ЭЛЕКТРОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР-2 Российский патент 1996 года по МПК H02N3/00 

Электрогазодинамический генератор (ЭГДГ) устройство, в котором заряженные положительно или отрицательно дисперсные частицы или газовые ионы естественным ветром переносятся против электрического поля, осаждаясь на коллекторе, рекомбинируют, повышают его напряжение.

В качестве ближайшего аналога можно указать ЭГДГ, описанный в [1] ЭГД метод и аппарат [1] в котором частицы распыленной жидкости, заряженные на входе канала, перемещаются потоком воздуха к последовательно расположенным коллекторам, стенки канала состоят из поперечных обтекаемых плоскостей, через промежутки между ними внутрь канала втекает дополнительный воздух. Для снижения взаимного расталкивания заряженных частиц собственным электростатическим полем в канал дополнительно инжектируются частицы нейтральной жидкости.

В данной конструкции неизбежны значительные потери энергии, обусловленные трением воздуха о прерывистые плоскости, а также потери в зоне образования и заряжения частиц. Инжекция дополнительной жидкости будет снижать плотность объемного заряда.

Вместе с тем одновременно с притоком свежего воздуха через промежутки в ограждениях из канала выходит обратный ток воздуха с заряженными частицами наружу, что, кроме снижения плотности объемного заряда, обусловит нарушение экологической чистоты атмосферы (при любых жидкостях, кроме воды).

Применение в ЭГДГ вместо дисперсных частиц ионов воздуха будет значительно эффективнее, не нарушается экология, наоборот при работе на минус ионах и выносе их током воздуха наружу, экологические условия будут повышаться, т. к. содержащиеся в воздухе минус ионы известный лечебный фактор.

Однако ионы, обладая большой подвижностью, под влиянием собственного электрического поля всегда уходят из ионизированного облака и к коллектору доходит объемный заряд очень малой плотности, отсюда низкий КПД.

Автор разработал ЭГДГ-2, обладающий принципиальной новизной применением эффективного пульсирующего метода коронного разряда с малыми потерями в зоне ионизации и стабилизирующей объемный заряд от рассеяния системы фокусирующих электродов (электрических полей) обеспечивающих необходимую плотность ионов.

Сущность изобретения заключается в следующем.

1. Диэлектрический разъемный корпус генератора для уменьшения трения имеет поперечное сечение с наименьшим периметром, обеспечивающим максимальный объем при минимальной поверхности и компактную компоновку блоков.

2. Применение фокусирующих электродов из электропроводящих покрытий (напыление, эмаль) позволит обеспечить низкий коэффициент трения.

3. Увеличение начальной плотности объемного заряда достигается применением импульсного преобразователя тока короны при прерывистом синхронном включении вытягивающего электрода.

4. Осуществление фокусирования объемного заряда простой системой центральных электродов.

5. Инвертирование тока коллектора В.Н. в ток Н.Н.

6. Увеличение мощности генератора применением нескольких последовательно расположенных секций комплексов электродов ионизирующих, фокусирующих и токосъемочных (коллекторов).

На фиг. 1 изображен ветровой ЭГДГ-2; на фиг. 2 принципиальная схема секционированного ЭГДГ-2.

1. Основным звеном ЭГДГ-2 (фиг. 1) является блок, состоящий из канала - диэлектрического тонкостенного корпуса 1, разъемного по средней плотности, в поперечном сечении имеющего фигуру с малым периметром, например, круга, шестиугольника, эллипса со скрепляющими зажимами 2, небольшого сопла 3, коллектора 4, на входе расположены коронирующий электрод 5, соединенный через прерыватель 6 с пусковым высоковольтным питателем 7, через импульсный преобразователь 8 с конденсатором 9 и через диод и соединительный провод 10 с инвертором. Вытягивающий электрод 11 через реле 12 включается в цепь короны синхронно с коронирующим электродом.

На внутренней поверхности корпуса имеется множество поперечных электродов (ПЭ) из электропроводящих покрытий 13 обладающих минимальным трением. ПЭ верхней и нижней части корпуса соединены разъемными контактами 14. Наружные выводы ПЭ 15 замыкаются на нагрузку и ограничители напряжения, они могут быть соединены с коронирующим электродом как дополнительные источники питания.

По средней плоскости зоны переноса расположена система фокусирующих центральных электродов (ЦЭ), состоящая из поперечных пластин покрытых электропроводящей эмалью 16, скрепленных диэлектрическими планками 17. Каждый элемент ЦЭ соединен с дополнительной нагрузкой 18.

На ЦЭ имеется сетка из поперечных параллельных проволок с выводами для соединения с пороговым разрядником.

Коллектор 4, состоящий из проводящих пластин или сетки, расположенных на выходе, через провод 10, соединен с инвертором, отдает энергию через реле 19 в нагрузку 2, частично, при работе с самовозбуждением, в систему коронного разряда.

При начальном пуске электропитание может осуществляться вспомогательным высоковольтным источником малой мощности 7, при кратких перерывах в работе, высоковольтным конденсатором 9, соединенным через преобразователь 8 с коронирующим электродом.

Для полной автоматизации процессов пуска, регулирования мощности в соответствии со скоростью ветра необходимо оснащение электроникой, в частности, системой обратной связи.

Генератор состоит из спаренных блоков, размеры одного блока в поперечном сечении могут быть до нескольких м², длина до 3-5 м.

В генераторе может быть использован ветер со скоростью от 3-4 до 40-50 м/с и выше (при соответствующем расчете конструкции), что невозможно для крыльчатых ветродвигателей.

Генератор (блок) работает на положительных или отрицательных ионах. В зоне коронного разряда средняя скорость ионов около 50-60 м/с, т.е. в несколько раз больше средней скорости ветра (8-10 м/с) и при малом межэлектродном промежутке (30-50 мм) для снижения потерь тока на вытягивающий электрод, питание короны осуществляется пульсирующим разрядом, необходимая частота и скважность коронного разряда поддерживается импульсным преобразователем. Осуществимость подобного метода подтверждается расчетом и результатами испытания лабораторной модели.

В дальнейшем принимается, что генератор работает на положительных ионах.

Ионы из зоны ионизации потоком воздуха выносятся в зону переноса. Процесс торможения рассеяния объемного заряда (поперечной стабилизации) заключается в следующем.

В результате электрической индукции положительного объемного заряда и зарядов ПЭ, на поверхности ЦЭ образуются отрицательные заряды, положительные через выводы мгновенно уходят в землю через дополнительную нагрузку. Поперечное поле наведенных отрицательных зарядов на ЦЭ, находящихся внутри объемного заряда, направлено против поля положительного объемного заряда, окружающего эти электроды и в значительной мере компенсирует его. Суммарное поле системы отрицательных зарядов ЦЭ (в основном) и заряженных положительно ПЭ, согласно теореме Гаусса, на уровне наружной поверхности объемного заряда может полностью компенсировать поперечное поле этого заряда и предотвратить рассеяние ионов в объем, продолжается лишь диффузия ионов на ПЭ, но она относительно незначительна.

Вместе с тем ПЭ, имея заряд от осадившихся из объема ионов такого же знака как и объемный и напряжение каждого электрода соответствующее данному сечению зоны переноса (это напряжение устанавливается пороговым разрядником) поддерживают по всей длине зоны переноса среднюю величину встречного поля коллектора в каждом сечении зоны.

Все изложенное в основном подтверждается в эксперименте на модели.

Естественно, что кроме взаимодействия полей, происходит и непосредственный обмен заряженными частицами. Положительные ионы внутренних слоев объемного заряда, где имеется значительный дисбаланс полей, устремляются к отрицательно заряженным ЦЭ, осаждаются, рекомбинируют и под влиянием все той же электрической индукции положительные заряды немедленно отводятся к выводам и нагрузке. Процессы заряжения и разряжения ЦЭ в соответствии с законами коммутации переходных процессов происходят автоматически (колебательные процессы). При этом скорость индукции несоизмеримо выше скорости оседания ионов из объема, поэтому практически на всех ЦЭ будут всегда преобладать отрицательные заряды, поперечное поле которых, как уже сказано выше, тормозит рассеяние объемного заряда. Пульсирующий ток ЦЭ обладает энергией, равной энергии доли объемного заряда осевшего в виде ионов в каждом поперечном сечении генератора, эта энергия повышается по мере приближения ионов к коллектору, т.е. энергия ионов, осевших на ЦЭ, в значительной мере утилизируется, хотя и в меньшей степени, чем на коллекторе, на который поступает основная часть объемного заряда.

По предварительным расчетам блок ЭГДГ-2 при скорости ветра около 10 м/с будет иметь КПД 45 50% и удельную мощность:
к площади поперечного сечения до 250-300 Вт/м²
к весу 25 40 Вт/кг
выходное напряжение без преобразователя до 100 120 кВ.

При увеличении скорости ветра удельная мощность будет повышаться.

2. На фиг. 2 показан продольный разрез ЭГДГ-2, в корпусе 1 которого устанавливается несколько секций с комплексами электродов 21, включающих коллектор 4, коронирующий электрод 5 и вытягивающий электрод 11. Протяженности секций должны быть при средней скорости ветра 8-10 м/с достаточными для создания на коллекторах напряжения в 6-8 раз превышающего напряжение короны.

Питание короны секций возможно от одного источника 22, в этом случае они соединяются параллельно. Коллекторы с нагрузкой соединяются автономно, но при близких напряжениях могут быть соединены параллельно.

Коллекторы первой и последующих секций, имея более высокое напряжение, чем коронирующие электроды, будут своим полем оказывать дополнительное давление на ионы, ускоряя их движение к очередному коллектору. При относительной проницаемости коллектора, т.е. прохождения некоторых ионов через промежутки составляющими его электродами без контакта с ними, проскочившие через него ионы будут потоком отнесены к следующему коллектору.

Мощность и КПД секционированного генератора будут значительно выше, чем при однократном цикле.

3. Трение воздуха о поверхность корпуса в генераторе оказывает заметное влияние на КПД, одним из условий снижения является применение поперечного сечения с относительно малым периметром, к таким формам сечения можно отнести шестиугольник, круг или эллипс.

Конструкция предлагаемого генератора проста, поэтому он может быть изготовлен в любой специализированной мехмастерской. В качестве опоры можно применять облегченные конструкции, например, трубчатые мачты с растяжками.

При применении для рабочих плоскостей бытовых ЭГД-ветроагрегатов особенно легких материалов, например легких тканей, картона с пропиткой (с соответствующим армированием) возможно изготовление разборных и даже переносных ветроагрегатов (например для экспедиций).

В данное время закончена разработка технической документации на опытный образец 2, имеющий размеры, близкие к габаритам бытового генератора, намечается его изготовление. Ранее изготовленный на базе НИИэлектромашиностроения небольшой лабораторный образец ЭГДГ при испытании показал обнадеживающие результаты.

Использование: в энергетике, в частности в электрогазодинамических генераторах. Сущность изобретения: генератор содержит разъемный диэлектрический корпус 1, образующий канал, внутри которого размещены коронирующий 5 и вытягивающий 11 электроды, поперечные электроды 15, фокусирующие центральные электроды 16 и коллектор 4. Канал выполнен расширяющимся в направлении движения воздуха, который является рабочей средой генератора. Коронирующий электрод 5 установлен на входе в канал, коллектор 4 - на выходе. Поперечные электроды 15 из электропроводящих покрытий, например эмали, выполнены на внутренней поверхности корпуса. В средней плоскости канала расположена система фокусирующих центральных электродов 16, которые осуществляют вместе с поперечными электродами стабилизацию объемного заряда в канале. Система центральных электродов состоит из поперечных пластмассовых полосок с проводящими покрытиями и окружена проволочной сеткой, замедляющей осаждение на центральных электродах ионов из объема. Поперечные электроды 15 соединены с дополнительной нагрузкой. Коллектор 4, состоящий из проводящих пластин или сетки, соединен с основной нагрузкой 20. Центральные электроды 16 через дополнительную нагрузку 18 заземлены. Коронирующий электрод 5 при запуске генератора запитывается от вспомогательного источника напряжения 7. Вытягивающий электрод 11 заземлен через реле 12. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрогазодинамический генератор, содержащий диэлектрический канал, на входе которого размещены коронирующие электроды, образующие положительные или отрицательные ионы, с питанием при начальном запуске от вспомогательного источника напряжения малой мощности, на выходе коллектор, соединенный с основной нагрузкой, отличающийся тем, что генератор состоит из тонкостенного разъемного корпуса из диэлектрика с низкой поверхностной проводимостью и высоким пробивным напряжением, поперечное сечение канала выполнено расширяющимся по длине корпуса и обуславливающим максимальный объем канала при минимальной поверхности, генератор содержит на внутренней поверхности корпуса поперечные электроды, выполненные из электропроводящих покрытий, каждый поперечный электрод соединен с дополнительной нагрузкой, при этом по средней плоскости зоны переноса расположена система фокусирующих центральных электродов, осуществляющая совместно с объемным зарядом ионов и поперечными электродами поперечную стабилизацию объемного заряда, причем система состоит из поперечных пластмассовых полосок с проводящими покрытиями и окружена проволочной сеткой, замедляющей осаждение на центральные электроды ионов из объема, каждый центральный электрод через дополнительную нагрузку замкнут на землю, питание коронирующего электрода осуществляется через инвертор, соединенный с коллектором, состоящим из проводящих пластин или сетки, через импульсный преобразователь низкой частоты с определенной скважностью с самовозбуждением, причем коронирующий электрод соединен с высоковольтным конденсатором, стабилизирующим напряжение короны, генератор содержит вытягивающий электрод, заземленный через реле, соединенное с импульсным преобразователем. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе в зоне переноса устанавливаются через определенные промежутки, обеспечивающие значительное повышение энергии ионов относительно начального, несколько секций с комплексами электродов, каждый комплекс включает коронирующий и вытягивающий электроды и коллектор. 3. Генератор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что поперечное сечение корпуса имеет фигуру с малым периметром, например, в форме круга, или шестиугольника, или эллипса.