Солнечная энергия и ее использования

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 7Следующая ⇒

Экологические проблемы, сопутствующие традиционной энергетике, заставляют обращаться к созданию и разработке разнообразных устройств для использования возобновляемых источников энергии. Одним из перспективных нетрадиционных и возобновляемых источников энергии является энергия солнечного излучения, отличающаяся практически неиссякаемостью и экологичностью. В последние годы во многих странах мира рассматривается как дополнительный источник энергии, который в ближайшей перспективе может дать некоторую экономию топливно-энергетических ресурсов, а в долгосрочном плане – обеспечить частичную замену традиционных источников для получения тепла и электроэнергии.

Солнце представляет собой сферическое тело диаметром 1,39 106 км из раскалённого газообразного вещества, отстоящего от Земли на расстоянии 1,5 108 км. Поверхность Солнца имеет эффективную температуру 5762 К. Температура центральных внутренних областей, по разным оценкам, составляет 8 6 – 40 6 К, а их плотность примерно в 80 – 100 раз превышает плотность воды. Солнце представляет собой непрерывно действующие термоядерный реактор, котлом которого являются составляющие его газы, удерживаемые гравитационными силами. Ежесекундно Солнце излучает 88 1024 кал или 370 1012 ГДж теплоты. Из этого количества теплоты на Землю попадает в энергетическом эквиваленте 1,2 1012 Вт, то есть за год 1018 кВт ч, или 10 000 раз больше той энергии, которая сегодня потребляет в мире. Если, к примеру, потенциал Солнца определять по солнечной энергии, падающей только на свободные необрабатываемые земли, то среднегодовая мощность составляет около 10 000 ГВт, что примерно 5000 раз больше, чем мощность всех современных стационарных энергических установок мира. Расчеты показали, что для удовлетворения современного энергопотребления достаточно превратить солнечную энергию, падающую на 0,0025% поверхности Земли в электрическую. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1.5 х 1018) кВт ч ежегодно. Однако из за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 1017) кВт ч, достигает поверхности Земли. Следовательно, на Луну, где нет атмосферы, и солнечной радиация попадает без преград (максимальная температура поверхности Луны днем - +130 С), количество солнечной радиации попадает почти в 2 раза больше чем на Землю.

Использование солнечного света и тепла – чистый, простой, и естественный способ получения всех форм необходимой нам энергии. При помощи солнечных коллекторов можно обогреть жилые дома и коммерческие здания и обеспечить их горячей водой. В дополнение к получения пара, который вращает турбину и вырабатывает электроэнергию. В настоящее время энергокомпания США уже установило 400 мегаватт солнечных тепловых электростанций, которые обеспечивают электричеством 350 000 человек и замещают эквивалент 2,3 миллиона баррелей нефти в год. Девять электростанций, расположенных в пустыне Мохаве имеют 354 МВт установленной мощности и накопили 100 лет опыта промышленной эксплуатации.

По способу производства тепла солнечные тепловые электростанции подразделяют на солнечные концентраторы (зеркала) и солнечные пруды. Солнечные концентраторы фокусируются при помощи линз и рефлекторов. Так как это тепло можно хранить, такие станции могут вырабатывать электричество по мере надобности, днем и ночью, в любых условиях.

Диссоциация воды

Изобретение относится к водородной энергетике. Техническим результатом изобретения является получение водорода за счет разложения воды. Согласно изобретению способ получения водорода из воды включает разложение воды под действием электрического поля с помощью водяного коаксиального конденсатора с изолированными обкладками, на которые подается высоковольтное выпрямленное напряжение импульсной формы, при этом разложение воды на кислород и водород происходит под действием резонансного электромагнитного поля, частота n-ой гармоники которого приближается к собственной частоте воды, причем энергия разложения воды складывается из тепловой и минимально расходуемой электрической энергии разложения воды.

Изобретение относится к технике получения водорода из воды (водородной энергетике) электролизом и может быть использовано в качестве узла для преобразования тепловой энергии, при сжигании водорода, в механическую.

Известен двигатель Стенли Мейера, работающий на водороде, который получается из воды путем ее электролитического разложения. Это устройство содержит две пары коаксиально расположенных электрода, размещенных в воде, причем у одной пары отсутствует контакт с водой. На изолированные электроды подается высокое напряжение не выше 10 кВ и частотой 15-260 кГц. На остальные электроды для нейтрализации атомов водорода и кислорода подается постоянное низковольтное напряжение.

Исходя из физического принципа обратимости энергии для получения из воды, например, кубометра водорода (при 0°С и 101,3 кПа), необходимо затратить 10,8 мДж/м³ или 2580 ккал/м³энергии, т.е. столько же, сколько выделяется при сжигании водорода при тех же условиях. Это значит, что при сжигании кубометра водорода получим 2580 ккал/сек. В устройстве Мейлера выделяется за секунду не более 710 кал, т.е. в 3600 раз меньше.

Известно, что резонансная (собственная) частота воды (50,8 и 51,3) 10 ГГц, поэтому резонанс воды будет происходить, если возмущающее воздействие будет иметь указанную частоту, что никак не согласуется с представленной Меером электросхемой.

Кроме того, устройство Мейлера не обеспечивает условия поглощения тепла как из окружающей среды, так и от других источников тепла, например, из самой воды, на компенсацию эндотермического эффекта реакции разложения воды.

Целью изобретения является повышение производительности, КПД, экономической целесообразности.

Для получения указанных целей необходимо увеличение энергетической мощности для совершения полезной работы при условии работы электросхемы в режиме резонанса или максимально к ней приближенной. Допустим, что мы имеем несинусоидальное напряжение питания, представляющее собой двухполупериодное выпрямленное синусоидальное напряжение. Тогда условие резонанса на к-ой гармонической составляющей запишется в виде

Х_LK=KωL=N²AKµa/L=X_CK=1/Kω·C=d/KAεa.

В нашем случае (51)10 ГГц - резонансная частота воды, значит, для к-ой гармоники Kω=(51)10 ГГц, откуда ω=(51)10 ГГц/K.

Откуда частота питающего напряжения к-ой гармоники может быть снижена в к раз, однако она остается достаточно высокой. Для увеличения входной частоты можно использовать способ ее увеличения за счет сложения частот от нескольких питающих напряжений, соединенных параллельно резонансным контуром при условии не совпадения амплитуд входных напряжений, что достигается сдвигом их фаз на угол, удовлетворяющий первому условию. Следует отметить, что индуктивность, также как и емкость резонансного контура, с целью обеспечения наибольшего поверхностного контакта с водой может состоять из параллельного, последовательного или смешанного соединения элементов, что обеспечивает равномерность передачи удельной энергии по всему объему, и в свою очередь с увеличением объема устройства создаются условия для увеличения производительности выделения газов за счет увеличенной подачи тепловой и электрической энергий. Примем, что, например, при сжигании 1 литра водорода выделяется К калорий тепла за доли секунды. Количество образовавшейся воды составит примерно 0.001 литра. Эти параметры соответствуют границе перехода ГА3-ВОДА и ВОДА-ГАЗ, т.е. они обратимы. Это значит, чтобы разложить 0.001 литра воды без затрат электроэнергии, надо равномерно распылить ее в объеме 1 литр и сообщить К калорий тепла с плюсом на потери за то же время. Как видим, соотношение в затратах электрической и тепловой энергий для разложения воды зависит от многих параметров и требует экспериментального исследования. При стремлении к минимальному расходу электроэнергии требуется ужесточение энергетических тепловых параметров, например, невозможность создания высокого давления или требуемой тепловой мощности при той же предполагаемой производительности, требует эквивалентной компенсации недостающей тепловой энергии энергией электромагнитного поля. Известно, что уменьшение энергии электрического поля при резонансе сопровождается увеличением энергии магнитного поля и наоборот, т.е.: W=Wm+Wэ=L1/2=CU/2=CONST. Поэтому, чтобы не терять половину энергии, индуктивность размещаем внутри водяного конденсатора. Таким образом на молекулы воды действуют две резонансные направленные под углом 90 градусов силы от электрического и магнитного полей, которые, используя тепловую энергию, расщепляют молекулу воды на водород и кислород. При одновременном действии этих сил требуется смещение, например, фазы магнитного поля относительно электрического на 90 градусов, которое может быть достигнуто с помощью фазосдвигающих устройств.

Подвод тепловой энергии для компенсации эндотермического эффекта при разложении воды происходит за счет циркуляции воды (например, насосом) по замкнутому контуру, через устройство разложения воды, теплоприемником и устройством восполнения потерь воды при разложении. Теплоприемник - это устройство с развитой поверхностью, обогреваемой солнцем, или (и) обеспечивает впрыск в холодную воду продуктов сгорания, например, от водородного двигателя, тем самым замыкая процесс и значительно повышая КПД. Устройство предлагаемого контура повышает экономичность промышленного производства, позволяет использовать его как в устройствах промышленной энергетики, так и автомобильно-железнодорожном транспорте. При создании нескольких параллельных контуров создается возможность отбирать тепловую энергию от многих источников.

Способ получения водорода из воды включает разложение воды под действием электрического поля с помощью водяного коаксиального конденсатора с изолированными обкладками, на которые подается высоковольтное выпрямленное напряжение импульсной формы, разложение воды на кислород и водород происходит под действием резонансного электромагнитного поля n-гармоники, которая приближается к собственной частоте воды, причем энергия разложения воды складывается из тепловой и минимально расходуемой электрической энергии разложения воды.

В устройстве для получения водорода из воды между обкладками конденсатора размещена индуктивность, обеспечивающая разделение и перемещение кислорода и водорода по выходным не сообщающимся друг с другом отверстиям, причем нейтрализация газов происходит с помощью токопроводящих сеток, установленных на выходе отверстий, которые связаны с источником постоянного напряжения, а подача тепловой энергии происходит по замкнутым параллельным контурам, каждый из которых связан с источником посторонней тепловой энергии, причем теплоносителем является вода, циркулирующая с помощью насоса с изменяющейся производительностью, при этом индуктивность и емкость резонансного контура состоит из параллельных, последовательных и смешанных электрических соединений элементов.

На фиг. представлено устройство, реализующее предлагаемый способ. Устройство содержит корпус 5, выполненный способом литья под давлением, например, из теплостойкого сополимера, диэлектрическая проницаемость которого доходит до 100000 единиц, имеет горизонтальные каналы, обеспечивающие вход-выход воды, которые соединяются с коаксиально расположенными каналами, в перегородках которых залиты обкладки конденсатора 1 и обмотки индуктивности 2. Коаксиальные каналы вертикальными отверстиями, по ходу магнитных силовых линий индуктивностей 2, связаны с выходными газовыми отверстиями, имеющими металлические сетки 4, на которые подается постоянное напряжение, обеспечивающее нейтрализацию ионов водорода и кислорода. Клапаны 3 обеспечивают выход газов при незначительном избыточном давлении.

Устройство работает следующим образом. При подаче высокочастотного высоковольтного напряжения на элементы 1, 2 последовательного резонансного контура и заполнения каналов циркуляционной нагретой водой, за счет электрической и тепловой энергий происходит разложение воды на ионы кислорода и водорода. Под действием магнитного поля индуктивности 2 ионы кислорода и водорода разделяются в пространстве магнитного поля и каждый газ раздельно по своим каналам проходит через металлические сетки 4, где нейтрализуется и через клапана 3 нейтральные газы поступают по своему назначению.

Преимущество устройства в сравнении с прототипом то, что вода одновременно является носителем тепловой энергии. Увеличение электрической энергии на единицу объема воды в результате развитой контактной поверхности емкостных пластин с водой приводит к увеличению производительности и эффективности работы устройства. Размещение индуктивности в устройстве приводит к увеличению производительности и КПД устройства. Устройство производит разделение газов (водорода и кислорода). При изменении скорости воды создается возможность изменять производительность.

Наша планета купается в потоке тепловой энергии, поступающей от Солнца, из земных недр и от хозяйственной деятельности человека. Человек в недостаточной степени осваивает эту энергию, поэтому данное изобретение направлено на освоение дармовой указанной выше энергии.

1. Способ получения водорода из воды, включающий разложение воды под действием электрического поля с помощью водяного коаксиального конденсатора с изолированными обкладками, на которые подается высоковольтное выпрямленное напряжение импульсной формы, отличающийся тем, что разложение воды на кислород и водород происходит под действием резонансного электромагнитного поля, частота n-й гармоники которого приближается к собственной частоте воды, причем энергия разложения воды складывается из тепловой и минимально расходуемой электрической энергии разложения воды.

2. Устройство, отличающееся тем, что между обкладками конденсатора размещена индуктивность, обеспечивающая разделение и перемещение кислорода и водорода по выходным несообщающимся друг с другом отверстиям, причем нейтрализация газов происходит с помощью токопроводящих сеток, установленных на выходе отверстий, которые связаны с источником постоянного напряжения, а подача тепловой энергии происходит по замкнутым параллельным контурам, каждый из которых связан с источником посторонней тепловой энергии, причем теплоносителем является вода, циркулирующая с помощью насоса с изменяющейся производительностью.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что индуктивность и емкость резонансного контура состоит из параллельных, последовательных и смешанных электрических соединений элементов.

1.4.1

Изобретения относятся к физико-химическим технологиям получения водорода и кислорода и могут быть использованы в области топливной энергетики и химического производства. Техническим результатом изобретения является создание простого способа диссоциации воды на водород и кислород и устройства для его осуществления, которые пригодны для промышленного применения, позволяют снизить энергоемкость процесса диссоциации воды и обеспечивают возможность раздельного получения газов. Для этого в способе, включающем воздействие на водный электролит электрическим полем через расположенные на расстоянии друг от друга электроды и отвод продуктов диссоциации, воздействие на водный электролит электрическим полем осуществляют с расчетной резонансной частотой на гармониках, по отношению к которым частота собственных колебаний молекулы воды является кратной, с раздельным отводом продуктов диссоциации с каждого четного и нечетного электродов. Устройство состоит из погруженных в водный электролит, параллельно установленных электродов, расположенных на расстоянии друг от друга и гидравлически сообщающихся с образованием электролитических секций, которые объединены в электрическую цепь и подсоединены к генератору переменного тока, позволяющему получать электромагнитные колебания частотой от 10 КГц до 3,2 МГц. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Известен способ получения водорода и кислорода, заключающийся в том, что электролит помещают в переменное магнитное поле с частотой 1-1000 Гц, при этом значение магнитной индукции 0,01-1,4 Т.

Недостатком способа является то, что способ не обеспечивает раздельное получение чистых кислорода и водорода, а также то, что частота воздействия магнитного поля выбрана произвольно и не является резонансной.

Известен способ получения водорода и кислорода из воды, включающий получение в незамкнутом пространстве перегретого водяного пара с температурой 500-550°С, который пропускают через постоянное электрическое поле, образованное между расположенными на расстоянии друг от друга электродами высокого напряжения (6000 В) с получением водорода и кислорода (продуктов диссоциации) и их отвод. Продекларировано, что способ прост в аппаратурном оформлении, экономичен, пожаро- и взрывобезопасен и высокопроизводителен.

Внимательное изучение данного технического решения позволило выявить некоторые противоречия. Фактическая стоимость получения кислорода и водорода не учитывает затраты на получение перегретого водяного пара, что не позволяет считать способ экономичным. Кроме того, правообладатель декларирует выход водорода по отношению к кислороду 1:5. Если это весовое соотношение, то оно составляет, исходя из химической формулы и атомных весов компонентов 1:8. Если это соотношение объемов, то при разложении одного моля воды получаем в газообразном виде 1 моль водорода и 0,5 моля кислорода, что соотносится как 2:1.

Задача, решаемая первым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в создании очередного способа диссоциации воды на водород и кислород, пригодного для его промышленного осуществления, снижении энергоемкости процесса диссоциации воды и обеспечении возможности раздельного получения газов.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в известном способе диссоциации воды на водород и кислород, включающем воздействие на воду или водный электролит электрическим полем через расположенные на расстоянии друг от друга электроды и отвод продуктов диссоциации, воздействие на воду или водный электролит электрическим полем осуществляют с расчетной резонансной частотой на гармониках, по отношению к которым частота собственных колебаний молекулы воды является кратной, а отвод продуктов диссоциации производят раздельно с каждого четного и нечетного электродов.

Кроме этого:

- в дополнение к электрическому полю на воду или водный электролит одновременно воздействуют направленным перпендикулярно ему переменным или постоянным магнитным полем;

- каждые четные и нечетные электроды объединяют в замкнутую электрическую цепь с односторонним перетеканием электрического тока;

- каждые четные и нечетные электроды подсоединены к соответствующим полюсам источника постоянного тока.

Известны установки HySTAT-A канадской компании «HYDROGENICS EUROPE 14.V.» по производству водорода, представляющие собой водородные генераторы, основанные на технологии неорганического мембранного (IMET) электролиза водных растворов щелочей. Источником сырья для водородных генераторов служит вода. В результате электрохимической реакции под действием постоянного тока вода разлагается, и из раствора выделяются водород и кислород. Водород используют для технологических нужд, а кислород выбрасывают в атмосферу. Расход электроэнергии на получение одного нормального м³ водорода составляет 4,2 кВт·ч. Недостатками этих установок является высокое энергопотребление и необходимость использования дорогостоящих мембран для разделения кислорода и водорода.

Известно устройство для получения электричества, тепловой энергии, кислорода и водорода, позволяющее получать раздельно кислород, паро-водородную смесь путем электролиза переменным электрическим током с помощью цилиндрического соленоида, надетого на ячейку. Известное устройство не позволяет получать раздельно чистые кислород и водород без водяного пара.

Известна электролитическая ячейка низкоамперного электролизера для получения водорода и кислорода из воды, позволяющая получать кислородо-водородную смесь. Электроды (катод и анод) выполнены в форме усеченных конусов с открытыми вершинами и расположены один в другом с зазором, заполненным раствором. Газы выходят через патрубок. Катод и анод подключены к источнику постоянного тока. Отмечено, что еще до включения ячейки в электрическую сеть на аноде появляется положительный, а на катоде - отрицательный потенциалы, и происходит выделение газов. При подаче напряжения на электроды газовыделение повышается. Процесс выделения газов продолжается и после отключения ячейки от сети. За счет этого затраты энергии на процесс разложения воды на водород и кислород уменьшаются. Приведенное устройство реализует способ, не позволяющий получать раздельно кислород и водород и являющийся малопроизводительным.

Известны устройства высокочастотного электролиза воды американского изобретателя Стенли Мейера. Конструктивно водяные ячейки представляет собой сосуд с обыкновенной водопроводной водой. В сосуде установлены два электрода, выполненные из нержавеющей стали в виде параллельных пластин либо коаксиально расположенных трубок. На эти электроды подавалось переменное однополярное напряжение электрического тока от генератора импульсного напряжения. Электрическое напряжение формировалось цугами из четырех-пяти импульсов в каждом и интервалами нулевого напряжения между ними, при этом предпринимались очень тщательные усилия по ликвидации утечки электронов с электродов. Устройство разлагало обыкновенную воду на водород и кислород при среднем потреблении электрического тока, измеряемого миллиамперами. Зафиксированный выход газов был достаточным, чтобы показать сгорание водорода в кислороде. Однако эти ячейки не предусматривают разделение водорода с кислородом.

Задача, решаемая вторым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в создании очередного устройства для диссоциации воды на водород и кислород, пригодного для использования в промышленности, позволяющего снизить энергоемкость процесса диссоциации воды и разделить полученные газы на водород и кислород, а также в упрощении его конструкции.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в устройстве для диссоциации воды на водород и кислород, включающем набор из погруженных в воду или водный электролит параллельно установленных электродов, расположенных на расстоянии друг от друга и гидравлически сообщающихся с образованием электролитических секций, которые объединены в электрическую цепь, набор электродов размещен между двумя плоскими пластинами, электрически изолированными от электродов и водного электролита, подсоединенными к генератору переменного тока и расположенными параллельно относительно электродов с образованием элементарных ячеек.

Кроме этого:

- устройство снабжено источником переменного или постоянного магнитного поля перпендикулярного электрическому полю плоских пластин;

- каждые четные и нечетные электроды объединены в замкнутую электрическую цепь, включающую диод и резистор;

- каждые четные и нечетные электроды объединены в электрическую цепь с источником постоянного тока;

- в своей верхней части электроды разделены друг от друга газонепроницаемыми перегородками, нижние границы которых расположены ниже уровня воды или водного электролита с образованием полостей, при этом каждая полость снабжена индивидуальным отводом образующихся в процессе электролиза газов;

- устройство включает множество параллельно и/или последовательно соединенных элементарных ячеек, электрически и гидравлически объединенных в батарею.

Изобретения иллюстрируются чертежами, где на фиг.1 показан общий вид устройства, реализующего способ диссоциации воды на водород и кислород, а на фиг.2 показано его поперечное сечение на виде сверху.

Способ диссоциации воды на водород и кислород заключается в воздействии на воду или водный электролит электрическим полем через расположенные на расстоянии друг от друга электроды 1; 2 и отвод продуктов диссоциации, при этом воздействие на водный электролит электрическим полем осуществляют с расчетной резонансной частотой на гармониках, по отношению к которой частота собственных колебаний молекулы воды является кратной. Для дальнейшего улучшения характеристик способа в дополнение к электрическому полю на воду одновременно воздействуют направленным перпендикулярно ему переменным или постоянным магнитным полем, каждые четные 2 и нечетные 1 электроды объединяют в замкнутую электрическую цепь 3 с односторонним перетеканием электрического тока, включающую диод 4 и резистор 5, защищающий от короткого замыкания и позволяющий снимать с него электрический ток и напряжение, возникающие в процессе электролиза воды, или в замкнутую электрическую цепь 6, подсоединяя их к соответствующим полюсам источника постоянного тока 7, в качестве которого может выступать, например, батарея электропитания, выпрямитель и т.д., а отвод продуктов диссоциации производят раздельно с каждого четного 2 и нечетного 1 электродов.

Устройство для диссоциации воды на водород и кислород включает набор из погруженных в воду или водный электролит параллельно установленных электродов 1 и 2, расположенных на расстоянии друг от друга и гидравлически сообщающихся с образованием электролитических секций 8, которые объединены в электрическую цепь 3 или 6, при этом набор электродов 1 и 2 размещен между двумя плоскими пластинами 9, электрически изолированными от электродов 1; 2 и водного электролита, подсоединенными к генератору 10 переменного тока и расположенными параллельно относительно электродов 1 и 2 с образованием элементарных ячеек 11.

Кроме этого устройство снабжено источником переменного (условно не показан) или постоянного 12 магнитного поля, перпендикулярного электрическому полю плоских пластин 9, а каждые четные 2 и нечетные 1 электроды объединены, как упоминалось выше, в замкнутую электрическую цепь 3 или 6.

В верхней части электроды 1 и 2 разделены друг от друга газонепроницаемыми перегородками 13, нижние границы 14 которых расположены ниже уровня 15 воды или водного электролита с образованием полостей 16, каждая из которых снабжена индивидуальным отводом водорода 17 или кислорода 18, образующихся в процессе электролиза газов.

Поясним более подробно сущность изобретений.

В химически чистой воде при температуре 25°С примерно одна на 5×10⁹ молекул диссоциирует по схеме Н₂О↔Н⁺+ОН^-. При воздействии переменных электрических, электромагнитных и магнитных полей на воду (водный электролит) частота и направленность воздействия выборочно влияют на степень диссоциации воды. Механизм такого воздействия объясняется следующим образом.

Колебания молекул - один из основных видов внутримолекулярного движения, при котором происходит периодическое изменение относительного расположения ядер атомов, составляющих молекулу. Молекула воды имеет два валентных колебания и одно деформационное. Кроме того, атомы при взаимодействии друг с другом в конденсированной среде, к которой относятся жидкое и твердое состояния, всегда приобретают электрический заряд, превращаясь в положительно или отрицательно заряженные ионы. Таким образом, атомы в конденсированной среде можно рассматривать как механические микроосцилляторы, имеющие определенную массу и электрический заряд.

При воздействии на конденсированную среду переменным электрическим, электромагнитным или магнитным полем колеблющиеся ионы взаимодействуют с этими полями, образуя механическую колебательную систему. Если частота собственных колебаний атома химического элемента кратна частоте воздействующего переменного поля, происходит резонанс на гармониках. Кинетическая энергия резонирующих атомов повышается, в результате чего возрастает вероятность разрыва ковалентных связей между водородом и кислородом, и степень диссоциации воды повышается.

Эксперименты по воздействию переменных электрических полей проводили на дистиллированной воде. Из множества собственных частот колебаний молекулы воды для резонансного воздействия использовали частоту, по отношению к которой собственные частоты колебаний атомов водорода относительно атомов кислорода и атомов кислорода относительно атомов водорода являются кратными. Расчетным путем, используя методику, приведенную в статье И.М.Кавицкого и др. «Механизм воздействия модификаторов при структурообразовании высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом», определили частоты, по отношению к которым собственная частота колебаний атомов водорода относительно атомов кислорода и атомов кислорода относительно атомов водорода является кратной. Они соответственно составляют для водорода 9,735×10¹¹ Гц и для кислорода 6,133×10¹⁰ Гц. Возможности используемого генератора позволяли работать с частотой от 0,1 МГц до 3,2 МГц. Из этого условия для экспериментов по воздействию на воду выбрали две группы частот: первая группа с отклонением от кратности расчетной частоты колебаний к воздействующей частоте по первой значащей цифре по водороду и кислороду до 5%, вторая группа с отклонением от кратности свыше 5% (см. таблицу). Частоты первой группы: 0,106 МГц, 0,315 МГц, 1,64 МГц, 2,5 МГц. Затраты электроэнергии на получение 1 м³ водорода при воздействии этими частотами минимальны.

Частоты второй группы: 0,5 МГц, 0,7 МГц, 1,3 МГц. Воздействие этими частотами менее эффективно.

Относительная погрешность определения кратности составляет, в зависимости от величины первой значащей цифры, от 0,5% до 0,06%. Конструкция используемого генератора электромагнитных колебаний позволяет настраивать требуемую частоту с точностью до 1,5%, т.е. точность расчета кратности до третьей значащей цифры находится в пределах погрешности измерений частоты генератора 10.

На фиг.1 и 2 показана схема проведения эксперимента. Вода (или водный электролит) залита в кювету 19, выполненную из диэлектрического материала. Кювета 19 имеет форму, например, параллелепипеда. В ней вдоль больших граней расположены электроды 1 и 2, через один соединенные между собой проводами. Электроды 1 и 2 изготовлены из нержавеющей стали Х18Н9Т. С наружной стороны кюветы 19 параллельно электродам 1 и 2 установлены металлические пластины 9, создающие переменное электрическое поле. Пластины 9 подсоединены к генератору 10. Источником переменного тока резонансной частоты служит генератор 10, позволяющий получать электромагнитные колебания синусоидальной формы частотой от 10 КГц до 3,2 МГц. Максимальная выходная мощность генератора 10 Вт. Кювета 19 закрыта диэлектрической герметичной крышкой 20, предназначенной для разделения и вывода газов, а так же для подвода соединительных проводов к электродам 1 и 2. С внутренней стороны крышка 20 имеет герметичные перегородки 13, опущенные ниже уровня 15 воды (или водного электролита) в кювете 19. Перегородки 13 разделяют электроды 1 и 2 и образуют в верхней части каждого электрода 1 и 2 изолированные полости 16 для сбора газов, выделяющихся на каждом электроде 1 и 2. Полости 16 снабжены индивидуальными отводами водорода 16 или кислорода 17 (штуцерами для их удаления).

Экспериментально установлено, что при заполнении кюветы 19 водой (или водным электролитом) и заведомо разорванной цепи 3 или 6 между разноименными электродами 1 и 2 (катодами и анодами) возникает разность потенциалов, которая зависит от расстояния между электродами 1 и 2. Происходит это потому, что вода всегда содержит часть ионов Н⁺ и ОН^-. Контактируя с металлическими пластинами, четыре иона Н⁺ отбирают четыре электрона у металла, превращаясь в молекулу 2Н₂, а ионы ОН^- отдают четыре электрона по реакции 4 (ОН^-)↔2Н₂О+О₂↑. Электрод 1, на котором выделяется водород, заряжается положительно, а электрод 2, на котором выделяется кислород - отрицательно. Через некоторое время заряд на электродах достигает такой величины, что ион водорода уже не может забрать электрон от положительно заряженного электрода 1, а ион кислорода - отдать электрон отрицательно заряженному электроду 2. Тогда процесс меняется, и водород начинает выделяться на том электроде, на котором раньше выделялся кислород. Процесс идет до насыщения электродов 1 и 2, но уже с обратной полярностью. Экспериментально это подтверждается тем, что при замере между электродами 1 и 2 ЭДС по истечении определенного времени полярность электродов 1 и 2 периодически меняется на противоположную.

Аналогичная ситуация возникает при воздействии на кювету 19 переменным электрическим полем, которое создают пластины 9. Отличие заключается в том, что напряжение на пластинах 9 достигает 1,3 В, а ток - до 0,5 А.

За время проведения экспериментов по электролизу, которое составило 1 час, расход электроэнергии на получение 1 м³ водорода составил 3,2 кВт.

Результаты экспериментов по диссоциации воды приведены в таблице.

Количество диссоциированной воды (или водного электролита) определяли путем взвешивания кюветы 19 с водой до эксперимента и после. Взвешивание проводили на аналитических весах АДВ-200 с точностью до 0,01 г. Испарившуюся за время эксперимента воду не учитывали, так как испарение воды из кюветы 19 за 24 часа составляло величину, меньшую пределов измерения весов, а эксперимент проводили в течение одного часа.

Расход электроэнергии из сети измеряли показаниями вольтметра и амперметра на входе к генератору 10 и источнику постоянного тока 7.

Контрольный эксперимент для сравнения проводили для чистого электролиза воды.

Первую серию экспериментов проводили при воздействии на воду переменным электрическим полем (столбец 7 таблицы).

Вторую серию экспериментов проводили с воздействием переменного электрического поля и соединением электродов 1 и 2 между собой через диод 4 и резистор 5. Диод 4 был установлен таким образом, что поток электронов направляли в сторону электродов 1, на которых выделяется водород (столбец 8 таблицы).

Третью серию экспериментов проводили с воздействием переменного электрического поля и с подачей постоянного тока от независимого источника постоянного тока 7 на электроды 1 и 2 (столбец 9 таблицы).

Во время проведения экспериментов газы выделялись на электродах 1 и 2 в виде мелких пузырьков, постепенно увеличивающихся в размерах. По достижении определенной величины пузырьки поднимались вверх вдоль электродов 1 и 2, что позволило разделить газы, создав над электродами 1 и 2 изолированные полости 16.

Сравнивая результаты экспериментов, видно, что воздействие переменного электрического поля при диссоциации воды с частотой на гармониках, по отношению к которой собственные частоты колебаний атомов водорода относительно атомов кислорода и атомов кислорода относительно атомов водорода в молекуле воды являются кратными (столбцы 8 и 9 таблицы), позволяет снизить расход энергии на получение одного нормального м³ водорода по сравнению с чистым электролизом в несколько раз. Использование вместо дистиллированной воды водного электролита, например щелочного раствора с рН=10, позволяет увеличить выход водорода в 1,5 раза.

Приведенные сведения актуальны для способа и элементарного устройства 11 для его осуществления, т.н. лабораторных образцов. Для промышленного использования заявленных технических решений необходимое количество элементарных устройств 11 следует электрически и гидравлически объединить в батарею.

На основании изложенного заявленные способ и устройство для его осуществления можно признать удовлетворяющими условиям патентоспособности.

В результате использования изобретений созданы достаточно простые способ диссоциации воды на водород и кислород и устройство для осуществления этого способа, которые пригодны для промышленного применения, позволяют снизить энергоемкость процесса диссоциации воды и обеспечивают возможность раздельного получения газов.

1. Способ диссоциации воды на водород и кислород, включающий воздействие на воду или водный электролит электрическим полем через расположенные на расстоянии друг от друга электроды и отвод продуктов диссоциации, отличающийся тем, что воздействие на воду или водный электролит электрическим полем осуществляют с расчетной резонансной частотой на гармониках, по отношению к которым частота собственных колебаний молекулы воды является кратной, а отвод продуктов диссоциации производят раздельно с каждого четного и нечетного электродов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в дополнение к электрическому полю на воду или водный электролит одновременно воздействуют направленным перпендикулярно ему переменным или постоянным магнитным полем.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждые четные и нечетные электроды объединяют в замкнутую электрическую цепь с односторонним перетеканием электрического тока.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждые четные и нечетные электроды подсоединены к соответствующим полюсам источника постоянного тока.

5. Устройство для диссоциации воды на водород и кислород, включающее набор из погруженных в воду или водный электролит параллельно установленных электродов, расположенных на расстоянии друг от друга и гидравлически сообщающихся с образованием электролитических секций, которые объединены в электрическую цепь, отличающееся тем, что набор электродов размещен между двумя плоскими пластинами, электрически изолированными от электродов и водного электролита, подсоединенными к генератору переменного тока и расположенными параллельно относительно электродов с образованием элементарных ячеек.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно снабжено источником переменного или постоянного магнитного поля перпендикулярного электрическому полю плоских пластин.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что каждые четные и нечетные электроды объединены в замкнутую электрическую цепь, включающую диод и резистор.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что каждые четные и нечетные электроды объединены в электрическую цепь с источником постоянного тока.

9. Устройство по любому из пп.7 или 8, отличающееся тем, что в верхней части электроды разделены друг от друга газонепроницаемыми перегородками, нижние границы которых расположены ниже уровня водного электролита с образованием полостей, при этом каждая полость снабжена индивидуальным отводом образующихся в процессе электролиза газов.

10. Устройство по любому из пп.5-8, отличающееся тем, что оно включает множество параллельно и/или последовательно соединенных элементарных ячеек, электрически и гидравлически объединенных в батарею.

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 171; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!