СПОСОБ АККУМУЛИРОВАНИЯ АТМОСФЕРНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2007 года по МПК H05F7/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электроэнергетики и может использоваться для обеспечения электропитанием широкого спектра потребителей электроэнергии в любой точке Земли. Предлагаемый способ может использоваться для подключения к периодически восполняемым источникам электроэнергии, например к накопителю электроэнергии емкостно-аккумулирующей электростанции (ЕАЭС) [1]. Периодически восполняемый источник электроэнергии в дальнейшем будет именоваться накопителем.

Известен способ устройства приема, передачи и накопления атмосферного электричества [3], включающего токоприемник атмосферного электричества в виде стержня, соединенного с токоотводом, прикрепленным к несущей опоре и соединенным с накопителем и нагрузкой. Устройство ловит удары молнии на стержень и передает ток молнии в накопитель.

Недостатком аналога является то, что устройство пассивно ждет, когда грозовая активность возникает над местом расположения устройства и молния ударит именно в токоприемник. Поэтому устройство принимает малое количество электричества.

Прототипом предлагаемого изобретения является устройство для использования атмосферного электричества Богданова - атмосферная электростанция летательных аппаратов и космических кораблей [2], расположенное на летательном аппарате, и содержит конденсатор, токоприемник-выпрямитель, накопитель энергии, систему запитки накопителя, два токоприемника, вблизи которых установлено устройство, необходимое для создания проводящего канала в атмосфере и содержащее огнестрельное оружие, стреляющее пулями или снарядами, наполненными внутри горючим материалом.

Недостатки прототипа

1) Загрязняется атмосфера продуктами сгорания пуль или снарядов.

2) Исключается непрерывность накопления атмосферной электроэнергии, например, при отсутствии грозовой деятельности.

3) Невозможность аккумулирования электроэнергии при ясной погоде и при наличии негрозовой облачности.

4) Использование этого устройства в энергетике на Земле в качестве электростанции экономически не является беззатратным, т.к. устройство надо постоянно перемещать в атмосфере в поисках гроз, затем аккумулированная накопителем электроэнергия передается на Землю. Кроме того, пули или снаряды наполняют изнутри горючим материалом, в который инжектированы атомы щелочного металла, необходимы также топливо и окислитель. Все перечисленное является дорогостоящим.

Техническая задача изобретения, исключая загрязнение атмосферы, - непрерывно получать экономически беззатратную электроэнергию в любой точке Земли, в любое время года и суток, при любых погодных условиях, а при грозовой деятельности со значительным эффектом в течение короткого времени. Реализация этой цели основана на использовании следующей системы фактов, установленной опытным путем:

1) Над любой точкой Земли в атмосфере при ясной погоде имеется вертикальное электрическое поле Е величиной 100 В/м, максимальное увеличение электрического потенциала по мере подъема приходится преимущественно на малые высоты, т.е. в пределах стратосферы, и достигает 400000 В на высоте 50 км, где существует практически электропроводящая сфера, из которой под воздействием электрического потенциала течет к поверхности Земли атмосферный электрический ток [4].

2) Космические лучи постоянно поддерживают снабжение атмосферы электрическими зарядами, обеспечивающими электропроводимость в атмосфере. Эти электрические заряды постоянно перемещаются (дрейфуют) под воздействием ветра, конвекции и других природных явлений [4].

3) а) Типичное распределение объемных электрических зарядов в облаках: верхняя часть облака имеет положительную область электрических зарядов, нижняя часть облака отрицательную область зарядов. Градиент электрического потенциала в облаках выше градиента электрического потенциала атмосферы в ясную погоду. Изменение напряженности электрического поля в процессе развития облаков зависит от их вертикальной мощности: до 100 м (отсчет делается от основания облака до его верхней части) Е=5,4 В/см, при мощности до 200 м Е=7,8 В/см, при мощности более 200 м Е=11,1 В/см [5];

б) Наземный контроль изменения электрического поля осуществляют с помощью чувствительного вариографа поля (чувствительность 4,5 В/м). Резкие колебания электрического поля, т.е. положительные или отрицательные импульсы при приближении грозы, начинаются за 1-2 часа до первого грозового разряда (число импульсов за единицу времени до начала грозы составляет 0,5-1,0 имп/мин) и заканчиваются в течение 1 часа после грозовых разрядов. Для негрозовых облаков характерно относительно плавное изменение электрического поля [5];

в) при средней высоте основания грозовых облаков около 1 км над Землей грозоопасной является зона от 2 км до 7 км над основанием облака. Значение напряженности электрического поля достигает 100 В/см [5]. Сила тока при грозовом разряде (молнии) может достигать 200 кА при напряжении 150 MB [6].

4) Электрический потенциал в атмосфере в ясную погоду положителен над любой точкой Земли. Грозовые разряды (молнии) снабжают Землю отрицательными электрическими зарядами, что является причиной наличия на поверхности Земли отрицательных электрических зарядов. Любое тело, находящееся на поверхности Земли, существенно искажает электрический потенциал в атмосфере (особенно металлические конструкции, деревья и т.д.) вплоть до верхней части тела [4].

5) Если поместить электрический проводник в атмосфере в любой точке над Землей, то электрические заряды натекут на него (или стекут с него) и уравняют электрический потенциал проводника с потенциалом атмосферы на этой высоте [4].

6) Над любой точкой поверхности Земли в 19 часов по Гринвичу электрический потенциал атмосферы на всех уровнях возрастает на 15%, а в 4 часа по Гринвичу уменьшается на 15% [4].

7) Атмосфера - это гигантская постоянно действующая электрическая машина [4]. Использование перечисленных атмосферных явлений в предлагаемом способе для аккумулирования электрического потенциала в дальнейшем будет именоваться также аккумулированием атмосферной электроэнергии. Эти явления обладают высоким электрическим потенциалом относительно Земли. Согласно изобретению разности этих потенциалов, т.е. напряжение U, используются для накопления электроэнергии W_с накопителем. Например, для ЕАЭС [1], имеющей расчетную емкость С,

эта энергия обратима, т.е. выделяется при подключении внешней цепи к накопителю.

Способ аккумулирования атмосферной электроэнергии, заключающийся в использовании атмосферного электричества с помощью запуска летательного средства и передачи электроэнергии через проводящий канал в атмосфере, электрически связанный с накопителем электроэнергии, отличается от известного тем, что в качестве летательного средства используют аэростат, который помещают в электропроводящую оболочку сферической формы и удерживают ее посредством троса из диэлектрического материала и лебедки на высоте наибольшего количества атмосферной электроэнергии, значение которой определяют показанием амперметра, в качестве накопителя электроэнергии используют емкостной накопитель, при этом электроэнергию, аккумулированную поверхностью электропроводящей оболочки, передают на емкостной накопитель через проводящий канал, в качестве которого используют изолированный электропровод, связанный с емкостным накопителем через предохранитель с подключенным к нему заземленным разрядником, индуктивность, амперметр и выполненный по мостовой схеме выпрямитель, имеющий заземление и выходные клеммы для подключения емкостного накопителя. В качестве летательного средства используют аэростат, который помещают в электропроводящую оболочку сферической формы, удерживаемую тросом из диэлектрического материала (например, из конопли, чтобы существенно не искажать атмосферный потенциал), на высоте наибольшего количества атмосферной электроэнергии, определяемой показанием амперметра, в качестве накопителя электроэнергии используют емкостной накопитель.

На чертеже изображена схема для реализации предлагаемого способа, на которой представлена электропроводящая оболочка сферической формы, помещенная в атмосфере при помощи аэростата, расположенного внутри оболочки, удерживаемой тросом над поверхностью земли посредством лебедки. Изолированный электрический провод одним концом контактирует с поверхностью сферы, а другим связан с емкостным накопителем посредством предохранителя с подключенным к нему заземленным разрядником индуктивности, амперметра и выполненного по мостовой схеме выпрямителя, имеющего заземление и выходные клеммы для подключения накопителя.

Способ проводится следующим образом: электропроводящая оболочка сферической формы 1 смонтирована на металлических опорных дугах 2, которые закреплены к кронштейну 3. Внутри оболочки 1 помещен аэростат 4, подъемная сила которого реализуется за счет подъемной силы газа и действует посредством резиновых амортизаторов 5 на опорные дуги 2. Оболочка 1, поднятая с помощью аэростата 4 в атмосфере на уровень, где имеется наибольшее количество атмосферной электроэнергии, удерживается тросом 6, закрепленным верхним концом к кронштейну 3, а его нижний конец удерживается лебедкой 7, закрепленной к поверхности Земли. На лебедке 7 установлен датчик высоты 8, с помощью которого осуществляется контроль уровня атмосферы, где помещена оболочка 1. Минимальный уровень атмосферы, где оболочка 1 аккумулирует атмосферную электроэнергию при ясной погоде, составляет ˜300-500 м, а при грозовой облачности ˜700-1000 м. [5]. Опускание оболочки осуществляется нажатием кнопки «Вниз» 9, для чего устройство лебедки включает электродвигатель для принудительного опускания. Поиск уровня, где имеется наибольшее количество атмосферной электроэнергии, осуществляется тремя кнопками 9 («Вверх», «Вниз», «Стоп»), установленными на лебедке 7, а индикация этого уровня осуществляется показанием амперметра 15, т.е. чем больше показание, тем больше аккумулируется атмосферной электроэнергии. В качестве накопителя электроэнергии используют емкостной накопитель 17, при этом электроэнергию, аккумулированную поверхностью электропроводящей оболочки 1, передают на емкостной накопитель 17 через проводящий канал, в качестве которого используют изолированный электропровод 10, связанный с емкостным накопителем 17 через предохранитель 12 с подключенным к нему заземленным разрядником 11, индуктивность 13, амперметр 15 и выполненный по мостовой схеме выпрямитель 14, имеющий заземление и выходные клеммы 16 для подключения емкостного накопителя 17. Если электропроводящая оболочка 1 находится в области отрицательных грозовых электрических зарядов, то аккумулированный электропроводящей оболочкой 1 электрический потенциал будет отрицательным относительно электрического потенциала Земли. Если электропроводящая оболочка 1 находится в области положительных грозовых электрических зарядов, то электрический потенциал Земли будет отрицательным относительно аккумулированного электропроводящей оболочкой 1 электрического потенциала. Полупроводниковый выпрямитель 14, собранный по мостовой схеме [9], обеспечивает подачу на вход накопителя 17 атмосферной электроэнергии постоянного тока. Индуктивность 13 [9] обеспечивает ограничение тока при большой его амплитуде и скорости изменения. Электрический предохранитель 12 защищает полупроводниковый выпрямитель 14 от превышения максимального прямого тока, что достигают расчетом порога срабатывания предохранителя 12 по току, величина которого ниже величины максимального прямого тока выпрямителя 14. На входе предохранителя 12 подключают заземленный разрядник 11 [7, 8], который предназначен для защиты полупроводникового выпрямителя 14 и накопителя 17 от перенапряжений, что достигают расчетом порога срабатывания разрядника 11 по напряжению, не превышающему величины напряжения, на которое рассчитывают накопитель, и не превышающему максимального обратного напряжения полупроводникового выпрямителя 14.

Предлагаемое изобретение используют в двух вариантах.

1. Стационарный вариант, при котором аккумулирование атмосферной электроэнергии осуществляют при любых погодных условиях, в том числе в условиях грозовой деятельности, когда в накопитель поступают десятки МВт·ч электроэнергии. Известно, что при грозовом разряде сила тока может достигать 200 КА в течение 1,5 с при напряжении 150 MB [6]. Установлено также, что при обычном грозовом разряде между отрицательной областью электрических разрядов в грозовой туче и Землей в Землю поступает 20-30 кулон электричества, после чего наступает процесс восстановления в этой туче 20-30 кулон с характерной временной постоянной порядка 5 секунд [4]. Накопитель 17, в частности ЕАЭС [1], может аккумулировать любое количество электрических зарядов при любом напряжении, что достигают расчетом и подключением необходимого количества параллельно включенных рядов последовательно соединенных конденсаторов [9]. Полупроводниковый выпрямитель 14 собирают из полупроводниковых диодов, например Д-253-1600 [11], имеющих параметры: максимальный прямой ток 1600 А, максимальное обратное напряжение 2000 В. Полупроводниковый выпрямитель 14 обеспечивает любой максимальный прямой ток и любое максимальное обратное напряжение, что достигается расчетом и подключением в каждой ветви выпрямителя 14 необходимого количества параллельно включенных рядов последовательно соединенных полупроводниковых диодов [12].

2. Мобильный вариант, при котором аккумулирование атмосферной электроэнергии осуществляется при следующих погодных условиях:

1) при ясной погоде,

2) при негрозовой облачности и начальной стадии зарождения грозовых положительных и отрицательных электрических зарядов.

Накопитель 17 и выпрямитель 14 рассчитывают на аккумулирование атмосферной электроэнергии от нескольких сотен кВт·ч до нескольких тысяч кВт·ч. Аккумулирование электроэнергии в области отрицательных или положительных электрических грозовых зарядов в стадии их развития осуществляют при объективном наземном контроле с помощью чувствительного вариографа поля (чувствительность 4,5 В/м): резкие колебания электрического поля начинаются за 1-2 часа до первого грозового разряда [5]. В этом случае заблаговременно снижают электропроводящую оболочку на поверхность Земли. Если сечение электропровода 10 соответствует требованию молниезащиты [5], то, подключив перемычку к клеммам разрядника 11, электропроводящую оболочку не снижают и используют в качестве молниеприемника, а оболочку и заземленный электропровод используют в качестве грозоотвода [5]. По истечении 1 часа после прекращения грозовых разрядов снимают перемычку с клемм разрядника 11. Затем, пользуясь кнопками [9] и изменяя уровень электропроводящей оболочки 1 в атмосфере, для чего используют лебедку 7, датчик высоты 8, по амперметру 15 определяют наибольшее количество атмосферной электроэнергии, продолжают ее аккумулировать в накопитель 17.

Предлагаемый способ является экологически чистым и при использовании позволяет получать экономически беззатратную электроэнергию постоянного тока в любой точке Земли, в любое время года и суток. Возможность аккумулирования атмосферной электроэнергии основана на известных экспериментальных исследованиях атмосферного электричества и подтверждена наземными опытами. Реализация предлагаемого способа возможна при любых погодных условиях: 1) при ясной погоде, 2) при облачной, в том числе при сплошной облачности, негрозовыми облаками, а также с зарождающимися в этих облаках грозовыми ячейками, 3) при наличии созревших грозовых облаков. Электроэнергию, полученную предлагаемым способом, подают в накопитель 17. Важная особенность использования изобретения состоит в том, что применение данного способа при наличии развитых грозовых облаков за короткое время дает возможность получить значительное количество электроэнергии. Кроме того, можно эффективно обеспечивать молниезащиту наземных объектов. Постоянное аккумулирование электропроводящей оболочкой 1 и отток грозовой электроэнергии в накопитель 17 снижает также вероятность грозовых разрядов между грозовым облаком и Землей.

Источники информации

1. А.С. 758389М Кл³ H 02 J 15/00. Заявлено 05.12.77. Опубликовано 23.08.80. Бюл. №31.

2. RU 2124821 C1. Опубликовано 01.1999. Устройство для использования атмосферного электричества Богданова - атмосферная электростанция летательных аппаратов и космических кораблей.

3. Приспособление для использования атмосферного электричества. Авторское свидетельство СССР №781 от 1925.

4. Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике, вып.5 «Электричество и магнетизм», Изд. Мир Москва. 1966.

5. Шишкин Н.С. Облака, осадки и грозовое электричество. Госизд. Москва. 1964.

6. Шкрабак В.С. Пожарная безопасность в гидромелиоративном производстве. Саратов 1994.

7. Бантиданов Л.Н. Электрические станции и подстанции. Госэнергоиздат. Москва, Ленинград. 1958.

8. Бокман Г.А. Конструкция и технология производства электрических машин и аппаратов. Изд. Высшая школа. Москва. 1977.

9. Синдеев Ю.Г. Электротехника с основами электроники. Изд. Феникс. Ростов-на-Дону: 2000.

10. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Изд. Министерство топлива энергетики. Р.Ф. Главгосэнергонадзор России. Москва. 1998 г.

11. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. Изд. Энергия. М.:1976.

12. Китаев В.Е. Электротехника. Профтехиздат. Москва. 1961.

Изобретение относится к области использования природных источников электричества и может быть использовано для получения электроэнергии в любой точке Земли, в любое время года и суток, при любых погодных условиях, а при грозовой деятельности - со значительным эффектом в течение короткого времени. Согласно изобретению запускают аэростат, помещенный в электропроводящую оболочку сферической формы. Оболочку удерживают тросом из диэлектрического материала на высоте наибольшего количества атмосферной электроэнергии. Электроэнергию, аккумулированную поверхностью электропроводящей оболочки, передают на емкостной накопитель через изолированный электропровод, связанный с емкостным накопителем через предохранитель с подключенным к нему заземленным разрядником, индуктивность, амперметр и выполненный по мостовой схеме выпрямитель, имеющий заземление и выходные клеммы для подключения емкостного накопителя. Способ является экологически чистым и позволяет экономично, без затрат топлива, получить электроэнергию постоянного тока. 1 ил.

Способ аккумулирования атмосферной электроэнергии, заключающийся в использовании атмосферного электричества с помощью запуска летательного средства и передачи электроэнергии через проводящий канал в атмосфере, электрически связанный с накопителем электроэнергии, отличающийся тем, что в качестве летательного средства используют аэростат, который помещают в электропроводящую оболочку сферической формы и удерживают ее посредством троса из диэлектрического материала на высоте наибольшего количества атмосферной электроэнергии, значение которой определяют показанием амперметра, в качестве накопителя электроэнергии используют емкостной накопитель, при этом электроэнергию, аккумулированную поверхностью электропроводящей оболочки, передают на емкостной накопитель через проводящий канал, в качестве которого используют изолированный электропровод, связанный с емкостным накопителем через предохранитель с подключенным к нему заземленным разрядником, индуктивность, амперметр и выполненный по мостовой схеме выпрямитель, имеющий заземление и выходные клеммы для подключения емкостного накопителя.