Генератор преобразования электромагнитного излучения в электрическую энергию и способ преобразования с его использованием
Владельцы патента RU 2441311:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)
Изобретение относится к генераторам прямого преобразования электромагнитного излучения в электрическую энергию и может быть использовано в качестве источника ЭДС в автономных системах с длительным ресурсом работы, например в индикаторных приборах. Техническим результатом изобретения является расширение диапазона воздействующего спектра облучения и температурного интервала функционирования, а также удешевление технологии за счет использования менее дорогих материалов. Согласно изобретению генератор содержит соединенные контактно-диффузно по крайней мере два элемента, выполненные из металлов с разной энергией выхода электронов и замкнутые цепью внешней нагрузки. Способ преобразования энергии заключается в том, что воздействуют электромагнитным излучением на соединенные контактно-диффузно элементы генератора, выполненные из металлов с разной энергией выхода электронов и замкнутые цепью внешней нагрузки. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к генераторам прямого преобразования электромагнитного излучения в электрическую энергию и может быть использовано в качестве источника ЭДС в автономных системах с длительным ресурсом работы, например, в индикаторных приборах.
Известен вакуумный фотодиод, преобразующий энергию света в ЭДС, где он в цепях нагрузки выполняет роль генератора прямого преобразования (В.А.Волков и др. Справочник по приемникам оптического излучения. - Киев: Техника, 1985 г. С.72). У этих генераторов очень низкий КПД. Это связано с тем, что для генерации тока необходима специальная подготовка катода (требуется разогрев). Сложность имеет и конструкция катода - как правило, это вольфрамовая нить, имеющая щелочноземельный экран. Также необходима вакуумная откачка газа между катодом и анодом, кроме того, требуется температурная стабилизация катода (при низкой температуре энергия воздействия фотонов будет меньше энергии выхода электронов с катода, а при высокой температуре произойдет испарение/атомов катода, что заблокирует процесс преобразования энергии фотонов в ЭДС. Из параметров, ограничивающих широкое применение данных генераторов, является очень незначительный так называемый ток насыщения, при увеличении которого возникает разность потенциалов между анодом и катодом, блокирующего фототок.
Наиболее близким генератором прямого преобразования световой энергии излучения в ЭДС является солнечный фотоэлемент (В.А.Волков и др. Справочник по приемникам оптического излучения. - Киев: Техника, 1985 г. С.6, 150-151). Основу генератора составляют контактно-диффузно соединенные, по крайней мере, два элемента, один из которых полупроводник, с дырочной проводимостью, например, кремниевый, а другой с электронной проводимостью - это может быть как полупроводник, так и металл. Преобразование энергии осуществляется при воздействии на фотоэлемент узкого спектра излучения (например, зеленого - для кремния), в узком интервале температур (Г.Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей. Энергоатомиздат, 1983 г., с.95). Основную роль в процессе преобразования световой энергии играет n-р-переход. При отсутствии освещенности суммарный ток равен нулю. При освещении полупроводника фотоны отдают часть своей энергии валентным электронам, поднимая уровень их энергии до величины, необходимой для перехода в зону проводимости. В результате разности концентрации носителей зарядов в полупроводниках типа n-р усиливается движение носителей зарядов и на электродах фотоэлемента возникает «фото-ЭДС». Под воздействие возникшей ЭДС в нагрузке, включенной в замкнутую внешнюю цепь фотоэлемента, проходит ток, пропорциональный интенсивности освещения.
Данные генераторы имеют ряд недостатков: узкую спектральную полосу воздействующего светового потока, сравнительно небольшой температурный интервал функционирования, необходимость высокой степени очистки полупроводникового элемента, что удорожает изделие.
Техническим результатом изобретения является расширение диапазона воздействующего спектра облучения и температурного интервала функционирования, а также удешевление технологии за счет использования менее дорогих материалов.
Технический результат достигается тем, что генератор содержит соединенные контактно-диффузно по крайней мере два элемента, выполненные из металлов с разной энергией выхода электронов и замкнутые цепью внешней нагрузки.
Технический результат достигается также способом преобразования энергии, заключающимся в том, что воздействуют электромагнитным излучением на соединенные контактно-диффузно элементы генератора, выполненные из металлов с разной энергией выхода электронов и замкнутые цепью внешней нагрузки.
В качестве электромагнитного излучения может быть использована энергия видимого спектра, инфракрасного, ультрафиолетового, СВЧ-диапазона, рентгеновского излучения, α, β или γ излучения.
В качестве элементов генератора могут быть использованы пары алюминий-медь, медь-цинк и др.
Преобразование энергии осуществляется за счет различной работы по выходу электронов с поверхности разных проводников с энергией, достаточной для преодоления контактной разности потенциалов. На процесс выхода электронов не влияет диапазон температуры и спектра излучения.
На фиг.1 приведен общий вид сегмента генератора, где 1 - элемент генератора, 2 - поверхность соединения элементов, 3 - цепь внешней нагрузки.
Устройство работает следующим образом. Необходимое количество сегментов генератора для достижения заданного тока и напряжения подключают к цепи внешней нагрузки параллельным и последовательным их соединением. Облучают сегменты элементов генератора источником электромагнитного излучения (например, галогенной лампой для получения видимого спектра, генератором СВЧ для получения диапазона СВЧ и т.д.). Возникновение ЭДС регистрирует внешняя цепь нагрузки.
Ниже приведены примеры осуществления изобретения.
Пример
Экспериментальная база включает:
1) Фотогальванический генератор, состоящий из полученных методом взрывной сварки пластин алюминия Al размерами 100×3×2 мм и пластин меди Cu размерами 100×3×1 мм. Количество сегментов (биметаллических элементов) 30, контактная площадь соприкосновения одного элемента 300 мм2.
2) Измерительные приборы: микроамперметр Ф195, №1627, 1988 г.; люксметр Ю117, №7765, 1991 г.; термометр ТТЖ-М, №05377, 2005 г.; источник монохроматического света галогенная лампа Navigator NH-J78, 2010 г.; мультиметр Digital Multimeter DT838, №806140349, 2009 г.
В результате эксперимента, проведенного при температуре окружающей среды +26°C, получена зависимость протекания тока через нагрузку от интенсивности освещенности. На фиг.2-4 приведены диаграммы зависимости соответственно силы тока, напряжения и сопротивления тока, протекающего через нагрузку от освещенности генератора.
Как следует из приведенных диаграмм, при разности потенциалов, получаемой от контакта алюминия и меди -1,74 эВ (Р.А.Лидин и др. Справочник по неорганической химии. - М.: Химия, 1987 г., с.125-127), возникает ЭДС, изменяющаяся пропорционально освещенности.
Аналогичные результаты были получены при температуре +5°C, - 10°C. Аналогичные результаты были получены при облучении ультрафиолетовым, солнечным, инфракрасным светом и в дециметровом диапазоне.
Аналогичные результаты были получены при использовании элементов, состоящих из пластин меди Cu и цинка Zn (при разности потенциалов 1,66 эВ), пластин меди Cu и свинца Pb (при разности потенциалов 0,31 эВ).
1. Генератор преобразования электромагнитного излучения в электрическую энергию, характеризующийся тем, что содержит соединенные контактно-диффузно по крайней мере два элемента, выполненны из металлов с разной энергией выхода электронов и замкнутых цепью внешней нагрузки.
2. Генератор по п.1, характеризующийся тем, что в качестве элементов генератора используют пары алюминий-медь или медь-цинк.
3. Способ преобразования электромагнитного излучения в электрическую энергию, заключающийся в том, что воздействуют электромагнитным излучением на соединенные контактно-диффузно элементы генератора, выполненные из проводников с разной энергией выхода электронов и замкнутые цепью внешней нагрузки.
4. Способ по п.3, заключающийся в том, что воздействуют излучением с энергией или видимого спектра, или инфракрасного, или ультрафиолетового, или СВЧ-диапазона, или рентгеновского излучения, или α, или β, или γ излучения.
