Термоэлектрический преобразователь нового типа на основе металл-диэлектрик-металл структур

1. Термоэлектрический преобразователь нового типа на основе металл-диэлектрик-металл структур.

Название проекта
Термоэлектрический преобразователь
нового типа на основе металл-диэлектрик-
металл структур
.
Карапетьян Г.Я.
2015

2. Цель проекта

Создание источников питания для малогабаритных
электронных и электрических устройств, не требующих
подзарядки или замены.
• Создание высокоэкономичных холодильных элементов для
холодильников и кондиционеров, а также для охлаждения
мощных микросхем, в частности для охлаждения процессоров
персональных компьютеров и ноутбуков.
Создание источника электроэнергии для электромобиля и мини
электростанций. Источник электроэнергии для автомобиля не
превышает размеры авто двигателя и может быть помещен под
капот электромобиля.

3. Проблема

В настоящее время в качестве источника питания в сотовых
телефонах, ноутбуках и других переносных электронных и
электроустройствах в основном используются электрохимические
элементы (батарейки и аккумуляторы фирм Nokia, Samsung и
Motorolla) и топливные элементы. Все эти источники обладают
одним существенным недостатком: необходимостью их замены
(батарейки) или зарядки необходимыми компонентами (топливные
элементы) или подзарядки (аккумуляторы). Необходимость замены
требует иметь в наличии необходимое количество запасных
батареек, а необходимость подзарядки наличие зарядного
устройства и стационарной электросети. Кроме того, время работы
этих источников питания при их интенсивном использовании
ограничивается несколькими часами, что не всегда удобно и может
привести к катастрофическим последствиям в экстренных случаях.
Так как число мобильных устройств, в каждом из которых стоит
источник, в настоящее время исчисляется сотнями миллионов
(особенно это касается сотовых телефонов), то остро возникает
проблема утилизации отработанных источников питания (особенно
электрохимических, содержащих вредные вещества), чтобы не
загрязнять окружающую среду.

4. Проблема

Современные кондиционеры имеют холодную и горячую стороны, что
приводит к необходимости располагать кондиционеры в окнах или
выполнять их в виде сплит-систем, одна из частей которого должна
находиться вне помещения, что значительно усложняет их установку.
Наличие горячей стороны в холодильниках приводит к дополнительному
разогреву помещения, в котором они располагаются, что приводит к
лишнему расходу электроэнергии, особенно в жаркую погоду.
Известно также, что при эксплуатации используемых в настоящее время
холодильников и кондиционеров возможны утечки рабочих газов
(хладагентов), вызывающих такие серьезные экологические проблемы как
разрушение озонового слоя и глобальное потепление.
Современная жизнь немыслима без автотранспорта, который загрязняет
окружающую среду выхлопными газами и требует все новые порции
природного топлива, запасы которого не возобновляются. Кроме того,
затраты на топливо приводят к удорожанию продукции особенно в
сельском хозяйстве, поскольку топливо там используется не только в
автотранспорте, но и в различных машинах и механизмах, для
механизации сельскохозяйственных операций.

5. Решение

Предлагаемый преобразователь будет изготавливаться на
кремниевых подложках, имеет вид микросхемы, поэтому не
содержат вредных веществ, присущих электрохимическим
источникам питания.
Так как предлагаемый преобразователь работает за счет
поглощения тепла окружающей среды, то необходимость замены
или подзарядки источников питания на его основе отпадает.
Холодильные элементы на основе предлагаемого
преобразователя будут значительно экономичнее
холодильников Пельтье из-за отсутствия горячей стороны, так
как в них не надо будет расходовать энергию на паразитную
термоэлектродвижущую силу (термоэдс), возникающую из-за
разности температур на горячем и холодном концах.
Поглощенное тепло будет преобразовываться в
электроэнергию, которая может быть возвращена обратно в
питающую сеть, что позволяет значительно уменьшить расход
электроэнергии.

6. Решение

Отсутствие горячей стороны в холодильниках позволит также
значительно уменьшить расход электроэнергии, особенно в
жаркую погоду, а кондиционеры без горячей стороны можно
будет устанавливать в любой части комнаты, так как нет
необходимости отвода горячего воздуха, как это происходит в
существующих оконных кондиционерах и сплит-системах.
Так как в предлагаемых холодильных элементах отсутствуют
хладагенты, то они не будут создавать экологические проблемы.
Объедение множества таких преобразователей в объеме, не
превышающем объем автомобильного двигателя, позволит
использовать такие преобразователи в электромобилях вместо
аккумуляторов, а также для создания небольших электростанций
для автономного снабжения электроэнергией жилых домов и
фермерских хозяйств. В этом случае автомобилям и
электростанциям не будет требоваться топлива, что приведет к
отсутствию затрат на топливо и загрязнения окружающей среды

7. Конкурентные преимущества

1. Предлагаемый преобразователь имеет вид микросхемы, что позволяет
изготавливать на его основе малогабаритные источники питания, не
требующие замены или подзарядки, что дает возможность
устанавливать такие источники питания лишь однажды. Это позволяет
упростить конструкцию корпуса сотовых телефонов и других
малогабаритных электронных и электрических устройств, а,
следовательно, и снизить их стоимость. Отсутствие подзарядки делает
устройства, использующие такие источники питания, приводит к
отсутствию необходимости зарядного устройства, а, следовательно,
стационарной электросети.
2. Основным преимуществом предлагаемого преобразователя как
холодильного элемента для холодильников и кондиционеров является
отсутствие горячей стороны, отсутствие экологически вредных
хладагентов, а поглощенное тепло преобразуется в электрическую
энергию (в процессе работы преобразователь охлаждается,
преобразуя поступающее на него тепло в электрическую энергию), что
приводит к значительному уменьшению потребления электрической
энергии.
3. Основным преимуществом предлагаемого преобразователя в
качестве источника электроэнергии для автомобиля или для мини
электростанций является отсутствие потребления топлива и связанного
с этим загрязнения окружающей среды.

8. The purpose of LED proposal is the solution above problems

Конкурентные преимущества
The purpose of LED proposal is the solution above problems
Полупроводниковый
термоэлектрический холодильник
старой конструкции с горячей и
холодной сторонами
Полупроводниковый
термоэлектрический холодильник
новой конструкции без горячей
стороны

9. Использование термоэлектрического преобразователя для охлаждения и питания светодиодов

Конкурентные преимущества
Использование термоэлектрического преобразователя для
охлаждения и питания светодиодов
светодиодная матрица без
преобразователя
Светодиодная матрица с предлагаемым
термоэлектрическим преобразователем

10. Конкурентные преимущества

Кроме того, предлагаемый преобразователь выгодно отличается от
тнрмоэлектрического полупроводниковогло преобразователя на
основе сульфида самария (см. http://lib.convdocs.org/docs/index291852.html), который для своей работы также не требует создания
разности температур, но может работать при температурах выше 450
градусов Цельсия. Т.е. такой преобразователь не может работать при
комнатных температурах и ниже и не может работать в качестве
охлаждающих элементов.

11. Описание продукта

Основой преобразователя является структура металл-диэлектрикполупроводник-металл (МДПМ-структура) типа полевого транзистора
МДПМ-струтура представляет собой конденсатор, который заряжается через
донный электрод, а разряжается через приповерхностный заряд (через
соединенные вместе сток-исток) до U0.
Величина и полярность напряжения на конденсаторе подбирается таким
образом, чтобы в нем концентрация электронов была бы намного больше, чем
в объеме полупроводника, что обусловливает исчезновение запорного слоя
между.
поверхностным зарядом и металлом, контачащим с ним. При зарядке через
донный электрод электроны переходят из металла в полупроводник и он
охлаждается. При этом поглощенная тепловая энергия (т.е. кинетическая
энергия) преобразуется в потенциальную энергию заряженного конденсатора и
напряжение на конденсаторе становится большим, чем U0 на величину Uк. Таким
образом, при зарядке термоэлектрического конденсатора до напряжения U0,
достаточного для того, чтобы в приповерхностном заряде концентрация
электронов была бы много больше, чем в объеме полупроводника и электроны в
приповерхностном заряде находились бы в вырожденном состоянии, между
донным электродом и параллельно соединёнными стоком и истоком создается
разность потенциалов, равная ΔU=Uк- Uк1.

12. Описание продукта

ΔU=0.1V
Rin=RL+Rnsch
RL=10
Rnsch =100

13. Описание продукта

P=500W
Rin= 0.011

14. Расчет издержек

Taking into account that the converter consists of 3 layers, the cost of silicon for the manufacture of
the converter for cooling 1,000 LEDs with power of 0.5 W each will be equal to $2.5х3х3=$22.5.
Taking into account a cost of manufacture of the MDSM structures, the cost of this cooler can be
estimated as $100-150. However, note that such cooler in addition to cooling produces electricity to
power the LEDs

15. Основные параметры преобразователя

Предлагаемые термоэлектрические преобразователи также
как приборы, выполненные по технологии Energy Harvesting
будут иметь вид микросхемы, но будут обладать значительно
большей мощностью, кроме дневного солнечного излучения
при ясной погоде (10000 мкВт/см2, см. техническое
описание), что позволит повысить функциональность
питаемых им устройств или упростить (удешевить)
микросхемы, поскольку не надо будет использовать
микросхемы с пониженным энергопотреблением.
Основные параметры полупроводникового
термоэлектрического преобразователя.
Выходное напряжение………………………………………………………..5
В
Максимальный выходной
ток………………………………………………..200 мА
Диапазон рабочих температур……………………………………………50С …. +50С.
Габаритные размеры, не
более……………………………………………50х30х3 мм3
Масса, не более………………………………………………………………12 г
Максимальная отдаваемая мощность, не
более…………………………1 Вт
Необходимость в подзарядке или
замене…………………………………………………………..….не требуется

16. ЧТО СДЕЛАНО

В настоящее время предлагаемый термоэлектрический
преобразователь находится на стадии, когда разработаны рабочие
чертежи, определены материалы, необходимые для изготовления
преобразователя, и оборудование, необходимое для его изготовления.
Разработан и изготовлен стенд, содержащий, для измерения
электрических параметров преобразователя, на котором проведены
измерения полевых транзисторов КП304 (МДПМ-структура), а также,
определено, где можно изготовить опытную партию преобразователей.
Проведены теоретические исследования и обоснована работа данного
преобразователя как источника электрической энергии и
холодильного элемента. В результате последних экспериментов с
полевыми транзисторами в отличие экспериментов, приведенных в [1]
экспериментов получено превышение мощности на резисторах на 10%
(что значительно выше ошибки измерений) за счет поглощения тепла
из окружающей среды.
Результаты исследований опубликованы в рецензируемых научных
журналах:
1. Л.С. Лунин, Г.Я. Карапетьян, В.Г Днепровский, В.Ф.Катаев
Преобразование тепла окружающей среды в электрическую энергию в
системе металл-диэлектрик-полупроводник-металл//Журнал
технической физики, 2013, том 83, вып. 11, с.72-77
2. Karapetyan G., Dneprovski V. Research of Opportunity to Use MISM
Structures for Cooling of Light-Emitting Diodes//Chapter 29 in book
Mechanics of NewMaterials and theirApplications Ivan A . Parinov, Shun
Hsyung Chang Editors, 2013, р.405-416 ISBN 978-1-62618-566-1
https://www.novapublishers.com/catalog/index.php

17. Объем и темпы развития рынка

Поскольку мобильные телефоны и ноутбуки, холодильники и
кондиционеры в последнее время распространились по всему
миру, то предлагаемый термоэлектрический преобразователь будет
востребован во всех странах мира. В настоящее время объем этого
рынка составляет десятки миллиардов долларов в год. В
дальнейшем, очевидно, объем рынка только будет расти,
поскольку число потребителей сотовых телефонов неуклонно
растет из года в год (потребуется 2-3 миллиарда сотовых
телефонов и для каждого нужен будет источник питания). В связи с
потеплением климата также будет расти потребление
кондиционеров и холодильников. Как следует из вышесказанного,
наиболее вероятными целевыми сегментами рынка для
предлагаемого преобразователя будут производители сотовых
телефонов, так как каждый телефон комплектуется источником
питания, и производители холодильников, кондиционеров и
процессоров для персональных компьютеров и ноутбуков, которым
необходимы холодильные элементы. Еще одним сегментом могут
стать потребители уже приобретенных малогабаритных
электронных устройств.
Постепенно произойдет вытеснение продукцией предприятие
существующих батареек и аккумуляторов, поскольку отпадает
необходимость их подзарядки или замены. Новые холодильные
элементы постепенно вытеснят существующие, поскольку они
потребляют намного меньше электроэнергии (или даже могут ее
производить). не имеют горячей стороны и не приводит к нагреву
помещений, где они расположены, что очень важно при жаркой
погоде.

18. Объем и темпы развития рынка

Динамика рынка сотовых телефонов в
России
В 2010 г предложение
холодильников и морозильников
в России выросло на 24%
и составило 6,4 млн шт.
Внутреннее производство
холодильников и морозильников
составляло в 2006—2010 гг около
55% от объема предложения.
Динамика рынка
кондиционеров в России

19. ОБЪЁМ ПРОДАЖ И ПРИБЫЛЬ

Объем инвестиций: 1-год – 1,5 млн.руб., 2-й год 15 млн.
руб.
Срок возврата инвестиций – 36 месяцев (исходя из:1$=30
руб.)

20. Этапы развития проекта

Этап
Объем
Срок
инвестиций
,
реализации
млн. руб.
Доработка экспериментального
образца
1,5
12 месяцев
Разработка конструкторской
документации, подготовка и
начало производства
15
12 месяцев
Начало продаж, опытнопромышленная эксплуатация
установочной партии серийных
образцов
-
12 месяцев

21. Смета на изготовление опытного образца.

№ этапа Наименование работ по основным
этапам НИР
Сроки
выполнения
работ, мес.
Стоимость
работ, $
Место
изготовления,
проведения
1.
Изготовление МДПМ структуры
работающей в режиме насыщения
3
25 000
1.1.
Расчет и изготовление фотошаблонов для
изготовления МДПМ структур
1
6250
1.2.
Отработка технологии и изготовление МДПМ
структур, работающих в режиме насыщения
2
6250
2.
2.1.
Испытание изготовленных структур
3
1
6250
3125
2.2.
Проведение испытаний МДПМ структур
2
3125
Исследование изготовленных
МДПМструктур
Исследование зависимости выходного
напряжения МДПМ структуры от
температуры
3
6250
1
3125
НИИ механики и
прикладной математики
ЮФУ
Измерение внутреннего сопротивления МДПМ
структуры
2
3125
НИИ механики и
прикладной математики
ЮФУ
3.
3.1.
3.2.
Разработка и изготовление стенда для
проведения испытаний МДПМ структур
4.
Изготовление термоэлектрического
преобразователя нового типа
3
12500
4.1.
Изготовление и исследование последовательнопараллельного соединения МДПМ структур
1
6250
4.2.
Исследование собранной схемы, получение
режима охлаждения
2
6250
ИТОГО
НИИ механики и
прикладной математики
ЮФУ
Таганрогский технологический
институт южного
федерального университета
НИИ механики и
прикладной математики
ЮФУ
НИИ механики и
прикладной математики
ЮФУ
НИИ механики и
прикладной математики
ЮФУ
НИИ механики и
прикладной математики
ЮФУ
50 000

22. БИЗНЕС-МОДЕЛЬ

инвестор
продажи
автор
ООО
Продажа лицензий
Потребители
малогабаритных
источников
питания
Фирмыпроизводители
малогабаритных
источников питания,
холодильников,
миниэлектростанций
и аккумулятотроов
для электромобилей

23. ПРЕДЛОЖЕНИЕ ДЛЯ ИНВЕСТОРА

Объем необходимых инвестиций в
проект 16,5 млн. руб.
Срок возврата инвестиций 36 месяцев
Предоставление прав на использование
интеллектуальной собственности на
основе неисключительной или
исключительной лицензии (предмет
переговоров)
Доля владельца интеллектуальной
собственности в прибыли – 25 %

24. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

Контактная информация:
Карапетьян Геворк Яковлевич,
[email protected]
+79185697733,