JP2009543534A - 大気電気エネルギーを抽出するための電力変換器 - Google Patents

Abstract

本発明による大気電気エネルギーを抽出する電力変換器は、（１）最適化された形状を有するアンテナ／電荷蓄積要素であって、それの寸法比にＡＣ電圧正弦波形の主要な比とともにフィボナッチ数およびその比を含んでおり、また伝導性表面を有するアンテナ／電荷蓄積要素と、（２）伝導性コイル・フォーム上に絶縁導体で巻かれた一次コイルであって、静電場が電荷蓄積要素に接触する地点付近に一次コイルが取り付けられるように、電荷蓄積要素の伝導性表面に電気的および機械的に取り付けられた一次コイルと、（３）一次コイルと並列に接続されて、特定の共鳴周波数を与える外部キャパシタ、（４）一次コイルよりも多数のターン数を有する二次コイルであって、第１のコイルと同軸状に配置され、第１のコイルに対して誘導的に結合した共鳴ステップ・アップ変圧器巻線として機能する二次コイルとを含む。変換器は、静電場からＥＳＤインパルスを吸収する。正弦波形を持ち、周期的で指数関数的に減衰する信号が二次コイルに発生して、第２のコイルのリード上で測定できる。この電力変換器は、使用可能な電力を発生するために使用でき、その電力は電力供給網、あるいは各種負荷に供給できる。

Description

本発明は、大気静電場の電荷からエネルギーを引き出すことによる電力生成に関する。

静電気発生器による静電気エネルギーから使用可能な電気エネルギーへの変換は、既に従来技術において、米国特許第３，０１３，２０１号、第４，１２７，８０４号、第４，１５１，４０９号および第４，５９５，８５２号に述べられている。一般に、このような従来技術の静電気発生器は、機械的エネルギーを利用して電荷を分離するため、複雑なメカニクスを含むので、より大出力のシステムにスケール・アップすることが困難である。

（クロスリファレンス）
本出願は、その全体を参照によってここに取り込む２００６年７月３日付けの「大気静電気エネルギー捕獲のためのＤＣ−ＲＦ変換器（ＤＣ ｔｏ ＲＦ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｃａｐｔｕｒｅ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ）」と題するグランディクス（Ｇｒａｎｄｉｃｓ）による米国暫定出願第６０／８１８，３６０号から優先権を主張する。

米国特許第３，０１３，２０１号 米国特許第４，１２７，８０４号 米国特許第４，１５１，４０９号 米国特許第４，５９５，８５２号

次の文献は特に実施例に対して適用可能なものであり、参照によりここに取り込まれる。これらの文献は、それらに付与された参照番号で実施例中に引用されている。
[1] R. V. Anderson. 1977, in Electrical Processes in Atmospheres, H. Holezalek and R. Reiter, Eds. Steinkopff, Darmstadt, pp.87-99. [2] R. P. Feynman. 1964, Lectures on Physics, Addison Wesley, Inc., Palo Alto, California, vol.2. Chapter 9. [3] R. G. Roble, and I.Tzur. 1986, in The Earth's Electrical Environment, Studies in Geophysics National Academy Press, Washington DC, pp.206-231. [4] M. G. Bateman, W. D. Rust, B. F. Smull, and T. C. Marshall. 1995, "Precipitation charge and size measurements in the stratiform region of two mesoscale convective systems." J. Geophys. Res. vol.100, No.D8, pp.16341-16356. [5] T. L. Miller. Global lightning activity athttp://www.ghcc.msfc.nasa.gov/rotating/otd_oval_full.html. [6] T. C. Marshall and M. Stolzenburg. 2001, "Voltages inside and just above thunderstorms." J. Geophys. Res. vol.106, pp.4757-4768. [7] H. Christian, C. R. Holmes, J. W. Bullock, W. Gaskell, A. J. Illingworth, and J. Latham. 1980, "Airborne and ground based studies of thunderstorms in the vicinity of Langmuir laboratory." Q. J. R. Meteorol. Soc. vol.106, pp.159-175. [8] T. C. Marshall and W. P. Winn. 1982, "Measurements of charged precipitation in a New Mexico thunderstorm: Lower positive charge centers." J. Geophys. Res. vol.87, pp.7141-7157. [9] H. C. Krumm. 1962, "Der weltzeitliche Tagesgang der Gewitterhaufigkeit." Z. Geophys. vol.28, pp.85-104. [10] R. A. Anthes, H. A. Panofsky, J. Cahir, and A. Rango. 1978, The Atmosphere, 2nd ed., Charles E. Merrill, Columbus, Ohio, pp442. [11] World Total Electricity Installed Capacity, January 1, 1980 - January 1, 2003, Energy Information Administration,http://www.eia.doe.gov/iea/elec.html. [12] P. Grandics. 2000, A method to capture atmospheric electrostatic energy, in Proceedings of IEJ-ESA Joint Symposium on Electrostatics, Kyoto University, Kyoto, Japan, pp.355-361. [13] P. R. Krehbiel. 1986, in The Earth's Electrical Environment, Studies in Geophysics National Academy Press, Washington DC, pp.206-231. [14] P. Grandics. 2007, "The Genesis of Fundamental Forces Acting at a Distance," Infinite Energy, 12, 71, 13-24.; "The genesis of electromagnetic and gravitational forces." J. New Energy, vol.6, no 3, pp.33-45. [15] R. Holtzworth. 1981, "Direct measurement of lower atmospheric vertical potential differences." Geophys. Res. Letters, vol. 8, pp.783-786. [16] R. Holtzworth. personal communication. [17] http://www.pyramidoflife.com/eng/tests_experiments.html [18] R. A. Kerr. 1999, "Will the Arctic Ocean lose all its ice?" Science vol. 286, pp.1828. [19] S. Laxon, N. Peacock, and D. Smith. 2003, "High interannual variability of sea ice thickness in the Arctic region." Nature vol. 425, pp.947-950.

従って、本発明は、もっぱら大気の静電気放電インパルスのエネルギーだけから電気エネルギーを取り出すため、機械的パワーの入力を必要としない電気発生器を提供する。静電気放電が発生すると、電場がブレーク・ダウンして、大気中のある容積を持つ領域から「イオン化チャネル」を経由して、対象発明の電力変換装置上の「接続地点」へ（形と大きさを持つ）電流インパルスが流れる。このように、我々は、規則的な電気パルスの列として大量の電荷を大気を通して電力変換器へ移動させ、これらパルスをより使用に適した電気に変換し、同時に局所的な大気に影響を与えて、ますます多くの電荷を変換器へと流す。

本発明に従う静電気放電電力変換器は、大気から電気エネルギーを抽出して使用可能な電力を提供する新しい方法を提供する。

本発明の１つの態様は、大気静電気エネルギーを抽出する電力変換器であって、次を含む。
（１）静電場中の多くの電荷から取り出した電荷インパルスによって帯電するように最適化された構造を有し、伝導性表面を有するアンテナ／電荷蓄積要素、
（２）伝導性コイル・フォーム上に絶縁された導体で巻かれた一次コイルであって、コイル・フォームは、アンテナ／電荷蓄積要素の伝導性表面に電気的および機械的に取り付けられることによって、静電場が電荷蓄積要素に接触する地点付近に取り付けられるようにされた一次コイル、
（３）一次コイルと並列に接続され、固有共鳴周波数を与える外部キャパシタ、
（４）一次コイルより多数のターン数を有する二次コイルであって、第１のコイルと同軸に配置され、第１のコイルに対して誘導結合された共鳴ステップ・アップ変換器巻線として振舞う二次コイル。
ここで、変換器は、静電場からＥＳＤインパルスを吸収し、また二次コイルには、正弦波形を有し周期的で指数関数的に減衰する信号が生成され、二次コイルのリード上で測定可能である。

典型的には、この構造においてプルーム効果が生じ、その中の荷電粒子に対して角運動量を誘起するため、この効果を生じない構造と比べてより多くの電荷を、変換器を含むシステムに引き出すことが可能になる。

好ましくは、アンテナ／電荷蓄積要素は、ピラミッド形の形状をしている。電荷蓄積要素がピラミッド形（側面が３、４又はそれ以上）の場合、一次コイルは、電荷蓄積要素の頂点付近に取り付けるのが好ましい。

本発明の別の態様は、大気電気エネルギーを抽出する方法であって、次の工程を含む。
（１）上で述べた本発明に従うピラミッド形電力変換器を大気電気エネルギーの源に対して露出するように配置する工程、
（２）変換器の動作によって抽出した大気電気エネルギーから正弦波ＡＣ信号を発生させる工程、
（３）プルーム効果を誘起して、その中に含まれる荷電粒子に対して角運動量を付与し、変換器を含むシステムに付加的な電荷を引き出す工程。

以下で本発明は、明細書、添付の請求項および添付図面を参照することによってより正しく理解されよう。

ベース長が３０．５ｃｍ（１フット）のピラミッド形アンテナの入力ＥＳＤ信号に対する電圧応答を示すグラフ。 共鳴キャパシタを一次コイルに接続したピラミッド形アンテナ／電荷コレクタ内部のコイルの配置を示す写真。 オシロスコープで測定した二次コイルの信号を示すグラフ。 放電事象のパルス列を示すグラフ。 本発明によるピラミッド形電力変換器の回路モデルを示す回路図。 本発明によるピラミッド形電力変換器の集中素子共鳴回路モデルを示す図。 掃引信号解析セットアップの回路図。 コイル共鳴およびエネルギー転送の掃引信号解析を示すグラフ。 二次コイルの差分測定結果を示すグラフ。 一次コイル出力の１つの端子をピラミッド形電荷コレクタに接続した状態での二次コイルについての差分測定結果を示すグラフ。 図１０に示された改良した伝導性コイル・フォームよる、コイル共鳴およびエネルギー転送の掃引信号解析を示すグラフ。 図１０に示された更に最適化された伝導性コイル・フォームによる、コイル共鳴およびエネルギー転送の掃引信号解析を示すグラフ。 コイルおよびコイル・フォームのインクリメンタル・モデルの回路素子を示す回路図。 表１に提供されたギザの大ピラミッドの寸法を示す図。 ＡＣ電圧正弦波形の主要パラメータを示す図。

（発明の詳細な説明）
（大気電気エネルギーの量）
大気電気は、静電気エネルギーが蓄積することの結果として現われ、我々の環境に連続して電気を供給する現象である［１］。広域的な大気電気回路を考えると、地球の表面は負に帯電しており、他方大気は正に帯電している［２］。地球表面と電離層との間の電圧勾配は、太陽風に関連する磁気圏ダイナモのほか、対流圏の電気的活動によって維持されると考えられている［３］。雷雨は、落雷、コロナ放電、降雨および乱気流によって電荷を失うにも拘わらず、一般にその寿命の間に定常的な電気的構造を維持する［４］ことから、雷雨によって生み出される電力を推定することは困難である。雷雨の帯電プロセスに関する我々の理解がこのように不完全であるものの、次のように考えることで、雷雨によって生成される電力の大きさに関する大まかな推定が可能である。雷雨は、雷活動を監視することで追跡できるが、その９０％以上が陸地、主として中央アフリカ、南部中央アメリカおよびアマゾン盆地で発生している［５］。雲内電圧が約１００ＭＶで［６］、降雨電流が約２０ｎＡ／ｍ^２［７，８］の中規模の雷雨（直径約２００ｋｍ）は、少なくとも６．２８×１０^１０Ｗを発生できる。任意の与えられた瞬間に２，３００個の活動的な雷雨を想定すると［９］、雷雨活動により推定される平均の合計電力出力は約１．４４×１０^１４Ｗとなる。ハリケーンの電力生成は約１０^１４Ｗと推定されている［１０］。これに比べて、現時点の人工の電力発生器による世界中での合計電力生成能力は、３．６２５×１０^１２Ｗ［１１］であり、雷雨活動によって対流圏で生成される電力と比べてわずかなものである。このことは、大気電気活動の密度が取り出すのに十分高いことを示唆しており、また大気電気を利用することができれば、それは、人類のエネルギー需要の大きな割合を満たすことができるであろうことを示す。本発明は、大気電気エネルギーを使用可能な電圧および電流に変換し、従来の電気装置に電力供給する新しい方法について述べる。

上述の論文の中で、帯電した三角形（ピラミッド形）のキャパシタ電極板が静電気放電インパルス（ＥＳＤ）を高周波信号に変換し、それをキャパシタ電極板の近傍に設置された絶縁コイルで検出できることが報告されている［１２］。ＥＳＤインパルスに対して最適なアンテナ形状である可能性を有するピラミッド形の適正さの背景にある物理的基礎を明らかにする研究が続けられている。我々は、ギザの大ピラミッド（ＧＰＧ）の寸法比（図１４）を解析して、それがフィボナッチ数およびそれの比（表１）のほか、ＡＣ電圧の正弦波形（図１５）の主要パラメータを含むことを発見した。

表１ ギザの大ピラミッドの主要な平均寸法およびそれの比の解析の概要

寸法 メートル ロイヤル・キュービット
Ｌ（ベース） ２３０．３５ ４４０
高さ １４６．７１ ２８０
傾斜 １８６．５２ ３５６
稜 ２１９．２１ ４１８
Ｄ （ベースの対角） ３２５．７６ ６２２．２５


ＧＰＧ寸法比 正弦波主要比
２８０／４４０＝０．６３６３＝２／π ＡＶＥ／ＰＥＡＫ＝０．６３６３＝２／π
４４０／６２２．２５＝０．７０７ ＲＭＳ／ＰＥＡＫ＝０．７０７
２８０×６２２．２５／４４０×４４０ ＡＶＥ／ＲＭＳ＝０．９
＝０．９
２８０／Ｄ／２＝０．９ ＡＶＥ／ＲＭＳ＝０．９

ＧＰＧにおけるフィボナッチ数比
３５６／Ｌ／２＝１．６１８ φ
３５６／４１８＝０．８０９０５ φ／２
３５６／２８０＝１．２７１ √φ

π／４＝１／√φ

我々は、ピラミッドのユニット・セルの定数がπおよびφの関数であることに気づいた。正弦波形の主要なパラメータは、ＧＰＧのベース長および高さと共鳴関係にあり、アンテナ／電気トランスジューサとしてピラミッドを容積的にスケール・アップできることを示唆している。フィボナッチ数は、辺寸法（形状因子）に関連付けられているように見える。πとφとの間の数学的関係は、幾何学的形状と電気的特性との間の結びつきを示している。ＧＰＧをモデルとした我々のピラミッド形電力変換器は、時間ドメインで広帯域アンテナとして機能するので、ＧＰＧに見出された比は、これらのタイプのアンテナを設計するのに十分である可能性がある。従って、ＧＰＧは、次のように示すことのできる「汎用的」アンテナのデザインであることを実証するかもしれない。

Ｗａｖｅｔｅｋ１８５型信号ジェネレータを使用して、１０ｍｓｅｃの掃引速度で５００Ｈｚから５ＭＨｚまで、ベース長３０．５ｃｍ（１フット）のモデル・ピラミッドについて対数的掃引を実行した（図１）。大気ＥＳＤインパルスが全方位的に受信されるという事実を証明するために、ピラミッドは円筒形の金属製エミッタ（直径５２ｃｍ、高さ２６ｃｍ、壁厚０．３ｍｍ）の内部に配置された。
（実験方法）
信号ジェネレータの５０Ω出力を円筒形エミッタに接続する。
チャネル１は、信号測定用（ピラミッド）である。
チャネル４は、掃引信号制御電圧（周期１０ｍｓのランプ状波形）である。
オシロスコープ・トレース（図１）は、広帯域応答を示しており、ベース長３０．５ｃｍ（１フット）のピラミッドが実際に広帯域アンテナとして機能することを実証している。

ここで、我々は、このシステムを更に改良してシステム・コンポネント間でのエネルギー転送を追跡するようにしたものを開示する。ＴｅｋｔｒｏｎｉｘＴＳＤ３０５４型デジタル・オシロスコープを使用して、信号取得および解析を行った。実験室用のバン・デ・グラーフ型ジェネレータ（ＶＤＧ）（Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｉｒｓｔ社、電圧４００ｋＶ、電流出力１０μＡ）を使用して大気静電場を発生させた。

パワー送信測定のために、我々は、形状的に最適化されたピラミッド形アンテナ／電荷蓄積要素を使用した［１２］。空気中の静電場は、ピラミッド形アンテナ／電荷蓄積要の外部表面の伝導性表面に、ランダム又は周期的にＥＤＳインパルスを生成し、ＥＳＤインパルスのパワーが測定される。

伝導性円筒形基板（コイル・フォーム）上に絶縁されたワイヤで巻かれたコイルが、ピラミッドの伝導性表面の頂点付近に電気的および機械的に取り付けられる。コイルは、外部キャパシタと並列に接続されて固有の共鳴周波数を与える。コイルは、ピラミッド頂点に最も近い端子（Ｔ１）とピラミッド頂点から最も遠い端子（Ｔ２）との２つの端子を有する。Ｔ１は、ピラミッドの頂点近くに電気的に取り付けられる。

より長く、ターン数のより多い、より小さい直径の二次コイル（コイル２）が第１のコイル内部に同軸状に設置されて、コイル１に誘導結合した共鳴ステップ・アップ変圧器巻線として機能する（図２）。コイル２は、また高電圧抵抗又は直列Ｌ−Ｃ−Ｒインピーダンスを通してピラミッドの頂点に電気的に取り付けられる。ＥＳＤインパルスが電荷コレクタの表面を衝撃すると、そのエネルギーは、集中素子結合によって部分的にコイル１に転送される。Ｌ１およびＣ１は、同調共鳴回路を形成する。Ｌ２およびＣ２は、Ｌ１およびＣ１と共鳴ステップ・アップ変圧器を形成する。

ＥＳＤ衝撃の結果によってキャパシタＣ１が充電されたあと、コイル２のリードで測定される信号は、規則的な周期の指数関数的に減衰する正弦波形になる（図３）。

実験室での設定では、ピラミッド形電力発生器は、実験室用バン・デ・グラーフ型ジェネレータによって生成された静電場からＥＳＤインパルスを吸収できる（図４）。周期的な放電事象は、ピラミッドとＶＤＧとの間を１ｍの距離にして検出された。静電場の強度は、約３ｋＶ／ｍであり、グラウンド・レベルで雷雨の間に観測される場の強度（１０ｋＶ／ｍ又はそれ以上）よりもずっと小さい［１３］。

このシステムからパワーを引き出すために、コイル２に負荷が接続される。負荷は、抵抗、整流器およびＤＣ負荷に電力供給する蓄積キャパシタか、あるいは、単に閾値に非線形性を持つＡＣ負荷として機能する蛍光灯でよく（図５）、あるいはその他の適当なタイプの電気的負荷でよい。

ピラミッド形電力発生器の回路図が図５に示されている。絶縁ベース上に設置されたピラミッド形アンテナ／電荷蓄積要素（Ｐ）は、大気と結合してＥＳＤインパルスに対するアンテナとして機能する。それはまた、地球をアースとするキャパシタを構成する。２つの「成分」が容量に寄与する。（１）ピラミッドの面積に相当する「デュアル・プレート」と（２）アース面積、平均距離および絶縁体の誘電率である。

ピラミッド本体は、ＥＳＤインパルスをＡＣ電圧信号に変換する集中素子共鳴回路（ＬＥＣ）に電気的に接続される（図３および６）。ＬＥＣは、規則的周期での共鳴放電とともに充電が可能な３個の容量性コンポネントと１個の誘導性コンポネント要素との組合せ（図６）である。非伝導性コイル・フォーム上に巻かれたＬ２二次コイル（コイル２）は、ステップ・アップ変圧器として機能し、Ｃ_２容量と一緒に共鳴回路を形成する。二次コイルの出力は、整流器−キャパシタ−負荷抵抗に接続できる。低電圧正弦波の掃引は、各種の組合せの構造の各種要素の周波数応答を決定する。

図７に示すように、ＬＥＣとコイル２との間のエネルギー転送について調べられた。コイルは、１００ミリ秒の掃引速度で５０ｋＨｚから５０ＭＨｚまでの対数的掃引によって励起された。スコープのトレース（図８）は、左（５０ｋＨｚ）から右（５０ＭＨｚ）へ、水平方向の目盛あたり１オクターブを示している。信号は、ピーク振幅が５Ｖの正弦波である。信号は、１キロオームの抵抗を通して供試ユニットに供給される。チャネル１は信号測定用（コイル１）である。チャネル２は、コイル２の出力配線に接続された第２のプローブ（１００メガオーム、１０×）である。チャネル３は、Ｗａｖｅｔｅｋ１７８型信号ジェネレータの掃引周波数マーカである。チャネル４は、掃引信号である。

コイル１両端に共鳴キャパシタ（２９０ｐＦ）を接続した状態で、コイル２の共鳴のピークは約９．５ＭＨｚに検出される。コイル１両端のピーク電圧もまたほぼこの周波数で現われる（図８）。コイル１のピークとコイル２の第２ピークを一緒に最適チューニングすることで、出力を最適化できる。

ピラミッドをコイル・フォームに取り付けて、信号ジェネレータ出力をピラミッドに接続した状態で、コイル１からコイル２へのエネルギー転送を調べるために差分測定が実行された。プローブ１がコイル１の片側に接続され、プローブ２が他方に接続される。プローブ２の信号をプローブ１の信号から差し引くと、コイル２両端で起こっていることが分かる。中段のトレースがコイル２の両側での差分である（図９）。

コイル１からコイル２へのエネルギー転送は、中段のトレースのスペクトル応答から分かる。それは、約６．５５ＭＨｚに第１の共鳴を、次にゼロを、そして約２５ＭＨｚまでその他の共鳴カスケードを示している。

このあと、コイル１の１つの出力リードがコイル・フォーム、従ってピラミッド本体に接続され、それをコイル１と共鳴させる。差分信号はより高く、これは強化されたエネルギー転送を示している（図１０）。

コイル・フォーム上のコイル巻線の形状がコイル２の出力に見られるスペクトル応答に影響を及ぼすか否かについても調べた（図８）。このために、コイル２の長さの２／３を覆い、厚さが１．３ｍｍで、コイル・フォームとコイル１との間の空間を誘電体で満たした新しいコイル・フォームを作製した。図８の掃引信号解析を再度行って、コイル２が約４．８ＭＨｚの周波数でコイル１からパワーを引き出すこと、そしてより低い周波数ピークにも何らかの吸収が見られることが明らかになった（図１１）。修正された形状およびコイル１の巻線とコイル・フォームとの間の間隔の追加によってＱが高まり、コイル・フォームとの結合が小さくなる。このあと、我々は、コイル２を完全に取り囲む改良された伝導性コイル・フォームを開発した。厚さ０．４ｍｍのテフロン（登録商標）製熱収縮スリーブをコイル・フォーム長全体を覆って配置した。次にアクリル・チューブをコイル・フォームに被せ（壁厚３．１ｍｍ）、１ｍｍの幅の空隙をおいてタブによって所定の場所に固定した。２０ＡＷＧのエナメル被覆マグネット・ワイヤを使用して、アクリル・チューブの上にコイル１を巻きつけた（２７ターン）。図８の掃引信号解析を繰り返して、一緒にうまくチューニングされた両コイルから非常に高いＱピークが作り出された（図１２）。

パワー転送要素の電磁気的モデルが図１３に示されている。伝導性ピラミッドは、コイル１の伝導性コイル・フォームに電気的につながれる。誘電体絶縁によって取り囲まれた伝導性ワイヤのコイルが、主としてコイル・フォームとそれを囲むワイヤの個々の巻線との間のワイヤ絶縁の厚さによって分離された容量性結合によってコイル・フォームに結合される。モデル化の別の重要な因子は、コイルの巻線間容量であり、ワイヤの平均直径と伝導性ターン間の距離とによって決まる。同様に、コイルの抵抗は巻線コイルの合計抵抗であるが、これは、コイルとコアとの間の容量増加分および巻線間容量に関連する。

コイルは、連続した系であって、正確なモデルは、複雑な積分表現で表されるが、コイル全体を直列になった単巻コイルとして扱い、各々がそれ自身の抵抗、ターン当たりのインダクタンス、巻線間容量およびコイルとコアとの間の容量を有するように扱うことによって、より単純な「離散」モデルを作成できる。こうすればコイルを単一ターン要素の直列接続された組として表せる。

コイル−コア共鳴システムの全体（図６に示されている）は、コイル−コア間総容量および総インダクタンスのほか、巻線間総容量を示している。外部共鳴キャパシタ、個別外部コンポネントは、コイル両端に接続されて、インダクタンス、抵抗、巻線間容量、コイル−コア間容量および外部容量のコイル特性に影響するコンポネントの累積組合せによって決まる共鳴周波数を与える。

これは、コイル・システムの期待される動作特性を計算し、それを実験結果と比較し、システム全体の更なる最適化をサポートする基礎を与える。

（考察）
この研究は、大気電気エネルギーを捕獲する新規な方式を明らかにする。１つの興味ある態様は形状効果である。すなわち三角形をした電極が好ましく、多分それが大気ＥＳＤインパルスにとって最適なコレクタである［１２］という観察結果である。ＡＣ電圧正弦波形の主要な比とともに、フィボナッチ数の比を含むＧＰＧに基づいてモデル化されたピラミッドは、「汎用的な」アンテナ・デザインであることを示している。しかし、フィボナッチ数およびそれの比を採用したピラミッド以外の幾何学的形状、例えば、らせん形（オームガイの貝殻）も、ＥＳＤ捕獲アンテナ形状として有用であるはずである。更に、結晶や、実際には、フィボナッチ数およびそれの比を具体化した格子構造を有する任意の材料母材でも構わない。この現象を更に解析すると、電磁気現象の物理的基礎に対する我々の理解を進歩させることができよう［１４］。

ＥＳＤインパルスは、新規な集中素子共鳴回路によって、周期的で指数関数的に減衰する正弦波の列に変換される。これは、ピラミッド本体に電気的に接続されて共鳴キャパシタと並列になった伝導性円筒形基板上に巻かれた絶縁コイルを含む。コイル１の１つのリードをピラミッド本体に接続すれば、電荷蓄積要素（ピラミッド）がＬＥＣの周波数で共鳴することからエネルギー転送が増大する。これは、静電気エネルギーを引き付けるシステムの能力に対して重要な影響を持つ。コイル２の１つのリードをピラミッド本体に接続することも、システム性能を高めるのに効果的である。

落雷、コロナ放電、降雨および乱気流によって電荷を失うにも拘わらず、その寿命の間に定常的な電気的構造を維持する雷雨の電力を推定することは困難である［４］。実際、降雨による電流は、雷雨中に存在する電荷のほんの一部しか運び去らない。従って、雷雨活動によって発生する電力の実際の大きさは、人工の地球規模の電力発生器能力を３桁程度凌駕する。陸上での雷雨活動が地理的に集中することによって、我々が大気電気の巨大なプールから比較的容易に電力を取り出すことが可能になる。

更に、電気を実際に商用として発生させることは、雷雨発生器がなくても可能であると考えられる。ホルツワース（Ｈｏｌｔｚｗｏｒｔｈ）は、４５０ｋＶという地上と電離層との間の電位差の大部分は、１５００ｍという低い標高で支えられていると報告している［１５］。この標高で、彼は短いワイヤ・メッシュの電荷コレクタを使用して、３０−５０μＡの短絡回路電流を測定した［１６］。ピラミッドのエネルギー収集能力がそれの表面積に比例するので、ピラミッドのサイズが十分あれば、晴れた気象条件でもメガワット級のパワーを発生できる可能性がある。この活動は、ロシアから報告された観察によって裏付けられる。

モスクワ近くにある高さ４４ｍのグラスファイバ・ピラミッドの上方の空間でレーダ試験を行った結果［１７］、ピラミッドの垂直軸の上方領域に幅約５００ｍで高さ２ｋｍに達する大きなイオン化したコラム状の空気が見出された。この効果が非伝導性ピラミッド表面によって誘起されたことは、注目に値し、晴れた気象条件下でも大気がかなりの程度イオン化することを実証している。すなわち、適当な寸法のピラミッドは、比較的伝導性のある大気ドメインのより高い標高にまで低インピーダンスのパスを開く。このようなプルーム効果は、空気自体やそこにある荷電粒子に対して角運動量を付与することができ、渦巻きと同じように、この効果を生じない構造よりも多くの電荷を、変換器を含むシステムへ引き出すことを可能にする。言い換えると、プルームは、多分非実用的な値から実用的な値へ、利用可能なエネルギーを増倍することを可能にする。

プルーム効果は、この実施例で述べた設計によって、第１および第２の共鳴回路を電荷蓄積要素ピラミッド本体に接続することで増幅できると考えられる。すなわち、それの高電圧、高周波数のＥＭ出力が、フル・スケールの電力発生器のピラミッドにおいて対流圏中の数マイルもの高さにまで達するのと同様な大気イオン化によって、ピラミッド形電力変換器への電荷誘引を促進するであろう。

ロシアの研究者たちは、ピラミッド近傍で落雷の頻度が低下することについても報告している［１７］。これは、ここでの実施例の観察に照らして容易に解釈できる。雷雲の帯電が落雷現象を含む厳しい気象条件を促進するので、雷雲から電荷が除去される結果、大気の乱れとともに落雷活動も低下させるであろう。ハリケーンやその他の厳しい気象条件の頻度が増えると、ハリケーンが多発する人口密度の高い地域に適正なサイズのピラミッド形電力発生器を設置すれば、単なる電力発生器の手段にとどまらず、人命および財産を救助できる。

対流圏での落雷によって多分数千テラワットの電力が発生する。この電力を捕獲して、それの散逸を防止するためには、効果的な電荷シンクが必要である。地球表面の部分最適な地形およびその比較的低い伝道度によって、非効率的なシンクが構成され、それは、小さい地上表面の電流密度につながる。しかし、ピラミッドは、その最適な形状および構成のおかげで、効果的な電荷シンクとして機能できる。

ベース表面積が約３４，０００ｍ^２で、高さが１００ｍ、大きい伝導性表面を備えた電力発生器のピラミッドは、周囲の地表よりもはるかに優れた効率的電荷シンクを提供する。電荷捕獲は、内部共鳴回路によって増大する。特定の地理的領域内にいくつかのピラミッド形電力発生器のグループを設置することができ、そうすればそれらのエネルギー収集能力を組み合わせることができ、またチューニングされたアンテナ系とすることもできる。

人類の活動によって引き起こされた地球温暖化は、今や明瞭な環境変化を生み出しつつあり、それは、我々のエコシステムを覆し、悲惨な結果をもたらす恐れがある。本発明の方法によって得られる大気電気エネルギーは、再生可能でクリーンなエネルギー源であり、人類に対して、この危険で自己破壊的な世界規模での潮流を反転するきっかけを与えるかもしれない。

従って、本発明の１つの態様は、大気電気エネルギーを捕獲する電気エネルギー変換器であって、
（１）最適化形状を有するアンテナ／電荷蓄積要素であって、その寸法比にＡＣ電圧正弦波形の主要な比とともにフィボナッチ数およびその比を含んでおり、また伝導性表面を有するアンテナ／電荷蓄積要素、
（２）伝導性コイル・フォーム上に絶縁導体で巻かれた一次コイルであって、コイルは、コイル・フォームからわずかに離して配置され、またアンテナ／電荷蓄積要素の伝導性表面に電気的および機械的に取り付けられている一次コイル、
（３）一次コイルと並列に接続されて、特定の共鳴周波数を与える外部キャパシタ、
（４）一次コイルよりも多数のターン数を有する二次コイルであって、第１のコイルと同軸状に配置され、第１のコイルに対して誘導的に結合した共鳴ステップ・アップ変圧器巻線として機能する二次コイル、
を含み、
ここで変換器は、電場からＥＳＤインパルスを吸収し、インパルスは周期的であり、また
交流電流波形の周期的で指数関数的に減衰する信号が二次コイルに誘起され、二次コイルのリード上で測定可能である
電気エネルギー変換器である。

典型的には、一次コイルの１つの端子は、伝導性コイル・フォームが電荷蓄積要素に接触する地点付近に取り付けられる。典型的には、二次コイルの１つの端子は、伝導性コイル・フォームが電荷蓄積要素に接触する地点付近に取り付けられる。典型的には、この代替例として二次コイルの１つの端子は、コイル２と共鳴関係にあるＲ−Ｌ−Ｃフィルタを通して、伝導性コイル・フォームが電荷蓄積要素に接触する地点付近に取り付けられる。一次コイルは、アンテナ／電荷蓄積要素の頂点付近に接続できる。二次コイルは、アンテナ／電荷蓄積要素の頂点付近に接続できる。

１つの代替例では、アンテナの形状は大気ＥＳＤインパルスを捕獲するのに最適なものになっている。

典型的には、この構造でプルーム効果が生まれ、その中にある荷電粒子に対して角運動量を付与できるため、この効果を生じない構造と比べてより多くの電荷を、変換器を含むシステムに引き出せる。

典型的には、アンテナ／電荷蓄積要素はピラミッド形をしている。ピラミッド形は、３、４又はそれ以上の側面を有する。典型的には、ピラミッドの高さは、約１０ｍから約１０００ｍである。更に典型的には、ピラミッドの高さは約１００ｍである。典型的には、ピラミッドのベース表面積は約２５０ｍ^２から約２，５００，０００ｍ^２である。更に典型的には、ピラミッドのベース表面積は約３４，０００ｍ^２である。

本発明に従う電気エネルギー変換器で、アンテナ／電荷蓄積要素は高周波数の共鳴電力変圧器に電気的に接続できる。

電気エネルギー変換器は、更にその上にアンテナ／電荷蓄積要素を配置した絶縁ベースを含むことができる。

二次コイルの出力は、変換器からパワーを引き出すための負荷に接続できる。負荷は、抵抗、整流器、ＤＣ負荷に電力供給する蓄積キャパシタ又は非線形な閾値を有するＡＣ負荷として機能する蛍光灯でもよい。

典型的には、外部キャパシタは約１００ピコファラッドから約４００ピコファラッドの容量を有する。好ましくは、外部キャパシタは約２９０ピコファラッドの容量を有する。

典型的には、アンテナ／電荷蓄積要素は一次コイル共鳴と共鳴関係にある。典型的には、アンテナ／電荷蓄積要素は二次コイル共鳴の共鳴関係にある。

１つの代替例で、アンテナ／電荷蓄積要素は大気電気エネルギーを捕獲するように配置される。

本発明の別の１つの態様は、大気電気エネルギーを捕獲する方法であって、
（１）請求項１の電気エネルギー変換器を配置して、それが大気電気エネルギーの源にさらされるようにする工程、
（２）変換器の動作によって抽出された大気電気エネルギーを表す交流電流信号を発生させる工程、
（３）利用可能なエネルギーの増幅を可能にするプルーム効果を誘起する工程、
を含む。

この方法で、捕獲された電気エネルギーは、分配のために電力供給網に送られる。この方法は落雷および大気擾乱の頻度又は重大度を低減する。

（発明の特徴）
本発明は、大気の電気的活動を取り出し、電力供給網に供給できる利用可能な電力を提供する新しい方法を提供する。これは、機械式発生器や化石燃料の消費を必要としないし、核分裂で発生したパワーに付随する長期間のリスク、その中には軍用やテロの目的で核物質が分散するリスクや、使用済みの核燃料を長期間保管する必要に伴うリスクが含まれるが、それらを伴うこともない。本発明に従う装置は、事実上連続運転が可能で、保守も不要、あるいはわずかでよい。

値の範囲に関して、発明は、内容から明らかにそうでない場合でない限り、範囲の上限と下限との間の値を少なくとも下限の単位の１０分の１まで含む。更に、発明は、言及した範囲から具体的に除外されない限り、範囲の上限および下限の一方又は両方を含む任意のその他の言及された中間値および範囲を含む。

ほかに定義されない限り、ここに使用されるすべての技術用語および特殊用語の意味は、本発明が属する技術分野の当業者によって共通に理解されているものである。当業者は、またここに述べられたものと類似又は等価な任意の方法および材料を使用しても本発明を実施又は試験できることを理解するであろう。

ここに述べた出版物および特許は、単に本発明の出願日に先行してそれらが開示されているという理由でここに示されている。本発明が、先行発明という理由からそのような出版物に先行する資格がない、ということを認めたものであると解決すべきものはこれらの中にはない。更に、ここに提供された出版物の日付は、実際の出版日付と異なっている場合もあり、それを個々に確認する必要がある。

引用されたすべての出版物は、すべての公開された特許、特許出願、文献引用ならびに出版されたドキュメントに含まれる出版物を含めて、そこに参照によってそれら全体を取り込む。しかし、そこに参照によって取り込まれたすべての出版物が公開予定情報として言及した範囲内では、出願人は、本出願の日付よりあとに公開されたそのような任意の情報が従来技術となることは認めない。

この明細書および添付の請求の範囲で使用されているように、単数表現は複数表現も含んでいる。例えば、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、内容から判断して明らかにそうでない場合を除いて複数の対照物が含まれる。更に、一連の要素があとに続く場合の用語「少なくとも」は、一連のもののあらゆる要素に該当すると理解すべきである。ここに例示的に説明した発明は、特に記載されない限り、任意の単数又は複数の要素、単数又は複数の制限なしでも適宜実施できる。すなわち、例えば、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」等は、拡張的にそして制限なしに読み取るべきである。更に、ここに採用された用語および表現は、説明の便宜上で使用されたものであって、限定的な意図のものではなく、そのような用語や表現を使用する場合、図示および説明された特徴の任意の等価物又はそれの任意の一部を排除する意図はなく、従って請求された発明の範囲内で各種の修正が可能であることを理解すべきである。すなわち、本発明は、好適な実施の形態および随意的な特徴によって特別に開示されたものであり、ここに開示された発明の修正および変形を当業者は想到できるし、またそのような修正および変形は、ここに開示された発明の範囲に含まれると考えるべきである。発明について、ここに幅広くまた一般的に説明してきた。包括的な開示の範囲に含まれる狭義の分類や下位のグループ分けもまたこれらの発明の一部を構成する。これは、切り取られる材料が具体的にその中に存在するか否かに関わらず、任意の対象事項を種類から取り除く否定的な制限や但し書きを付したうえで、各々の発明の包括的説明を含む。加えて、発明の特徴又は態様がマーカッシュ・グループ（Ｍａｒｋｕｓｈ ｇｒｏｕｐ）の用語で述べられた場合、当該分野の教育を受けた者は、発明もまたマーカッシュ・グループの任意の個別のメンバ又はメンバのサブグループによって説明されることを理解するであろう。上の説明は例示的なものであって、制限的なものでないことも理解すべきである。上の説明を再検討すれば、当業者には多くの実施の形態が明らかになろう。従って、発明の範囲は上の説明を参照することで決まるのではなく、代わりに、それらの請求項が権利を有する等価物の完全な範囲と共に、添付の請求の範囲を参照することで決定されるべきである。説明した発明の特別な実施の形態に対する多くの等価物を、当業者は理解、あるいは、所定の実験だけで確認できるであろう。そのような等価物は、以下の請求の範囲に含まれるべきである。

Claims (29)

1. 大気電気エネルギーを捕獲する電気エネルギー変換器であって、
   （ａ）最適化された形状を有するアンテナ／電荷蓄積要素であって、その寸法比にＡＣ電圧正弦波形の主要な比とともにフィボナッチ数およびその比を含んでおり、また伝導性表面を有するアンテナ／電荷蓄積要素、
   （ｂ）伝導性コイル・フォーム上に絶縁導体で巻かれた一次コイルであって、該コイルは、前記コイル・フォームからわずかに離して配置され、前記コイル・フォームは前記アンテナ／電荷蓄積要素の伝導性表面に電気的および機械的に取り付けられている一次コイルと、
   （ｃ）前記一次コイルと並列に接続されて、特定の共鳴周波数を与える外部キャパシタと、
   （ｄ）前記一次コイルよりも多数のターン数を有する二次コイルであって、前記一次コイルと同軸状に配置され、前記一次コイルに対して誘導的に結合した共鳴ステップ・アップ変圧器巻線として機能する二次コイルと、
   を含み、
   前記変換器は電場からＥＳＤインパルスを吸収し、インパルスは周期的であり、また
   交流電流波形を持ち、周期的で指数関数的に減衰する信号が前記二次コイルに誘起され、前記二次コイルのリード上で測定可能である
   電気エネルギー変換器。
2. 請求項１記載の電気エネルギー変換器であって、前記一次コイルの１つの端子は、前記伝導性コイル・フォームが前記電荷蓄積要素に接触する地点付近に取り付けられた前記電気エネルギー変換器。
3. 請求項２記載の電気エネルギー変換器であって、前記二次コイルの１つの端子は、前記伝導性コイル・フォームが前記電荷蓄積要素に接触する地点付近に取り付けられた前記電気エネルギー変換器。
4. 請求項３記載の電気エネルギー変換器であって、前記二次コイルの１つの端子は、前記コイルと共鳴関係にあるＲ−Ｌ−Ｃフィルタを通して、前記伝導性コイル・フォームが前記電荷蓄積要素に接触する地点付近に取り付けられた前記電気エネルギー変換器。
5. 請求項１記載の電気エネルギー変換器であって、アンテナ形状は、大気ＥＳＤインパルスの捕獲に最適なものである前記電気エネルギー変換器。
6. 請求項１記載の電気エネルギー変換器であって、前記アンテナ／電荷蓄積要素はピラミッド形状をしている前記電気エネルギー変換器。
7. 請求項６記載の電気エネルギー変換器であって、前記ピラミッド形状は、３、４又はそれ以上の側面を有するものである前記電気エネルギー変換器。
8. 請求項１記載の電気エネルギー変換器であって、前記アンテナ／電荷蓄積要素は、高周波数の共鳴パワー変圧器に電気的に接続された前記電気エネルギー変換器。
9. 請求項１記載の電気エネルギー変換器であって、前記一次コイルは、前記アンテナ／電荷蓄積要素の頂点付近に取り付けられた前記電気エネルギー変換器。
10. 請求項１記載の電気エネルギー変換器であって、前記二次コイルは、前記アンテナ／電荷蓄積要素の頂点付近に取り付けられた前記電気エネルギー変換器。
11. 請求項１記載の電気エネルギー変換器であって、その上に前記アンテナ／電荷蓄積要素が設置された絶縁ベースを更に含む前記電気エネルギー変換器。
12. 請求項１記載の電気エネルギー変換器であって、前記二次コイルの出力は、前記変換器から電力を引き出すための負荷に接続された前記電気エネルギー変換器。
13. 請求項１２記載の電気エネルギー変換器であって、前記負荷は抵抗である前記電気エネルギー変換器。
14. 請求項１２記載の電気エネルギー変換器であって、前記負荷は整流器である前記電気エネルギー変換器。
15. 請求項１２記載の電気エネルギー変換器であって、前記負荷はＤＣ負荷に電力を供給する蓄積キャパシタである前記電気エネルギー変換器。
16. 請求項１２記載の電気エネルギー変換器であって、前記負荷は閾値に非線形性を有するＡＣ負荷として機能する蛍光灯である前記電気エネルギー変換器。
17. 請求項１記載の電気エネルギー変換器であって、前記外部キャパシタは、約１００ピコファラッドから約４００ピコファラッドの容量を有する前記電気エネルギー変換器。
18. 請求項１７記載の電気エネルギー変換器であって、前記外部キャパシタは約２９０ピコファラッドの容量を有する前記電気エネルギー変換器。
19. 請求項１記載の電気エネルギー変換器であって、前記アンテナ／電荷蓄積要素は、前記一次コイルの共鳴と共鳴関係にある前記電気エネルギー変換器。
20. 請求項１記載の電気エネルギー変換器であって、前記アンテナ／電荷蓄積要素は、前記二次コイルの共鳴と共鳴関係にある前記電気エネルギー変換器。
21. 請求項１記載の電気エネルギー変換器であって、前記アンテナ／電荷蓄積要素は、大気電気エネルギーを捕獲するように配置されている前記電気エネルギー変換器。
22. 請求項６記載の電気エネルギー変換器であって、前記ピラミッドの高さは約１０ｍから約１０００ｍである前記電気エネルギー変換器。
23. 請求項２２記載の電気エネルギー変換器であって、前記ピラミッドの高さは約１００ｍである前記電気エネルギー変換器。
24. 請求項６記載の電気エネルギー変換器であって、前記ピラミッドのベース表面積は、約２５０ｍ^２から約２，５００，０００ｍ^２である前記電気エネルギー変換器。
25. 請求項２４記載の電気エネルギー変換器であって、前記ピラミッドのベース表面積は、約３４，０００ｍ^２である前記電気エネルギー変換器。
26. 請求項１記載の電気エネルギー変換器であって、プルーム効果が発生してその中にある荷電粒子に対して角運動量を付与することができ、またこの効果を生じない構造と比べてより多くの電荷を、変換器を含むシステム中に引き出すことができる前記電気エネルギー変換器。
27. 大気電気エネルギーを捕獲する方法であって、
    （ａ）大気電気エネルギーの源にさらされるように請求項１の電気エネルギー変換器を配置する工程と、
    （ｂ）変換器の動作によって抽出された大気電気エネルギーに相当する交流電流信号を発生させる工程と、
    （ｃ）利用可能なエネルギーの増幅を可能にするプルーム効果を誘起する工程と
    を含む方法。
28. 請求項２７記載の方法であって、捕獲された電気エネルギーは、分配のために電力供給網に送られる前記方法。
29. 請求項２７記載の方法であって、落雷および大気擾乱の頻度又は重大度を低減する前記方法。

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