RU2806057C1

RU2806057C1 - Lightning energy storage device

Info

Publication number: RU2806057C1
Application number: RU2023103578A
Authority: RU
Inventors: Константин Константинович Ким; Александр Юрьевич Панычев; Ирина Михайловна Карпова
Filing date: 2023-02-15
Publication date: 2023-10-25

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: used in atmospheric electricity conversion systems. The lightning rod current (1) creates a pulsed magnetic field that induces an electromotive force in the inductor (4), under the action of which an electric current begins to flow in a circuit consisting of an inductor (4), a semiconductor element (5) and a capacitor (6), charging the capacitor (6). Simultaneously, the lightning current in the power coil (9) creates a pulsed magnetic field, which induces eddy currents in the runner (14). As a result, an electrodynamic force arises that accelerates the runner (14) upward. After the runner (14) passes the stoppers (13), the signal from the position sensors (25) stops and the rods (20) under the action of the return spring (17) return to their original position, blocking the downward movement of the runner (14). As a result, the runner (14) stores part of the lightning energy in the form of the potential energy of the raised runner (14).

EFFECT: increased efficiency of lightning energy storage by converting lightning energy into gravitational energy.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение в системах преобразования атмосферного электричества.The invention relates to the field of instrument engineering and can find application in systems for converting atmospheric electricity.

Известно устройство сбора, передачи и аккумулирования атмосферного электричества (RU 143902, H05F 7/00, 10.08.2014), включающее установленную на высоте электропроводящую оболочку, связанную с диэлектрическим каркасом и посредством электропровода с защитой, выпрямителем и емкостным накопителем электрической энергии, снабженное 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.A device for collecting, transmitting and accumulating atmospheric electricity is known (RU 143902, H05F 7/00, 08/10/2014), including an electrically conductive shell installed at a height, connected to a dielectric frame and through an electrical wire with protection, a rectifier and a capacitive storage of electrical energy, equipped with spark gaps and threshold element, wherein the electrically conductive shell is made in the form of a hemisphere assembled from cells equipped with thin metal needles, and along the perimeter of which protection in the form of telescopic electrodes is placed, the rectifier is connected to a capacitor and a threshold element, which are connected to a capacitive storage of electrical energy.

Так как устройство сбора, передачи и аккумулирования атмосферного электричества может накапливать атмосферное электричество только в виде электрической энергии емкостного накопителя, оно характеризуется недостаточно высокой эффективностью накопления атмосферного электричества.Since the device for collecting, transmitting and accumulating atmospheric electricity can accumulate atmospheric electricity only in the form of electrical energy of a capacitive storage device, it is characterized by insufficiently high efficiency of accumulation of atmospheric electricity.

Известно устройство для накопления электрической энергии (RU 2332816, H05F 7/00, 27.08.2008), выбранное в качестве прототипа, содержит вертикально установленный стержнеобразный громоотвод - молниеотвод, соединенный со средством заземления и элемент для съема электрической энергии, состоящий из последовательно соединенных катушки индуктивности, полупроводникового элемента и конденсатора, причем катушка индуктивности расположена на расстоянии от 0,1 м до 10 м от громоотвода, либо в любой плоскости, проходящей через ось громоотвода, и выполнена в виде тороида, ось симметрии которого совпадает с осью громоотвода.A known device for storing electrical energy (RU 2332816, H05F 7/00, 08/27/2008), selected as a prototype, contains a vertically mounted rod-shaped lightning rod - lightning rod connected to a grounding means and an element for collecting electrical energy, consisting of inductor coils connected in series , a semiconductor element and a capacitor, and the inductor is located at a distance from 0.1 m to 10 m from the lightning rod, or in any plane passing through the axis of the lightning rod, and is made in the form of a toroid, the axis of symmetry of which coincides with the axis of the lightning rod.

Основным недостатком прототипа является то, что он позволяет аккумулировать электрическую энергию, выделяемую в молниеотводе при ударе в него молнии, а также извлекать ее избыток из атмосферы между разрядами молний, только в виде энергии, накопленной в конденсаторе, что определяет его недостаточно высокую эффективность накопления энергии молнии.The main disadvantage of the prototype is that it allows you to accumulate electrical energy released in the lightning rod when it is struck by lightning, as well as extract its excess from the atmosphere between lightning strikes, only in the form of energy accumulated in a capacitor, which determines its insufficiently high energy storage efficiency lightning.

Задача настоящего изобретения - повышение эффективности накопления энергии молнии за счет дополнительного запасания гравитационной энергии.The objective of the present invention is to increase the efficiency of lightning energy accumulation due to additional storage of gravitational energy.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для накопления энергии молнии, содержащем вертикально установленный молниеотвод со средством заземления и элемент для съема электрической энергии, состоящий из последовательно соединенных катушки индуктивности, полупроводникового элемента и конденсатора, причем катушка индуктивности расположена на расстоянии от 0,1 м до 10 м от молниеотвода, ось симметрии которого совпадает с осью молниеотвода, нижний конец молниеотвода соединен с первым выводом обмотки силовой катушки, второй вывод которой соединен со средством заземления, силовая катушка жестко закреплена на земле, к боковой поверхности силовой катушки жестко прикреплены направляющие, опирающиеся своими нижними концами на землю, в нишах верхних концов направляющих жестко закреплены стопоры, между направляющими расположен бегун из электропроводящего материала, имеющий в центре сквозное отверстие, предназначенное для прохождения молниеотвода, а на нижних частях направляющих между бегуном и верхней поверхностью разгонной катушки жестко закреплены ограничители хода, стопоры состоят из возвратной пружины, одним своим концом жестко прикрепленной к задней стенке ниши, а другим концом жестко прикрепленной к первому торцу штока, проходящего через внутреннюю полость электромагнитного соленоида, противоположный торец штока с возможностью возвратно-поступательного движения свободно проходит через отверстие в передней стенке ниши.The technical result is achieved in that in a device for storing lightning energy containing a vertically installed lightning rod with a grounding means and an element for collecting electrical energy, consisting of a series-connected inductor, a semiconductor element and a capacitor, wherein the inductor is located at a distance of 0.1 m up to 10 m from the lightning rod, the axis of symmetry of which coincides with the axis of the lightning rod, the lower end of the lightning rod is connected to the first terminal of the winding of the power coil, the second terminal of which is connected to the grounding means, the power coil is rigidly fixed to the ground, guides resting on the side surface of the power coil are rigidly attached with their lower ends on the ground, stoppers are rigidly fixed in the niches of the upper ends of the guides, a runner made of electrically conductive material is located between the guides, which has a through hole in the center designed for the passage of a lightning rod, and travel limiters are rigidly fixed on the lower parts of the guides between the runner and the upper surface of the accelerating coil , the stoppers consist of a return spring, with one end rigidly attached to the rear wall of the niche, and the other end rigidly attached to the first end of the rod passing through the internal cavity of the electromagnetic solenoid, the opposite end of the rod with the possibility of reciprocating movement freely passes through the hole in the front wall niches.

Общий вид устройства для накопления энергии молнии, когда элемент для съема электрической энергии расположен на расстоянии от 0,1 до 10 м от громоотвода, показан на фиг. 1, на фиг. 2 приведена электрическая схема элемента для съема электрической энергии.A general view of a device for storing lightning energy, when the element for collecting electrical energy is located at a distance from 0.1 to 10 m from the lightning rod, is shown in Fig. 1, in fig. Figure 2 shows an electrical diagram of an element for collecting electrical energy.

Устройство для накопления энергии молнии содержит вертикально установленный молниеотвод, выполненный в виде стержня 1 (фиг. 1), со средством заземления 2 и элемент для съема электрической энергии 3, который состоит из последовательно соединенных катушки индуктивности 4 (фиг. 2), полупроводникового элемента 5 в виде диода и конденсатора 6. Катушка индуктивности 4 (фиг. 1) может быть расположена на расстоянии от 0,1 до 10 м от стержнеобразного молниеотвода 1. Нижний конец молниеотвода 1 соединен с первым выводом 7 обмотки 8 силовой катушки 9, например, одновиткового соленоида из бериллиевой бронзы или малоуглеродистой стали (Комельков B.C. Техника больших импульсных токов и магнитных полей. М.: Атомиздат, 1970. С. 440), второй вывод 10 которой соединен со средством заземления 2. Силовая катушка 9 жестко закреплена на земле. К боковой поверхности силовой катушки 9 жестко прикреплены направляющие 11, опирающиеся своими нижними концами на землю. В нишах 12 верхних концов направляющих 11 жестко закреплены стопоры 13. Между направляющими 11 расположен бегун 14 из электропроводящего материала, имеющий в центре сквозное отверстие 15, предназначенное для прохождения молниеотвода 1. На нижних частях направляющих 11 между бегуном 14 и верхней поверхностью силовой катушки 9 жестко закреплены ограничители хода 16.A device for storing lightning energy contains a vertically installed lightning rod, made in the form of a rod 1 (Fig. 1), with a grounding means 2 and an element for collecting electrical energy 3, which consists of a series-connected inductor 4 (Fig. 2), a semiconductor element 5 in the form of a diode and capacitor 6. The inductor 4 (Fig. 1) can be located at a distance from 0.1 to 10 m from the rod-shaped lightning rod 1. The lower end of the lightning rod 1 is connected to the first terminal 7 of the winding 8 of the power coil 9, for example, a single-turn a solenoid made of beryllium bronze or low-carbon steel (Komelkov V.S. Technique of high pulse currents and magnetic fields. M.: Atomizdat, 1970. P. 440), the second terminal 10 of which is connected to the grounding means 2. The power coil 9 is rigidly fixed to the ground. Guides 11 are rigidly attached to the side surface of the power coil 9, resting with their lower ends on the ground. In the niches 12 of the upper ends of the guides 11, stoppers 13 are rigidly fixed. Between the guides 11 there is a runner 14 made of electrically conductive material, which has a through hole 15 in the center intended for the passage of the lightning rod 1. On the lower parts of the guides 11 between the runner 14 and the upper surface of the power coil 9 Travel limiters are fixed 16.

Стопоры 13 состоят из возвратной пружины 17, одним своим концом жестко прикрепленной к задней стенке 18 ниши 12, а другим концом жестко прикрепленной к первому торцу 19 штока 20, выполненного из ферромагнитного материала и проходящего через внутреннюю полость электромагнитного соленоида 21. Противоположный торец 22 штока 20 с возможностью возвратно-поступательного движения свободно проходит через отверстие 23 в передней стенке 24 ниши 12.The stoppers 13 consist of a return spring 17, with one end rigidly attached to the rear wall 18 of the niche 12, and with the other end rigidly attached to the first end 19 of the rod 20, made of ferromagnetic material and passing through the internal cavity of the electromagnetic solenoid 21. The opposite end 22 of the rod 20 with the possibility of reciprocating movement, it freely passes through the hole 23 in the front wall 24 of the niche 12.

На направляющих 11 жестко закреплены датчики положения 25 бегуна 14, электрически соединенные с электромагнитными соленоидами 21.The position sensors 25 of the runner 14 are rigidly fixed on the guides 11, electrically connected to the electromagnetic solenoids 21.

К верхней поверхности бегуна 14 жестко прикреплены рым-болты 26, предназначающиеся для крепления тяг, которые на чертежах не показаны, для соединения с электрическим генератором, не показанным на чертеже.Rigidly attached to the upper surface of the runner 14 are eye bolts 26, intended for fastening rods, which are not shown in the drawings, for connection with an electric generator, not shown in the drawings.

Работа устройства для накопления энергии молнии происходит следующим образом. При попадании молнии в молниеотвод 1 по нему начинает проходить импульс тока, который создает импульсное магнитное поле, индуцирующее в катушке индуктивности 4 (фиг. 2) электродвижущую силу, под действием которой в цепи, состоящей из катушки индуктивности 4, полупроводникового элемента 5 и конденсатора 6, начинает протекать электрический ток, заряжающий конденсатор 6. Электрическая энергия, запасенная в конденсаторе 6, может использоваться для полезных целей, например, для отдачи в энергетическую сеть при ее дефиците.The operation of the device for storing lightning energy occurs as follows. When lightning hits the lightning rod 1, a current pulse begins to pass through it, which creates a pulsed magnetic field that induces an electromotive force in the inductor 4 (Fig. 2), under the influence of which in a circuit consisting of an inductor 4, a semiconductor element 5 and a capacitor 6 , an electric current begins to flow, charging the capacitor 6. The electrical energy stored in the capacitor 6 can be used for useful purposes, for example, for release into the energy network when it is in short supply.

Одновременно с этим ток молнии, пройдя по молниеотводу 1 (фиг. 1) через вывод 7 в силовую катушку 9, создает импульсное магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи в бегуне 14. В результате взаимодействия этих токов с импульсным магнитным полем силовой катушки 9 возникает электродинамическая сила. Под действием этой силы бегун 14 срывается с ограничителей хода 16 и начинает двигаться вверх по направляющим 11. Когда бегуны 14 входят в область срабатывания датчиков положения 25, сигнал с них подается на электромагнитные соленоиды 21, которые создают электромагнитные силы, втягивающие штоки 20 в их внутренние полости. После прохождения бегуном 14 стопоров 13 сигнал с датчиков положения 25 прекращается и штоки 20 под действием возвратной пружины 17 возвращаются в исходное положение, перекрывая движение бегуна 14 вниз. В результате бегун 14 запасает часть энергии молнии в виде потенциальной энергии поднятого бегуна 14. В дальнейшем, при необходимости использования этой потенциальной энергии, запитываются электромагнитные соленоиды 21, и штоки 20 втягиваются во внутренние полости электромагнитных соленоидов 21, и бегун 14 начинает движение вниз, отдавая свою энергию через рым-болты 26, тяги и электрический генератор во внешнюю энергетическую сеть.At the same time, the lightning current, passing through the lightning rod 1 (Fig. 1) through terminal 7 into the power coil 9, creates a pulsed magnetic field that induces eddy currents in the runner 14. As a result of the interaction of these currents with the pulsed magnetic field of the power coil 9, an electrodynamic force. Under the influence of this force, the runner 14 breaks away from the travel stops 16 and begins to move up along the guides 11. When the runners 14 enter the response area of the position sensors 25, the signal from them is sent to the electromagnetic solenoids 21, which create electromagnetic forces that draw the rods 20 into their internal cavities. After the runner 14 passes the stoppers 13, the signal from the position sensors 25 stops and the rods 20, under the action of the return spring 17, return to their original position, blocking the downward movement of the runner 14. As a result, the runner 14 stores part of the lightning energy in the form of potential energy of the raised runner 14. Subsequently, if it is necessary to use this potential energy, the electromagnetic solenoids 21 are energized, and the rods 20 are drawn into the internal cavities of the electromagnetic solenoids 21, and the runner 14 begins to move downward, giving its energy through eye bolts 26, rods and an electric generator into an external energy network.

Как можно видеть, в устройстве для накопления энергии молнии энергия молнии запасается не только в виде энергии конденсатора, но и в виде потенциальной энергии поднятого бегуна 14, что определяет повышенную эффективность запасания энергии молнии.As can be seen, in the lightning energy storage device, lightning energy is stored not only in the form of capacitor energy, but also in the form of potential energy of the raised runner 14, which determines the increased efficiency of lightning energy storage.

Claims

A device for storing lightning energy, containing a vertically installed lightning rod with a grounding means and an element for collecting electrical energy, consisting of a series-connected inductor, a semiconductor element and a capacitor, wherein the inductor is located at a distance from 0.1 to 10 m from the lightning rod, the axis of symmetry which coincides with the axis of the lightning rod, characterized in that the lower end of the lightning rod is connected to the first terminal of the winding of the power coil, the second terminal of which is connected to the grounding means, the power coil is rigidly fixed to the ground, guides are rigidly attached to the side surface of the power coil, resting with their lower ends on the ground, in the niches of the upper ends of the guides, stoppers are rigidly fixed, between the guides there is a runner made of electrically conductive material, which has a through hole in the center intended for the passage of a lightning rod, and on the lower parts of the guides between the runner and the upper surface of the power coil, travel limiters are rigidly fixed, the stoppers consist of return spring, with one end rigidly attached to the rear wall of the niche, and with the other end rigidly attached to the first end of the rod passing through the internal cavity of the electromagnetic solenoid, the opposite end of the rod with the possibility of reciprocating movement freely passes through the hole in the front wall of the niche.