Способ генерации электрических зарядов в атмосферу Российский патент 2024 года по МПК A01G15/00 

Изобретение относится к области техники, предназначенной для электрического воздействия на атмосферу с целью модификации погодных условий на контролируемой территории (сельскохозяйственные угодья, аэродромы, морские порты, скоростные автодороги, открытые площадки для проведения различных спортивных и зрелищных мероприятий и т.д.).

Устройства, описание которых представлено в авторском свидетельстве СССР на изобретение № 71260, МПК A01G 15/00 и патенте США №3456880, МПК A01G 15/00, реализуют способ генерации электрических зарядов в атмосферу, основанный на доставке непосредственно в облако коронирующих проводов, соединенных с источником высокого напряжения. Для реализации данного способа необходимо поднимать коронирующие провода, которые генерируют электрические заряды, на высоту расположения облака, что требует больших затрат топливно-энергетических ресурсов и не всегда осуществимо по погодным условиям.

Известен способ генерации электрических зарядов в атмосферу путем монтажа коронирующих проводов у поверхности земли, (см. Л.Г. Качурин «Физические основы воздействия на атмосферные образования», Гидрометеоиздат, Ленинград, 1978 г. стр. 287-293). Реализация данного способа генерации электрических зарядов в атмосферу ограничена погодными условиями. Для генерации в атмосферу электрических зарядов данным способом необходимо, чтобы провода обдувались ветровым потоком, направленным в сторону, где планируется сформировать объемный электрический заряд, в прогнозируемую область электрического воздействия.

Известен способ генерации электрического заряда в атмосферу, описание которого представлено в авторском свидетельстве СССР № 29675, МПК A01G 15/00, опубликованном в 1948 г. Данный способ предусматривает обдув 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.

Наиболее близким способом генерации электрических зарядов в атмосферу к предлагаемому относится способ, техническая реализация которого изложена 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 аэрозолях. 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. Для повышения эффективности выноса в атмосферу генерируемых коронным разрядом электрических зарядов в воздушный поток, который нагнетается в область генерации коронного разряда, впрыскиваются конверсионные газы. Образуемые в результате конверсии «газ-частица» из впрыскиваемых конверсионных газов вторичные аэрозоли способствуют повышению эффективности выноса электрических зарядов в атмосферу. Успешно решается задача генерации электрического заряда в атмосфере.

Вместе с тем, скорость образования и роста вторичных аэрозолей ограничена. Процесс образования вторичных аэрозолей за время прохождения через область генерации коронного разряда конверсионных газов не может в полной мере быть реализован. Концентрация вторичных аэрозолей и их размеры, которые могут быть достигнуты за время прохождения воздушного потока через область генерации коронного разряда, недостаточна для эффективного осаждения на их поверхности генерируемых коронным разрядом электрических зарядов. Вследствие чего, значительная часть вторичных аэрозолей образуется из конверсионных газов уже после выхода воздушного потока из области генерации коронного разряда. Концентрация аэрозольных частиц в воздушном потоке, проходящем через область генерации коронного разряда, в большей степени определяется естественной концентрацией аэрозольных частиц, которые содержатся в воздушном потоке, нагнетаемом в известное устройство генерации электрических зарядов. Данная концентрация не всегда велика, и генерируемые коронным разрядом ионы вследствие высокой их электрической подвижности достигают поверхности осадительного электрода, без столкновения с аэрозольными частицами, 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 электрических зарядов в атмосферу.

Для достижения поставленной цели изобретения в известном способе генерации электрических зарядов в атмосферу, заключающемся в продвижении воздушного потока через область генерации электрических зарядов, процесс продвижения воздушного потока через область генерации электрических зарядов предваряют добавлением в воздушный поток аэрозольных частиц.

Предусмотрены различные способы добавления в воздушный поток аэрозольных частиц:

использование в качестве привода устройства, продвигающего воздушный поток через область генерации электрических зарядов, коллекторного электродвигателя;

путем добавления в воздушный поток продуктов горения аэрозолеобразующего пиротехнического состава.

Технический результат в предлагаемом техническом решении достигается за счет более полного заполнения воздушного потока, продвигаемого в области генерации коронного разряда, аэрозольными частицами, на поверхности которых и выносится в атмосферу генерируемые коронным разрядом электрические заряды. Снижается вероятность прохождения генерируемых коронным разрядом электрических зарядов к осадительному электроду и их безвозвратная потеря.

Способ генерации электрических зарядов основан на продвижении воздушного потока через область генерации электрических зарядов, заполненного генерируемыми коронным разрядом ионами, на которые воздействует мощное электрическое поле. Генерируемые в коронном разряде ионы, под действием электрического поля движутся от одного электрода к другому, встречаясь на своем пути с аэрозольными частицами, которые содержатся в продвигаемом воздушном потоке, осаждаются на их поверхности. При увеличении концентрации аэрозольных частиц, содержащихся в продвигаемом воздушном потоке, ограничивается количество электрических зарядов, которые мощным электрическим полем беспрепятственно продвигаются сквозь воздушный поток к противоположно заряженному электроду, и безвозвратно нейтрализуются. Осевшие на аэрозольных частицах электрические заряды выносятся в атмосферу. Чем выше концентрация аэрозольных частиц в воздушном потоке, продвигаемом через область генерации коронного разряда, тем больше электрических зарядов будет вынесено из области коронного разряда в атмосферу, и тем выше эффективность генерации электрических зарядов в атмосферу.

Реализация предлагаемого способа генерации электрических зарядов в атмосферу предусматривает продвижение воздушного потока через область генерации коронного разряда. Перед входом воздушного потока в область генерации коронного разряда в него добавляют аэрозольные частицы. Добавление в воздушный поток аэрозольных частиц может осуществляться известными методами и с помощью известных устройств генерирующих аэрозоли (см., например, патенты РФ на изобретение № 2800769 С2, № 2816455 С2, № 2788087 С1, № 2483770 С1, № 2201774 С2, № 2269738 С2; Толпыгин Л.И., Дубцов С.Н., Васильева М.А., Жохова Н.А., Лапшин В.Б., Сыроешкин А.В., Палей А.А. Поступление наночастиц в окружающую среду при работе бытовых приборов. Журнал «Безопасность жизнедеятельности», №5 (149), 2013, стр. 25-31. Издательство «Новые технологии»; Шилин А.Г., Хучунаев Б.М. Возможности увеличения эффективности пиротехнических генераторов льдообразующего аэрозоля. Науки о земле «Наука. Инновации. Технологии», №1, 2022, стр. 87-109. DOI: 10.37493/2308-4758.2022.1.5). Насыщенный аэрозольными частицами воздушный поток продвигается через область генерации коронного разряда. Генерируемые коронным разрядом электрические заряды в процессе своего движения под действием электрического поля, генерирующего коронный разряд, сталкиваются с содержащимися в продвигаемом воздушном потоке аэрозольными частицами и осаждаются на их поверхности. Электрически заряженные аэрозольные частицы имеют очень малую подвижность и практически не подвержены воздействию на них электрического поля, формирующего коронный разряд, и следуют по линиям тока продвигаемого воздушного потока наружу в атмосферу. Таким образом, в атмосфере формируется струя, воздушного потока, насыщенного электрически заряженными аэрозолями. Решается задача генерации в атмосферу электрических зарядов.

Использование для добавления в воздушный поток аэрозольных частиц коллекторного электродвигателя позволяет интегрировать функциональные возможности коллекторного электродвигателя в качестве устройства, обеспечивающего одновременно и привод механизма, продвигающего воздушный поток и добавление в воздушный поток аэрозольных частиц. Аэрозольные частицы в коллекторном двигателе образуются в процессе его работы при истирании щеточного узла.

Добавление в воздушный поток, продвигаемый через область генерации коронного разряда, продуктов горения аэрозолеобразующего пиротехнического состава позволяет эффективно использовать известные технические решения для решения поставленной задачи. Кроме того, при использовании аэрозолеобразующих пиротехнических средств, применяемых для активных воздействий на метеорологические образования, позволит не только повысить эффективность генерации в атмосферу электрического заряда, но и повысить льдообразующую эффективность образованного пиротехническими средствами аэрозоля, т.к. они становятся электрически заряженными.

Описание предлагаемого способа генерации электрического заряда в атмосферу поясняется на примере его реализации в устройстве, условная схема которого представлена на фиг. 1. Устройство содержит установленный воздушном канале 1 вентилятор 2. В качестве привода вентилятора 2 используется коллекторный электродвигатель (на фиг. 1 не показан). Коллекторный электродвигатель, как известно, является мощным генератором аэрозольных частиц, концентрация которых в 30-40 раз превышает фоновую концентрацию. Электрически соединенная с контуром заземления высоковольтного источника питания 3 цилиндрическая обечайка 4, выполненная из электропроводного материала с диаметром, равным диаметру воздушного канала 1 и передней своею свободной для прохождения воздушного потока опорной 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 8 между торцом боковых стенок электрода 11 и базовой опорой 8 изолятора 9 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 фиг. 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/koroniruyushchie-elektrodv/. На опоре 13, закрепленной на оси свободной для прохождения воздушного потока опорной торцевой части 5 обечайки 4 установлен генератор аэрозольный частиц 14. Генератор аэрозольный частиц 14 может быть выполнен на основе известных технических решений (см., например, патент РФ № 2269738 С2).

Генерация электрического заряда в атмосферу 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, высоковольтный источник питания 3 и поджигается пиротехнический состав генератора аэрозольных частиц 14. На электрод 11 и коронирующие элементы 12 подается высокое напряжение. Формируемый вентилятором 2 воздушный поток, насыщенный образовавшимися от работы коллекторного электродвигателя вентилятора 2, проходит через облако продуктов сгорания генератора аэрозольных частиц 14, дополнительно насыщается образуемыми им аэрозолями и направляется во внутреннюю область обечайки 4.

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. Область пространства между электродом 11 и заземленной электропроводной обечайкой 4, через которую проходит насыщенный аэрозольными частицами воздушный поток, заполняется генерируемыми коронным разрядом ионами. Содержащиеся в воздушном потоке молекулы воздуха и аэрозоли захватывают генерируемые коронным разрядом ионы и вместе с воздушным потоком через свободную для прохождения воздушного потока заднюю торцевую часть цилиндрической обечайки 4 выносятся в атмосферу.

Предлагаемое техническое решение благодаря новым признакам позволяет снизить вероятность осаждения генерируемых коронным разрядом ионов на заземленной поверхности и повысить его коэффициент полезного действия. Повышается 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. Способ генерации электрических зарядов в атмосферу заключается в продвижении воздушного потока через область генерации электрических зарядов. Процесс продвижения воздушного потока через область генерации электрических зарядов предваряют добавлением в воздушный поток аэрозольных частиц. Для добавления в воздушный поток аэрозольных частиц используют коллекторный электродвигатель, обеспечивающий одновременно привод устройства, продвигающего воздушный поток через область генерации электрических зарядов, и добавление в воздушный поток аэрозольных частиц. Изобретение обеспечивает повышение эффективности генерации электрических зарядов в атмосферу за счет более полного заполнения воздушного потока, продвигаемого в области генерации коронного разряда, аэрозольными частицами, на поверхности которых и выносятся в атмосферу генерируемые коронным разрядом электрические заряды. 1 ил.

Способ генерации электрических зарядов в атмосферу, заключающийся в продвижении воздушного потока через область генерации электрических зарядов, при этом процесс продвижения воздушного потока через область генерации электрических зарядов предваряют добавлением в воздушный поток аэрозольных частиц, отличающийся тем, что для добавления в воздушный поток аэрозольных частиц используют коллекторный электродвигатель, обеспечивающий одновременно привод устройства, продвигающего воздушный поток через область генерации электрических зарядов, и добавление в воздушный поток аэрозольных частиц.