СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2012 года по МПК H02N1/08 H02N11/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к генерации электроэнергии, и может быть использовано для промышленного получения электроэнергии. Оно может быть также применено в технологиях индукционного нагрева вещества.

Широко известны различные способы получения электрической энергии: электрохимический, термоэлектрический, магнитоэлектрический, пьезоэлектрический, фотоэлектрический, с использованием ядерной энергии и другие (см. "Большая Советская энциклопедия", Изд-во "Советская энциклопедия", М., 1978, т.10, стр.580-581). Общими для них проблемами являются низкий КПД преобразования исходной энергии в электрическую, а также экологическое загрязнение окружающей среды при утилизации используемых природных ресурсов. При этом, например, для создания и поддержания электромагнитного поля в генераторах или двигателях постоянного тока, для работы термоэлектрических генераторов, используемых в качестве источников тока, требуется потребление значительных объемов энергоносителей. Источники тока, преобразующие энергию солнечного излучения, эффективно могут быть использованы только в районах с большим числом солнечных дней в году. Кроме того, ряд источников электроэнергии в процессе функционирования наносит существенный вред окружающей природе (гидроэлектростанции, теплоэлектростанции).

В том числе известен способ получения электроэнергии, в котором для получения в обмотке, пронизываемой изменяющимся магнитным потоком, электрического тока создают в прокачиваемом горючим газом объеме волну горения путем его поджига разрядом. При этом создаваемый магнитный импульс создает в обмотке с ферромагнитным элементом импульс электрического тока (см. «Способ получения электроэнергии», патент РФ №2091975, МПК⁶ H02N 11/00, Н05Н 1/24, Н01М 14/00, 1993 г.).

Недостатком этого способа является конструкционная сложность, низкий КПД, загрязнение окружающей среды.

Известен способ получения электрического тока, сущность которого заключается в том, что в процессе получения электрического тока для создания в носителе потока движущихся свободных электрических зарядов на него воздействуют потоком частиц полем космической среды, сформированным в зоне размещения носителя, создавая различную концентрацию электрических зарядов на разных его концах, обеспечивая тем самым направленное движение свободных электрических зарядов при наличии внешней цепи (см. «Способ получения электрического тока», патент РФ №2132589, МПК⁶ H02N 11/00, G21M 7/00, 1998 г.).

Изобретение требует мощного внешнего источника космического излучения, имеет низкий КПД преобразования энергии потока космических частиц в электроток.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является способ получения электроэнергии с помощью электростатического индукционного генератора переменного тока (впервые описанного в опубликованной 6 мая 1891 г. статье Н.Теслы «Устройства электростатической индукции переменного тока», см. Тесла Н. Лекции и статьи. - М.: «Tesia Print», 2003. с.188-189), в котором электрический ток индуцируется в проводнике, пронизываемом изменяющимся потоком переменного электрического поля, образуемого движущимися над пластинами проводника-приемника заряженными поверхностями.

Недостатком данного, выбранного в качестве прототипа, способа является сложность образования изменяющегося потока электрического поля движущимися заряженными поверхностями. Такая технология создания поля сопровождается большими потерями, связанными с выполнением механической работы по вращению плоскостей индуктора, испытывающему противодействие кулоновских сил, и необходимостью использования механизмов подвижного токосъема для подачи напряжения на индуктор, что значительно усложняет устройство генератора и снижает эффективность его работы. Поэтому коэффициент полезного действия этого способа невысок. Последующие, развивающие этот способ, аналогичные изобретения (см. «Емкостной электростатический генератор», патент РФ №2075154, МПК H02N 1/08, 1993 г.) не устраняют указанные недостатки.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия и упрощение процесса преобразования энергии электростатического поля в энергию электрического тока.

Поставленная задача достигается тем, что для получения электроэнергии совместно используют два, известных с давних времен, электрических эффекта (приема). Первый - явление электростатической индукции, вызывающей поляризацию в диэлектриках и разделение (индуцирование) зарядов в проводниках. Второй - экран (клетка, цилиндр) Фарадея, позволяющий создавать (экранировать) в потоке электрического поля зону, свободную от действия поля (см. Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т2. - М.: Физматлит, 2008. с.24-27, 40-41, 71-74; Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1967. с.578).

При этом электроэнергию получают электрическим соединением между собой через нагрузку обкладок электрического конденсатора, которые размещают перпендикулярно силовым линиям электростатического поля и периодически экранируют от его воздействия.

Сущность изобретения состоит в том, что, разместив обкладки электрического конденсатора на разных эквипотенциальных поверхностях (поперек потока напряженности, перпендикулярно силовым линиям) электростатического поля и периодически полностью экранируя их от действия этого поля, получают воздействующий на конденсатор изменяющийся поток (напряженности) электрического поля. Этот поток вызывает индуцирование на обкладках конденсатора переменного напряжения, а при электрическом соединении их между собой через полезную нагрузку - питающего нагрузку переменного тока.

Отметим, что само по себе перемещение экрана перпендикулярно силовым линиям электростатического поля никак не влияет на величину заряда, образующего это поле, и не требует выполнения работы (см. Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т2. - М.: Физматлит, 2008. с.48-58). Кроме того, нет силового взаимодействия экрана и с защищаемым проводником (монолитным или в форме конденсатора с замкнутыми через нагрузку обкладками), поскольку собственное индуцированное поле проводника (конденсатора) сосредоточено внутри его объема.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ получения электроэнергии отличается иной, более простой и более экономичной технологией индуцирования электрического тока, осуществляемого воздействием на приемник в виде электрического конденсатора изменяющимся потоком электрического поля, которое создают периодическим экранированием приемника от действия электростатического поля, без более сложной и трудоемкой операции вращения заряженных пластин-индукторов и применения соответствующих подвижных токосъемов для подачи на них напряжения.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна" и "изобретательский уровень".

Возможность реализации заявленного способа получения электроэнергии рассмотрим на примере конструкции генератора электроэнергии.

Генератор электроэнергии

Устройство включает пронизываемый потоком электростатического поля электрический конденсатор, обкладки которого, соединенные через электрическую нагрузку, ориентированы поперек потока поля, и подвижный экран, размещаемый с возможностью периодически экранировать проводник от действия этого поля. При этом электростатическое поле может быть как естественного происхождения, так и созданным специальным индуктором, а конденсатор содержать как две, так и большее количество обкладок, размещенных в разных эквипотенциальных поверхностях этого поля.

На фиг.1, фиг.2 показан пример работы генератора электроэнергии, которая заключается в следующем.

Электростатическое поле напряженностью Е создают Индуктором 1, состоящим из двух неподвижных параллельно расположенных пластин, заряженных постоянным зарядом Q. Приемник 2 представляет из себя плоский электрический конденсатор емкостью С, имеющий две, также неподвижные, отстоящие на расстоянии d, расположенные перпендикулярно силовым линиям поля проводящие плоскости, электрически соединенные между собой через нагрузку Rн. Экран 3, являющийся проводящей поверхностью, достаточной для полного экранирования Приемника 2 от создаваемого Индуктором 1 поля, перемещают перпендикулярно силовым линиям поля относительно Приемника 2, то полностью открывая его для силовых линий поля, то полностью экранируя их действие. Второй, изображенный на чертеже приемник установлен для повышения эффективности использования рабочего пространства устройства. Он может работать на свою нагрузку, или, включаясь последовательно или параллельно совместно с первым, увеличивать выходное напряжение или ток устройства.

В положении полностью открытого приемника между его пластинами (толщиной пластин пренебрежем) действует образуемая полем разность потенциалов (напряжение) U=E*d, под действием которой на пластинах происходит разделение зарядов и емкость С приемника электронами (электронным током Iз), перемещающимися от одной пластины к другой через нагрузку Rн, начнет заряжаться до заряда q=ε_o*E*S (где S - площадь пластины, ε_o - электрическая постоянная) с образованием действующего между пластинами внутреннего напряжения U_c=q/C, той же величины, что и U, но противоположного знака. При полностью экранированном конденсаторе произойдет разряд его пластин под действием напряжения U_c, также через нагрузку Rн, током Iр противоположного направления. Эпюры токов и напряжений, составленные при условии, что движение экрана начинается по окончании заряда (разряда) емкости и скорость перекрытия экраном приемника значительно выше скорости перезарядки емкости, представлены на фиг.2. Они, по сути, аналогичны стандартным процессам заряда-разряда емкости.

Максимальная мощность индуцируемого электрического тока и минимальные затраты энергии на экранирование будут достигаться при расположении пластин конденсатора и экрана перпендикулярно силовым линиям поля и перемещении экрана также перпендикулярно силовым линиям поля, как это показано на фиг.1. Электростатическое поле в общем случае может быть не только однородным, как в рассмотренном примере, но и концентрическим, коаксиальным и любой другой формы. Пластины конденсатора и экрана при этом примут форму эквипотенциальных поверхностей поля в виде обкладок сферического, цилиндрического и других видов конденсаторов. При размещении устройства в диэлектрике с диэлектрической проницаемостью, существенно отличающейся от вакуума, при расчетах следует учитывать соответствующее ослабление напряженности электрического поля в диэлектрике. Кроме того, в общем случае возможны конструкции с подвижным приемником-конденсатором и неподвижным экраном, а также с неподвижным экраном, периодическая прозрачность для силовых линий поля у которого обеспечивается периодическим восстановлением электрической нейтральности поверхностей экрана.

Рассмотрим примеры возможной реализации заявленного способа получения электроэнергии в способах и устройствах иного назначения, при расширении области применения заявленного способа на экранирование в электростатическом поле других приемников электроэнергии, в том числе любых, имеющих объем проводящих тел (проводников).

Электронагреватель жидкости

Устройство включает диэлектрическую емкость с нагреваемой жидкостью и погруженным в нее пронизываемым потоком электростатического поля проводником протяженной формы с широкими торцевыми поверхностями, ориентированными поперек потока поля, и подвижный экран, размещаемый с возможностью периодически экранировать проводник от действия поля.

На фиг.3 показан пример работы электронагревателя жидкости, которая заключается в следующем.

Поток 1 электростатического поля пронизывает проводник 2, погруженный в нагреваемую жидкость 3, находящуюся в выполненной из диэлектрического материала емкости 4. Подвижный экран 5 периодически экранирует проводник 2 от действия потока 1 поля. Индуцируемый при этом в проводнике 2 электрический ток вызовет его нагрев и, через теплопередачу, последующий нагрев жидкости 3.

Проводник между торцевыми поверхностями может быть не только изображенного на чертеже винтообразного вида, но любой протяженной формы, обеспечивающей большой поверхностный контакт с нагреваемой жидкостью.

Площадь отдельных частей и удельное сопротивление проводника, напряженность электрического поля и периодичность экранирования выбирают из условия обеспечения нагрева заданного объема жидкости за требуемое время.

Электроплавильная печь

Устройство включает емкость из тугоплавкого диэлектрического материала с рудой выплавляемого металла, пронизываемой потоком электростатического поля, и подвижный экран, размещаемый с возможностью периодически экранировать руду от действия поля.

Металлические зерна руды здесь являются элементарными проводниками, находящимися в окружении окислов и примесей.

На фиг.4 показан пример работы электроплавильной печи, которая заключается в следующем.

Как и в предыдущем случае, поток 1 электростатического поля пронизывает руду 2 выплавляемого металла, находящуюся в выполненной из тугоплавкого диэлектрического материала емкости 3. Подвижный экран 4 периодически экранирует руду 2 от действия потока 1 поля. Индуцируемый при этом в металлических зернах руды 2 электрический ток вызовет их нагрев и плавление. Выплавленный металл будет собираться на дне емкости 3.

Напряженность электрического поля и периодичность экранирования выбирают из условия обеспечения выплавления заданного объема металла за требуемое время.

В отличие от известного электромагнитного индукционного метода плавки металлов в электрических печах здесь не требуется создания мощных высокочастотных, опасных для обслуживающего персонала, электромагнитных полей.

Способ может быть также применен для электроиндукционного поляризационного нагрева диэлектрического вещества, помещенного в электроплавильную печь вместо проводящего материала.

Кроме того, поскольку значение получаемой предложенным способом электроэнергии пропорционально напряженности используемого в качестве первичного источника энергии электростатического поля, то он может быть использован для измерения напряженности статических и квазистатических электрических полей.

Использование предлагаемого способа получения электроэнергии дает, по сравнению с существующими способами, следующий технический результат:

позволяет упростить конструкцию машин, производящих электроэнергию;

экономичнее по сравнению с существующими способами, обладает более высоким коэффициентом полезного действия;

является экологически чистым способом производства электроэнергии.

Перспективы промышленного применения изобретения не вызывают трудностей, поскольку предлагаемый способ состоит из совместного действия двух, давно известных и широко применяемых в электротехнике и радиоэлектронике, приемов электростатической индукции и экранирования элементов конструкции от действия внешнего поля, а также не требует использования каких-либо, неизвестных современной промышленности, средств, материалов или элементов.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для промышленного получения электроэнергии, а также в технологиях индукционного нагрева вещества. Технический результат состоит в повышении к.п.д. и упрощении процесса преобразования энергии электростатического поля в энергию электрического тока. Для получения электроэнергии в электростатическое поле помещают проводник и затем периодически экранируют его от воздействия этого поля. При этом в проводнике изменяющимся потоком электрического поля индуцируются импульсы переменного электрического тока. Способ экологически чист. 4 ил.

Способ получения электроэнергии путем получения в проводнике, пронизываемом изменяющимся потоком электрического поля, электрического тока, отличающийся тем, что указанный поток создают периодическим экранированием проводника от воздействия электростатического поля.