RU143902U1 - Устройство сбора, передачи и аккумулирования атмосферного электричества - Google Patents

Abstract

1. Устройство сбора, передачи и аккумулирования атмосферного электричества, включающее установленную на высоте электропроводящую оболочку, связанную с диэлектрическим каркасом и посредством электропровода с защитой, выпрямителем и емкостным накопителем электрической энергии, отличающееся тем, что дополнительно снабжено разрядниками и пороговым элементом, при этом электропроводящая оболочка выполнена в виде полусферы, собранной из ячеек, оснащенных тонкими металлическими иглами, и по периметру которой размещена защита в виде телескопических электродов, выпрямитель соединен с конденсатором и пороговым элементом, которые связаны с емкостным накопителем электрической энергии.2. Устройство сбора, передачи и аккумулирования атмосферного электричества по п. 1, отличающееся тем, что в качестве порогового элемента используют динистор или тиратрон.3. Устройство сбора, передачи и аккумулирования атмосферного электричества по п. 1, отличающееся тем, что в качестве емкостного накопителя электрической энергии используют ионистор.4. Устройство сбора, передачи и аккумулирования атмосферного электричества по п. 1, отличающееся тем, что в качестве конденсатора используют электролитический конденсатор.

Description

Заявляемая полезная модель относится к энергетике, в частности, к устройствам, предназначенным для сбора, передачи и накопления атмосферного электричества, и может быть использована для бесперебойного получения электроэнергии, питающей высотные здания при любых погодных условиях, а во время грозы - со значительным эффектом, а также для подключения к периодически восполняемым источникам электроэнергии, например, к аккумулирующей электростанции.

В основе мировой энергетики в настоящее время лежат пять первичных источников энергии. Это нефть, природный газ, уголь, атомная энергия и гидроэнергия. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), сейчас они удовлетворяют чуть менее 90% мирового энергетического спроса. Остальная доля приходится на альтернативные, т.е. не основные источники энергии. Среди них: возобновляемые горючие (биотопливо, лес и др.) и негорючие источники (энергия ветра, солнца, морских приливов и отливов, геотермальная энергия и др.).

Атмосферное электричество может стать еще одним существенным источником экологически чистой энергии.

В нижних слоях атмосферы Земли идут интенсивные процессы испарения, переноса тепла и влаги, образования облаков, сопровождающиеся явлениями электризации. В результате, у поверхности Земли напряженность электростатического поля достигает 100…150 В/м летом и до 300 В/м зимой, значительно изменяясь от погодных условий. В атмосфере постоянно висит положительный объемный заряд величиной около 0,57 млн. кулонов. Энергетический ресурс заряженной атмосферы оценивается величиной около 107 ГВт, что не менее чем в 250 раз превышает потребности человеческой цивилизации в энергии.

Если оставить заряженное тело в воздухе, то к нему начнут прилипать противоположно заряженные частицы пыли и ионы. Таким образом, на поверхности любого тела находится слой «заряженной» пыли, нейтрализующий заряд тела.

Грозовое облако - это огромное количество пара, часть которого конденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5-1 км.

Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие - положительно.

Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные - внизу. Другими словами, верхушка облака заряжена положительно, а низ - отрицательно. Происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю (см. Довгалюк Ю.А., Веремей Н.Е., Синькевич А.А., Слепухина А.К. «Вопросы физики облаков. Сборник статей памяти С.М. Шметера». М: ГУ «НИЦ» Планета, 2008. - 167 с.)

Из уровня техники известно устройство Пенокка (W.I. Pennock), содержащее два аэростата вытянутой формы, между которыми поднимают металлическую сеть, собирающую электричество. Стекая по тросам, оно заряжает батарею лейденских банок. Закрылки увеличивают подъемную силу, а рули ориентируют аэростаты по ветру, снижая сопротивление (см. патент US №1,014,719 «Apparatus for collecting electrical energy».

Кроме того, известна конструкция Плаусона, в которой аэростаты состоят из тонких листов, выполненных из магниево-алюминиевого сплава, при этом на листах размещены очень острые, электролитическим способом изготовленные иглы. Конструкцию устанавливают на высоте около 300 м. В материал для игл дополнительно может быть введен радий, способствующий увеличению местной ионизации воздуха. Поверхность аэростатов также покрывали цинковой амальгамой, которая в солнечную погоду давала дополнительный ток благодаря фотоэффекту. По изолированному проводу электричество направлялось в накопители, а затем через преобразователи к потребителю. Плаусон получил мощность 0,72 кВт от одного аэростата и 3,4 кВт от двух, поднятых на высоту всего лишь 300 м. (см., например, sibac.info>index.php/2009-07-01-10-21-16/5739-/…).

Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является устройство, используемое для осуществления способа аккумулирования атмосферной электроэнергии, который заключается в получении электроэнергии путем использования природных атмосферных явлений, причем в качестве природных атмосферных явлений используют атмосферную электрическую энергию, для чего в атмосферу с помощью аэростата помещают электропроводящую оболочку сферической формы, которую посредством троса, изготовленного из диэлектрического материала, удерживают на высоте наибольшего количества атмосферной электроэнергии, определяемой показаниями амперметра и вольтметра, затем электроэнергию, аккумулированную поверхностью электропроводящей оболочки, посредством изолированного электропровода, контактирующего с электропроводящей оболочкой, передают через защиту, выпрямитель с заземленным правым плечом на емкостной накопитель электрической энергии (см. заявку на изобретение №2004122326 «Способ аккумулирования атмосферной электроэнергии», дата подачи 20.07.2004 г., дата публикации заявки 20.01.2006 г.).

Устройство является экологически чистым и позволяет экономично, без затрат топлива получать электроэнергию постоянного тока.

Недостатки данного устройства обусловлены следующими факторами:

1. Электропроводящая установка (аэростат) подвергается сильным ветровым нагрузкам, поэтому связка «трос-лебедка» быстро изнашивается и, как следствие, недолговечна. Кроме того, аэростат не имеет надежной защиты от прямого попадания грозового разряда.

2. Устройство может создавать препятствие легким летательным аппаратам, а при обрыве троса может возникнуть вероятность столкновения с летательными аппаратами любого типа, поэтому установку размещают вдали от воздушных маршрутов, что приводит к увеличению длины линий передач электроэнергии до потребителя, а это, в свою очередь, приводит к нецелесообразности применения данного устройства.

3. Конструкция не обеспечивает стабильность снимаемой мощности, которая целиком зависит от «электрической погоды» в атмосфере, в результате величина зарядного тока в накопителе также будет нестабильной и в предгрозовой период может резко возрасти, что приведет к его разрушению, несмотря на имеющуюся защиту.

Над любой точкой Земли в атмосфере при ясной погоде имеется вертикальное электрическое поле E величиной 130 В/м. В предгрозовой и грозовой периоды, во время метелей напряженность может достигать нескольких тысяч или десятков тысяч В/м.

Известно, что количество ионов в атмосфере растет с высотой. Наличие ионов поддерживается солнечным ветром и космическими лучами. Их количество резко возрастает в предгрозовой и грозовой периоды.

Типичное распределение объемных электрических зарядов в облаках: верхняя часть облака имеет положительную область, нижняя часть - отрицательную, при этом градиент электрического потенциала в облаках выше градиента электрического потенциала атмосферы в ясную погоду, который в любую погоду положителен над любой точкой Земли. Грозовые разряды (молнии) снабжают Землю отрицательными электрическими зарядами, что является причиной наличия на поверхности Земли отрицательных электрических зарядов. Любые тела, особенно металлические конструкции, деревья и т.п., находящиеся на поверхности Земли, существенно искажают электрический потенциал в атмосфере (вплоть до верхней части тела).

Если поместить электрический проводник в любой точке атмосферы над Землей, то электрические заряды натекут на него (или стекут с него) и уравняют электрический потенциал проводника с потенциалом атмосферы на этой высоте.

Атмосфера - это гигантская постоянно действующая электрическая машина. Явления, происходящие в атмосфере, обладают высоким электрическим потенциалом относительно Земли (см. grp.ru>articles/56-ra3aal-articles/391-atm-practic).

В предлагаемом к защите устройстве разности этих потенциалов, т.е. напряжение U, используются для накопления электроэнергии Wc конденсатором - дозатором. Например, для конденсатора-дозатора, имеющего расчетную емкость C, W=CU²/2.

Анализ аналогов и прототипа заявляемой полезной модели, а также результаты экспериментов, проведенных в лабораторных условиях и реальной обстановке, позволяют обозначить следующие конструктивные особенности создаваемого устройства (электростатического насоса), в частности, электропроводящая оболочка (коллектор) должен быть оснащен максимально возможным количеством тонких игл, при этом его необходимо размещать как можно выше над поверхностью Земли, например, на крыше высотного здания и устанавливать его необходимо на диэлектрическом каркасе. Форма коллектора должна быть устойчивой к ветровым нагрузкам и позволять свободно стекать дождю и не препятствовать сходу снега. С целью защиты устройства от прямого попадания грозового разряда, необходимо установить надежную защиту, реагирующую на резкий рост напряженности электрического поля, в том числе автоматическую. Для удобства монтажа коллектор желательно собирать из ячеек.

Помимо этого, необходимо предусмотреть вероятность смены потенциала Земли и коллектора. В качестве аккумулирующего элемента необходимо использовать ионистор, причем для зарядки ионистора энергией равными порциями применить пороговый элемент.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемой полезной модели, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели такому условию патентоспособности как «новизна».

Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления.

Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является создание эффективного устройства-источника возобновляемой энергии, позволяющего получать атмосферное электричество беззатратным способом в любых погодных условиях.

Указанный технический результат достигается тем, устройство сбора, передачи и аккумулирования атмосферного электричества, включающее установленную на высоте электропроводящую оболочку, связанную с диэлектрическим элементом и посредством электропровода с защитой, выпрямителем и емкостным накопителем электрической энергии, согласно полезной модели дополнительно снабжено разрядниками и пороговым элементом, электропроводящая оболочка выполнена в виде полусферы, собранной из ячеек, снабженных тонкими металлическими иглами, и по периметру которой размещена защита в виде телескопических электродов, при этом выпрямитель соединен с конденсатором и пороговым элементом, которые связаны с емкостным накопителем электрической энергии.

При этом в качестве порогового элемента используют тиратрон или преимущественно динистор, в качестве емкостного накопителя электрической энергии - ионистор, а в качестве конденсатора - электролитический конденсатор.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где

Фиг. - схема устройства для сбора, аккумулирования и передачи атмосферного электричества.

Заявляемое устройство устанавливают, например, на крыше высотного здания 1, на которой надстраивают диэлектрический каркас 2, выполненный из полимерного материала - пластика. На каркасе 2 закрепляют электропроводящую оболочку - коллектор 3 в виде полусферы, собранной из отдельных ячеек, оснащенных множеством металлических тонких игл (на чертеже не показаны). По периметру коллектора 3 устанавливают защиту, в качестве которой используют надежно заземленные телескопические электроды 4. Для защиты устройства в случае смены потенциалов Земли и коллектора 3 служит мостовой выпрямитель 5, связанный с конденсатором 6, в качестве которого используют электролитический конденсатор емкостью несколько сотен мкФ и рабочим напряжением 400 В. Выпрямитель 5 содержит четыре диода - I, II, III, IV. Конденсатор 6 соединен с конечным накопителем заряда (энергии) 7, в качестве которого применяют ионистор 7, который выполнен сменяемым. В качестве порогового элемента 8 используют динистор или тиратрон, который подключен к мостовому выпрямителю 5 и ионистору 7. Динистор 8 в отличие от тиратрона обеспечивает работу при больших токах. Для защиты схемы от перенапряжения используют разрядники 9, связанные с коллектором 3. Все элементы конструкции соединены между собой посредством электропровода 10.

Устройство работает следующим образом:

Коллектор 3 собирает электрические заряды и по проводу 10 передает их в схему. Если Земля заряжена отрицательно, а коллектор положительно, то открыты диоды I и III и конденсатор 6 постепенно заряжается. Напряжение на нем растет, достигая напряжения включения порогового элемента 8, который открывается, и конденсатор 6 разряжается на ионистор 7, передавая ему определенную порцию энергии W=CU²/2. Напряжение на конденсаторе 6 уменьшается и пороговый элемент 8 закрывается. Конденсатор вновь начинает заряжаться и процесс повторяется. Если напряженность поля Земли начнет возрастать, например, при предгрозовой обстановке, метели и т.п., конденсатор 6 до напряжения срабатывания динистора 8 зарядится быстрее, но порция энергии, передаваемая ионистору 7, будет той же, благодаря чему ионистор будет защищен от чрезмерного тока.

В случае, если произойдет переполюсовка и Земля будет заряжена положительно, а коллектор 3 отрицательно, то при работе устройства будут открыты диоды II и IV и через конденсатор 6 пойдет ток заряда того же направления, схема будет работать аналогично описанному выше.

Зарядка ионистора 7 контролируется вольтметром (на схеме не показан), но в случае необходимости контроль может быть автоматизирован.

Полностью заряженный ионистор 7 отключают из схемы и производят его замену на новый незаряженный. К заряженному ионистору подключают нагрузку или разряжают его на аккумуляторную станцию (на чертеже не показаны).

Если напряженность поля Земли резко возрастает (например, условия грозы), то срабатывает защита 4, при этом телескопические электроды поднимают выше коллектора 3 и они, в случае необходимости, примут удар молнии на себя, направив его в землю и защитив при этом и коллектор, и устройство в целом.

Осуществление полезной модели подтверждается примером конкретного выполнения.

Испытание устройства в лабораторных условиях в случае применения в качестве порогового элемента тиратрона показали, что при подаче на макет напряжения 15000 В, ионистор полностью заряжается за 45-60 минут. При этом в момент передачи энергии видна вспышка тиратрона, что подтверждает осуществление работы.

Испытание схемы с динистором в качестве порогового элемента показали, что зарядка ионистора происходит за 25-35 минут, т.е. значительно быстрее, чем с тиратроном. Кроме того, напряжение включения и отключения при этом практически стабильны в отличие от тиратрона.

Предлагаемое устройство является экологически чистым и при использовании позволяет получать экономически беззатратную электроэнергию постоянного тока в любой точке Земли в любых погодных условиях. Важным преимуществом конструкции является то, что его применение при наличии развитых грозовых облаков за короткое время дает возможность получить значительное количество электроэнергии.

Claims (4)

1. Устройство сбора, передачи и аккумулирования атмосферного электричества, включающее установленную на высоте электропроводящую оболочку, связанную с диэлектрическим каркасом и посредством электропровода с защитой, выпрямителем и емкостным накопителем электрической энергии, отличающееся тем, что дополнительно снабжено разрядниками и пороговым элементом, при этом электропроводящая оболочка выполнена в виде полусферы, собранной из ячеек, оснащенных тонкими металлическими иглами, и по периметру которой размещена защита в виде телескопических электродов, выпрямитель соединен с конденсатором и пороговым элементом, которые связаны с емкостным накопителем электрической энергии.

2. Устройство сбора, передачи и аккумулирования атмосферного электричества по п. 1, отличающееся тем, что в качестве порогового элемента используют динистор или тиратрон.

3. Устройство сбора, передачи и аккумулирования атмосферного электричества по п. 1, отличающееся тем, что в качестве емкостного накопителя электрической энергии используют ионистор.

4. Устройство сбора, передачи и аккумулирования атмосферного электричества по п. 1, отличающееся тем, что в качестве конденсатора используют электролитический конденсатор.