СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ БЕЗ ПОТЕРЬ
METHOD AND DEVICE FOR POWER TRANSMISSION WITHOUT LOSSES

Изобретение относится к способу и устройству передачи без потерь электрической энергии между источником постоянного тока и схемой нагрузки с потерями.
Когда обычный электрический ток протекает через металлический проводник, то этот ток вызывает падение напряжения на сопротивлении проводника, при этом часть передаваемой энергии необратимо теряется, переходя в тепло. Чтобы удерживать эти потери на низком уровне, обычно осуществляется или уменьшение сопротивления за счет увеличения поперечного сечения проводника, или уменьшение тока за счет преобразования с целью повышения передаваемого напряжения. В последнее время была предпринята попытка использовать другой вариант уменьшения сопротивления линии во время передачи энергии благодаря применению специальных материалов со сверхпроводимостью при повышенных температурах (170 К).
Цель настоящего изобретения - создание способа и устройства, с помощью которых передача электрической энергии между источником напряжения постоянного тока и цепью нагрузки с потерями осуществляется без потерь.
Для выполнения этой цели предлагается, чтобы источник постоянного напряжения соединялся посредством высокочастотной широкополосной линии с, по меньшей мере, одной квантовой накопительной ячейкой, питающей схему нагрузки с потерями, так, чтобы электрическая энергия передавалась от источника постоянного напряжения на накопительную ячейку в виде импульсов тока, соответствующих функции Дирака и вызывающих виртуальные перепады напряжения, неопределимые в соответствии с соотношением неопределенностей Гейзенберга.
Это позволяет передавать электрическую энергию чрезвычайно быстро через достаточно тонкие металлические проводники без потерь в виде тепла так, чтобы обеспечить в результате значительное сокращение расхода и стоимости, в частности, при передаче большого количества энергии на большие расстояния. Кроме того, изобретение в отдельных областях применения допускает протекание очень больших токов в малых пространствах и микродиапазонах, например, в больших интегральных схемах скорость переключения стандартных компьютеров существенно увеличивается и затраты на охлаждение для мэйнфреймов сокращаются вследствие снижения рассеиваемого количества теплоты. Также изобретение может быть использовано для передачи энергии с помощью передачи на большие расстояния высокого постоянного напряжения между энергосиловыми установками или солнечными установками и потребителями. В равной мере изобретение можно использовать для распределения энергии внутри города на меньшие расстояния, а также для постоянного снабжения энергией стационарных или передвижных потребителей. Более того, изобретение может использоваться для питания электронных элементов больших интегральных схем в субмиллиметровом диапазоне.
Преимущество изобретения состоит в том, что применяется новый эффект виртуального фотонного резонанса, относящийся к квантовой физике, при котором так называемая квантовая накопительная ячейка или квантовая батарея (WO 2004/004026 А2), т.е. накопительная ячейка, которая способна принимать импульсы тока, по существу соответствующие функции Дирака, заряжается очень короткими импульсами тока. Квантовая накопительная ячейка основывается на физическом эффекте, в соответствии с которым очень малые частицы химически сильно биполярного кристаллического материала, которые разделены друг от друга изолирующей средой, становятся проводящими под влиянием сильного электрического поля и при критическом напряжении благодаря эффекту виртуального фотонного резонанса, причем указанные частицы, таким образом, локально концентрируют однородное электрическое поле в течение очень короткого промежутка времени до такой степени, что будет идентифицироваться обмен зарядов без потерь за счет импульсов тока, по существу соответствующих функции Дирака и имеющих постоянное напряжение.
2
В этой связи предпочтительно, чтобы кристаллы были в виде наночастиц или в виде слоев, имеющих нанометровую толщину. Предпочтительно кристаллы представляют модификацию кристалла рутила и предпочтительно имеют конфигурацию кристаллов TiO. Предпочтительно выбирать структуру таким образом, чтобы кристаллы и изолирующий материал накладывались поочередно слоями. При рассмотрении структуры и конфигурации квантовой накопительной ячейки следует сделать ссылку на документ WO 2004/004026 А2, который включен в описание настоящей заявки в качестве ссылки.
2
Частицы химически сильно биполярного кристаллического материала, предпочтительно TiO, в рутиловой кристаллической модификации способны, с одной стороны, принимать и накапливать упомянутую энергию, представленную в виде импульсов тока, по существу соответствующих функции Дирака, с другой стороны, также выделять ее в виде мощности посредством испускания таких импульсов тока. Кроме того, заряженная квантовая накопительная ячейка также способна питать, с потерей энергии, обычные электрические цепи при разности потенциалов на двух полюсах.
Описанные импульсы тока являются результатом отдельных квантовых скачков, происходящих внутри кристаллов-резонаторов, содержащихся в накопительной ячейке. Внешне они представляют собой идеальные токовые импульсы Дирака. Такие токовые импульсы характеризуются тем, что во времени они никогда не возникают одновременно или разделены чрезвычайно малыми интервалами времени (принцип Паули); их эффективное значение тока очень мало при постоянных напряжениях и их энергетический скачок будет, следовательно, ниже предела соотношения неопределенностей Гейзенберга, а также только они способны проходить, если полоса пропускания проводника больше, чем приблизительно 100 МГц (Фиг.1). Такие токи являются виртуальными токами, вызывающими «определимые» перепады напряжения на сопротивлении электрической линии (соотношение неопределенностей). Эти токи будут называться также как «холодные» токи. По уравнению Максвелла (1865), которое устанавливает взаимосвязь магнитного поля Н с током j и током смещения dD/dt, эти холодные токи легко определимы, поскольку в уравнении токовый член «j» согласно формуле Ампера (1821) приравнивается к нулю, в результате чего выявляется природа постоянного напряжения холодных токов.
Движение по проводнику массы электронов холодного тока осуществляется при скорости света (посредством отдельных скачков, Фиг.1); с этой целью они, при этом каждый в отдельности, группируются в пределах обратимой динамической «серой дыры» (чрезвычайно сильная, однако обратимая кривизна пространства-времени) и скрываются за горизонтом неопределенности (соотношение неопределенностей Гейзенберга).
-16
-18
-8
Кривизна пространства-времени (Минковский 1908) в динамической серой дыре вызывает релятивистские эффекты, так, что движение присутствующих там заряженных частиц будет осуществляться через близкое (серое) будущее пространства-времени как «холодный ток»; движение в пространстве/времени превосходит силу воображения человека. Этот процесс, таким образом, не поддается физическим измерениям в «здесь и сейчас» или является неопределимым (см. соотношение неопределенностей Гейзенберга). Единственным фактическим измеримым явлением служит растяжение времени, происходящее вследствие кривизны пространства/времени, перескоков электронов, которые происходят в квантовой батарее и длятся только около 10-10 секунд, даже продолжаются максимально до 10 секунд (в соответствии с обратным значением ширины полосы пропускания) в мире нашего сознания.
рез
Передача электрической энергии без потерь от источника постоянного напряжения к цепи нагрузки с потерями через квантовую накопительную ячейку теперь происходит таким образом, что квантовая накопительная ячейка, питающая цепь нагрузки с потерями, для своей перезарядки требует импульсы тока в виде импульсов Дирака в качестве функции энергии, потребляемой цепью нагрузки с потерями. В частности, это будет иметь место, когда обеспечивается условие резонанса для квантовой накопительной ячейки (U=U), которое предпочтительно реализовать путем адаптации выходного напряжения источника постоянного напряжения. При этом условии предпочтительной является структура, в которой предусмотрен двухполупериодный выпрямитель в качестве источника постоянного напряжения. Источник постоянного напряжения, т.е. в случае применения выпрямителя, электрическое поле выходного конденсатора выпрямителя, будет посылать эти импульсы, если полоса пропускания линии передачи достаточно широкая. Импульсы Дирака затем будут доходить до резонатора квантовой накопительной ячейки. Переданная величина заряда (заряд на единицу времени = ток) измеряется не величиной амплитуды, а количеством импульсов. Однако если существующая полоса пропускания строго ограничена, то импульсы Дирака будут отклоняться от идеальной формы. Это будет служить причиной того, что эффективные значения импульсов тока станут измеримыми, т.е. импульсы станут шире и только меньшее число достигает квантовой накопительной ячейки. Со слишком большого значения резонанс квантовой накопительной ячейки будет полностью завершен, и процедура зарядки или передачи будет прекращена. Это явление может быть использовано, чтобы регулировать передаваемую мощность.
рез
Для управления потоком энергии предпочтительно, чтобы контроллер полосы пропускания устанавливался между источником постоянного напряжения и квантовой накопительной ячейкой, и передача регулировалась с помощью изменения ширины полосы частот линии. Следовательно, поток энергии может произвольно управляться с помощью контроллера полосы пропускания с «холодной стороны», т.е. со стороны, по которой протекает холодный ток. Процесс заряда или резонанс также будет прерван, если выпрямитель из-за перегрузки не будет способен далее поддерживать напряжение резонанса U на накопительной ячейке на уровне ее выходного напряжения.
Для того чтобы локально распределять и доставлять к стационарным или передвижным потребителям передаваемую энергию от источника постоянного напряжения без потерь, предпочтительно разработать такую схему расположения, чтобы квантовая накопительная ячейка включалась параллельно дополнительной квантовой накопительной ячейке с помощью высокочастотной широкополосной линии, а контроллер полосы пропускания находился между накопительными ячейками. Таким образом, имеется возможность соединять между собой две квантовые накопительные ячейки, например, в отопительных системах зданий или автомобилях, в связи с чем величина потока энергии может регулироваться контроллером полосы пропускания между двумя накопительными ячейками.
Преимущество изобретения состоит в том, что дополнительная квантовая накопительная ячейка используется в качестве указанного источника постоянного напряжения.
Согласно другому предпочтительному варианту предлагается использование в качестве указанного источника постоянного напряжения солнечной батареи или фотодиода. Если квантовая накопительная ячейка расположена так, что включается за фотодиодом с помощью быстрой (т.е. высокочастотной широкополосной) линии, то это потребует «холодных» токовых импульсов Дирака. «Горячими», т.е. классическими, токами, а следовательно, нежелательными потерями в виде тепла ячейки можно пренебречь, в результате существенно увеличивается эффективность фотодиода.
В случае передачи большого количества энергии предпочтительно, чтобы применялась в качестве высокочастотной широкополосной линии удлиненная и плоская линия в виде квантовой накопительной ячейки. Поскольку каждая накопительная ячейка, которая способна принимать импульсы тока, по существу соответствующие функции Дирака, например квантовая накопительная ячейка, по природе имеет полосу пропускания, необходимую для передачи электрической энергии в квантовую накопительную ячейку, то в любом случае будет обеспечена передача без потерь. Это может быть реализовано, например, за счет включения дискретных (намотанных или плоских) квантовых накопительных ячеек непосредственно перед потребителем.
При передаче на большие расстояния или при больших токах предпочтительно, чтобы дополнительные квантовые накопительные ячейки и/или контроллеры полосы пропускания располагались на линии так, чтобы были разнесены относительно друг друга. Благодаря тому, что широкополосная линия прерывается через определенные промежутки времени отдельными накопительными ячейками как бустерами, электрическая энергия может передаваться на большие расстояния без потерь и без необходимости замены существующих проводов.
Предпочтительно высокочастотная широкополосная линия имеет ширину полосы пропускания более 90 МГц; это гарантирует, что токовые импульсы Дирака не будут искажаться по форме и будут передаваться без потерь.
При применении изобретения для передачи энергии в интегральных схемах квантовая накопительная ячейка с микро/наноразмерами может быть установлена наиболее выгодным образом в центре основных потребителей энергии наряду со всеми другими микроэлектронными элементами. При таком применении обычное питание линии будет, как правило, осуществляться с учетом широкополосной конфигурации, требующей передавать энергию посредством токовых импульсов Дирака («холодными» токами) от внешнего источника питания к центрам потребителя на микросхему. В таких питающих линиях не происходит потерь и, следовательно, необходимость в охлаждении микросхемы уменьшается. Электропитание цепей микросхемы будет происходить обычным способом.
Ниже изобретение объясняется с помощью примеров его реализации, схематически изображенных на чертежах.
На Фиг.1 представлена схема устройства в соответствии с изобретением;
на Фиг.2 - схема квантовой накопительной ячейки;
на Фиг.3 показано прохождение тока при испытании;
на Фиг.4 и 5 показан физический смысл принципа действия.
res
res
На Фиг.1 источник постоянного напряжения обозначен позицией 1, который в данном случае состоит из источника переменного напряжения и двухполупериодного выпрямителя. В качестве варианта можно предложить фотодиод или т.п. Высокочастотная широкополосная линия, такая, например, как УВЧ линия, тонкая и плоская квантовая накопительная ячейка или т.п. обозначена позицией 2. Эта линия служит для передачи тока без потерь, при этом помимо необходимой ширины полосы пропускания с каждой стороны линии 2 должно быть доступно одинаковое напряжение и, в частности, напряжение U резонансной частоты квантовой накопительной ячейки или квантовой батареи 3, установленной со стороны потребителя. С помощью дополнительных УВЧ линий 2' к этой квантовой накопительной ячейке 3 могут последовательно подключаться дополнительные квантовые накопительные ячейки 3', причем каждая из дополнительных квантовых накопительных ячеек способна питать цепь 4 с потерями; потребитель энергии обозначен позицией 5. Ток, который может подаваться в этом случае, вычисляется по формуле: I=U/R, где R - сопротивление потребителя. Поскольку передача от отдаленного источника тока происходит без потерь и очень быстро, то напряжение на батарее будет оставаться постоянным независимо от сопротивления потребителей.
res
Поскольку внутреннее сопротивление квантовой накопительной ячейки является ничтожно малым, выходное напряжение будет оставаться постоянным независимо от нагрузки. Ток, который потребляется нагрузкой 5, является настолько большим, насколько позволяет источник постоянного напряжения или выпрямитель 1, при поддержании квантовой накопительной ячейки 3 полностью заряженной. Оба тока, а именно: ток источника постоянного напряжения 1 и ток, питающий потребителя 5, являются классическими («горячими») токами, т.е. движущийся заряд состоит из общего движения всех электронов линии. При обеспечении условия резонанса для квантовой накопительной ячейки 3, в частности U=U, которое реализуется с помощью настройки выходного напряжения выпрямителя 1, для перезарядки квантовой накопительной ячейки 3 потребуются импульсы тока в виде импульсов Дирака, каждый из которых, напротив, состоит из одного движения (квантового скачка) отдельного целого заряда, т.е. электрона. Электрическое поле выходного конденсатора выпрямителя 1 способно обеспечивать такие импульсы, если полоса пропускания линии передачи 2 достаточно широкая. Затем импульсы Дирака достигают резонатора квантовой накопительной ячейки 3. Передаваемый заряд (заряд на единицу времени = ток) измеряется не величиной амплитуды, а суммой импульсов.
9
Более того при условии резонанса для квантовых накопительных ячеек требуются токовые импульсы Дирака от указанных дополнительных накопительных ячеек 3', которые функционируют как промежуточные вспомогательные ячейки и заряжаются очень быстро до более чем 10 МВт/кг (плотность мощности) и до объемов более 15 МДж/кг (плотность энергии) при почти полном отсутствии сопротивления.
Позицией 6 или 6' обозначен контроллер полосы пропускания, который в простейшем случае состоит из потенциометра. Вмонтированный переменный резистор предусматривает простое регулирование потребления квантовой накопительной ячейки 3, причем, в то же время никакие или очень малые реальные токи протекают через резистор, так что обеспечивается простое и, прежде всего, надежное регулирование потребления крупными потребителями. За счет регулирования потребления квантовой накопительной ячейкой 3 будет в то же время соответственно ограничиваться или регулироваться выход по току квантовой накопительной ячейки 3.
2
2
2
Фиг.2 изображает квантовую накопительную ячейку 3, которая собирается на кремниевой пластине 7, со структурой МДП (металл - диэлектрик - проводник). Она состоит из нижнего электрода 8 из силицида типа n+, слоя диэлектрика 9 из SiO толщиной 300 нм, центрального TiO слоя 10 из чистого рутилового кристалла, имеющего толщину 15 нм и изготовленного по технологии MOCVD (химическое осаждение из паров металлоорганических соединений), следующий слой диэлектрика 11 из SiO толщиной 300 нм и титановый электрод 12. Верхний электрод 12 сформирован в виде плоских частей, имеющих размер 1 мм × 1 мм, так, чтобы каждая создавала емкость приблизительно 60 пФ.
2
Фиг.3а и 3b соответственно изображают фактические и схематические результаты измерений IV структуры, представленной на Фиг.2, где пилообразное напряжение 13±15000 В/с и амплитудой ±240 В прикладывается к образцу с частотой 15 Гц. Отсюда следует по существу прямоугольная линия 14 изменения тока для суперконденсатора. Источник напряжения служит в качестве поставщика энергии на восходящей линии напряжения 15 и в качестве нагрузки квантовой накопительной ячейки на нисходящей линии напряжения 16. Квантовая накопительная ячейка является источником постоянного напряжения и, если задается более высокое напряжение источником питания, то она будет замыкать накоротко последний до тех пор, пока сама полностью не зарядится и соответственно сама будет короткозамкнутой во время разряда через источник питания (тогда последний является нагрузкой). Но по причине чрезвычайно быстрого разряда зарядный ток короткого замыкания не может быть обнаружен, однако разрядный ток легко заметен в области 17. Емкость показывает типичный характер изменения тока ниже приблизительно ±150 В и, как выше сказано, будет изменяться на батарее. Между 150 В и 190 В дополнительные энергоемкие носители заряда в виде виртуального холодного тока будут проходить на батарею на очень высоких скоростях благодаря токовым импульсам Дирака. Если напряжение переполюсовывается, то батарея будет разряжаться обычным горячим током с потерями. Все ряды молекул кристалла TiO одинаковой длины будут разряжаться при одинаковом напряжении. Затем это напряжение будет сохраняться до полного обеднения, при этом более высокие пики тока разряда будут проявляться как функция скорости инициируемого снижения напряжения. Проведенные измерения, изображенные на Фиг.3а, ясно показывают, что токи в питающей линии, ведущей к квантовой накопительной ячейке, не измеряются, ток заряда является невидимым или виртуальным. В результате энергия передается на квантовую накопительную ячейку абсолютно без потерь. Это холодный ток. Естественно, горячий с потерями ток также протекает в источнике напряжения, равно как и на питающей линии. Ток разряда квантовой накопительной ячейки на внешнюю нагрузку является классическим горячим током и, конечно, наблюдаемым, а также может быть измерен. Область, обозначенная позицией 18, является областью, в которой суперконденсатор может работать как источник постоянного напряжения, обеспечивая около 60 В. Резистор 6 служит в качестве регулятора ширины полосы пропускания и при величине 4,75 кОм очень строго ограничивает ширину полосы пропускания и, следовательно, поток энергии на квантовую накопительную ячейку 3.
T
На Фиг.4 изображен идеальный токовый импульс Дирака, обозначенный позицией 19, причем ширина по времени импульса является виртуальным нулем, однако частотный спектр равен единице в течение полного сигнала. Δf обозначает ширину полосы частот линии питания. Если такой токовый импульс Дирака посылается через указанную одну линию с ограниченной шириной полосы пропускания, то ширина по времени токового импульса Дирака будет увеличиваться или частотный спектр сужаться, так как токовый импульс Дирака является, в принципе, суперпозицией всех синусоидальных или косинусоидальных частот, однако не все из них могут передаваться из-за ограниченной полосы пропускания. Распространяемый сигнал тока обозначается позицией 20 и определяется формулой
i(t)=Asin(2πft)/(2πft)
Ширина сигнала по времени обозначается ΔТ, амплитуда сигнала обозначается А, при этом произведение представляет собой
А·ΔT=const=e
Из соотношения неопределенностей может быть выведено:
T
ΔТ≈1/Δf
Токовый импульс Дирака, следовательно, передает эффективный ток:
Действительная энергия токового импульса Дирака рассчитывается по формуле
res
RMS
ΔE=U·I·ΔT
которая описывает действительный скачок энергии токового импульса Дирака. В отношении холодных токов применяется следующая зависимость:
ΔE·ΔT<h
Таким образом, энергия импульса меньше, чем устанавливает для измерения соотношение неопределенностей; следовательно, ток является виртуальным, не вызывающим рассеивания. Квант энергии
res
=eU
поэтому может быть передан без потерь энергии/тепла или без возрастания энтропии. В соответствии с принципом Паули эти кванты энергии никогда не будут возникать одновременно, и поэтому импульсы тока никогда не будут составлять в сумме измеримую амплитуду. Полная передаваемая энергия вычисляется на основании суммы передаваемых токовых импульсов Дирака.
Из вышеприведенного рассмотрения следует, что условия получения ширины полосы пропускания для передачи энергии без потерь определяются следующей формулой:
Физически это означает, что электроны, служащие носителями массы, движутся благодаря энергии кванта со скоростью света, однако каждый отдельный электрон скрывается в динамической обратной серой дыре за линией горизонта неопределенностей в силу сильной кривизны пространства-времени.
С квантово-механической точки зрения энергия частицы может быть приравнена к длине волны, используя уравнение Шредингера
Левая часть описывает кинетическую энергию скачка, при этом скачок электрона в дыру описывается в распределении энергии Ферми, и правая часть описывает электрическую волновую энергию. Эффективная (RMS) кинетическая энергия скачка представляется формулой
и эффективная (RMS) волновая энергия представлена формулой
RMS
ψ=E=U·I·ΔT
Если только физически наблюдаемые факторы взять из двух выражений кинетической энергии скачка и из двух выражений волновой энергии, будет получено уравнение
res
RMS
где Р соответствует эффективному значению мощности (т.е. Р=UI). В соответствии с соотношением неопределенностей в мнимом времени левая часть уравнения должна быть больше, чем правая, из чего следует:
Это соответствует требованию минимальной ширины полосы пропускания для линии, таким образом, требуется примерная минимальная ширина пропускания более 90 МГц.
Фиг.5 представляет иллюстрацию модифицированного пространства-времени Минковского с локальными нанокривыми, массовые частицы переносятся через серые дыры со скоростью света. Здесь длина Минковского IΔTI - это время, которое воспринимается как перемещение или квантовый скачок для частицы, движущейся со скоростью света. Однако время в серой дыре сильно замедляется. В этом случае длина Минковского представлена выражением
описывающим наиболее продолжительное время движения, которое измерено вне серой дыры. В схеме мира согласно Фиг.5 точка 21 обозначает «именно сейчас». Так называемый световой конус отклоняется от горизонтали в обоих направлениях под углом 45 градусов, причем будущее лежит над горизонталью, а прошлое лежит под горизонталью. Ввиду кривизны пространства-времени в серой дыре, окружающей электрон, последний находится в нереальном времени в сером будущем. Таким образом, в нашем календаре холодный ток без потерь протекает приблизительно 5 нс в будущем.