Александр Фролов - Новые источники энергии

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.

Перейдем к рассмотрению технологий автономного энергоснабжения, в которых главную роль играет вода или водород. Мир создан разумно, и в нашем распоряжении на планете есть возобновляемое топливо в большом количестве. Это вода.