CC BY
31Raspberry Pi - полноценный компактный одноплатный компьютер, который реализует логику управления реактором и обработки данных: на нем находится веб-сервер, доступный по выделенному в сети адресу[5]. Веб-сервер реализует следующие сценарии использования сервиса управления реактором:
- ручное управление узлами реактора;
- автоматическое управление узлами реактора;
- отображение данных с датчиков в реальном времени;
- обработка возможных аварийных ситуаций;
- обработка показаний и построение отчетов;
- запись показаний в базу данных для дальнейшего возможного анализа.
Arduino - плата с собственным процессором и памятью, реализует взаимодействие со всеми периферийными устройствами[6]. Для получения показаний датчиков используются протоколы 1-ware, I2C, SPI, а все управляемые компоненты подключены к Arduino с помощью электромеханического реле. Arduino и Raspberry Pi обмениваются данными по протоколу I2C.
Данный подход и выбор управляющих компонентов оправдан для проектирования аппаратно-программных комплексов. Испытания в условиях, имитирующих технологический процесс синтеза перекиси водорода, показали успешную работу автоматики и срабатывание всех исполнительных устройств при переходе от одного состояния к другому в цикле работы реактора. Все устройства обладают достаточной надежностью, скоростью обработки данных и легкостью применения в рамках рассмотренной задачи.
Список литературы
1. Лисовский Г.М. Замкнутая система: человек - высшие растения. Н.: Наука, 1979. 160 с.
2. Gitelson J.I., Lisovsky G.M., MacElroy R. Manmade Closed Ecological Systems. London and New York: Taylor & Francis Inc., 2003. 400 p.
3. Trifonov S.V., Kudenko Yu. A., Tikhomirov A.A. Bioassay of products of organic waste mineralization: An approach for closed ecosystems // Ecological Engineering 91, 2016. 139-142.
4. Вигерс К.И., Битти Д. Разработка требований к программному обеспечению. БХВ-Петербург, 2016. 736 с.
5. Монк С. Raspberry Pi. Сборник рецептов. Решение программных и аппаратных задач. М.: Вильямс, 2017. 527 с.
6. Ярнольд С. Arduino для начинающих. Самый простой пошаговый самоучитель. М.: Эксмо-Пресс, 2017. 256 с.
ВНЕШНИЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ КАК СПОСОБ ТЕРМО- И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ Сальников А.В.
Сальников Алексей Викторович - врач, Заслуженный врач РФ, Территориальный центр медицины катастроф, г. Москва
Аннотация: предлагается рассмотреть принципиальную возможность существования «внешнего магнитоэлектрического эффекта» при термо- и фотоэлектронной эмиссии с поверхности твердых тел, помещенных в магнитное поле. Предполагается, что сочетание явлений эмиссии зарядов с поверхности и магнитного поля, направленного вдоль поверхности, должно приводить к электрическим явлениям близким по физической сути к фотомагнитному эффекту. Анализируется возможность существования такого явления, и его использования, для создания устройств термо- и фотоэлектрических преобразователей энергии. Ключевые слова: магнитоэлектрический эффект, термоэлектрический преобразователь, фотоэлектрический преобразователь, преобразование энергии.
В 1934 году был открыт фотомагнитный эффект в полупроводниках [1]. На поверхность (XZ) образца из полупроводникового материала (в частности в экспериментах был использован
20
Си20 при низких температурах) падает свет, который поглощается в образце. При этом образуются движущиеся носители зарядов (п) и (р) типа (электроны и «дырки»). Токи электронов и дырок в направлении (У), естественно, взаимно компенсируются и результирующий ток в направлении (У) равен нулю. Если поместить этот образец при этих условиях в магнитное поле Б7, направленное по координатной оси (7) то это поле будет разнонаправленно отклонять электроны и дырки. При этом появляется результирующий ток в направлении по оси (X). Если оба конца образца, противоположных по оси (X) замкнуть накоротко, то в образованной электрической цепи будет измеряться ток короткого замыкания, а при разомкнутых, измеряется фотомагнитная электродвижущая сила (ЭДС). Создаваемые при этом токи и напряжения малы, что не привело к использованию этого эффекта в прикладной электротехнике. Таким образом в основе физической сущности фотомагнитного эффекта лежит взаимодействие направленных потоков электрических зарядов в веществе, помещенного в магнитное поле.
Кроме внутреннего фотоэффекта, как образования электрических носителей зарядов в веществе, предположительно существует внешний фотоэффект [2], при котором происходит эмиссия электронов с поверхности твердых тел (фотоэлектронная эмиссия «фотоэлектронов»), а также иные явления, приводящие к эмиссии электронов и иных заряженных частиц с поверхности (термоэлектронная эмиссия, радиационная эмиссия зарядов и др.)
Мы предполагаем, что сочетание явлений эмиссии зарядов с поверхности и магнитного поля, направленного вдоль поверхности, должно приводить к электрическим явлениям близким по физической сути к фотомагнитному эффекту. Мы анализируем возможность существования такого явления, которое назовем «внешним магнитоэлектрическим эффектом» (ВМЭ).
Рассмотрим возможность существования физических процессов ВМЭ на простой модели-устройстве, где мы будем использовать внешний фотоэффект, как фотоэлектронную эмиссию с поверхности (плоскости (Х7)) объекта-эмиттера в магнитном поле Б7, направленном по оси
(Рис.1)
Рис. 1. Принципиальная схема устройства фотоэлектрического преобразователя
Эмиттер (1) электронов представляет собой тонкий фотоактивный слой из вещества с большим удельным электрическим сопротивлением и малой работой выхода электронов (например, ВаО), который нанесен на плоскую диэлектрическую подложку (2). На противоположных сторонах подложки по оси (Х) расположены, примыкающие к фотоактивному слою, контактные электроды (3) в виде полос из немагнитного металла, от которых идут выводы для подключения электрической цепи нагрузки или приборов измерения электрических величин. В направлении по оси (7) создадим магнитное поле с индукцией Б7. Фотоэлектрод будем освещать светом с энергией квантов выше работы выхода электронов в веществе эмиттера, что создаст фотоэлектронную эмиссию с поверхности.
Как известно на заряды, движущиеся в магнитном поле (в нашем случае это фотоэлектроны), действует сила Лоренца (Е=Б7 V q, где V - скорость, а q - заряд электрона), направленно отклоняющая их в сторону одного из контактных электродов в нашей модели. Кроме того, на электроны, вылетающих с поверхности эмиттера, действует сила электростатического притяжения, направленная к поверхности. При отсутствии магнитного поля эта сила электростатического притяжения не позволяет электронам удаляться от
поверхности на расстояние больше некоторого среднего значения (Д у), образуя над поверхностью электронное облако. Известно, что траектория заряда, движущегося в магнитном поле с постоянной скоростью, представляет собой окружность с радиусом re=me ve/qe B, (где me - масса электрона). При индукции магнитного поля, обеспечивающего условие ге<< Ду, электростатическим взаимодействием электронов с эмиттером можно, для упрощения, пренебречь. Очевидно, что при этом фотоэлектроны будут двигаться у поверхности по траекториям близким к полуокружностям, смещаясь за один цикл вылет-возврат на поверхность, на величину 2г по оси (Х) в сторону одного из контактных электродов. Таким образом на поверхности этого электрода (при разомкнутой внешней электрической цепи) будет накапливаться избыточный отрицательный электрический заряд, а между контактными электродами возникает разность электрических потенциалов и электрическое поле. При разомкнутой внешней цепи, это электрическое поле компенсирует силу Лоренца и при некоторых его значениях (при некоторой разности потенциалов), электроны перестают смещаться. Создаваемая разность потенциалов есть величина электродвижущей силы (ЭДС) в нашей модели-устройстве фотоэлектрического преобразователя энергии. При замыкании выводов контактных электродов на внешнюю нагрузку по образованной цепи пойдет электрический ток (I).
Для того, чтобы из рассмотрения исключить явления, связанные с фотомагнитным эффектом [1] (что, в принципе, возможно в диэлектрических фотоэмиттерах), фотоактивный эмиттер можно, например, изготовить в виде множества малых металлических участков-зон на диэлектрической же подложке. Необходимым условием в этом случае являются диэлектрические зазоры между зонами металла-эмиттера меньше 2г, где г - радиус траектории фотоэлектронов. (Возможны и иные конструкторские решения.)
Эмиссия электронов не является строго ортогональной к поверхности, она образует полусферу из направлений вылетающих электронов. Но если в средних значениях её считать, именно, ортогональной к поверхности, то приблизительные электротехнические параметры нашего преобразователя можно рассчитать, используя следующие выражения:
(1). Считая собственное электрическое сопротивление подложки и эмиттера, между контактными электродами, стремящимся к бесконечности, а сопротивление внешней нагрузки, стремящейся к нулю, то ток короткого замыкания (КЗ) можно рассчитать по простой формуле: ¡кз^ a 2г, где - плотность тока электронной эмиссии; (а) - ширина электрода (по оси
(2). Для расчета создаваемой между контактными электродами разности потенциалов, разности потенциалов воспользуемся следующим выражением: Ux=Ee Ы2ге , где Ш -максимально создаваемая разность потенциалов (электрическое напряжение) между контактными электродами; Ee - энергия эмитирующих электронов, выраженная в электрон-вольтах; Ь - размер эмиттера по оси (Х).
(3). Объединяя (1) и (2), получаем выражение для приблизительного расчета электрической мощности преобразователя: W=a Ь Ee Js, откуда видно, что создаваемая мощность пропорциональна площади эмиттера и плотности тока эмиссии, которая зависит от освещенности, энергии квантов света и от материала эмиттера.
Аналогично ВМЭ при фотоэлектронной эмиссии, те же явления при тех же условиях происходят и при иных способах получения потоков (эмиссии) электронов и других заряженных частиц с поверхности твердых тел в магнитном поле, а именно:
- термоэлектронная эмиссия;
- радиационная эмиссия, как вылет заряженных частиц в пространство над поверхностью эмиттера из радиоактивных материалов;
- все иные возможные физические и химические события, при которых возможны направленные движения электрических зарядов у поверхностей и на границах любых сред: жидкость с ионами - твердое тело; метал-ферромагнетик - метал диамагнетик, ферромагнетик -полупроводник; и другие системы, где существуют направленные движения электрических зарядов в ортогональном им магнитном поле.
Особый интерес могут представлять термоэлектрические преобразователи энергии, основанные на ВМЭ. Принципиально модель такого устройства практически аналогична фотоэлектрическому преобразователю, рассмотренному выше. Отличие в том, что эмиссия электронов вызвана не светом, а температурным нагревом эмиттера. При работе на внешнюю электрическую нагрузку, эмиттер охлаждается. Если разместить такой термоэлектрический преобразователь в термоизолированную от внешней среды камеру и поддерживать внутри рабочую температуру, подводя внутрь тепловую энергию, то можно получить преобразование энергии с КПД близким к 100%! Это вроде бы выглядит, как
22
нарушение 2-го начала термодинамики, так как нет градиентов температур (нагреватель/холодильник) в системе преобразователя. Это можно объяснить тем, что в нашей системе роль образования этого градиента температуры выполняет магнитное поле, которое заменяет тепловые потоки на электронные.
Следует, однако, отметить, что при выведении расчетов напряжения, тока и мощности преобразователя мы не учитывали собственную электропроводность эмиттера. Она принималась близкой нулю, так как они изготовлены практически из диэлектриков. Но при электронной эмиссии у поверхности эмиттера образуется пространственный токопроводящий слой, как электронное облако из тех же эмитированных электронов. Это в значительной степени снижает эффективность преобразования энергии. Эту проблему частично можно решить, изменив форму устройства из плоско-прямоугольной, как на рис.1, на, например, плоско-кольцевую, предельно сблизив контактные электроды между собой. Возможны и иные технические решения.
Список литературы
1. Тауц Я. «Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках». //М.: издательство иностранная литература. 1962 г.
2. Сальников А.В. «Внешний магнитоэлектрический эффект при термо- и фотоэлектронной эмиссии».// ISSN 0013-5860 Электротехника. 1993. № 3. С. 59-60.
ПЛАВУЧИЕ СОЛНЕЧНЫЕ И НАДВОДНЫЕ ВЕТРЯНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ КАК ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЙ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Дубовец Д.П.
Дубовец Денис Леонидович - инженер по охране окружающей среды, ОАО «УКХ«Минский моторный завод», г. Минск, Республика Беларусь
Аннотация: представленная работа основана на анализе имеющихся научных знаний и технологий развитых стран мира в области альтернативной энергетики и направлена на изучение современного состояния и развития мировой энергетики, основанной на возобновляемых источниках энергии. В представленной статье кратко изложена история развития мировой энергетики, представлены основные направления воздействия на окружающую среду при использовании топливно-энергетических ресурсов, проведен анализ и сделан вывод по развитию технологий альтернативной энергетики, основанной на принципе плавучих солнечных и надводных ветряных электростанций.
Ключевые слова: энергия, топливо. технологии, окружающая среда, возобновляемые источники, альтернативная энергетика, неисчерпаемые ресурсы.
Актуальность
Актуальность данной темы основана на необходимости снижения негативного антропогенного воздействия на окружающую среду, оказываемого мировой энергетикой при сжигании углеводородного топлива, а вследствие этого необходимости ускоренного перехода человеческого общества от интенсивного техногенного воздействия к новой парадигме устойчивого и рационального природопользования, при которой будет возможно удовлетворение потребностей в природных ресурсах не только настоящего и будущих поколений людей, но и обеспечено высокое качество окружающей среды.
Цели, задачи научная новизна
Целью представленной статьи, является анализ развития мировой энергетики, тенденции ее перехода к альтернативной энергетики с использованием плавучих солнечных и надводных ветряных электростанций.
Задачей представленной работы является систематизация полученных при изучении научной литературы патентов, полезных моделей знаний по развитию технологий, основанных на использовании возобновляемых и неисчерпаемых источниках энергии и перспективе внедрения плавучих солнечных и надводных ветряных электростанций.
