеры, телефонные подстанции, аварийное оборудование, электронное и электрическое оборудование с превращением их в беспроводные устройства, не требующие подзарядки.

Аналогичным образом, за счет применения соответствующих вариантов устройств для экстракции энергии и ее преобразования для работающих на батареях телефонов, электронных записных книжек и других беспроводных аппаратов будут решены проблемы, связанные с коротким сроком службы существующих батарей.

Таким образом, изобретение имеет весьма широкую промышленную применимость: такие отрасли промышленности, как телекоммуникации, энергетика, освещение, автомобилестроение, медицина, а также аэрокосмическая и оборонная отрасли и др., могут быть охвачены адекватными моделями заявленного устройства и соответствующих ему устройств для экстракции энергии и ее преобразования.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство экстракции и преобразования энергии, содержащее наружную металлическую оболочку и внутреннюю металлическую оболочку, электрически изолированную посредством диэлектриков от наружной металлической оболочки и связанную с ней посредством болтов и гаек, обеспечивающих возможность приведения наружной металлической оболочки в состояние растяжения, а внутренней металлической оболочки - в состояние сжатия, причем указанные внутренняя и наружная металлические оболочки характеризуются большим значением отношения диаметра к толщине.
2. Устройство экстракции и преобразования энергии, содержащее наружную металлическую оболочку;

диэлектрики, установленные на обоих концах наружной металлической оболочки;

металлические стержни, установленные внутри наружной металлической оболочки, электрически изолированные от нее и проведенные сквозь указанные диэлектрики;

крепежные элементы, установленные в концевых частях стержней с возможностью приведения наружной металлической оболочки в состояние сжатия, а металлических стержней - в состояние растяжения, причем наружная металлическая оболочка характеризуется большим значением отношения диаметра к толщине.
3. Устройство экстракции и преобразования энергии, содержащее первую и вторую отрицательные пористые свинцовые пластины и третью и четвертую положительные пористые пластины из диоксида свинца, причем все указанные пластины образованы микрочастицами или частицами меньших размеров и погружены предпочтительно в раствор кислоты с соответствующими добавками, а также средства переключения, при этом первая и третья пластины и вторая и четвертая пластины установлены соответственно в виде первой и второй батарей, а средства переключения обеспечивают возможность поочередного приведения по меньшей мере одной из первой и третьей пластин и из второй и четвертой пластин в состояние сжатия посредством подключения их к первому источнику, имеющему первую полярность, и в состояние растяжения посредством подключения их ко второму источнику, имеющему вторую полярность, обратную по отношению к первой, и одновременно поочередного приведения, по меньшей мере, другой из первой и третьей пластин и из второй и четвертой пластин в состояние растяжения посредством подключения их ко второму источнику и в состояние сжатия посредством подключения их к первому источнику.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что электрические соединения между первой, второй, третьей и четвертой пластинами и первым и вторым источниками, обеспечивающими приведение пластин в состояния сжатия и растяжения, обеспечиваются посредством контура управления, который в соответствии с заданной программой поочередно осуществляет циклы зарядки и разрядки.
5. Способ работы устройства по п.3, включающий чередующиеся циклы разрядки от второго источника и зарядки от первого источника и предусматривающий следующую последовательность шагов:

первый шаг, на котором между первой и третьей пластинами включают первый источник, приводящий первую пластину в состояние сжатия, тогда как между второй и четвертой пластинами включают второй источник, приводящий вторую пластину в состояние растяжения;

второй шаг, на котором вторую пластину соединяют с первой пластиной, а третью пластину соединяют с четвертой пластиной;

третий шаг, на котором между второй и четвертой пластинами включают первый источник, приводящий вторую пластину в состояние сжатия, тогда как между первой и третьей пластинами включают второй источник, приводящий первую пластину в состояние растяжения;

- 12 010301 четвертый шаг, на котором первую пластину соединяют со второй пластиной, а третью пластину соединяют с четвертой пластиной;

причем в следующем периоде повторяют указанный цикл, состоящий из четырех шагов.
6. Способ генерирования энергии с использованием пары батарей, каждая из которых содержит металлические электроды, включающий следующие шаги:

одновременно приводят посредством подключения металлических электродов к электрическому источнику по меньшей мере один металлический электрод одной батареи в указанной паре батарей в состояние растяжения и по меньшей мере один металлический электрод другой батареи в указанной паре батарей в состояние сжатия;

на следующем шаге соединяют по меньшей мере один металлический электрод, находящийся в состоянии растяжения, по меньшей мере с одним металлическим электродом, находящимся в состоянии сжатия.