Приоритеты: заявки Н.Е.Заева на открытие «Охлаждение некоторых конденсированных диэлектриков меняющимся электрическим полем с генерацией энергии» № 32-ОТ-10159; 14 ноября 1979 года, заявка на изобретение «Способ преобразования тепловой энергии диэлектриков в электрическую», № 3601725/07(084905), 4 июня 1983 года, и «Способ преобразования тепловой энергии ферритов в электрическую», № 3601726/25(084904). Метод был запатентован, патент RU2227947, 11 сентября 2002 года.
Существует американский патент на аналогичный, маломощный, но вполне реальный способ получения свободной энергии за счет тепловых шумов.
В 1973 году Джон Вайганд (John Wiegand) запатентовал в США систему на эффекте Баркгаузена, патент № 3,757,754, схема показана на рис. 212.
Рис. 212. Рисунок из патента Вайганда, США № 3,757,754Тепловые шумы в магнитострикционном материале позволяют практически получать небольшую мощность, без всякого внешнего источника, кроме тепла среды. Компания Wiegand Electronics выпускает источники энергии, обеспечивающие 12 Вольт и небольшой ток, что может применяться для снабжения потребителей мощностью в несколько милливатт. В показанной на рис. 212 конструкции, магнитный сердечник 14 изготовлен из магнитомягкого материала, а его цилиндрическая оболочка 12 сделана из высококоэрцитивного магнитного материала. Магнит 16 и катушка 18 обеспечивают получение мощности в нагрузке.
Работает генератор Вайганда следующим образом: тепловые шумы в сердечнике 14 скачкообразно меняют его магнитные свойства, в том числе и его магнитную проницаемость. В результате этих изменений, для магнитного потока, создаваемого постоянным магнитом 12, изменяются условия распространения в пространстве, и часть его поля, проходящая через внешнее пространство, также меняет свою величину. Это изменение создает влияние на поле магнита 16, отклоняя его в сторону от катушки.
Все так сложно, а в устройстве создается мощность всего несколько милливатт! Тем не менее, устройства находит свое применение, например, был разработан электронный замок для двери с таким вечным источником электропитания, постоянно подзаряжающим аккумулятор.
Отметим российские работы по созданию полупроводниковых преобразователей тепла. Известен проект группы авторов из Санкт-Петербурга, под руководством Каминского В.В. «Термоэлектрический генератор (варианты) и способ изготовления термоэлектрического генератора», заявка на изобретение № 2005120519/28 от 22.06.2005, авторы В.В. Каминский, А.В. Голубков, М.М. Казанин, И.В. Павлов, С.М. Соловьёв, Н.В. Шаренкова. Рабочее тело преобразователя сделано из сульфида самария SmS, мощность экспериментальной установки очень мала, милливатты.
Другое направление исследований: в США известны проекты в MIT (Massachusetts Institute of Technology), которые можно назвать «современной термионикой». Более ста лет назад, исследователи «термионики» занимались получением тока между горячим катодом и холодным анодом в электронно-вакуумной лампе.
Современные ученые создают микроструктуры в полупроводниковых материалах, для этих же целей, но для работы при относительно невысоких температурах. Эти многослойные полупроводниковые структуры называют «термальные диоды». Пока им удается получать рабочие температуры от 200 до 400 градусов Цельсия, но это уже лучше, чем 1000 градусов, требуемые для получения эффекта в электронно-вакуумных лампах прошлого века.
Подобный преобразователь, называемый «термочип» (Thermo Chip) развивала компания ENECO, США. В настоящее время, компания куплена фирмой MicroPower Global, работающей совместно с Университетом Техаса, США. Рабочее тело преобразователя – теллурид свинца. Эффективность не хуже кристаллических солнечных панелей и достигает 20 %, причем солнечного света не требуется.
Калифорнийский институт в США также ведет исследования по прямой конверсии тепла в электроэнергию, их преобразователи уже достигают 40 % эффективности. Устройство называется AMTEC «The alkalimetal thermal to electric converter».
Американская компания Fellows Research Group, Inc., разработала и запатентовала технологию преобразования тепловой энергии среды, которая использует акустические волны в газе высокого давления. Источник звуковых волн требует небольшую мощность, но создаваемая волнами энергия на выходе устройства намного превышает затраты источника. Система работает с теплообменником, поглощающим рассеянную тепловую энергию среды. Описание приведено в патенте США № 6385972.
Устройство очень «шумное», но работает. Отметим, что звуковые волны относятся к известному нам виду продольных волн в среде, соответственно, отбор энергии у эфирной среды происходит через молекулы газа, с которыми связан эфир. Вещество всего лишь посредник для работы с эфирной средой.
Профессор Симко (Symko) из Университета штата Юта, США, возглавляет проект «термоаккустического пьезоэлектрического конвертера энергии» (Thermal Acoustic Piezo Energy Conversion (TAPEC). Известный пьезоэффект может не только производить звуковые волны, но, в некоторых условиях, при этом поглощается тепло окружающей среды. По-моему, эти эффекты могут быть одним из вариантов эффектов Заева, описанных ранее, и связанных с нелинейными диэлектриками.
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.
Рис. 213. Схема преобразователя тепловой энергии РаенаПерспективная 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.