УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2011 года по МПК H02N3/00 H01J45/00 

Изобретение относится к отрасли энергетики и может быть использовано для производства электрической энергии для локальных сетей с использованием как высокопотенциального, так и низкопотенциального тепла, в частности солнечного.

Известен способ получения электроэнергии и теплодинамические ионные электрогенераторы на его основе.

Способ заключается в проталкивании потоком подвижной среды предварительно выделенных или сгенерированных электрически заряженных частиц в электроизолированных каналах против потенциала коллекторного электрода. В каждом канале находятся заряженные частицы одного знака так, что разность потенциалов формируется коллекторами разных каналов. Теплодинамический ионный электрогенератор на основе этого способа содержит источник подвижной среды (источник продуктов сгорания, источник газа, источник пара и т.п.), который подает поток подвижной среды к устройству выделения или генерации электрически заряженных частиц, а также вспомогательные устройства для формирования и управления этими частицами, которые создают требуемые условия для продвижения заряженных частиц в электроизолированных каналах. Как следует из сущности заявки, способ обеспечивает преобразование тепловой энергии в электрическую (Заявка России №2004113182 от 2004.04.13, опубликовано 2006.02.10 H02N 3/00).

Признаками, которые совпадают с предлагаемым решением, являются:

- коллекторный электрод;

- электроизолированный канал;

- генератор электрически заряженных частиц.

Недостатком этого способа является собственно открытость способа, сложная и функционально неопределенная система управления заряженными частицами. Для его реализации необходимо наличие отдельного источника подвижной среды, а также пополнение источника подвижной среды первичным материалом (исходные материалы или технологические процессы для получения продуктов сгорания, газа, пара и т.п. соответственно). Отработанная подвижная среда выбрасывается в окружающее пространство.

Известен генератор электрической энергии на базе барьерного электрического озонатора, который используется в качестве генератора заряженных частиц и транспортера зарядов для генератора Ван де Граафа. Это устройство использует струю озонированного в барьерном электрическом разряде газа для целей генерации и транспортировки заряженных частиц в электростатическом генераторе Ван де Граафа. Как известно, особенностью этого вида генераторов является накопление заряда на емкости с помощью механического перемещения диэлектрического носителя зарядов, которые образуются на нем электризацией собственно материала носителя или индукцией зарядов на его поверхности (Прикладная физика №1, Москва, Россия, 2005, с.65, Вестник ОГУ Na 7, Омск, Россия, 2003, с.182).

Признаками, которые совпадают с предлагаемым решением, являются:

- генератор электрически заряженных частиц;

- электроизолированный канал:

- газ как носитель заряженных частиц;

- коллекторный электрод в форме шаровидной емкости для накопления электрического заряда.

Недостатком этого устройства является необходимость наличия источника газа и отдельного источника высоковольтного напряжения для ионизации газа.

Задачей изобретения является использование циклических процессов движения газа и заряда-разряда носителей заряженных частиц для упрощения конструкции устройства, повышения его эффективности и расширения функциональных возможностей.

Техническим результатом изобретения является:

- получение постоянного электрического тока;

- возможность использования для охлаждения замкнутых объемов среды вокруг генератора;

- возможность использования для работы низкопотенциального тепла от разнообразных его источников: солнечного коллектора, тепловых отходов отопительных и производственных систем, избыточного тепла технологических процессов и т.п.;

- упрощение конструкции устройства;

- возможность использования для создания импульсных разрядов большой мощности.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования энергии, включающем генератор электрически заряженных частиц, коллекторный электрод и электроизолированный канал, коаксиально электроизолированному каналу размещен дополнительный электроизолированный канал, по оси которых создано постоянное магнитное поле, коллекторный электрод, выполнен в форме тела вращения и своей полостью сообщает и замыкает верхние выходы электроизолированных каналов, генератор электрически заряженных частиц выполнен в виде автоэмиссионного катода, который установлен на металлической основе в непосредственной близости к нижнему выходу электроизолированного канала, металлическая основа выполнена в форме, замыкающей и сообщающей нижние выходы электроизолированных каналов, а полученный герметичный объем заполнен газом, имеющим отрицательное значение энергии сродства к электрону, при этом внешняя стенка металлической основы подсоединена к источнику тепла.

Как вариант, электроизолированные каналы содержат набор кольцевых постоянных магнитов.

Как вариант, внутренняя стенка дополнительного электроизолированного канала содержит электропроводящий участок, соединенный с коллектором.

Как вариант, внутренняя стенка дополнительного электроизолированного канала содержит кольцевой электропроводящий участок, соединенный с металлической основой.

Как вариант, в электроизолированном канале вблизи автоэмиссионного катода установлена сетка, которая соединена с внутренней поверхностью коллекторного электрода.

Существенными признаками технического решения, которое предлагается, является:

- автоэмиссионный катод, установленный на металлической основе, которая подсоединена к источнику тепла;

- коллекторный электрод, который выполнен в форме тела вращения;

- дополнительный электроизолированный канал;

- наполнение полостей коллекторного электрода, генератора заряженных частиц и объема электроизолированных каналов газом, который имеет отрицательное значение энергии сродства к электрону;

- создание постоянного магнитного поля по оси электроизолированного канала.

Причинно-следственная связь между существенными признаками предложения и техническим результатом раскрывается следующим образом.

В предлагаемом устройстве в качестве носителей заряда используются электроны. Такой подход характерен для термоэмиссионных генераторов (Технология термоэмиссионных преобразователей. Справочник под редакцией С.В.Рябикова, - М.: 1974). Однако для этого нужны высокие температура инициации катода и вакуум в полости генератора, чтобы обеспечить электроны нужной кинетической энергией для достижения анода и уменьшить потери на поглощение остатками паза в полости генератора (Большая Советская Энциклопедия, статья "Термоэмиссионный преобразователь энергии"). Эффективность термоэмиссионных генераторов составляет несколько процентов, напряжение, которое образуется, не превышает единицы вольт, а плотность тока достигает 20-50 а/см².

Совсем другой подход используется в электростатических генераторах (Ван де Граафа, электрофорная машина), где заряды наносятся на поверхность диэлектрика, с которой снимаются щеткой и накапливаются на специальном пустотелом сферическом электроде. Диэлектрик, как носитель заряда, выполнен в форме кольцевой ленты или диска, то есть в виде, позволяющем осуществлять циклическое движение. Заряды подаются на внутреннюю поверхность полого шара, а благодаря свойствам эквипотенциальных поверхностей концентрируются на внешней поверхности шара. Напряжение достигает миллионов вольт, а ток имеет форму импульсного разряда высокой интенсивности (Генератор Ван де Граафа. http:\\ru.wiklpedia.org).

В известном устройстве (теплодинамический ионный генератор) имеющийся электроизолированный канал обеспечивает движение электрически заряженных частиц только в одном направлении. После разряда электрически заряженных частиц на коллекторном электроде вещество подвижной среды удаляется из электроизолированного канала и устройства в целом, т.е. устройство является технологически открытым.

В заявляемом устройстве для возвращения носителей электрически заряженных частиц к генератору электрически заряженных частиц используется дополнительный электроизолированный канал, а управление направлением движения носителей электрически заряженных частиц осуществляется за счет изменения их температуры. Подогретые носители двигаются вверх по основному электроизолированному каналу, а охлажденные под действием тяготения двигаются вниз по дополнительному. Для этого корпус устройства ориентируется вертикально. В момент контакта с коллекторным электродом происходит разделение заряженных частиц и носителей электрически заряженных частиц, а также изменяется температура носителей электрически заряженных частиц. В качестве носителей заряженных частиц (электронов) выступает газ, который имеет отрицательное значение энергии сродства к электрону, что отображается в свойстве захвата электрона с выделением тепла и его отдачи с поглощением тепла. Отсюда, в частности, вытекает возможность регуляции мощности устройства: во-первых, за счет примесей нейтрального газа или уменьшения плотности рабочего газа, а во-вторых - за счет изменения угла наклона оси устройства к вертикали.

Для облегчения процессов взаимодействия носителей заряженных частиц и электронов в генераторе электрически заряженных частиц конструктивно использован автоэмиссионный катод (Ашкинази Л.А. Материалы электронных эмиттеров. Учебное пособие. - М., 2007), который имеет низкую работу выхода электрона, а возбуждение которого осуществляется от источника тепла в диапазоне 60-100°С. Захват электрона молекулой газа сопровождается выделениям тепла (Н.С. Ахметов. Актуальные вопросы курса неорганической химии. - М.: Просвещение, 1991. - 224 с.). В массе взаимодействий газ-электрон вблизи автоэмиссионного катода это приводит к локальному разогреву его поверхности дополнительно на 400-500°С.

Часть тепла используется на аналогичный разогрев самих носителей электрически заряженных частиц. Полученная энергия расходуется на работу газа против силы тяжести при движении вверх по электроизолированному каналу. Движение носителей электрически заряженных частиц, начинаясь как ламинарное, достаточно быстро переходит в турбулентное, что увеличивает энергетические потери в электроизолированном канале. Применением постоянного магнитного поля, ориентированного по оси электроизолированного канала, достигается уменьшение турбулентности восходящего потока носителей электрически заряженных частиц за счет воздействия на движущиеся носители электрически заряженных части силы Лоренца. В результате движение носителей электрически заряженных частиц приобретает устойчивую спиралевидную форму со свойствами саморегуляции.

При отдаче газом электрона в момент контакта с коллекторным электродом происходит охлаждение газа и поглощение тепла от коллекторного электрода, часть которого компенсируется притоком тепла к коллекторному электроду от внешней среды. Это определяет снижение температуры поверхности коллекторного электрода и дополнительного электроизолированного канала на 5-10°С в зависимости от их массы и условий теплообмена с внешней средой, т.е. коллекторный электрод приобретает свойство поглощать тепло от внешней среды или от внешнего источника тепла. Охладившийся газ двигается вниз к автоэмиссионному катоду по дополнительному электроизолированному каналу. Этот режим работы устройства является типовым для получения постоянного тока. Для получения импульсного режима работы достаточно перейти в импульсный режим отбора мощности, т.е. подключать генератор к нагрузке после паузы, достаточной для накопления на коллекторном электроде требуемого потенциала по аналогии с электростатическими генераторами. В такой связи существенные признаки обеспечивают:

а) повышение эффективности устройства и упрощения его конструкции за счет:

- устранения необходимости в источнике носителей заряженных частей для питания генератора электрически заряженных частиц;

- сочетания способности накопления потенциала подобно электростатическим генераторам со значительной плотностью тока термоэмиссионных генераторов;

- способности длительный срок работать без обслуживания благодаря отсутствию подвижных частей;

- уменьшения энергетических потерь на движение носителей электрически заряженных частиц;

б) возможность использования устройства как охладителя воздуха или вообще какого-либо теплоносителя для последующих потребностей;

в) возможность агрегации устройства с разными источниками тепла, в частности низкопотенциального, например, солнечного.

Графическое изображение изобретения, которое предлагается, показано на фиг.1-5. На фиг.1 изображено устройство в разрезе. На фиг.2 показано поперечное сечение устройства. На фиг.3 и 4 показано устройство в вариантном исполнении. На фиг.5 показана пусковая характеристика генератора для трех температур инициации устройства (Т1, Т2, Т3).

Устройство для преобразования энергии (фиг.1, фиг.2) состоит из корпуса 1, в котором установлены изолирующие диски 2 и 3, удерживающие электроизолированный канал 4, коллекторный электрод 5 и генератор 6 электрически заряженных частиц. Коаксиально электроизолированному каналу 4 размещен дополнительный электроизолированный канал 7, по оси которого создано постоянное магнитное поле Н (источник магнитного поля не показан). Коллекторный электрод 5 выполнен в форме тела вращения и своей полостью сообщает и замыкает верхние выходы электроизолированных каналов 4 и 7. Генератор 6 электрически заряженных частиц выполнен в виде автоэмиссионного катода 8, который установлен на металлической основе 9 в непосредственной близости к нижнему выходу электроизолированного канала 4. Металлическая основа 9 выполнена в форме (чашеподобно), замыкающей и сообщающей нижние выходы электроизолированных каналов 4 и 7, а полученный герметичный объем заполнен газом 10, имеющим отрицательное значение энергии сродства к электрону, при этом внешняя стенка металлической основы 9 подсоединена к источнику тепла 11. Коллекторный электрод 5 образует отрицательный полюс устройства, а генератор 6 электрически заряженных частиц образует его положительный полюс.

Как вариант (фиг.3), электроизолированные каналы 4 и 7 содержат набор кольцевых постоянных магнитов 12.

Как вариант (фиг.1), внутренняя стенка дополнительного электроизолированного канала 7 содержит электропроводящий участок 13, соединенный с коллектором 5.

Как вариант (фиг.1), внутренняя стенка дополнительного электроизолированного канала 7 содержит кольцевой электропроводящий участок 14, соединенный с металлической основой 9.

Как вариант (фиг.4), в электроизолированном канале 4 вблизи автоэмиссионного катода 8 установлена сетка 15, которая соединена с внутренней поверхностью коллекторного электрода 5.

Устройство для преобразования энергии работает следующим образом. Корпус 1 генератора установлен вертикально. В исходном состоянии температура газа 10 одинакова по всему объему полости устройства. Конвективное движение газа 10 по электроизолированным каналам 4 и 7 отсутствует. Незначительное количество электронов, которые смогли покинуть автоэмиссионный катод 8, захвачено газом 10, молекулы которого осуществляют обмен этими электронами между собой в тонком слое около поверхности автоэмиссионного катода 8. На коллекторном электроде 5 потенциал равняется нулю, тока нет. После подачи теплоносителя, например подогретой воды от батареи солнечного коллектора (не показано) к источнику тепла 11 (показано стрелками Б, фиг.1), осуществляется подогрев металлической основы 9 генератора 6 заряженных частиц, что влечет разогрев и активацию автоэмиссионного катода 8. Количество электронов, которые покинули автоэмиссионный катод 8, растет. Молекулы газа 10 благодаря сродству к электрону захватывают около поверхности автоэмиссионного катода 8 эмитированные электроны и становятся носителями заряженных частиц. Одновременно при захвате электронов идет экзотермический процесс и выделяется тепло, которое способствует дополнительному разогреву автоэмиссионного катода 8 и газа 10. Тем самым генератор 8 заряженных частиц переходит в режим самоподдержки процесса образования заряженных частиц. Благодаря подогреву газа 10 начинается его конвективное движение от автоэмиссионного катода 8 вверх по каналу 4 к коллекторному электроду 5, где заряженные частицы отдают электроны (разряжаются) на внутренней поверхности коллекторного электрода 5, при этом от тела коллекторного электрода 5 поглощается некоторое количество тепла. Коллекторный электрод 5 имеет температуру внешней среды и потому молекулы газа 10, которые частично отдали свою энергию на разогрев автоэмиссионного катода 8 и подъем к коллекторному электроду 5, охлаждаются ниже температуры металлической основы 9. Газ 10 под действием силы тяготения опускается по дополнительному электроизолированному каналу 7 (показано стрелками) к металлической основе 9 и автоэмиссионному катоду 8. Цикл повторяется. Благодаря свойствам эквипотенциальных поверхностей, электроны перетекают с внутренней поверхности коллекторного электрода 5 и накапливаются на внешней поверхности коллекторного электрода 5. Действующее по оси устройства постоянное магнитное поле Н уменьшает влияние хаотическою движения носителей заряженных частиц. За счет силы Лоренца оно придает их движению свойства упорядоченности и саморегуляции. Это снижает гидравлическое сопротивление электроизолированного канала 4. Постоянное магнитное поле может создаваться как внешним соленоидом (не показан), обмотка которого включена последовательно (параллельно) с нагрузкой, так и постоянными магнитами 12, которые для уменьшения габаритов устройства встраиваются в стенки электроизолированных каналов 4 и 7, как показано на фиг.3.

Статистически существует вероятность того, что не все сгенерированные заряженные частицы диссоциируют на поверхности коллекторного электрода 5 на электроны и молекулы газа 10. Поэтому этот процесс должен продлиться таким образом, чтобы как можно большая часть молекул газа 10 была способна опять принять участие в образовании заряженных частиц в генераторе 6 заряженных частиц. Для этого, как вариант, внутренняя стенка дополнительного канала 7 оборудуется электропроводящим участком 13 и соединяется с коллектором 5 для создания тормозящего поля неразрядившимся заряженным частицам и возврата их в полость коллектора 5.

Те же соображения приводят к необходимости установки электропроводящего участка 14 в нижней части электроизолированного канала 7 и соединения его с металлической основой 9 для разрядки неразрядившихся заряженных частиц.

При некоторых соотношениях длины электроизолированного канала 4 и его диаметра гидравлическое сопротивление движению газа 10 может повлечь ухудшение параметров преобразования энергии, в частности, на начальном этапе выхода на режим. Дело в том, что при эмиссии электронов из-за отсутствия тока во внешней цепи около автоэмиссионного катода 8 образуется барьерный электрически заряженный слой, который мешает эмиссии новых электронов и удерживает уже эмитированные около автоэмиссионного катода 8. Подогрев газа 10 может быть еще недостаточным, чтобы его молекулы, которые захватили электроны, смогли преодолеть силу сопротивления барьерного слоя и гидравлическое сопротивление в канале 4 для начала работы устройства. Поэтому применятся экранная сетка 15 (фиг.4), которая уменьшает влияние барьерного слоя. Сетка 15 устанавливается около, автоэмиссионного катода 8 на расстоянии 10^-5- 10^-3 м и соединена с коллекторным электродом 5, при этом ток начинается при меньшей температуре инициации автоэмиссионного катода 8, и пусковая характеристика устройства становится более мягкой.

Габаритные размеры устройства для преобразования энергии (фиг.1-4) определяются его назначением и мощностью. При высоте корпуса 20 см и диаметре сферы коллекторного электрода 6 см устройство обеспечивает ток короткого замыкания до 11а при внутреннем сопротивлении 0,028 Ом. Корпус устройства выполнен из металлических верхнего и нижнего колец, соединенных спицами. В корпусе установлены изолирующие диски 2 и 3 из керамики, которые удерживают электроизолированный канал 4 из керамики, коллекторный электрод 5 и генератор 6 электрически заряженных частиц. Коллекторный электрод 5 выполнен пустотелым из стали в форме тела вращения. Автоэмиссионный катод 8 выполнен, например, по патенту России Na 2187860 от 2002.08.20, или по подобной технологии (электрод Спиндта), в том числе с использованием углеродных нанотрубок. Дополнительный электроизолированный канал 7 может быть выполнен из керамики, фторопласта и др. подобных материалов с усилением его наружной стенки сталью. Внутренний объем каналов 4 и 7 и коллекторного электрода 5 заполнен газом 10, который имеет отрицательное сродство к электрону, например, кислородом. В качестве источника 11 тепла может быть использовано любой источник, который обеспечивает подогрев автоэмиссионного катода 8 на 60-100°С, например, вода от батареи солнечного коллектора. Существенным является то, что при работе устройства давление газа 10 в его полости повышается, потому должны быть предусмотрены соответствующие конструктивные мероприятия для обеспечения герметичности соединений каналов 4 и 7, коллекторного электрода 5, металлической основы 9 и изолирующих дисков 2 и 3.

Как вариант (фиг.4), в электроизолированном канале 4 около автоэмиссионного катода 8 установлена сетка 15 из инвара в форме плоской спирали, которая соединена с внутренней поверхностью коллекторного электрода 5.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для производства электрической энергии для малой энергетики и локальных электросетей с использованием как высокопотенциального, так и низкопотенциального тепла, в частности солнечного. В вертикально установленном корпусе (1) выполнены электроизолированные каналы (4, 7). Автоэмиссионный катод (8), установлен на металлической основе (9) в нижней части электроизолированных каналов (4, 7). Коллекторный электрод (5) выполнен в форме тела вращения и замыкает электроизолированные каналы (4, 7) своей внутренней полостью сверху. Металлическая основа (9) замыкает электроизолированные каналы (4, 7) снизу, а полученный герметичный объем заполнен газом (10), который имеет отрицательное сродство к электрону. Металлическая основа (9) подсоединена к источнику тепла. Технический результат состоит в упрощении конструкции, получении постоянного и импульсного тока, при этом поверхность коллекторного электрода (5) может охлаждаться ниже температуры окружающей среды. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для преобразования энергии, включающее генератор электрически заряженных частиц, коллекторный электрод и электроизолированный канал, отличающееся тем, что коаксиально электроизолированному каналу размещен дополнительный электроизолированный канал, по оси которых создано постоянное магнитное поле, коллекторный электрод выполнен в форме тела вращения и своей полостью сообщает и замыкает верхние выходы электроизолированных каналов, генератор электрически заряженных частиц выполнен в виде автоэмиссионного катода, который установлен на металлической основе в непосредственной близости к нижнему выходу электроизолированного канала, металлическая основа выполнена в форме, замыкающей и сообщающей нижние выходы электроизолированных каналов, а полученный герметичный объем заполнен газом, имеющим отрицательное значение энергии сродства к электрону, при этом внешняя стенка металлической основы подсоединена к источнику тепла.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один или оба электроизолированных канала содержат набор кольцевых постоянных магнитов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя стенка дополнительного электроизолированного канала содержит электропроводящий участок, соединенный с коллекторным электродом.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя стенка дополнительного электроизолированного канала содержит кольцевой электропроводящий участок, соединенный с металлической основой.

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что в электроизолированном канале вблизи автоэмиссионного катода установлена сетка, которая соединена с внутренней поверхностью коллекторного электрода.