CN101711455A - 用于提取大气电能的电力转换器 - Google Patents

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CN101711455A CN200780032588A CN200780032588A CN101711455A CN 101711455 A CN101711455 A CN 101711455A CN 200780032588 A CN200780032588 A CN 200780032588A CN 200780032588 A CN200780032588 A CN 200780032588A CN 101711455 A CN101711455 A CN 101711455A
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Abstract

一种根据本发明用于提取大气电能的电力转换器，包括：(1)天线/电荷积聚元件，其几何结构被最优化以由大气电力活动充电，电荷积聚元件具有导电表面；(2)初级线圈，其在导电线圈管上缠绕绝缘导体，该线圈电附着并机械附着到电荷积聚元件的导电表面从而使初级线圈靠近静电场接触电荷聚焦元件的点附着；(3)外部电容器，其与初级线圈并联传导以提供特定的共振频率；以及(4)次级线圈，其具有比初级线圈更多的匝数，所述第二线圈与第一线圈同轴定位并且充当感性耦合第一线圈的共振升压变压器绕组。所述转换器从静电场吸收ESD脉冲。具有正弦波形的周期性指数衰减信号生成在次级线圈中并且在第二线圈的引线上可测量。这种电力转换器可以用于生成可用的电力，该电力可以被馈送到电力网或各种电力负载。

Description

用于提取大气电能的电力转换器
交叉参考
本申请要求由Grandics于2006年7月3日提交的名为“DC toRF Converter for Capture of Atmospheric Electrostatic Energy”的编号为60/818,360的美国临时申请的优先权，该临时申请以其整体作为参考并入本文。
背景技术
本发明涉及通过从大气静电场的电荷吸取能量而生成电力。静电能量通过静电发电机转换为可用的电能已在现有技术中有所说明，例如在编号为3,013,201、4,127,804、4,151,409和4,595,852的美国专利中公开的。一般地，这种现有技术的静电发电机使用机械能分离电荷并且由此包含复杂的装置，这些装置难以按比例扩大用于高输出系统。
发明内容
因此本发明提供一种发电机，其中电力在不需任何机械能输入的情况下从大气的静电放电脉冲的能量中唯一获取。当发生静电放电时，场分解并且电流的脉冲(具有一定尺寸和形状)从大气中(的体积区域)经过“离子化通道”流到本发明的电力转换器装置上的“连接点”。这样我们将大量的电荷经过大气移入电力转换器中作为规则的一系列电脉冲并且将这些脉冲转换为更容易被使用的电力，同时使得局部大气引导更多的电荷至转换器。
根据本发明的静电放电电力转换器提供一种全新的自大气提取电能以提供可用的电力的方法。
本发明的一个方面是用于提取大气静电能量的电力转换器，该转换器包括：(1)天线/电荷积聚元件，其在几何结构上被最优化以由电荷的脉冲充电，所述电荷从静电场中的多个电荷获取，电荷积聚元件具有导电表面；(2)初级线圈，其在导电线圈管上缠绕绝缘导体，所述线圈管电附着并机械附着到天线/电荷积聚元件的导电表面从而使初级线圈靠近静电场接触电荷积聚元件的点附着。(3)外部电容器，其与初级线圈并联导电以提供特定的共振频率；以及(4)次级线圈，其具有比初级线圈更多的匝数，次级线圈与第一线圈同轴定位并且作为与第一线圈感应地耦合的共振升压变压器绕组；其中转换器从静电场吸收ESD脉冲；并且其中具有正弦曲线波形的周期性的指数衰减信号在次级线圈中生成并且该信号在次级线圈的引线上可测量。
通常，在这种结构中，产生羽流效应，该效应可以引发角动量给其中被充电的粒子并且与不产生这种羽流效应的结构相比，将更多电荷吸入包括转换器的系统中。
优选地，天线/电荷积聚元件是锥体形状的。当电荷积聚元件是锥体形状时(3或4个侧面或者甚至更多侧面的)，优选地所述初级线圈靠近电荷积聚元件的顶点附着。
本发明的另一个方面是一种提取大气电能的方法，该方法包括以下步骤：(1)如上所述安放根据本发明的锥体电力转换器，从而使其暴露在大气电能源下；以及(2)生成通过转换器的操作从大气电能的提取中获得的正弦交流(AC)信号；以及(3)引发羽流效应，该羽流效应可以施加角动量到其中被充电的粒子以便将额外的电荷吸入包括转换器的系统中。
附图说明
通过参考说明书、所附权利要求和附图，以下发明将变得更好理解，其中：
图1是示出了1英尺底部长度的锥体天线对输入的ESD信号的电压响应的图示。
图2是示出了锥体天线/电荷收集器内部的线圈的布置的照片，其中共振电容器连接到初级线圈。
图3是示出了由示波器测量的次级线圈处的信号的图示。
图4是示出了放电事件的脉冲列的图示。
图5是示出了根据本发明的锥体电力转换器的电路模型的示意图。
图6是根据本发明的锥体电力转换器的集总元件的共振电路模型。
图7是扫描信号分析装置的示意图。
图8是示出了线圈共振和能量传输的扫描信号分析的图示。
图9是示出了次级线圈上的差分测量的结果的图示。
图10是示出了次级线圈上的差分测量的结果的图示，其中初级线圈输出端的一个引线传导至锥体电荷收集器。
图11是示出了线圈共振和能量传输的扫描信号分析的图示；其具有图10所示的改进的导电线圈管。
图12是示出了线圈共振和能量传输的扫描信号分析的图示，其具有如图10所示的进一步优化的导电线圈管。
图13是示出了用于线圈和线圈管的增量模型的电路元件的示意图。
图14是描述了表格1中提供的大金字塔吉萨(Giza)的尺寸的示意图。
图15示出了AC电压正弦波形的关键比率的示意图。
具体实施方式
大气电能的量
大气电流呈现为静电能量的集结，这是对我们的环境连续充电的现象[1]。在全球大气电路中，地球表面被负向地充电，而大气被正向地充电[2]。地球表面和电离层之间的电压梯度被认为由对流层的电活动以及耦合太阳风的磁层发电机维持[3]。难以估算由雷暴产生的电力，因为它们通常在其寿命期间维持稳定状态的电结构[4]，尽管自闪电、电晕放电、降水和湍流损失电荷。即使我们对雷暴充电过程的理解存在这种缺陷，但是也可如下地获得对由雷暴生成的电力量级的大致估算：雷暴可以通过监测闪电活动而被跟踪，90％以上的闪电活动发生在大陆，主要在非洲中部、美国中南部和亚马逊河盆地[5]。具有约100MV的云层内电压[6]和约20nA/m2的降水电流[7，8]的中等大小的雷暴(直径约200km)可以产生至少6.28×1010W。假设在任意给定时刻具有2,300个活跃雷暴[9]，所估算的雷暴活动的平均总电力输出约为1.44×1014W。飓风所生成的电力被估算为约1014W[10]。在比较中，目前世界上的人工发电机的总电力生成容量是3.625×1012W[11]，这是通过雷暴活动在对流层中生成的电力的一小部分。这意味着大气电活动的密度可能足以高至足以选择，并且表示如果被用作动力，大气电流可以满足人类的能量需求的很大一部分。本发明描述了一种全新的将大气电能转换为可使用的电压和电流用于为传统电力装置供电的方法。
在以前的文献中，报告了充电的三角形(锥体)形状的电容器板将静电放电脉冲(ESD)转换为高频率信号，该信号可以在置于电容器板附近的绝缘线圈中被检测[12]。研究继续揭示了锥体形状适于作为ESD脉冲的潜在最优天线形状背后的物理基础。我们分析大金字塔吉萨(GPG)(图14)的尺寸比率并且发现其结合了AC电压正弦波形(图15)的关键比率以及斐波纳契数(Fibonacci number)及其比率(表1)。表1.大金字塔吉萨的主要平均尺寸及其比率的分析的概述
Figure G2007800325887D00041
GPG尺寸比率                 关键正弦波比率280/440＝0.6363＝2/π       AVE/PEAK＝0.6363＝2/π440/622.25＝0.707           RMS/PEAK＝0.707280×622.25/440×440＝0.9   AVE/RMS＝0.9280/D/2＝0.9                AVE/RMS＝0.9GPG中的斐波纳契数比率356/L/2＝1.618              φ365/418＝0.80905            φ/2356/280＝1.271              
Figure G2007800325887D00051
π / 4 = 1 / φ
我们注意到锥体单元常数是π和φ的函数。关键正弦波参数与GPG的底部长度和高度共振，这暗示锥体可以在体积上按体积增大为天线/电换能器。斐波纳契数显得与侧面尺寸(形状因子)相关联。π和φ之间的数学关系表示几何构形和电特性之间的联系。由于我们的在GPG上建模的锥体电力转换器可以作为时间域的宽带天线起作用，因此显示在GPG中的比率可能足以用于这些类型天线的设计。因此，GPG可以表示可以显示如下的“通用”天线设计。
通过使用威尔泰克(Wavetek)185信号发生器(图1)，以10兆秒扫描速度从500Hz至5MHz在1英尺底部长度模型锥体上执行对数扫描。锥体放置于圆柱形金属发射机(直径52cm，高26cm并且壁厚0.3mm)的内部以考虑大气ESD脉冲在全方位被接收的事实。试验装置：信号发生器的50Ω的输出被连接到圆柱形发射机。通道1是信号测量(锥体)。通道4是扫描信号控制电压(10ms周期的斜坡波形)。示波器轨迹(图1)示出了表明1英尺底部长度锥体实际作为宽带天线的广泛带宽响应。
此处，我们公开了包括跟踪穿过系统组件的能量传输的这种系统的进一步的进展。泰克(Tektronix)TSD3054数字示波器被用于信号获取和分析。实验室范德格拉夫(Van de Graaff)发电机(VDG)(Science First，400kV电压和10μA电流输出)被用于生成大气静电场。
对于电力传输测量，我们使用几何构形上最优的锥体形状天线/电荷积聚元件[12]。空气中的静电场以随机或周期性的时间间隔在锥体天线/电荷积聚元件外表面的导电表面上产生ESD脉冲并且ESD脉冲的电力被测量。
在导电圆柱形基体(线圈管)上缠绕着绝缘电线的线圈电附着并且机械附着到靠近锥体顶点的锥体的导电表面。所述线圈与外部电容器并联连接以提供特定的共振频率。所述线圈具有离锥体顶点最近的一端(T1)和离锥体顶点最远的一端(T2)。T1在靠近锥体的顶点电附着到锥体。
具有更小直径、更大长度和更多匝数的次级线圈(线圈2)同轴地位于第一线圈内并且用作与线圈1感应地耦合的共振升压变压器绕组(图2)。线圈2还可以通过高压电阻器或一系列L-C-R阻抗电附着到锥体的顶点。当ESD脉冲碰撞电荷收集器的表面时，该ESD脉冲的能量通过集总的(lumped)元件耦合而部分地传递到线圈1。L1和C1形成调谐的共振电路。L2和C2形成具有L1和C1的共振升压变压器(step-up transformer)。
在通过ESD撞击的结果对电容器C1充电后，在线圈2的引线上测量的信号是处于规则的周期性间隔的指数衰减的正弦波形(图3)。
在实验室设置中，锥体发电机能够从由实验室范德格拉夫发电机生成的静电场中吸收ESD脉冲(图4)。周期性放电事件在锥体和VDG之间相距1m的距离处被检测。静电场强度为约3kV/m，远小于在雷暴期间观察到的地面水平的场强度(10kV/m或更大)[13]。
负载可以连接到线圈2以从系统中吸取电力。所述负载可以是电阻器、整流器和给直流(DC)负载供电的存储电容器，或者只是用作AC负载的具有非线性阈值的荧光管(图5)或其他类型的适当电负载。
锥体发电机的电路图显示在图5中。置于绝缘底座上的锥体天线/电荷积聚元件(P)耦合到大气并且用作ESD脉冲的天线。它还和地球地面形成电容器。电容具有两个“分量”：(1)锥体面积的“双板”等价物；以及(2)地面的面积、平均距离和绝缘体的电介质常数。
锥体的主体电附着到将ESD脉冲转换为AC电压信号的集总元件共振电路(LEC)(图3和图6)。LEC是三个容性分量元件和一个感性分量元件的组合(图6)，能够以规则的间隔充电以及共振放电。缠绕在不导电的线圈管上的L2次级线圈(线圈2)用作升压变压器，并且形成具有C2电容的共振电路。次级线圈输出端可以连接到整流器-电容器-负载电阻。低电压正弦波的扫描确定各种组合中的结构的各种元件的响应频率。
如图7所示，研究了LEC和线圈2之间的能量传递。线圈被以100毫秒的扫描速度从50kHz至50MHz的对数扫描激活。范围轨迹(图8)示出了每个水平分区的从左(50kHz)到右(50MHz)的1个倍频程。所述信号是具有5V峰值的正弦波。所述信号经过1千欧姆的电阻器被传送到待测试的单元。通道1是信号测量(线圈1)。通道2是附着到线圈2输出电线的第二探针(100M欧姆，10x)。通道3是Wavetek 178信号发生器的扫描频率标记。通道4是扫描信号。
通过超过线圈1的共振电容器(290pF)，线圈2峰值的共振在约9.5MHz下被检测。线圈1两端的峰电压同样出现在大约这个频率下(图8)。通过将线圈1峰值和线圈2的第二峰值最优地调节在一起，使得输出可以被最优化。
采用差分测量来研究通过附着到线圈管的锥体和连接到锥体的信号发生器输出端从线圈1到线圈2的能量传递。探针1连接到线圈2的一侧并且探针2连接到线圈2的另一侧。从探针1信号中减去探针2信号以显示线圈2两端当前的情况；中间的轨迹是线圈2两侧之间的差(图9)。
从线圈1到线圈2的传递能量可以在中间的轨迹的光谱响应中看出。该中间的轨迹在约6.55MHz显示出第一个共振，之后为零，之后是其他共振的级联直至约25MHz。
随后，线圈1的一个输出引线耦合到线圈管并且因此耦合到锥体主体以使该锥体主体和线圈1共振。差分信号更高，表示增强的能量传递(图10)。
同样研究了线圈管上线圈绕线的几何构造是否对在线圈2的输出端可见的光谱响应有影响(图8)。为此，构造新的线圈管，该线圈管覆盖线圈2长度的2/3，并具有1.3mm的厚度，在线圈管和线圈1之间留出填充电介质的空间。重复图8中的扫描信号分析，可以看到在约4.8MHz的频率下线圈2从线圈1吸取电力；同样可以看到一些在更低频率峰值下的吸收(图11)。线圈1绕线和线圈管之间的修改的几何构造和额外的空间可以允许更高的Q和到线圈管的更少耦合。随后，我们开发了完全封闭线圈2的改进的导电线圈管。0.4mm厚的特富龙(Teflon，聚四氟乙烯)热收缩套筒被置于线圈管的整个长度上。压克力管(丙烯酸管)之后被置于线圈管上(壁厚3.1mm)并且保持在适当的位置，而突舌留下1mm宽的气隙。使用20AWG的喷涂瓷釉的磁体电线将线圈1缠绕在压克力管(27匝)上。重复图8中的扫描信号分析就从良好调谐到一起的两个线圈产生非常高的Q峰值(图12)。
图13中示出了电力传递元件的电磁模型。导电锥体电耦合到线圈1的导电线圈管。由电介质绝缘体围绕的导电电线的线圈主要通过线圈管和围绕该线圈管的各个电线绕组之间的电容耦合而耦合到线圈管，所述线圈和所述线圈管之间相隔电线绝缘体的厚度。模型中的另一个重要因素是线圈交互绕组的电容，该电容由平均电线直径和导电线匝之间的距离确定。类似地，线圈电阻是缠绕线圈的总电阻，但该总电阻与线圈至铁心递增的电容和交互绕组电容相互作用。
虽然线圈是连续的系统，并且精确的模型可以通过复杂的积分表达式来表示，但可以通过将整个线圈视为单匝线圈的串联而产生更简单的“分立”模型，所述单匝线圈每个均具有其自身的电阻、每匝电感、交互绕组电容和线圈至铁心的电容。所述线圈之后被表示为一组串联连接的单匝元件。
整个线圈-铁心-共振系统(在图6中表示)表示总的交互绕组电容以及总线圈至铁心电容和总电感。外部共振电容器、分立的外部组件被连接到线圈两端以提供由组件的累积组合确定的共振频率，所述组件影响线圈特性：电感、电阻、交互绕组电容、线圈至铁心电容和外部电容。
这提供了计算线圈系统的期望的性能特征的基础。将所述期望的性能特征与实验室结果相比较并且支持整个系统的进一步的最优化。
讨论
这个研究演示了一种获得大气电能的新颖方法。一个令人感兴趣的方面是形状影响，即观察到三角形形状的电极是优选的并且可能是大气ESD脉冲的最优收集器[12]。在结合了斐波纳契数的比率以及AC电压正弦波形的关键比率的GPG上建模的所述锥体演示了“通用”的天线设计。除锥体以外的但同样结合了斐波纳契数及其比率的几何形状，例如螺旋形(鹦鹉螺壳)，也应该可用作ESD捕获天线形状。同样，晶体或具有体现斐波纳契数及其比率的晶格结构的实际的任何材料主体也可是可以使用的。这种现象的进一步的分析将可能推进我们对电磁的物理基础的理解[14]。
ESD脉冲通过新颖的集总元件共振电路被转换为周期性的指数衰减的正弦波列。这包括缠绕在导电圆柱体基体上的绝缘线圈，所述基体电耦合到锥体主体并且与共振电容器并联。由于电荷积聚元件(锥体)在LEC的频率下共振，所以将线圈1的一个引线连接到锥体主体增大了能量传递。这可以对系统吸引静电能量的能力具有显著影响。线圈2的一个引线与锥体的主体的连接同样适于提高系统性能。
仍难以估计雷暴的电力，尽管电荷因闪电、电晕放电、降水和湍流而损失，但雷暴在其寿命期间通常维持稳态的电结构[4]。事实上，降水电流仅携带雷暴内部存在的电荷的一部分。由雷暴活动生成的实际电力量级可以因此超过人工全球发电机容量的量级的3次幂之多。陆地雷暴活动的地理集中度将允许我们相对容易地开放这个大的大气能量池。
同样可能的是在没有雷暴发电机的情况下可以商业地实际生成电力。Holtzworth报告了450kV的地面电离层电势差的很大一部分可以在1500m的低海拔被分流[15]；在此高度，他使用短金属丝网电荷收集器测量30-50μA的短路电流[16]。由于锥体的能量收集能力与其表面积直接成比例，因此即使在晴朗的天气条件下，足够尺寸的锥体可以潜在地生成兆瓦特功率。这种活动由俄罗斯报道的报告推动。
位于莫斯科附近的44m高的纤维玻璃锥体上的空间的雷达测试[17]发现了约500m宽且达到2km海拔的锥体的竖直轴线的区域上方的大离子化空气柱。值得注意的是该效应由不导电的锥体表面引发，该表面即使在晴朗的天气条件下也出现相当大程度的大气电离。因此，适当尺寸的锥体可以开启到更高海拔的相对导电的大气域的低阻抗路径。这种羽流效应可以对空气本身或其中被充电的粒子引发角动量，类似于涡流，与不产生这种效应的结构相比，它能够将更多电荷吸入包括转换器的系统中。换句话说，羽流允许可用能量从可能的理论值到实际值的增加。
羽流效应将可能由本示例中说明的设计通过将第一或第二共振电路耦合到电荷积聚元件锥体主体而被扩大。因此，该锥体主体的高电压、高频率EM输出将通过类似的大气电离增强电荷至锥体电力转换器的吸引，所述大气电离对于原尺寸发电机锥体可以达到数英里高进入对流层。
俄罗斯人还报道了在锥体附近闪电频率的减少[17]。这可以容易地在本示例的观察背景下来解释。由于雷暴的充电带来包括闪电现象的恶劣天气，因此耗尽来自雷暴的电荷将减少闪电活动和大气湍流。由于出现飓风和其他恶劣天气现象的频率增加，因此在非常容易发生飓风的居民区中安装适当尺寸的锥体发电机将比仅安装车辆的发电机更能挽救性命和财产。
数千太瓦的功率可能通过雷暴产生在对流层中。为了捕捉这种电力并且避免其耗散，需要有效的电荷汇集。地球表面地形的次优化几何结构及其相对低的导电率产生了低效率的汇集，这导致很小的地表面电流密度。然而，具有最优几何结构和构造的锥体可以作为有效的电荷汇集点。
具有约34,000m2的底座表面积、100m的高度和大导电表面的发电机锥体将提供比周围地表面有效得多的电荷汇集。电荷捕捉将通过内部共振电路增加。若干锥体发电机组可以置于特定的地理区域内，因此组合它们的能量收集能力并且也作为调谐的天线系统。
由人类活动导致的全球变暖现在产生了明显的环境变化，这种变化以潜在的灾难性后果威胁扰乱我们的生态系统[18，19]。由本发明的所述方法获得的大气电能将是可更新的、清洁的能量源，可以给予人类开始逆转这种危险并且自我破坏的世界趋势的机会。
参考
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因此，本发明的一个方面是获得大气电能的电能转换器，该电能转换器包括：(1)几何构造最优的天线/电荷积聚元件，该元件在其尺寸比率(维比率)中结合了斐波纳契数及其比率以及交流电压正弦波形的关键比率，所述天线/电荷积聚元件具有导电表面；(2)初级线圈，其在导电线圈管上缠绕着绝缘的导体，所述线圈与线圈管略微分离，所述线圈管电附着并机械附着到天线/电荷积聚元件的导电表面；(3)与所述初级线圈并联连接的外部电容器，其提供特定的共振频率；以及(4)次级线圈，其具有比初级线圈更多的匝数，所述次级线圈置于与第一线圈同轴并且作为与第一线圈感性耦合的共振升压变压器绕组；其中所述转换器从电场中吸收ESD脉冲；所述脉冲是周期性的；并且其中在次级线圈中生成具有交流电流波形的周期性的指数衰减的信号并且该信号在次级线圈的引线上是可测量的。
通常，初级线圈的端子被附着为靠近导电线圈管接触电荷积聚元件的点。通常，次级线圈的端子被附着为靠近导电线圈管接触电荷积聚元件的点。通常，在这个可替换的示例中，次级线圈的端子通过R-L-C滤波器附着，在靠近导电线圈管接触电荷积聚元件的点与线圈2共振。初级线圈可以被连接为靠近天线/电荷积聚元件的顶点。次级线圈可以被连接为靠近天线/电荷积聚元件的顶点。
在一个可替换的示例中，天线形状被最优化以捕捉大气ESD脉冲。
通常，在这个结构中，所产生的羽流效应可以引发角动量给其中的被充电的粒子并且比不产生这种效应的结构吸入更多电荷到包括转换器的系统中。
通常，天线/电荷积聚元件是锥体形状的。锥体形状可以是3面、4面或多面的。通常，锥体的高度约从10m至1000m。更典型地，锥体的高度约为100m。通常，锥体的底座表面积约为250m2至约2,500,000m2。更典型地，锥体的底座表面积约为34,000m2。
在根据本发明的电能转换器中，天线/电荷积聚元件可以电连接到高频、共振电力变压器。
所述电能转换器可以进一步包括绝缘的底座，在该底座上放置有天线/电荷积聚元件。
次级线圈的输出端可以连接到负载以从转换器吸取电力。所述负载可以是电阻器、整流器、激励直流负载的储能电容器或用作具有非线性阈值的交流负载的荧光管。
通常，外部电容器具有约100皮法拉(picofarad)至约400皮法拉的电容。优选地，外部电容器具有约290皮法拉的电容。
通常，天线/电荷积聚元件通过初级线圈共振而共振。通常，天线/电荷积聚元件随次级线圈共振而共振。
在一个可替换示例中，天线/电荷积聚元件被定位以获得大气电能。
本发明的另一个方面是一种获得大气电能的方法，该方法包括以下步骤：(1)定位权利要求1所述的电能转换器从而使其暴露于大气电能的源；并且(2)通过转换器的操作生成表示提取的大气电能的交流电流信号；并且(3)引发羽流效应，该效应使得可用能量增加。
在本方法中，所获得的电能可以被馈送到电力网以便分配。这种方法可以减小雷击和大气湍流的频率或严重程度。
本发明的优点
本发明提供了一种提取大气电活动并且提供能够被馈送到电力网的可用电力的新方法。该方法不需要机械的发电机或消耗化石燃料或与核子分裂生成的电力相关的长期风险，包括为了军事或恐怖目的而转换可裂变材料的风险或由需要长期存储消耗的核能源导致的风险。根据本发明的装置能够以较少的养护或不养护的情况下几乎连续工作。
关于数值的范围，除非本文上下文另外清楚地表示，否则本发明包括所述范围的上限和下限之间的每个中间值，直到下限单位的至少十分之一。此外，除非特别地从所述范围排除，否则本发明包括任意其他说明的中间值和值域，包括所述范围的上限和下限中的一者或两者。
除非另外限定，否则本文所使用的全部技术术语和科学术语的含义均为本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义。本领域的普通技术人员还将理解类似于或等价于本文所述的任何方法和材料同样可以用于实践或测试本发明。
本文所讨论的出版物和专利，仅仅因为它们的公开在本申请的申请日期之前而被提供。鉴于之前的发明，本文中没有任何内容被看作为承认本发明没有权利在这些出版物之前。进一步地，所提供的出版日期可能与实际的出版日期不同，这需要独立地确认。
全部引用的出版物以其整体作为参考并入本文，包括全部出版的专利、专利申请、文献参考以及并入那些已公开的文件中的出版物。然而，就作为参考并入本文的任何出版物涉及将被公开的信息来说，申请人不承认在本申请的申请日后公布的任何这种信息为现有技术。
如在本说明书和所附权利要求中使用的，单数形式包括复数形式。例如，除非内容清楚地说明，否则术语“一”、“一个”和“所述”包括复数含义。此外，在一系列元件之前的术语“至少”被理解为指的是该系列中的每个元件。此处示例性地说明的本发明可以在缺少未具体公开在本文中的任意一个元件或多个元件、一个限制或多个限制的情况下被适当地实现。因此，例如，术语“包括”、“包含”、“具有”等应该被开放性地阅读而不是限制。此外，本文所使用的术语和表达语作为说明的术语而不作为限制，并且不意图使用这些术语和表达语而排除任何未来示出和说明的等价物及其任意部分，并且应意识到在本发明所要求保护的范围内的各种修改均是可能的。因此，应该理解虽然本发明通过优选实施例和可选的特征已经被具体公开，但本文公开的本发明的修改和变化可以由本领域技术人员采用，并且这些修改和变化被认为在本文公开的本发明的范围内。本发明在此处被广泛且一般地说明。落入一般的公开内容的范围内的每个更窄的种类和子类分组同样构成这些发明的一部分。这包括具有从所述种类中去除了任意主题的附带条件或不利限制的每个发明的一般性说明，无论所去除的材料是否具体地位于其中。此外，在按照马库西组(Markush group)说明了本发明的特征或方面的情况下，本领域技术人员将意识到本发明还由此按照马库西组的单个构件或构件子组进行了说明。还应该理解，以上说明旨在示例性而非限制性。基于对以上说明的审阅，许多实施例对本领域技术人员是显而易见的。因此，本发明的范围应该不参考以上说明书加以确定，而应该参考所附权利要求连同这些权利要求所授权的等价物的全部范围加以确定。本领域技术人员将意识到或将能够使用常规的试验确定描述本发明的具体实施例的许多等价物。这些等价物意图由所附的权利要求涵盖。

Claims (29)

1.一种获得大气电能的电能转换器，该电能转换器包括：
(a)几何构造最优的天线/电荷积聚元件，该元件在其尺寸比率中结合了斐波纳契数及其比率以及交流电压正弦波形的关键比率，所述天线/电荷积聚元件具有导电表面；
(b)初级线圈，其在导电线圈管上缠绕绝缘的导体，所述线圈与所述线圈管略微分离，所述线圈管电附着并机械附着到所述天线/电荷积聚元件的所述导电表面；
(c)外部电容器，其与所述初级线圈并联连接以提供特定的共振频率；以及
(d)次级线圈，其具有比所述初级线圈更多的匝数，所述次级线圈置于与所述第一线圈同轴并且作为与所述第一线圈感性耦合的共振升压变压器绕组；
其中所述转换器从电场中吸收ESD脉冲；所述脉冲是周期性的；并且
其中在所述次级线圈中生成具有交流电流波形的周期性的指数衰减信号并且该信号在所述次级线圈的引线上可测量。
2.根据权利要求1所述的电能转换器，其中所述初级线圈的端子被附着为靠近所述导电线圈管接触所述电荷积聚元件的点。
3.根据权利要求2所述的电能转换器，其中所述次级线圈的端子被附着为靠近所述导电线圈管接触所述电荷积聚元件的点。
4.根据权利要求3所述的电能转换器，其中所述次级线圈的端子通过R-L-C滤波器附着，在靠近所述导电线圈管接触所述电荷积聚元件的点与所述线圈共振。
5.根据权利要求1所述的电能转换器，其中所述天线的形状被最优化以用于大气ESD脉冲的捕捉。
6.根据权利要求1所述的电能转换器，其中所述天线/电荷积聚元件是锥体形状。
7.根据权利要求6所述的电能转换器，其中所述锥体形状是3侧面、4侧面或多侧面的。
8.根据权利要求1所述的电能转换器，其中所述天线/电荷积聚元件被电连接到高频、共振电力变压器。
9.根据权利要求1所述的电能转换器，其中所述初级线圈被连接为靠近所述天线/电荷积聚元件的顶点。
10.根据权利要求1所述的电能转换器，其中所述次级线圈被连接为靠近所述天线/电荷积聚元件的顶点。
11.根据权利要求1所述的电能转换器，进一步包括绝缘的底座，在该底座上放置有所述天线/电荷积聚元件。
12.根据权利要求1所述的电能转换器，其中所述次级线圈的输出端连接到负载以从所述转换器吸取电力。
13.根据权利要求12所述的电能转换器，其中所述负载是电阻器。
14.根据权利要求12所述的电能转换器，其中所述负载是整流器。
15.根据权利要求12所述的电能转换器，其中所述负载是激励直流负载的储能电容器。
16.根据权利要求12所述的电能转换器，其中所述负载是用作具有非线性阈值的交流负载的荧光管。
17.根据权利要求1所述的电能转换器，其中所述外部电容器具有约100皮法拉至约400皮法拉的电容。
18.根据权利要求17所述的电能转换器，其中所述外部电容器具有约290皮法拉的电容。
19.根据权利要求1所述的电能转换器，其中所述天线/电荷积聚元件随所述初级线圈共振而共振。
20.根据权利要求1所述的电能转换器，其中所述天线/电荷积聚元件随所述次级线圈共振而共振。
21.根据权利要求1所述的电能转换器，其中所述天线/电荷积聚元件被定位以获得大气电能。
22.根据权利要求6所述的电能转换器，其中所述锥体的高度为约10m至约1000m。
23.根据权利要求22所述的电能转换器，其中所述锥体的高度为约100m。
24.根据权利要求6所述的电能转换器，其中所述锥体的底座表面积为约250m2至约2,500,000m2。
25.根据权利要求24所述的电能转换器，其中所述锥体的底座表面积为约34,000m2。
26.根据权利要求1所述的电能转换器，其中羽流效应被产生，该羽流效应可以引发角动量给其中的被充电的粒子并且比不产生这种效应的结构吸入更多电荷到包括所述转换器的系统中。
27.一种获得大气电能的方法，该方法包括以下步骤：
(a)定位根据权利要求1所述的电能转换器从而使其暴露于大气电能的源；和
(b)通过所述转换器的操作生成表示提取的大气电能的交流电流信号；和
(c)引发羽流效应，该效应使得可用能量的增加。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述获得的电能被馈送到电力网以用于分配。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述方法减小雷击和大气湍流的频率或严重程度。
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