Автономный источник низковольтного питания на основе функционально-активных контактных материалов
Долговечные, стабильные и автономные источники питания особенно актуальны для сенсоров в системах интернета вещей (IoT) и других устройств, где использование химических, солнечных и т.п. батарей нецелесообразно.
Одним из перспективных направлений в этой области является преобразование пространственных энергетических флуктуаций (спонтанные тепловые, электростатические и электромагнитные колебания) – в низковольтное напряжение (!).
Физическая основа: энергетические флуктуации
Согласно законам статистической физики, при температуре выше абсолютного нуля (T > 0 K) в любой системе присутствуют энергетические флуктуации. На уровне проводников они проявляются в виде теплового шума Джонсона-Найквиста — случайных колебаний напряжения, вызванных тепловым движением электронов. В более общем случае, флуктуации вызываются как внутренними термическими причинами, так и внешними полями (например, низкочастотными вариациями магнитного поля окружающей среды, электромагнитным фоном от инфраструктуры и т. д.).
Известно, что сама по себе "шумовая" энергия имеет низкую плотность и не может быть напрямую использована как источник питания. Но на основе нового эффекта энергетической перегруппировки в функционально-активных контактных системах удалось создать прототип такого преобразователя.
Конструкция
Резонансный электромагнитный преобразователь энергетических флуктуаций схематически представлен следующим образом:
Первичная обмотка (1): Изготовлена из нового электропроводящего материала с функциональной контактной активностью - проводника, состоящего из чередующихся сегментов различных металлов (например, нихрома и константана). Каждый сегмент имеет длину, превышающую его поперечный размер в 2-4 раза, что оптимизирует количество соединений с контактной разностью потенциалов на единицу длины.
Вторичная обмотка (2): Предназначена для передачи индуцированного напряжения в нагрузку. Изготовлена из медного провода.
Коммутационное устройство (К1): обеспечивает периодическое замыкание и размыкание первичной обмотки с частотой до МГц.
Система управления (СУ): управляет переключением коммутационного устройства, обеспечивая резонанс системы.
Принципы работы
Закон Вольта утверждает, что в термодинамическом равновесии цепь из чередующихся разнородных проводников не создаёт суммарного напряжения, так как контактные разности потенциалов взаимно компенсируются. Но термодинамического равновесия, например, в городской черте, достичь невозможно. Это значит, что на выходе проводника с функциональной контактной активностью всегда присутствует небольшое напряжение.
В ходе экспериментальных работ с гексагональной топологией таких проводников был обнаружен уникальный эффект - перегруппировка контактных разностей потенциалов с генерацией электричества. Этот эффект заключался в том, что при шунтировании (коротком замыкании) части гексагональной топологии ФКА-проводников – выходное напряжение резко возрастало. (Эффект энергетической перегруппировки в функционально-активных контактных системах: Инженерия ФАК материалов и систем)
Таким образом работа устройства основана на следующих этапах:
- Замыкание части первичной обмотки.
- Генерация электрического импульса. За счёт энергетических перегруппировки в первичной обмотке возникает ток.
- Индукция во вторичной обмотке. Переменное магнитное поле индуцирует ЭДС во вторичной обмотке, которая передается в нагрузку.
- Размыкание первичной обмотки. Обмотка размыкается, прерывая ток и позволяя системе вернуться в исходное состояние. Цикл повторяется с частотой, настроенной на резонанс системы.
Экспериментальные исследования.
Для проверки работоспособности устройства был изготовлен прототип трансформатора с ферритовым кольцевым сердечником (типоразмер 100 x 60 x 15 мм). Первичная обмотка состояла из 32 витков биметаллического проводника (нихром и константан), а вторичная — из 32 витков медного провода. Коэффициент трансформации составил 1:1.
Результаты экспериментов.
В условиях относительного термодинамического равновесия на выходе ФАК обмотки всегда присутствовало "фоновое" напряжение порядка 20 мкВ уровня контактной разности потенциалов. Это всё, как по закону Алессандра Вольта. Но при коротком замыкании части первичной обмотки амплитуда выходного напряжения достигала 300 мкВ.
Основной проблемой стала реализация коммутационного устройства, способного коммутировать низкие напряжения уровня 20-300 мкВ. Традиционные полупроводниковые реле на такие напряжения коммутации не работают. Здесь нужны высокочувствительные электрохимические или микро электромеханические (MEMS) или ионные коммутаторы на базе туннельных эффектов. В противном случае подводимая энергия для управления классическим ключом превысит энергию на выходе ...
Заключение
Можно говорить о создании базового прототипа автономного микро источника питания для сенсоров в системах интернета вещей (IoT) и других устройств, где использование химических, солнечных и т.п. батарей нецелесообразно. Текущий этап развития проекта определяется научной и технической задачей не только доказательством принципа работоспособности преобразователя, но и разработки прикладных решений по накоплению, стабилизации и синхронизации полученной энергии.