Новые источники энергии

Поясним термины. Ламинарное течение среды (латинское слова «lamina» означает «пластинка» или «полоска») – это течение, при котором среда перемещается слоями без перемешивания и пульсаций, то есть без беспорядочных быстрых изменений скорости и давления, как показано на рис. 209.

Рис. 209. Ламинарный и турбулентный потоки среды (газ или жидкость)

Очевидно, что обычный поток воздуха не является ламинарной средой, так как при общей «макро – скорости», обычно, в несколько метров в секунду, в нем происходят броуновские тепловые движения молекул на «микро – скоростях» порядка 500 метров в секунду. Аналогичная ситуация наблюдается в потоках жидкости.

Простейший способ «ламинаризировать», то есть выровнять вектора движения молекул воздуха, и получить сонаправленный импульс молекул, который затем можно использовать, направив поток на турбину, это вращение со скоростями порядка 500 метров в секунду, причем надо этот поток «прижать» центробежной силой к стенке корпуса. Предположим, мы конструируем преобразователь энергии с радиусом корпуса 160 сантиметров. Длина окружности, по которой будет вращаться поток воздуха, примерно равна одному метру. Скорость 500 метров в секунду – это 30 тысяч оборотов в минуту, то есть вполне реальная техническая задача для современных электроприводов. Отсюда, все центробежные вентиляторы и насосы, частично, ламинаризируют поток среды, в результате чего, повышается их эффективность. Это мы уже рассматривали в главе о центробежных машинах, показанных на рис. 45 и рис. 47.

Перейдем к электронным преобразованиям тепловой энергии. Российские разработки в данной области запатентованы Николаем Емельяновичем Заевым, который показал возможность практического использования нелинейности ферритов и некоторых диэлектриков. Ферриты работают с поглощением тепловой энергии среды в циклах «намагничивание – размагничивание». Специальные диэлектрики, используемые в нелинейных конденсаторах «варикондах», обеспечивают избыточную энергию в циклах «заряд – разряд».

В статье «Близкая даль энергетики», Журнал Русского Физического Общества, № 1, 1991 год, Заев пишет: «Другой способ использования («концентрирования», по словам Фридриха Энгельса) рассеянной энергии может быть основан на свойстве нелинейных конденсаторов изменять свою емкость в зависимости от величины электрического поля. Хотя добавка эта обычно чрезвычайно мала, все же имеются диэлектрики, которые в таком конденсаторе обеспечивают добавку до 20 %. Следовательно, уже сейчас их КПД 120 %, и это не предел. Здесь тоже оказывается, что разрядка – не зеркальное отображение зарядки. Если теперь собрать колебательный контур с таким конденсатором и мощностью в 1000 Вт, этот контур мало того, что будет самоподдерживающимся, он будет в состоянии отдавать на сторону, на полезную нагрузку 200 Вт мощности. Нечего и говорить о том, что конденсатор этот будет охлаждаться, и к нему будет притекать тепло окружающей среды (эксэргия её станет отрицательной)».

Применение данного метода, требует развития технологии нелинейных диэлектриков, на основе сегнетоэлектриков, которые были разработаны в НИИ «Гириконд», Санкт-Петербург, под руководством Татьяны Николаевны Вербицкой. Мы обсуждали с ней перспективы развития данной технологии, хотя спрос на вариконды был у производителей специальной аппаратуры, не связанной с альтернативной энергетикой. Справочник по варикондам издан в 1958 году. Вариконды ранее производились серийно на Витебском радиозаводе.

Метод имеет свои тонкости, которые проще понять по методу механической аналогии. Представим себе процесс заряда обычного конденсатора, без диэлектрика, с двумя пластинами и зазором между ними. При заряде такого конденсатора, его пластины притягиваются друг к другу, и тем сильнее, чем больше заряд на них. При наличии у пластин конденсатора возможности двигаться, расстояние между ними уменьшится. Это соответствует увеличению емкости конденсатора, так как емкость зависит от расстояния между пластинами. Таким образам, «истратив» одно и то же количество электронов, можно получить больше запасенной энергии, если емкость увеличилась. Представьте себе, что в ведро емкостью 10 литров наливают воду. Предположим, что ведро резиновое, и в процессе его наполнения, его объем увеличивается, например, на 20 %. В итоге, сливая воду, мы получим 12 литров воды, хотя ведро при этом уменьшится, и в пустом виде будет иметь объем 10 литров. Дополнительные 2 литра, каким-то образом, в процессе «наливания воды» были «привлечены из среды», так сказать, «присоединились» к потоку.

Для электрического конденсатора, это означает, что если по мере его заряда, емкость увеличивается, то энергия поглощается из среды и преобразуется в избыточную запасаемую потенциальную электрическую энергию. Ситуация для простого плоского конденсатора с воздушным диэлектриком естественная (пластины сами собой притягиваются), а это означает, что мы можем конструировать простые механические аналоги варикондов, в которых избыточная энергия запасается в форме потенциальной энергии упругого сжатия пружины, помещенной между пластинами конденсатора. Этот цикл не может быть такой же быстродействующий, как в электронных устройствах с варикондами, но заряд, на пластинах конденсатора большого размера, может быть накоплен значительный, и устройство может генерировать большую мощность, даже при низкочастотных колебаниях. При разряде, пластины вновь расходятся на исходное расстояние, уменьшая начальную емкость конденсатора (пружина освобождается). При этом должен наблюдаться эффект охлаждения среды.

Форма зависимости диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности приложенного поля показана на графике рис. 210.

На начальном участке кривой, диэлектрическая проницаемость, а значит и емкость конденсатора, увеличивается при росте напряжения, а затем она падает. Заряжать емкость надо только до максимальной величины (вершина на графике), иначе теряется эффект. Рабочий участок кривой помечен на графике рис. 210 серым цветом, изменения напряжения в цикле «заряд – разряд» должны происходить в пределах этого участка кривой. Простой «заряд-разряд» без учета максимальной рабочей точки кривой зависимости проницаемости от напряженности поля не даст ожидаемого эффекта. Эксперименты с такими «нелинейными» конденсаторами, представляется весьма перспективными для исследования, тем более, что в некоторых материалах, зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от приложенного напряжения позволяет получать не 20 %, а 50-ти кратные изменения емкости.

Применение ферритовых материалов, по аналогичной концепции, также требует наличия соответствующих свойств, а именно, характерной петли гистерезиса при намагничивании и размагничивании, рис. 211.

Этими свойствами обладают почти все ферромагнетики, поэтому преобразователи тепловой энергии среды, использующие данную технологию, могут быть подробно экспериментально изучены. Пояснение: «гистерезис», (от греческого hysteresis – запаздывание) – это различная реакция физического тела на внешнее воздействие, в зависимости от того, подвергалось ли это тело ранее тем же воздействиям, или подвергается им впервые.

На графике, рис. 211, показано, что намагничивание начинается с нулевой отметки, достигает максимума, а затем, начинается спад (верхняя кривая). При нулевом внешнем воздействии, отмечается «остаточное намагничивание», поэтому, когда цикл повторяется, то расход энергии меньше (нижняя кривая). При отсутствии гистерезиса, нижняя и верхняя кривые идут вместе. Избыточная энергия такого процесса тем больше, чем больше площадь петли гистерезиса. Н.Е.Заевым было экспериментально показано, что удельная плотность энергии для таких преобразователей составляет примерно 3 кВт на 1 кг ферритового материала, при максимально допустимых частотах циклов намагничивания и размагничивания.

Приоритеты: заявки Н.Е.Заева на открытие «Охлаждение некоторых конденсированных диэлектриков меняющимся электрическим полем с генерацией энергии» № 32-ОТ-10159; 14 ноября 1979 года, заявка на изобретение «Способ преобразования тепловой энергии диэлектриков в электрическую», № 3601725/07(084905), 4 июня 1983 года, и «Способ преобразования тепловой энергии ферритов в электрическую», № 3601726/25(084904). Метод был запатентован, патент RU2227947, 11 сентября 2002 года.

Существует американский патент на аналогичный, маломощный, но вполне реальный способ получения свободной энергии за счет тепловых шумов.

В 1973 году Джон Вайганд (John Wiegand) запатентовал в США систему на эффекте Баркгаузена, патент № 3,757,754, схема показана на рис. 212.

Тепловые шумы в магнитострикционном материале позволяют практически получать небольшую мощность, без всякого внешнего источника, кроме тепла среды. Компания Wiegand Electronics выпускает источники энергии, обеспечивающие 12 Вольт и небольшой ток, что может применяться для снабжения потребителей мощностью в несколько милливатт. В показанной на рис. 212 конструкции, магнитный сердечник 14 изготовлен из магнитомягкого материала, а его цилиндрическая оболочка 12 сделана из высококоэрцитивного магнитного материала. Магнит 16 и катушка 18 обеспечивают получение мощности в нагрузке.

Работает генератор Вайганда следующим образом: тепловые шумы в сердечнике 14 скачкообразно меняют его магнитные свойства, в том числе и его магнитную проницаемость. В результате этих изменений, для магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом 12, изменяются условия распространения в пространстве, и часть его поля, проходящая через внешнее пространство, также меняет свою величину. Это изменение создает влияние на поле магнита 16, отклоняя его в сторону от катушки.

Все так сложно, а в устройстве создается мощность всего несколько милливатт! Тем не менее, устройства находит свое применение, например, был разработан электронный замок для двери с таким вечным источником электропитания, постоянно подзаряжающим аккумулятор.

Отметим российские работы по созданию полупроводниковых преобразователей тепла. Известен проект группы авторов из Санкт-Петербурга, под руководством Каминского В.В. «Термоэлектрический генератор (варианты) и способ изготовления термоэлектрического генератора», заявка на изобретение № 2005120519/28 от 22.06.2005, авторы В.В. Каминский, А.В. Голубков, М.М. Казанин, И.В. Павлов, С.М. Соловьёв, Н.В. Шаренкова. Рабочее тело преобразователя сделано из сульфида самария SmS, мощность экспериментальной установки очень мала, милливатты.

Другое направление исследований: в США известны проекты в MIT (Massachusetts Institute of Technology), которые можно назвать «современной термионикой». Более ста лет назад, исследователи «термионики» занимались получением тока между горячим катодом и холодным анодом в электронно-вакуумной лампе.

Современные ученые создают микроструктуры в полупроводниковых материалах, для этих же целей, но для работы при относительно невысоких температурах. Эти многослойные полупроводниковые структуры называют «термальные диоды». Пока им удается получать рабочие температуры от 200 до 400 градусов Цельсия, но это уже лучше, чем 1000 градусов, требуемые для получения эффекта в электронно-вакуумных лампах прошлого века.

Подобный преобразователь, называемый «термочип» (Thermo Chip) развивала компания ENECO, США. В настоящее время, компания куплена фирмой MicroPower Global, работающей совместно с Университетом Техаса, США. Рабочее тело преобразователя – теллурид свинца. Эффективность не хуже кристаллических солнечных панелей и достигает 20 %, причем солнечного света не требуется.

Калифорнийский институт в США также ведет исследования по прямой конверсии тепла в электроэнергию, их преобразователи уже достигают 40 % эффективности. Устройство называется AMTEC «The alkalimetal thermal to electric converter».

Американская компания Fellows Research Group, Inc., разработала и запатентовала технологию преобразования тепловой энергии среды, которая использует акустические волны в газе высокого давления. Источник звуковых волн требует небольшую мощность, но создаваемая волнами энергия на выходе устройства намного превышает затраты источника. Система работает с теплообменником, поглощающим рассеянную тепловую энергию среды. Описание приведено в патенте США № 6385972.

Устройство очень «шумное», но работает. Отметим, что звуковые волны относятся к известному нам виду продольных волн в среде, соответственно, отбор энергии у эфирной среды происходит через молекулы газа, с которыми связан эфир. Вещество всего лишь посредник для работы с эфирной средой.

Профессор Симко (Symko) из Университета штата Юта, США, возглавляет проект «термоаккустического пьезоэлектрического конвертера энергии» (Thermal Acoustic Piezo Energy Conversion (TAPEC). Известный пьезоэффект может не только производить звуковые волны, но, в некоторых условиях, при этом поглощается тепло окружающей среды. По-моему, эти эффекты могут быть одним из вариантов эффектов Заева, описанных ранее, и связанных с нелинейными диэлектриками.

Отметим отдельное направление – концентрация рассеянной тепловой энергии зеркалами. Расчеты и эксперименты показывают, что даже при отсутствии солнечного света, в полной темноте, но при комнатной температуре, мощность рассеянного теплового излучения составляет примерно 400 ватт на один квадратный метр. С помощью зеркал, рефлекторов и других концентраторов, можно сфокусировать эту рассеянную энергию на теплообменнике и нагреть рабочее тело до любой температуры. Таким образом, можно обеспечить работу обычной паровой машины, двигателя Стирлинга или другого привода, который будет вырабатывать электроэнергию, днем и ночью.

Кстати, о двигателе с внешним подводом тепла: модернизировав обычный двигатель Стирлинга, Кеннет Раен (Kenneth M. Rauen) создал преобразователь тепла окружающей среды в механическую энергию, способный вращать привод электрогенератора без затрат топлива. Схема показана на рис. 213. Коротко отметим, что машина Раена работает циклично: сжатие газа приводит к его нагреву, тем самым создается «внутренний источник тепла» для следующей части цикла. Затем, «внутренний источник тепла» охлаждается, так как начинается движение поршня в другом направлении. Построена экспериментальная модель. Подробности можно найти в патенте США № 6,698,200 от 2 марта 2004 года.

Перспективная российская разработка в области изотермических преобразователей энергии Юрия Евгеньевича Виноградова называется «найквистор». В качестве источника энергии рассматриваются «тепловые шумы Найквиста». По расчетам автора, такие источники энергии, при комнатной температуре, могут обеспечить около 100 ватт с квадратного сантиметра рабочей поверхности.

Данная тема мне знакома практически, поскольку и в обычной радиотехнике иногда используется генератор шума, состоящий из усилителя и «источника шума», в роли которого может применяться обычный полупроводниковый стабилитрон. Метод кажется простым в реализации, и многие исследователи о нем задумывались. Мощность можно получить, объединив сигналы от тысяч «шумных» резисторов или полупроводниковых переходов. Изготовление «матрицы», содержащей миллионы микроэлементов и соединительные проводники, при современном уровне развития электронной промышленности, не является препятствием.

Сложность реализации данной идеи в том, что шумовые импульсы не совпадают по фазе, поэтому их сложение не дает увеличения тока в нагрузке. Возникает аналогия с попыткой использования теплового хаотического движения молекул воздуха (механические конвертеры).

Сигнал каждого «шумного» элемента необходимо «выпрямить», то есть получить электрический ток одного направления.

Решение, предложенное Виноградовым, заключается в использовании варикапов, полупроводниковых элементов, сочетающих в себе необходимые свойства «шумящего элемента», выпрямительного диода и накопительной емкости. Автор провел эксперименты, и получил подтверждение предложенного им принципа.

Интересен расчет себестоимости данного метода, проведенный Виноградовым Ю.Е. в статье «Об открытых возможностях построения изотермических преобразователей». Пластина поверхностью 1 квадратный метр, теоретически, может обеспечить мощность более 260 кВт (до 1 МВт).

Для сравнения, солнечные панели в средней полосе России производят около 200 ватт на один квадратный метр, в хорошую погоду. При этом, такая панель «найквисторов» может стоить не более 400 тысяч рублей. В этой конструкции, установочная стоимость 1 киловатта примерно равна 1,5 тысячи рублей.

Коротко отметим «Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую», авторы Даниэлян М.И. и др. Суть метода состоит в том, что электрические конденсаторы с алюминиевыми электродами заряжают пилообразными импульсами, причем между импульсами выдерживают паузу, длительность которого равна 2–5 импульсам. Форма импульса может быть другая, но не прямоугольная. Во время паузы, происходит дополнительный «самозаряд» конденсатора. Разряд дает больше энергии, чем затрачено. Авторы полагают, что причиной такого «самозаряда» является проникновение носителей заряда в микрорельеф электродов. По-моему, эффект также обусловлен инерциальностью носителей заряда, которые продолжают движение уже после того, как закончился импульс заряда и началась «пауза».

Вопрос преобразования тепловой энергии окружающей среды можно сформулировать, не как концентрацию рассеянного тепла, а как вопрос эффективного охлаждения рабочего тела. Создав область пониженной температуры без затрат мощности первичного источника, можно обеспечить разность температур относительно температуры окружающей среды, что создаст условия для работы обычных термоэлектрических преобразователей. Одно из перспективных направлений в данной области – магнитное охлаждение.

Рассмотрим конструкцию магнитного холодильника, Astronautics Corp. www.astronautics.com и Ames Laboratory www.ameslab.gov, рис. 214.

Холодильник представляет собой вращающуюся конструкцию, которая состоит из колеса, содержащего сегменты с порошком гадолиния, а также мощного постоянного магнита. Колесо прокручивается через рабочий зазор магнита. При вхождении сегмента с гадолинием в магнитное поле возникает магнитокалорический эффект, в результате которого сегмент нагревается. Это тепло отводится теплообменником, охлаждаемым водой. Когда гадолиний выходит из зоны магнитного поля, возникает магнитокалорический эффект противоположного знака, и материал кольца охлаждается. Компактное устройство работает фактически бесшумно и без вибраций, что выгодно отличает его от использующихся сегодня холодильников с парогазовым циклом. «Постоянный магнит и рабочее тело в виде гадолиния не требуют подвода энергии, утверждает профессор Карл Гшнайднер, сотрудник Ames Laboratory. Небольшая энергия необходима только для вращения колеса и обеспечения работы водяных насосов».

Такие системы могут быть автономными, поскольку создаваемая в них температурная разность легко может быть преобразована в электроэнергию, а мощность на выходе будет в несколько раз превышать мощность, потребляемую приводом ротора.

Магнитокалорический эффект (МКЭ), который лежит в основе работы магнитного холодильника, был открыт еще в 1881 году. Суть его состоит в способности веществ нагреваться и охлаждаться под действием магнитного поля. Изменение температуры является результатом перераспределения внутренней энергии вещества между системой магнитных моментов атомов и системой магнитных моментов кристаллической решетки. Намагничивание и размагничивание выступают аналогами циклов сжатия и расширения хладона в обычных холодильниках и тепловых насосах. Поскольку твердое тело обладает большей теплоемкостью, то изменение энтропии на единицу объема в твердых магнитных материалах в семь раз выше, чем в газе. Теоретически, магнитные холодильники должны быть во столько же раз и компактнее.

В России, приоритет в изучении данного эффекта принадлежит компании «Перспективные магнитные технологии и консультации» www.ndfeb.ru. Ее возглавляет доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией физфака МГУ Александр Тишин. Схема их установки показана на рис. 215.

В частности, на физическом факультете МГУ проведена большая работа по анализу характеристик многочисленных комбинаций редкоземельных и магнитных металлов и других материалов. Установлено, что сплав родия с железом Fe49Rh51 обладает максимальным известным удельным МКЭ, в несколько раз превышающим МКЭ материалов, обычно используемых в исследованиях по магнитному охлаждению.

Итак, мы рассмотрели несколько способов преобразования тепла окружающей среды в электроэнергию или механическую мощность. Отметим, что даже если специально не ставить такую задачу при конструировании, то эффект охлаждения рабочего тела может проявляться в других схемах преобразователей энергии, в результате энергообмена с окружающей эфирной средой, и отбора ее тепловой энергии, как, например, в схеме Флойда Свита.