ПРИМЕНЕНИЕ “УМНЫХ” МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ВОПРОСА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕПАДА ТЕМПЕРАТУР

APPLICATION OF SMART MATERIALS FOR SOLVING THE EFFICIENCY OF THE TRANSFER OF DIFFERENCES OF TEMPERATURES

Vladimir Cheluhin

 doctor of technical sciences, professor. Information Security of Automated Systems of Komsomolsk-on-Amur State Technical University (KnAGTU),

Russia, Komsomolsk-on-Amur

Elizaveta Abramson

post-graduate student. el. drive and automation of industrial installations, senior lecturer Komsomolsk-on-Amur State Technical University (KnAGTU),

Russia, Komsomolsk-on-Amur

Maksim Krujaev

graduate student. applied mathematics and computer science, senior lecturer

Komsomolsk-on-Amur State Technical University (KnAGTU),

 Russia, Komsomolsk-on-Amur

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматривается возможность и необходимость применения так называемых “умных” материалов для получения электрической энергии с помощью преобразователя перепада температур. В качестве таких материалов рассматриваются “умные”  полимерные композиции. Кратко рассматривается алгоритм управления процессом преобразования.

ABSTRACT

In this paper we consider the possibility and need for the so-called "smart" materials for the production of electrical energy using the temperature difference the between day and night.As such materials are considered "smart" polymer compositions. Briefly considered converting process control algorithm. We give general advice on these areas of research materials.

Ключевые слова: Перепад температур, “умные”  полимеры, преобразователи энергии, заряд, алгоритм, конденсатор, температура, напряжение зарядки,  напряжение зарядки, ёмкость.

Keywords: The temperature difference, thermal energy converters, charge, capacity, "smart" polymer, condenser, temperature, algorithm, charging voltage. day and night.

Создание экологически чистых источников энергии на сегодня весьма актуально. В качестве таковых чаще всего рассматриваются ветроэнергетика, солнечная энергия, геотермальная, биомассы и энергия морских волн и приливов. Однако, с точки зрения экологии каждый из них имеет серьезный недостаток. Например, ветроэнергетические установки могут быть установлены только там, где есть значительные ветра, и, кроме того, они издают шум при работе лопастей.

Авторами предложен и разрабатывается метод получение энергии с помощью такого источника энергии, как перепад температур между днем и ночью. Преимущества такого метода получения энергии очевидны – полное отсутствие вредного экологического влияния, абсолютная безопасность для человека и природы, бесконечность источника такой энергии, возможность установки в любом месте и несложность технической реализации на современном уровне.

Обоснование и принцип работы такого преобразователя ранее изложен в работах  [1 – 6]. Кратко, идея такого преобразователя энергии перепада температур в электрическую энергию сводится к следующему, рис. 1 (а, б).

a)

б)

в)

г)

Рисунок 1. Схема работы преобразователя: 1 – блок управления устройством, 2 – источник возбуждения, 3 – пластиковый брусок, 4 – исполнительное устройство.

Основной проблемой технологии процесса получения электрической энергии с помощью преобразователя перепада температур является низкая эффективность процесса преобразования энергии в силу медленного суточного изменения температуры. В среднем такой перепад в умеренных областях северного полушария составляет примерно 10 градусов в сутки. Что дает примерно изменение температуры на один градус за 2,5 часа. При таких условиях обычные материалы изменяют свои размеры на очень небольшое расстояние. Данное изменение характеризуется температурным коэффициентом линейного расширения. Например, коэффициент линейного теплового расширения, чистого железа равен 12.0 х 10^-6 °С^-1. Максимальное изменение имеет полиэтилен(PE), коэффициент линейного теплового расширения которого равен 200 х 10^-6 °С^-1. Другими словами, при изменении температуры на один градус длина метрового бруска измениться всего на 0, 0002 метра. Эффективно преобразовать такое небольшое изменение весьма затруднительно.

Для решения этой проблемы предлагается применить так называемые “умные”  полимеры [7-8], и последовательное включение определенного числа емкостей на одну и ту же нагрузку.

Сегодня химики во всем мире активно работают над созданием искусственных материалов, наделенных интеллектом. По прогнозам, уже в ближайшие годы "умные" полимеры будут использоваться во всех сферах нашей жизни и произведут настоящую революцию.

В целом «умные» материалы или иначе «интеллектуальные» материалы - класс различных по химическому составу и агрегатному состоянию материалов, которые объединяет проявление одной или нескольких физических (оптических, магнитных, электрических, механических) или физико-химических (реологических и др.) характеристик, значительно (обратимо или необратимо) изменяющихся под влиянием внешних воздействий: давления, температуры, влажности, электрического или магнитного поля и др.

Среди водорастворимых полимеров и гидрогелей «умными» могут быть названы системы, которые обратимо реагируют на незначительные изменения свойств среды (pH, температура, ионная сила, присутствие определенных веществ, освещенность, электрическое поле) причем ответ системы легко заметить не вооружённым глазом (образование новой фазы в гомогенной системе до этого в растворе, резко набухание или сжатие гидрогеля). Чтобы полимерная система стала «умной», т.е. способной сильно реагировать на не большие изменения внешней среды, в ней должен происходить фазовый переход первого рода, сопровождающимся резким увеличением удельного объема макромолекулы. Другими словами, данный материал, например, при  небольшом изменении внешней температуры значительно (в 5 – 10 и более раз) увеличивает свои размеры, что как раз и требуется для эффективной работы такого преобразователя.

В применении к рассматриваемому преобразователю энергии перепада температур «умный» полимер предполагается применить в качестве бруска преобразователя перепада температур (позиция 3 на рис. 1). Если подобрать такой материал, который при изменении температуры значительно увеличивает свои размеры, то естественно вырастает и эффективность работы такого преобразователя.

Однако, здесь возникает другая трудность – частота срабатывания устройства. Если материал будет запрограммирован на изменение внешней температуры только на один градус, то при дальнейшем повышении температуры он уже срабатывать не будет. Выходом из этого положения предполагается подборка «умных» полимеров таким образом, чтобы они срабатывали в разных температурных диапазонах. Например, один работает в диапазоне 18 – 20 ^о С, другой в диапазоне 21 – 24 ^о С, третий в диапазоне 25 – 30 ^о С. Для этого ёмкости распределяются на некоторое количество, время включения каждой из которых должно быть строго определено. Такая цепочка срабатываний естественным образом увеличит эффективность использования перепада температур день – ночь.

Но здесь возникает уже другая проблема – управление включением каждой емкости и управление зарядом и разрядом каждой из них.

Для этого в схему управления вводиться электронный блок управления, датчики контроля. Электронный блок управления дает команды на зарядку или разрядку пластин ёмкости после срабатывания одного блока и команду на переключение на другой. Имеющийся в устройстве электронный блок управления должен управляться соответствующим программным обеспечением, отслеживающим отработку первой ступени преобразователя энергии при определенном перепаде температур, и при отработке последующих.  Схема блока управления изображена на рис. 2.

Рисунок 2. Схема управления  накопительными ёмкостями преобразователя с  электронным блоком управления и датчиками контроля

Принцип его работы заключается в открытии и закрытии ключей К на основе данных от датчиков разряда и заряда. Блок управления получает данные с датчиков каждого конденсатора. Как только конденсатор с номером i заряжен, замыкаются ключи K2i+ и K2i-, которые замыкают цепь, связывающую конденсатор с нагрузкой Rн. После окончания разряда эти ключи размыкаются. Как только конденсатор полностью разряжен, замыкаются ключи K1i+ и K1i-, которые замыкают цепь, связывающую конденсатор и источником тока. После получения начального импульса эта цепь размыкается.

Управление данным процессом должно быть программным, что требует в свою очередь разработки соответствующего алгоритма. Кратко этот вопрос уже рассматривался в работе [9]. Блок схема примерного алгоритма работы блока управления системы заряд – разряд отдельной ёмкости представлена на рис. 3.

Рисунок 3. Алгоритм работы блока управления системы заряд – разряд отдельной ёмкости

Алгоритм работы блока управления системы заряд – разряд отдельной ёмкости предлагается следующий. Блок управления производит постоянный опрос датчиков системы. Как только происходит срабатывание устройства и зарядка ёмкости, идет команда на отключение источника возбуждения. Затем в блоке управления происходит расчет расстояния, на которое необходимо передвинуть пластину для следующего срабатывания устройства. После передвижки подвижной пластины ёмкости до появления воздушного зазора, блок управления дает команду на подключение нагрузки.

После разряда ёмкости на нагрузку, блок управления дает команду на передвижку другой пластины на расчетное расстояние и до полной ликвидации воздушного зазора между пластинами.

Таким образом применение “умных” материалов в конструкции преобразователя перепада температур может в значительной мере повысить эффективность работы такого преобразователя для получения электрической энергии экологически абсолютно безвредным способом и в любом месте планеты.

Список литературы:

1. Челухин В. А. Ёмкостные электромеханические преобразователи тепла. // Электромеханика. 1985. № 5. С. 90 - 94 (Изв. высш. учеб.заведений).
2. Челухин В. А., Абрамсон Е. В. Электротепловой преобразователь низкопотенциальнойэнергии перепада температур. Электротехника. Вестник ТОГУ. 2014.№ 4(35). С.93 – 98.
3. Челухин В. А., Миронова В.С. К вопросу использования энергии перепада суточных температур. Materialy IX mezinarodnivedecko – prakticla conference «Modernivymozenostivedy - 2013» - Dil 75. Technickevedy: Praha. Publishing House «Education and Science» s.r.o. – 104 stran.
4. Челухин В. А., Челухин И. В. Низкопотенциальный преобразователь энергии перепада температур. Патент РФ № 2489793. Бюлл. № 22 от 10.08.2013 г.
5. Челухин В. А., Челухин И. В. Преобразователь энергии перепада температур с жидкометаллическим электродом. Патент РФ № 2526535. Бюлл. № 24 от 27.08.2014 г.
6. Челухин В. А., Челухин И. В. Преобразователь энергии перепада температур с электродом из жидкого диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости. Патент РФ № 2513539. Бюлл. № 11 от 20.04.2014 г.
7. Кокцинская Е.М. "Умные" материалы и их применение (обзор) //Видеонаука: сетевой журн. 2016. №1(1). URL: https://videonauka.ru/stati/13-tekhnicheskie-nauki/42-umnye-materialy-i-ikh-primenenie-obzor (дата обращения 19.06.2016).
8. И.Ю. Галаев. Умные полимеры в биотехнологии и медицине Успехи химии, 1995, Том 64, Номер 5, Страницы 505-524.
9. Челухин В.А., Абрамсон Е.В. Разработка алгоритма управления преобразователем энергии перепада температур.  Материалы 21 международной конференции «Современные научные исследование: инновации и опыт». Екатеринбург, 08-09 апреля 2016. Ежемесячный научный журнал № 21 09.04.2016. с 41.
10. Челухин В. А., Абрамсон Е. В., Челухин И. В. Преобразователь энергии перепада температур с электронным управлением. Патент РФ № 2557066. Бюлл. № 20 от 20.07.2015 г.
11. Челухин В. А., Абрамсон Е. В., Челухин И. В. Пьезоэлектрический первичный источник энергии перепада температур. Патент РФ № 2559290. Бюлл. № 22 от 10.08.2015 г.
12. Челухин В.А., Абрамсон Е.В. К вопросу электроснабжения поселений на Марсе. Электричество, 2016, № 5, с. \45–52.