RU2110130C1 - Method and device for electrical energy storage - Google Patents
Method and device for electrical energy storage Download PDFInfo
- Publication number
- RU2110130C1 RU2110130C1 RU97101692A RU97101692A RU2110130C1 RU 2110130 C1 RU2110130 C1 RU 2110130C1 RU 97101692 A RU97101692 A RU 97101692A RU 97101692 A RU97101692 A RU 97101692A RU 2110130 C1 RU2110130 C1 RU 2110130C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- electrodes
- working element
- working
- leakage current
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для накопления электрической энергии большой энергоемкости в автономных системах электропитания. The invention relates to electrical engineering and can be used to accumulate electrical energy of high energy intensity in autonomous power supply systems.
Известен способ зарядки аккумулятора [1], основанный на пропускании через аккумулятор постоянного тока повышенной плотности и периодического подключения его электродов к дополнительному источнику электрической энергии для пропускания через аккумулятор импульсов тока обратной полярности длительностью 1-10 мс, при этом амплитуду импульсов выбирают на 5-10% больше величины ЭДС аккумулятора в момент подключения дополнительного источника. Сущность изобретения заключается в том, что заряд ведут при повышенной плотности постоянного тока, причем в течение зарядного периода производят снятие диффузионных ограничений, препятствующих повышению зарядного тока, путем подачи кратковременных импульсов электрического тока, длительность которых выбирают в миллисекундном диапазоне, а амплитуду такой величины, чтобы электродный потенциал был равен или близок потенциалу нулевого заряда. Длительность и скважность импульсов регулируют в функции определенных параметров аккумулятора, например напряжения на зажимах аккумулятора или его ЭДС, давления газа и т. д. , либо независимо от них по заранее заданной программе, что дает возможность предупредить появление нежелательных химических изменений в аккумуляторе. Импульсы электрического тока обратной полярности указанных длительности и амплитуды подают от внешнего источника, например от сети переменного тока промышленной частоты, коммутируемого по заданному закону. A known method of charging the battery [1], based on passing through the battery a direct current of high density and periodically connecting its electrodes to an additional source of electrical energy to pass through the battery current pulses of reverse polarity lasting 1-10 ms, while the pulse amplitude is selected for 5-10 % more battery EMF at the time of connecting an additional source. The essence of the invention lies in the fact that the charge is carried out at an increased density of direct current, and during the charging period, the diffusion restrictions that impede the increase in the charging current are removed by applying short-term electric current pulses, the duration of which is selected in the millisecond range, and the amplitude is such that electrode potential was equal to or close to the potential of zero charge. The duration and duty cycle of the pulses is regulated in function of certain parameters of the battery, for example, the voltage at the terminals of the battery or its EMF, gas pressure, etc., or independently of them according to a predetermined program, which makes it possible to prevent the occurrence of undesirable chemical changes in the battery. The pulses of electric current of reverse polarity of the indicated duration and amplitude are supplied from an external source, for example, from an alternating current network of industrial frequency, switched according to a given law.
Недостаток известного способа заключается в его невысокой эффективности, заключающейся в том, что аккумулятор, заряженный этим способом, обладает невысокой энергоемкостью и имеет объемную энергетическую плотность порядка 0,1 МВт/м3, что определяется физическими принципами получения электричества за счет ионизации кислоты.The disadvantage of this method is its low efficiency, which consists in the fact that the battery charged by this method has a low energy intensity and has a volumetric energy density of the order of 0.1 MW / m 3 , which is determined by the physical principles of generating electricity by ionizing the acid.
Известное устройство для накопления электрической энергии [2] содержит батарею накопительных элементов в виде n включенных последовательно конденсаторов, n дифференциальных усилителей, n элементов задержки, блок амплитудной селекции, n элементов И, n ключей, n шунтовых резисторов, n диодов, ограничительный резистор, коммутатор, датчик тока, первый второй и третий пороговые элементы. Устройство позволяет в результате отслеживания заряда каждого последовательно включенного конденсатора и управления зарядом каждого последовательно включенного конденсатора и управления зарядом конденсаторов путем их шунтирования осуществить заряд каждого из конденсаторов равномерно и получить на каждом конденсаторе и на всей батареи требуемый уровень рабочего напряжения. The known device for storing electrical energy [2] contains a battery of storage elements in the form of n series-connected capacitors, n differential amplifiers, n delay elements, an amplitude selection unit, n AND elements, n keys, n shunt resistors, n diodes, a limiting resistor, a switch , current sensor, first second and third threshold elements. The device allows, as a result of tracking the charge of each series-connected capacitor and controlling the charge of each series-connected capacitor and controlling the charge of the capacitors by shunting, charge each of the capacitors uniformly and obtain the required operating voltage level on each capacitor and on the entire battery.
Недостатком этого устройства является его невысокая энергоемкость. The disadvantage of this device is its low energy intensity.
Известен способ накопления электрической энергии в молекулярном конденсаторе [3] , который является наиболее близким способом по технической сущности и решаемой задаче. Известный способ заключается в том, что электрическую энергию накапливают в молекулярных конденсаторах, которые являются наиболее пригодными для накопления большого количества электрической энергии, так как электрическая удельная емкость молекулярных конденсаторов значительно выше электрической удельной емкости традиционных конденсаторов. Длительному хранению накопленной электрической энергии в таких конденсаторах препятствует сравнительно низкое значение постоянной времени саморазряда (10-12 сут), обусловленное небольшим электрическим сопротивлением поляризованной среды. Увеличение срока хранения электрической энергии достигается снижением потерь за счет саморазряда. Способ заключается в том, что молекулярный конденсатор заряжают от источника постоянного тока до номинального напряжения. В конце процесса зарядки конденсатор охлаждают до температуры, при которой ток утечки - i утечки соответствует величине, определяемой соотношением:
где
Uo - напряжение, до которого заряжают конденсатор;
C - равновесная емкость молекулярного напряжения;
t - время хранения, за которое напряжение на обкладках конденсатора уменьшается на допустимую величину.A known method of accumulating electrical energy in a molecular capacitor [3], which is the closest method in terms of technical nature and the problem to be solved. The known method consists in the fact that electrical energy is stored in molecular capacitors, which are most suitable for storing a large amount of electrical energy, since the electrical specific capacitance of molecular capacitors is much higher than the electrical specific capacitance of traditional capacitors. The long-term storage of accumulated electrical energy in such capacitors is hindered by the relatively low value of the self-discharge time constant (10-12 days), due to the small electrical resistance of the polarized medium. An increase in the shelf life of electric energy is achieved by reducing losses due to self-discharge. The method consists in charging a molecular capacitor from a direct current source to a rated voltage. At the end of the charging process, the condenser is cooled to a temperature at which the leakage current - i leakage corresponds to a value determined by the ratio:
Where
U o - voltage to which the capacitor is charged;
C is the equilibrium molecular voltage capacity;
t is the storage time during which the voltage on the capacitor plates decreases by an acceptable value.
Процесс накопления осуществляют следующим образом. The accumulation process is as follows.
Молекулярный конденсатор заряжают от источника постоянного тока до номинального напряжения. В конце процесса зарядки температуру конденсатора понижают, пока ток утечки не достигнет желаемой величины. В замороженном состоянии накопленная электрическая энергия может храниться в течение нескольких месяцев. Для разряда молекулярный конденсатор необходимо разогреть до рабочей температуры. Способ позволяет применять молекулярные конденсаторы вместо химических резервных источников тока, причем в отличие от последних молекулярные конденсаторы могут быть использованы многократно, однако существенный недостаток этого способа заключается в том, что конденсатор обладает относительно малой энергоемкостью. The molecular capacitor is charged from a direct current source to a rated voltage. At the end of the charging process, the capacitor temperature is lowered until the leakage current reaches the desired value. In the frozen state, the accumulated electrical energy can be stored for several months. For discharge, the molecular capacitor must be heated to operating temperature. The method allows the use of molecular capacitors instead of chemical standby current sources, and in contrast to the latter, molecular capacitors can be used repeatedly, however, a significant drawback of this method is that the capacitor has a relatively low energy consumption.
Общими существенными признаками предлагаемого способа и известного являются следующие: зарядка рабочего элемента от источника постоянного тока, измерение тока утечки и последующее понижение температуры рабочего элемента. Common essential features of the proposed method and the known are the following: charging the working element from a constant current source, measuring the leakage current and then lowering the temperature of the working element.
Отличительными существенными признаками предлагаемого способа накопления электрической энергии являются следующие: рабочий элемент предварительно обрабатывают до достижения атомарно-гладкой его поверхности, размещают его на одном из электродов и помещают в вакуумную камеру с давлением 10-7 - 10-8 мм рт. ст. , а другой электрод соединяют с положительным потенциалом источника постоянного тока величиной 15-25 кВ и осуществляют его вращение со скоростью 200-220 с-2, измеряют величину тока утечки в цепи рабочий элемент - первый электрод - второй электрод, при достижении нулевого значения тока утечки снимают электроды и устанавливают рабочий элемент между другими электродами, соединенными с положительным потенциалом источника постоянного тока, величину которого плавно изменяют от 25 до 250 кВ, предварительно понижая температуру в вакуумной камере до 5-10 К, повторно измеряют ток утечки, при достижении которым нулевого значения повышают температуру в вакуумной камере до нормальной и измеряют потенциал рабочего элемента.Distinctive essential features of the proposed method of electric energy storage are the following: the working element is pre-treated until its atomically smooth surface is reached, placed on one of the electrodes and placed in a vacuum chamber with a pressure of 10 -7 - 10 -8 mm RT. Art. and the other electrode is connected to the positive potential of a DC source of 15-25 kV and rotated at a speed of 200-220 s -2 , measure the magnitude of the leakage current in the circuit of the working element - the first electrode - the second electrode, when the leakage current reaches zero remove the electrodes and install the working element between other electrodes connected to the positive potential of the DC source, the value of which smoothly varies from 25 to 250 kV, previously lowering the temperature in the vacuum chamber to 5-10 K, the leakage current is re-measured, when it reaches zero, the temperature in the vacuum chamber is increased to normal and the potential of the working element is measured.
Известно устройство для накопления электрической энергии [4], которое является наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к предложенному устройству, содержащее созданный обкладками конденсатора единый гибридный узел типа конденсатор-катушка индуктивности, при этом обкладки конденсатора являются и обмотками катушки индуктивности, выполненные из сверхпроводящего материала и погруженные в криоген. Катушка индуктивности имеет сердечник с заданной магнитной проницаемостью, смещением которого можно повышать индуктивность обмоток катушки. A device for storing electric energy [4] is known, which is the closest in technical essence and the problem to be solved to the proposed device, containing a single hybrid assembly of the capacitor-inductor type created by the capacitor plates, while the capacitor plates are also the windings of the inductor made of superconducting material and immersed in cryogen. The inductor has a core with a given magnetic permeability, the displacement of which can increase the inductance of the coil windings.
Накопление электрической энергии производят в накопителе с помощью источника тока, диодов и выключателей в объеме диэлектрика и за счет циркуляции тока в обмотках. The accumulation of electrical energy is produced in the drive using a current source, diodes and switches in the dielectric volume and due to the current circulation in the windings.
Общим существенным признаком заявляемого устройства и известного является рабочий элемент, размещенный между двумя электродами. A common essential feature of the claimed device and the known is a working element located between two electrodes.
Отличительными существенными признаками предлагаемого устройства являются следующие: рабочий элемент выполнен в виде диска, диаметр которого не менее чем в 80-100 раз больше его толщины, и размещен на поверхности первого электрода, установленного с возможностью контакта со вторым электродом, при этом рабочая поверхность первого электрода в области, контактирующей с рабочей поверхностью второго электрода, выполнена в виде составного сегментообразного диска, сегменты которого выполнены последовательно чередующимися из токопроводящего и диэлектрического материалов, причем площадь поверхности сегментообразного диска в 3,5-4 раза превышает площадь поверхности рабочего элемента, а рабочая поверхность второго электрода, установленного с возможностью вращения, имеет Z-образную форму и выполнена в виде последовательно чередующихся выступов и впадин, при этом дополнительно введенные третий и четвертый электроды, заменяющие первый и второй электроды, выполнены из меди в виде стержней, диаметры которых равны диаметру рабочего элемента, соосно расположенного между ними, причем зазор между поверхностями рабочего элемента, третьего и четвертого электродов не превышает 10-2 - 10-3 нм.Distinctive essential features of the proposed device are the following: the working element is made in the form of a disk, the diameter of which is not less than 80-100 times its thickness, and is placed on the surface of the first electrode installed with the possibility of contact with the second electrode, while the working surface of the first electrode in the area in contact with the working surface of the second electrode, made in the form of a composite segmented disk, the segments of which are made sequentially alternating from a conductive and dielectric materials, and the surface area of the segmented disk is 3.5-4 times greater than the surface area of the working element, and the working surface of the second electrode mounted rotatably has a Z-shape and is made in the form of successively alternating protrusions and depressions, while the introduced third and fourth electrodes, replacing the first and second electrodes, are made of copper in the form of rods whose diameters are equal to the diameter of the working element coaxially located between them, and the gap between the surfaces of the working element, the third and fourth electrodes does not exceed 10 -2 - 10 -3 nm.
При этом рабочий элемент выполнен из свинца, а зазор между поверхностями выступов и впадин второго электрода составляет 10-20 мкм. In this case, the working element is made of lead, and the gap between the surfaces of the protrusions and depressions of the second electrode is 10-20 μm.
Технический результат, который достигается при использовании изобретения - способа накопления электрической энергии и устройства для его осуществления, - это создание электрического энергонакопителя энергетической объемной плотности, превышающей 10 ГВт•ч/м3. Для получения такой энергетической плотности необходимо провести глубокую ионизацию атомов металла, например атомов свинца, до L-оболочки включительно.The technical result that is achieved by using the invention, a method of storing electric energy and a device for its implementation, is the creation of an electric energy storage device with an energy bulk density exceeding 10 GW • h / m 3 . To obtain such an energy density, it is necessary to conduct deep ionization of metal atoms, for example, lead atoms, to the L shell, inclusive.
На фиг. 1 и 2 схематически изображено устройство для накопления электрической энергии, где на фиг. 1: 1 - рабочий элемент, 2 - первый электрод, 3 - второй электрод, на фиг. 2: 1 - рабочий элемент, 2 - третий электрод, 3 - четвертый электрод. In FIG. 1 and 2 schematically show a device for storing electric energy, where in FIG. 1: 1 - working element, 2 - the first electrode, 3 - the second electrode, in FIG. 2: 1 - working element, 2 - third electrode, 3 - fourth electrode.
Способ накопления электрической энергии основан на зарядке рабочего элемента, выполненного, например, из свинца, от источника постоянного тока. Для получения энергетической плотности, превышающей 10 ГВт•ч/м3, необходимо провести глубокую ионизацию атомов свинца до L-оболочки включительно, что позволяет получить потенциал ионизации около 15 кВ (Физические величины, Справочник. -М.: Энергоиздат, 1991, с.419). Следовательно, работа по восстановлению свинца на L оболочке для одного электрона равна 15 кэВ. На L-оболочке располагается 8 электронов (Яворский В.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. -М.: Наука, 1964, с. 695), которые в сумме имеют 120 кэВ энергии на один атом. Один килограмм свинца имеет около 1024 атомов (там же с.134), следовательно, суммарная энергия одного килограмма свинца составляет более 1029 эВ или 1 МВт/ч. Так как объем одного килограмма свинца около 10-4 м3 (Кошкин Н. И. Ширкевич М. Г. Справочник по элементарной физике М.: Наука, 1972, с. 37), то его энергетическая плотность соответственно более 10 ГВт•ч/м3.The method of accumulating electric energy is based on charging a working element made, for example, of lead, from a direct current source. To obtain an energy density exceeding 10 GW • h / m 3 , it is necessary to conduct deep ionization of lead atoms to the L-shell, inclusive, which allows to obtain an ionization potential of about 15 kV (Physical quantities, Reference. -M .: Energoizdat, 1991, p. 419). Consequently, the work on reducing lead on the L shell for one electron is 15 keV. On the L-shell there are 8 electrons (Yavorsky V.M., Detlaf A.A. Physics Handbook. -M .: Nauka, 1964, p. 695), which in total have 120 keV of energy per atom. One kilogram of lead has about 10 24 atoms (ibid. P. 134), therefore, the total energy of one kilogram of lead is more than 10 29 eV or 1 MW / h. Since the volume of one kilogram of lead is about 10 -4 m 3 (Koshkin N.I. Shirkevich M.G. Handbook of Elementary Physics M .: Nauka, 1972, p. 37), its energy density is accordingly more than 10 GW • h / m 3 .
Глубокая ионизация свинца проводится за счет "холодной" эмиссии электронов (Яворский В.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. -М.: Наука, 1964, с. 391) в поле высокой напряженности плюсового полюса высоковольтного источника тока (там же, с. 342). После завершения полной ионизации ионизированный свинец представляет собой положительный полюс любой электрической цепи, отрицательным полюсом для которой является "нулевой" потенциал или "земля" (там же, с. 362). После заполнения соответствующих электронных оболочек процесс зарядки устройства может повторяться неограниченное число раз. Deep lead ionization is carried out due to the "cold" emission of electrons (Yavorsky V.M., Detlaf A.A. Physics Handbook. -M .: Nauka, 1964, p. 391) in the high-voltage field of the plus pole of a high-voltage current source (there same, p. 342). After complete ionization is complete, ionized lead is the positive pole of any electrical circuit, the negative pole of which is the “zero” potential or “earth” (ibid., P. 362). After filling the corresponding electronic shells, the charging process of the device can be repeated an unlimited number of times.
Для обеспечения ионизации свинца рабочий элемент предварительно обрабатывают до достижения атомарно-гладкой его поверхности. To ensure ionization of lead, the work item is pre-treated until it reaches an atomically smooth surface.
Процесс ионизации рабочего элемента проводится последовательно в несколько этапов. The ionization process of the working element is carried out sequentially in several stages.
Первый этап - это вывод валентных электронов из рабочего элемента методом электростатического наведения зарядов на его поверхности. The first stage is the removal of valence electrons from the working element by electrostatic guidance of charges on its surface.
Для этого устройство для накопления электрической энергии, содержащее рабочий элемент 1, первый электрод 2 и второй электрод 3 (фиг.1), помещают в вакуумную камеру с давлением 10-7 - 10-8 мм рт.ст. Предварительно рабочий элемент 1, выполненный из свинца, в виде диска (фиг.1), площадь поверхности которого не менее чем в 80-100 раз больше его толщины, обрабатывают до достижения атомарно-гладкой его поверхности, затем устанавливают на поверхность первого электрода 2 (фиг.1), при этом рабочая поверхность первого электрода 2 в области, контактирующей с рабочей поверхностью второго электрода 3 (фиг. 1), выполнена в виде составного сегментообразного диска, сегменты которого выполнены последовательно чередующимися из токопроводящего и диэлектрического материалов, причем площадь поверхности сегментообразного диска в 3,5-4 раза превышает площадь поверхности рабочего элемента 1, а рабочая поверхность второго электрода 3, установленного с возможностью вращения, имеет Z-образную форму и выполнена в виде последовательно чередующихся выступов и впадин, зазор между поверхностями которых составляет 10-20 мкм.For this, a device for storing electrical energy containing a working element 1, a
Второй электрод 3 соединяют с положительным потенциалом источника постоянного тока величиной 15-25 кВ и осуществляют его вращение со скоростью 200-220 с-1, измеряют величину тока утечки в цепи рабочий элемент 1 - первый электрод 2 - второй электрод 3, при достижении нулевого значения тока утечки снимают первый и второй электрода (фиг.1) и устанавливают рабочий элемент 1 (фиг. 2) между третьим электродом 2 и четвертым электродом 3 (фиг.2). Введенные третий 2 и четвертый 3 электроды (фиг.2), заменяющие первый 2 и второй 3 электроды (фиг. 1), выполнены из меди в виде стержней, диаметры которых равны диаметру рабочего элемента 1 (фиг.2), соосно расположенного между ними, причем зазор между поверхностями рабочего элемента, третьего и четвертого электродов (фиг.2) не превышает 10-2-10-3 нм.The
Третий и четвертый электроды предварительно соединяют с положительным потенциалом источника постоянного тока, величину которого плавно изменяют от 25 до 250 кВ, предварительно понижая температуру вакуумной камере до 5-10 К, после чего повторно измеряют ток утечки, при достижении им нулевого значения повышают температуру в вакуумной камере до нормальной и измеряют потенциал рабочего элемента. The third and fourth electrodes are pre-connected to the positive potential of the DC source, the value of which is smoothly changed from 25 to 250 kV, preliminary lowering the temperature of the vacuum chamber to 5-10 K, after which the leakage current is re-measured, when it reaches zero, the temperature in the vacuum is increased chamber to normal and measure the potential of the working element.
Расчет режимов ионизации, осуществляемых при реализации способа, и параметров устройства, приведенных ниже, подтверждают возможность достижения технического результата - получения устройства, имеющего высокую энергетическую плотность. The calculation of the ionization modes carried out during the implementation of the method, and the device parameters listed below confirm the possibility of achieving a technical result - obtaining a device having a high energy density.
Геометрические размеры рабочего элемента: диаметр - 0,113 м, толщина - 0,001 м, площадь одной стороны - S = 0,01 м2, объем - 1•10-5 м3.The geometric dimensions of the working element: diameter - 0.113 m, thickness - 0.001 m, the area of one side - S = 0.01 m 2 , volume - 1 • 10 -5 m 3 .
Масса рабочего элемента, выполненного из свинца, -0,113 кг, число атомов рабочего элемента - 3,29•1023, число выводимых электронов - 2,6•1025, число валентных электронов - 3,6•1024, число электронов O-оболочки - 5,9•1024, число электронов N-оболочки - 1,1•1025, число электронов M-оболочки - 5,9•1025, число электронов L-оболочки - 2,6•1024.The mass of the working element made of lead is -0.113 kg, the number of atoms of the working element is 3.29 • 10 23 , the number of electrons removed is 2.6 • 10 25 , the number of valence electrons is 3.6 • 10 24 , the number of electrons is O- shells - 5.9 • 10 24 , the number of electrons of the N-shell - 1.1 • 10 25 , the number of electrons of the M-shell - 5.9 • 10 25 , the number of electrons of the L-shell - 2.6 • 10 24 .
Валентные электроны выводятся из рабочего элемента электростатическим наведением зарядов на поверхности и формированием тока утечки через отводной электрод при контакте. Процесс проводится в вакуумной камере с давлением 10-7 - 10-8 мм рт.ст. при нормальной температуре.Valence electrons are removed from the working element by electrostatic induction of charges on the surface and the formation of a leakage current through the outlet electrode upon contact. The process is carried out in a vacuum chamber with a pressure of 10 -7 - 10 -8 mm Hg. at normal temperature.
Допустимый тепловой поток q = λ•ΔT/L - 3,5•10 Вт/м2, λ - 35 Вт/м•К, T - 100 К, L -0,001 м.Permissible heat flux q = λ • ΔT / L - 3.5 • 10 W / m 2 , λ - 35 W / m • K, T - 100 K, L -0.001 m.
Тепловой поток через площадь контакта S g(S) = g•S - 3,5•104 Вт.The heat flux through the contact area S g (S) = g • S is 3.5 • 10 4 W.
Для обеспечения расчетного отвода тепла от рабочего элемента в процессе вывода валентных электронов температура "отводного" электрода не должна превышать 50oC.To ensure the calculated heat removal from the working element in the process of outputting valence electrons, the temperature of the "discharge" electrode should not exceed 50 o C.
Допустимая энергия перегрева - Q = c•m•Δt -1450 Дж. Allowable superheat energy - Q = c • m • Δt -1450 J.
Время накопления энергии перегрева (10 ч)r - 3,6 •104с.The accumulation time of overheating energy (10 h) r - 3.6 • 10 4 s.
Допустимый ток эмиссии валентных электронов I = (Q•S/ρ•k•τ)(1/2) , I - 36 A. Permissible emission current of valence electrons I = (Q • S / ρ • k • τ) (1/2), I - 36 A.
Удельное сопротивление свинца ρ - 0,221 Ом•мм2/м.The specific resistance of lead ρ is 0.221 Ohm • mm 2 / m.
Коэффициент увеличения сопротивления при температуре 373 К К -1,4. The coefficient of increase in resistance at a temperature of 373 K To -1.4.
Плотность тока j= I/S - 0,0036 А/мм2.The current density j = I / S is 0.0036 A / mm 2 .
Ток эмиссии I - 16 А. The emission current I is 16 A.
Число выводимых валентных электронов N(F)ц= I•τ/e - 3,6•1024.The number of output valence electrons N (F) c = I • τ / e - 3.6 • 10 24 .
Полное время вывода валентных электронов T = N(P)•r/N(F)ц - 3,6 ч.The total output time of valence electrons T = N (P) • r / N (F) c - 3.6 hours
При проведении расчета конструкция электродов имеет определенную конфигурацию и геометрические размеры: нижний электрод (соединенный с рабочим элементом) разбивается на чередующиеся сектора из токопроводящего и изоляционного материала равной ширины не более 2 мм, суммарная площадь проводящих секторов должна быть не менее (3,5)-(4) S, где S - площадь поверхности рабочего элемента, верхний электрод выполняется целиком из проводящего материала с чередованием выступов и впадин, причем ширина выступов не должна превышать 1 мм, ширина впадин - 3 мм, глубина впадин - 15 мкм. During the calculation, the design of the electrodes has a certain configuration and geometric dimensions: the lower electrode (connected to the working element) is divided into alternating sectors of conductive and insulating material of equal width no more than 2 mm, the total area of the conductive sectors must be at least (3.5) - (4) S, where S is the surface area of the working element, the upper electrode is made entirely of conductive material with alternating protrusions and depressions, and the width of the protrusions should not exceed 1 mm, the width of the depressions is 3 mm, the depth of the depressions is 15 microns.
Время перекрытия рабочих электродов не более t - 3•10-5 с.The overlapping time of the working electrodes is not more than t - 3 • 10 -5 s.
Соответствующая скорость исполнительных органов на диаметре 0,1 м v=b/t - 67 м/с, ω - 212 с-1.The corresponding speed of the executive bodies at a diameter of 0.1 m v = b / t is 67 m / s, ω - 212 s -1 .
Величина поверхностного заряда Ns = I•t - 4,8•10-4К.The magnitude of the surface charge Ns = I • t is 4.8 • 10 -4 K.
Поверхностная плотность зарядов σ = Ns/4S - 1,2•10-2 К/м2.The surface charge density σ = Ns / 4S is 1.2 • 10 -2 K / m 2 .
Напряженность поля E = σ/ε - 1,36 • 109В/м.The field strength E = σ / ε is 1.36 • 10 9 V / m.
Плотность тока полевой эмиссии меньше 1,0•10-5А/см2.The field emission current density is less than 1.0 • 10 -5 A / cm 2 .
Рабочее напряжение верхнего электрода при зазоре 15 мкм U= E•h - 20,4 кВ. The working voltage of the upper electrode with a gap of 15 μm U = E • h - 20.4 kV.
Второй этап процесса ионизации заключается в следующем: после вывода из рабочего элемента валентных электронов рабочий элемент, выполненный из свинца, теряет свойство проводимости электрического тока и становится диэлектриком, поэтому вывод электронов с внутренних оболочек проводится методом полевой эмиссии на атомных расстояниях полного контакта рабочего элемента, имеющего атомарно-гладкую поверхность после обрабатывания его поверхности, и электродов, выполненных из меди, которые прикладываются к обеим сторонам рабочего элемента, процесс проводится при температуре 5 K. В условиях отсутствия электронов по переходу с одной оболочки на другую переводится в гамма-излучение (рентгеновское), поэтому отсутствует какой-либо источник, повышающий температуру рабочего элемента, в то же время вся высвобождаемая энергия поглощается электродами, повышая их внутреннюю температуру. The second stage of the ionization process is as follows: after the valence electrons are removed from the work element, the lead made work element loses the electrical current conduction property and becomes an insulator, therefore, the electrons are removed from the inner shells by the field emission method at atomic distances of the contact of a working element with atomically smooth surface after processing its surface, and electrodes made of copper, which are applied to both sides of the working element, the process is carried out at a temperature of 5 K. In the absence of electrons, the transition from one shell to another is converted to gamma radiation (x-ray), therefore there is no source that raises the temperature of the working element, at the same time, all the released energy is absorbed by the electrodes, increasing their internal temperature.
Максимальная энергия одного электрона Ee - 15,9 кэВ, 2,5•10-15Дж.The maximum energy of one electron Ee is 15.9 keV, 2.5 • 10 -15 J.
Максимальный тепловой поток через поверхность электрода q = T/L 2•106 Вт/м2, 2•106Дж/с•м2.The maximum heat flux through the electrode surface q = T /
Удельная теплопроводность 0,1 λдоп. - 2000 Вт/м•К.Thermal conductivity 0.1 λ add. - 2000 W / m • K.
Глубина полного поглощенного излучения l - 0,01 м. The depth of the total absorbed radiation l is 0.01 m
Допустимый перепад температуры ΔT - 10 К. The permissible temperature difference ΔT is 10 K.
Тепловой поток с учетом площади S q(S)= q•S - 2•104 Дж/с.Heat flow taking into account the area S q (S) = q • S - 2 • 10 4 J / s.
Время, необходимое для вывода L-электронов T=N(L)•Ee/q-325 000 с, 90,3 ч; M-электронов - 147500 с, 41,0 ч; N-электронов 68750 с, 19,1 ч. Time required for the extraction of L-electrons T = N (L) • Ee / q-325 000 s, 90.3 h; M-electrons - 147500 s, 41.0 h; N-electrons 68750 s, 19.1 h.
Токи эмиссии при выводе соответствующих электронов I=N(L)•e/T - 1,28 A; M-электронов - 6,40 А; N-электронов - 25,60 А. Emission currents during the removal of the corresponding electrons I = N (L) • e / T - 1.28 A; M-electrons - 6.40 A; N-electrons - 25.60 A.
Полное время вывода всех электронов 90,3+41,0+19,1+3,6 - 146,8 ч. The total output time of all electrons is 90.3 + 41.0 + 19.1 + 3.6 - 146.8 hours.
Рабочее напряжение определяется из условия прилегания поверхностей электродов к поверхности рабочего элемента, не более 10-2-10-3 нм, а также из условия превышения силы выталкивающего электрического поля над силой, удерживающей электрон на орбите.The operating voltage is determined from the condition that the electrode surfaces adhere to the surface of the working element, not more than 10 -2 -10 -3 nm, and also from the condition that the force of the buoyant electric field exceeds the force that holds the electron in orbit.
Сила, удерживающая валентный электрон на орбите F = A/l - 1,89•10-3Н, l = 2r (r - радиус электрона) - 1,69•10-16м, A - работа выхода валентного электрона 4 эВ, 6,4•10-19 Дж.The force holding the valence electron in orbit F = A / l is 1.89 • 10 -3 N, l = 2r (r is the radius of the electron) is 1.69 • 10 -16 m, A is the work function of the
Сила, удерживающая электрон на L-орбите, должна быть больше или равна силе, удерживающей валентный электрон, следовательно орбита L-оболочки не может отстоять от края атома более чем на 7950 r, средняя разряженность электронных оболочек составляет 0,02 от общей глубины электронных оболочек, поэтому L-оболочка не может быть ближе к краю атома менее чем на 4000 r (без учета межоболочковых интервалов). The force holding the electron in the L orbit must be greater than or equal to the force holding the valence electron, therefore, the orbit of the L shell cannot be more than 7950 r from the edge of the atom, the average discharge of the electron shells is 0.02 of the total depth of the electron shells therefore, the L shell cannot be closer to the edge of the atom by less than 4000 r (without taking into account the intershell intervals).
Возможный интервал L-орбиты от края атома: максимум - 1,34•10-12м, минимум - 6,73 •10-13 м, принимаем l минимум - 6,73•10-13м.The possible interval of the L-orbit from the edge of the atom: maximum - 1.34 • 10 -12 m, minimum - 6.73 • 10 -13 m, accept l minimum - 6.73 • 10 -13 m.
Сила, удерживающая электрон на L-орбите F = A/l - 3,78•10-3Н.The force holding the electron in the L-orbit F = A / l - 3,78 • 10 -3 N.
Сила противодействия равна 4•10-3 Н.The reaction force is 4 • 10 -3 N.
Необходимая напряженность поля на уровне L-оболочки E = F/e - 2,5•1016 В/м.The required field strength at the level of the L-shell E = F / e is 2.5 • 10 16 V / m.
Потенциал напряжения U= E•d при d = 10-11 м максимален - 250 кВ, d = 10-12 м минимален - 25 кВ.The voltage potential U = E • d at d = 10 -11 m is maximum - 250 kV, d = 10 -12 m is minimum - 25 kV.
Конкретное рабочее напряжение определяется эмпирически по величине тока эмиссии (см. таблицу). The specific operating voltage is determined empirically by the magnitude of the emission current (see table).
Полная суммарная энергия одного атома 162 кэВ - 2,6 • 10-17 Дж, 7,2•10-18 Вт•ч.The total total energy of one atom of 162 keV is 2.6 • 10 -17 J, 7.2 • 10 -18 W • h.
Полная энергия аккумуляции рабочего элемента - 2,3 МВт•ч. The total energy of accumulation of the working element is 2.3 MW • h.
Максимальное рабочее напряжение - 15,9 кВ. The maximum operating voltage is 15.9 kV.
Максимальный рабочий ток - 0,1 A. The maximum working current is 0.1 A.
Максимальная мгновенная мощность - 1,6 кВт. The maximum instantaneous power is 1.6 kW.
Полное время разряда - 1482 ч (3 мес). The total discharge time is 1482 hours (3 months).
Побочный эффект - рентгеновское излучение с длиной волны 
Защитный экран, выполненный из железа толщиной 2,5 см, обеспечивает ослабление излучения до безопасного уровня и в то же время может являться источником рабочих электронов для автономных объектов. A protective shield made of 2.5 cm thick iron provides attenuation of radiation to a safe level and at the same time can be a source of working electrons for autonomous objects.
Внутреннее напряжение материала, вызванное глубокой ионизацией, не превышает 500 кг/м2.The internal stress of the material caused by deep ionization does not exceed 500 kg / m 2 .
Технический результат, который достигается при использовании изобретения - способа накопления электрической энергии и устройства для его осуществления, - это создание электрического энергонакопителя с энергетической плотностью, превышающей 10 ГВт•ч/м3.The technical result that is achieved by using the invention - a method of storing electric energy and a device for its implementation - is the creation of an electric energy storage device with an energy density exceeding 10 GW • h / m 3 .
Изобретение имеет народнохозяйственное значение, позволяющее получить автономные сверхмощные энергонакопители с высокой энергетической плотностью. The invention is of national economic importance, allowing to obtain autonomous heavy duty energy storage with high energy density.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97101692A RU2110130C1 (en) | 1997-02-10 | 1997-02-10 | Method and device for electrical energy storage |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97101692A RU2110130C1 (en) | 1997-02-10 | 1997-02-10 | Method and device for electrical energy storage |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2110130C1 true RU2110130C1 (en) | 1998-04-27 |
| RU97101692A RU97101692A (en) | 1998-08-27 |
Family
ID=20189631
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU97101692A RU2110130C1 (en) | 1997-02-10 | 1997-02-10 | Method and device for electrical energy storage |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2110130C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2460180C2 (en) * | 2006-12-12 | 2012-08-27 | Коммонвелт Сайентифик Энд Индастриал Рисерч Организейшн | Improved device of energy accumulation |
-
1997
- 1997-02-10 RU RU97101692A patent/RU2110130C1/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2460180C2 (en) * | 2006-12-12 | 2012-08-27 | Коммонвелт Сайентифик Энд Индастриал Рисерч Организейшн | Improved device of energy accumulation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0595688A1 (en) | Temperature difference storage battery | |
| US3564307A (en) | Rotary electric ac generator utilizing the magnetic shielding and trapping by superconducting plates | |
| US5319518A (en) | Solid/gas double layer capacitor and electrical storage device | |
| US3610970A (en) | Energy converter | |
| RU2110130C1 (en) | Method and device for electrical energy storage | |
| Holm et al. | A comparison of energy storage technologies as energy buffer in renewable energy sources with respect to power capability | |
| Bastrikov et al. | Primary energy storages based on linear transformer stages | |
| EP0147079A2 (en) | Triggering device for a vacuum arc in a plasma centrifuge | |
| WO2024038619A1 (en) | Battery current control circuit | |
| Nelson et al. | Ultrafast pulse discharge and recharge capabilities of thin-metal film battery technology | |
| US3098164A (en) | Impulse generator | |
| US3646394A (en) | Acyclic generator with vacuum arc commutator for rapid generation of short, high-energy pulses | |
| Bushlyakov et al. | A megavolt nanosecond generator with a semiconductor opening switch | |
| Ramakrishna et al. | Two‐dimensional analysis of electrical breakdown in a nonuniform gap between a wire and a plane | |
| US3568116A (en) | Process and apparatus for transferring energy to an electrically conductive medium | |
| Marshall | High current and high current density pulse tests of brushes and collectors for homopolar energy stores | |
| Karthaus et al. | Preliminary results of a battery-based, multi megawatt 200 kA pulsed power supply | |
| Chatroux et al. | Isolated gate bipolar transistors (IGBT): a solid state switch | |
| CN217642754U (en) | Energy storage battery heating circuit | |
| Brown | Solid State Isotopic Power Source for Computer Chips | |
| Rukin et al. | Pulsed power accelerator technology based on solid-state semiconductor opening switches (SOS) | |
| Harris et al. | Evaluation of electrolytic capacitors for high peak current pulse duty | |
| RU2656883C1 (en) | Pulse generator for magnetic installation (options) | |
| Freeman et al. | Numerical studies of helical CMF generators | |
| Praddaude et al. | Generation of quasistatic magnetic fields |