JP5746250B2 - 熱的に制御可能なエネルギ生成システム - Google Patents
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Description
本出願は、2005年10月5日出願の米国暫定出願番号60/454,511の優先権の利益を主張するものであり、その開示は参照として本書に組み込まれている。
シーケンスリスト:適用外
発明の背景−技術分野
本発明は、固体デバイスによる電気エネルギの発電に関し、より具体的には、金属、半導体、セラミックス(酸化物、炭化物、等)、およびカーボン(グラファイト、チャコール)を含む異種物品間の接合点で生じる熱強化性の拡散電位の電源としての使用による。
電気発電装置は、限定しないが、電磁波(太陽光、赤外光など)、熱エネルギ、機械エネルギ、核エネルギを含む入力を利用して、これらの異なるエネルギ形態の入力を利用可能な電力に変換する。このような装置の製造は、十分に確立されているが、未だに高価で複雑である。今日の発電の殆どが、化石燃料を不可逆的燃焼させており、この形態のエネルギ燃焼が他の種類の発電より安価でないとはいえ、長期に亘る環境と人間の健康へのダメージは、現在のところエネルギ生産コストに負担されていない。さらに、石油から電気エネルギへの変換効率はたった9%と評価されている。太陽電池で生成される電気のコストは、未だ化石燃料による発電と比較して非常に高価であり、適切な光の使用量がないとき(夜間)にエネルギ保存の問題が残る。さらに、光電効果により、太陽電池は特定の太陽光周波数でのみ有利となり、入射する太陽エネルギのおよそ11−30%の効率となる。風力、水力、核エネルギ入力に基づく他の種類のエネルギ変換システムは、いくつかの場合に費用効率がよいが、やはり環境に悪い影響を与え、および/または膨大な資本支出を必要とする。熱電気式、熱電子式、磁気流体力学式といった他の新種の発電装置は、現在のところ主要な電力生産に適合するのに必要な変換効率を有さず、さらに製造が複雑である。2006年10月2日現在の石油価格$61/バレルであるが、代替的なエネルギ変換形態は製造して運用するのに費用対効果が悪い。石油ベースの入力エネルギと費用的に競争可能と考えられる形態の入力エネルギ(例えば、石炭や核)は、温室ガスや粒子または放射性廃棄物の生成による環境破壊を生ずる。
したがって、本発明のいくつかの目的と利点は:
(a)世界中の殆どの場所で簡単に入手可能な様々な材料により発電する方法を提供する。
(b)昔から続く、連続的または一度の印刷および塗布技術で、高価な加工機械または製造プロセスが必要のない、発電方法を提供する。
(c)放射性粒子、放射性廃棄物、温室ガス、または他の有害温泉物質を伴わない発電方法を提供する。
(d)非常に定温(室温以下)や非常に高温(3000K以上)の双方またはその間で同様に動作する発電方法を提供する。
(e)変換目的の入力を常に供給する必要がない発電方法を提供する。
(f)特定の材料を接合したときの界面で利用可能な静電力から、存在する拡散電位の利点を得るために熱を必要としない発電方法を提供する。
(g)非常に平坦な寸法で、壁、車両フード、飛行機の胴体、道などの既存の領域に嵩張らずに組み込むことができる発電方法を提供する。
(h)限定しないが、飛行機、オートバイ、車、船舶、トラックなどの輸送用乗り物に利用可能な発電方法を提供する。
(i)発電装置が、バッテリ、発電機、および蓄電器で既に用いられている親しまれた構成に組み入れることができ、既存のインフラへの利点となる発電方法を提供する。
本発明では、新種の発電装置が、材料の界面で電位差が現れ、電圧値全体が装置の陽極と陰極の外側層で見られるような、酸化物、半導体、金属、炭素などの安定材料の層化に基づいている。この装置または電池からの電力の生成は、異種の電子/正孔構造および密度を用いる安定材料間の界面を横切って生成される拡散電位を活用することにより実現する。
電力出力は、カーボンと酸化物層の間の表面積の寸法に直接比例するため、金属基層は多数の溝、皺、畝を設けて構成してもよく、その後カーボンと酸化物の層が前記溝、皺、または畝に連続的に各層に形成される。カーボンペーストまたはペイントと、酸化物ペーストまたはペイントは、ローラ、ブラシ、スプレー、スクリーン印刷技術、インクジェットプリンタ、または表面にインクまたはペイントを散布しうる他の様々な方法で供給される。セルは非結晶材料のみならずカーボン材料と酸化物の結晶層にさらに作用するが、材料をペーストとして単純に供給する能力は、製造コストと高価な結晶成長の利用、および製造技術を大幅に低減する。光電子および熱電子装置の電流の欠点の1つは、結晶成長やデバイス製造にクリーンルームや高度に洗練された(高価な)技術とプロセスが必要なことである。作成された試作品では、使用された金属フォイルまたはシートはアルミニウム、ステンレススチール、および亜鉛メッキされたステンレススチールである。カーボン層は、塩化ナトリウム、水、およびアクリル接合剤と混合したグラファイトからなる。使用される酸化物の層は、プラセオジム、チタン、スズ、ニッケル、鉄、銅、クロム、マンガンの各々からなり、また塩化ナトリウム、水、およびアクリル接合剤と混合される。室温で最大の電圧と電流を得るため、およびアプリケーションの簡単のため、プラセオジムとチタン酸化物が最適である。最終的に、セル全体をプラスチックシートで包含し、陽極と陰極の接触子を露出させてヒートシールする。1の基本的なセルのサイズは、8.5x11の紙シートであり、紙シート約8枚分の厚みを有する。酸化マンガンでなるセルは再充電可能であり、このため蓄電装置としても動作する。動作温度に関して、異なる材料を用いることができる。例えば、アルミニウムシート、酸化プラセオジム、およびグラファイトでなるセルの場合、動作温度はアルミニウムの溶融温度以下となり、水が生じるためもっと低いことが望まれる。イオン溶液の一部に水を含むセルを用いる場合、動作温度は水の沸点以下とするか、セルの外側を加圧して膨張する水蒸気にも一体性が保たれるようにする。高温のセルは、陽極と陰極としてタングステン(溶融温度3695K)を用い、グラファイト(溶融温度4300−4700K)または他のカーボン材料および酸化トリウム(溶融温度3575K)を用いる。電荷担体を高めるためのイオン流体として塩化ナトリウムを用いると、理論上は最大動作温度が1738ケルビンの沸騰温度以下となる。酸化トリウムに近い溶融点のイオン流体を用いる場合、最大動作温度は3573Kのケルビン溶融点より下のどこかとなる。タングステン、グラファイト、および酸化トリウムを用いた単一の1平方メートルのセルが、室温において1ボルトで100マイクロアンペア(.0001ワット)を実現し、理論上は3000Kで約1アンペアで10ボルト(10ワット)を実現する。したがって、動作温度が300Kから3000Kに上昇すると、デバイスの電力出力が100,000倍に増大する。これはもちろん、イオン流体がこの高い温度で正確に作用することを仮定している。
図1Cは、セルの角部からみた斜視図である。導電シートまたはフォイル20を基部として用い、その上に適切な厚みのドナー材料21が設けられ、これが導電体20とドナー材料21の界面にまたがって電圧差を生ずる。20に用いる導電体は、限定しないが、アルミニウム、銅、鉄、スチール、ステンレススチール、亜鉛メッキステンレススチール、およびカーボンプレートである。追加的に、導電体は、上述していない様々な他の金属または合金を含んでもよい。ドナー材料21は、限定しないが、これまでに試験された材料であって、電圧差を生じ導電率が良好な、ジルコニウムとシリカ複合材、酸化クロムよおびシリコンカーバイドをまた含むプラセオジム酸化物混合体である。20と21間の界面に現れた電圧は、水分や他の電荷担体の流体および複合体の存在に影響される。酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化アルミニウム、酸化銅、およびFe202酸化鉄のすべてにおいて、様々な比率の以下の成分からなる電荷担体流体を添加することにより識別可能な電圧が現れる:水、プロピレングリコール、および塩化ナトリウム。電荷担体(イオン)流体は、20と21間の界面電圧を発生させる様々な流体であってもよい。プロピレングリコールと塩とすると、イオン流体が液体のままで流動するより上の温度帯に上昇する。層23の上には、ドナー材料が層22として供給され、これは生成される電圧が層20と21間と同じとなり、3つの層を一緒に形成すると層21と22間の界面に形成されるいかなる電位も打ち消されるため、層20と同じ導電体ではない。層22に有効な導電体の代わりに、グラファイトペーストとしてもよく、これはグラファイト、水、およびユーザがペイントするためのアクリル接合剤を含む。他のカーボン粉体もグラファイトと同じく作用する。グラファイトペーストは、層20と22間に1ボルトの電位差を生じさせる。層23は、層20で用いたのと同じ金属とすることができる。アルミニウム、酸化プラセオジム、グラファイト、アルミニウム層のセルの場合、正のリード線が図1Cで25で示され、負のリード線が図1Cで24で示されている。セルの論理上の電気記号は、図1Bに示されており、ここではセル27の内部抵抗が直列であり電位差28を有する。
・グラフの電流ライン32は、2.8EE−5アンペアでゼロから立ち上がり、その後ある下降レートで下降している。これはセルを10分間休めた後である。
・グラフの電流ライン33は、4EE−5アンペアでゼロから立ち上がり、その後ある下降レートで下降している。これは、セルを勢いよく沸騰するお湯に入れて数分加熱した後である。
・グラフの電流ライン34は、室温で2.7EE−5アンペアに上昇する大きなスチールのセルを示す。この電流は安定しており、よりゆっくり下降する。これはこのセルの表面の機能であり、電子がより簡単に空乏域を横切って移動可能である。
・グラフの電圧ライン46は、時間ゼロで4.2ボルトの開回路電圧を示す。回路が100,000オームの抵抗とともに閉じた場合、電圧はある下降レートで下降する。この結果は、セルを電圧ライン45と図3の電流ライン31に示す前の放電から10分間休めた後である。
・図4のグラフの電圧ライン47は、時間ゼロで4.9ボルトの開回路電圧を示す。回路が100,000オームの抵抗とともに閉じた場合、電圧はある下降レートで下降する。この結果は、セルを勢いよく沸騰するお湯に入れて2分間加熱し、(開回路)10分休めた後である。
・図4のグラフの電圧ライン48は、大きな鉄−酸化プラセオジム−カーボン/グラファイト−亜鉛めっきスチールのセルにおいて室温の開回路電圧が時間ゼロで3ボルトであることを示す。回路が100,000オームの抵抗とともに閉じた場合、電圧は非常にゆっくり下降する。このセルは、電圧プロット45から47で用いられたセルより面積が広いと考えられ、放電がかなりゆっくりであるが再充電がより迅速である。
V=−536356*I+Voc または
V=−5.6356I+2.64
ここで、電力P=VxI、
P=−5.6356*I2+Voc*I
dP/dI=−5.6356*2*I+Voc
IについてdP/dI=0で解くとImax=−Voc/(5.6356*2)=2.64/(5.6356*2)=.23423EE−5アンペア
これは、電力出力が最大となる電流であり、負荷Rmax=(−5.6356*Imax+Voc)/Imax=563560オームによる結果となる。
本書で述べたセルは、温度差の必要がないため、多くの面白い設計を用いることができる。多数のセルを直列または並列に接続して一緒に配置し、様々な目的の直流電流の形でエネルギ供給してもよい。必要に応じて、DCをACに変換するインバータを用いてもよい。拡散電位は温度により変化するため、DC電圧の予測にDC−DCコンバータの実装が必要となる。
21−応用型またはセラミックタイル型の酸化物、炭化物P型材料層
22−応用型またはセラミックタイル型のカーボン/グラファイトまたはN型材料
23−金属陰極層
24−金属陽極の突出部またはコネクタまたは負リード線
25−金属陰極の突出部またはコネクタまたは正リード線
27−セルの内部抵抗記号
28−セルの電源記号
31−アルミニウム−プラセオジム酸化物の電流線−グラファイトセル
32−アルミニウム−プラセオジム酸化物の電流線−負荷を除去して10分間休めた後のグラファイトセル
33−アルミニウム−プラセオジム酸化物の電流線−負荷を除去してセルを熱湯で10分間加熱した後のグラファイトセル
34−スチール−プラセオジム酸化物の電流線−負荷を加えたグラファイトセル
45−100,000オームの抵抗に接続された、階層化して熱プラスチックシールしたアルミニウムフォイル、プラセオジム酸化物、およびカーボングラファイトセルの電圧曲線
46−曲線45で測定される放電から10分間休めた後の、100,000オームの抵抗に接続された、階層化して熱プラスチックシールしたアルミニウムフォイル、プラセオジム酸化物、およびカーボングラファイトセルの電圧曲線
47−2分間熱湯につけて10分間休めた後の、100,000オームの抵抗に接続された、階層化して熱プラスチックシールしたアルミニウムフォイル、プラセオジム酸化物、およびカーボングラファイトセルの電圧曲線
48−100,000オーム抵抗に接続された、大きなスチール−プラセオジム酸化物−カーボングラファイト−亜鉛メッキスチールのセルの電圧曲線
59−スチール、プラセオジム酸化物、カーボン/グラファイト、および亜鉛メッキスチールのセルのデータプロットに対しあてはめた電圧-電流線
60−熱的および電気的に絶縁された容器
61−熱的および電気的に絶縁された容器のキャップまたは蓋
62−熱素子−ソレノイド、ニクロム素子、誘導ヒータ、等
63−熱電対
64−熱強化型固体ジェネレータセル−電池
65−電池を制御回路へ接続する正のリード線
66−電池を制御回路へ接続する負のリード線
67−制御回路を熱素子へ接続する負のリード線
68−制御回路を熱素子へ接続する正のリード線
69−熱電対と回路間の接続
70−制御部から外部負荷への正の接続
71−制御部から外部負荷への負の接続
72−制御回路
81−セルのP型層
82−P型層の正孔
83−セルのN型層
84−N型層の余剰電子
86−P型層へ電子を消失した後の空乏域の縁部のN型層の正荷電イオン
87−N型層から電子を取得した後の空乏域の縁部のP型層の負荷電イオン
201−温度データサンプリングとバッファクリアサイクルを制御するシステムクロック
202−温度データを保持する一次バッファ
203−論理決定出力204に基づいて熱素子をターンオフする論理プロセス
204−評価した温度がセルシステム内で到達したら試験する論理決定
205−論理決定出力204に基づいて熱素子をターンオンする論理プロセス
221−熱強化型固体ジェネレータセル
223−高い熱容量材料を有しスペクトル吸収色で塗られた蓄熱素子またはブリック
221−シールされた透明プラスチックまたはガラスのスリーブ包含セル221と、蓄熱吸収ブリック223
301−電磁波の吸収を促進するよう適用されたブラックボディペイント
Claims (4)
- エネルギ生成システムであって、
電力を伝える電源回路を有する熱強化型の発電機と、
前記熱強化型の発電機のためのコントローラと、
前記発電機の温度を検知する温度センサと、
前記発電機を加熱するための加熱回路とを具え、
前記コントローラが、前記温度センサ、前記加熱回路および前記電源回路と接続されており、
前記発電機が、少なくとも1のセルを具え、前記少なくとも1のセルが、正孔が豊富なP型材料の層と接触する電子が豊富なN型材料の層を具え、両方の層が回路と電気的に接続されており、前記セルの一方の面から他方の面へと電子の流れを促進させるために、前記少なくとも1のセルにイオン性物質が吸収または取り込まれて、これにより前記N型材料とP型材料の界面を横切る電位を有するセルが生成されており、
前記コントローラが、前記温度センサを介して前記発電機の温度を検知するとともに、前記加熱回路を介して前記発電機の温度を調節して、前記電源回路の電圧を調整することを特徴とするシステム。 - 請求項1のエネルギ生成システムにおいて、前記発電機を断熱する断熱容器をさらに具えることを特徴とするシステム。
- 請求項1のエネルギ生成システムにおいて、前記イオン性物質が液体であることを特徴とするシステム。
- 請求項1のエネルギ生成システムにおいて、前記イオン性物質が固体であることを特徴とするシステム。
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