Преобразование тепловой энергии в электрическую

(51) 01 9/22 (2010.01) 01 31/0224 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ электрическую с повышением среднего коэффициента термоЭДС,упрощение и удешевление процесса путем применения доступных дешевых термоэлектродов. Техническим результатом является преобразование тепловой энергии в электрическую с применением термоэлектродов. Техническая задача достигается предлагаемым способом преобразования тепловой энергии в электрическую с применением термоэлектродов, но в отличие от известного,в качестве термоэлектродов используют железные электроды. Электроды погружают в солянокислый раствор,содержащий ионы железаи железа , которые находятся в разных электродных пространствах электролизера, имеющие разную температуру. Электродные пространства соединяются между собой трубкой,заполненной солянокислым раствором, содержащим е 2 и е 3. Предлагаемый способ позволяет преобразовать тепловую энергию в электрическую.(72) Баешов Абдуали Баешович Абижанова Динара Аширалиевна Даулетбаев Аким Серикович Баешова Ажар Коспановна Конурбаев Абибулла Ережепович Абсеметов Абдуажит(73) Акционерное общество Институт органического катализа и электрохимии им. Д.В. Сокольского(54) ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ(57) Изобретение относится к области термоэлектричества,в частности,к непосредственному преобразованию тепловой энергии в электрическую электрохимическим методом. Задачей изобретения является разработка способа преобразования тепловой энергии в Изобретение относится к области термоэлектричества,в частности,к непосредственному преобразованию тепловой энергии в электрическую электрохимическим методом. Немецкий ученый Т. Зеебек в 1823 г. установил,что если спаять концы двух проволочек из разных металлов и затем один из спаев нагреть, а другой охладить, то по цепи протекает ток. Это явление было предпосылкой создания способа прямого превращения тепловой энергии в электрическую на основе термоэлектрических процессов. Известен способ преобразования тепловой энергии в электрическую Попов М.М. Термометрия и калориметрия //Изд. Московского университета,1954. Сущность способа заключается в следующем для получения электродвижущей силы (ЭДС) составляют электрическую цепь из разных 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 ЭДС. Величина ее зависит от материала термоэлектрода и от температуры спая. В качестве термоэлектродов применяются чистые металлы и их сплавы. Например, при разности температур между термоэлектродами, равной 100 С, в случае применения в качестве термоэлектродов разных металлов в паре с платиной возникают различные электродвижущие силы,значения которых представлены в таблице 1. Таблица 1 Значения электродвижущей силы, возникающей при разности температур (0-100 С) в случае применения различных металлов в паре с платинойМеталлы ЭДС, мВ 1,9 1,2 0,9 0,8 Как видно из таблицы 1, средняя ЭДС возникающая между термоэлектродами,составленными различными металлами в паре с платиной, при разности температур в один градус,не превышает 0,019 мВ. В этой связи данный известный способ практически не применяется для получения электроэнергии от тепловой энергии. Этот способ в основном широко применяется для измерения температуры выбранной среды в пределах 100-3000 С путем определения ЭДС системы. Также известен способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую с использованием термоэлектродов из полупроводниковых материалов (А.Ф. Иоффе,Полупроводниковые термоэлементы. Изд. АнССР,М-Л. 1960 г.). Сущность способа заключается в следующем Число носителей тока - электронов и дырок в проводниках заметно повышается при нагревании. Разность температур в термоэлектродах приводит к формированию относительно высоких термоэлектродвижущих сил. Показано, что при применении в качестве термоэлектродов полупроводниковых соединений - 23- 23 термоЭДС системыдостигала 0,2 мВ/град. Считают, что при применении полупроводниковых термоэлектродов среднее значение термоЭДС составляет 0,172 мВ/град. Основные недостатки вышеуказанного прототипа следующие изготовление полупроводниковых термоэлектродов определенного состава является сложным длительным процессом. Кроме того,возникает необходимость устранения дефектов в решетке путем отжига или введения небольшого количества примесей,способных замещать недостающие узлы решетки. Также следует 2 0,76 0,75 0 0,64 1,64 обеспечить условие, чтобы все составляющие одной ветви термоэлемента обладали в основном дырочной проводимостью, а другой ветви электронной полупроводники обладают низкой электропроводностью, в этой связи при выборе материала термоэлектродов возникают определенные трудности полупроводниковые термоэлектроды в атмосфере воздуха с течением времени постепенно окисляются, а это, соответственно, снижает величину формируемой ЭДС термоэлектрического элемента. Задачей предполагаемого изобретения является разработка способа преобразования тепловой энергии в электрическую с повышением среднего коэффициента термоЭДС,упрощение и удешевление процесса путем применения доступных дешевых термоэлектродов. Техническим результатом является преобразование тепловой энергии в электрическую с применением термоэлектродов. Техническая задача достигается предлагаемым способом преобразования тепловой энергии в электрическую с применением термоэлектродов, но в отличие от известного,в качестве термоэлектродов используют железные электроды. Электроды погружают в солянокислый раствор,содержащий ионы 2 и 3, которые находятся в разных электродных пространствах электролизера,имеющие разную температуру. Электродные пространства соединяются между собой трубкой,заполненной солянокислым раствором, содержащим ионов 2 ие 3. Предлагаемый способ позволяет преобразовать тепловую энергию в электрическую. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем Одно электродное пространство электролизера нагревают, через водяную рубашку и между железными электродами возникает электродвижущая сила(ЭДС). Величина формирующейся между железными электродами ЭДС прежде всего зависит от разности температур раствора в электродных пространствах электролизера. Согласно уравнению Нернста в растворах с одинаковым составом потенциал электрода зависит от температуры электрода. Для того, чтобы данная система работала как источник электрического тока, на электродах,соответственно, должны протекать обратимые окислительно-восстановительные реакции,т.е. реакция окисления 2 и реакция восстановления. Именно эти процессы способствуют возникновению и протеканию тока в электрохимической и электрических цепях. Пример. Принципиальная схема электрохимической установки для преобразования тепловой энергий вод в электрическую приведена на фигуре. По схеме электролизер состоит из двух электродных пространств (1 и 2), которые соединены между собой трубкой (3). Одно из электродных пространств имеет термостатируемую рубашку,присоединенную к термостату,следовательно, по мере необходимости можно устанавливать любую температуру в пределах 2090 С. В данном случае в термостате нагревают воду,а на практике эту роль будет выполнять геотермальная вода. Электролизер заполняют раствором, содержащим 50 г/л соляной кислоты,10 г/л 2 и 10 г/л 3. В электродные пространства погружают железные электроды. Как показали результаты исследований,с повышением температуры в термостатируемом пространстве растет величина электродвижущей силы между железными электродами, расположенными в разных пространствах электролизера. Железный электрод,находящийся в более теплом растворе имеет более отрицательный потенциал. Зависимость величины ЭДС и тока короткого замыкания между железными электродами от температуры в термостатируемом пространстве электролизера приведена в таблице-2. Опыты проведены в условиях С(НС)50 г/л,(2)10 г/л, (3)10 г/л, температура раствора в нетермостатируемом пространстве электролизера 25 С). Таблица 2 Изменение величины ЭДС и тока короткого замыкания между железными электродами от температуры раствора в термостатируемом пространстве электролизера Как видно из таблицы 2, при одинаковом значении температуры раствора в разных электродных пространствах электролизера,величина ЭДС и тока короткого замыкания равна нулю. При температуре раствора в термостатируемом пространстве электролизера,равной 60 С, величина ЭДС и тока короткого замыкания между железными электродами,соответственно, составляет 130 мВ и 0,70 мА. Таким образом,средняя величина коэффициента термоЭДС, возникающей между электродами,составляет 3,75 мВ/град. Полученные экспериментальные данные позволяют утверждать, что применяя два железных электрода, можно получить электрическую энергию от тепла геотермальных вод электрохимическим способом. 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 железных термоэлектродов. Не требуется приготовление полупроводниковых для известных полупроводниковых термоэлектродов не превышает 0,2 мВ/град, а в предлагаемом способе эта величина составляет 3,75 мВ/град, т.е. по сравнению с прототипом больше более чем в 650 раз. 3) Полупроводниковые термоэлектроды имеют низкую электропроводность, а железо обладает относительно высокой электропроводностью, это,соответственно, повышает основные показатели термоэлементов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Преобразование тепловой энергий в электрическую с применением термоэлектродов отличающееся тем, что в качестве термоэлектродов используют железные электроды и их погружают в разные электродные пространства электролизера,имеющие разные температуры, разделенные между собой трубкой,заполненной солянокислым раствором, содержащим ионы двухвалентного и трехвалентного железа и одно из пространств электролизера нагревают. Фиг. - Принципиальная схема установки для проведения исследований по преобразованию тепловой энергии в электрическую энергию