Аннотация:

Предлагается  оригинальная концепция вихревой пьезоэлектрической гидроэлектростанции (ГЭС), которая направлена на прямое преобразование кинетической энергии потока реки в электрическую энергию. Отличительной особенностью данной технологии является отказ от традиционных механических лопастей и электромагнитных генераторов, что делает установку экологически чистой и экономически эффективной. Предлагаемая конструкция основана на новом методе формирования высокочастотных волн в водном потоке с последующей передачей энергии пьезоэлектрическим материалам. В статье представлены конструктивные особенности, принципиальная схема работы, а также возможные варианты реализации технологии.

1. Введение

Развитие возобновляемых источников энергии играет решающую роль в современном мире, стремящемся к снижению углеродного следа и обеспечению устойчивого энергообеспечения. Одним из способов сокращения выбросов парниковых газов является использование энергии текущих водных ресурсов. Традиционные гидроэлектростанции, основанные на турбинных генераторах, часто вызывают опасения в отношении экологической безопасности и оказывают негативное воздействие на флору и фауну водоемов. Настоящая статья рассматривает инновационную концепцию, направленную на устранение указанных недостатков путем прямого преобразования кинетической энергии в электричество с применением пьезоэлектрических материалов.

2. Особенности конструкции вихревой пьезоэлектрической ГЭС

В конструктивном плане вихревая пьезоэлектрическая ГЭС состоит из входного патрубка, который направляет поток воды в медленно вращающийся ротор спирально-волнового преобразователя (СВП). Спирально-волновой преобразователь (СВП) является основным компонентом предлагаемой системы. Принцип работы СВП наглядно показан здесь: ссылка.

Полная информация о СВП заявлена в соответствующе разделе проекта Вихри Хаоса – шторм идей и экспериментов в различных областях науки и техники:ссылка.

Вариант исполнения СВП представлен на следующем рисунке.

 Рис. № 1. Спирально-волновой преобразователь.

СВП представляет собой особый узел, содержащий медленно вращающийся ротор. Привод ротора осуществляется от встроенной осевой шнековой турбины. В роторе размещены наклонные полно проходные каналы шириной, равной ширине отверстия статора и углом наклона, связанным с количеством отверстий статора. Статор — неподвижный диск с отверстиями, уложенными по спирали.

На выходе статора спирально-волнового преобразователя (СВП) установлена резонансная пьезокамера. Резонансная пьезокамера представляет собой специальную коническую трубу, где формируется высокоскоростной волновой фронт возмущений выходного речного потока. Внутри резонансной пьезокамеры располагаются пьезоэлектрические модули, реагирующие на вибрационное воздействие и вырабатывающие электроэнергию.  Электричетво с пьезоэлектрических модулей поступает в блок сглаживания напряжения, затем контроллер оптимизации питания, аккумулятор и инвертор для преобразования постоянного тока в стандартный бытовой переменный ток (220 В, 50 Гц).

Рис. № 2. Вихревая пьезоэлектрическая ГЭС

3. Принцип работы

Речной поток направляется в трубу и попадает на медленно вращающийся ротор спирально-волнового преобразователя (СВП) в его наклонные полно проходные каналы. Ротор приводится в медленное вращение осевой шнековой турбиной. Проходные каналы ротора взаимодействуют с отверстиями статора и создают на выходе статора отдельные низкочастотные пульсации давления. Пульсация отдельных давлений создаёт последовательно одну общую бегущую дорожку высокоскоростного волнового фронта в  речном потоке. Формируется высокочастотное возмущение, вибрация которого передается на пьезоэлектрические модули, установленные на внутренних стенках резонансной камеры. Деформация пьезоэлементов порождает электрический сигнал.

Электрический сигнал проходит предварительную обработку, сглаживание, выпрямление и накопление в аккумуляторах. Затем электричество подается на инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный (220 В, 50 Гц), готовый к использованию бытовыми приборами.

4. Оптимальное место размещения вихревой пьезоэлектрической ГЭС

Вихревая пьезоэлектрическая ГЭС установка на дне реки в местах с постоянным течением (скорость ≥ 0,5 м/с). Глубина от 1 метра (для полного погружения корпуса). Отсутствие сильных завихрений (идеально – прямые участки русла).

5. Прототип вихревой пьезоэлектрической ГЭС  на 1,5 кВт выходной мощности.

Компонент	Характеристики
Длина корпуса	2 метра
Диаметр	0,5 метра
Масса	Около 50 кг
Требуемая глубина	> 1 метра
Скорость потока	>= 0,5 м/с
Минимальный напор	>= 0,3 метра
Метод установки	На дне водоема
Давление в пучностях	До 0,5 атм
Амплитуда колебаний	±0,2 мм
Кол-во пьезоэлементов	300 штук
Энергия одного элемента	5 Вт
Общая мощность	1,2 кВт

6. Преимущества и недостатки:

Преимущества

1. Экологическая безопасность

— Отсутствие вреда для водной экосистемы: Отсутствие крупных механических конструкций (лопастей, плотин) потенциально уменьшает негативные последствия для рыб и других обитателей рек.

— Минимальное вмешательство в природный ландшафт: Станция устанавливается на дно реки, не требуя значительных изменений ландшафта.

2. Надежность и долговечность

— Простота конструкции: Установка проста и не содержит сложных механизмов, что повышает надежность и облегчает техническое обслуживание.

— Продолжительный срок службы: Заявленный срок эксплуатации составляет свыше 25 лет, что существенно превосходит сроки многих современных ГЭС.

3. Экономическая выгода

— Невысокая стоимость обслуживания: Благодаря отсутствию сложных деталей, затраты на эксплуатацию и ремонт минимальны.

— Широкий спектр потенциальных мест размещения: Подходит для большинства водоемов с постоянными течениями.

Недостатки

1.  Низкая удельная мощность

2.  Ограниченные возможности масштабирования

3.  Стоимость материалов и производства

7. Заключение

Вихревая пьезоэлектрическая ГЭС представляет собой перспективную альтернативу традиционным гидроэлектростанциям. Ее ключевые достоинства — экологичность, простота и долговечность — делают ее привлекательной для использования в малых реках и удаленных районах. Однако для коммерческого успеха необходимо решить вопросы масштабирования и снижения стоимости компонентов. Дальнейшие исследования и разработки позволят оптимизировать технологию и расширить сферу ее применения.

Согласно закону Вольта, в замкнутой цепи из последовательно соединённых разнородных металлов, в условиях любого равновесия (термодинамическое, оптическое, электромагнитное  и т.п) — сумма контактных разностей потенциалов (КРП) равна нулю. Причина этого заключается в том, что в условиях любого равновесия контактная разность потенциалов не создает направленного движения электрических зарядов. Электроны равномерно распределяются, компенсируя разницу работ выхода, поэтому ток не возникает. Идея использования контактной разности потенциалов в условиях любого динамического равновесия для создания источника энергии противоречит законам физики, а именно закону сохранения энергии. Для появления тока необходимо внешнее воздействие на КРП, например —  тепло, свет, электромагнитное излучение, радиация и т.п.

Однако добиться полного динамического равновесия в системе не возможно. Связано это с тем, что в любой системе существуют тепловые флуктуации и квантово-механические туннелирования, из-за которых  возникают случайные отклонения от этого равновесия, приводящие к появлению микроскопических токов в замкнутой системе. Эти токи обычно настолько малы, что их трудно обнаружить без специальной аппаратуры. Они зависят от многих факторов, включая температуру окружающей среды, чистоту материалов, наличие примесей и другие параметры.

Таким образом можно сказать, что в условиях относительного динамического равновесия в системе всё равно протекают микроскопичекские токи.

Идея заключается в том, что бы попробовать усилить каким-либо образом эти микроскопические токи до уровня, когда они начинают влиять на общее выходное напряжение системы. Для этих целей  интересна гексагональная топология отдельных замкнутых контуров (структура пчелиных сот) контактных разностей потенциалов. Такая система  состоит из множества идентичных электрических  замкнутых контуров, включённых последовательно или параллельно. Каждый контур состоит из последовательно  соединённых   четырёх проводников с контактной разностью потенциалов (например, нихром и константан) и двух полупроводниковых “кубиков” р-типа.

Особенность такой структуры в том, что каждый контур соединен  с соседним контуром общим металлическим проводником или полупроводниковым “кубиком” р-типа.  В этом случае, в условиях относительного динамического равновесия  протекающий микроток в каждом контуре будет оказывать влияние на ток (токи) в другом (других) контурах и на систему в целом. 

С практической точки зрения интересны три следующих типа включения отдельных контуров в гексагональной топологии:  

— Последовательное включение отдельных контуров, это когда металлические разнородные проводники включены последовательно.

Схема последовательного включения контуров гексагональной топологии представлена на следующем рисунке.

Рис. № 1.  Последовательное включение отдельных контуров гексагональной топологии.

— Параллельное включение отдельных контуров, это когда металлические разнородные проводники включены параллельно между полупроводниковыми “кубиками” р-типа.

Схема параллельного включения контуров гексагональной топологии представлена на следующем рисунке.

Рис. № 2.  Параллельное включение отдельных контуров гексагональной топологии.

— Смешанное включение отдельных контуров.

Схема смешанного включения контуров гексагональной топологии представлена на следующем рисунке.

Рис. № 3.  Смешанное включение отдельных контуров гексагональной топологии.

В гексагональной топологии КРП отдельных замкнутых контуров (структура пчелиных сот) с практической точки зрения интересен “непрямляющий” омический контакт по типу контакта полупроводниковых “кубиков” термоэлектрического преобразователя Пельтье с медными соединительными пластинами. 

Полупроводниковый кубик, например р-типа сам по себе не может образовывать p-n-перехода, необходимого для возникновения барьерной и диффузионной емкостей. Это значит, что каждый узел  гексагональной топологии не может быть чувствителен к внешним электростатическим воздействиям (наводкам). К тому же внутреннее сопротивление одного  полупроводникового кубика  примерно 3 Ом.

Особенности использование p-n диодов и диод Шотки в  гексагональной топологии было рассмотрено ранее и представлено в статье: Генерация электроэнергии из земного электрического поля с помощью контактной разности потенциалов полупроводников и металлов в гексагональной топологии). 

Экспериментальная проверка

     Полупроводниковые кубики р-типа были взяты из термоэлектрического элемента Пельтье. На электрической печке элемент Пельтье был нагрет до 250 градусов, после чего верхняя его крышка была свободно открыта и были ссыпаны все полупроводниковые кубики размером 1,5 мм.

Сортировка кубиков по структуре оказалась сложной задачей. По внутреннему сопротивлению идентифицировать оказалось не возможно. Внутреннее сопротивление каждого полупроводникового кубика  примерно 3 Ом. Сопротивление каждого кубика менялось в небольших пределах от 3 Ом в зависимости от сторон полупроводникового кубика, к которым подключались щупы микро вольтметра.

Механический контакт (прищепкой) двух противоположных сторон одного кубика с двумя разнородными металлическими проводниками (нихромом и константаном) давал 6 разных показаний микро вольтметра в зависимости от сторон контакта с кубиком и полярности включения.  К тому же нагрев такой структуры воздухом дыхания человека также давал ещё 6 различных показаний микро вольтметра.

Для однозначной идентификации каждого полупроводникового кубика  с n- или p- структурой —  изготовил около 10 полноценных КРП по типу паука (см. рис. № 4) между полупроводниковым кубиком не известной структуры, КРП между нихромом и константаном с одной стороны и  КРП между нихромом и константаном с другой стороны полупроводникового кубика.

Рис. № 4. КРП по типу паука между полупроводниковым кубиком, нихромом и константаном с одной стороны и нихромом и константаном с другой стороны кубика.

Проверка показаний микро вольтметра 10-ти полноценных КРП из 3-х разнородных материалов по типу паука позволила идентифицировать каждый полупроводниковый кубик и дополнительно обнаружила интересное явление.

Сначала о предполагаемом.

У примерно 50 % полноценных КРП по типу паука выходное напряжение между однородными проводниками (константан — полупроводниковый кубик — константан)  возрастало до 0,2 мВ при нагреве воздухом дыхания человека. У оставшихся полноценных КРП по типу паука выходное напряжение возрастало только до 0,06 мВ при нагреве воздухом дыхания человека. Кубики были разобраны по структурам, осталось узнать, какая структура где. Для этого, из нового  термоэлектрического преобразователя Пельтье вынул самый первый полупроводниковый кубик известной структуры у положительного и отрицательного проводника. Проверка известных полупроводниковых кубиков по такой же схеме позволила идентифицировать оставшиеся.

Но это ещё не всё.  Интересное явление заключалось в следующем. Выходное напряжение КРП по типу паука между однородными проводниками (константан — полупроводниковый кубик — константан) и нихром – полупроводниковый кубик – нихром)   имеет примерно одинаковое значение, только меняет полярность при нагреве воздухом дыхания человека.  Теоретически, показания вольтметра должны значительно отличаться, но этого не происходит.

Источник  электрической энергии на контактной разности потенциалов в условиях термодинамического равновесия гексагональной топологии состоит из 37 идентичных электрических  контуров, которые в свою очередь представляли один большой шестигранник.

Каждый контур состоит из последовательно включённых металлов (константан и нихром) и полупроводниковых кубиков  р – типа.

Экспериментом подтверждены следующее характеристики систем:

Вывод

1.    В системе происходят сложные взаимодействия между различными компонентами и внешними условиями.

2.    В каждом контуре гексагональной топологии протекают временные токовые асимметрии, вызванные электрическим и магнитным полями земли и отдельными электрическими зарядами, которые влияют как на соседние контуры, так и  на  систему в целом в части аномальных распределений выходных напряжений.

4.    Работа такой системы за пределы термодинамического равновесия и проявленные при этом  эффекты является новым и интересным направлением в электрической генерации. Предварительно, экспериментальными работами подтверждено, что такая система, при нарушении термодинамического равновесия (например: общий нагрев) – не нуждается в дополнительном охлаждении каких-либо противоположных КРП, как у элемента Пельтье. Замена одного типа полупроводника на другой может изменить поведение системы наоборот, при общем охлаждении системы, последняя будет генерировать электричество.  В отличие от традиционных систем, где требуется активное охлаждение одной части системы, новый подход может позволить избежать необходимости дополнительного и обязательного внешнего охлаждения / нагрева определённых КРП. Вместо этого система может работать за счет естественного теплообмена с окружающей средой.  Такие системы могут найти применение в областях, где традиционные методы генерации электроэнергии неэффективны или невозможны. Например, в условиях экстремально низких или высоких температур, где обычные источники питания могут просто выйти из строя.

Видеоотчёт ОКР :

Приложения:

1. Генерация электроэнергии из земного электрического поля с помощью контактной разности потенциалов полупроводников и металлов в гексагональной топологии).

2. Источник электрической энергии гексагональной топологии на КРП полупроводников и разнородных металлов в условиях термодинамического равновесия

3. Влияние электрического и магнитного полей земли, отдельных электрически заряженных объектов и т.п. на гексагональную топологию контактных разностей потенциалов полупроводников и металлов (данные экспериментов)

ЭКСПЕРИМЕНТ № 1: 

Гексагональная топология с последовательным включением полупроводников с контактной разностью потенциалов

Цель: 

Оценка электрофизических характеристик гексагональной схемы, в которой полупроводниковые элементы (сформированные на поверхности меди после высокотемпературного обжига) включены последовательно с участками из разнородных металлов (константана и нихрома).

Методика: 

А) Изучалась система, состоящая из 23 гексагональных электрических контуров, построенных по «сотовому» принципу: в каждом контуре — полупроводник (CuO) включён последовательно с двумя различными металлами. 

Б) Для отдельного элемента применялась модель: 7 последовательно соединённых диодов (p–n элементов) и проводников с направлением от константана к нихрому (– константан + нихром). 

В) Использовалась схема без гальванического заземления. Измерения напряжений производились в термодинамически стабильных условиях (t = 24 С). 

Конструкция и примеры соединений представлены на следующем рисунке.

Рис. 1. Схема эксперимента: структура гексагональной ячейки из металлов и полупроводника (p-типа).

Вариант конструктивного исполнения системы, у которой полупроводники в каждом контуре включены последовательно показан на следующем рисунке.

 Рис. № 2.  Варианты конструктивного исполнения систем.

Результаты:

Сводные значения выходных характеристик приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты измерений (Эксперимент № 1)

                                                                                                 Таблица № 1.

Термодинамическое равновесие, t=24 градуса.
Система	U вых., мВ.	ΔU вых. мВ. (человек приближается к системе с расстояния 2-х метров)	I к.з., мкА	Распределение напряжений по контурам, мВ.
23 контура	30	5	НЕТ!!!	4 ; 3 ; 5 ; 4 ; 6 ; 5 ; 7 ; 6 …   (увеличивается по типу: ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ ↑ …)

Наблюдения:

— Зависимость выходного напряжения от положения человека (в пределах 2 м). 

— Отсутствие коротко-замыкающего тока при любых конфигурациях. 

— Динамика напряжения по цепи: на чётных контурах U вых. возрастает на +2…3 мВ, тогда как на нечётных снижается на 1 мВ. 

— Суммарное выходное напряжение не является простой алгебраической суммой напряжений с отдельных контуров. 

— Распределение показаний напряжения по гексагональной структуре демонстрирует признаки взаимной асимметрии, не поддающиеся простому линейному моделированию. 

Вывод:

— В системе фиксируются тонкие токовые и напряженческие асимметрии, обусловленные сложным взаимодействием контактных потенциалов, внешнего электрического и магнитного поля Земли, а также присутствием приближающихся зарядов (человека как объекта). 

— Гексагональная топология проявляет себя как чувствительная к изменениям электрического поля, а изменение напряжения по направлениям может быть интерпретировано аналогично фазированной антенной решётке. 

— Заземление системы не влияет на чувствительность. 

— Зафиксирован потенциал применения топологии как пассивного пространственного датчика перемещений зарядов или источников поля.

ЭКСПЕРИМЕНТ № 2

Гексагональная топология с встречно включёнными полупроводниками и разнородными металлами

Цель:

Анализ поведения гексагональной полупроводниково-металлической структуры, в которой элементы соединены встречно как по направлению включения p–n-переходов, так и по ходу токов в смежных контурах.

Методика:

А) Исследовалась модель схемы, в которой полупроводниковые элементы (оксид меди p-типа) были включены встречно-параллельно внутри каждого контура, а гексагональная топология формировалась из чередующихся участков из константана и нихрома. 

Б) Прототип содержал 4 встречно включённых диода и металлических проводника (константан — диод — нихром), отключённых от земли. 

В) Измерения проводились в термостатированных условиях при температуре окружающей среды 24 C. Все участки подвергались одинаковой термической обработке. 

Схема эксперимента представлена на следующих рисунках.

Рис. № 3. Схема эксперимента.

Вариант конструктивного исполнения системы, у которой полупроводники в каждом контуре включены встречно показан на следующем рисунке.

 Рис. № 4.  Варианты конструктивного исполнения систем.

Результаты эксперимента сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Параметры выходного сигнала для встречно включённых элементов

                                                                                                

Термодинамическое равновесие, t=24 градуса.
Система	U вых., мВ.	ΔU вых. мВ. (человек приближается к системе с расстояния 2-х метров)	I к.з., мкА
2 контура,  подключение+ —	0,02	0,005	НЕТ!
1 контура,  подключение+ 0	0,02	0,005	5

Наблюдения:

— Независимо от количества контуров и типа подключения, фиксировалось выходное напряжение порядка 0,02 мВ.

— При подключении двух контуров в схеме «+ –» ток короткого замыкания отсутствовал.

— При одностороннем подключении («+ 0») ток короткого замыкания достигал 5 мкА.

— При приближении человека к системе (2 м) наблюдалось увеличение выходного напряжения на 5 мкВ.

— Распределение напряжений не является симметричным по отношению к физической оси симметрии системы, что указывает на возникновение локальных асимметрий.

Вывод:

— Даже при встречновключённых p–n-переходах и металлических участках структура продолжает демонстрировать наличие выходного напряжения, чувствительного к электростатическому окружению.

— Фиксируется слабая взаимосвязь между проводимостью и направлением электрического поля, что может свидетельствовать о сложных ёмкостных и диффузионных процессах в зонах контакта.

— Заземление не влияет на чувствительность к переменам в локальном электростатическом фоне.

— Выходное напряжение нестабильно и определяется как внутренней структурой включения, так и положением внешнего объекта (например, человека), что подтверждает возможность использования схемы в качестве детектора присутствия и изменения электростатического или магнитного поля.

ЭКСПЕРИМЕНТ № 3 

Гексагональная топология с встречно включёнными полупроводниками и последовательным соединением контуров

Цель: 

Исследование выходных характеристик и чувствительности гексагональной электроцепи, в которой полупроводники включены встречно с разнородными металлами внутри каждого элемента, а сами гексаконтуры соединены последовательно между собой.

Методика:

A) Анализировалась система на основе гексагональной топологии, в которой полупроводники (CuO, p-типа) включены встречно с участками из константана и нихрома в каждом контуре. Контуры соединялись строго последовательно, в цепь от 1 до 46 элементов. 

B) Исследования проведены на следующих семи образцах:

1. Одиночная термопара: (– константан / + нихром); 

2. Один диод; 

3. 6 последовательно соединённых диодов; 

4. 6 диодов и участков – константан / + нихром; 

5. 14 контуров; 

6. 23 контура; 

7. 46 контуров. 

C) Эксперименты проводились как с заземлением, так и без него. Напряжение и токи короткого замыкания измерялись при t = 24 C. Также определялась зависимость выходных параметров от:

— приближения человека (2 м); 

— ориентации конструкции относительно магнитного поля Земли. 

Схемы экспериментов и вариантов конструктивной реализации систем приведены на следующих рисунках.

Рис. 5. Схемы экспериментов.

 Рис. № 6.  Варианты конструктивного исполнения систем.

Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3. Показатели выходного напряжения и тока

 

Термодинамическое равновесие, t=24 градуса.
Система	Система без заземления				Система заземлена
	U вых., В.	I к.з., мкА	ΔU вых. мВ. (человек приближается к системе с расстояния 2-х метров)	ΔU вых. мВ.  (ориентация в магнитном поле земли. Перераспределения на отдельных контурах)	U вых., В.	I к.з., мкА	ΔU вых. мВ. (человек приближается к системе с расстояния 2-х метров)	ΔU вых. мВ.  (ориентация в магнитном поле земли. Перераспределения на отдельных контурах)
1 термопара         (- константан,               + нихром)	0,035	0	0	0	0,035	0	0	0
1 диод	U1 = 0,001     U2 = 0,35	0	U1 = 0.002                  U2 =0.020	0	U1 = 0,001     U2 = 0,35	0	U1 = 0.002                 U2 =0.020	0
6 диодов	0,11	0	0,02	0	2	0	0,005	0
6 диодов и проводников                (- константан,          + нихром)	0,125	0	0,03	0	2,4	0	0,005	0
6 контуров	0,14	0,09	0,04	0	2	0,5	0,005	0
14 контуров	0,29	0,19	0,09	0,01	3	1	0,01	0
23 контуров	0,35	0,37	0,14	0,02	6,2	6,5	0,02	0
46 контуров	0,67	0,93	0,4	0,05	12,3	13,2

Наблюдения:

— При увеличении количества гексогональных контуров происходит нарастание общего выходного напряжения, однако зависимость не является линейной. 

— У заземлённой 46-контурной системы выходное напряжение составило 12,3 В, при токе короткого замыкания 13,2 мкА. 

— Напряжение на первом контуре составило 5 В, вместо ожидаемых ≈0,56 В (из расчёта равномерного распределения) — выявлено асимметричное распределение потенциала. 

— Разность напряжений между соседними контурами колеблется от 0,2 до 0,7 В и зависит от ориентации относительно поля Земли.

— При приближении человека (даже без прикосновения и на расстоянии до 2 метров) фиксируется изменение выходного напряжения до 0,4 мВ.

Вывод:

— В системе с гексагональной топологией и встречно-последовательным соединением p–n переходов формируется совокупный объёмный заряд в барьерной и диффузионной ёмкости, стабилизируемый контактными разностями потенциалов и фоновой зарядовой средой Земли.

— Это проявляется в выраженных градиентах напряжений и наличию неравномерной генерации, несмотря на нахождение системы в условиях термодинамического равновесия.

— Возникает эффект «сверхпозиционного потенциала» — суммирующегося по мере увеличения числа контуров, но не линейно.

— Реакция системы на местоположение наблюдателя (влияние внешнего статического заряда) указывает на чувствительность к электростатическому фону, что может быть использовано для пространственной локализации объектов — аналог фазированной антенной решётки.

— Конструкция демонстрирует свойства электрета с объёмной поляризацией и потенциально может применяться как сенсор слабых полей или в автономной микро-генерации.

ЭКСПЕРИМЕНТ № 4 

Исследование отдельного элемента источника электрической энергии на основе полупроводников и металлов с контактной разностью потенциалов в условиях термодинамического равновесия

Цель: 

Оценка возможности генерации электрического сигнала (напряжения и тока короткого замыкания) в элементарной системе, состоящей из одного или нескольких p-типа полупроводников, соединённых через разнородные металлические проводники (константан и нихром), при отсутствии теплового или внешнего электрического воздействия.

Методика:

A) Исследуемая система состоит из пяти последовательно включённых полупроводниковых участков (CuO, сформированного термообжигом медной проволоки) с закороткой через разнородные металлы (константан — нихром). 

B) Для сравнения регистрировались параметры одиночной термопары и одиночного диода, подключённых отдельно к милливольтметру в прямом и обратном направлениях. 

C) Основной режим эксперимента – измерение выходного напряжения (Uвых) и тока короткого замыкания (Iк.з.) при последовательном отключении отдельных полупроводников из цепи. 

Схема экспериментального узла приведена на рис. 7.

Рис. № 7. Схема эксперимента

Результаты сведены в таблице 6.

Таблица 6.

Наблюдения:

— Один полупроводник, соединённый с двумя разнородными металлами, даёт максимально стабильный выходной сигнал: Uвых = 0,16 мВ и Iк.з. = 1,5 мкА; 

— Изменение количества включённых в цепь полупроводников не оказывает устойчивого влияния — ток и напряжение изменяются нерегулярно. Это говорит о нелинейном распределении ёмкостей и напряжений; 

— Отдельная термопара и одиночный диод, как субъекты сравнения, не демонстрируют выходного тока короткого замыкания при равновесных условиях; 

— Изменение взаимной ориентации диодов или металлов не критично в пределах данного эксперимента; 

— Показатели не зависят от заземления системы и положения наблюдателя (отсутствует влияние электростатического заряда человека).

Вывод:

— Полученные результаты показывают, что даже один полупроводник, соединённый с двумя разнородными металлическими проводниками, способен генерировать устойчивое напряжение и ток короткого замыкания в условиях термодинамического равновесия. 

— Эффект не достигается ни при использовании изолированного полупроводника, ни при использовании простой термопары; он возникает исключительно в сочетании «полупроводник – металл1 – металл2». 

— Реакция системы на изменение количества закороченных элементов носит волнообразный (дискретный) характер, что позволяет предполагать наличие внутренних резонансных ёмкостных и/или диодных эффектов. 

— Работа системы не зависит от приближения человека или внешних полей, а генерируемое напряжение постоянно в указанных условиях.

— Такой элемент можно условно рассматривать как простейший «ячеистый» элемент генератора на основе контактной разности потенциалов с встроенной функцией накопления заряда в полупроводниковом объёме p-n типа — аналог элементарной формы электрета.

Таким образом, эксперимент подтверждает возможность создания минимального источника сигнала в замкнутой системе в условиях, близких к равновесным, только за счёт контактных и полупроводниковых свойств материалов. Это открывает перспективу дальнейших разработок в области автономных микроисточников и сенсорных ячеек.

Общий вывод по всем экспериментальным работам (эксперименты № 1–4):

В результате серии экспериментальных исследований, выполненных на гексагональных топологиях электрических контуров, основанных на системах из полупроводников p-типа (оксид меди), соединённых с разнородными металлами (константан, нихром), получены следующие обобщённые результаты и выводы:

1. Электрогенерация без внешнего воздействия: 

Во всех конфигурациях — как при последовательном, так и встречно-последовательном включении контуров — наблюдается генерация выходного напряжения и/или тока короткого замыкания в условиях, близких к термодинамическому равновесию (t = 24 C, отсутствие теплового или светового воздействия), что является нетривиальным результатом с точки зрения классической электрофизики. Это стало возможно только при использовании гетерогенных материалов на границах металл–полупроводник.

2. Роль материала и направления соединения: 

— Конфигурации с чередованием константана и нихрома обеспечивают направленное движение заряда за счёт разности их функций выхода; 

— Наибольшее напряжение и устойчивость сигнала наблюдаются в системах с последовательным включением полупроводников через разнородные металлы (эксперименты № 1 и № 3); 

— Системы с встречно-параллельным включением (эксперимент № 2) демонстрируют минимальные выходные значения, однако сохраняют отклик на внешние электростатические поля.

3. Гексагональная топология как усилитель и «фокусатор»: 

Наличие многоконтурной гексагональной структуры приводит к суммарному накопительному эффекту, аналогичному сетке электрета или аккумуляторной решётке. Выходное напряжение при последовательном включении 46 гексаконтуров достигло 12,3 В при токе короткого замыкания до 13,2 мкА (эксп. № 3), несмотря на то, что напряжение на одном отдельном контуре составляет 0,1–0,16 В.

4. Чувствительность к внешним полям:

— Зафиксированы надёжные изменения выходного напряжения при приближении человека без физического контакта (2 м — ΔU до 0,4 мВ), что указывает на высокую чувствительность к электростатическому полю; 

— Системы демонстрируют фазоподобное поведение при изменении ориентации в магнитном поле Земли — напряжения перераспределяются по узлам; 

— Заземление практически не влияет на чувствительность, что говорит о внутренней поляризации и способности системы работать как плавающий источник/датчик.

5. Выходные параметры не линейны: 

Суммарное напряжение не является арифметической суммой напряжений с отдельных контуров, а ток короткого замыкания не пропорционален числу элементов. Напряжение на отдельных контурах изменяется нелинейно, что может быть объяснено контурными колебаниями ёмкостей и взаимодействием с внешним электростатическим ландшафтом (подобие фазированной антенной решётки).

6. Эффективность миниатюрных ячеек: 

Показано, что даже одна ячейка (полупроводник + константан + нихром) даёт стабильно измеряемый ток (1,5 мкА) и напряжение 0,16 мВ — что открывает путь к созданию микроисточников питания или пассивных сенсоров внешнего поля.

7. Объёмная накопительная природа эффектов: 

Подтверждено, что заряд в системе накапливается не на обкладках, а в объёме p–n перехода — в барьерной и диффузионной ёмкости. Это делает изучаемые структуры по свойствам близкими к электрета — твёрдотельному носителю постоянного внутреннего поля, не зависящему от внешнего источника тока.

8. Потенциал практического применения:

— Пассивные сенсоры электростатического и магнитного поля; 

— Источники питания ультранизкой мощности для систем IoT; 

— Электростатическая и магнитометрическая локация объектов; 

— Системы анализа загрязнения и радиационного фона через флуктуации электрических свойств среды;

Заключение:

Все четыре эксперимента подтверждают, что гексагональная топология, полупроводниковая активная поверхность (p-тип оксида меди), комбинированная с электростатически разнородными металлами, позволяет реализовать эффект самоподдерживающейся генерации выходного сигнала в отсутствие классических внешних факторов возбуждения. Эти явления дают основание говорить о принципиально новом подходе к энергоактивной топологии и сверхчувствительной электроемкостной сенсорике. Работа систем за пределами идеального термодинамического равновесия требует дополнительного теоретического осмысления и разработки моделей описания на основе нелинейной электростатики, физики контактных переходов и вариативной ёмкости.

Реферат

В данной работе рассматривается источник электрической энергии, основанный на использовании контактной разности потенциалов между металлами и полупроводниками p-типа в условиях термодинамического равновесия. Система представлена в виде гексагональной топологии,  состоящей из множества идентичных электрических  контуров, включённых последовательно-параллельно. Каждый контур состоит из последовательно  соединённых   проводников с контактной разностью потенциалов (например, нихром и константан) и полупроводниковых “кубиков” р-типа. Каждый контур соединен  общим проводником, который является одним из проводников для соседнего  контура по типу природной сотовой структуры.

Следующие публикации будут отражать исследования поведения этой системы вне условий термодинамического равновесия и эффектов, возникающих при таких условиях.

Cхематическое исполнение  источник  электрической энергии на контактной разности потенциалов полупроводниковых “кубиков” р-типа и разнородных металлов гексагональной топологии в условиях термодинамического равновесия представлено на слеждующем рисунке.

Рис. № 1. Гексагональная топология  источника  электрической энергии на контактной разности потенциалов в условиях термодинамического равновесия.

      Электрическая схема выполнена по сотовой схеме с использованием структуры в виде гексагональной топологии (множества шестигранников) с узловыми точками контактных разностей потенциалов 3-х материалов – константан, нихром и полупроводниковых “кубиков” р-типа. 

С практической точки зрения интересен “непрямляющий” омический контакт по типу контакта полупроводниковых “кубиков” элемента Пельтье с медными соединительными пластинами. (использование p-n диодов и диод Шоттки в  гексагональной топологии было рассмотрено в статье: Генерация электроэнергии из земного электрического поля с помощью контактной разности потенциалов полупроводников и металлов в гексагональной топологии).

Каждая узловая точка гексагональной топологии  является контактной разностью потенциалов  различной структуры одновременно для 6-ти соседних контуров. За счёт этого в каждом контуре гексагональной топологии формируются временные токовые асимметрии, которые влияют как на соседние контуры, так и  на  систему в целом для заявленных целей.

На токовые асимметрии каждого контура в условиях термодинамического равновесия также оказывают воздействие  внешние влияние которые являются предметом дополнительного изучения (например: электрического и (или) магнитного поля земли).

Из всех типов дополнительных влияний на систему в условиях термодинамического равновесия  особенно интересны  электростатические и магнитные влияния на систему через полупроводники р-типа. 

Полупроводник р-типа сам по себе не может образовывать p-n-перехода, необходимого для возникновения барьерной и диффузионной емкостей. Это значит, что каждый узел  гексагональной топологии не может быть чувствителен к внешним электростатическим воздействиям, только к электромагнитным.

Экспериментальные работы с омическими контактами константана и нихрома с медными проводниками, которые полностью покрыты слоем оксида меди (полупроводника) обнаружили в системе электростатическую аномалию. В настоящее время готовятся работы с омическими контактами константана и нихрома с готовыми полупроводниковыми “кубиками” р-типа типоразмером 3х3х3 мм из модулей Пельтье. Это должно прояснить ситуацию с внешним электростатическим воздействием на систему.

Экспериментальная проверка

В первом эксперименте по проверке идеи вместо полупроводниковых “кубиков” р-типа использовался самодельный полупроводник р-типа на основе оксида меди, которым была покрыта медная проволока.

Технология изготовления полупроводника р-типа из медной пластины достаточно проста. Обжиг при высокой температуре меди формирует на  её поверхности тонкий слой оксида меди, который является полупроводником р-типа.

    В практическом плане сначала была сформирована (связана)  гексагональная топология системы из множества узлов  3-х проволок различных материалов – константан, нихром и медь, см. рис. № 2. 

Рис. № 2. Гексагональная топология системы из константана, нихрома и меди.

Затем все узлы (связки)  были обожжены горелкой до красна, для целей формирования поверх медных проволок слоя полупроводника р-типа из оксида меди, см. рис. № 3.

Рис. № 3. Гексагональная топология системы из константана, нихрома и полупроводника p-типа на основе оксида меди.

Источник  электрической энергии на контактной разности потенциалов в условиях термодинамического равновесия гексагональной топологии состоит из 37 идентичных электрических  контуров, которые в свою очередь представляли один большой шестигранник.

Каждый контур состоит из последовательно включённых металлов (константан и нихром) и медных проводников, которые прошли термическую обработку. В этом случае на поверхности меди сформирован тонкий слой полупроводника р — типа.

Экспериментом подтверждены следующее характеристики системы:

1.    Система состоит из 37 электрических  контуров гексагональной топологии, которые  представляют один большой шестигранник со стороной в 4-е электрических контура.

2.    Выходное напряжение имеет ярко выраженную зависимость от внешних электрических зарядов (местоположения человека, производящего измерения). На порядок большая зависимость, чем в ОКР с классическими диодами.

3.    Минимальное выходное напряжение системы 0,02 мВ.  Выходное напряжение зависит от местоположения человека, производящего измерения и ориентации системы в магнитном поле земли).

4.    Максимальное выходное напряжение системы 0,4 мВ. Выходное напряжение зависит от местоположения человека, производящего измерения и ориентации системы в магнитном поле земли.

5.    Выходное напряжение, пока не понятно по каким причинам, в некоторых случаях становится ярко выраженным переменным с частотой 0,5 — 1 Гц. В этом случае уже частота зависит от местоположения человека, производящего измерения и ориентации системы в магнитном поле земли.

6.    Максимальный ток короткого замыкания системы 10 мкА.

Вывод

1.    В системе происходят сложные взаимодействия между различными компонентами и внешними условиями.

2.    В каждом контуре гексагональной топологии протекают временные токовые асимметрии, вызванные электрическим и магнитным полями земли и отдельными электрическими зарядами, которые влияют как на соседние контуры, так и  на  систему в целом в части аномальных рапределений выходных напряжений.

3.    Использование гексагональной топологии в  качестве датчиков измерения и регистрации изменений в уровне различных электростатического и магнитного полей будет полезна в различных областях науки и техники, например: мониторинг уровней загрязнений, радиационных полей и температурных изменений окружающей среды, контроль качества воздуха,  влияния электростатических полей на различные физические процессы, такие как поведение частиц, движение жидкостей и газов, а также химические реакции, мониторинг производственных процессов и оборудования,  медицинская диагностика, мониторинг уровни электростатического поля вокруг защищаемых объектов, электростатическая локация и т.п.

4.    Работа системы за пределы термодинамического равновесия и проявленные при этом  эффекты является новым и интересным направлением в электрической генерации. Предварительно, экспериментальными работами подтверждено, что такая система, при нарушении термодинамического равновесия (например: общий нагрев) — не нуждается в дополнительном охлаждении каких-либо противоположных узлов, как у элемента Пельтье. В этом случае можно предположить, что замена в системе одного типа полупроводника на другой должна генерировать электричество уже от общего охлаждения системы, но это  задел на будущие ОКР и публикации по ним.

Приложения:

1. Генерация электроэнергии из земного электрического поля с помощью контактной разности потенциалов полупроводников и металлов в гексагональной топологии).

2. Видео ОКР № 1. Выходное напряжение имеет ярко выраженную зависимость от внешних электрических зарядов (местоположения человека, производящего измерения). На порядок большая зависимость, чем в ОКР с классическими диодами (см. приложение п.1.).

3. Видео ОКР № 2. Выходное напряжение, пока не понятно по каким причинам, в некоторых случаях становится ярко выраженным переменным с частотой 0,5 — 1 Гц. В этом случае уже частота зависит от местоположения человека, производящего измерения и ориентации системы в магнитном поле земли.

Аннотация

В данной работе рассматривается источник электрической энергии, основанный на использовании контактной разности потенциалов между металлами и полупроводниками в условиях термодинамического равновесия. Система представлена в виде гексагональной топологии, состоящей из множества идентичных электрических контуров, соединенных последовательно-параллельно. Каждый контур включает в себя проводники с контактной разностью потенциалов (например, нихром и константан), а также полупроводники. Контуры связаны общим проводником, образуя структуру, аналогичную природной сотовой структуре. Один из выводов системы заземлен.

Следующие публикации будут отражать исследования поведения этой системы вне условий термодинамического равновесия и эффектов, возникающих при таких условиях.

Cхематическое исполнение  источника  электрической энергии электрического поля земли на контактной разности потенциалов в условиях термодинамического равновесия представлено на следующем рисунке.

Рис. № 1. Гексагональная топология  источника  электрической энергии поля земли на контактной разности потенциалов в условиях термодинамического равновесия.

      Электрическая схема выполнена по сотовой схеме с использованием структуры в виде гексагональной топологии (множества шестигранников) с узловыми точками контактных разностей потенциалов 3-х материалов – константан, нихром и полупроводник.  Каждая узловая точка гексагональной топологии  формирует контактные разности потенциалов одновременно для 6-ти соседних контуров. Контактные разности потенциалов полупроводников и металлов меняют работу выхода под воздействием электрического заряда земли. Таким образом, в каждом контуре гексагональной топологии будут формироваться временные токовые асимметрии, которые влияют как на соседние контуры, так и  на  систему в целом для заявленных целей.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА

      Источник  электрической энергии электрического поля земли на контактной разности потенциалов в условиях термодинамического равновесия гексагональной топологии изготовлен из 48 идентичных, последовательно соединённых по диагонали электрических  контуров гексагональной топологии. Каждый контур состоит из двух полупроводников, двух металлов из константана и двух металлов из нихрома.  Узловые точки — контактных разностей потенциалов 3-х материалов – константан, нихром и полупроводник.

    Конструктивное исполнение системы показано на следующем рисунке.

Рис. № 2. Гексагональная топология системы источника электрической энергии.

Экспериментом подтверждены следующее характеристики источника  электрической энергии электрического поля земли на контактной разности потенциалов:

1. 48 электрических  контуров, последовательно соединённых по диагонали гексагональной топологии.

2. “-“ проводник заземлён.

3. Выходное напряжение системы 12,3 вольт.

4. Выходное напряжение изменяется на уровне десяток милливольт при повороте системы (изменении ориентации) в магнитном поле земли.

5. Ток короткого замыкания 13.2 мкА.

6. Ток короткого замыкания стабилен  при  непрерывном измерении  в течении нескольких дней.

7. Добавление нового ряда по диагонали в гексагональной топологии увеличивает пропорционально ток короткого замыкания без значительного увеличения выходного напряжения.

       Таким образом можно представить  рабочие  характеристики принципиально нового источника  электрической энергии поля земли:

— 48×48 электрических  контуров гексагональной топологии.

— “-“ проводник заземлён.

— Выходное напряжение системы 12,3 вольт неограниченное время.

— Ток короткого замыкания системы 0,63 mА неограниченное время.

— Выходное напряжение изменяется на уровне десяток милливольт при повороте системы (изменении ориентации) в магнитном поле земли.

ЧТО ГОВОРИТ НАУКА

1.   Известно, что земля совместно с ионосферой являются гигантским сферическим конденсатором, который заряжен и создает электрическое поле вокруг нас. Напряженность электрического поля у поверхности Земли составляет 120-150 В/м. Практическое использование  такой напряжённости для генерации электричества достаточно проблематично.  Таким образом, электрическое поле Земли на сегодняшний день остаётся скорее объектом научного интереса, чем источником энергии для практических целей.

2.    Известно, что в условиях термодинамического равновесия контактная разность потенциалов не может быть источником энергии. Контактная разность потенциалов не создаёт направленного движения электрических зарядов. В условиях термодинамического равновесия электроны распределяются таким образом, чтобы уравновесить разницу в работах выхода, и в результате ток не течёт. Энергия, необходимая для поддержания этого равновесия, поступает из тепловой энергии окружения, но она не может быть использована для выполнения работы. Тока короткого замыкания не должно быть.

3.    Cогласно закону Вольта, сумма контактных разностей потенциалов в замкнутой цепи в условиях термодинамического равновесия должна равняться нулю. Это означает, что если мы просто соединим несколько термопар, не создавая никаких внешних воздействий (таких как температурный градиент), то результирующая ЭДС будет равна нулю. Напряжения на выходе практически не должно быть.

4.    Известны способы обойти ограничение закона Вольта в услових термодинамического равновесия — это создание неравновесных условий в системе. Например, можно использовать материалы, которые меняют свою работу выхода под воздействием внешних факторов, таких как магнитное поле, электрические заряды или свет. В любом случае сумма контактных разностей потенциалов 48 контуров системы в условиях термодинамического равновесия не может превышеть уровень миливольт.

5.    Существуют магнитные полупроводники — у которых меняется проводимость  в зависимости от магнитного поля. Только это не относится к обычным диодам. Таким образом — изменения выходного напряжения в системе, состоящей из обычных диодов в зависимости от направления поля земли не должно быть.

6.    Несмотря на то, что температура всех компонентов схемы может казаться одинаковой, микроразницы температур могут существовать. Эти микроразницы вызывают дополнительные термо-ЭДС, влияющие на показания вольтметра.

7.    Напряжение, вырабатываемой контактной разностью потенциалов металлических  проводников не достаточно для “открытия” диодов, тока короткого замыкания не должно быть.

8.    Если система ведёт себя, как отдельно заряженный конденсатор —  ток короткого замыкания должен уменьшаться со временем.

9.    Неисправность вольтметра может привести к таким показаниям.

10.                 Среда с высоким уровнем электростатических зарядов влияет на показания вольтметра. Электростатические поля создают дополнительные напряжения, которые суммируются с контактной разностью потенциалов.

11.                 В схемах, содержащих повторяющиеся  элементы, возможны эффекты взаимодействия между компонентами. Взаимная ёмкость может вносить вклад в общее напряжение, регистрируемое вольтметром.

Вывод

1.    В системе происходят сложные взаимодействия между различными компонентами и внешними условиями.

2.    Подтверждается  влияние электрического заряда земли, отдельных электрических зарядов  и магнитного поля земли на создание временной асимметрии в гексагональной топологической схеме (множеству шестигранных контуров, по типу пчелиных сот с контактной разностью потенциалов) для генерирации электричества в условиях термодинамического равновесия. Барьерная и диффузионная емкости каждого полупроводника будут являются накопителями заряда земли в объёме p-n перехода.  Таким образом электрический заряд земли совместно с контактной разностью потенциалов формирует объемный заряд в барьерной и диффузионной емкости p-n перехода.

3.    Работа системы за пределы термодинамического равновесия и проявленные при этом  эффекты является новым и интересным направлением в электрической генерации. Предварительно, экспериментальными работами подтверждено, что такая система, при нарушении термодинамического равновесия (например: общий нагрев) — не нуждается в дополнительном охлаждении каких-либо противоположных узлов, как у элемента Пельтье. В этом случае можно предположить, что замена в системе одного типа полупроводника на другой должна генерировать электричество уже от общего охлаждения системы, но это  задел на будущие ОКР и публикации по ним.

4.    Благодаря возможности накопления заряда не на обкладках, как у классического конденсатора, а в объёме p-n перехода — гексагональная топологическая схема полупроводников и металлов с контактной разностью потенциалов без заземления  превращается в  высокочувствительный датчик электрического поля. 

5.    Использование гексагональной топологии в  качестве датчиков измерения и регистрации изменений в уровне различных электростатического и магнитного полей будет полезна в различных областях науки и техники, например: мониторинг уровней загрязнений, радиационных полей и температурных изменений окружающей среды, контроль качества воздуха,  влияния электростатических полей на различные физические процессы, такие как поведение частиц, движение жидкостей и газов, а также химические реакции, мониторинг производственных процессов и оборудования,  медицинская диагностика, мониторинг уровни электростатического поля вокруг защищаемых объектов, электростатическая локация и т.п.

Приложения:

1. Источник электрической энергии гексагональной топологии на контактной разности потенциалов полупроводников р-типа и разнородных металлов в условиях термодинамического равновесия
2. Видео ОКР № 1. Гексагональная топология из двадцати трёх электрических  контуров при заземлении генерирует выходное напряжение 5,8 вольт с 0,6 В без заземления.

3. Видео ОКР № 2. Гексагональная топология из 7 электрических контуров без заземления. Напряжение на каждом контуре следующем контуре уменьшается.

Известно, что КПД классического термоэлектрического
преобразователя на полупроводниках не более 10-15 %. КПД термоэлектрического преобразователя на металлических термопарах не более 1 %.

В настоящей работе предложен термоэлектрический
преобразователь на металлических термопарах c КПД на много большим, чем у самых лучших известных полупроводниковых преобразователей!

Оперируя энергетикой емкостных накопителей в десятки и
более джоулей для напряжения, вырабатываемого всеми
термопарами, например, в 5 вольт можно получить переменный ток в нагрузке, измеряемый амперами!

Известно, что время заряда конденсатора, в том числе и от термоэлектрического преобразователя, зависит от его емкости. Время заряда емкостного накопителя энергии емкостью, например, в 1 Фарад до напряжения термоэлектрического генератора, например, в 5 вольт будет измеряться секундами.

Задачей данной работы  является предложить способ “мгновенного” заряда емкостного накопителя для целей повышения КПД преобразования низко потенциального тепла в электричество.

Согласитесь, что зарядить одновременно, например, 1000 конденсаторов емкостью по 1000 мкФ от различных источников в 1000 раз быстрее, чем один конденсатор емкостью 1 Фарад от одного источника.

Такое заключение является базой, на основании которой предлагается принципиально новый, высоко эффективный способ преобразования  низко потенциального тепла в электричество.

На основании выше изложенного предлагается емкостная термоэлектрическая батарея с индуктивным накопителем для утилизации низко потенциального тепла. 

Емкостная термоэлектрическая батарея с индуктивным накопителем для утилизации низко потенциального тепла представляет собой классический термоэлектрический источник  тока в управляемом импульсном режиме, который обеспечивает  заряд/перезаряд встроенных двух емкостных накопителей энергии. В свою очередь нагрузка запитана от одного емкостного накопителя энергии.

Принцип работы основан на синергии термоэлектрического эффекта Зеебека (явление возникновения ЭДС на концах последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах) и двух емкостных накопителей энергии с управлением токами заряда/перезаряда как от отдельного индуктивного накопителя энергии, так и без него.

Вот как это работает кратко:

В традиционных термоэлектрических генераторах, когда они пытаются напрямую питать нагрузку, их высокое внутреннее сопротивление сильно ограничивает выдаваемый ток и снижает КПД. Это как пытаться наполнить ведро через очень тонкую соломинку – процесс долгий и неэффективный.

Идея с «перекоммутацией короткого замыкания» состоит в следующем:

1. «Мгновенный» заряд конденсаторов: Вместо того, чтобы напряжение от термопар сразу шло на нагрузку, оно сначала используется для быстрого заряда специально интегрированных в конструкцию конденсаторов.
2. Управление «коротким замыканием»: В определенные моменты времени (очень быстро) цепь термопар кратковременно закорачивается (происходит «короткое замыкание») с помощью электронного ключа. Это позволяет конденсаторам заряжаться максимально быстро, «вытягивая» ток из термопар, несмотря на их внутреннее сопротивление.
3. Выдача энергии из конденсаторов: После быстрого заряда, энергия, накопленная в конденсаторах, мгновенно сбрасывается на нагрузку. Поскольку конденсаторы могут отдавать энергию очень быстро, они способны обеспечить высокий импульсный ток.
4. Переменный ток: За счет чередования циклов заряда и разряда двух конденсаторов (один заряжается, пока другой отдает энергию), на выходе получается переменный ток.

Простыми словами:

Представьте, что термопара – это очень слабый, но постоянный источник воды, который пытается наполнить большой стакан (нагрузку) через тонкую трубочку. Это долго.

Новый подход:

1. У вас есть много маленьких стаканчиков-конденсаторов, каждый из которых соединен со своей тонкой трубочкой-термопарой.
2. Вы на мгновение «открываете кран на полную» (короткое замыкание) для каждого стаканчика. Вода (ток) быстро, почти мгновенно, заполняет стаканчики, потому что сопротивление минимально.
3. Как только стаканчики полны, вы выливаете их содержимое на большую лопасть турбины (нагрузку), которая начинает быстро вращаться (генерируется мощный переменный ток).
4. Цикл повторяется очень быстро, обеспечивая постоянный поток энергии.

Таким образом, «перекоммутация короткого замыкания» позволяет максимально эффективно «выжать» всю возможную энергию из термопар, используя их для быстрой зарядки конденсаторов, а затем уже использовать энергию конденсаторов для питания нагрузки, обходя проблемы высокого внутреннего сопротивления самих термопар.

Особенностями емкостной термоэлектрической батареи с индуктивным накопителем для утилизации низко потенциального тепла является следующее:

1. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ.
2. ОБЩЕЕ СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ.
3. РАЗЛИЧНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ.
4. ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Рассмотрим каждую особенность по отдельности.

1. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ.

В конструктивном плане основу емкостной термоэлектрической батареи представляет собой “сборный пакет”, состоящий из листов (фольги) из разнородных металлов, между которыми проложены листы диэлектрика. Листы (фольга) из разнородных металлов по краям  соединены между собой механическим способом, образуя термопары. Каждая ветвь термопары является обкладкой для двух конденсаторов емкостного накопителя. Другие обкладки этих конденсаторов соединены между собой, и между такими же другими. Таким образом, формируется дополнительный электрод в системе, который будет являться одним из выходов в передаче электрической энергии.

Конструктивное исполнение емкостной термоэлектрической батареи  может быть двух типов:

Тип 1. Прямоугольная батарея (пакет) с подводом / отводом тепла с противоположных сторон батареи (пакета) – рис. № 9.1, 9.2

Рис. № 9.1. Прямоугольная батарея (пакет) с подводом / отводом тепла с противоположных сторон батареи (пакета)

Рис. № 9.2. Прямоугольная батарея (пакет) с подводом / отводом тепла с противоположных сторон батареи (пакета)

Тип 2. Цилиндрическая (коаксиальная) батарея (пакет) с подводом / отводом тепла внутрь / снаружи цилиндра – рис. № 9.3

Рис. 9.3. Цилиндрическая (коаксиальная) батарея (пакет) с подводом/отводом тепла внутрь / снаружи цилиндра.

• СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ.

На рис. № 9.4 каждая ветвь термопары  представлена отдельным источником напряжения, преобразующим тепловую энергию в электрическую.

Рис. № 9.4 . Электрическая схема  ТЭГ

Общее количество конденсаторов в накопителе:

N = n*2

Где:

• n — Количество термопар.

Каждая ветвь термопары заряжает свой конденсатор емкостного накопителя. При этом емкостной накопитель может работать в разных режимах в зависимости от коммутации нагрузки и управления работой заряда/разряда емкостного накопителя.

• РАЗЛИЧНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ.

Термоэлектрический генератор  работает в нескольких режимах в зависимости от коммутации нагрузки и управления работой заряда/разряда емкостного накопителя.

Режим 1. Емкостной накопитель без управления зарядом/разрядом

Эквивалентная схема представлена на рис. № 9.5.

Рис. № 9.5. Эквивалентная схема емкостного накопителя без управления зарядом/разрядом без управления зарядом/разрядом

Выходное постоянное напряжение снимается с контактов – 1-3 емкостной термобатареи. Контакт 2 – не используется.

Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов емкостного накопителя представлена на рис. № 9.6.

Рис. № 9.6. Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов.

В емкостном накопителе все конденсаторы соединены последовательно-параллельно каждому источнику напряжения в виде термопары.

Общая емкостью накопителя: 

С1=С0/n

Где:

• n — количество термопар.
• C0 – емкость одного конденсатора.

Выходное напряжение:

    Uвых=U0

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.

Энергия емкостного накопителя:

W= √C1Uвых²/2

В формуле корень связан с тем, что каждый конденсатор накопителя заряжается до напряжения текущей термопары + напряжение предыдущих термопар.

Режим 2. Емкостной накопитель/делитель напряжения без управления зарядом/разрядом .

Эквивалентная схема представлена на рис. № 9.7

Рис. № 9.7. Эквивалентная схема ёмкостного накопителя/делителя напряжения.

Представляет собой два идентичных емкостных накопителя энергии, включенные последовательно по типу емкостного делителя напряжения.

Выходное постоянное напряжение снимается с контактов – 1-2 одной емкостной термобатареи. Термопары заряжают два накопителя одновременно.

Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов двух емкостных накопителей представлена на рис. № 9.8.

Рис. № 9.8. Схема емкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения  с графиком напряжений заряда конденсаторов.

В каждом из двух накопителей все конденсаторы соединяются параллельно с общей емкостью:

 С1=С2=С0*n

Где:

• n- количество термопар
• С0- емкость одного конденсатора.

Напряжение на выходе:

     Uвых = U2 =  U0/2

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U2 – выходное напряжение одного из двух емкостных накопителей энергии.

Энергия, запасенная в одном накопителе:

W= √C2*U2²/2

В формуле корень связан с тем, что каждый конденсатор накопителя заряжается до напряжения текущей термопары + напряжение предыдущих термопар.

Режим 3. Емкостная термоэлектрическая батарея с двумя идентичными накопителями энергии (С1 и С2)  с управлением зарядом/разрядом емкостных  накопителей.

Эквивалентная схема представлена на рис. № 9.9.

Рис. № 9.9. Эквивалентная схема ёмкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения с управлением зарядом/разрядом.

Представляет собой два идентичных емкостных накопителя энергии, включенные последовательно по типу емкостного делителя напряжения с коммутирующим ключом К1.

Выходное напряжение – переменное.  Снимается с контактов – 1-2 одного емкостного накопителя энергии. Термоэлектрический генератор заряжает два накопителя одновременно.

Ключ К1 обеспечивает ток короткого замыкания в цепи всех термопар. Управление коммутацией тока короткого замыкания ключом К1 приводит к тому, что все параллельно соединенные конденсаторы обоих накопителей  заряжаются до половины напряжения питания.

U1=U2=U0/2

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U1 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.
• U2 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.

В противном случае каждый конденсатор накопителя заряжался бы до напряжения текущей термопары + напряжение предыдущих термопар, как было заявлено выше в 1 и 2 режиме.

Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов двух емкостных накопителей представлена на рис. № 9.10.

Рис. № 9.10. Схема емкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения  с управлением зарядом/разрядом и графиком напряжений заряда конденсаторов.

В каждом накопителе все конденсаторы соединяются параллельно с общей емкостью:

С1=С2=С0*n.

Где:

• n- количество термопар.
• С0 – емкость одного конденсатора.

Выходное напряжение — переменное:

     Uвых = U1+U2 = Uo

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U1 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.
• U2 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.

Общая энергия  системы:

     W= C2*Uвых²/2

Режим 4. Емкостная термоэлектрическая батарея с двумя идентичными накопителями энергии (С1 и С2) и индуктивным накопителем с управлением зарядом/разрядом емкостных  накопителей.

Эквивалентная схема представлена на рис. № 9.11.

Рис. № 9.11. Эквивалентная схема емкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения с управлением зарядом/разрядом  и индуктивным накопителем.

Представляет собой два идентичных емкостных накопителя энергии, включенные последовательно по типу емкостного делителя напряжения с коммутирующим ключом К1 и дополнительным внешним индуктивным накопителем L1.

Выходное напряжение – переменное.  Снимается с контактов – 1-2 одного емкостного накопителя энергии. Термоэлектрический генератор заряжает два накопителя одновременно.

Ключ К1 обеспечивает ток короткого замыкания в цепи всех термопар. Управление коммутацией тока короткого замыкания ключом К1 совместно с индуктивным накопителем L1 приводит к тому, что все параллельно соединенные конденсаторы обоих накопителей  заряжаются не до половины напряжения питания, как в предыдущем режиме, а до напряжения питания.

U1=U2= Uo.

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U1 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.
• U2 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.

В противном случае каждый конденсатор накопителя заряжался бы до напряжения текущей термопары + напряжение предыдущих термопар, как было заявлено выше в 1 и 2 режиме.

Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов двух емкостных накопителей представлена на рис. № 9.11.

Рис. № 9.11. Схема емкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения  с управлением зарядом/разрядом и графиком напряжений заряда конденсаторов.

В каждом накопителе все конденсаторы соединяются параллельно с общей емкостью:

 С1=С2=С0*n

Где:

• n- количество термопар.
• С0 – емкость одного конденсатора.

Выходное напряжение — переменное:

     Uвых = U1+U2 = 2U0

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U1 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.
• U2 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.

Общая энергия  системы:

W= C2*(2U0)²/2

• ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Для оценки уровня энергетических характеристик и КПД предлагаемой  емкостной термоэлектрической батареи с индуктивным накопителем для утилизации низко потенциального тепла рассмотрим хромель-копелевые термопары и ΔT = 50 градусов.

Значения запасенной энергии в  емкостной термоэлектрической батарее в зависимости от типа и размеров используемых конденсаторов приведены в следующей таблице № 9.1.

Таблица № 9.1.

	Тип емкостного накопителя	Выходное напряжение	Количество конденсаторов	Площадь одного конденсатора	Высота диэлектрика — пленка — 0,01 мм. (обычный конденсатор)		Высота диэлектрика — оксид алюминия — 0,1 мкм. (электролитический конденсатор)		Высота диэлектрика — двойной электрический слой  — 0,1 нм. (ионикс)
					Емкость накопителя	Энергия накопителя	Емкость накопителя	Энергия накопителя	Емкость накопителя	Энергия накопителя
		В	Шт.	М2	Фарад	Джоуль	Фарад	Джоуль	Фарад	Джоуль
1	Емкостной накопитель со смешанным включением конденсаторов без управления зарядом/разрядом	5	1613	0,2	0,0000000001	0,0000000012	0,00000011	0,0000014	0,0001	0,001
2	Емкостной накопитель   без управления зарядом/разрядом	5	1613	0,2	0,000285	0,060	0,285	1,889	285	59,733
3	Емкостной накопитель  с управлением зарядом/разрядом	5	1613	0,2	0,000285	0,0036	0,285	3,568	285	3568
4	Емкостной накопитель   с управлением зарядом/разрядом и индуктивным накопителем	5	1613	0,2	0,000285	0,014	0,285	14,270	285	14274

Исходя из Выше изложенного, для практических целей, режимы работ емкостного термоэлектрического генератора № 3 и № 4 являются основными для генерации переменного электрического тока.

          В этом случае классический металлический термоэлектрический генератор работает  не на нагрузку, а на заряд/перезаряд двух емкостных накопителей энергии. И далее, только один емкостной накопитель энергии питает нагрузку переменным током заряда/перезаряда.

Главный недостаток любых термоэлектрических генераторов, как большое внутреннее сопротивление перестает быть значимым.  На первый план выходит время заряда/перезаряда двух емкостных накопителей энергии.

Для подтверждения работоспособности идеи был проведен эксперимент, см. рис. № 9.12, на котором проверялась энергетика одного ёмкостного накопителя при токе короткого замыкания во втором и наоборот.  

Рис. № 9.12. Эксперимент – энергетика одного ёмкостного накопителя при коротком замыкании  второго, и наоборот.

Видео эксперимента опубликовано на канале Ютуб:

В качестве термопар  использовались батарейки на 1.5 вольт.

В качестве  двух емкостных накопителей энергии использовались электролитические конденсаторы. Общая емкость каждого емкостного накопителя  — 60 мкФ.

В качестве  нагрузки использовались два светодиода, включенные параллельно и противополярно.

Результат коммутации тока короткого замыкания  термоэлектрического генератора или заряд/перезаряд двух емкостных  накопителей энергии визуализируется светодиодами. Переменный ток в нагрузке визуализируется, как поочередная работа двух, включенных противополярно светодиодов. 

В этом случае ток в нагрузке зависит только от  емкостей двух накопителей энергии и времени их заряда/перезаряда.

ВЫВОД

Приведенные в выше поименованной таблице № 1  расчетные данные по энергетике  емкостных накопителей, запитанных классическими термопарам, термоэлектрического генератора подтверждают заявленное.

Ток в нагрузке зависит только от  емкостей двух накопителей энергии и времени их заряда/перезаряда.

Оперируя энергетикой емкостных накопителей в десятки и более джоулей для общего напряжения, вырабатываемого всеми термопарами, например, в 5 вольт  можно получить переменный ток в нагрузке, измеряемый амперами.

КПД классического термоэлектрического преобразователя уровня 1 % перестает быть актуальным.

Детонационно-электрический эффект — явление образования электродвижущей силы между двумя проводниками, размещёнными в направлении фронта детонационной волны частично ионизированного газа детонационного горения топливовоздушной смеси.

Схема реализации детонационно-электрического эффекта представлена на рис. № 8.8.1.

Рис. № 8.8.1. Схема реализации детонационно-электрического эффекта.

Рассмотрим сначала детонационное горение. Детонация – самый эффективный способ прямого превращения вещества в энергию и использования полученной энергии по назначению, который позволяет повысить КПД технологических устройств (горелок, двигателей, реакторов и т.п.).

При детонации химическая реакция окисления горючего протекает при более высоких значениях температуры и давления за сильной ударной волной, бегущей с высокой сверхзвуковой скоростью. Мощность тепловыделения в детонационном фронте на несколько порядка выше дефлаграционного фронта (классического медленного горения). Кроме того, в отличие от продуктов медленного горения, продукты детонации обладают огромной кинетической энергией.

Это связано с тем, что детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-4000 °С.

А теперь рассмотрим, что из себя представляет источник электрической энергии в широком смысле слова? Это источник упорядоченного непрерывного или периодического движения носителей электрического заряда. Применительно к нашему случаю такими носителями в газах являются ионы и электроны. При этом необходимо отметить, что газ в нормальном состоянии не является проводником. Его нужно каким-либо образом ионизировать, например, термически.

В идеале, нужно иметь плазменное состояние вещества, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы и которая является лучшим проводником. Для создания полностью плазменного состояния газа нужны сверхвысокие температуры, которые практически не достижимы для нас.

На практике термическая ионизация газа начинается уже при температурах около 2000 С.

А теперь обратим внимание на заявленные выше энергетические характеристики детонационного горения. Детонация в атмосферу от одного источника детонационного горения представляет собой взрыв, в котором взрывная волна распространяется со скоростью 2000-3000 м/с, а температура горения достигает 3000-4000 °С.

Таким образом можно представить волну детонационного горения как частично ионизированный газ, который является источник упорядоченного периодического движения носителей электрического заряда в заявленном случае. Значит детонационно-электрический эффект — явление образования электродвижущей силы между двумя проводниками, размещёнными в направлении фронта детонационной волны частично ионизированного газа детонационного горения топливовоздушной смеси.

ЭКСПЕРИМЕНТ:

Рис. № 8.8.2. Практическая реализация  детонационно-электрического эффекта, его энергетика.

В эксперименте, см. рис. № 8.8.2  использовалась стальная труба внутренним диаметром 28 мм и длинной 0,3 м. Объём 0,14 литра. Топливовоздушная смесь формировалась классической газовой горелкой. Детонация топливовоздушной смеси осуществлялась пьезо-поджогом горелки.  Электроды использовались различные – стальная, алюминиевая, медная спицы, спирали и т.п. Максимальный эффект приблизительно 0,07 литра горючего газа генерируют 0,1 вольта на электроде.

ПРИМЕНЕНИЕ:

1. Датчик скорости детонационной волны.
2. Датчик температуры детонационной волны.
3. Датчик степени ионизации продуктов детонационного горения.
4. Детонационно-электрический генератор.

В условиях тотальной инновационализации, в настоящее время, практически все конструктивные исполнения современных термоэлектрических генераторов предлагаются промышленностью исключительно на полупроводниковой базе. Связано это с большим КПД, который могут обеспечить полупроводниковые термоэлементы по отношению к классическим проволочным термоэлектрическими элементам.
        При этом упускается из виду тот факт, что полупроводниковые термоэлектрические элементы на несколько порядков дороже, по весу тяжелее и по конструктивному исполнению не совершенны. Главный недостаток полупроводниковых термоэлектрических генераторов, как не герметичность корпуса сужает сферы применения. К тому же из предлагаемых промышленностью готовых полупроводниковых модулей в аварийных ситуациях достаточно сложно собрать, например, простой электрический генератор для зарядки смартфона или для питания светильника.
       Здесь уместно напомнить фразу, что всё новое, это хорошо
забытое старое.
      Ещё во времена Великой Отечественной войны использовались
термоэлектрические генераторы, которые одевались на стекло
керосиновой лампы, и питали радиостанции наших разведчиков.

       На основании выше изложенного предлагается производить
костровые проволочные термоэлектрические генераторы для
комплектования наборов по выживанию из нового инновационного
проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов.
Проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов как основа термоэлектрического генератора для набора по выживанию.
Классический проволочный термоэлектрический генератор с
выходным напряжением в 5 воль, с энергией от костра, представляет собой 180 проволок из хромеля и 180 проволок из копеля, например, диаметром 1 мм и длинной каждая по 200 мм. Проволоки сварены концами между собой последовательно змейкой в общую электрическую цепь.

Длинна такой электрической цепи – 72 метра.

Вес проволочного термоэлектрического генератора составит примерно 400 грам.
Термо ЭДС для одного такого спая, например, из хромеля и
копеля даёт 0,028 В при разности температур в 450 градусов.

180 таких спаев проволок с разностью температур в 450 градусов
на концах способны обеспечить бесперебойным питанием/зарядом любой гаждет напряжением 5 вольт, или для целей аварийного освещения.
Использование такого проволочного термоэлектрического
генератора простое. Технически это выглядит следующим образом.
В земле (песке) делается углубление 0,2 метра и диаметром в 0,3
метра. Внутри углубления размещается 180 термопар
термоэлектрического генератора по спирали с меж проволочным
расстоянием в 15-20 мм так, чтобы не было электрического контакта между соседними проволоками. Это может быть обеспечено, например, листьями или ветками деревьев. Проволоки засыпаются землёй (песком) по уровню верхних спаем элементов термоэлектрического генератора. Сверху разводится костёр.
Термоэлектрический генератор выдаёт 5 вольт пока горит костёр.
В этом случае, верхние спаи термоэлектрического генератора
будут всегда находиться с температурой 500-600 градусов. Нижние спаи термоэлектрического генератора в земле на глубине в 200 мм будут всегда находиться при температуре не более 50 градусов.
Вариант использования проводника с знакопеременной
контактной разностью потенциалов как основа термоэлектрического генератора для набора по выживанию показана на следующем рисунке.

Рис. № 1. Костровый проволочный термоэлектрический генератор (ТЭГ)  для наборов по выживанию в чрезвычайных ситуациях

Такое исполнение достаточно для обеспечения аварийного
заряда/питания напряжением 5 воль любого гаджета или для целей аварийного освещения.

Вывод

На основании выше изложенного  предлагается небольшими партиями производить  готовые к применению  костровые проволочные термоэлектрические генераторы на напряжение 5 вольт для комплектования наборов по выживанию в чрезвычайных ситуация.

   Технология изготовления проста. Последовательно свариваются металлические проволоки длинной по 200 мм и диаметром в 1 мм из хромеля и копеля змейкой в общую  электрическую цепь длинной 72 метр.

Общие характеристики такого проволочного термоэлектрического генератора, как:

— количество термопар – 180 штук,

— высота -200 мм,

— диаметр “связки” —  50 мм,

— общая длинна  — 72 метра,

— вес — 400 грамм, выходное напряжение – 5 вольт.

позволят в аварийной ситуации с помощью костра обеспечить аварийное питание / зарядку любому  электронному устройству или обеспечить аварийное питание, которое будет зависеть исключительно от костра.

Пока горит костёр – термоэлектрический генератор обеспечивает аварийное питание.