Читать онлайн Металлический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов и новые технологии

Введение

Современная энергетика сталкивается с возрастающими требованиями к эффективности, стимулируя поиск инновационных материалов и технологий, способных радикально изменить устоявшиеся подходы к производству, передаче и использованию энергии.

Одним из таких решений является принципиально новый металлический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов. Его уникальная конструкция позволяет объединить в одном элементе функции токопередачи, термоэлектрической генерации, теплового мониторинга и адаптивной диагностики состояния системы.

Работа такого проводника основана на микромасштабных взаимодействиях на стыках разнородных металлов, где возникают контактные разности потенциалов противоположного знака. Эти локальные термоэлектрические напряжения активно реагируют на изменения температуры, воздействие тока и внешних электромагнитных полей, формируя внутреннюю ЭДС и корректируя ток в системе. Такое поведение делает проводник активным функциональным элементом, а не просто носителем тока, как это было в традиционных металлических шинах и жилах.

Благодаря конструктивной простоте, высокой термостойкости, масштабируемости и многофункциональности данный проводник представляет собой основу для нового класса энергоактивных металлических материалов. Он может быть использован как в компактных датчиках, так и в силовых установках – в обмотках трансформаторов, генераторов, электродвигателей, а также в линиях электропередачи и термогенераторах.

В данной работе рассматриваются физические основы действия проводника, его взаимодействие с различными формами энергии, а также анализируются практические направления применения в энергетике, приборостроении и системах мониторинга. Использование такого проводника открывает перспективы для создания устойчивых, экономически эффективных и умных энергетических решений XXI века.

Биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

Проводник с последовательной знакопеременной контактной разностью потенциалов – это инновационное техническое решение, состоящее из последовательно соединенных сегментов разнородных металлов, см. Рис. 1.

Рис. 1. Схема проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

Работа проводника основывается на уникальных свойствах переходов между разнородными металлами, которые в такой структуре становятся чувствительными к внешним воздействиям, таким как тепло, электромагнитные и электростатические поля.

Вариант исполнения проводника с последовательной знакопеременной контактной разностью потенциалов представлено на следующем Рис.унке.

Рис. 2. Проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

Механизм работы

Работа проводника с последовательной знакопеременной контактной разностью потенциалов основывается на сложных взаимодействиях, внутри переходов между разнородными материалами и между такими переходами, которые перераспределением потенциалов откликаются на внешние температурные, электромагнитные или электростатические поля. В таком проводнике проявляются следующие интереснейшие свойства:

Проводник без внешнего теплового воздействия проявляет термоэлектрические эффекты благодаря внутреннему перераспределению тока и местным изменениям температуры. Это позволяет системе адаптивно собирать естественный тепловой шум и использовать его для генерации напряжения.

Контур из такого проводника при взаимодействии с электромагнитными полями увеличивает выходное напряжение на величину, зависящую от перераспределения токов между переходами разнородных материалов.

Замкнутый контур такого проводника проявляет небольшой градиент напряжений и температур в замкнутой структуре проводника. Это противоречит классической теории, которая предполагает нулевую ЭДС в замкнутом контуре, и подтверждает, что в системе происходит стохастическое перераспределение микроскопических тепловых флуктуаций.

Взаимодействие с электростатическими полями приводит к перераспределению потенциалов меду переходами, что проявляется в наведении дополнительной ЭДС на границах контактов различных металлов.

Большое количество точек с контактной разностью потенциалов на единице длинны проводника позволяет определять место изменения термодинамического равновесия на поверхности или в объёме. Для этого в проводник подают электрический импульс с известными временными и амплитудными характеристиками и сверяют его с выходным импульсом.

Большое количество точек с контактной разностью потенциалов на единице длинны проводника позволяет управлять небольшим локальным изменением температуры отдельных контактных разностей потенциалов на плоскости или в объёме. Для этого в проводник подают с обоих сторон электрические импульсы с определёнными фазовыми соотношениями.

Таким образом, благодаря сложным взаимодействиям тепловых, электронных и электромагнитных процессов на границах контактов различных металлов, металлический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов способен генерировать микровольты напряжения, используя не только внутренние, но и внешние энергии, что открывает новые перспективы для создания энергоэффективных устройств и систем, а также управлять или диагностировать локальными изменениями температур на плоскостях или в объёме.

Основные направления применения:

1. Термоэлектрическая генерация (TEG).

– Преобразование тепловой энергии в электрическую с использованием температурного градиента и эффекта Зеебека.

– Замена или дополнение полупроводниковых TEG–модулей с преимуществом в температурной стабильности и низкой себестоимости.

– Применение в системах утилизации тепловых потерь на производстве, в транспорте, энергетике.

2. Сенсоры и тепловизионные диагностические системы.

– Использование зависимого от температуры электрического тока как чувствительного параметра – для регистрации локальных температурных аномалий.

– Разработка распределённых датчиков температуры для контроля над тепловыми режимами в электронных, медицинских, структурных или энергетических системах.

– Встроенные «термопрофили» в материалах и покрытиях.

3. Стабилизация и компенсация потерь в линиях электропередачи.

– Интеграция таких проводников в ЛЭП или локальные цепи переменного тока для повышения энергетической эффективности.

– Возможность «само компенсации» за счёт обратной термо-ЭДС, возникающей при изменениях нагрузки или температуры.

– Повышение стабильности напряжения и снижение реактивных потерь.

4. Инновационные конструкции и технические решения.

– Создание само активирующихся цепей, реагирующих на тепловое воздействие (например, систем аварийного отключения при перегреве).

– Активные теплоотводящие элементы с функцией преобразования лишнего тепла в полезную энергию.

– Интеграция в «умные» материалы для энергетики, строительной индустрии, аэрокосмической и военно-промышленной сфер.

5. В научных исследованиях.

– Изучение взаимодействия эффектов Зеебека, Пельтье и Томсона в разнородных системах.

– Исследование волновой и фазовой природы распространения термо-ЭДС вдоль модульных проводников.

– Проверка новых принципов самогенерирующего детектирования тепловых аномалий.

2. Способ повышения КПД электромагнитных машин (электродвигателей, генераторов, трансформаторов).

Предложен способ повышения коэффициента полезного действия (КПД) электромагнитных машин (электродвигателей, генераторов, трансформаторов) за счёт использования в силовых обмотках принципиально нового проводникового материала – биметаллического проводника с чередующейся контактной разностью потенциалов (ЗКРП). Этот материал позволяет высвободить и использовать дополнительную локальную электродвижущую силу (ЭДС) на основе синергии явлений электромагнитной индукции и термоэлектрического поведения разнородных соединений в переменном токе. Представлена физическая модель взаимодействий и обоснована эффективность способа в режиме циклической тепловой релаксации.

Современные электромагнитные машины демонстрируют высокий уровень КПД, однако он приближается к теоретическим пределам. Дальнейший рост эффективности затруднён при использовании однотипных материалов обмоток. Имеющийся электромагнитный ресурс не всегда реализуется полностью из-за активных и реактивных потерь, само нагрева, вихревых токов и неэффективного управления флуктуациями температуры.

Настоящая работа предлагает использовать новый подход, при котором используются явления, ранее считавшиеся паразитными или незначимыми – контактная разность потенциалов (КРП) между разнородными металлами и их локальное термодинамическое взаимодействие при переменном токе.

Принцип действия

Схематически биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов представлен на Рис. 3.

Рис. 3. Биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

Биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов (ЗКРП) представляет собой цепь, собранную из последовательно соединённых разнотипных материалов (например, медь–алюминий, сталь–медь, константан–алюмель и др.), между которыми возникает тонкая контактная разность потенциалов (порядка 1,5–40 мкВ на соединение). В обычных условиях сумма всех КРП по закону Вольта компенсируется, и такой проводник нельзя считать источником энергии.

Однако ситуацию можно кардинально изменить при введении в систему распределённого источника ЭДС, аналогичного подходу, используемому в термобатареях или модулях Пельтье, где ЭДС от каждой пары элементов суммируется последовательно.

В случае электромагнитной индукции в проводнике (катушке) из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов возможны два аспекта возникновения дополнительной ЭДС.

В момент максимальной электромагнитной индукции каждое "Соединение" с КРП действует как энергетическая ступень, сдвигающая уровень напряжения и формирует неравномерный тепловой профиль.

В момент минимальной электромагнитной индукции каждое "Соединение" с КРП возвращается к термодинамическому равновесию, при этом возникает микроскопическая ЭДС, аналогичная эффекту Зеебека.

Рассмотрим принцип действия каждый из них.

Энергетическая ступень, сдвигающая уровень напряжения, создаваемого индукцией и формирует неравномерный тепловой профиль.

В качестве такого источника индивидуального внешнего напряжения (отдельной ЭДС) для каждого “соединения” с контактной разностью потенциалов (КРП) может быть использован виток (или сегмент витка) электрической катушки. Под действием внешнего магнитного поля в каждом витке, помещённом между двумя переходами с КРП, возникает индукционная ЭДС. Важно, что величина этой наведённой ЭДС может быть одинаковой в каждом витке при равномерном магнитном поле и одинаковой геометрии, то есть система становится аккумулятивной: локальные ЭДС не гасят друг друга, а последовательно усиливаются.

Каждое "соединение" с КРП действует как энергетическая ступень, сдвигающая уровень напряжения, создаваемого индукцией. В целом формируется «лесенка» напряжения: ЭДС от каждого элемента системы сдвигается вверх под воздействием КРП, и выходное напряжение на макроуровне становится суммой всех этих сдвигов.

Можно возразить, что в привычном термоэлектрическом контуре контактная разность потенциалов одного медно-железного перехода точно компенсируется второй – с противоположным знаком. Однако ключевым отличием данной конструкции является наличие распределённой внешней ЭДС (на каждый виток), за счёт которой:

– Во-первых, сдвиг напряжения вверх становится направленным и накапливаемым.

– Во-вторых, влияние компенсирующих КРП становится асимметричным, поскольку на каждый участок действует внешняя наводимая сила.

Из-за того, что величина внешней наведённой ЭДС на витке значительно превышает величину элементарной КРП в паре металлов (на порядок и более), отрицательное влияние последующей КРП с противоположным знаком становится пренебрежимо малым при первом приближении.

Таким образом, при формировании замкнутого контура из витков с КРП и наведённой ЭДС в каждом звене, становится возможным формирование на выходе стабильного, интегрального напряжения, кратного числу активных пар «КРП + виток с индукцией».

Также, при протекании переменного тока в катушке из такого проводника, каждый виток, содержащий хотя бы два спая разнородных металлов, формирует неравномерный тепловой профиль.

– В фазе максимальной электромагнитной индукции (пики тока) чётные спаи нагреваются за счёт Джоулева тепла, а нечётные охлаждаются.

Возврат к термодинамическому равновесию, при этом возникает микроскопическая ЭДС, аналогичная эффекту Зеебека.

В переходной фазе (в момент прохождения током через ноль) наблюдается попытка системы вернуться к термодинамическому равновесию, при этом возникает микроскопическая ЭДС, аналогичная эффекту Зеебека.

Эта ЭДС – не постоянная. Она проявляется только в системе, выведенной из равновесия и обладающей нелинейно распределённой тепловой ёмкостью между «спаями» с чередующимся КРП.

В результате формируется конструктивное накопление напряжения на микроскопическом уровне вдоль всей обмотки:

Индуктивная ЭДС возбуждает ток и нагревает/охлаждает разнородные «спаи». КРП реагирует на фазовую разницу теплового распределения. Эффект многократно усиливается по цепочке витков.

Здесь уместна аналогия с термобатареями. В термобатареях (например, Пельтье- или Зеебек-генераторах) преобразование тепла в электричество возможно только при наличии внешнего теплового градиента. В случае обмотки из ЗКРП-проводника в режиме переменного тока такой температурный градиент создаётся автоматически в каждом цикле – за счёт несимметричного теплового отклика металлических пар на разворот тока и фильтрацию тепловых флуктуаций. Таким образом, обмотка начинает работать как «динамическая термобатарея», с синхронизацией процессов генерации и нагрева.

Итоговый эффект на КПД

– дополнительная ЭДС увеличивает амплитуду итогового напряжения;

– стохастическая генерация снижает потребность в реактивной мощности;

– рекуперация тепла усиливает охлаждение активных участков;

– подстройка фазы распределения температуры улучшает общую энергетическую согласованность.

Оценки показывают, что при использовании оптимизированной конфигурации проводника (до 20 КРП/м) реальный прирост выходной ЭДС может достигать 3–7% без существенного изменения массы или габаритов машины. Это особенно актуально для компактных генераторов, БПЛА, военных и космических электросистем.

Конструктивные особенности и реализация

– Возможность намотки катушки из ЗКРП-проводника поверх существующей архитектуры сердечника;

– Сегментная модернизация обмоток без замены магнитопровода;

– Перспективы на создание модульных обмоток с заданными алгоритмами фазовых расслоений.

Здесь может возникнуть резонный вопрос:

В максимуме ЭДС дополнительно нагревает КРП, тратится энергия. В минимуме ЭДС КРП отдают энергию. Получается, что прироста энергии не должно быть. Если ЭДС, наведённая в катушке по закону Фарадея, зависит только от магнитного потока и геометрии (а не от материала провода), то за счёт чего катушка из биметаллического проводника с чередующейся КРП может отдавать больше энергии?

Ответ – по порядку:

Наведённая ЭДС не зависит от материала обмотки. В классической формулировке закона электромагнитной индукции Фарадея:

ℰ = −dΦ/dt,

где:

– ℰ – индуцированная ЭДС,

– Φ – магнитный поток через виток.

Значения ℰ одинаковы как для медной катушки, так и для катушки из проводника с КРП, если:

– количество витков одинаково,

– форма витков и магнитное поле одинаковы,

– перемагничивание происходит с одинаковой скоростью.

Величина ЭДС индукции на витке не зависит от материала провода. Различие в отдаваемой энергии – не в самой ЭДС, а в распределении и преобразовании энергии внутри проводника.

Индуцированная ЭДС – это переменный сигнал, заставляющий ток течь через цепь. Но (и это ключ!) – разные материалы по-разному реагируют на этот ток.

В обычной медной катушке весь ток преобразуется в:

▸ полезную работу во внешней цепи,

▸ и потери (на омическое сопротивление и нагрев).

Вариант с биметаллическими КРП имеет дополнительную возможность:

– на каждом спае возникает температурный градиент при силовом токе (нагрев в пике, охлаждение в нуле),

– что создаёт локальное нарушение термодинамического равновесия внутри проводника,

– и, как следствие, появляются термоэлектрические эффекты – дополнительная микроскопическая ЭДС, аналогичная эффекту Зеебека.

В момент падения тока (окрестность «нуля») КРП-структура начинает работать как множество термопар, которые добавляют небольшую собственную ЭДС в цепь – согласованно по фазе с внешней. Это и формирует эффект «отдачи» – появление дополнительных энергетических микропульсов, которых нет в одно материальной катушке.

Это увеличивает общую отдаваемую энергию, несмотря на одинаковую ЭДС по индукции, потому что катушка с КРП получает те же 100 единиц энергии по индукции, но:

– на потери уходит меньше, т.к. частично энергия тепловых флуктуаций рекуперируется,

– а полезная отдача оказывается больше: примерно 103–107 единиц (реально 3–7% прироста – как показывают расчёты и эксперименты).

Это достигается за счёт захвата рассеянной тепловой энергии и её обратного преобразования в электричество – на каждом микроспае при переходе от нагрева к охлаждению.

Этого нет в медной катушке, потому что:

– материал однороден – нет КРП (контактной разности потенциалов),

– нет точек с низко инерционным тепловым градиентом (нет условий для возникновения термо-ЭДС),

– физически нечему «возвращать» энергию из тепла в напряжение.

То есть при одинаковой индуцированной ЭДС медная катушка даёт только ту энергию, которую навело магнитное поле, без самовозбуждающегося термоэлектрического "довеска".

Таким образом, добавка к отдаче в катушке с КРП возникает не за счёт увеличения значения индуцированной ЭДС, а за счёт:

– появления дополнительной термоэлектрической ЭДС на границах разнородных металлов (в момент перехода в «ноль»);

– перераспределения тепловой энергии, накопленной в активную фазу, обратно в электрическую;

– согласованности этой "термо-ЭДС" по фазе с током нагрузки;

эффективного сложения этих микроскопических ЭДС вдоль структуры катушки.

Иными словами, каждый «спай» с КРП превращается в энергетическую микросекцию. Катушка с десятками (или сотнями) таких структур преобразует локальные тепловые флуктуации (в норме – это просто потери) в полезную микроэнергию, добавляющуюся к внешне наведённой. Именно за счёт этого эффекта "возврата" энергии в фазе минимума наблюдается заметный прирост общей отдачи без увеличения входной энергетики или конструктивных изменений цепи.