СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ИОНИЗОВАННОЙ СРЕДЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Изобретение относится к способам получения электрической энергии и может быть использовано для создания морской электростанции по преобразованию потенциальной энергии ионов морской воды в энергию электрического тока, а также по созданию преобразователей потенциальной энергии ионов плазмы в электрическую энергию.

Известен способ получения электрической энергии, заключающийся в размещении двух электродов из разных материалов в ионизованной среде, в разделении свободных заряженных частиц ионизованной среды по знаку заряда, переносе зарядов заряженных частиц на электроды и пропускании электрического тока между электродами по внешней цепи нагрузки-потребителя энергии. При этом в качестве электродов используются различные материалы, создающие разность электродных потенциалов, разделяющих свободные заряды ионизованного электролита. Электрическая энергия получается преобразованием химической энергии путем электрохимических реакций электролита с поверхностными атомами электродов, что достигается подбором материалов электродов, реагирующих с электролитом с выделением и поглощением электронов. Недостатком такого способа является ограниченность количества получаемой энергии площадью электродов. Продукты электрохимических реакций остаются на поверхности электродов. После образования 1-2-мономолекулярных слоев электронный обмен реагентов становится невозможным и реакции прекращаются. В связи с этим количество получаемого электрического заряда ограничено и равно или пропорционально количеству молекул продукта реакции, размещающихся на поверхности электродов [Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия: учебник для хим. специальностей вузов. - М.: Высш. школа, 2003. - 527 с.].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения электрической энергии, заключающийся в размещении двух электродов в ионизованной электрически нейтральной среде, в разделении свободных заряженных частиц ионизованной электрически нейтральной среды по знаку заряда, переносе зарядов заряженных частиц на электроды и пропускании электрического тока между электродами по внешней цепи нагрузки-потребителя энергии [Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высш. школа, 1973. - 749 с.].

При этом в качестве ионизованной среды используется плазма, а разделение ионов по знаку заряда осуществляется внешним магнитным полем. Непрерывная подача плазмы в пространство между электродами обеспечивает возможность отбора неограниченного количества заряда от источника энергии - плазмы. Недостатком такого способа являются затраты энергии на формирование направленного движения плазмы относительно электродов, необходимого для создания условий разделения зарядов плазмы магнитным полем.

Технический результат направлен на повышение эффективности получения электрической энергии природной, естественной ионизованной среды - морской воды как электролита, обладающего потенциальной энергией электронов в отрицательных ионах относительно уровня потенциала ионизации положительных ионов.

Технический результат достигается тем, что в способе получения электрической энергии, заключающемся в размещении двух электродов в ионизованной среде, в разделении свободных заряженных частиц ионизованной среды по знаку заряда, переносе зарядов заряженных частиц на электроды и пропускании электрического тока между электродами по внешней цепи нагрузки-потребителя энергии, разделение заряженных частиц осуществляется электрическим полем контактной разности потенциалов между поверхностями электродов, а перенос электрического заряда с заряженных частиц на электроды осуществляется нейтрализацией заряженных частиц на поверхностях электродов, достигаемой выбором материалов отрицательного электрода с работой выхода электрона с поверхности еφ_- больше энергии сродства S отрицательных частиц (еφ_->S), а положительного электрода с работой выхода электрона с поверхности еφ₊ меньше энергии ионизации eV_i положительных ионов (eφ₊<eV_i).

Отличительной особенностью предлагаемого изобретения является то, что в предлагаемом способе получения электрической энергии разделение заряженных частиц осуществляется электрическим полем контактной разности потенциалов между поверхностями электродов, а перенос электрического заряда с заряженных частиц на электроды осуществляется нейтрализацией заряженных частиц на поверхностях электродов, достигаемой выбором материалов отрицательного электрода с работой выхода электрона с поверхности еφ_- больше энергии сродства S отрицательных частиц (еφ_->S), а положительного электрода с работой выхода электрона с поверхности еφ₊ меньше энергии ионизации eV_i положительных ионов (eφ₊<eV_i).

На чертеже 1 представлена функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа преобразования энергии ионизованной среды (электролита) в электрическую энергию постоянного тока.

Устройство содержит электрод отрицательной полярности 1, электрод положительной полярности 2, электролит 3, корпус 4. При этом работа выхода электрона еφ₊ поверхности положительного электрода 2, изготовленного из материала М₂, контактирующей с электролитом 3, больше работы выхода электрона еφ_- контактирующей с электролитом поверхности отрицательного электрода 1, изготовленного из материала M₁. Работа выхода еφ в целом есть наименьшее значение энергии связи Е_св электрона с поверхностью. При этом Е_св1=еφ_-<еφ₊=Е_св2.

В составе раствора электролита 3 содержатся отрицательные 5 и положительные 6 ионы. Энергия сродства S отрицательных ионов 5 меньше работы выхода электрона еφ_- с поверхности отрицательного электрода 1, а первый потенциал ионизации еV_i1 положительных ионов 6 по абсолютной величине больше работы выхода еφ₊ положительного электрода 2. Устройство представляет собой последовательно соединенную цепь из отрицательного электрода 1 (электронного проводника со свободными электронами 7), электролита 3 (ионного проводника) и положительного электрода 2 (электронного проводника).

На примере электролита, используемого в качестве ионизованной среды, способ осуществляется следующим образом. В качестве материалов для электродов выбирают материалы с разными энергиями связи свободных электронов в них, то есть с разными работами выхода электрона с поверхности. Работа выхода равна энергии связи электрона с поверхностью. Работа выхода электрона с поверхности положительного электрода 2 должна быть меньше еφ₊<eV_i1 первого потенциала ионизации положительных ионов раствора электролита (по абсолютной величине). Растворы электролитов, подготовленные из кислот, содержат в качестве положительных ионов ионы водорода с потенциалом ионизации еУ_i1H=13.5 эВ. Поэтому материал для положительного электрода выбирают с максимально возможной работой выхода еφ₊. Эта величина для всех материалов таблицы Менделеева меньше потенциала ионизации водорода еV_iH>еφ₊.

Энергия сродства S преобладающего большинства отрицательных ионов меньше S<3 эВ, а работа выхода большинства металлов и соединений, которые могут быть использованы в качестве отрицательного электрода, больше еφ_->3 эВ. В связи с этим выбор материала электродов по принципу действия способа не представляет трудностей. Главной трудностью выбора материала становится обеспечение ресурса работы из-за изменений состояния поверхности вследствие возможных нежелательных химических реакций, приводящих к деградации поверхности: изменению работы выхода, образованию непроводящих химических соединений и т.д.

При погружении электродов 1 и 2 в раствор электролита 3 из-за отсутствия зарядообмена между раствором электролита и электродами электроды остаются электрически нейтральными. При замыкании внешней цепи вследствие разной энергии связи электронов 7 в материалах электродов между ними потечет электрический ток. Электроны из материала с меньшей энергией связи электронов (из отрицательного электрода 1) переходят в материал с большей энергией связи электронов (в положительный электрод 2). Величина тока равна I=е n ν_др S, где е - заряд электрона; n - концентрация ионов в электролите, ν_др - дрейфовая скорость ионов; S - площадь сечения проводника (электролита).

Так как направление тока противоположно направлению движения электронов, то электрически нейтральный электрод с большей работой выхода 2 назовем условно "положительным", а электрически нейтральный электрод с меньшей работой выхода 1 - "отрицательным". В начале ток протекает между нейтральными электродами. По мере перехода электронов "положительный" электрод 2 заряжается отрицательно, а "отрицательный" электрод 1 заряжается положительно. Вследствие зарядки между электродами в электролите создается электрическое поле. На границе раздела электродов это поле тормозит следующие переходящие электроны и уменьшает величину тока. При отсутствии электролита такая зарядка достигает величины разности работ выхода - полной контактной разности потенциалов еUЕ_КРП=еφ₊-еφ_-, и ток полностью прекращается. В межэлектродном промежутке электрический ток замыкается токами смещения небольшой величины. При этом количество перешедшего заряда мало, выделяющаяся энергия во внешней цепи мала и не представляет практического интереса, а в литературе не обсуждается даже теоретически.

При наличии электролита между электродами электрическое поле действует на ионы электролита, перемещая их к электродам и создавая ток переноса в электролите. Положительные ионы 5 притягиваются к отрицательно заряженному "положительному" электроду 2, а отрицательные ионы 4 притягиваются к положительно заряженному "отрицательному" электроду 1. Положительные ионы 5 адсорбируются на поверхности положительного электрода 2, из-за большого потенциала ионизации нейтрализуются, забирая электрон с электрода, и десорбируют с поверхности. Отрицательные ионы 4 адсорбируются на поверхности отрицательного электрода 1, нейтрализуются, отдавая электрон поверхности, и десорбируют с поверхности. Процесс нейтрализации снижает заряженность электродов и обеспечивает переход электронов из отрицательного электрода в положительный электрод по внешней цепи. Протекающий ток по внешней цепи совершает в нагрузке полезную работу.

Таким образом, отрицательные ионы электролита поставляют электроны в отрицательный электрод, которые действием разницы энергий связи электронов на границе раздела электродов перемещаются в положительный электрод, распределяются по поверхности положительного электрода и в большей мере на участках, обращенных к отрицательному электроду в межэлектродном пространстве электролита. Отрицательная заряженность положительного электрода и положительная заряженность отрицательного электрода создают напряжение между электродами δU меньше величины контактной разности потенциалов. Это напряжение создает ток в электролите. Одновременно это напряжение является тормозящим на границе раздела "электрод-электрод". На этой границе сила, движущая электроны, возникает вследствие разной энергии связи электронов в электродах еU_КРП=еφ₊-еφ_-. Так как поле зарядки электродов на этой границе оказывает тормозящее действие, то общее напряжение на этой границе равно eU=(еφ₊-еφ_-)-δU=еU_КРП-δU. При увеличении зарядки ток в электролите увеличивается, а ток во внешней цепи уменьшается, при уменьшении зарядки наоборот - ток электролита уменьшается, а во внешней цепи увеличивается. Величина зарядки устанавливается такая, чтобы обеспечивалось равенство токов в электролите и во внешней цепи. В целом, величина тока определяется сопротивлением внешней цепи и физическими процессами подвижности ионов в электролите и нейтрализацией их на поверхности электродов.

Электрическая энергия получается в результате перехода электрона из отрицательного иона с большей потенциальной энергией в положительный ион с меньшей потенциальной энергией.

Энергия выделяется в результате перехода электрона с уровня сродства отрицательного иона на уровень первого потенциала ионизации положительного иона. Потенциальная энергия электролита (диссоциация на ионы) повышается за счет поглощения энергии: либо энергии, выделяющейся при гидратации, сольватации, либо тепловой энергии раствора с понижением температуры. Потенциальная энергия морской воды накапливается за счет тепловой энергии и Солнца и внутренней тепловой энергии Земли.

Электродвижущей силой служит разница энергий связи электронов на границе раздела электродов. Все разнородные материалы, соединяемые последовательно во внешнюю цепь, компенсируются и не оказывают влияния на этот процесс.

Зарядовая емкость определяется количеством электролита между электродами. Обновляя электролит, можно увеличить зарядовую емкость электролита. Так как морская вода является раствором электролита, с большим количеством разнородных положительных и отрицательных ионов, то, обновляя в межэлектродном промежутке воду, зарядовую емкость источника можно увеличивать сколь угодно много. Основным ограничителем ресурса работы источника является процесс деградации поверхности электродов вследствие взаимодействия с морской водой. Этот процесс находится вне принципа действия и может быть минимизирован или устранен.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что предлагаемый способ по принципу действия не ограничивает ресурс зарядовой емкости. При использовании в качестве электролита морской воды можно энергию получать неограниченно. Предложенный способ позволяет использовать новый источник природной энергии с большими запасами экологически чистым путем.