Электрогазодинамический ветроагрегат-3

 

Предназначен для прямого преобразования энергии естественного ветра в электрическую энергию, состоит из канала с диэлектрическим корпусом с расширяющимся сечением, содержащим одну или несколько последовательно расположенных секций с комплектами электродов и общей коммутацией, каждая секция включает: ионизирующие электроды на входе, создающие при пульсирующем коронном разряде положительные или отрицательные ионы: стабизирирующий плоский или объемный конденсатор, находящийся внутри объемного заряда, замедляющий расстояние ионов, окруженный экранирующей сеткой; коллектор на выходе. На внутренней поверхности корпуса имеются поперечные стабилизирующие объемные заряды электроды - обкладка конденсатора, на наружной поверхности сплошное электропроводящее покрытие - вторая обкладка, заземленная. На поверхности агрегата расположены сопла с окнами в корпусе с промежутками между ними, направляющие в канал дополнительный поток наружного воздуха, в проемах окон он ионизируется коронирующими сетками, находящимися под напряжением поперечных электродов. Воздух с пониженной скоростью, не содержащий ионов, через щели в корпусе, расположенные за коллектором, выходит наружу. Часть потока воздуха подается еще через щели в обкладках объемного конденсатора, внутренняя часть щелей покрыта изолаком. При начальном запуске питание короны производится источником постоянного напряжения малой мощности, в рабочем режиме - пульсирующим напряжением с самовозбуждением от коллектора через преобразователи напряжения и импульса, с включенным в цепь короны стабилизирующим конденсатором. Вытягивающий электрод включается синфазно с коронирующим через реле. Электроды, кроме ионизирующих и коллектора - электропроводящие покрытия на пластмассе. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

В опубликованных работах [1, 2, 3] описаны аппараты с прямым преобразованием энергии естественного ветра в электрическую энергию на основе идеи, состоящей в том, что дисперсные заряженные частицы, положительные или отрицательные или ионы воздуха естественным ветром переносятся против электрического поля, осаждаясь на коллекторе, они рекомбинируют, повышают его напряжение.

Однако КПД подобных установок очень низок, и при всей простоте идеи практическое воплощение ее в жизнь оказывается весьма затруднительным.

Автором на основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны установки [4], в которых при пульсирующем коронном разряде ионы воздуха образуют объемный заряд достаточной плотности при минимальных потерях в процессах ионизации и переноса ионов потоком воздуха к коллектору.

Ближайшими аналогами изобретения являются [4], в которых описаны агрегаты, которые, однако, могут состоять не только из одной, но и из нескольких последовательно расположенных секций, что обеспечивает повышенную мощность и КПД агрегатов.

Следует отметить, что при работе в этих установках будет происходить неизбежное снижение скорости потока воздуха. Очевидно, мощность можно еще повысить, если осуществить дополнительный впуск внутрь агрегата свежего привлеченного воздуха при одновременном сбросе наружу воздуха пониженной скорости.

В данном предложении решается задача повышения мощности агрегата путем дополнительного впуска внутрь потока привлеченного свежего воздуха, создания конструкции для эффективной работы при больших и очень больших скоростях ветра, например, на большой высоте, создания конденсатора на корпусе, улучшающего условия эксплуатации и повышающего технику безопасности.

Сущность изобретения заключается в следующем: - создается система впуска внутрь агрегата дополнительного потока ионизированного воздуха, имеющего высокий гидродинамический напор, через окно в корпусе при одновременном удалении из агрегата некоторой части воздуха с пониженной скоростью, не содержащего ионов (после коллектора); - создается вариант конструкции агрегата для работы в условиях ветра с высокой скоростью, текущего на энергетически эффективных высотах; - для удобства эксплуатации агрегат монтируется из автономных стыкующихся секций, каждая с полным набором электродов; - из поперечных электродов на внутренней поверхности корпуса и электропроводящего покрытия наружной поверхности создается конденсатор, способствующий улучшению условий эксплуатации и повышению техники безопасности; - для эпизодических работ создается ветроагрегат малой мощности и небольших размеров, оснащенный несущими плоскостями и простейшими рулями высоты, поднимается на высоту как воздушный змей при ветре достаточной силы.

1. На чертеже изображен схематически ЭГД-ветроагрегат, состоящий из одной или нескольких секций, расположенных последовательно в канале с диэлектрическим расширяющимся по сечению корпусом 1, разъемным по средней плоскости со скрепляющими зажимами 2. Протяженность каждой секции определяется созданием достаточного напряжения коллектора 3 при ветре средней скорости. На наружной поверхности корпуса над окнами 4 имеются своеобразные сопла 5, направляющие поток наружного воздуха с более высоким гидродинамическим напором, чем внутренний в канал, а на выходе, после коллектора - поперечные щели 6 для частичного выпуска наружу воздуха с пониженной скоростью, утратившего свои заряды. Прочность корпуса обеспечивается наличием промежутков между соплами. В проемах окон имеются редкие сетки из тонкой проволоки 7, находящиеся под напряжением поперечных электродов, коронирующие внутрь канала в потоке дополнительного воздуха.

Вся наружная поверхность корпуса, включая и сопла, покрыта электропроводящей оболочкой (обкладка конденсатора) замкнутой на землю 8, поперечные электроды на внутренней поверхности 9 - вторая обкладка. Электроды верхней и нижней части корпуса соединены разъемными контактами 10 и через дополнительную нагрузку 11 замыкаются на землю. Подобный конденсатор уравнивает напряженность электрического поля в канале и повышает уровень техники безопасности.

На входе каждой секции установлены коронирующие 12 и вытягивающие электроды 13. Коронирующие электроды при начальном запуске соединены через переключатель 14 с питателем напряжения малой мощности, а в рабочем режиме питание осуществляется самовозбуждением от коллектора 2 через преобразователи напряжения 15 и импульсов 16, при этом в цепь короны постоянно включен конденсатор 17, стабилизирующий коронный разряд. Вытягивающие электроды 13 через реле 18 синфазно с коронирующими включаются в цепь короны.

Коллекторы 3, состоящие из проводящих пластин или сетки, расположены на выходе каждой секции агрегата, тщательно изолированы, соединены посекционно параллельно или последовательно и через указанные выше преобразователи напряжения 15 и импульсы 16 с коронирующими электродами 18 и нагрузкой 19.

Внутри объемного заряда по осевой линии в каждой секции расположены стабилизирующие плоские конденсаторы 20, состоящие из внутренней заземленной обкладки 21 и по изоляции - наружной обкладки из поперечных секционированных электродов 22, каждый электрод 22 через дополнительную нагрузку 23 заземлен. Обкладки - электропроводящие покрытия, нанесенные на диэлектрик. Над поверхностью конденсатора расположена экранирующая сетка из тонких поперечных проволок 24, тормозящих осаждение ионов на электроды 22.

Вместо стабилизирующих плоских конденсаторов возможно применение объемных конденсаторов, имеющих внутреннюю полость, открытую на входе и закрытую на выходе. При наличии в агрегате нескольких секций внутренняя полость на выходе закрыта лишь у конденсатора последней секции. В обкладках конденсатора имеются поперечные щели, покрытые изолаком, через них поток наружного воздуха из внутренней полости поступает в канал, в какой-то степени сохраняет скорость потока воздуха в нем и замедляет осаждение ионов на электроды наружной обкладки.

В дальнейшем для определенности принимается, что агрегат работает на положительных ионах. Ионы из зоны ионизации от коронирующих электродов 12 и через окна 4 на поверхности корпуса от коронирующих проволок 7 потоком воздуха выносятся в зону переноса. Процесс торможения рассеяния объемного (поперечной стабилизации) заключается в следующем.

В результате электростатической индукции объемного заряда на наружной поверхности поперечных электродов 22 стабилизирующего конденсатора 20 образуются отрицательные заряды, положительные заряды внутренней обкладки уходят в землю; положительные заряды на внутренней поверхности поперечных электродов 22 при этом сохраняются, т.к. они связываются отрицательными зарядами внутренней обкладки 21. При работе агрегата те и другие увеличиваются и напряжение между обкладками поднимается до предела и через дополнительную нагрузку 23 наступает разряд, этот процесс циклический.

Поперечное электрическое поле наведенных на наружной обкладке отрицательных зарядов направлено против поперечного поля положительного объемного заряда, окружающего конденсатор и в значительной мере компенсирует его. Суммарное поперечное поле системы объемного заряда и наведенных отрицательных зарядов согласно теореме Гаусса: (φDdS = Σq) где, D - вектор электрической индукции; S - замкнутая поверхность;
q - заряды внутри S,
будет иметь выражение:
Σ E₁(h) ≈ Eq_о.з.⊥(h) + Eq_н.з.⊥(h)
здесь -
Σ E⊥(h) - суммарное электрическое поле объемного заряда и наведенных на конденсаторе отрицательных зарядов на уровне h;
...Eq_о.з.⊥(h) - поперечное электрическое поле объемного заряда на уровне h;
Eq_н.з.⊥(h) - наведенное электрическое поле на наружных электродах стабилизирующего конденсатора;
h - уровень слоя объемного заряда, отстоящего от поверхности конденсатора.

Например, на уровне h_max, т.е. у наружной поверхности объемного заряда в идеальном случае Σ E⊥(h_max) ≈ 0 , т.е. рассеяние ионов в объем будет ничтожно малым, будет действовать лишь диффузия ионов, но она относительно невелика.

Вместе с тем поперечные электроды 9 на внутренней поверхности корпуса, имея заряды от осадившихся из объема ионов и напряжение автоматически устанавливающееся, в каждом сечении зоны переноса, поддерживают среднюю величину встречного поля коллектора, что подтверждается проведенными испытаниями опытного образца агрегата.

Естественно, что кроме взаимодействия полей происходит и непосредственный обмен заряженными частицами. Положительные ионы внутренних слоев объемного заряда (h ≈ 0), где имеется значительный дисбаланс поперечных полей (|Eq_о.з.⊥(0)| < |Eq_н.з.⊥(0)|) устремляются к отрицательно заряженным наружным поверхностям электродов конденсатора 22, осаждаются, рекомбинируют и под влиянием все той же электростатической индукции положительные заряды немедленно отводятся в землю, цикл повторяется, на конденсаторе, как сказано выше, накапливается заряд, который обусловливает циклический разряд через дополнительную нагрузку 23. Процессы заряжения и разряжения стабилизирующего конденсатора в соответствии с законами коммутации переходных процессов происходят автоматически (колебательные процессы). При этом скорость индукции на много порядков выше скорости оседания ионов из объема, поэтому практически на всех поперечных электродах конденсатора 22 всегда будут преобладать отрицательные заряды, поперечное поле которых, как уже сказано выше, тормозит рассеяние объемного заряда. Пульсирующий ток стабилизирующего конденсатора обладает энергией, близкой к энергии доли объемного заряда, осевшего в виде ионов в каждом поперечном сечении агрегата, эта энергия повышается по мере приближения ионов к коллектору, т.е. энергия ионов, осевших на стабилизирующий конденсатор, утилизируется, но в меньшей степени, чем на коллекторе, на который поступает основная подавляющая доля ионов.

Процесс оседания ионов на электроды 22 эффективно тормозится полем экранирующей сетки 24, расположенной над стабилизирующим конденсатором. При плавающем потенциале сетки степень торможения будет устанавливаться автоматически, но при регулировании его (как в электронной лампе) скорость оседания ионов может быть доведена до весьма низкого уровня.

Снижение скорости потока воздуха в агрегате, происходящее в результате затраты энергии на преодоление сопротивления встречного электрического поля движению ионов и трения воздуха о поверхности электродов, замедляется впуском дополнительного наружного воздуха под более высоким гидродинамическим напором через сопла 5 и окна 4 на корпусе и при наличии стабилизирующего (не плоского) объемного конденсатора, через щели 6 в корпусе части воздуха пониженной скорости утратившего свои заряды.

В агрегате с несколькими секциями (см. схему), в первой секции щели 6 могут отсутствовать.

Ветроагрегат состоит из спаренных блоков, размеры одного блока в поперечном сечении могут быть до нескольких м², длина - в зависимости от числа секций до 4-5 м.

В агрегате может быть использован ветер со скоростью от 3-4 до 40-50 м/с и выше, что невозможно для крыльчатых ветросиловых установок.

По предварительным расчетам ожидается, что агрегат, состоящий из 2-3 секций, при скорости ветра около 8-9 м/с, будет иметь КПД до 65-70% и выдавать удельную мощность:
к площади поперечного сечения
до 300-400 Вт/м²;
удельный вес не более
50-60 кг/ кВт;
выходное напряжение при параллельном соединении коллекторов секций
50-60 кВ;
при последовательном соединении
120-150 кВ.

Весьма важным преимуществом агрегата является отсутствие подвижных вращающихся частей; ветроколеса часто не выдерживают нагрузки, требуют ремонта, ограничены в размерах.

В связи с тем, что поверхности корпуса и стабилизирующего конденсатора в противоположность крыльчатым ветроагрегатам лишь обтекаются потоком воздуха с минимальным трением при относительно небольшой лобовой аэродинамической нагрузке, возможно изготовление его из легких доступных дешевых материалов, в основном пластмасс, при этом удельная материалоемкость и вес будут значительно ниже соответствующих показателей крыльчатых генераторов. Надежность его также много выше.

Конструктивно-механическая часть агрегата проста, он может быть изготовлен в любой специализированной мастерской. В качестве опоры можно применять облегченные конструкции, например, трубчатые мачты с растяжками.

2. Для удобства проведения операций монтажа, эксплуатации, ремонта, ЭГД ветроагрегат, выполненный по п. 1, вместо одного общего корпуса имеет несколько автономных стыкующихся последовательно секций, включающих каждая полный комплект электродов с общей коммутацией между электродами секций.

3. ЭГД ветроагрегат, выполненный по пп. 1, 2, имея обтекаемую конструкцию, относительно малый вес, будучи прямоточным, без крутящего момента при полной автоматизации встроен в комплекте с привязным аэростатом обтекаемой формы. На высоте скорость ветра значительно выше и более постоянна, чем в приземных слоях атмосферы (удельная мощность ветра , где ρ - плотность воздуха кг/м³, V - скорость ветра, м/с), удельная мощность агрегата соответственно возрастает. Например, при скорости 20 и 30 м/с (и постоянном) удельная мощность ветрового потока возрастает в 8 и 27 раз по сравнению с мощностью при скорости 10 м/с, естественно, что удельная мощность агрегата соответственно увеличится.

Вообще при больших скоростях ветра напряженность электрического поля в агрегате будет иметь очень большую величину и может достигать электрической прочности воздуха, что вызовет утечку зарядов. Для предотвращения подобного явления, а также для повышения удельной мощности при работе в районах с высокой скоростью воздуха и на высоте агрегат должен иметь по сравнению с обычными приземными установками секции, укороченные в 2-5 раз и более, т.е. линейная плотность секций , где n - число секций в установке, L - длина зоны переноса, должна возрасти примерно в таком соотношении, соответственно будут снижаться удельный вес установки и удельная материалоемкость. Для создания вертикальной тяги (снижения веса) агрегат оснащается несущими плоскостями и рулями высоты.

4. ЭДГ ветроагрегат малой мощности (N ≅ 1 кВт), выполненный по п. 1, оснащен простейшими несущими плоскостями и рулями высоты. Поверхность корпуса также является несущей. Поднимается на высоту эпизодически при наличии ветра, как воздушный змей.

Возможные области применения ЭДГ ветроагрегата:
- при работе на отрицательных ионах агрегат может часть ионов выпускать в окружающее пространство, а отрицательные ионы, как известно, являются лечебным фактором, поэтому возможно использование в санаториях, больницах или в общественных учреждениях для облагораживания воздуха;
- в сельском хозяйстве, на хуторах и т.п.;
- на некоторых типах морских судов, например, на базах рыболовного флота и др.;
- в удалении от городской местности, в экспедициях;
- для бытовых надобностей;
- эффективным будет применение агрегатов большой протяженности с рабочей площадью в сотни и тысячи м² и мощностью до многих мВт, особенно в сочетании с традиционными энергетическими установками с включением в сеть (ГЭД ветростанции);
- при сочетании агрегата с привязными обтекаемой формы аэростатами возможно использование энергии ветра большой мощности на энергетически выгодных высотах.

В настоящее время по проекту автора изобретения и при финансировании Отделом электроэнергетических проблем РАН опытный образец ветроагрегата изготавливается в заводских условиях.

Источники информации
1. Патент США 3508085, кл. H 02 3/00, опубл. 1970.

2. Рубашов И.Б., Бортников Ю.С. Электрогазодинамика, Атомиздат, 1971.

3. Д.Рензо. Ветроэнергетика. -М.: Энергоатомиздат, 1982.

4. Макашев А.П. Электрогазодинамический генератор постоянного тока. Патент РФ N 1276218, 1993.

Формула изобретения

1. Электрогазодинамический ветроагрегат, содержащий канал с расширяющимся сечением, электроды с электропитанием короны при начальном запуске от вспомогательного источника напряжения малой мощности, отличающийся тем, что канал содержит диэлектрический разъемный корпус, включает одну или несколько последовательно расположенных секций, на внутренней поверхности корпуса в каждой секции размещено множество поперечных электродов, на входе каждой секции имеются коронирующий и вытягивающий электроды, причем первый образует положительные или отрицательные ионы, с электропитанием короны в рабочем режиме - пульсирующим напряжением с самовозбуждением от коллектора через преобразователь напряжения и реле, при стабилизации конденсаторе, постоянно включенном в цепь короны, а на выходе коллектор, на наружной поверхности корпуса имеются сопла, направляющие внутрь через окна в корпусе дополнительный поток воздуха с высоким гидродинамическим напором, а воздух с пониженной скоростью, не содержащий ионов, через поперечные щели в корпусе, расположенные после коллектора, выходит наружу, при этом в проемах окон имеются редкие сетки из тонкой проволоки, находящиеся под напряжением поперечных электродов, коронирующие в потоке дополнительного воздуха, на наружной поверхности корпуса имеется заземленная обкладка конденсатора, поперечные электроды, на внутренней поверхности - вторая обкладка, наружная обкладка повышает технику безопасности, внутри стабилизирующий плоский или объемный полый конденсатор, состоящий из внутренней замкнутой на землю обкладки и внешней обкладки из множества поперечных электродов, вместе с тем при установленном объемном конденсаторе через щели на обкладках и изоляции в агрегат поступает дополнительный поток воздуха, щели покрыты изолаком, над стабилизирующим конденсатором экранирующая сетка, замедляющая оседание ионов на его поверхность, коллектор соединен с нагрузкой через преобразователь напряжения или преобразователь импульсов, вытягивающий электрод включается в цепь короны синфазно с коронирующим электродом через реле.

2. Ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что для удобства монтажа и эксплуатации состоит из автономных последовательно стыкующихся секций, каждая с полным комплектом электродов и общей коммутацией.

3. Ветроагрегат по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что для работы на высотах, где скорости ветра значительно превышают таковые в приземной зоне, встроен в привязной аэростат обтекаемой формы, имеет секции, укороченные по меньшей мере в 2 - 5 раз сравнительно с приземными установками, увеличение линейной плотности секций агрегата n/L, где n - число секций, L - длина зоны переноса, наряду с повышением удельной мощности ограничивает предельную величину электрического поля в установке от возможной утечки зарядов, вместе с тем он оснащен несущими плоскостями, создающими вертикальную тягу, снижающую вес устройства.

4. Ветроагрегат по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что имеет относительно небольшие размеры и мощность, оснащен несущими плоскостями с простейшими рулями высоты, поднимается на высоту эпизодически при ветре достаточной силы, как воздушный змей.

РИСУНКИ

Рисунок 1