СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H02N3/00 H05H1/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для получения электрической энергии путем преобразования тепловой энергии плазмы в электрическую.

Известен реализуемый устройством способ получения электрической энергии, согласно которому полученной в термоядерном реакторе плазме сообщают по каналам прямолинейное перемещение и осуществляют преобразование в электрическую энергию посредством установки на пути перемещения плазмы нескольких коллекторных решеток, выполненных в виде "венецианских жалюзи" (см. патент США N 3816771, кл. 310-5, 1974).

Недостатками данного технического решения являются сложность и дороговизна изготовления оборудования и осуществления способа, значительные габариты конструкции, реализующей способ, и недостаточный уровень экологической безопасности, характерный для эксплуатации ядерных реакторов.

Наиболее близким к предложенному техническому решению (способу и устройству) является способ получения электрической энергии, реализуемый термоионным преобразователем энергии (патент США N 3300661, кл. 310-4, 1967) - наиболее близкий аналог.

Устройство содержит корпус, установленные в нем анод и катод, предназначенный для излучения электронов, ионизирующую часть, находящуюся в контакте с излучающей поверхностью, и систему нагрева катода и ионизирующей части. Работа выхода анода меньше работы выхода катода.

Способ осуществляют следующим образом.

Посредством системы нагрева разогревают катод, который излучает электроны. В полости устройства получают низкотемпературную плазму. В процессе истечения с поверхности катода электронов происходит контактная ионизация паров металла с частичной конденсацией на поверхностях анода и катода и преобразование тепловой энергии в электрическую.

Недостатком данного изобретения является низкий коэффициент полезного действия при преобразовании тепловой энергии в электрическую. Это не позволяет использовать изобретение в промышленных целях. Отсутствие возможности управления ионизируемым потоком снижает функциональные возможности устройства, повышает вероятность аварий, что отрицательно сказывается на экологическом состоянии окружающей среды. Существенным недостатком изобретения является также наличие обратного потока испаряемого материала, который конденсируется на рабочих поверхностях катода и анода, затрудняя физический процесс съема электрической энергии, излучаемой во внутреннем объеме устройства.

Задачами настоящего изобретения являются: повышение коэффициента полезного действия при получении электрической энергии, удешевление ее получения, а также обеспечение безопасности и экологической чистоты при осуществлении данного изобретения.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе получения электрической энергии, включающем создание потока электронов путем нагрева катода и создание разности потенциалов, новым является то, что поток электронов формируют в пучок электронов и направляют его на подложку из плазмообразующего материала через экран, выполненный в виде двух сопряженных меньшими основаниями усеченных конусов, при этом в полости конуса, обращенного к подложке, размещают коллектор, причем образованный плазменный поток концентрируют в полости этого конуса, а в полости второго конуса образуют стоячую волну, при этом образованный сгусток плазмы закручивают, обеспечивая создание разности потенциалов между коллектором и конусом, обращенным к подложке, за счет осаждения электронов на поверхности коллектора, а ионов - на поверхности конуса.

Для реализации предложенного способа разработано устройство, включающее катод и анод, установленные в корпусе, и систему разогрева катода, в котором, согласно изобретению, корпус установлен в стакане, а на корпусе закреплен лучепровод в виде конического сопла, причем лучепровод через камеру с отверстиями соединен с экраном, выполненным в виде двух усеченных конусов, соединенных меньшими основаниями, при этом вершина конуса сопла расположена в плоскости сопряжения малых оснований конусов, причем в нижней части стакана размещена подложка из плазмообразующего материала, а в полости конуса, обращенного к подложке, установлен коллектор.

Устройство характеризуется также тем, что подложка размещена в тигле, выполненном из огнеупорного материала с возможностью вращательного и вращательно-поступательного перемещения посредством привода. Угол конусности конусов экрана выбирают в интервале 16 - 48 градусов, а на коллекторе и на наружных поверхностях конусов экрана размещены электрические катушки. Стакан корпуса выполнен сборным, полость корпуса соединена с турбомолекулярным насосом, а полость стакана - с форвакуумным насосом.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлено устройство для получения электрического тока, осевой разрез.

Устройство для получения электрической энергии состоит из корпуса 1, в котором размещены катод 2, прикатодный электрод 3, а также анод 4 с кольцами 5 и магнитная линза 6.

На торцовой поверхности корпуса 1 посредством крепежных элементов 7 установлен лучепровод, выполненный в виде конического сопла 8. На лучепроводе посредством гаек 9 закреплена камера 10 с отверстиями 11 и первый электрод (экран), выполненный в виде соединенных меньшими основаниями усеченных конусов 12 и 13. В полости конуса 13 размещен второй электрод (коллектор) 14, а под ним, в нижней части стакана, - металлическая подложка 15. Подложка может быть расположена в тигле 16, выполненном из огнеупорного материала и установленном на основании 17. Основание 17 размещено на дне стакана 18 и имеет возможность вращения и возвратно-поступательного перемещения посредством привода (не показан).

Рядом со стаканом расположены источник 19 ионизированных паров и трансформатор 20 с элементами 21 подключения к электрическому источнику и элементами 22 для вторичного подключения к электрическому источнику энергии посредством проводов 23 и выключателя 24, соединенного с потребителем 25 вырабатываемой электрической энергии через выключатель 26, соединенный в единую электрическую цепь с вторым электродом 14, на котором размещена электрическая катушка 27, а на наружной поверхности усеченных конусов 12 и 13 (первый электрод) размещена электрическая катушка 28.

Стакан 18 может быть выполнен сборным, так как в процессе работы наблюдаются высокие температурные режимы и возникает необходимость замены полностью стакана или разных его частей. Поэтому стакан состоит из элементов 29 и 30, прикрепленных к основанию 18. К элементу 30 стакана прикреплен патрубок 31, к которому подсоединен турбомолекулярный насос 32, предназначенный для откачки корпуса, а к патрубку 33 подсоединен форвакуумный насос 34, предназначенный для откачки полости стакана. (Насосы на схеме показаны фрагментарно).

Способ получения электрической энергии осуществляют посредством описанного выше устройства следующим способом.

Первоначально, в зависимости от температуры плавления плазмообразующего материала подложки 15, монтируют на корпус 1 коническое сопло 8 с требуемым углом (α) при вершине усеченного конуса. Эта зависимость приведена в табл. 1 (получена на основании экспериментальных данных).

Перед монтажом конического сопла 8 определяют число Маха в зависимости от величины электрического тока, вырабатываемого катодом 2 (см. табл. 2).

В практической деятельности значение числа Маха a > 4 не используют и поэтому в табл. 2 значения числа Маха начинаются с M = 1,2.

Практически угол не может быть больше 48 град., так как при этом значение числа Маха должно быть больше 3-х, что при воздействии концентрированного потока энергии (электронного пучка) обеспечить невозможно. Как показали экспериментальные работы, при α <16 град. устройство имеет очень большие габариты, что приводит к нарушению формирования сгустка плазмы. Поэтому угол α определен в пределах 16 град. ≤ α ≤ 48 град.

Далее присоединяют лучепровод, который устанавливают таким образом, чтобы вершина усеченного конуса сопла 8 находилась в плоскости сопряжения оснований усеченных конусов 12 и 13 первого электрода. Далее к устройству подсоединяют потребитель электрической энергии и трансформатор 20. Все разъемы проверяют течеискателем. Включают форвакуумный насос 34 и после создания в стакане давления 6,65 Па включают турбомолекулярный насос 32, который осуществляет откачку полости корпуса 1 до давления 6,65•10^-3 Па.

Затем включают трансформатор 20 и разогревают катод 2 до температуры 1500 -1600 град.C, при которой с его поверхности начинается интенсивное истечение электронов. Одновременно соответствующее напряжение подают на прикатодный электрод 3, анод 4 и магнитную линзу 6. Элемент электронного пучка 35, двигаясь с высокими скоростями, попадает на подложку 15, в результате чего материал подложки ионизируется и в итоге вторичные и отраженные электроны 36 устремляются в направлении конуса 13, образуя сгусток низкотемпературной плазмы 37 с каналом 38, необходимым для прохождения электронного пучка. За счет того, что на пути потока, исходящего с подложки 15, установлен усеченный конус, то поток (как это известно из газодинамики) "чувствует" вершину конуса и начинает тормозиться, образуя стоячую волну. При этом электроны электронного пучка сами являются генераторами закрутки двигающихся навстречу электронов и ионов, так как "обрабатываемый" ими материал (находится в тигле) перемещается, создавая температурный градиент между тиглем и первым электроном. За счет движения электронов и тигля и температурного градиента создаются центробежные силы, которые раскручивают электроны и ионы. Электроны, масса которых значительно меньше массы ионов, раскручиваются ближе к оси электронного пучка, а ионы на более дальнем расстоянии образуют свое отдельное вращение.

Стоячая волна 39, состоящая из частиц испаряемого материала, тормозит частицы парогазового потока, движущиеся со скоростью 10³ - 10⁵ см/с. За счет того, что сам электронный пучок является генератором закрутки, а скорость вращения потока зависит также и от величины тока электронного концентрированного пучка, то с увеличением тока, как показали исследования, скорость вращения частиц потока достигает до 100 об/с и более. Так как электроны имеют массу порядка 10³¹ кг, а ионы - 10^-27 кг, то радиусы их вращения резко различаются. Электроны осаждаются на поверхности второго электрода. Одновременно, в случае необходимости, в эту среду вводят ионизированный поток из источника 19.

Между электродами создается достаточно большая разность потенциалов, которая, по сравнению с питающим катод 2 напряжением, может отличаться от двух и более раз. При соответствующих режимах и числе оборотов парообразного потока частиц разность потенциалов может достигать весьма больших значений, соответствующих разности масс электрона и иона.

Далее включают выключатели 24 и 26, подсоединяя к устройству потребитель электрической энергии 25, а трансформатор 20 отключают от источника питания и устройство начинает работать за счет собственной вырабатываемой энергии. При необходимости трансформатор может оставаться включенным.

В процессе работы устройства плазменный сгусток 37 постоянно пополняется плазмой, генерируемой электронным пучком из ионообразующей подложки 15. Плазменный сгусток удерживают на протяжении рабочего времени, которое определяется необходимостью замены подложки. Разделение электронов и ионов происходит практически мгновенно за счет воздействия центробежных сил. При этом происходит подзарядка частиц испаряемого материала за счет взаимодействия с ионами, вращающимися вокруг сгустка плазмы, что способствует получению разности потенциалов между первым и вторым электродами (до 300 - 400 В и более).

Для создания дополнительных сил, способствующих удержанию плазменного сгустка, можно использовать электрические катушки 27 и 28. Это необходимо в случаях, когда скорость вращения плазмы не превышает 100 об/с.

Проверку промышленной применимости изобретения осуществляли на устройстве со следующими параметрами:
Ускоряющее напряжение (кВ) - 15
Рабочий ток (мА) - 200
Плазмообразующий материал АМг - 6
Скорость перемещения плазмообразующего материала (м/ч) - 35
Время удержания плазменного сгустка (ч) - 0,5
Давление в стакане (Па) - 6,65
Давление в корпусе с катодом и анодом (Па) - 6,65•10^-3
Температура паровой фазы материала АМг 6 примерно равна 2440 град. C. Для регистрации формирования плазменного сгустка и его удержания в плоскости устройства была использована скоростная киносъемка. Для этого в первом и втором электродах были выполнены специальные пазы, через которые съемка и осуществлялась. Одновременно измеряли разность потенциалов между стенками коллектора и стенками стакана. Разность потенциалов составила 380 В, а ток зафиксирован на уровне 10 А, мощность - 4 кВт.

Работы, проведенные на устройстве, подтвердили, что происходит отделение электронов от ионов, а также их вращение вокруг электронного концентрированного пучка, что как раз и обуславливает условия получения источника энергии.

Для подтверждения вращения парогазового потока был снят второй электрод 14 и на внутренней стенке первого коллектора была установлена перегородка, после чего производилось включение устройства.

После окончания работы внутренняя полость первого электрода была сфотографирована. На фотографии отчетливо видно, что перегородка с одной стороны чистая, а с другой - напылена. Этот эффект можно получить только в том случае, если поток вращается.

Изобретение позволяет получить дешевую электрическую энергию при условии соблюдения экологической чистоты процесса, посредством осуществления устойчивого управления плазменным процессом. Устройство просто в изготовлении, надежно в эксплуатации. Способ обладает широкими технологическими возможностями, безопасен в реализации и может быть использован в смежных областях науки и техники, в которых применяют электронный поток.

Способ получения электрической энергии включает формирование пучка электронов 35 путем нагрева катода 2 и направление его на подложку 15 из плазмообразующего материала. Пучок электронов проходит через экран, выполненный в виде двух сопряженных меньшими основаниями усеченных конусов 12, 13. Образующийся плазменный поток 37 концентрируют в конусе 13 и закручивают его. При этом за счет разделения по массам электронов и ионов создается разность потенциалов между поверхностью конуса 13 и поверхностью коллектора 14. В полости конуса 12 образуют стоячую волну, препятствующую разлету плазменного сгустка 34. Устройство содержит катод 2, анод 4, систему нагрева катода. Катод 2 и анод 4 размещены в корпусе 1. Корпус 1 установлен в стакане 18. На корпусе 1 закреплен лучепровод в виде конического сопла 8. Лучепровод соединен с экраном через камеру 10 с отверстиями 11. Подложка 15 из плазмообразующего материала размещена в нижней части стакана 18. В полости конуса 13 установлен коллектор 15. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ получения электрической энергии, включающий создание потока электронов путем нагрева катода и создание разности потенциалов, отличающийся тем, что поток электронов формируют в пучок электронов и направляют его на подложку из плазмообразующего материала через экран, выполненный в виде двух сопряженных меньшими основаниями усеченных конусов, при этом в полости конуса, обращенного к подложке, размещают коллектор, причем образованный плазменный поток концентрируют в полости этого конуса, а в полости второго конуса образуют стоячую волну, при этом образованный сгусток плазмы закручивают, обеспечивая создание разности потенциалов между коллектором и конусом, обращенным к подложке, за счет осаждения электронов на поверхности коллектора, а ионов на поверхности конуса. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в образованный плазменный поток подают ионизированный компонент. 3. Устройство для получения электрической энергии, включающее катод и анод, установленные в корпусе, и систему нагрева катода, отличающееся тем, что корпус установлен в стакане, при этом на корпусе закреплен лучепровод в виде конического сопла, причем лучепровод через камеру с отверстиями соединен с экраном, выполненным в виде двух усеченных конусов, соединенных меньшими основаниями, при этом вершина конуса сопла расположена в плоскости сопряжения малых оснований конусов, причем в нижней части стакана размещена подложка из плазмообразующего материала, а в полости конуса, обращенного к подложке, установлен коллектор. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что подложка размещена в тигле, выполненном из огнеупорного материала. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что подложка имеет возможность вращательного и возвратно-поступательного перемещения посредством привода. 6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что угол конусности усеченных конусов экрана составляет 16 48^o. 7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что на коллекторе и на наружных поверхностях конусов экрана размещены электрические катушки. 8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что стакан выполнен сборным. 9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что полость корпуса соединена с турбомолекулярным насосом. 10. Устройство по п.3, отличающееся тем, что полость стакана соединена с форвакуумным насосом.