СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2016 года по МПК H02N3/00 

Изобретение основано на преобразовании энергии электронных пучков в электроэнергию электромагнитного процесса и может быть использовано для производства электроэнергии в электроэнергетике, в энергосиловых установках транспортных средств и других отраслях, вырабатывающих электроэнергию для собственных нужд.

Известен способ производства энергии (патент RU 2262793, H02N 3/00), принятый за прототип. Способ заключается в том, что электрической дугой ионизируют рабочее вещество, с помощью электронной пушки получают электронные пучки и преобразуют их энергию по двухполупериодной схеме в электроэнергию в виде тока проводимости, идущего по первичной цепи силового трансформатора - преобразователя, трансформирующего электроэнергию в сеть потребителей рабочей частоты ω_p (в бортовую сеть транспортного средства).

Недостатком прототипа является то, что в электроэнергию преобразуется за счет тока проводимости только часть энергии электронного пучка (примерно 1/3 часть).

Согласно теории электромагнитного поля [К. Шимони - Теоретическая электротехника, М., «Мир», 1964, с.42…50] электромагнитные процессы электронного пучка можно описать с помощью уравнений Максвелла-Лоренца:

rotH=J_ПР+J_K+J_CM=Eγ+ρυ+ε∂E/∂t; rotE=-µ∂H/∂t,

где H - вектор напряженности магнитного поля;

Е - вектор напряженности электрического поля;

J_ПР=Еγ - вектор плотности тока проводимости,

γ - удельная электропроводимость электронного пучка, переходящего в электрическую цепь;

J_K=ρυ - вектор плотности конвекционного тока,

ρ - объемная плотность зарядов в электронном пучке;

υ - вектор скорости зарядов в электронном пучке;

J_CM=ε∂E/∂t=ω_ρεE - вектор плотности токов смещения;

ε - диэлектрическая проницаемость;

µ - магнитная проницаемость среды электронного пучка.

Поэтому в электроэнергию можно также преобразовать конвекционные токи и токи смещения. Это существенно увеличит количество получаемой электроэнергии и повысит КПД.

Задачей изобретения является увеличение количества получаемой электроэнергии и повышение КПД.

Данная задача решается тем, что в известном способе, заключающемся в ионизации электрической дугой рабочего вещества, создании с помощью электронной пушки электронных пучков, преобразовании части энергии электронных пучков по двухполупериодной схеме в электроэнергию в виде тока проводимости, которую трансформируют в промышленную сеть рабочей частоты, согласно изобретению остальную энергию электронных пучков превращают в электроэнергию путем индукционного преобразования конвекционных токов и емкостного преобразования токов смещения.

Функциональная схема устройства, с помощью которого может быть реализован заявляемый способ получения электроэнергии, представлена на чертеже.

Данное устройство содержит: электродуговой плазмотрон 1 с анодом А_ЭД и катодом К_ЭД электрической дуги; электронные пушки 2 с аксиальными выходными анодами А_В, на которые подают противофазные напряжения U_a циклической рабочей частоты ω_p; индукционные преобразователи 4, выполненные на ферромагнитном тороидальном магнитопроводе, охватывающем электронный пучок 3; рабочие электроды 5 с рабочей полостью (РП) 6, выполненные из материала проводника первого рода, поэтому на поверхности рабочей полости 6 образуется двойной электрический слой; металлические обкладки 7, изолированные диэлектриком 8 от рабочих электродов 5, образующие конденсаторы С_5-7, соединенные последовательно с электрической емкостью двойного электрического слоя рабочих полостей 6; электроды 9 торможения; индуктивные обмотки L₁, L₂, L₃, L_a первичной цепи силового трансформатора-преобразователя 11 (СТП), симметричного относительно средней точки 10 обмотки L_a, соединенной с катодом К_ЭД плазмотрона 1 и корпусом устройства; конденсаторы C_p1, C_p2, соединенные с соответственными обмотками индуктивностей L₁, L₂; вторичную цепь 12 силового трансформатора-преобразователя 11; сеть потребителей электроэнергии 13 с циклической рабочей частотой ω_p (бортовую сеть мобильного аппарата).

Работает данное устройство следующим образом. С помощью электрической дуги ионизируют рабочее вещество (разряженный газ) между анодом А_ЭД и катодом К_ЭД плазмотрона 1 в ортогонально направленном полю дуги анодном поле электронной пушки 2.

Каждый ионизированный атом рабочего вещества дает два противоположно заряженных иона, электрон с зарядом «-е» и катион с зарядом «+е», которые движутся в противоположные стороны, катион - к катоду К_ЭД, электрон - к аноду А_ЭД. Под действием поля аксиального выходного анода А_В электронной пушки 2, создающего напряженность поля, в 10-15 раз большую, чем напряженность поля электрической дуги, электроны выходят из области дуги между А_ЭД и К_ЭД и устремляются к выходному аноду А_В, проходя через аксиальное отверстие выходного анода, получая потенциал U_a анода А_В и соответствующую скорость: ϑ_еП=(2eU_a/m_e)^1/2,

где m_e - масса электрона.

Электроны объединяются в электронный пучок 3, модулированный рабочей частотой ω_p. В это время катионы ионизированного рабочего вещества, обладающие массой на 4-5 порядков больше, чем электроны, практически не изменяя своей траектории движения, приходят на катод К_ЭД, заряжая его положительно.

При прохождении электронного пучка 3 через индукционный преобразователь 4 конвекционный ток пучка преобразуется в электрическую мощность, определяемую по зависимости $$S_{И}=I_K^2{\omega }_p{L}_{И}$$ ,

где L_И - эквивалентная индуктивность преобразователя 4, соединенного с обмоткой L, трансформатора-преобразователя 11 через конденсатор С_р1;

L_И - конвекционный ток, который равен $$I_K=J_K\pi r_{П}^2$$ ,

J_К - плотность конвекционного тока,

r_П - радиус электронного пучка.

Эта мощность через обмотку L₁, настроенную с конденсатором С_р1 в резонанс на рабочую частоту ω_p, передается силовым трансформатором-преобразователем 11 во вторичную обмотку 12 и в сеть потребителей 13.

Чем больше отбирается мощности из электронного пучка, тем сильнее тормозятся электроны, снижая свою скорость, пучок расширяется, уменьшается плотность заряда в пучке и его энергия. Для увеличения плотности заряда в пучке 3 его сжимают в рабочей полости 6 за счет сходящейся конусности по ходу пучка и электрического поля двойного электрического слоя на поверхности РП 6. Отношение диаметра входного отверстия рабочей полости 6 к выходному диаметру характеризует коэффициент сжатия пучка (d_вх/d_вых=K_сж), который определяет, во сколько раз увеличивается плотность заряда в пучке и сила тока. Энергия и мощность соответственно растут пропорционально квадрату коэффициента сжатия $$\left({К}_{сж}^2\right)$$ , так как они пропорциональны квадратам плотности заряда, конвенционного тока, плотности конвекционного тока (ρ², $$I_K^2$$ , $$I_K^2$$ ).

Затем полем двойного электрического слоя в цилиндрической части РП 6 удерживают электронный пучок 3 в сжатом состоянии, сохраняя его энергию и мощность, при торможении пучка 3 тормозящим полем электрода 9. На электроды 9 подают напряжение с части обмотки L₂, на анод А_В - со всей обмотки L_а, поэтому напряжение на электроде 9 меньше, чем U_a, так как U_a=U_La≈U_L2. Образуя ток проводимости электромагнитной цепи L₂, в электрод 9 входят передние электроны пучка, вдавливаемые задними электронами пучка 3, имеющими большую скорость, создаваемую выходным анодом А_В электронной пушки 2.

За счет торможения электронного пучка 3 у него отбирается кинетическая энергия W_k=m_e(ϑ_еП-ϑ_eT)²/2, которая превращается в напряжение на электроде 9 торможения U_T=m_e(ϑ_еП-ϑ_еТ)²e^jωpt/2e и в соответствующую мощность $$S_{ПР}=U_T{I}_{ПР}=U_T^2{Y}_{ПР}$$ , отбираемую из электронного пучка в виде тока проводимости в первичной электрической цепи L₂, трансформирующей эту мощность в сеть потребителей электроэнергии 13.

Здесь: ϑ_eT - скорость электронов, входящих в электрод 9 торможения, создающих силу тока проводимости I_ПР=U_TY_ПР в электрической цепи, обладающей электропроводимостью Y_ПР=(g²+(b_L-b_C)²)^1/2,

где g - активная электропроводимость цепи L₂;

b_L=1/ω_pL₂ - индуктивная проводимость; b_C=ω_рС_р2 - емкостная проводимость электрической цепи L₂ совместно с C_P2, настроенных в резонанс на рабочей частоте ω_p.

Регулированием напряжения на индуктивной обмотке L₂ можно задавать степень торможения электронного пучка 3 и количество отбираемой из него энергии (мощности), передаваемой в сеть потребителей 13.

Рабочие электроды 5, металлические обкладки 7, изолированные между собой диэлектриком 8, являются конденсаторами C_5-7, получающими заряд сжимаемых пучков 3 через емкость «двойного электронного слоя», т.к. С_5-7 соединен последовательно с электрической емкостью «двойного электрического слоя» на поверхности рабочей полости 6. При последовательном соединении электрических емкостей их заряды одинаковы. Поэтому напряжение U_5-7 на конденсаторе C_5-7 будет в С_ДЭС/С_5-6 раз больше напряжения «двойного электрического слоя» в рабочей полости 6, что составляет 3-4 порядка

U_5-7=q_ДЭC/C_5-7=U_ДЭC·C_ДЭC/C_5-7.

Это напряжение подают на обмотку L₃ силового трансформатора-преобразователя 11, работающую совместно с С_5-7 в режиме резонанса напряжений, $${\omega }_p{L}_3={\left({\omega }_p{C}_{5-7}\right)}^{-1}$$ .

Мощность, передаваемая через этот конденсатор в электрическую цепь силового трансформатора-преобразователя 11, составляет

$$S{q}_{ЭЦ}=U_{5-7}^2\cdot {\omega }_p\cdot C_{5-7}=U_{5-7}^2/{\omega }_p{L}_3$$ .

При смене полярности полуволны напряжения U_a, на выходном аноде А_В электронной пушки 2, под действием положительной полуволны напряжения, образуется электронный пучок и получают электрическую мощность в другом плече симметричной электрической цепи СТП 11.

Происходит двухполупериодное преобразование конвекционного тока, тока смещения, тока проводимости и энергии электронного пучка в электрическую мощность рабочей частоты сети 13.

Совершив работу в электрической цепи СТП 11, электроны приходят на катод электрической дуги К_ЭД, где рекомбинируют катионы в атомы и молекулы рабочей среды, вновь подвергаемой ионизации электрической дугой, для очередного цикла получения электроэнергии по предлагаемому способу и передачи электрической мощности рабочей частоты ω_p в сеть потребителей 13.

Таким образом, по предлагаемому способу получения электроэнергии осуществляют двухполупериодное преобразование энергии электронного пучка 3 в электрическую мощность конвекционных токов, токов смещения, токов проводимости, трансформируемую на рабочей частоте ω_p в сеть потребителей электроэнергии (бортовую сеть мобильного аппарата) 13. Применение индукционного и емкостного преобразования совместно с преобразованием энергии электронного пучка 3 в токи проводимости, используемого в прототипе, существенно повышает коэффициент использования энергии (мощности) электронного пучка 3, увеличивая количество получаемой электроэнергии, и, соответственно, возрастает КПД предлагаемого способа по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к электротехнике, основано на преобразовании энергии электронных пучков в электроэнергию электромагнитного процесса и может быть использовано для производства электроэнергии в электроэнергетике, в энергосиловых установках транспортных средств и других отраслях, вырабатывающих электроэнергию для собственных нужд. Технический результат состоит в повышении к.п.д. за счет повышения использования энергии пучка электронов. Способ заключается в ионизации электрической дугой рабочего вещества, создании с помощью электронной пушки электронных пучков, преобразовании энергии электронных пучков в виде тока проводимости, индукционного преобразования конвекционных токов и емкостного преобразования токов смещения по двухполупериодной схеме в электроэнергию, которую трансформируют в промышленную сеть рабочей частоты. 1 ил.

Способ получения электроэнергии, заключающийся в ионизации электрической дугой рабочего вещества, создания из него с помощью электронной пушки электронных пучков, двухполупериодном преобразовании части энергии электронных пучков путем их торможения в электроэнергию в виде эквивалентных электрическому заряду пучков токов проводимости, создающих в поляризующейся электрической цепи эквивалентный потенциал и мощность, трансформируемую в сеть потребителей, отличающийся тем, что электронные пучки с частотой двухполупериодного преобразования первоначально направляют в магнитоиндукционные преобразователи, в которых происходит преобразование конвекционного тока, обусловленного направленным движением заряженных микрочастиц в электронном пучке, в электрическую мощность, трансформируемую в сеть потребителей, а затем электронные пучки направляют в рабочие полости с электрической емкостью двойного электрического слоя, последовательно соединенной с электрической емкостью рабочих электродов с металлическими обкладками, с помощью этих емкостей преобразуют электрические заряды пучков в эквивалентное напряжение токов смещения, возникающих за счет изменения электрической индукции в электронных пучках, и электрическую мощность, трансформируемую в сеть потребителей.