СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ Российский патент 2005 года по МПК H02N3/00 

Изобретение основано на взаимодействии электрических зарядов, которым обладают, образующие любое вещество, частицы (электроны, протоны, ионы, радикалы) и может быть использовано для производства электроэнергии, в качестве энергосиловых устройств на транспорте, в электрохимических производствах различных веществ, кристаллов, материалов.

Известно множество аналогов, позволяющих путем электролиза, получать всевозможные вещества, химические соединения, материалы. Электролизом воды получают компоненты экологически чистого водородно-кислородного топлива [1, 2, 3], которое сжигают, преобразуя в электроэнергию (тепловые электростанции).

Основные недостатки аналогов: значительно больший расход энергии на электролиз воды, чем получают при сжигании производимых компонентов топлива; водородно-кислородное топливо обладает повышенной взрывоопасностью, т.к. образует "гремучий газ"; сложность технологической схемы топливоэлектрического производства делает низким общий коэффициент полезного действия и требует большого расхода топлива; водородотопливная технология требует колоссальных инвестиций, т.к. необходимо строительство заводов по производству водородного топлива и сети специальных заправочных станций.

Наиболее близким изобретением, выбранным в качестве прототипа, является магнитодинамический автоэлектролиз [4], вырабатывающий экологически чистое водородно-кислородное топливо, преобразуемое в электроэнергию по традиционной схеме теплоэлектростанции.

Осуществляют прототип следующим образом. На систему, содержащую поляризующиеся электроды и электрически заряженную среду, состоящую из обладающих электрическим зарядом частиц (ионов) диссоциированного электролита и молекул ионизируемого рабочего вещества - воды, воздействуют магнитным полем, ортогональным направлению вращения, вращающимся в плоскости, параллельной принимающим ионы поверхностям электродов. Благодаря этому, создают относительное движение ионов электрически заряженной среды в магнитном поле, перпендикулярном направлению движения. На разнополярные ионы, движущиеся относительно магнитного поля, действует сила Лоренца, ортогональная вектору магнитной индукции и скорости относительного движения, разводящая разноименно заряженные ионы в противоположные стороны на противоположно поляризующиеся электроды. При достаточных значениях линейной скорости относительного движения зарядов и магнитной индукции поля, разность потенциалов между электродами достигает напряжения разложения воды, что приводит к возникновению электрического тока в зарядоэлектрической среде между поляризующимися электродами и электролизу воды. Рекомбинируемые на электродах продукты электролиза - водород и кислород выводят из зарядоэлектрической системы, сжигают, преобразуя по теплоэлектрической схеме в тепловую энергию, в механическую, а затем в электроэнергию.

Прототип обладает несколько лучшими энергетическими характеристиками в сравнении с традиционным электролизом, но сложнее в технической реализации.

Задачей, предлагаемого способа производства энергии, использующего энергию взаимодействия электрических зарядов, является устранение вышеуказанных недостатков прототипа.

Это достигается тем, что осуществляют ионизацию инертного газа в герметичном объеме с пониженным давлением порядка 10-100 Па с помощью электрической дуги в электрическом поле, ортогонально направленном к электрическому полю дуги, этим полем выводят электроны из электрической дуги, ускоряют их, формируют электронный луч, направляя его на отрицательно поляризующийся электрод, положительно поляризуют положительными ионами ионизированного газа катод электрической дуги, создавая во внешней электрической цепи между противоположно поляризующимися электродами электрический ток, передающий электроэнергию потребителю, и вновь подвергают ионизации рекомбинированный газ.

В известном способе, где в зарядоэлектрической системе, содержащей принимающие ионы поляризующиеся электроды и зарядосодержащую среду, состоящую из разнополярных ионов диссоциированного электролита и молекул воды, действуют вращающимся в параллельной поляризующимся электродам плоскости магнитным полем, ортогональным направлению вращения, вызывающим поляризацию электродов разнополярными ионами зарядосодержащей среды и электролиз молекул воды, под воздействием разности потенциалов между поляризующимися электродами, с получением компонентов водородно-кислородного топлива. При этом ионизация молекул воды и рекомбинация ионов в атомы производится разностью потенциалов между электродами, создаваемой разнополярными ионами зарядосодержащей среды за счет энергии вращающегося магнитного поля. Следовательно, в известном способе энергия электрического заряда ионизированных молекул воды не используется, а, наоборот, на компенсацию зарядов ионов воды зарядами ионов, поляризующих электроды, затрачивается энергия вращающегося магнитного поля. Водородно-кислородное топливо сжигают, преобразуя по сложной и энергетически малоэффективной теплоэлектрической схеме в электроэнергию.

По предлагаемому способу в известной зарядоэлектрической системе, содержащей рабочее вещество и поляризующиеся электроды, но по способу рабочее вещество представляет собой инертный газ, чтобы снизить эрозию электродов и затраты энергии на ионизацию. Зарядоэлектрическая система содержит: электроды - анод и катод электрической дуги; электроды электрического поля, ортогонально направленного к электрическому полю дуги; поляризующиеся электроды, соединенные с катодом электрической дуги внешней электрической цепью, включающей в себя потребителей электроэнергии. Ионизируют рабочее вещество в герметичном объеме с пониженным давлением порядка 10-100 Па (чтобы снизить вероятность столкновения электронов с нейтральными атомами и молекулами рабочего вещества и соответственно уменьшить потери энергии электронов) с помощью электрической дуги в ортогонально направленном к электрическому полю дуги электрическом поле. Этим полем выводят электроны из электрической дуги, ускоряют их, формируют электронный луч и направляют его на поляризующийся электрод, поляризуя его отрицательно. Положительные ионы ионизированного рабочего вещества идут к катоду электрической дуги, создавая на нем избыток положительных зарядов, поляризуя катод положительно. Между положительно и отрицательно поляризующимися электродами, соединенными внешней электрической цепью, идет электрический ток, передающий электрическую энергию потребителям в электрической цепи, а также на положительно поляризующемся электроде электрический ток взаимно компенсирует положительные заряды ионов, превращая их в атомы и молекулы рабочего вещества, которое вновь подвергается ионизации электрической дугой.

Сущность предлагаемого способа производства энергии заключается в ионизации рабочего вещества, например, газообразной смеси инертного газа и веществ с малой работой выхода электронов, в герметичном объеме при пониженном давлении порядка 10-100 Па с помощью электрической дуги в ортогонально направленном к электрическому полю дуги электрическом поле. Под воздействием этих электрических полей рабочее вещество ионизируют и разделяют на положительные ионы и отрицательные электроны. В результате нейтральное рабочее вещество превращают в заряженную плазму, обладающую колоссальной электрической энергией, на много порядков превосходящую тепловую энергию плазмы. Направляемые электрическими полями ионы приходят на поляризующиеся электроды, соответственно поляризуя электроды своими зарядами. Поляризующиеся электроды соединены внешней электрической цепью, по которой в результате взаимодействия электрических зарядов идет электрический ток, передающий по электрической цепи потребителям электроэнергию, пропорциональную произведению силы тока на разность потенциалов между противоположно поляризующимися электродами. Так преобразуют электростатическую энергию заряженной плазмы в электроэнергию. Кроме того, электрический ток взаимно компенсирует на катоде электрической дуги положительные заряды ионов, рекомбинируя их в атомы, соединяющиеся в молекулы рабочего вещества, которое вновь подвергается ионизации и превращению в заряженную плазму. Следовательно, рабочее вещество по предлагаемому способу практически не расходуется, не образуются отходы, свойственные топливо сжигающей энергетике, в том числе, прототипу.

Предлагаемый способ осуществляют в зарядоэлектрической системе, содержащей: рабочее вещество в виде газообразной смеси инертного газа и веществ с малой работой выхода электронов, в герметичном объеме при пониженном давлении порядка 10-100 Па; электроды - анод и катод электрической дуги; электроды ортогонально направленного к электрическому полю дуги электрического поля и поляризующиеся электроды, соединенные с катодом электрической дуги внешней электрической цепью, включающей в себя потребителей электроэнергии. В этой системе электрической дугой ионизируют рабочее вещество и действуют электрическим полем, ортогонально направленным к электрическому полю дуги. Под действием электрического поля дуги электроны устремляются к аноду, а положительные ионы - к катоду. Взаимодействуя с ортогональным электрическим полем, электроны будут выходить из электрической дуги. Под действием взаимно ортогональных электрических сил траектория движения электронов искривляется в направлении результирующей силы. Электроны выходят из зоны действия поля электрической дуги и остаются в зоне действия ортогонального электрического поля. Другая часть электронов дуги при соответствующем расстоянии между электродами дуги и соотношении напряженностей электрического поля дуги и ортогонального поля будет попадать на анод дуги, поддерживая процесс электрической дуги. Ионы рабочего вещества с положительным зарядом, обладающие массой в тысячи раз большей, чем электрон под воздействием поля электрической дуги и ортогонального электрического поля практически не изменят своей траектории и будут большей частью попадать на катод дуги, поляризуя его положительно. Следовательно, регулируя напряженности ортогонального поля и поля электрической дуги, а также расстояние между электродами дуги, получают требуемое количество и концентрацию носителей зарядов в зарядоэлектрической среде - заряженной плазме зарядоэлектрической системы. С каждой обладающей электрическим зарядом частицей (ионом) взаимодействует ортогональное электрическое поле, вызывая ускоренное движение иона по траектории, определяемой его зарядомассовой характеристикой и напряженностью поля. Разнополярные ионы движутся в разных направлениях на противоположно поляризующиеся электроды, происходит разделение нейтрального рабочего вещества на положительно и отрицательно заряженную плазму в пространстве полей зарядоэлектрической системы. Ионы одинаковой полярности, двигаясь в одном направлении, сближаются друг с другом под действием силы Лоренца, образуя пучок заряженных частиц, увеличивая суммарный потенциал ансамбля одноименно заряженных ионов, передаваемый поляризующемуся электроду. Пониженное давление рабочего вещества (порядка 10-100 Па) уменьшает вероятность столкновения иона с нейтральной частицей, что существенно снижает потери энергии пучка заряженных частиц. Между поляризующимися электродами образуется разность потенциалов, эквивалентная сумме энергий: энергии взаимодействия ансамбля одноименно заряженных в одном направлении движущихся ионов и получаемой ионами энергии от полей зарядоэлектрической системы (первая составляющая может быть на несколько порядков больше второй в зависимости от зарядомассовых характеристик ионов заряженной плазмы и напряженности полей). Под действием разности потенциалов между поляризующимися электродами в соединяющей их внешней электрической цепи создается постоянный или промышленной частоты (рабочая частота ортогонального поля зарядоэлектрической системы) электрический ток, передающий потребителям электроэнергию, пропорциональную квадрату значения силы тока в электрической цепи. Электрический ток также взаимно компенсирует заряды на катоде электрической дуги, рекомбинируя положительные ионы в соответствующие атомы, соединяющиеся в молекулы, рабочего вещества, вновь подвергающегося ионизации электрической дугой в ортогональном электрическом поле.

Сравним предлагаемую и известную технологии. Производство электроэнергии по предлагаемому способу существенно эффективнее в сравнении с производством электроэнергии по технологической схеме прототипа, где водородно-кислородное топливо получают из воды магнитодинамическим автоэлектролизом. Его коэффициент полезного действия (КПД) меньше "1". Сжигая топливо, преобразуют в электроэнергию по традиционной схеме (котел - турбина - электрогенератор, т.е. тепловая энергия - механическая энергия - электричество). КПД каждого такого преобразования меньше "1", поэтому общий КПД всей технологической схемы прототипа не превышает 0,2.

Соотношение полученной предлагаемым способом энергии к затраченной на ионизацию и управление движением ионов можно получить "10" и более в ортогональном поле напряженностью порядка 100 кВ/м. Высокие энергетические показатели зарядоэлектрической технологии обусловлены тем, что в производстве электроэнергии используется собственная энергия электрических зарядов, которой сосредоточено в веществе на ионном уровне порядка 10³⁰ Дж на моль вещества. Сжигание (окисление) водородного топлива дает 287 кДж энергии на моль или 143,6 МДж на 1 кг, условное углеводородное топливо на 1 кг дает 29,3 МДж энергии, плюс пепел, золу, различные окислы углерода, в том числе, токсичные. Известными ядерными реакциями расщепления или синтеза получают порядка 10¹⁴-10¹⁵ Дж энергии на 1 кг соответствующего ядерного топлива, плюс радиоактивные отходы, заражающие экологическую среду. Для производства энергии предлагаемым способом по зарядоэлектрической технологии необходимо ионизировать вещество, а затем с помощью ортогонального электрического поля перегруппировать облако нейтральной плазмы, состоящей из разнополярных ионов, в пучки плазмы одноименно заряженных ионов. На это затрачивается энергия, пропорциональная суммарному электрическому заряду образованных, а затем перегруппированных ионов. Собственная энергия взаимодействия перегруппированных разнополярных ионов пропорциональна произведению значений их электрических зарядов (квадратичная зависимость), что при большом количестве взаимодействующих ионов дает выигрыш примерно на порядок числа взаимодействующих ионов. (Например, затраты энергии на 1000 пар ионов 1000+1000=2000 условных единиц. Их собственная энергия взаимодействия электрических зарядов 1000х1000=1000000 условных единиц). Энергия поля, затрачиваемая на перегруппировку ионов, вместе с энергией взаимодействия ионов, преобразуется в разность потенциалов между поляризующимися электродами и передается электрическим током потребителям в электрической цепи, соединяющей поляризующиеся электроды. Рекомбинированное рабочее вещество вновь подвергается ионизации, а не сжигается, как в прототипе, превращаясь в отходы, загрязняющие, отравляющие окружающую среду. Процесс ионизации - рекомбинации рабочего вещества по предлагаемому способу может производиться неограниченное число раз, поэтому рабочее вещество практически не расходуется не образуются отходы, свойственные топливосжигающей энергетике.

Пример технической реализации предлагаемого способа производства энергии. Ионизацию рабочего вещества с помощью электрической дуги в ортогональном электрическом поле осуществляют в герметичном объеме с пониженным давлением рабочего вещества (порядка 10-100 Па), чтобы уменьшить рассеяние электронной плазмы на молекулах и атомах рабочего вещества, но должны быть условия для создания рабочего тока электрической дуги порядка 100 ампер и более. Ортогональным электрическим полем выводят из электрической дуги электроны и ускоряют их. Из облака электронной плазмы формируют электронный луч методом "электронной пушки" (сквозное отверстие в электроде, создающем электрическое поле, ортогонально направленное к электрическому полю дуги. Из этого отверстия вылетают электроны со скоростью порядка 10⁷ м/с при напряженности ортогонального поля порядка 100 кВ/м) и направляют луч на поляризующийся электрод, отрицательно поляризуя его. Электрические заряды электронного луча создают на поляризующемся электроде электрический потенциал ϕ (grad ϕ=-Е; где Е - вектор напряженности электрического поля в электронном луче, получившем потенциал "электронной пушки"; r_i - среднее расстояние между электронами в электронном луче; L - длина электронного луча). Следовательно, значение электрического потенциала поляризующегося электрода определяется напряженностью ортогонального электрического поля и длиной электронного луча и, в первом приближении, будет больше потенциала анода "электронной пушки" во столько раз, во сколько длина электронного луча больше расстояния между анодом и катодом в "электронной пушке".

Положительные ионы в электрической дуге, обладающие массой в тысячи раз большей, чем электроны, практически не изменяют направления своего движения под действием ортогонального электрического поля "электронной пушки" и приходят на катод электрической дуги, поляризуя его положительными зарядами.

Между положительно и отрицательно поляризованными электродами создается разность потенциалов, под действием которой по электрической цепи, соединяющей противоположно поляризующиеся электроды идет электрический ток. Сила тока в цепи практически равна силе тока электронного луча "электронной пушки". Полная мощность, передаваемая в электрическую цепь пропорциональна квадрату силы тока и электрическому сопротивлению цепи (S=I_p ²Z_H=I_pU_p, где I_p - сила тока в цепи в рабочем режиме; Z_H - сопротивление нагрузки потребителей электроэнергии в электрической цепи; U_p=I_pZ_H - рабочее напряжение в электрической цепи). В результате электрического тока между противоположно поляризующимися электродами происходит рекомбинация положительных ионов на катоде электрической дуги в атомы и молекулы рабочего вещества, которое вновь подвергается ионизации.

Максимальный коэффициент полезного действия предлагаемого источника электроэнергии, рассчитываемый как для генератора тока, составляет 0,5 при Z_H=Z_i - внутреннее сопротивление источника тока, определяемое отношением разности потенциалов между поляризующимися электродами к силе тока электронного луча в оптимальном режиме.

Коэффициент полезного действия, рассчитываемый как соотношение производимой электрическими зарядами работы к затрачиваемой по способу энергии на ионизацию рабочего вещества, управление плазмой и формирование электронного луча будет порядка 10, при длине электронной пушки 0,1 м и анодном напряжении 10 кВ, длине электронного луча 1 м и U_p=100 кВ. При тех же параметрах "электронной пушки", но длине электронного луча 10 м и U_p=1000 кВ, КПД будет порядка 100.

Устройство по предлагаемому способу, например, для получения однофазного переменного тока может быть следующим. Герметичная емкость, например, в форме цилиндра, выполненная из диэлектрического материала, заполнена рабочим веществом по предлагаемому способу. В торцах емкости размещены поляризующиеся электроды, в центре емкости - электроды электрической дуги. Около электродов электрической дуги, примерно на 1/10 части расстояния между поляризующимися электродами и электродами дуги, установлены электроды электрического поля, ортогонально направленного к электрическому полю дуги. Поляризующиеся электроды подключены к противоположным концам первичной обмотки трансформатора. Средняя точка первичной обмотки соединена с катодом электрической дуги и заземлена. Примерно к 1/10 части первичной обмотки, симметрично относительно нулевой точки и противофазно поляризующимся электродам подключены электроды электрического поля, ортогонально направленного к электрическому полю дуги. Между концами первичной обмотки и средней точкой включены конденсаторы, обеспечивающие резонанс на рабочей частоте переменного тока. С вторичной обмоткой трансформатора через тиристорный преобразователь напряжения соединен анод электрической дуги. Вторичная обмотка трансформатора включена в сеть потребителей электроэнергии.

Работает данное устройство следующим образом. Кратковременно замыкают анод с катодом электрической дуги и затем размыкают их. Между катодом и анодом горит электрическая дуга, ионизирующая рабочее вещество. На одном из электродов электрического поля, ортогонально направленного к электрическому полю дуги, действует положительная полуволна напряжения, на втором - отрицательная. Большая часть электронов из области электрической дуги устремляется к электроду с положительной полуволной, т.к. напряженность этого поля в 2-3 раза превышает напряженность поля электрической дуги. Электроны, ускоряясь этим полем, сжимаются в электронный луч, который пройдя сквозь отверстие в электроде, попадает на поляризующийся электрод, заряжая его отрицательно. При этом значение потенциала на поляризующемся электроде будет примерно в 10 раз больше, чем на электроде с положительной полуволной ортогонального поля. В это время на катоде электрической дуги образуется избыток положительных ионов, соответственно поляризующих катод. Между катодом и отрицательно поляризованным электродом идет полуволна электрического тока по половине первичной обмотки, трансформируемая во вторичную обмотку и совершающая работу в сети потребителей электроэнергии. Электрод ортогонального электрического поля с отрицательной полуволной напряжения, отталкивая электроны, экранирует от электрической дуги второй поляризующийся электрод, поэтому электрический ток через него не идет. При смене полярности полуволн на электродах электрического поля, ортогонально направленного к электрическому полю дуги, электрический ток идет через другой поляризующийся электрод по другой половине первичной обмотки трансформатора и далее к потребителям электроэнергии.

Таким образом, в течение двух полуволн колебаний электрического поля, ортогонально направленного к электрическому полю дуги, во вторичной обмотке трансформатора совершается одно полное колебание электрических величин с рабочей частотой, на которую настроена в резонанс первичная обмотка трансформатора. Рабочее напряжение на первичной обмотке трансформатора примерно в 10 раз превышает напряжение на электродах электрического поля, ортогонально направленного к электрическому полю дуги, образующего заряженную плазму и создающего из нее ток в первичной обмотке трансформатора. Поэтому мощность в первичной обмотке и соответственно во вторичной обмотке трансформатора будет примерно в 10 раз больше мощности, затрачиваемой на создание заряженной плазмы, и преобразование ее электростатической энергии в электроэнергию. Следовательно, имеем преобразователь - генератор электроэнергии, реализующий предложенный способ производства энергии.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Фильтр-прессный электролизер для получения водорода и кислорода, описание к патенту SU №1708931, С 25 В 1/02.

2. Электролизер для фотолиза воды, описание изобретения к патенту SU №1412373, С 25 В 1/02.

3. Способ получения кислорода и водорода, описание к патенту RU №2032769, С 25 В 1/02.

4. Способ магнитодинамического автоэлектролиза, заявка ФРГ №2733444, С 25 В 9/00, прототип.

Изобретение относится к производству электроэнергии. Осуществляют ионизацию инертного газа в герметичном объеме с пониженным давлением порядка 10-100 Па с помощью электрической дуги в электрическом поле, ортогонально направленном к электрическому полю дуги, этим полем выводят электроны из электрической дуги, ускоряют их, формируют электронный луч, направляя его на отрицательно поляризующийся электрод, положительно поляризуют положительными ионами ионизированного газа катод электрической дуги, создавая во внешней электрической цепи между противоположно поляризующимися электродами электрический ток, передающий электроэнергию потребителю, и вновь подвергают ионизации рекомбинированный газ. Технический эффект - улучшение энергетических характеристик, отсутствие отходов.

Способ производства энергии, включающий поляризацию положительными и отрицательными ионами принимающих ионы электродов, возникновение под действием разности потенциалов между поляризующимися электродами электрического тока, взаимно компенсирующего заряды на поляризующихся электродах, рекомбинацию ионов в соответствующие атомы, соединяющиеся в молекулы рабочего вещества, отличающийся тем, что осуществляют ионизацию инертного газа в герметичном объеме с пониженным давлением порядка 10-100 Па с помощью электрической дуги в электрическом поле, ортогонально направленном к электрическому полю дуги, этим полем выводят электроны из электрической дуги, ускоряют их, формируют электронный луч, направляя его на отрицательно поляризующийся электрод, положительно поляризуют положительными ионами ионизированного газа катод электрической дуги, создавая во внешней электрической цепи между противоположно поляризующимися электродами электрический ток, передающий электроэнергию потребителю, и вновь подвергают ионизации рекомбинированный газ.