ДВУХУРОВНЕВЫЙ СПОСОБ АККУМУЛИРОВАНИЯ ГРОЗОВОЙ И АТМОСФЕРНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2008 года по МПК H05F7/00 

Изобретение относится:

1) к области электроэнергетики и может быть использовано для обеспечения электропитанием широкого спектра электропотребителей в любой точке Земли и в любое время;

2) К области безопасности и может быть использовано для обеспечения эффективной молниезащиты;

3) к области исследования атмосферного и грозового электричества и может быть использовано в качестве удобного и экологически чистого инструмента для проведения исследования в этой области, что позволяет осуществить мониторинг атмосферного и грозового электричества в любом регионе Земли.

Аналогом предлагаемого изобретения является устройство для использования атмосферного электричества Богданова - атмосферная электростанция летательных аппаратов и космических кораблей [3], 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 содержит огнестрельное оружие, стреляющее пулями или снарядами, наполненными внутри горючим материалом.

Недостатками аналога являются:

1. Исключается непрерывность накопления атмосферной электроэнергии, так как невозможно аккумулирование электроэнергии при ясной погоде и при наличии негрозовой облачности.

2. Использование этого устройства в энергетике на Земле в качестве электростанции экономически не являются беззатратным, так как устройство надо постоянно перемещать в атмосфере в поисках гроз, затем аккумулированную накопителем электроэнергию надо доставлять на Землю, что является весьма дорогостоящим.

3. Загрязняется атмосфера продуктами сгорания пуль или снарядов и летательных аппаратов.

4. Практически исключена возможность обеспечения молниезащиты и исследования атмосферного и грозового электричества.

Прототипом предлагаемого способа изобретения является способ аккумулирования атмосферной электроэнергии [2], где в качестве летательного средства используют один аэростат, помещаемый в электропроводящую оболочку сферической формы, удерживаемую посредством троса из диэлектрического материала на высоте наибольшего количества атмосферной электроэнергии, при этом аккумулированную электроэнергию электропроводящей оболочкой передают на накопитель посредством изолированного электропровода, связанного с накопителем через предохранитель, с подключенным к нему заземленным разрядником, индуктивность, амперметр и выполненный по мостовой схеме выпрямитель, имеющий заземление.

Недостатками прототипа являются:

1. Когда градиент электрического потенциала достигает значительных величин, например, 11,1 В/см при мощности облака более 200 м [5], то отсутствует возможность эффективного аккумулирования электрического потенциала при грозовой деятельности.

2. Выполнение заземляющего устройства для выпрямителя и разрядника требует больших экономических и трудовых затрат особенно в районах с большим удельным сопротивлением, в скальных структурах, в районах с многолетней мерзлотой, на льдах Арктики и Антарктики, при этом существенно снижается оперативность развертывания как при мобильном, так и при стационарном вариантах использования изобретения.

3. Выпрямитель собирают по мостовой схеме, что означает наличие четырех вентилей, каждый из которых является дорогостоящим.

4. Способ по прототипу позволяет аккумулировать грозовую энергию электропроводящей оболочкой только в отрицательной или только в положительной области грозового облака, поэтому использование прототипа в области безопасности является неэффективным, так как неэффективна молниезащита. По этой же причине исключено использование прототипа в области исследования атмосферного и грозового электричества в качестве инструмента для исследования напряженности электрического поля в грозовом облаке, а также в атмосфере при ясной погоде.

Техническая задача изобретения - существенно повысить эффективность аккумулирования грозовой и атмосферной электроэнергии, повысить эффективность молниезащиты и сделать возможным использование предлагаемого изобретения в качестве инструмента для исследования грозового и атмосферного электричества, повысить оперативность развертывания при мобильном и стационарном вариантах использования изобретения и сократить экономические и трудовые затраты за счет исключения дорогостоящего заземляющего устройства для выпрямителя и разрядника и за счет использования одновентильного выпрямителя.

Задача достигается тем, что двухуровневый способ аккумулирования грозовой и атмосферной электроэнергии, заключающийся в использовании атмосферного электричества с помощью запуска летательного средства, представляющего собой электропроводящую оболочку, внутри которой помещен аэростат и удерживаемую в атмосфере на определенной высоте при помощи троса из диэлектрического материала и лебедки, определении значения электроэнергии амперметром, передачи электроэнергии в емкостный накопитель, установленный на поверхности Земли, через изолированный электропровод, предохранитель с подключенным к нему разрядником, индуктивность, амперметр и выпрямитель, где согласно изобретению аккумулирование электроэнергии осуществляют при помощи двух электропроводящих оболочек сферической или иной формы, помещаемых и удерживаемых в атмосфере на двух разных уровнях относительно поверхности Земли, величиной разности которых определяют максимальное количество аккумулируемой электроэнергии, и передают ее по двум изолированным электропроводам в емкостный накопитель, при этом один электропровод связывает электропроводящую оболочку, удерживаемую на верхнем уровне, с емкостным накопителем через предохранитель, индуктивность, амперметр и одновентильный выпрямитель, при этом к предохранителю подсоединяют с подключенным вольтметром разрядник, связанный посредством второго электропровода с электропроводящей оболочкой, удерживаемой на нижнем уровне и подключенной через второй электропровод и разъединитель к емкостному накопителю.

На чертеже изображена схема для реализации изобретения, на которой представлены две одинаковые электропроводящие оболочки сферической или иной формы, поднятые в атмосфере на два разные уровня над поверхностью Земли при помощи аэростатов, помещаемых внутри оболочек, и удерживаемые тросами из диэлектрического материала при помощи лебедок. Подъемная сила аэростатов действует на оболочки посредством резиновых амортизаторов и опорных дуг, закрепленных к кронштейну. Один изолированный электропровод связывает поверхность оболочки, удерживаемой на верхнем уровне, с емкостным накопителем через предохранитель, индуктивность, амперметр и одновентильный выпрямитель, а второй электропровод связывает электропроводящую оболочку, удерживаемую на нижнем уровне, через разъединитель с накопителем емкостного типа [1]. В свою очередь к предохранителю подключен разрядник, связанный посредством второго электропровода с электропроводящей оболочкой, удерживаемой на нижнем уровне. Вольтметр подключен к разряднику.

Способ осуществляют следующим образом: электропроводящую оболочку сферической или иной формы верхнего уровня 1 монтируют на металлических опорных дугах 5, которые закрепляют к металлическому кронштейну 2. Внутри оболочки 1 помещают аэростат 4, подъемная сила которого реализуется за счет подъемной силы газа, действующей посредством резиновых амортизаторов 6 на опорные дуги 5. Трос 7 из диэлектрического материала закрепляют верхним концом к кронштейну 2, а нижний конец удерживают лебедкой 8, которую закрепляют к поверхности Земли. На лебедке 8 устанавливают датчик высоты 9, с помощью которого осуществляют контроль уровня атмосферы, где помещают оболочку 1. Подъем, опускание и удерживание оболочки 1 осуществляют соответствующими кнопками «Вверх», «Стоп», «Вниз» 10. Для принудительного опускания оболочки 1 в лебедке 8 устанавливает электродвигатель. Электропроводящая оболочка верхнего уровня 1 связана с основным емкостным накопителем 15 посредством изолированного электропровода 3 через предохранитель 11, с подключенным к нему разрядником 16, связанным с электропроводящей оболочкой нижнего уровня 17 посредством второго электропровода 23, индуктивность 12, амперметр 13, одновентильный выпрямитель 14. Вольтметр 28 подключают к разряднику 16. Аналогично подготавливают к работе электропроводящую оболочку сферической или иной формы нижнего уровня 17: ее монтируют на металлических опорных дугах 21, которые закрепляют к металлическому кронштейну 18. Внутри оболочки 17 помещают аэростат 20, подъемная сила которого реализуется за счет подъемной силы газа, действующей на опорные дуги 21 посредством резиновых амортизаторов 22. Трос 19 из диэлектрического материала закрепляют верхним концом к кронштейну 18, а другой конец удерживают при помощи лебедки 24, которую закрепляют к поверхности Земли. На лебедке 24 устанавливают датчик высоты 25, с помощью которого осуществляют контроль уровня атмосферы, где помещают оболочку 17. Подъем, опускание и удерживание оболочки 17 осуществляют соответствующими кнопками «Вверх», «Стоп», «Вниз» 26. Для принудительного опускания оболочки 17 в лебедке 24 устанавливают электродвигатель. Электропроводящую оболочку 17 связывают с основным емкостным накопителем 15 посредством изолированного электропровода 23 через разъединитель 27. При наличии в атмосфере грозовых облаков или облаков, находящихся в стадии развития грозовых ячеек [4], электропроводящую оболочку 17 помешают в нижней части облака - она аккумулирует отрицательный электрический заряд [4], а электропроводящую оболочку 1 помешают в верхней части облака - она аккумулирует положительный электрический заряд [4], при этом между оболочками 1 и 17 будет электрическое напряжение и при включенном разъединителе 27 в накопитель 15 поступает электроэнергия. За счет непрерывной подачи грозовой электроэнергии в накопитель 15 падает величина электрического потенциала в положительной и отрицательной областях грозового облака, чем обеспечивают молниезащиту. При отсутствии облаков в атмосфере оболочку 1 помещают и удерживают на верхнем уровне относительно поверхности Земли, а оболочку 17 на нижнем уровне, за счет наличия в атмосфере градиента электрического потенциала 100 В/м при ясной погоде [4] электропроводящие оболочки 1 и 17 аккумулируют соответствующие электрические потенциалы, вследствие разности которых между оболочками 1 и 17 будет электрическое напряжение, и в накопитель 15 поступает электроэнергия. Чем больше разница показаний высотомеров 9 и 25, тем больше электрическое напряжение между электропроводящими оболочками 1 и 17, тем больше электроэнергии поступает в накопитель 15. Минимальное расстояние между лебедками, удерживающими при помощи тросов из диэлектрического материала электропроводящие оболочки на верхнем и нижнем уровнях, 300 м. Аккумулирование грозовой и атмосферной электроэнергии емкостным накопителем 15 происходит в соответствии с формулой:

где W_с - аккумулируемая грозовая и атмосферная электроэнергия, С - расчетная емкость накопителя 15, U - напряжение между электропроводящими оболочками 1 и 17. Эта энергия обратима, т.е. выделяется при подключении внешней цепи к накопителю. Чем больше площадь электропроводящих оболочек 1 и 17, тем больше электроэнергии в единицу времени поступает в накопитель 15. Электрический предохранитель 11 защищает выпрямитель 14 от превышения максимального прямого тока, что достигают расчетом порога срабатывания предохранителя 11 по току, величина которого ниже величины максимального прямого тока выпрямителя 14. Индуктивность 12 обеспечивает ограничение тока при грозовых перенапряжениях, то есть при большой его амплитуде и скорости изменения. Разрядник 16 предназначен для ликвидации грозовых перенапряжений. Амперметр 13 показывает величину поступающей электроэнергии в накопитель 15. Одновентильный выпрямитель 14 предназначен для исключения обратного электрического тока вследствие возможных флуктуаций напряжений между оболочками 1 и 17, например в стадии развития грозового облака, если оболочка 17 окажется в области положительных электрических зарядов, а оболочка 1 в области отрицательных электрических зарядов, вероятность чего незначительная [4]. Кроме того, выпрямитель 14 исключает саморазряд накопителя 15 в процессе срабатывания разрядника 16 и ликвидации грозовых перенапряжений. Для исследования грозового и атмосферного электричества разъединителем 27 отключают накопитель 15 от второго электропровода 23 и используют показание вольтметра 28 для оценки напряженности электрического поля Е, величина которого находится в прямой зависимости от величины напряжения U между электропроводящими оболочками 1 и 17 [4], при этом используют возможность изменять уровни этих оболочек над поверхностью Земли и разницу показаний высотомеров 9 и 25, а также расстояние d между ближайшими точками оболочек 1 и 17, например путем изменения расстояния между лебедками 8 и 24 или между тросами 7 и 23. Если расстояние d достаточно мало, то напряженность электрического поля можно считать однородной, тогда справедлива формула:

.

Если изобретение используют только в области исследования атмосферного и грозового электричества, например осуществляют мониторинг в этой области в любом регионе Земли, то для осуществления предлагаемого способа исключают накопитель 15, выпрямитель 14, амперметр 13, индуктивность 12, предохранитель 11 и разъединитель 27. Оценку напряженности электрического поля, используя показание вольтметра 28, осуществляют в ясную погоду и при наличии облаков, находящихся в стадии развития и с созревшими грозовыми ячейками, а также во время Северного и Южного сияния, геомагнитных бурь, изменений солнечной активности и прочих аномалий.

Варианты использования этого изобретения такие же, что и у прототипа, то есть стационарный и мобильный [2]. Данное изобретение значительно эффективнее выполняет предназначения, которые относятся к трем областям ее применения:

1. К области электроэнергетики и выполняет роль альтернативного источника электроэнергии, особенность которого состоит в том, что при грозовой деятельности за короткий промежуток времени в накопитель поступает колоссальное количество электроэнергии.

2. К области безопасности и обеспечивает надежную молниезащиту в районе использования данного способа, так как постоянное аккумулирование двумя электропроводящими оболочками грозовой электроэнергии и ее отток в емкостной накопитель практически исключает грозовые разряды.

3. К области исследования атмосферного и грозового электричества, где изобретение используют в качестве удобного и экологически чистого инструмента для исследования грозового и атмосферного электричества, при этом существует два направления его использования:

1. Направление комбинированного использования, то есть в разное время чередуют накопление грозовой и атмосферной электроэнергии, а так же молниезащиту с исследованием атмосферного и грозового электричества, включая или отключая разъединителем накопитель от второго изолированного электропровода, связанного с электропроводящей оболочкой, которую располагают на нижнем уровне в атмосфере или в отрицательной области грозового облака.

2. Исследовательское направление, когда изобретение используют только в области исследования атмосферного и грозового электричества, например осуществляют мониторинг в этой области в любом регионе Земли.

Использование данного изобретения в отличие от прототипа позволяет:

1. Более эффективно аккумулировать грозовую и атмосферную электроэнергию за счет использования двух электропроводящих оболочек, внутри которых помещают аэростаты и удерживают на двух разных уровнях в грозовом облаке или в атмосфере над Землей.

2. Двухуровневый способ аккумулирования грозовой и атмосферной электроэнергии позволяет исключить заземляющее устройство, что существенно сокращает время развертывания при мобильном и стационарном вариантах использования изобретения и существенно сокращает трудовые затраты. Кроме того, изобретение позволяет осуществлять эффективную молниезащиту и исследование в области атмосферного и грозового электричества.

3. Исключение заземляющего устройства дает возможность использования изобретения без существенных трудовых затрат в районах с большим удельным сопротивлением грунта, вечной мерзлоты, при наличии скальных структур, например в горной местности, на льдах Арктики и Антарктики, то есть практически в любой точке Земли.

4. Сокращаются экономические затраты на изготовление одновентильного выпрямителя вместо выпрямителя, собранного по мостовой схеме и имеющего четыре вентиля у прототипа.

5. Данный способ является экологически чистым и позволяет непрерывно и более эффективно, чем прототип аккумулировать экономически беззатратную электроэнергию в любой точке Земли и в любое время.

6. Использование изобретения в области исследования атмосферного и грозового электричества позволяет осуществить мониторинг в этой области в любых регионах Земли.

Источники информации

1. АС 758389М, Кл.³ H02J 15/00. Заявлено 05.12.77. Опубликовано 23.08.80. Бюл. №31.

2. RU 2293451 C2, Опубликовано 10.02.07. Способ аккумулирования атмосферной электроэнергии.

3. RU 2124821 C1, Опубликовано 10.01.1999. Устройство для использования атмосферного электричества Богданова - атмосферная электростанция летательных аппаратов и космических кораблей.

4. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. 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. Баптиданов Л.Н. и Тарасов В.И. 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. Москва. 1976.

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

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для накопления электрической энергии в любой точке Земли и в любое время, для обеспечения эффективной молниезащиты. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Согласно изобретению аккумулирование электроэнергии осуществляют при помощи двух электропроводящих оболочек сферической или иной формы, внутри каждой из которых помещают аэростат. Оболочки помещают в атмосфере на двух разных уровнях относительно поверхности Земли при помощи тросов из диэлектрического материала и двух лебедок. Величиной разности уровней определяют максимальное количество аккумулируемой электроэнергии и передают ее по двум изолированным электропроводам в емкостный накопитель. При этом один электропровод связывает электропроводящую оболочку, удерживаемую на верхнем уровне, с емкостным накопителем через предохранитель, индуктивность, амперметр и одновентильный выпрямитель. К предохранителю подсоединяют разрядник и емкостной накопитель. 1 ил.

Двухуровневый способ аккумулирования грозовой и атмосферной электроэнергии, заключающийся в использовании атмосферного электричества с помощью запуска летательного средства, представляющего собой электропроводящую оболочку, внутри которой помещен аэростат и удерживаемую в атмосфере на определенной высоте при помощи троса из диэлектрического материала и лебедки, определении значения электроэнергии амперметром, передачи электроэнергии в емкостный накопитель, установленный на поверхности Земли, через изолированный электропровод, предохранитель с подключенным к нему разрядником, индуктивность, амперметр и выпрямитель, отличающийся тем, что аккумулирование электроэнергии осуществляют при помощи двух электропроводящих оболочек сферической или иной формы, помещаемых и удерживаемых в атмосфере при помощи двух тросов и двух лебедок на двух разных уровнях относительно поверхности Земли, величиной разности которых определяют максимальное количество аккумулируемой электроэнергии, и передают ее по двум изолированным электропроводам в емкостный накопитель, при этом один электропровод связывает электропроводящую оболочку, удерживаемую на верхнем уровне, с емкостным накопителем через предохранитель, индуктивность, амперметр и одновентильный выпрямитель, при этом к предохранителю подсоединяют с подключенным вольтметром разрядник, связанный посредством второго электропровода с электропроводящей оболочкой, удерживаемой на нижнем уровне, и подключенной через второй электропровод и разъединитель к емкостному накопителю.