Способ генерации электрических зарядов в атмосферу и устройство для его реализации Российский патент 2025 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, сельско-хозяйственные угодья и пр.).

Известно техническое решение, обеспечивающее генерацию электрических зарядов в атмосферу (см. Л.Г. Качурин " Физические основы воздействия на атмосферные образования", Гидрометеоиздат, Ленинград, 1978 г. стр. 287-293). Данный способ предусматривает монтаж на опорах над поверхностью земли соединенных с источником высокого напряжения коронирующих проводов. Коронный разряд генерирует ионы, которые в процессе своего движения к земле осаждаются на содержащихся в проходящем окружающем коронирующие провода воздушном потоке аэрозолях. Электрически заряженные аэрозоли имеют очень малую подвижность, не успевают достичь поверхности земли, и воздушным потоком выносятся в атмосферу. Успешно решается задача генерации электрического заряда в атмосферу. Вместе с тем, в известном устройстве не все, генерируемые коронным разрядом ионы осаждаются на аэрозолях. Значительная же часть ионов вследствие высокой их электрической подвижности достигают поверхности земли и безвозвратно теряются, замыкая высоковольтную электрическую цепь, и не участвуют в процессе выноса электрического заряда в атмосферу. Снижается эффективность генерации электрических зарядов. Кроме того, данное устройство является стационарным объектом, и размещение его необходимо обеспечить таким образом, чтобы естественные ветровые потоки, выносящие электрические заряды из области генерации коронного разряда, доставляли их непосредственно в облако.

Известен способ генерации электрических зарядов в атмосферу (см. авторское свидетельство СССР №29675, МПК A01G 15/00, опубликованное в 1948 г.), предусматривающее обдув воздушным потоком коронирующих электродов, установленных у поверхности земли. Описываемый способ обеспечивает вынос ионизированного воздуха, т.е. электрически заряженных частиц вверх, ускоряя тем самым процесс выпадения осадков из облачности или осаждение тумана. Однако данное устройство имеет те же недостатки, что и выше описанное устройство, и его применение ограничено.

В авторском свидетельстве СССР №71260, МПК А01G 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 вышеописанных источниках информации, в значительной степени определяется естественными природными условиями, скоростью воздушного потока, проходящего через область коронного разряда. Повысить эффективность известного способа техническими средствами практически невозможно.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство генерации электрического заряда в атмосферу, описание которого изложено в патенте РФ №2807518 МПК6 А01G 15/00. Данное устройство реализует способ генерации в атмосферу электрических зарядов путем генерации в объеме проходящего воздушного потока униполярного барьерного разряда. Устройство содержит установленный в воздушном канале вентилятор и соединенную с воздушным каналом заземленную цилиндрическую обечайку, которая электрически соединена с контуром заземления высоковольтного источника питания. Высоковольтная клемма высоковольтного источника питания электрически соединена с установленным электрически изолированно вдоль оси заземленной цилиндрической обечайкой коронирующим электродом. В пространстве между поверхностью заземленной цилиндрической обечайкой и коронирующим электродом установлена оболочка из диэлектрического материала. 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 заряжанию содержащихся в нем аэрозолей и выносу их и ионов в атмосферу. Для ограничения возможности накопления генерируемых ионов на диэлектрической оболочке, в известном устройстве она выполнена тонкостенной и установлена с зазором относительно заземленной цилиндрической обечайки. Инициируются вибрации поверхности оболочки, которые снижают вероятность удержания электрическим полем коронного разряда электрически заряженных аэрозолей и ионов на ее поверхности. Успешно решается задача генерации барьерного разряда. Вместе с тем, только путем вибрации оболочки невозможно полностью исключить возможность накопления электрических зарядов на ее внутренней поверхности. Накапливаемые в процессе работы известного устройства на поверхности оболочки электрические заряды снижают напряженность электрического поля генерирующего коронный разряд, ограничивая тем самым эффективность его работы во времени. Вибрация оболочки может быть организована при незначительном значении ее толщины. Ограниченное значение толщины диэлектрического барьера между генерируемыми ионами и заземленной поверхностью вынуждает ограничивать значение напряжения, подаваемого на коронирующий электрод, т.к. при увеличении напряжения вследствие ограниченной электрической прочности тонкостенного диэлектрического барьера увеличивается вероятность его электрического пробоя. Ограничивается интенсивность генерации электрических зарядов и, как следствие, эффективность их выброса в атмосферу. Ограничивается эффективность генерации электрических зарядов в атмосферу. Кроме того, вибрация оболочки создает дополнительные нагрузки, которые снижают срок ее службы и также ограничивает эффективность применения устройства.

Целью предлагаемого технического решения является повышение эффективности генерации электрических зарядов в атмосферу.

Для достижения заявленной цели в известном способе, заключающемся в генерации в объеме проходящего воздушного потока униполярного барьерного разряда, генерацию разряда осуществляют между коронирующим электродом и электропроводным покрытием, нанесенным на поверхность диэлектрической барьерной перегородки, с обращенной к коронирующему электроду стороны, и электрически соединенным через конденсатор с заземленной поверхностью;

в процессе генерации разряда производят замер напряжения на обкладках конденсатора, и при достижении его значения максимально допустимого для конденсатора значения напряжения, производят электрическое соединение его обкладок.

В известном устройстве, содержащем установленный в воздушном канале вентилятор и соединенную с воздушным каналом двухслойную обечайку, внутренний слой которой диэлектрический, а наружный электропроводный и электрически соединенный с контуром заземления высоковольтного источника питания, высоковольтная клемма которого электрически соединена с закрепленным на установленном вдоль оси обечайки изоляторе коронирующим электродом. На поверхность внутреннего диэлектрического слоя оболочки, со стороны, обращенной к коронирующему электроду, нанесено электропроводящее покрытие, соединенное через конденсатор с наружным заземленным электропроводным слоем обечайки.

Технический результат в предлагаемом решении достигается за счет того, что генерируемые электрические заряды, доходящие до поверхности диэлектрического барьера (диэлектрического слоя обечайки), не скапливаются на его поверхности, а распределяются через поверхность электропроводного покрытия по всей поверхности обкладки конденсатора. Поверхность электропроводного покрытия на диэлектрическом слое обечайки составляет лишь незначительную часть поверхности от всей площади поверхности обкладки конденсатора. Так как площадь поверхности обкладки конденсатора значительно больше площади внутренней поверхности обечайки, то и практически весь заряд будет скапливаться не на внутренней поверхности обечайки, а в конденсаторе. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает вынос электрического заряда из разрядного пространства в конденсатор. Снижается вероятность накопления электрических зарядов на поверхности обечайки, электрическое поле которых противодействует электрическому полю, генерирующему коронный разряд, в течение длительного периода его функционирования. Значение электрического поля, генерирующего электрические заряды в течение длительного времени, не ограничивается.

Так как толщина диэлектрической барьерной перегородки (внутреннего диэлектрического слоя двухслойной обечайки) ничем не ограничивается, и не ограничивается ее электрическая прочность. Значение величины напряжения, подаваемого на коронирующий электрод, может быть увеличено, так как его значение определяется только диэлектрическими свойствами системы подвода высокого напряжения от высоковольтного источника питания к электроду и стойкостью электрической изоляции его крепления. Повышается стабильность генерации зарядов в области проходящего воздушного потока. Повышается эффективность генерации электрических зарядов в атмосферу.

На фиг. 1 представлена условная схема предлагаемого устройства генерации электрических зарядов в атмосферу. Устройство содержит установленный в воздушном канале 1 вентилятор 2. Высоковольтный источник питания 3 своим контуром заземления электрически соединен с наружным электропроводным слоем двухслойной цилиндрической обечайки 4, которая 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 стенки 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 между изолятором 9 и электродом 11, а также зазор δ между торцом боковых стенок стакана 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-elektrofiltrani/koroniruyushchie-elektrody/. На опоре 13, закрепленной на оси свободной для прохождения воздушного потока опорной торцевой части 5 обечайки 4 может быть установлен генератор аэрозольный частиц 14. Генератор аэрозольных частиц 14 может быть выполнен на основе известных технических решений (См., например, патент РФ №2269738 С2).

Внутренний слой 15 двухслойной цилиндрической обечайки 4 выполнен из диэлектрического материала. Толщина внутреннего слоя 15 двухслойной цилиндрической обечайки 4 определяется на стадии проектирования. Учитывается требование его электрической прочности при заданном значении электрического поля, в разрядном промежутке и диэлектрических свойств выбранного материала. Электропроводное покрытие 16 нанесено на поверхность внутреннего слоя 15 цилиндрической оболочки со стороны, обращенной к электроду 11, и через конденсатор 17 электрически соединено с заземленным наружным электропроводным слоем двухслойной цилиндрической обечайки 4. Реле замыкания 18 электрически соединено между обкладками конденсатора 17.

Генерация электрического заряда в атмосферу осуществляется 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. В пространстве между коронирующими элементами 12 электрода 11 и заземленным наружным электропроводным слоем двухслойной цилиндрической обечайки 4 формируется неоднородное электрическое поле, и зажигается электрический разряд. Значение напряжения высоковольтного источника питания выбирают исходя из условий стойкости изолятора 9, диэлектрических характеристик внутреннего слоя 15 двухслойной цилиндрической обечайки 4 и геометрических соотношений между коронирующими элементами 12 и заземленным наружным электропроводным слоем двухслойной цилиндрической обечайки 4.

При генерации электрического разряда между коронирующими элементами 12 электрода 11 и заземленным наружным электропроводным слоем двухслойной цилиндрической обечайки 4 формируется объемный электрический заряд из ионов, движущихся от коронирующих элементов 12 электрода 11 к заземленному наружному электропроводному слою двухслойной цилиндрической обечайки 4. Выполненный из диэлектрического материала внутренний слой 15 двухслойной цилиндрической обечайки 4 перекрывает путь продвижения ионов к заземленному наружному электропроводному слою двухслойной цилиндрической обечайки 4. Область пространства между электродом 11 и внутренним слоем 15 двухслойной цилиндрической обечайки 4, через которую проходит формируемый вентилятором 2 воздушный поток, заполняется генерируемыми электрическим разрядом ионами. Содержащиеся в воздушном потоке молекулы воздуха и аэрозоли захватывают генерируемые коронным разрядом ионы и выносятся через свободный для прохождения воздушного потока опорный фланец 7 в атмосферу. При недостаточном количестве аэрозольных частиц в воздухе включается генератор аэрозольный частиц 14, и в формируемый вентилятором 2 воздушный поток добавляются искусственно сформированные аэрозольные частицы. Формируется струя воздушного потока, выходящего из предлагаемого устройства в атмосферу, объем которой заполнен электрическими зарядами с заданной объемной плотностью. Оставшиеся же ионы, которые не осели на молекулах воздуха и аэрозолях, а смогли дойти до выполненной из диэлектрического материала тонкостенной оболочки 15, осаждаются на поверхности ее электропроводного покрытия 16. Вследствие того, что покрытие 16 электропроводно и электрически соединено с обкладкой конденсатора, данные электрические заряды не скапливаются на его поверхности, а распределяются по всей поверхности обкладки конденсатора. Таким образом, данные электрические заряды выносятся из разрядного пространства и накапливаются на обкладках конденсатора. Так как площадь поверхности конденсатора значительно больше площади внутренней поверхности обечайки, то и практически весь заряд будет скапливаться не на внутренней поверхности обечайки, а в конденсаторе. Вероятность накопления электрических зарядов на поверхности обечайки, электрическое поле которых противодействует электрическому полю, генерирующему коронный разряд, в течение длительного периода его функционирования снижается. Значение электрического поля, генерирующего электрические заряды в течение длительного времени не ограничивается. При накоплении электрического заряда в конденсаторе, когда напряжение между его обкладками достигает предельного значения, замыкается реле 17, и накопленный электрический заряд уходит в землю. При необходимости экономии электроэнергии замыкание реле 17 может быть реализовано не на заземленную поверхность, а на зарядное устройство аккумулятора (на фиг. 1 не показано).

Таким образом, предлагаемое техническое решение благодаря новым признакам позволяет снизить вероятность накопления на поверхности диэлектрического барьера электрических зарядов, снижающих напряженность электрического поля, генерирующего коронный разряд. Обеспечивается устойчивая его генерация в течение длительного времени, что способствует повышению эффективности генерации электрических зарядов в атмосферу, и позволяет достичь цели предполагаемого изобретения.

Изобретение относится к области техники, предназначенной для электрического воздействия на атмосферу с целью модификации погодных условий на контролируемой территории, а именно: сельско-хозяйственные угодья, аэродромы, морские порты, скоростные автодороги, открытые площадки для проведения различных спортивных и зрелищных мероприятий. Устройство генерации в атмосферу электрических зарядов содержит установленный в воздушном канале вентилятор и соединенную с воздушным каналом двухслойную обечайку. Внутренний слой обечайки диэлектрический, а наружный электропроводный и электрически соединенный с контуром заземления высоковольтного источника питания, высоковольтная клемма которого электрически соединена с закрепленным на установленном вдоль оси обечайки изоляторе коронирующим электродом. На поверхность внутреннего диэлектрического слоя оболочки, со стороны, обращенной к коронирующему электроду, нанесено электропроводящее покрытие, соединенное через конденсатор с наружным заземленным электропроводным слоем обечайки. Изобретение касается также способа генерации в атмосферу электрических зарядов, заключающегося в генерации в объеме проходящего воздушного потока униполярного барьерного разряда. Генерацию разряда осуществляют между коронирующим электродом, закрепленным на установленном вдоль оси обечайки изоляторе, и электропроводным покрытием, нанесенным на поверхность диэлектрического слоя обечайки с обращенной к коронирующему электроду стороны и электрически соединенным через конденсатор с наружным заземленным электропроводным слоем обечайки. Техническим результатом является повышение эффективности генерации электрических зарядов в атмосферу. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство генерации в атмосферу электрических зарядов, содержащее установленный в воздушном канале вентилятор и соединенную с воздушным каналом двухслойную обечайку, внутренний слой которой диэлектрический, а наружный электропроводный и электрически соединенный с контуром заземления высоковольтного источника питания, высоковольтная клемма которого электрически соединена с закрепленным на установленном вдоль оси обечайки изоляторе коронирующим электродом, отличающееся тем, что на поверхность внутреннего диэлектрического слоя оболочки, со стороны, обращенной к коронирующему электроду, нанесено электропроводящее покрытие, соединенное через конденсатор с наружным заземленным электропроводным слоем обечайки.

2. Способ генерации в атмосферу электрических зарядов, заключающийся в генерации в объеме проходящего воздушного потока униполярного барьерного разряда, отличающийся тем, что используют устройство по п. 1, генерацию разряда осуществляют между коронирующим электродом, закрепленным на установленном вдоль оси обечайки изоляторе, и электропроводным покрытием, нанесенным на поверхность диэлектрического слоя обечайки с обращенной к коронирующему электроду стороны и электрически соединенным через конденсатор с наружным заземленным электропроводным слоем обечайки.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в процессе генерации разряда производят замер напряжения на обкладках конденсатора, и при достижении его значения максимально допустимого для конденсатора значения напряжения производят электрическое соединение его обкладок.