Преобразователь тепловой энергии в электрическую

(51) 01 14/00 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Задачей предлагаемого изобретения является упрощение и удешевление процесса непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую электрохимическим методом, за счет применения доступных дешевых термоэлектродов. Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется в электролизере, состоящем из нижних и верхних блоков и разделенных трубок. Электролизер заполняется электролитом содержащим переменновалентные ионы в качестве термоэлектродов используются графитовые электроды, которые располагаются в верхних и нижних секциях электролизера. При повышении температуры раствора в верхнем блоке электролизера, между графитовыми электродами,находящимися в верхнем и нижнем блоках возникает электродвижущая сила,величина которого в основном зависит от разности температуры.(72) Баешов Абдуали Баешова Салтанат Абдуалиевна Баешова Ажар Коспановна Койтанова Эльмира Балтабековна(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт органического катализа и электрохимии им. Д.В. Сокольского Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ(57) Изобретение относится к области термоэлектричества и в частности к непосредственному преобразованию тепловой энергии в электрическую электрохимическим методом в электролизере специальной конструкции. 24466 Изобретение относится к области термоэлектричества,и в частности,к непосредственному преобразованию тепловой энергии в электрическую электрохимическим методом. Около 200 лет назад было установлено термоэлектрическое явление, т.е. было показано возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в разомкнутой цепи из разнородных проводников в том случае, если между их концами существует разность температур. Следовательно, на основе термоэлектрических явлений можно разработать способ прямого превращения тепловой энергии в электрическую. Термоэлементы могли бы дать более дешевую энергию за счет тепловой энергии Солнца. До настоящего времени предлагалось немало способов использования термоэлементов для превращения энергии солнца в электрическую. Известен способ преобразования тепловой энергии в электрическую/М.М. Попов. Термометрия и калориметрия. Изд. Московского университета, 1954/. Для получения тока составляют электрическую цепь из различных проводников, так называемых термоэлектродов, концы которых с одной стороны спаяны и сварены между собой. При нагревании этого спая между другими концами, находящимися в условиях комнатной температуры, возникает электродвижущая сила(ЭДС). Величина ее зависит от материала термоэлектродов, от температуры на спаях. В качестве термоэлектродов применяются чистые металлы и их сплавы. Ниже в табл. 1 приведены величины электродвижущих сил, возникающих между термоэлектродами при разности температур 100 С различных металлов - термоэлектродов в паре с платиной. Основным недостатком известного способа является низкое значение формируемой электродвижущей силы. Как видно из таблицы,возникающая средняя ЭДС между термоэлектродами платина и различные металлы при разности температуры на один градусне превышает 0,034 мВ. В этой связи этот известный способ для получения электроэнергии от тепла практически не применяется. Он в основном нашел применение для измерения температуры в пределах 100-3000 С путем определения ЭДС системы. Также известно использование полупроводников для прямого превращения тепловой энергии в электрическую. Известно, что число носителей тока- электронов и дырок в полупроводниках заметно повышается при нагревании. Это приводит к формированию относительно высоких термоэлектродвижущих сил/А.Ф.Иоффе. Полупроводниковые термоэлементы. Изд. АНСССР,М-Л., 1960/. Показано, что при применении в качестве термоэлектродов полупроводниковых соединений - 23-23-термоэдс системыдостигал 0,2 мВ/град. Считают, что при применении полупроводниковых термоэлектродов средние значения термоэдс составляет 0,172 мВ/град. 2 Таблица 1 Электродвижущая сила (ЭДС), возникающая при разности температур (0-100 С) в случае применения различных металловв паре с платиной ( ) Металл, мВ Железо 1,9 Молибден 1,2 Кадмий 0,9 Вольфрам 0,8 Медь 0,76 Цинк 0,75 Платина 0,0 Родий 0,64 Никель 1,64 Константан 3,4 Основные недостатки известного прототипа следующие 1. Сложно приготовить полупроводниковые термоэлектроды определенного состава. Кроме того,необходимо устранить дефекты в решетке путем отжига или введения небольшого количества примесей, способных заместить недостающие узлы решетки. Так же следует обеспечить условие, чтобы все составляющие одной ветви термоэлемента обладали в основном дырочной проводимостью, а другой ветви - электронной. 2. Полупроводники обладают низкой электропроводностью, в этой связи при выборе материалов термоэлектрода возникают определенные трудности. 3. Полупроводниковые термоэлектроды с течением времени постепенно окисляются, а это,соответственно, снижает величину формируемой ЭДС термоэлектрического элемента. Задачей предлагаемого нами изобретения является упрощение и удешевление процесса преобразования тепловой энергии в электрическую электрохимическим методом за счет применения доступных дешевых термоэлектродов. Поставленная техническая задача достигается следующим образом применяется преобразователь состоящий из верхнего (1) и нижнегоблока, которые разделены многочисленными трубками(2). Преобразователь заполняется сернокислым электролитом (3), содержащим переменновалентные катионы. В верхние и нижние блоки устанавливаются графитовые электроды (4). Раствор в верхнем блоке нагревается солнечным лучом,который падает в короб (5). При проведении эксперимента мы нагревали раствор электрическим нагревателем (6). Холодный, более тяжелый сернокислый раствор поступает в нижнюю часть короба, там он нагревается, а вытесненный холодный раствор, в свою очередь поступает в верхнюю часть электролизера. Нагретый раствор позволяет получать более отрицательный потенциал на графитовых электродах в верхнем блоке электролизера по сравнению с потенциалом электрода в нижнем блоке. Благодаря этому, между графитовыми электродами в нижнем и верхнем 24466 блоках электролизера возникает определенная электродвижущая сила. В сернокислом растворе присутствуют переменновалентные катионы,на инертном графитовом электроде устанавливается определенная величина потенциала, которая зависит от активности окисленных и восстановленных форм катионов. Как показали результаты наших исследований,величина возникающего окислительно-восстановительного потенциала также зависит от температуры электролита. Разница температуры раствора в нижнем и верхнем блоках электролизера создают условия формирования определенной электродвижущей силы между графитовыми электродами, расположенными в верхних и нижних блоках электролизера. Раствор, находящийся в верхнем блоке электролизера не перемешивается с раствором нижнего блока, т.е. имеет более высокую температуру и, соответственно, имеет меньшую удельную плотность. Принципиальная схема установки для преобразования тепловой энергии в электрическую приведена на фиг. Преобразователь СОСТОЯЩИЙ ИЗ верхнего (1) и нижнегоблоков разделенные трубками (2) заполнялся 1 М раствором серной кислоты (3). Раствор содержал 30 г/л двухвалентных и 30 г/л трехвалентных ионов железа. В верхнем и нижнем блоках электролизера располагались графитовые электроды (4). Раствор в верхнем блоке электролизера нагревали электрическим нагревателем (6), расположенным внутри короба (5). Как показали результаты исследований, с повышением температуры раствора в верхнем блоке электролизера, растет величина электродвижущей силы между графитовыми электродами,расположенными в верхнем и нижнем блоке электролизера. Графитовые электроды, находящиеся в более теплом растворе имеют более отрицательный потенциал. Зависимость величины ЭДС от температуры раствора на верхнем блоке электролизера приведена ниже в таблице 2. Таблица 2 Влияние температуры раствора на верхнем блоке электролизера на величину электродвижущей силы,возникающей между графитовыми электродами, расположенными в нижнем и верхнем блоке электролизера(температура в нижнем блоке электролизера 25 С),25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Е,мВ 0 3 7 12 18 21 27 31 36 40 45 50 55 59 Как видно из таблицы 2, при одинаковом значении температуры раствора в нижнем и верхнем блоке электролизера, величина ЭДС между графитовыми электродами равна нулю. При температуре раствора в верхнем блоке электролизера 90 С, величина ЭДС между графитовыми электродами составила 59 мВ. Таким образом, при преобразовании тепловой энергии в электрическую, средняя величина, возникающая между электродами составляет 0,90 мВ/град. В наших экспериментах раствор в верхнем блоке нагревался электрическим нагревателем. В принципе этот раствор можно нагреть солнечным лучом,таким образом можно получить электрическую энергию от тепла Солнца. В качестве переменновалентных катионов можно использовать и другие катионы. Таким образом, предложенный нами способ по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества 1. Преобразование тепловой энергии в электрическую упрощается и удешевляется благодаря применению дешевых, легкодоступных графитовых термоэлектродов. Не требуется приготовление полупроводниковых термоэлектродов сложного состава, обладающих определенными физико-химическими свойствами. 2. Термоэлектродвижущая силадля полупроводниковых термоэлектродов не превышает 0,2 мВ/град, а в предложенном нами способе эта величина составляет 0,9 мВ/град, т.е. по сравнению с прототипом более чем в 4 раза больше. 3. Полупроводниковые термоэлектроды имеют низкую электропроводность, а графит обладает относительно высокой электропроводностью, это,соответственно, повышает основные показатели термоэлементов. 4. Полупроводниковые термоэлектроды с течением времени постепенно окисляются, а графит является инертным материалом и его окисление в сернокислом растворе практически не происходит. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Преобразователь тепловой энергии в электрическую, отличающийся тем, что содержит верхнюю и нижнюю секции, заполненные сернокислым раствором, в которых размещены графитовые электроды, а также нагреваемый короб с электролитом, соединенный с верхней секцией.