Способ прямого преобразования кинетической энергии потока диэлектрической среды в электрическую энергию Российский патент 2019 года по МПК H02N3/00 

Настоящее изобретение относится к способу построения генераторов, в которых тепловая или кинетическая энергия преобразуется в электрическую энергию путем ионизации жидкой или газообразной среды и снятия с нее заряда (H02N 3/00) и может быть использовано как альтернатива традиционной энергетике.

Из существующего уровня техники известны устройства и способы, в которых совершались попытки реализовать прямое преобразование энергии потока в электроэнергию:

патент СССР №256898, опубликовано: 01.01.1969;

патент РФ_2065246, публикация патента: 10.08.1996;

патент РФ_2119232, публикация патента: 20.09.1998.

Недостатками данных технических решений является то, что выход активирующего источника высокого напряжения гальванически связан с рабочим телом, а также генерирующий электрод является активным, что приводит к затрате энергии высоковольтного источника на генерацию ионизированных частиц и нейтрализации этих частиц непосредственно на вытягивающем (индуцирующем) электроде. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является реализация способа прямого преобразования кинетической энергии потока газового или жидкого диэлектрика в электроэнергию без движущихся узлов и механизмов, в котором исправлены эти недостатки.

Суть способа описана ниже в иллюстрациях и пояснениях. Иллюстрации выполнены схематично, так как форма и размеры генерирующего и собирающих модулей могут варьироваться в широком диапазоне, в зависимости от физических свойств и агрегатного состояния рабочего тела, а также от условий, в которых протекают процессы: давление, влажность, температура, скорость потока. Реализацию способа преобразования энергии рассмотрим на примере работы преобразующей ячейки.

На Фиг. 1 схематично показана преобразующая ячейка. Она состоит из двух функциональных частей: генерирующей и нейтрализующей. Генерирующая часть состоит из двух активных индуцирующих электродов (1) и одного пассивного генерирующего электрода (2). Индуцирующие электроды представляют из себя токопроводящие плоскости, гальванически не связанные ни с рабочим телом, ни с окружающей средой. В пространстве между индуцирующими электродами расположен генерирующий электрод. Он представляет из себя две гальванически связанные кромки, с заостренными гранями направленные к индуцирующим электродам и контактирующие с рабочим телом. Все электроды закреплены в диэлектрическом материале корпуса (3) так, что пространство между индуцирующими электродами этим диэлектриком разделено, и представляет из себя две отдельные камеры (4). Нейтрализующая часть ячейки представляет из себя два коллектора для сбора и нейтрализации разноименно заряженных частиц. Каждый коллектор состоит из внутренней, проницаемой для рабочего тела, токопроводящей поверхности (5) и гальванически связанным с ней токопроводящим корпусом (6). Функционально каждый коллектор является Клеткой Фарадея: внутренняя токопроводящая часть имеет нулевой потенциал, а любой заряд с нее перетекает и скапливается на внешней поверхности корпуса коллектора.

На Фиг. 2 схематично показана преобразующая ячейка в рабочем состоянии. При подаче разноименных потенциалов от высоковольтного источника напряжения (7) на индуцирующие электроды, между ними образуется электростатическое поле. При достаточной напряженности этого поля, на противоположных заостренных кромках (8) генерирующего электрода индуцируется разность потенциалов, способная спровоцировать коронные разряды. Посредством коронных разрядов в рабочем теле, с которым контактируют кромки генерирующего электрода, зарождаются ионизированные частицы (9) с соответствующим знаками зарядов. Притягиваясь к стенкам камер, в которых находится индуцирующие электроды, скопившиеся заряженные частицы образуют аналоги обкладок конденсаторов. По мере накопления ионизированных частиц увеличивается суммарный заряд этих обкладок конденсаторов, и как следствие происходит нейтрализация электростатического поля вплоть до полного угасания коронных разрядов - система входит в состояние равновесия. При появлении направленного потока, вместе с потоком рабочего тела уносятся и ионизированные частицы. В системе, выведенной из состояния равновесия возобновляются коронные разряды. С ростом скорости потока увеличивается интенсивность коронных разрядов, насыщающих ионизированными частицами рабочее тело. При полном выносе заряженных частиц из пространства генерации, сила коронных разрядов максимальна. Перенесенные потоком во внутреннее пространство коллекторов (10), заряженные частицы нейтрализуются, соприкасаясь с их внутренней токопроводящей поверхностью. Заряды перетекают на наружную поверхность коллекторов и аккумулируются на гальванически связанных с ними накопителях (11) в виде электроэнергии постоянного напряжения с зарядом разноименного знака относительно заземления.

Для эффективной работы представленного способа преобразования кинетической энергии потока в электроэнергию необходимо:

1. Обеспечить стабильную генерацию ионизированных частиц. Для этого необходимо чтоб на кромках генерирующего электрода образовалась разность потенциалов, необходимая для возникновения коронных разрядов. Реализуется это через наведения электростатического поля в пространстве, в которое помещен генерирующий электрод. Выполнить это можно тремя вариантами подключения электродов. Первый (Фиг. 3): на индуцирующие электроды подают потенциалы с разными знаками относительно заземляющего проводника. Второй (Фиг. 4): в отличие от первого варианта генерирующий электрод заземляется. Третий вариант (Фиг. 5): поле между электродами создается при одном заземленном индуцирующем электроде, на второй подается постоянное высокое напряжение любой полярности, заземление генерирующего электрода при этом недопустимо. Также для эффективной генерации ионизированных частиц необходимо, чтобы кромки генерирующего электрода контактировали с рабочим телом и были с малым радиусом кривизны, то есть заостренными.

2. Обеспечить эффективный перенос заряженных частиц из генерирующего узла ячейки в коллекторы.

3. Внутреннее пространство коллекторов должно иметь максимально большую площадь токопроводящей поверхности для полной нейтрализации ионизированных частиц, при этом оказывать минимальное тормозящее воздействие на поток рабочего тела.

4. Важным условием для реализации данного способа является эффективная диэлектрическая изоляция индуцирующих электродов от рабочего тела. Ток в их цепи определяется током утечки изоляции и должен стремиться к нулю. Используется только высоковольтный потенциал, который индуцирует электростатическое поле, достаточное для поддержания коронных разрядов на кромках генерирующего электрода.

При соблюдении этих условий количество электроэнергии, полученной представленным способом за единицу времени будет напрямую зависеть от скорости потока, проходящего через преобразующую ячейку.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в альтернативном преобразовании кинетической энергии потока в электроэнергию. Технический результат состоит в исключении при преобразовании механически движущихся частей. В заявленном способе получения электроэнергии рабочим телом является диэлектрическая среда: диэлектрическая жидкость, аэрозоль, газ. Источником энергии является кинетическая энергия потока, как природного происхождения: ветер, так и техногенного: выхлопные, отработанные газы, принудительно сгенерированные потоки и т.д. Разноименно заряженные ионизированные частицы генерируют в отдельных камерах посредством коронных разрядов на полюсах пассивного генерирующего электрода, находящегося в электростатическом поле, наведенном изолированными от рабочего тела индуцирующими электродами с поданным на них разноименным высоковольтным постоянным потенциалом относительно заземленного проводника. Заряженные частицы переносят потоком рабочего тела в коллекторы, в которых их нейтрализуют на внутренней токопроводящей поверхности, с которой заряды перетекают на внешнюю поверхность коллекторов и аккумулируются в виде электроэнергии на гальванически связанных с ними накопителях. 5 ил.

Способ прямого преобразования кинетической энергии потока диэлектрической среды в электрическую энергию подразумевает генерацию ионизированных частиц в потоке рабочего тела и перенос в собирающий коллектор, отличающийся тем, что разноименно заряженные ионизированные частицы генерируют в отдельных камерах посредством коронных разрядов на полюсах пассивного генерирующего электрода, контактирующего с рабочим телом, находящегося в электростатическом поле, наведенном высоковольтным потенциалом, поданным на гальванически не связанные с рабочим телом индуцирующие электроды, затем одноименно заряженные частицы из камер генерации переносят потоком рабочего тела в соответствующие коллекторы, в которых их нейтрализуют на внутренней токопроводящей поверхности, с которой заряды перетекают на внешнюю токопроводящую поверхность коллекторов, затем их аккумулируют в виде электроэнергии на гальванически связанных с коллекторами накопителях.