Об открытых возможностях построения изотермических преобразователей

Так получилось, что радиоинженеры научились возвращать теплоту парообразования в процедуру испарения вещества. Расширяя опыт, задались вопросом: «Может быть можно сделать так, чтобы не требовалось и паровозу выбрасывать пар в атмосферу?».

Оказалось, что паровозу помочь нельзя, а бестопливный локомотив изготовить можно. Расчётным путём, по стандартной методике расчёта, через энтропию, энтальпию и удельный объём вещества, расчётным путём авторы показали, что можно создать поршневую тепловую машину с внешним подводом тепла от окружающей среды и такой двигатель будет производить полезную работу, поглощая теплоту окружающей среды.

При попытке опубликовать эти сведения, выяснилось: чиновники от термодинамики не хотят разобраться в расчётах термодинамического цикла потому, что помнят со школьных времён – изотермический преобразователь нельзя создать потому, что этого не может быть никогда. Эксперты советовали: «Покажи действующий макет!».

Авторы проекта задумались о построении макета и вспомнили, что они по специальности радиоинженеры, вспомнили о том, что броуновское движение молекул в проводниках, а особенно во входных цепях усилителей и радиоприёмников создаёт заметную мощность шумового тока. Этот источник шумового напряжения даровой и вечный, но он мешает приему слабых полезных сигналов. Авторы задались вопросом: «Можно ли сложить на общей нагрузке тепловые шумы разных электрических проводников?».¹

Природа напряжения теплового шума связана с броуновским движением носителей заряда в проводниках и случайным характером преобладания носителей заряда на одном или другом выводе проводника. В идеальном проводнике преобладание носителей выражается в единицы носителей заряда. Если проводник так устроен, что носители заряда группируются, то разность напряжений на выводах проводника достигает значений суммарного заряда группы носителей и шумовой ток такого проводника много больше. Превышение шума реального проводника над уровнем шума идеального, описывает коэффициент N. Этот коэффициент всегда больше единицы. У современных высокочастотных радиоэлементов, коэффициент шума может быть близок 1.0, например, 1.08. Первые транзисторы имели коэффициент шума N = 1000.

Чтобы сложить энергию людей, выталкивающих машину из канавы, нужно, чтобы они это делали синфазно, а не в разнобой! Так и со случайным шумовым сигналом, сложность в том, что на независимых резисторах, шумовые (случайные и переменные, со средним напряжением равным нулю) напряжения не коррелированны. В каждый момент, у разных проводников напряжения шума не совпадают по фазе (один толкает машину, чтобы её раскачать, а другой тянет назад). Сложение по фазе знакопеременных напряжений произвольной частоты и фазы не возможно. Особенностью шумовых напряжений является ещё и тот факт, что мощность шумового тока во внешней цепи шумящего проводника, не зависит от его сопротивления. Поэтому, просто объединяя разные проводники параллельно или последовательно, увеличения мощности шумового тока во внешней нагрузке, не добиться.

В этом легко убедиться, если принять во внимание формулу шумового напряжения U электрического проводника с сопротивлением R, находящемся при температуре T (градус Кельвина), в условиях, когда в проводнике присутствуют частотные составляющие случайного сигнала в полосе частот dF [1].

U = (4*k*N*T*R*dF)^0.5 . (1)

Где N – коэффициент шума проводника.

Из формулы следует, что при последовательном соединении, например четырёх шумящих проводников напряжение шума возрастает в два раза, но, в режиме согласования по мощности (сопротивление нагрузки тоже возрастает в 4 раза). Тогда, ток в нагрузке падает в два раза, а произведение возросшего в 2 раза напряжения на уменьшившийся в 2 раза ток, не изменяется.

Действительно, мощность шума, в режиме согласования по мощности резистора шумящего и внешней нагрузочной цепи, равна:

Р = k*T*N*dF. (2)

Можно оценить мощность шума, если температура комнатная, а полоса частот 20ГГц :

Р _{шума единичного} = 1.38 * 10 ^{– 23} (дж*град^-1) * 20 * 10 ⁹ (Гц) *300 (градусов Кельвина) =

8.28 * 10 ^{- 11} Вт . (3)

При поиске значения оценки (3) принималось, что N = 1.0.

Для сложения мощности источников электрического, случайного, переменного тока со средним значением равным нулю, применим способ – это выпрямление тока от каждого источника и сложение мощности на выходе парциальных выпрямителей.

Из формулы (2) следует, что мощность шума не определяется геометрическими размерами шумящего проводника, более того, с уменьшением проводника уменьшается его индуктивность и паразитная ёмкость, что приводит к увеличению полосы шумящих частот за счёт высокочастотной части спектра и возрастанию мощности шума отдельного источника шума.

Чтобы оценить требования к выпрямителю, нужно оценить порядок величины напряжения шумового тока.

Если шумит резистор величиной в R_{ш_1} = 1.0 Ом, то напряжение равно:

U_{ш_1.0} = (Р _{шума единичного} * R_{ш_1})^0.5 = (8.28 * 10 ^{– 11})^0.5 =

9.09* 10^-6 вольт (9.04 мкВ). = 9.09 * 10^-6 вольт (9.09 мкВ). (4)

Если шумит резистор величиной в R_{ш_1} = 1000.0 Ом, то напряжение равно:

U_{ш_1.0} = (Р _{шума единичного} * R_{ш_1})^0.5 = (8.28 * 10 ^{– 11} * 1000)^0.5 = 2.87* 10^-4 вольт (287 мкВ). (5)

Известна такая нелинейность, как дифференциальная ёмкость. Дифференциальной ёмкостью обладают тонкоплёночные конденсаторы и полупроводниковые диоды – варикапы. Далее будет показано, что именно дифференциальная ёмкость и сопротивление резистора внутренних потерь тонкоплёночных конденсаторов вызывает эффект их самостоятельного заряда (см. сноску 1).

На рисунках 1 и 2 приведены вольтфарадные характеристики варикапа и тонкоплёночного конденсатора, соответственно [2 и 3]. Из анализа графиков следует, что в районе нулевого смещения варикапа и тонкоплёночного конденсатора зависимость емкости от напряжения на обкладках конденсатора будет очень большая.

На рисунке 3 приведено пояснение влияния дифференциальной ёмкости в цепи синусоидального сигнала.

Графики с нелинейностью из ёмкости выполнены из условия:

- схема исследуемой цепи состоит из шумящего резистора и параллельно ему включенного конденсатора с дифференциальной ёмкостью;

- на некоторой частоте шумящего сигнала Е_шума, активное сопротивление шумящего резистора равно реактивному сопротивлению дифференциальной ёмкости, например, при максимальном напряжении сигнала. Если величина импульса ЭДС сигнала в момент времени «а» ЭДС = E_шума = 9v, то после учёта влияния конденсатора, как указано выше (в режиме согласования по мощности), к учёту, на элементах схемы, подлежит напряжение U_шума = 4.5v.

При уменьшении текущего значения ЭДС (например, момент времени «b») от максимального (9.0 вольт) до пяти вольт, емкость диода увеличивается от 5.5 до 8.0 пФ. При этом, увеличилось почти в два раза шунтирующее действие конденсатора на источник шума. При дополнительном увеличении проводимости шунта, шумящий ток на шунте выделит меньшее напряжение (точка «b»), а данном случае (когда входное напряжение упало с 9 до 4.5), составит:

U_{шум_b} = Е_{шум_b}./ (2 * 8.0/5.5) = 4.5 / 2.9 = 1.5v. (7)

По мере изменения напряжения шума к меньшим значениям напряжения, тем более, к отрицательным напряжениям, коэффициент деления напряжения между ЭДС шума и напряжением на конденсаторе, будет возрастать, по мере уменьшения напряжения и увеличения дифференциальной ёмкости.

В частности, в точке «с», где текущее значение ЭДС шума, Е_{шум_с} = 1v, ёмкость возрастёт до 24 пФ, тогда напряжение на конденсаторе станет:

U_{шум_b} = Е_{шум_с} / (2 * 24.0 / 5.5) = 1.0 / 8.7 = 0.11v. (9)

Отрицательное напряжение шума почти не изменяет заряд конденсатора потому, что шунтирующее действие конденсатора, емкость которого возрастает под действием отрицательного напряжения на обкладках конденсатора, проявляется ещё сильнее и препятствует установлению на обкладках отрицательного напряжения. Внутреннее сопротивление источника тока становится много выше сопротивления нагрузки и мгновенная мощность ЭДС шума перераспределяется между нагрузкой и источником тока в пользу того, что мощность тока выделяется внутри источника тока.

Таким образом, за период синусоидального напряжения, на конденсаторе изменяется, обеспечивая положительное среднее значение. Так проявляется дифференциальность конденсатора в цепи с линейным (не дифференциальным) шумящим резистором.

Реально, учитывая характер шумового сигнала, в конденсаторе происходят более сложные процессы, которые напоминают выпрямление с умножением напряжения.

Для пояснения нужно обратить внимание на то, что шумовой (широкополосный) сигнал характеризуется пикфактором (отношение напряжения максимального выброса огибающей к напряжению эффективного значения огибающей). Чем шире полоса частот, тем значительнее превышение выброса огибающей над эффективным U_{огиб_эфф.} значением огибающей.
Сигнал (тонкая сплошная линия между огибающими шумового сигнала) над эффективным значением огибающей (горизонтальная линия, расположенная между U_{огиб_макс} и U_{огиб_мин}), можно упрощённо принять за импульс. Это упрощение нужно для упрощения объяснения процессов умножения напряжения в выпрямителе на дифференциальной ёмкости.

На нижней части рисунка 4. приведен график такого импульсного сигнала, как упрощённого представления, приведенного на верхней части рисунка фрагмента графика шумового знакопеременного сигнала с нулевой постоянной составляющей.

На рисунке 5 представлены (слева направо): условное обозначение, схема замещения с последовательным сопротивлением потерь, схема замещения с параллельным сопротивлением потерь и комбинированная схема замещения.

Переход следует рассматривать, как пространственно-разнесённую структуру парциальных элементарных варикапов, у которых есть свои емкости, С_i, свои резисторы потерь, включенные параллельно парциальным конденсаторам (R_i) и резисторы потерь последовательные (r_i), в качестве которых выступает не идеальный проводник обложек конденсатора.

Пространственная схема замещения в сечении перехода представлена на рисунке

Шумовой сигнал резисторов R_i, представленный в виде импульсов (смотри. рисунки 4 и 7), во время положительных импульсов шумовых токов заряжает связанные с ним конденсаторы С_i и незначительно разряжает конденсаторы под действием отрицательных импульсов.

В промежутках времени между положительными импульсами, парциальные емкости одного полупроводникового перехода – одного варикапа, через резисторы r_i выравнивают напряжения парциальных составляющих одного конденсатора. При этом напряжение становится больше того, что было до прихода положительного импульса. Следующие импульсы начинают изменять заряд конденсаторов и напряжения на парциальных конденсаторах, от этого нового значения положительного напряжения и опять в пользу увеличения этого напряжения.

Диаграмма изменения напряжений на двух соседних парциальных конденсаторах, под действием тепловых шумов резисторов r_i приведена на рисунке 7.

Во втором приближении, в момент прохода ЭДС шума через ноль, создаются условия для обмена зарядами (усреднения напряжения на парциальных конденсаторах пространственно распределённой структуры полупроводникового перехода).

Скорость заряда дифференциальной ёмкости зависит от степени шунтирования смежными участками перехода каждого парциального конденсатора С_i (с его резистором R_i), шунтирование меньше, если r_i велико а напряжение, до которого заряжается варикап зависит от погонной ёмкости и погонного резистора утечки . Когда ток через резистор R становится равен среднему приросту тока от очередного шумового импульса – заряд варикапа прекращается.

Экспериментальная проверка качественных и количественных выводов, по результатам рассуждений, приведённых выше, проводилась в соответствии со схемой, отображённой на рисунке 8. Слева – вид реальной осциллограммы импульса разряда конденсатора.

Заливкой отмечены совпадающие по площади участки осциллограммы. Заливка помогает понять, что энергия, запасённая к конденсаторе при его зарядке, соответствует площади импульса шириной в τ = 0.1 мС и амплитудой напряжения, U_конд = 0.15В, на нагрузке, образованной входным сопротивлением осциллографа – т.е. величиной, R_вх = 1.0 мегом.

На рисунке 8, справа - принципиальная схема устройства, где резистор R_вх =1.0 Мом, это входное сопротивление осциллографа, а кнопка К_н замыкает цепь подключения параллельно соединённых варикапа КВ109 и его шумящего сопротивления R_ш ко входу осциллографа. Кнопка (с позолоченными контактами) управлялась нажатием вручную с периодом dt = 1.0 секунда.

На фотографии девять стандартных варикапов типа КВ109. Каждый в своём пластмассовом корпусе с двумя выводами. Десятый варикап помещён в угловой разъём и подключен по схеме рисунка 8.² При нажатии на кнопку, Кн, варикап подключается к осциллографу и разряжается на его входное сопротивление. С отпущенной кнопкой, варикап заряжается за счёт теплового флюктуационного тока, поглощая тепловую энергию из окружающей среды.

• 
  При ширине импульса τ = 0.1 мС, получалась скважность Q:
  

Мощность импульса Р_{имп экс} разряда конденсатора зависит от величины резистора нагрузки, коим является резистор R_вх =1.0 Мом, напряжения заряженного конденсатора U_конд = 0.15В и скважности Q :

Теоретическая оценка (3) дала ранее Рi = 8.28 * 10 ^{- 11} Вт.

Экспериментальные данные оказались δ’ раз ниже:

δ’ = Рi / Р_{имп.экс} = 82.8 / 2.25 = 36.8 раз ниже. Это объясняется тем, что, в частности, эксперимент проводился на варикапе, у которого паспортные данные ограничивают полосу частот до 470 МГц, тогда как в расчёте оценки значения мощности шума одного резистора принято значение полосы принято 20 ГГц (7-я гармоника тактовой частоты процессора, 3 ГГц).

В соответствии с формулой (2) мощность шума пропорциональна полосе шумящих частот, тогда, при сравнении результатов эксперимента с расчётом следует ввести поправочный коэффициент К_попр = 20 ГГц / 0.47 ГГц = 42.55.

Другой поправочный коэффициент – коэффициент шума. При оценке принимался идеальный шумящий резистор, а у реального диода КВ109 коэффициент шума больше, N = 1.15 (1.2ДБ) – значит он шумит в 1.15 раз выше идеального резистора.
С учётом всех поправочных коэффициентов, данные эксперимента и расчёта должны не совпадать, а с учётом обозначенных поправочных коэффициентов они отличаются на :

δ = 1 – (36.8 * 1.15 / 42.55) = 0.01

• 
  В рамках исследования, объяснён феномен самопроизвольного заряда тонкоплёночных конденсаторов;
  
• 
  Создан действующий макет изотермического преобразователя теплоты в постоянный электрический ток. Экспериментально измеренная выходная мощность макета подтверждает правильность объяснения феномена.
  
• 
  При достигнутых успехах микроминиатюризации (3.2*10¹⁰ диодов/см²), одна микросхема может выдавать мощность, не менее Р = 3.2*10¹⁰ * 8.28*10^-11 = 26.49*10^-1 Вт. (2.64 Вт);
  
• 
  если при производстве найквисторов применить старую (шумящую технологию), то одна микросхема может выдавать более 26.4 Вт постоянного тока (при N=10.0), а плата площадью 1.0 м² – около 294 кВт.!! Повышать коэффициент шума можно и увеличивать разрешающую способность можно (если это удавалось создать 50 лет назад, то можно и сегодня. Технология большого шума потеряна потому, что задача была другая – требовалось уменьшать коэффициент шума), но большей, чем 100 Вт/см² тепловой мощности, не передать в найквистор по причине конечной теплопроводности подложки БИС (1000 кВт с квадратного метра). ³
  

1. 
   С.И.Баскаков, «Радиотехнические цепи и сигналы», М, Высшая школа, 1988г.
   
2. 
   А.В.Баюков, А.Б.Гитцевич, А.А.Зайцев и др. «Полупроводниковые приборы: Диоды…» Справочник. М.Энергоиздат, 1982г.
   
3. 
   http://elementy.ru/news/430926 «Найдено вещество с гигантским значением диэлектрической проницаемости».
   

3. Затраты на освоение массового производства источников энергии с использованием теплоэлектрических преобразователей 2.3 миллиарда рублей на 3 года (€50 миллионов). Затраты инвестора возвращаются к окончанию третьего года проекта, к окончанию четвёртого года проекта дивиденды инвестору будут не менее 50 миллиардов рублей, к окончанию 7 года проекта и далее, дивиденды будут более 5 триллионов рублей.

4. Область применения теплоэлектрических преобразователей безгранична и не только потому, что они обеспечивают почти бесплатную электроэнергию.

Источники электрического тока, которые не требуют замены и подзарядки всегда выигрывают по потребительским свойствам. Особенно, для питания медицинских биопротезов, искусственных органов человека, кардиостимуляторов.

5. Источник на базе теплоэлектрических преобразователей, выполненный в габаритах автомобильного двигателя может передать в колёса (если они с электроприводом) более 300 кВт электрической мощности.

6. Самолёт Боинг747-100, двигатели которого переоборудованы под питание от термоэлектрических преобразователей, будет поднимать не 30 тонн полезного груза, как сегодня, а 150 тонн (он не будет нести на себе 180 тонн топлива). Дальность полёта самолёта и время нахождения в воздухе не будет ограничено и на каждые 12 тыс. километров пути он будет экономить 50 тысяч долларов, которые сегодня приходится тратить на топливо.

Себестоимость авиаперевозок сокращается в 20 раз и становится ниже перевозок автомобильным транспортом.

7. Бессмысленно просить авторов создать макет мощностью в 1.0 и более Вт, чтобы привлечь внимание инвестора. Для построения макета мощностью 1.0 Вт требуются БИСы серийного – массового производства. Но, если массовое производство налажено, то зачем инвесторы? При организации массового производства ожидается чистая прибыль более 5 триллионов рублей в год от продажи преобразователей ЭОС (2.0 триллиона налогов, НДС и Нпр). А очередь за найквисторами выстроится из производителей мобильной электроники, из предприятий и граждан, ибо затраты на приобретение нового источника электроэнергии окупаются экономией на оплате потреблённой электроэнергии, тепла для отопления и горячей воды, на интервале от 3 до 6 месяцев. Выстроится очередь из производителей автомобилей, которые рады будут избавиться от двигателей внутреннего сгорания и поднять мощность, передаваемую в колёса!

8. Эффект выпрямления шумовых токов проявляется в эффекте самопроизвольного заряда тонкоплёночных конденсаторов. После закорачивания, на некоторое время (1- 5 секунд) выводов конденсаторов, напряжение на них самопроизвольно возрастает.

Напряжение можно измерять любым стандартным тестером с цифровым отсчётом, с пределом шкалы менее 200 мВ, например М838. Заряд идет со скоростью около 0.1 милливольта в секунду. Из конденсаторов БИС не сделать, но рулонный, плёночный преобразователь теплоты в постоянный ток изготавливать можно!

Это отдельная разработка.

Метр квадратный платы с теплопреобразователями несёт 10 000 / 2.28 = 4385 посадочных мест под бескорпусные микросхемы. Их полная мощность составит – 233.6 * 4385 = 1024.3 кВт.

Для питания такого преобразователя теплотой нужно применить 5 радиаторов от автомобиля Волга, у которого мощность двигателя 100 кВт.

Масса 5 штук радиаторов, вместе с тосолом – составит 100 кг.

Масса теплообменника – медного разделителя – тоже 100 кг.

Масса 4385 бескорпусных микросхем – 4.4 кг.

Масса шины отводящей ток – 5.6 кг.

Вентиляторы, 5 штук, мощностью каждый по 500 Вт, всего – 50 кг.

Полная масса – 260 кг.

Выходная мощность преобразователя, W = 1024.3 – (5*0.5) = 460 кВт.

Удельная масса источника тока равна: М_уд = 260 / 1021.8 = 0.254 кг/кВт.

Габариты источника тока определяют 5 радиаторов от автомобиля и кубик с найквисторами, с размером ребра 0.4 метра, шланги или трубы под теплоноситель, выводные клеммы тока.

Проблема с электрической безопасностью (величиной напряжения) и сечением подводящих проводов к потребителям, проработана, например, для привода автомобиля Lightning GT.

Этот автомобиль с электроприводами в колесах.

Разгон до 100 км/час за 4.0 сек. Но, он отягощён аккумуляторами.

При питании от теплоэлектрических панелей мощностью 1021 кВт следует ожидать, что масса автомобиля убавится и он станет разгоняться за 3.5 секунды (4 х 120 kW Lightning GT).

Агрегат, по объёму, соизмеримый с трубой вентиляции, показанной на кровле дома, может иметь мощность более 2000 кВт. Этого достаточно для питания электроэнергией, горячей, холодной водой и отоплением многоквартирный дом широко распространённых строительных серий, с числом квартир до 100.

Можно над каждым подъездом устанавливать по такому агрегату. Кредит на его приобретение и установку окупится за срок в 6 – 9 месяцев оплатой коммунальных услуг по старым тарифам, а потом отопление, электроэнергия и вода станут в 3 раза дешевле.
Юрий Евгеньевич Виноградов.
129085, Москва, пр.Мира 91, корп. 3, кв. 433, Виноградову Юрию Евгеньевичу.

тел./факс 7-(495)-687-10-56; тел. сот. 8-916-080-6304; E_mail://vetto@nm.ru

SKYPE:// Vinogradovge , http://news.rosprom.org/news.php?id=5617

Об авторе: http://zhurnal.lib.ru/w/winogradow_j_e/