RU2664676C1 - Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока - Google Patents

Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока Download PDF

Info

Publication number
RU2664676C1
RU2664676C1 RU2017119059A RU2017119059A RU2664676C1 RU 2664676 C1 RU2664676 C1 RU 2664676C1 RU 2017119059 A RU2017119059 A RU 2017119059A RU 2017119059 A RU2017119059 A RU 2017119059A RU 2664676 C1 RU2664676 C1 RU 2664676C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
film
heat
converter
energy
electric current
Prior art date
Application number
RU2017119059A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Федорович Харламов
Original Assignee
Владимир Федорович Харламов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Владимир Федорович Харламов filed Critical Владимир Федорович Харламов
Priority to RU2017119059A priority Critical patent/RU2664676C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2664676C1 publication Critical patent/RU2664676C1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00—Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect
    • H10N15/10—Thermoelectric devices using thermal change of the dielectric constant, e.g. working above and below the Curie point

Abstract

Использование: для преобразования теплоты в работу электрического поля. Сущность изобретения заключается в том, что преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока содержит цепь переменного тока произвольной частоты, в которую 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 одного или двух электродов слоем или слоями не проводящей электрический ток среды с диэлектрической проницаемостью ε≥1, на внешние поверхности электродов пленки нанесены тонкие слои диэлектрика, 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 d- толщины слоев полупроводника и непроводящей среды пленки соответственно. Технический результат - обеспечение возможности увеличения силы и мощности тока, а также амплитуды электрического напряжения на элементах цепи. 8 з.п. ф-лы.

Description

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
Figure 00000001
. 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:
Figure 00000002
, 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 Rs. 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)=Jmsinωt и напряжение на слое полупроводника u(t)=-E(t)d=-RsJmsinωt изменяются во времени со сдвигом фазы, равным π. При этом произведение u(t)J(t)=-Rs(Jmsinωt)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:
Figure 00000003
где
Figure 00000004
- 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=dUe-(E,dD).
Поскольку векторы E и D в слое полупроводника антипараллельны, имеем:
Figure 00000005
dS=0, dUe=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, dUe=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:
Figure 00000006
где
Figure 00000007
; dD/dt=jD; sjD=JD=J; VEjD=EJd=-uJ=N; V=sd - объем слоя полупроводника; s - его площадь; qn - поток теплоты, втекающей в объем пленки через ее поверхность в обратимом изотермическом процессе;
Figure 00000008
- среднее за период переменного тока значение работы электрического поля, созданного поляризованным слоем полупроводника,
Figure 00000009
. 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
Figure 00000010
, находим мгновенное значение полного напряжения в цепи:
Figure 00000011
где Rs<Z; Rs=d/(sσ’); σ’ - вещественная часть электропроводности полупроводника; α=arctg[X/(R-Rs)];
Figure 00000012
- амплитуда силы тока; Um - амплитуда электродвижущей силы (эдс),
Figure 00000013
; Z - полное сопротивление цепи,
Figure 00000014
X=Ху+Хс-XL; R, Xу и XL - омическое, емкостное и индуктивное сопротивления цепи; Ху=1/(ωсу); XL=ωL; Хс=βXs=1/(ωс) - емкостное сопротивление пленки; с - ее электрическая емкость, с<0; β=1+εd1/ε1d, β>0; Xs - емкостное сопротивление слоя полупроводника, Xs<0,
Figure 00000015
ε≈ε’<0;
Figure 00000016
; ε’=a-bn; а и b - коэффициенты; n - концентрация носителей тока в полупроводнике; ε0 - электрическая постоянная.
При выполнении условий R<<Rs,
Figure 00000017
с помощью выражений (3) и (4) находим:
Figure 00000018
Учтем дополнительную эдс u(t)=-JmRssinωt, обусловленную превращением теплоты в энергию тока (выражение (2)). Получаем:
Figure 00000019
Благодаря положительной обратной связи между током и дополнительной эдс сила тока резко увеличивается по сравнению с величиной
Figure 00000020
.
Дополнительная электрическая мощность в цепи, обусловленная выполнением условия (2), равна:
Figure 00000021
Мощность тока в цепи увеличивается в следующее число раз:
Figure 00000022
где
Figure 00000023
- мощность тока, созданного генератором переменного напряжения;
Figure 00000017
. При этом преобразователь теплоты служит источником подавляющей части расходуемой мощности
Figure 00000024
, величину которой определяет выделение джоулева тепла в резисторе
Figure 00000025
или явление взаимной электромагнитной индукции. Кроме того, выполняются условия:
Figure 00000026
где Uim=XiJm≈2XiRsUm/X2 - амплитуда напряжения на элементе цепи i; Xi - его сопротивление; ki - коэффициент увеличения напряжения.
Согласно выражениям (4) и (6) сила тока в цепи и дополнительная мощность
Figure 00000027
максимальны, если выбрать параметры электрической цепи следующим образом:
Figure 00000028
или
Figure 00000029
(последнему равенству соответствует резонанс вынужденных электромагнитных колебаний). Кроме того, если выбрать резистор, удовлетворяющий равенству R=Rs, 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: Um=220 В; ω/2π=50 Гц; d=d1=10-4 м; s=1 м2; ε=-3.6; ε1=6; R=0.5; Rs=80 кОм. С помощью формул (4)-(8) находим: β=0.4; Xs=-10; Хс=-4; Z-Rs≈0.1 кОм; Jm≈2.2 А;
Figure 00000030
; k≈6×105; k1≈40; k2≈5;
Figure 00000031
.
Оценим поток теплоты qn. Если ∇Т=1 К/мм, тогда в случае нахождения пленки, например, в воздухе, сухом песке, воде или алюминиевом порошке плотность потока теплоты qn/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
Figure 00000024
может ограничивать поток теплоты, поступающей в пленку из окружающей среды. В этом случае, увеличивая площадь пленки и изменяя параметры цепи, благодаря увеличению потока теплоты qn, подводимой к пленке, можно на порядки (пропорционально s) увеличить расходуемую мощность
Figure 00000024
.
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.

Claims (9)

1. Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока, отличающийся тем, что с целью увеличения силы и мощности тока, а также амплитуды электрического напряжения на элементах цепи в электрическую 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
Figure 00000032
, этот слой полупроводника отделен от одного или двух электродов слоем или слоями не проводящей электрический ток среды с диэлектрической проницаемостью ε1≥1, на внешние поверхности электродов пленки нанесены тонкие слои диэлектрика, 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:
Figure 00000033
, где d и d1 - толщины слоев полупроводника и непроводящей среды пленки соответственно.
2. Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводника применен мелкодисперсный полупроводник.
3. Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полупроводника применен мелкодисперсный диэлектрик, содержащий донорные или акцепторные центры на поверхности частиц порошка.
4. Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что между электродами пленки помещено несколько слоев полупроводников с отрицательным значением действительной части их диэлектрической проницаемости, эти слои полупроводников отделены друг от друга слоями не проводящей электрический ток среды.
5. Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что в электрическую цепь последовательно с пленкой включены электрический конденсатор и резистор, при этом сy=|с|, где сy и с - электрические емкости конденсатора и пленки соответственно, с<0; R<<Rs или R=Rs; R и Rs - омические сопротивления резистора и слоя полупроводника пленки соответственно.
6. Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что электрическая цепь состоит из последовательно соединенных: источника синусоидального напряжения, пленки, электрического конденсатора и катушки индуктивности, при этом колебательный контур настроен на резонансную частоту вынужденных электромагнитных колебаний.
7. Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что поверхность пленки находится в контакте с нагревателем, имеющим более высокую температуру, чем температура окружающей среды.
8. Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что поверхность пленки освещается солнечным излучением.
9. Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что пленка помещена в теплоизолированный объем для его охлаждения или ее поверхность находится в контакте с охлаждаемым объектом.
RU2017119059A 2017-05-31 2017-05-31 Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока RU2664676C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017119059A RU2664676C1 (ru) 2017-05-31 2017-05-31 Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017119059A RU2664676C1 (ru) 2017-05-31 2017-05-31 Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2664676C1 true RU2664676C1 (ru) 2018-08-21

Family

ID=63286741

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017119059A RU2664676C1 (ru) 2017-05-31 2017-05-31 Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2664676C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2087990C1 (ru) * 1994-07-08 1997-08-20 Петр Николаевич Ермолаев Способ преобразования тепловой энергии в электрическую энергию
RU2144241C1 (ru) * 1998-10-02 2000-01-10 Смирнов Лев Николаевич Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и термоэмиссионный генератор для его осуществления
US6653547B2 (en) * 2000-08-07 2003-11-25 Norio Akamatsu Solar energy converter
RU2233509C2 (ru) * 1999-03-11 2004-07-27 Энеко, Инк. Гибридный термоэлектронный преобразователь энергии и способ
RU2310253C2 (ru) * 2005-07-18 2007-11-10 Валентин Георгиевич Гарбузов Способ прямого преобразования тепла в электрическую энергию переменного трехфазного тока
US20140306575A1 (en) * 2013-04-11 2014-10-16 Vanderbilt University Enhanced thermionic energy converter and applications of same

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2087990C1 (ru) * 1994-07-08 1997-08-20 Петр Николаевич Ермолаев Способ преобразования тепловой энергии в электрическую энергию
RU2144241C1 (ru) * 1998-10-02 2000-01-10 Смирнов Лев Николаевич Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и термоэмиссионный генератор для его осуществления
RU2233509C2 (ru) * 1999-03-11 2004-07-27 Энеко, Инк. Гибридный термоэлектронный преобразователь энергии и способ
US6653547B2 (en) * 2000-08-07 2003-11-25 Norio Akamatsu Solar energy converter
RU2310253C2 (ru) * 2005-07-18 2007-11-10 Валентин Георгиевич Гарбузов Способ прямого преобразования тепла в электрическую энергию переменного трехфазного тока
US20140306575A1 (en) * 2013-04-11 2014-10-16 Vanderbilt University Enhanced thermionic energy converter and applications of same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zi et al. Triboelectric–pyroelectric–piezoelectric hybrid cell for high‐efficiency energy‐harvesting and self‐powered sensing
Niu et al. A theoretical study of grating structured triboelectric nanogenerators
Ožbolt et al. Electrocaloric vs. magnetocaloric energy conversion
Sebald et al. On thermoelectric and pyroelectric energy harvesting
Madan et al. Dispenser printed circular thermoelectric devices using Bi and Bi0. 5Sb1. 5Te3
US9536758B1 (en) Time-varying frequency powered semiconductor substrate heat source
US9640748B2 (en) Thermal oscillator
JPH02223393A (ja) 熱電気エネルギー変換装置
WO2013103585A1 (en) Thermally switched thermoelectric power generation
Bauer et al. Theory of transport in ferroelectric capacitors
Shijo et al. High-frequency induction heating for small-foreign-metal particle detection using 400 kHz SiC-MOSFETs inverter
RU2664676C1 (ru) Преобразователь теплоты в энергию переменного электрического тока
Quintero et al. Intrinsic leakage and adsorption currents associated with the electrocaloric effect in multilayer capacitors
US3316474A (en) Thermoelectric transformer
WO2016083660A1 (en) A thermally controlled electronic device
Mahan Parallel thermoelectrics
Shijo et al. A 400 kHz SiC-MOSFETs high-frequency inverter for small-foreign-metal particle detection
Kong et al. Effect of three parameters of the periodic rectangular pulsed heat flux on the electrical performance improvement to a thermoelectric generator
CN107076479B (zh) 产生和转移加热和冷却功率的装置和方法
Kar-Narayan et al. Electrocaloric multilayer capacitors
Matsushita et al. Investigation of the electrocaloric effect in ferroelectric polymer film through direct measurement under alternating electric field
El-Agez et al. Thermoelectricity Based on Cuo as a Semiconducting Material
KR200415926Y1 (ko) 발전기능을 가진 히터
Shittu et al. Numerical Analysis of a Segmented Annular Thermoelectric Generator
Derevianchuk et al. The phenomenon of electroomic energy conversion in anisotropic electroconductive environments

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190601