專利名稱：使用不同離子濃度的溶液產(chǎn)生電能的設(shè)備與方法
使用不同離子濃度的溶液產(chǎn)生電能的設(shè)備與方法本發(fā)明涉及使用不同離子濃度的溶液產(chǎn)生電能的設(shè)備與方法。這樣的設(shè)備可被用于，例如，通過利用在來自河流或湖的淡水與來自海洋的鹽水之間的鹽度差或在來自海洋的鹽水與蒸發(fā)塘獲得的高鹽濃度水之間的鹽度差來產(chǎn)生電流。對利用鹽度差、鹽度梯度的興趣，可回溯到上世紀七十年代，興趣在于這個能源是大范圍可用的、價廉的、無污染的且可再生的這樣的事實。已經(jīng)發(fā)展出來的主要方法被稱為“壓力延緩滲透”(PRO)、“反向電滲析”(RED)和 “蒸汽壓” (VP)。這三種方法在lm3/S的淡水流速下可達到MW級的發(fā)電。PRO設(shè)備基于半透膜，半透膜將淡水從鹽水中分離。滲透壓約為Matm，對應(yīng)于約 250m的液壓壓頭?？墒褂盟a(chǎn)生的滲透流來驅(qū)動并發(fā)動渦輪，該渦輪進而驅(qū)動交流發(fā)電機或發(fā)電機。這種設(shè)備的問題在于其需要大量的具有高滲透性且能耐高壓的半透膜。這樣膜是比較貴的，且由于污垢其性能快速下降。還有RED設(shè)備也基于膜。在這個情況中，它們是選擇性膜，該選擇性膜能滲透正或負離子；將交替的膜層疊起來，并使帶有不同鹽度的水流經(jīng)它們。離子的選擇性經(jīng)過產(chǎn)生電位差，它們被轉(zhuǎn)換成通過電極的電流。用于RED設(shè)備的膜相比用于PRO的甚至更貴，且同等地敏感于懸浮液中的材料。為了避免膜的使用，最終研發(fā)出了基于鹽水與淡水之間的蒸汽壓差的VP設(shè)備?？墒褂迷搲毫Σ顏眚?qū)動渦輪，該渦輪進而驅(qū)動交流發(fā)電機或發(fā)電機。較小的壓力差是研發(fā)這樣的系統(tǒng)的主要障礙。需要移動部件的PRO和VP系統(tǒng)更適合于大型工廠，而對于較小的設(shè)施或家用設(shè)施而言，RED是最有前景的。盡管有極大的興趣，這些技術(shù)的成本仍然是很高的，且它們依然無法廣泛使用。因此本發(fā)明的目的是實現(xiàn)使用不同離子濃度的溶液來發(fā)電的設(shè)備，這克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點，也就是說，既不需要膜，也不需要諸如交流發(fā)電機或發(fā)電機之類的將機械運動轉(zhuǎn)換為電力的機制。另外，本發(fā)明的另一個目標是實現(xiàn)對于給定量的所使用的離子溶液，能達到高電力值的設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明，通過實現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的使用不同離子濃度的溶液的電能發(fā)電機而達到這些目的。在接下來的權(quán)利要求中陳述本發(fā)明的附加特征。本發(fā)明進一步涉及使用上述設(shè)備產(chǎn)生電能的方法。這樣的方法提供與針對該設(shè)備所描述的效果和優(yōu)勢同樣的效果和優(yōu)勢。通過參看所附示意附圖，從以下說明性而非限制性的詳細描述中將明顯地看出根據(jù)本發(fā)明的通過使用不同濃度的溶液發(fā)電的設(shè)備與相關(guān)方法的特征與優(yōu)勢，其中-

圖1是根據(jù)本發(fā)明的通過使用帶有不同離子濃度溶液來發(fā)電的設(shè)備的優(yōu)選實現(xiàn)示例的概覽；-圖2、3、4說明性而非限制性地示出三個示例的關(guān)于液壓系統(tǒng)現(xiàn)及電池的實現(xiàn)的圖，其示出如何可使用該溶液來改變電池中的離子濃度；
-圖5禾Π6說明性而非限制性地，以剖視圖、軸測以及正交投影的形式示出電池及電極配置的可能實現(xiàn)的具體示意圖；和-圖7說明性而非限制性地示出有關(guān)電力系統(tǒng)的可能實現(xiàn)的一般電示意圖，其負責(zé)對電極充電及放電。具體參看圖1，示意地示出優(yōu)選實施例，其關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的通過使用帶有不同離子濃度溶液的用于發(fā)電的設(shè)備的實現(xiàn)，該設(shè)備用附圖標記10來整體地表示。該設(shè)備所使用的能源是兩個溶液14和16之間的離子濃度差，所以溶液14具有比溶液16更高的離子濃度。在典型應(yīng)用中，該兩個溶液是來自河流的淡水以及來自海洋的鹽水，或者是海水與來自蒸發(fā)塘的水。電池22含有液體，該液體是從這些溶液14和16中的一個溶液中獲得的或者是它們的混合液。該方法的表征在于通過在不同的時間、以不同的比例將兩個溶液14和16注射到電池中，在成分上改變電池22中含有的液體，從而改變電池22或其一部分中溶液的離子濃度。這個操作旨在獲得至少兩個不同的階段“高濃度階段”，其中電池22中的溶液主要由溶液14組成，和“低濃度階段”，其中電池22中的溶液主要由溶液16組成。該設(shè)備包括至少兩個電極18和20，電極至少部分地浸沒在電池22中的液體中。 在“高濃度階段”的一部分中，使電流在電極18和20之間流動，以使它們被充電(充電階段)它們表現(xiàn)得如同電容器。如果電壓沒有超過可激活氧化還原反應(yīng)的值，電容器保持其電荷。在水溶液的情況下，電位差的限值是IV。在這個階段中，能量被消耗。當(dāng)接下來“低濃度階段”開始的時候，由電極18和20所形成的電容器的等效電容下降。由于其累積電荷沒有減少，其靜電能量增加，通過容許電流在電極之間通過負載12流動而被使用(放電階段)。在充電階段過程中被消耗的能量小于在放電階段過程中被吸取出來的能量，所以該系統(tǒng)通過使用源于溶液離子濃度差的自由能有效地吸取出能量。從能量守恒的角度而言，該能量是以液體的熱能為代價吸取出的為了保持溫度， 液體吸收熱量。從熱力學(xué)第二定律的角度而言，系統(tǒng)使用了離子濃度差的自由能實際上， 在能量吸取之后，部分原始溶液被混合，且增加了其熵。使用多孔材料的電極增加了該系統(tǒng)的容量，且容許減少電極的尺寸。具體地，可有用地為本發(fā)明采用用于建立超級電容器而研發(fā)的活性炭、炭氣凝膠和碳納米管。負責(zé)改變電池22中的溶液的成分的該系統(tǒng)以及該電池本身可以任何方式來實現(xiàn)；在圖2、3、4中示出三個示例；這些附圖是說明性的而非限制性的。在圖2中，將兩個電極配置在電池22的相對壁上。通過激活兩個泵M或沈，交替地用溶液14或16來填充電極18與20之間的溝。這容許在激活該泵M之后的“高濃度階段”轉(zhuǎn)換到激活該泵沈之后的“低濃度階段”。在圖3所示的示意圖中，電極18和20被放置為平行于彼此，間隔較小的距離，且由多孔材料制成。用一對電極18和20來分隔電池22，形成間隔，分為兩個部分。在這個情況下，泵M和26在不同的階段，使溶液14和16流入該電池的兩個部分中。當(dāng)激活泵M 而不激活泵26時，溶液14流過，并通過擴散，使跨整個電池的濃度增加，獲得了 “高濃度階段”。接著，不激活泵M而激活泵26。通過擴散，電池中溶液的濃度下降。在圖4提出的示意圖中，電池22由兩個分開的隔室組成，其各自含有溶液14和16 中的一個。在相繼的階段中，電極18和20從一個隔室移動到另一個隔室。當(dāng)電極18和20
4浸沒到溶液14中時，發(fā)生“高濃度階段”，而當(dāng)它們浸沒在溶液16中時，發(fā)生“低濃度階段”。根據(jù)本發(fā)明的用于實現(xiàn)發(fā)電設(shè)備的實踐示例，電極由邊長為10cm、厚Imm的石墨方板制成。在這些板上，沉積0.1mm厚的由活性炭制成的層。該沉積可通過制造由活性炭制成的超級電容器而采用的以下步驟來完成。在用于獲得該層的步驟的示例中，首先將活性炭碾碎為小于一微米的顆粒；與相比于炭的量為5%的起到粘合劑作用的聚合物(如， PVDF，聚偏二氟乙烯)混合；將其與聚合物的合適溶劑(如，二甲基乙酰胺或N-甲基-2毗咯烷酮)混合，其量為適合于獲得聚合物的完全溶解且獲得與刷涂涂料的濃度相同的濃度 (consistency)；最后，將這樣所獲得的懸浮液涂敷在石墨板的一側(cè)上，涂敷厚度為0. Imm 并使其變干。通過組裝平行的、間距為Imm的一對板來獲得單個電池(圖5和6)，使得活性炭層位于板之間的間隙內(nèi)。它們組成電極18和20。然后用墊片觀封住板的兩個相對側(cè)，而余下的兩側(cè)連接至管道30和32，其組成了液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)容許在相繼的階段中用來自海洋的鹽水和來自河流的淡水(可能還含有少量海水)填充板之間的空間，從而增大導(dǎo)電率。外部放置有連接到每一塊板的兩條銅線。在圖7中示意地示出了使用設(shè)備10的電路。電極18和20與負載12、電容為300F 的電容器36(超級電容器)串聯(lián)連接。其中插入負載12的電路可由開關(guān)38打開或關(guān)閉。 當(dāng)電路打開時，供應(yīng)400mV的電源34連接到電容器36以使其重新充電。該方法包括四個階段1)開關(guān)38打開負載12電路。在電池22中填充鹽水。通過電源34將電容器36 重新充電到電壓400mV。2)開關(guān)38關(guān)閉負載12電路。電流流經(jīng)電極18和20，給負載12供電。3)開關(guān)38打開負載12電路。在電池22中填充淡水。通過電源34將電容器36 重新充電到電壓400mV。4)開關(guān)38關(guān)閉負載12電路。電流流經(jīng)電極18和20，給負載12供電。在每一個周期中，向負載提供約20mJ的能量。每個周期中用于在電池中循環(huán)的水為10cm3。在用于對電容器36充電的階段1和3中為了補償漏電流(約ImJ)，以及在階段 2和4中為了移動流體(約ImJ)消耗一些能量。這個能量消耗必需從向負載提供的能量中減去。系統(tǒng)可包括許多電池或更大的電池，以獲得所需要的電力。因此，已經(jīng)示出根據(jù)本發(fā)明的通過使用不同離子濃度溶液來發(fā)電的設(shè)備與方法實現(xiàn)了上述目的。具體地，已經(jīng)示出該設(shè)備能通過使用不同濃度的離子溶液來發(fā)電；與已知技術(shù)相比較，其可能理解這種可能性避免使用發(fā)電機和交流發(fā)電機，和選擇性的或離子交換的兩種半透膜；這個特征容許減少成本與維護。另外，可注意到，該設(shè)備沒有極大地改變進入溶液的質(zhì)量成分，而僅僅改變了其濃度，就像它們被混合了，因此保證了無污染。這樣構(gòu)思的本發(fā)明的使用不同離子濃度溶液來發(fā)電的設(shè)備容易有各種變型和變體的情況，均落入相同的創(chuàng)新型概念中；另外，所有的細節(jié)都是可被技術(shù)上相同的部件所替代。實踐中，根據(jù)技術(shù)要求，形狀與大小可是任意的。本發(fā)明的保護范圍因此由隨附的權(quán)利要求所界定。
權(quán)利要求
1.一種能通過使用不同離子濃度的溶液產(chǎn)生電能的設(shè)備(10)，包括由導(dǎo)電材料制成的至少兩個電極，至少部分地浸沒在含有所述溶液的液體中，其特征在于，所述電極浸沒在其中的所述液體的離子濃度在相繼階段中通過用所述溶液替換或混合所述液體而被改變， 且包括至少一個充電階段，在所述充電階段中所述電極被充電，以及至少一個放電階段，在所述放電階段中所述電極被完全地或部分地放電。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備(10)，其特征在于，在所述充電階段的至少一部分期間所述電極浸沒在其中的所述液體的離子濃度大于在所述放電階段的至少一部分期間所述電極浸沒在其中的所述液體的離子濃度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備(10)，其特征在于，所述電極是固定的，且在相繼階段中，使不同離子濃度的所述溶液中的至少兩個不同的溶液流過所述電極并與所述電極相接觸。
4.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備(10)，其特征在于，所述電極是可移動的，且所述電極經(jīng)移動以在相繼階段中，所述電極浸沒在所述溶液中的不同的一溶液中。
5.如上述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備(10)，其特征在于，所述電極中的至少一個由多孔導(dǎo)電材料制成。
6.如上述權(quán)利要求中的任一項所述的設(shè)備(10)，其特征在于，所使用的溶液中的一個由淡水組成，所述淡水包括液體和固體形式兩者的取自源于降水的河流、湖、低鹽度瀉湖 (lagoon)、地下水位的水。
7.如權(quán)利要求1-5中的任一項所述的設(shè)備(10)，其特征在于，所使用的溶液中的一個由鹽水組成，所述鹽水包括取自海洋、高鹽度瀉湖(lagoon)、鄰近海岸線的井的水。
8.如權(quán)利要求1-5中的任一項所述的設(shè)備(10)，其特征在于，所使用的溶液中的一個由鹽水組成，其濃度已通過蒸發(fā)而增加。
9.如權(quán)利要求1-5中的任一項所述的設(shè)備(10)，其特征在于，所使用的溶液中的一個由淡水組成，以任何比例混合到鹽水中。
10.一種用如權(quán)利要求1-9的任一項所述的設(shè)備產(chǎn)生電能的方法。
全文摘要
用于產(chǎn)生負載中電流形式的電能的設(shè)備與相關(guān)方法。所述方法使用具有不同離子濃度的兩個溶液作為能源。所述設(shè)備包括至少兩個電極，所述電極至少部分地浸沒在包含在電池中的液體內(nèi)。該方法包括多個階段。在這些階段中，在一個階段中將電極與第一溶液相接觸；在一個階段中它們被充電；在一個階段中它們與第二溶液相接觸；在一個階段中，使累積電荷中的至少一部分在負載中流動。提供給負載的能量大于用于給電極充電的能量。
文檔編號H01G7/00GK102369584SQ201080011839
公開日2012年3月7日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月12日
發(fā)明者D·C·布羅焦里, M·C·尼科洛 申請人:雷德斯塔克有限公司