Сборник авторских инженерно-технических идей и решений в области электрической генерации

Владимир Хаустов

Сборник авторских инженерно-технических идей и решений в области электрической генерации

Введение

Наука и техника развиваются не только благодаря постепенному накоплению знаний, но и благодаря новым идеям, которые бросают вызов устоявшимся представлениям. Эта книга – собрание именно таких идей: неожиданных, спорных, а порой и парадоксальных, но всегда направленных на поиск новых путей в решении актуальных задач.

Вам откроется мир экспериментов, гипотез и технических решений, которые ставят под сомнение традиционные подходы к генерации энергии, преобразованию тепла, использованию электромагнитных явлений и материалов с необычными свойствами. Некоторые из предложенных концепций могут показаться фантастическими, другие – спорными, но все они объединены стремлением выйти за рамки привычного и найти нестандартные ответы на сложные вопросы.

Эта книга написана для тех, кто верит, что наука – это не только формулы и законы, но и творчество, интуиция и готовность идти непроторенными путями. Для инженеров, изобретателей и исследователей, которые не боятся экспериментировать. Для всех, кому интересно, как рождаются новые технологии и какие неочевидные физические эффекты могут лежать в их основе.

Каждая идея – это отдельная история поиска, проб и ошибок, новых вопросов. Некоторые идеи уже нашли практическое применение, другие ждут дальнейшей проверки и развития. Но все они, как мозаика, складываются в общую картину – картину науки, которая не боится быть смелой.

1. Термоэлектрический генератор переменного тока

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 генератор на плоском металлическом проводнике с знакопеременной контактной разностью потенциалов, который в конструктивном плане изогнут змейкой последовательно с диэлектрическими прокладками. Таким образом формируется последовательная синергия контактных разностей потенциалов и ёмкостного накопителя энергии. Такая система обеспечивает КПД преобразования тепла в электричество больше, чем у существующих 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 вышеизложенного 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

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.

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. 1. Прямоугольная батарея (пакет) с подводом / отводом тепла с противоположных сторон батареи (пакета).

Рис. 14. 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. 2. Цилиндрическая (коаксиальная) батарея (пакет) с подводом/отводом тепла внутрь / снаружи цилиндра.

Схематическое исполнение.

Каждая ветвь термопары представлена отдельным источником напряжения, преобразующим тепловую энергию в электрическую.

Рис. 3. 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. 4.

Рис. 4. 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. 5.

Рис. 5. 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. 6

Рис. 6. 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. 7.

Рис. 7. 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. 8.

Рис. 8. 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.

Рис. 9. 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. 10.

Рис. 10. 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. 11.

Рис. 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 dT = 50 градусов.

Значения запасенной энергии в емкостной термоэлектрической батарее в зависимости от типа и размеров используемых конденсаторов приведены в следующей таблице № 1.

Таблица № 1.

Исходя из вышеизложенного, 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. 12, на котором проверялась энергетика одного ёмкостного накопителя при токе короткого замыкания во втором и наоборот.

Рис. 12. Эксперимент – энергетика одного ёмкостного накопителя при коротком замыкании второго, и наоборот.

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.

Заключение

Приведенные в вышепоименованной 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!

Примечание

Более подробная информация о заявленном, а также сведения о экспериментальных работах, видеоотчётах и вариантах практического применения представлены в авторском исследовательском проекте: **Вихри Хаоса – Инновационный шторм идей и экспериментов в науке и технике**.

Официальный ресурс: [https://vihrihaosa.ru]

2. Термоэлектрический генератор для наборов по выживанию

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 вышеизложенного 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 такого 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 Рис.13.

Рис. 13. 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.

Заключение

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