Устройство генерации униполярных электрических зарядов в атмосферу Российский патент 2023 года по МПК A01G15/00 

Изобретение относится к области техники, предназначенной для электрического воздействия на атмосферу с целью модификации погодных условий на контролируемой территории (аэродромы, скоростные автодороги, сельскохозяйственные угодья и пр.).

Известен способ генерации электрических зарядов в атмосферу путем подключения коронирующих проводов, закрепленных через изоляторы на опорах у поверхности земли, к источнику высокого напряжения, (см. Л.Г. Качурин " Физические основы воздействия на атмосферные образования", Гидрометеоиздат, Ленинград, 1978 г. стр. 287-293). Для реализации данного способа необходимо, чтобы в атмосфере сложились благоприятные условия, определяющие направленное движение естественных воздушных потоков от коронирующих проводов вверх по направлению нахождения облака предполагаемого воздействия. Необходимо обеспечить расположение коронирующих проводов на поверхности земли относительно предполагаемой области воздействия таким образом, чтобы естественные ветровые потоки выносили электрические заряды из области генерации коронного разряда и доставляли их непосредственно в облако.

В авторском свидетельстве СССР №71260, МПК A01G 15/00, опубликованном 31.07.1948 г., описан способ генерации электрических зарядов, который предусматривает доставку коронирующих проводов непосредственно в облако. Однако, реализация такого способа требует значительных материальных затрат, связанных с подъемом в облако предполагаемого воздействия системы генерации коронного разряда. Кроме того, вследствие того, что интенсивность выноса генерируемых зарядов в атмосферу, как и в выше описанном источнике информации, в значительной степени определяется естественными природными условиями, скоростью воздушного потока, проходящего через область коронного разряда, повысить эффективность известного способа техническими средствами практически невозможно.

Известен способ, заключающийся в обдуве воздушным потоком, формируемым с помощью технических средств, коронирующих электродов, установленных у поверхности земли. Описываемый способ и устройство способствует выносу ионизированного воздуха, т.е. электрически заряженных частиц вверх, ускоряя тем самым процесс выпадения осадков из облачности или осаждение тумана. Техническое решение, которое реализуют известный способ - это способ вызывания дождя (см. авторское свидетельство СССР №29675, МПК A01G 15/00, опубликованное в 1948 г.).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство генерации электрического заряда в атмосферу, описание которого изложено в патенте РФ №2763511 МПК 6 A01G 15/00. Известное устройство содержит систему генерации коронного разряда, включающую электрически соединенный с высоковольтным источником питания коронирующий электрод, установленный с зазором относительно осадительного электрода. Осадительный электрод выполнен в виде окружающей коронирующий электрод цилиндрической полости, торцевые поверхности которой открыты для прохождения воздушного потока. Нагнетание воздушного потока для прохождения его через цилиндрическую полость осадительного электрода, внутри которой генерируется униполярный коронный разряд, осуществляется путем установки известного устройства генерации электрического заряда в атмосферу на беспилотный летательный аппарат, вдоль его оси, в области прохождения струи его тягового винта. В известном устройстве по всей поверхности коронирующего электрода формируют неоднородное электрическое поле, интенсивность которого обеспечивает зажигание коронного разряда. Коронный разряд генерирует заполняющие цилиндрическую полость осадительного электрода униполярные ионы, значительная часть которых в процессе своего движения к осадительному электроду осаждаются на окружающих их аэрозолям. Электрически заряженные аэрозоли имеют очень малую подвижность, не успевают достичь поверхности осадительного электрода и набегающим воздушным потоком от движения беспилотного летательного аппарата и воздушным потоком его воздушного винта выносятся в атмосферу. Успешно решается задача генерации электрического заряда в атмосферу. Вместе с тем, в известном устройстве на все, генерируемые коронным разрядом ионы осаждаются на аэрозолях. Значительная их часть вследствие высокой их электрической подвижности достигают поверхности осадительного электрода, безвозвратно теряются, замыкая высоковольтную электрическую цепь, и не участвуют в процессе выноса электрического заряда в атмосферу. Снижается эффективность генерации электрических зарядов.

Целью изобретения является повышение эффективности генерации униполярных электрических зарядов в атмосферу.

Для повышения поставленной цели изобретения известное устройство генерации электрических зарядов в атмосферу, содержащее установленный в воздушном канале вентилятор и соединенную с воздушным каналом заземленную цилиндрическую обечайку, электрически соединенную с контуром заземления высоковольтного источника питания, высоковольтная клемма которого электрически соединена с электрически изолированно установленным вдоль оси заземленной цилиндрической обечайки коронирующим электродом, снабжено тонкостенной оболочкой, выполненной из диэлектрического материала и установленной в пространстве между поверхностью заземленной цилиндрической обечайки и коронирующим электродом с зазором относительно заземленной цилиндрической обечайки.

Технический результат достигается за счет того, что область воздушного пространства вокруг коронирующего электрода с помощью тонкостенной оболочки, выполненной из диэлектрического материала, электрически изолируется от заземленной цилиндрической обечайки. Тонкостенная оболочка, выполненная из диэлектрического материала, перекрывает путь продвижения ионов к заземленной цилиндрической обечайке и снижает вероятность их безвозвратного выхода из области проходящего воздушного потока в контур заземления высоковольтного источника питания. Повышается концентрация ионов в области заряжания проходящего воздушного потока, что способствует более эффективному заряжания содержащихся в нем аэрозолей и выносу их и ионов в атмосферу.

Выполнение диэлектрической оболочки тонкостенной, и установка ее с зазором относительно заземленной цилиндрической обечайки позволяет инициировать вибрации ее поверхности под воздействием на нее аэродинамических сил пульсаций проходящего от вентилятора турбулентного воздушного потока вдоль ее внутренней и внешней поверхности. Вибрации тонкостенной оболочки снижают вероятность удержания электрическим полем коронного разряда электрически заряженных аэрозолей и ионов на ее внутренней поверхности, что способствует повышению эффективности выноса электрических зарядов в атмосферу. Исключается также возможность накопления электрических зарядов на ее внутренней поверхности диэлектрической тонкостенной оболочки, снижающих напряженность электрического поля генерирующего коронный разряд. Обеспечивается стабильная генерация униполярного коронного разряда в условиях наличия диэлектрического барьера в разрядном промежутке. Упрощается задача технической реализации, так называемого диэлектрического барьерного разряда на постоянном токе.

На рис. 1 представлена условная схема предлагаемого устройства генерации электрических зарядов в атмосферу. Устройство содержит установленный воздушном канале 1 вентилятор 2. Электрически соединенная с контуром заземления высоковольтного источника питания 3 цилиндрическая обечайка 4, выполненная из электропроводного материала и диаметром, равным диаметру воздушного канала 1 и передней своею открытой торцевой частью 5 закреплена соосно на фланце 6 воздушного канала 1. На задней торцевой части цилиндрической обечайки 4 закреплен свободный для прохождения воздушного потока опорный фланец 7, на оси которого установлена базовая опора 8 изолятора 9. На противоположном от базовой опоры 8 конце изолятора 9 установлен фланец 10 крепления электрода 11. Электрод 11 выполнен в виде цилиндрического стакана, своим днищем закрепленного на фланце 10 изолятора 9, боковые стенками которого охватывают с зазором h наружную поверхность конструкции изолятора 9 вдоль поверхности его конструкции. Высоковольтная клемма высоковольтного источника питания 3 электрически соединена с электродом 11. Электрод 11 монтируется на оси обечайки 4 в конструкции устройства электрически изолированно. Значение зазора h относительно изолятора 9, а также зазор δ между торцом боковых стенок стакана изолятора 11 и базовой опорой 8 изолятора 11 определяется на стадии проектирования. Должно быть обеспечено условие исключения электрического пробоя на контур заземления высокого напряжения, подаваемого от высоковольтного источника питания 3 на электрод 11. Внешняя поверхность электрода 11, обращенная к внутренней поверхности обечайки 4, снабжена коронирующими элементами 12. Коронирующие элементы 12 снабжены заостренными кромками, обращенными к внутренней поверхности обечайки 4, например, в виде тонкостенных дисков 12, как показано на рисунке 1. Конструктивное выполнение коронирующих элементов может быть различным, и реализовано на основе известных технических решений. См., например, https://ive-co.ru/produktsiya/gazoochistnoe-oborudovanie/zapchasti-k-elektrofiltram/koroniruvushchie-elektrody/. В кольцевом пространстве между электродом 11 с коронирующими элементами 12 и цилиндрической обечайкой 4 с зазором Δ относительно ее внутренней поверхности смонтирована тонкостенная цилиндрическая оболочка 13, выполненная из диэлектрического материала, например, из фторопластовой пленки. Монтаж тонкостенной цилиндрической оболочки 13 может быть выполнен путем закрепления торца, который обращен к вентилятору, на каркасе 14, свободном для прохождения воздушного потока. Противоположный торец 15 тонкостенной цилиндрической оболочки 13 свободен. Каркас 14 крепится на опорном фланце 16, смонтированном на выполненной в виде свободной для прохождения воздушного потока конструкции 17, закрепленной на передней торцевой части 5 цилиндрической обечайки 4. На внутренней поверхности цилиндрической обечайки 4 могут быть выполнены специальные элементы для турбулизации проходящего вдоль ее поверхности воздушного потока, например, кольцевые проточки 18. Шаг выполнения проточек 18 и их глубина определяются на стадии проектирования, исходя из условий обеспечения формирования в зазоре Δ турбулентного течения воздушного потока. Методы обеспечения турбулизации течения известны и могут быть реализованы не только кольцевыми проточками, но и различными устройствами, которые применяются для искусственного утолщения пограничного слоя. См., например, В.И. Корнилов, А.В. Бойко. Формирование толстого турбулентного пограничного слоя с помощью решетки стержней. Теплофизика и аэромеханика, 2013, том 20, №3.

Генерация электрического заряда в атмосферу предлагаемым устройством происходит следующим образом. Устройство генерации электрического заряда ориентируют таким образом, чтобы выходящая из него струя воздушного потока была направлена в сторону предполагаемой области воздействия на атмосферу с учетом действия естественных воздушных потоков. Включаются вентилятор 2 и высоковольтный источник питания 3. На электрод 11 и коронирующие элементы 12 подается высокое напряжение. Формируемый вентилятором 2 воздушный поток направляется во внутреннюю область обечайки 4 и, благодаря наличию зазора между заземленной цилиндрической обечайкой 4 и тонкостенной цилиндрической оболочкой 13, раздваивается. Основная его часть, попадает в область пространства между электродом 11 и внутренней поверхностью тонкостенной цилиндрической оболочки 13. Другая его часть попадает в область пространства с зазором Δ между внешней поверхностью тонкостенной цилиндрической оболочки 13 и внутренней поверхности цилиндрической обечайки 4, с выполненными на ее поверхности специальными элементами турбулизации проходящего вдоль ее поверхности воздушного потока 18.

При подаче от источника питания 3 на электрод 11 и коронирующие элементы 12 высокого напряжения в пространстве между коронирующими элементами 12 электрода 11 и заземленной электропроводной обечайкой 4 формируется неоднородное электрическое поле, и зажигается коронный разряд. Значение напряжения высоковольтного источника питания выбирают исходя из условий стойкости изолятора 9 и геометрических соотношений между коронирующими элементами и заземленной поверхностью электропроводной обечайки 4, руководствуясь известными соотношениями для коронного разряда, (см., например Н.А. Капцов. Электроника. Государственное издательство технико-технической литературы. Москва. 1956 г.).

При генерации коронного разряда в пространстве между коронирующими элементами 12 электрода 11 и заземленной электропроводной обечайкой 4 формируется объемный электрический заряд из ионов, движущихся от коронирующих элементов 12 электрода 11 к заземленной электропроводной обечайке 4. Тонкостенная оболочка 13, выполненная из диэлектрического материала, перекрывает путь продвижения ионов к заземленной электропроводной обечайке 4. Область пространства между электродом 11 и внутренней поверхностью тонкостенной цилиндрической оболочки 13, через которую проходит основная часть воздушного потока, формируемого вентилятором 2, заполняется генерируемыми коронным разрядом ионами. Содержащиеся в основной части воздушного потока молекулы воздуха и аэрозоли захватывают генерируемые коронным разрядом ионы и выносятся мимо свободного для прохождения воздушного потока опорного фланца 7 в атмосферу. В другой части воздушного потока от вентилятора 2, попадающего в область пространства с зазором Δ между внешней поверхностью тонкостенной цилиндрической оболочки 13 и внутренней поверхности цилиндрической обечайки 4, формируются беспорядочные вихри. Поле сил, формирующегося от аэродинамического давления вихрей, которые воздействуют на внешнюю часть тонкостенной цилиндрической оболочки 13, будет отличаться от поля сил аэродинамического давления основной части воздушного потока, действующего на внутреннюю поверхность тонкостенной цилиндрической оболочки 13. Разница сил давления на внутреннюю и внешнюю поверхность тонкостенной цилиндрической оболочки 13 приведет к вынужденным колебаниям ее поверхности. Формирование беспорядочных вихрей в воздушном потоке - естественный процесс турбулентного воздушного потока, который может быть усилен специальными устройствами его дополнительной турбулизации, например, с помощью кольцевых проточек 18, как показано на рисунке 1. Вибрация тонкостенной оболочки 13 снижают вероятность удержания электрическим полем коронного разряда электрически заряженных аэрозолей и ионов на ее внутренней поверхности, и основным потоком выносятся в атмосферу. Электрические заряды на внутренней поверхности диэлектрической тонкостенной оболочки не накапливаются. Не происходит ослабление электрического поля и обеспечивается стабильная генерация униполярного коронного разряда в условиях наличия диэлектрического барьера в разрядном промежутке. Для снижения вероятности накопления электрических зарядов внутренняя поверхность диэлектрической тонкостенной оболочки должна быть гладкой, и на ее поверхность может быть нанесено антиадгезионное покрытие. См., например, https://fcs.spb.ru/solutions/antiadgezionnye-pokrytija/#:~:text=Антиадгезионнее-покрытия-металла,-древесины-и,-материалов,-предотвращая-тем-самым-адгезию. Диэлектрическая тонкостенная оболочка может быть вся выполнена из материала с хорошими антиадгезионными свойствами, например, фторопласта, который отличается превосходными антифрикционными свойствами и диэлектрическими показателями.

Образуемые в коронном разряде ионы и электрически заряженные аэрозольные частицы вместе с воздушным потоком через свободную для прохождения воздушного потока заднюю торцевую часть цилиндрической обечайки 4 выносятся в атмосферу и струей сформированного вентилятором 2 воздушного потока доставляются в область предполагаемого воздействия.

Предлагаемое техническое решение позволяет практически реализовать устойчивый униполярный коронный разряд, характеризующийся более эффективной генерацией электрических зарядов.

Предлагаемое техническое решение благодаря новым признакам позволяет снизить вероятность осаждения генерируемых коронным разрядом ионов на заземленной поверхности и повысить его коэффициент полезного действия. Повышается концентрация ионов в области проходящего воздушного потока, что способствует более эффективному заряжанию содержащихся в нем молекул и аэрозолей и повышает эффективность выноса электрического заряда в атмосферу. Достигается цель предполагаемого изобретения.

Изобретение относится к области техники, предназначенной для электрического воздействия на атмосферу с целью модификации погодных условий на контролируемой территории, в частности, аэродромы, скоростные автодороги, сельскохозяйственные угодья. Устройство содержит установленный в воздушном канале вентилятор и соединенную с воздушным каналом заземленную цилиндрическую обечайку, электрически соединенную с контуром заземления высоковольтного источника питания, высоковольтная клемма которого электрически соединена с электрически изолированно установленным вдоль оси заземленной цилиндрической обечайки коронирующим электродом. Устройство снабжено тонкостенной оболочкой, выполненной из диэлектрического материала и установленной в пространстве между поверхностью заземленной цилиндрической обечайки и коронирующим электродом с зазором относительно заземленной цилиндрической обечайки. Изобретение обеспечивает повышение эффективности генерации униполярных электрических зарядов в атмосферу. 1 ил.

Устройство генерации униполярных электрических зарядов в атмосферу, содержащее установленный в воздушном канале вентилятор и соединенную с воздушным каналом заземленную цилиндрическую обечайку, электрически соединенную с контуром заземления высоковольтного источника питания, высоковольтная клемма которого электрически соединена с электрически изолированно установленным вдоль оси заземленной цилиндрической обечайки коронирующим электродом, отличающееся тем, что снабжено тонкостенной оболочкой, выполненной из диэлектрического материала и установленной в пространстве между поверхностью заземленной цилиндрической обечайки и коронирующим электродом с зазором относительно заземленной цилиндрической обечайки.