Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока

Настоящее изобретение относится к преобразователям теплоты в работу электрического поля и может применяться в электрических цепях для увеличения до 10⁴ раз силы и мощности переменного тока произвольной частоты, используемого в электронных или электротехнических устройствах промышленного или бытового назначения, для уменьшения до 10⁴ раз полного сопротивления цепей переменного тока, а также для охлаждения произвольных объектов и произвольных теплоизолированных объемов.

Известны термоэлектрические источники постоянного электрического тока. Их недостатком является низкая эффективность.

Наиболее близким техническим решением можно считать преобразователь теплоты в энергию постоянного электрического тока в виде полупроводника, в котором благодаря градиенту температуры возникает электрическое поле (эффект Зеебека). Его недостатками являются низкая эффективность и малая мощность.

Цель изобретения состоит в высокоэффективном преобразовании теплоты в энергию переменного электрического тока для увеличения до 10⁴ раз силы и мощности переменного тока произвольной частоты.

Для этого в цепь переменного тока произвольной частоты включена многослойная пленка. Между ее параллельными металлическими электродами помещен слой полупроводника, действительная часть диэлектрической проницаемости которого ε’ имеет отрицательное значение . Этот слой полупроводника отделен от электродов слоями не проводящей электрический ток среды (например, диэлектрика) с диэлектрической проницаемостью ε₁≥1. В случае среды в виде газа или вакуума электроды отделены от слоя полупроводника с помощью островков диэлектрика малой площади. На внешние поверхности электродов пленки нанесены тонкие слои диэлектрика (изоляции), к электродам присоединены два проводника для включения пленки в электрическую цепь. Пленка помещена в теплопроводящую среду (воздух, вода и другое) или в вакуум. Предельное значение ε’ равно: , где d и d₁ - толщины слоев полупроводника и непроводящей среды пленки соответственно.

Между металлическими электродами пленки действует переменное электрическое напряжение. При этом эквивалентная электрическая схема пленки представляет собой последовательно соединенные: электрический конденсатор с емкостью пленки с и резистор с сопротивлением, равным сопротивлению слоя полупроводника R_s. В связи с выполнением в произвольный момент времени t условий εE=ε₁E₁=D/ε₀, где ε≈ε’<0, ε₁≥1, вектор напряженности электрического поля в полупроводнике Е антипараллелен вектору напряженности электрического поля в среде E₁ и вектору электрической индукции D. Поэтому сила тока в цепи J(t)=J_msinωt и напряжение на слое полупроводника u(t)=-E(t)d=-R_sJ_msinωt изменяются во времени со сдвигом фазы, равным π. При этом произведение u(t)J(t)=-R_s(J_msinωt)² в произвольный момент времени - отрицательная или равная нулю величина (не меняет знак) /Харламов В.Ф. Инверсия и усиление переменного электрического поля в мелкодисперсном диэлектрике. ФТТ. 2017. Т. 59. Вып. 1. С. 45-48/. Благодаря смещению под действием внешнего электрического поля носителей тока (свободных электронов или дырок) происходит поляризация слоя полупроводника. На его поверхностях возникают поляризационные электрические заряды. Внешнее поле совершает за 1 с работу поляризации полупроводника:

где - среднее за период переменного поля значение.

Поляризация слоя полупроводника переменным электрическим полем в адиабатическом процессе сопровождается его охлаждением /Харламов В.Ф. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2017. №91. Это следует из основного уравнения термодинамики для диэлектрика в электрическом поле:

TdS=dU_e-(E,dD).

Поскольку векторы E и D в слое полупроводника антипараллельны, имеем:

dS=0, dU_e=CdT, dD>0, dT<0. Создание электрического поля в полупроводнике сопровождается уменьшением его температуры.

Согласно выражению (1) в изотермическом процессе поляризации полупроводника переменным электрическим полем происходит подвод к нему теплоты из окружающей среды: dT=0, dU_e=0, dD>0, δQ=T(dS)_T>0. Охлажденная переменным током пленка получает теплоту благодаря теплопроводности среды и потоку лучистой энергии теплового излучения. Согласно закону сохранения энергии этот поток теплоты превращается в поляризованном полупроводнике в работу переменного электрического поля по перемещению электрических зарядов во внешней электрической цепи. Разделив левую и правую часть выражения (1) на dt и усредняя переменные величины по интервалу времени, равному периоду переменного напряжения, в стационарных условиях получаем:

где ; dD/dt=j_D; sj_D=J_D=J; VEj_D=EJd=-uJ=N; V=sd - объем слоя полупроводника; s - его площадь; q_n - поток теплоты, втекающей в объем пленки через ее поверхность в обратимом изотермическом процессе; - среднее за период переменного тока значение работы электрического поля, созданного поляризованным слоем полупроводника, . Это поле создает в цепи дополнительный электрический ток, совпадающий по направлению с основным током.

В замкнутой системе энтропия увеличивается во времени благодаря выделению джоулева тепла в электрической цепи и в связи с необратимостью процессов теплопроводности и работы источника переменного тока.

Полагая, что ток в цепи равен , находим мгновенное значение полного напряжения в цепи:

где R_s<Z; R_s=d/(sσ’); σ’ - вещественная часть электропроводности полупроводника; α=arctg[X/(R-R_s)]; - амплитуда силы тока; U_m - амплитуда электродвижущей силы (эдс), ; Z - полное сопротивление цепи,

X=Х_у+Х_с-X_L; R, X_у и X_L - омическое, емкостное и индуктивное сопротивления цепи; Х_у=1/(ωс_у); X_L=ωL; Х_с=βX_s=1/(ωс) - емкостное сопротивление пленки; с - ее электрическая емкость, с<0; β=1+εd₁/ε₁d, β>0; X_s - емкостное сопротивление слоя полупроводника, X_s<0,

ε≈ε’<0; ; ε’=a-bn; а и b - коэффициенты; n - концентрация носителей тока в полупроводнике; ε₀ - электрическая постоянная.

При выполнении условий R<<R_s, с помощью выражений (3) и (4) находим:

Учтем дополнительную эдс u(t)=-J_mR_ssinωt, обусловленную превращением теплоты в энергию тока (выражение (2)). Получаем:

Благодаря положительной обратной связи между током и дополнительной эдс сила тока резко увеличивается по сравнению с величиной .

Дополнительная электрическая мощность в цепи, обусловленная выполнением условия (2), равна:

Мощность тока в цепи увеличивается в следующее число раз:

где - мощность тока, созданного генератором переменного напряжения; . При этом преобразователь теплоты служит источником подавляющей части расходуемой мощности , величину которой определяет выделение джоулева тепла в резисторе или явление взаимной электромагнитной индукции. Кроме того, выполняются условия:

где U_im=X_iJ_m≈2X_iR_sU_m/X² - амплитуда напряжения на элементе цепи i; X_i - его сопротивление; k_i - коэффициент увеличения напряжения.

Согласно выражениям (4) и (6) сила тока в цепи и дополнительная мощность максимальны, если выбрать параметры электрической цепи следующим образом:

или

(последнему равенству соответствует резонанс вынужденных электромагнитных колебаний). Кроме того, если выбрать резистор, удовлетворяющий равенству R=R_s, тогда применение пленки в цепи переменного тока позволяет уменьшить до 10⁴ раз ее полное сопротивление Z (выражение (4)).

Пусть цепь состоит из источника переменного напряжения, пленки и резистора. В качестве примера используем значения: U_m=220 В; ω/2π=50 Гц; d=d₁=10^-4 м; s=1 м²; ε=-3.6; ε₁=6; R=0.5; R_s=80 кОм. С помощью формул (4)-(8) находим: β=0.4; X_s=-10; Х_с=-4; Z-R_s≈0.1 кОм; J_m≈2.2 А; ; k≈6×10⁵; k₁≈40; k₂≈5; .

Оценим поток теплоты q_n. Если ∇Т=1 К/мм, тогда в случае нахождения пленки, например, в воздухе, сухом песке, воде или алюминиевом порошке плотность потока теплоты q_n/s, поступающей в пленку, соответственно равна: 0.05; 0.65; 1.2; 100 кВт/м². Поток солнечного излучения равен 1.3 кВт/м. Согласно этим оценкам и выражению (2) величину может ограничивать поток теплоты, поступающей в пленку из окружающей среды. В этом случае, увеличивая площадь пленки и изменяя параметры цепи, благодаря увеличению потока теплоты q_n, подводимой к пленке, можно на порядки (пропорционально s) увеличить расходуемую мощность .

Полупроводник пленки может быть мелкодисперсным. Кроме того, в качестве полупроводника можно применить мелкодисперсный диэлектрик, содержащий донорные или акцепторные центры на своей поверхности. Применение слоя порошка вместо однородной пленки полупроводника приводит к увеличению электрического сопротивления полупроводника и увеличению благодаря этому поляризационных зарядов и соответственно электрического поля, совершающего работу в электрической цепи, и увеличению мощности переменного тока. При этом уменьшаются также потери энергии в полупроводнике. Мощность преобразователя энергии увеличивается в случае расположения между электродами пленки нескольких слоев полупроводников с отрицательным значением действительной части их диэлектрической проницаемости, отделенных друг от друга слоями не проводящей электрический ток среды. Поверхность пленки может находиться в контакте с нагревателем, имеющим более высокую температуру, чем температура окружающей среды. Подвод теплоты к пленке можно осуществлять при ее освещении солнечным излучением. Температура пленки уменьшается при протекании через нее переменного электрического тока, поэтому пленка может быть помещена в теплоизолированный объем для его охлаждения или ее поверхность может находиться в контакте с охлаждаемым объектом.