Способ получения электрической энергии с использованием электростатического эффекта и генератор для его осуществления
Способ получения электроэнергии и электростатический фрикционный генератор относятся к энергетике. В способе организуют движение потока частиц вещества в канале, материал частиц и стенки канала выбраны с возможностью приобретения ими разноименных электрических зарядов при трении частиц о внутреннюю стенку канала, полученные разноименные электрические заряды отводят с внутренней стенки канала и с частиц вещества. Используется канал конечной длины, поэтому частицы выходят за пределы канала с его выходной стороны и ударяются об экран, который размещают вне канала с зазором, а отвод электрических зарядов с частиц осуществляют через экран. Генератор для реализации способа содержит канал, средство для организации потока частиц вещества в канале вдоль его оси, токосъемники для снятия разноименных электрических зарядов с внутренней стенки канала и с частиц вещества соответственно, а также экран, используемый в качестве токосъемника электрических разрядов с частиц вещества. Изобретение обеспечивает повышение КПД. 2 н. 20 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к способам получения электрической энергии с помощью электростатических фрикционных генераторов с подвижным элементом в виде потока частиц вещества.
Известна тепловая машина, в качестве рабочего тела которой использована взвесь твердого вещества в газе, причем после теплового цикла потока этой взвеси в трубе из диэлектрика статическое электричество, полученное от трения частиц взвеси о стенки трубы, может быть направлено потребителю. Однако кпд получения именно электрической энергии с помощью такой относительно сложной машины является низким.
Известен электростатический генератор [патент GB 114174, опубл. 28.03.1918], в котором песок или частицы подобного носителя высыпаются из заземленного контейнера через сопло, которое окружено изолированным кольцом, которое заряжается отрицательно. Далее положительно заряженный песок падает в приемник в виде воронки внутри кольца. Элементы конструкции могут иметь осесимметричное трубчатое сечение. Такой генератор имеет относительно сложную конструкцию и невысокую производительность.
В качестве прототипа выбрано устройство для получения электрической энергии высокого напряжения посредством организации потока частиц, несомых струей газа в трубчатом канале, поверхность участков которого в направлении движения потока выполнена последовательно из материалов с различными фрикционными и электрическими свойствами [патент GB 473857, опубл. 21.10.1937]. Материалы участков поверхности канала выбираются так, чтобы они могли приобретать противоположный электрический заряд. В качестве материалов участков могут использоваться диэлектрики, полупроводники и проводники. Съем зарядов может происходить со стенок участков канала с помощью электродов, введенных внутрь канала, и/или поверхности изгиба канала. Однако в данной конструкции статическое электричество не может быть снято полностью, т.к. далеко не все частицы песка соприкасаются с вышеперечисленными токосъемниками. Кроме этого, при работе устройства возможно появление электроискровых разрядов между соседними участками или между ними и введенными в канал электродами из-за их близкого расположения. Эти недостатки не позволяют достичь высоких значений кпд.
Решаемая техническая задача - повышение кпд электростатического фрикционного генератора, использующего электростатический эффект, возникающий при движении потока частиц внутри канала.
Предлагается способ получения электрической энергии с использованием электростатического эффекта, согласно которому организуют продольное движение потока частиц вещества в канале, при этом материал частиц вещества и стенки канала выбирают таким образом, чтобы они приобретали разноименные электрические заряды при трении частиц вещества о внутреннюю стенку канала, а полученные разноименные электрические заряды отводят потребителю с внутренней стенки канала и с частиц вещества. Новым является то, что используют канал конечной длины, при этом частицам вещества придают кинетическую энергию с входной стороны канала так, чтобы частицы вещества могли выйти за пределы канала с его выходной стороны и удариться об экран, который размещают вне канала с зазором относительно выходной стороны канала, а отвод электрических зарядов с частиц вещества осуществляют через экран.
Продольное движение потока частиц вещества можно организовать в виде взвеси частиц вещества в потоке газа, например воздуха, подаваемого в канал с его входной стороны, и/или под действием силы тяжести.
Также предлагается электростатический фрикционный генератор, содержащий канал, средство для организации потока частиц вещества в канале вдоль его оси, токосъемники для снятия разноименных электрических зарядов с внутренней стенки канала и с частиц вещества соответственно, при этом материал внутренней стенки канала выбран таким образом, чтобы внутренняя стенка канала и частицы вещества приобретали разноименные электрические заряды при трении потока частиц вещества о внутреннюю стенку канала. Новым является то, что канал выполнен конечной длины и имеет входное и выходное отверстия, а генератор дополнительно содержит экран, который размещен вне канала по ходу потока частиц вещества по ходу потока частиц вещества, выходящих из выходного отверстия, с зазором относительно выходного отверстия канала, при этом экран используется в качестве токосъемника электрических разрядов с частиц вещества.
В качестве материала внутренней стенки канала может быть использован любой диэлектрик, в частности полимерный материал, например полиэтилен, полибутилен, эбонит и т.п.
Внутренняя стенка канала может быть экранирована, при этом такое экранирование может использоваться в качестве токосъемника электрических зарядов со стенки канала.
Канал может быть выполнен в виде трубы, иметь прямолинейную ось, выполняться с постоянным поперечным сечением по его длине, например круглым.
Ось канала может быть расположена в горизонтальной плоскости.
Канал можно расположить так, чтобы его входное отверстие было расположено выше выходного отверстия для использования силы тяжести.
Средство для организации потока частиц вещества может включать бункер для хранения и подачи частиц вещества.
Средство для организации потока частиц вещества может включать средство подачи газа, например воздуха, со взвесью в нем частиц вещества во входное отверстие канала.
В качестве частиц вещества лучше использовать частицы твердого вещества, например соединения углерода или кремния, например песок.
Токосъемник электрических зарядов с внутренней стенки канала лучше электрически соединять с потребителем на участке у входного отверстия, т.е. как можно дальше от экрана.
Зазор между экраном и выходным отверстием канала может быть выбран так, чтобы исключить возникновение электроискрового разряда между участком внутренней стенки канала вблизи выходного отверстия и экраном.
Экран лучше выполнять в виде твердой пластины, поверхность которой, обращенная к выходному отверстию, сориентирована по нормали к оси выходного отверстия.
Экран может быть выполнен из полупроводникового материала.
Генератор может содержать два или более канала и один экран.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 упрощенно представлен экспериментальный электростатический фрикционный генератор. На фиг.2 и фиг.3 упрощенно представлены некоторые возможные варианты осуществления изобретения.
Изобретение поясняется на примере.
Экспериментальная установка для проверки возможности осуществления настоящего изобретения, представленная на фиг.1, включала горизонтально ориентированную прямую металлополимерную трубу 1 из метапола, экран 2, бункер 3 с песком 4, воздушный компрессор (не показан).
Труба 1 круглого поперечного сечения с входным отверстием 5 и выходным отверстием 6 имела обычную для метапола пятислойную конструкцию, состоящую из тонкостенной алюминиевой оплетки 7 с клеевой основой изнутри и снаружи с последующими наружным и внутренними слоями из сшитого полиэтилена, и имела наружный диаметр 14 мм, внутренний диаметр 10 мм и длину 1000 мм. Труба 1 была изолирована от земли, а ее оплетка 7 электрически соединялась с клеммой 8 со стороны входного отверстия 5.
Экран 2 был выполнен в виде кремниевой квадратной пластины 12×12 мм толщиной 0,6 мм, взятой из мощного транзистора. Пластина экрана 2 располагалась у выходного отверстия 6 трубы 1 по нормали к ее оси с зазором Δ, при этом центральная ось пластины экрана 2 была смещена на 2 мм вниз относительно оси трубы 1, чтобы все зерна песка 4, вылетающие из выходного отверстия 5 и отклоняющиеся под действием силы тяжести, могли удариться об экран 6. Экран 2 был электрически соединен с клеммой «плюс» 9.
Бункер 3 имел в нижней части сквозное выпускное отверстие 10 диаметром 1,5 мм, расположенное вблизи входного отверстия 5 чуть выше оси трубы 1, и был заполнен сухим кварцевым песком 4 по ГОСТ 8735-88 с модулем крупности 1,0-1,3 и размером зерна 0,2-0,3 мм.
В качестве воздушного компрессора использовался воздушный микрокомпрессор мощностью 3 Вт, способный развивать давление до 0,25 МПа, причем поток воздуха подавался во входное отверстие 5 соосно ему через сопло, как показано стрелкой на фиг.1, чтобы подхватить зерна песка 4, высыпающиеся из выпускного отверстия 10, и придать им достаточную кинетическую энергию для достижения экрана 2 через трубу 1.
Экспериментальная установка работала следующим образом.
Зерна песка 4, подхваченные потоком воздуха, попадают в канал трубы 1 через входное отверстие 5, приобретают положительный заряд за счет трения о внутренние стенки, образующие канал трубы 1, которая при этом соответственно приобретает отрицательный заряд, далее вылетают из выходного отверстия 6 и, проходя зазор Δ, ударяются об экран 2, отдавая последнему положительный электрический заряд. Наиболее оптимальные результаты были получены, когда величина зазора составляла Δ=110-140 мм, при этом воздушный микрокомпрессор был загружен на 100% номинальной мощности (3 Вт) и развивал избыточное давление 0,5 МПа. Мощность электрического тока, замеряемая ваттметром на клеммах 8 и 9, составляла при этом 2,8 Вт. Следует отметить, что при увеличении зазора Δ величина снимаемой мощности уменьшалась плавно, а при уменьшении - резко, при этом между кромками выходного отверстия 6 и экрана 2 возникал электроискровой разряд вплоть до возникновения электрической дуги. Уменьшение зазора Δ может привести к некоторому увеличению кпд, но в этом случае необходимо использование диода или диодного мостика, например соединяющих трубу 1 и экран 2, экран 2 и клемму 9 или трубу 1 и клемму 8. Также следует отметить, что мощность на выходе установки, т.е. на клеммах 8 и 9, может регулироваться за счет изменения концентрации песка, подаваемого из выпускного отверстия 10, например за счет изменения площади сечения этого отверстия.
Вместо трубы 1 из метапола с оплеткой 7 была опробована труба 1 из полиэтилена с такими же размерами. Были получены подобные результаты. Однако, эксплуатация подобной установки небезопасна, т.к. возможно возникновение электроискрового разряда между трубой 1 и окружающими предметами или людьми, находящимися вблизи установки. Т.о. целесообразней использовать трубу 1 с оплеткой 7, которая одновременно выполняет функцию удобного токосъемника и экранирующую функцию.
Также вместо прямой трубы 1 из метапола была опробована труба 1 также из метапола с теми же поперечными размерами и длиной 4 м, но свернутая в форме змеевика. При этом кпд несколько снизился и пришлось увеличивать до 0,25 МПа величину избыточного давления, развиваемого воздушным микрокомпрессором.
Приведенные примеры использованы только для целей иллюстрации возможности осуществления изобретения. Они не ограничивают объем правовой охраны, представленный в формуле изобретения, при этом специалист в данной области техники относительно просто способен осуществить и другие пути осуществления изобретения. Например, трубы 1 могут быть собраны в пакет и располагаться вертикально и параллельно друг другу, как показано на фиг.2, при этом частицы твердого вещества могут поступать в трубы 1 под действием только силы тяжести, или быть расположены в горизонтальной плоскости радиально по отношению к одному цилиндрическому центральному экрану 2, как показано на фиг.3, и т.д. и т.п.
1. Способ получения электрической энергии с использованием электростатического эффекта, согласно которому организуют продольное движение потока частиц вещества в канале, при этом материал частиц вещества и стенки канала выбирают таким образом, чтобы они приобретали разноименные электрические заряды при трении частиц вещества о внутреннюю стенку канала, а полученные разноименные электрические заряды отводят потребителю с внутренней стенки канала и с частиц вещества, отличающийся тем, что используют канал конечной длины, при этом частицам вещества придают кинетическую энергию с входной стороны канала так, чтобы частицы вещества могли выйти за пределы канала с его выходной стороны и удариться об экран, который размещают вне канала с зазором относительно выходной стороны канала, а отвод электрических зарядов с частиц вещества осуществляют через экран.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продольное движение потока частиц вещества организуют в виде взвеси частиц вещества в потоке газа, подаваемого в канал с его входной стороны.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что продольное движение потока частиц вещества организуют под действием силы тяжести.
4. Электростатический фрикционный генератор, содержащий канал, средство для организации потока частиц вещества в канале вдоль его оси, токосъемники для снятия разноименных электрических зарядов с внутренней стенки канала и с частиц вещества соответственно, при этом материал внутренней стенки канала выбран таким образом, чтобы внутренняя стенка канала и частицы вещества приобретали разноименные электрические заряды при трении потока частиц вещества о внутреннюю стенку канала, отличающийся тем, что канал выполнен конечной длины и имеет входное и выходное отверстия, а генератор дополнительно содержит экран, который размещен вне канала по ходу потока частиц вещества, выходящих из выходного отверстия, с зазором относительно выходного отверстия канала, при этом экран используется в качестве токосъемника электрических зарядов с частиц вещества.
5. Генератор по п.4, отличающийся тем, что в качестве материала внутренней стенки канала использован диэлектрик.
6. Генератор по п.5, отличающийся тем, что в качестве материала внутренней стенки канала использован полимерный материал.
7. Генератор по п.4, отличающийся тем, что внутренняя стенка канала экранирована.
8. Генератор по п.7, отличающийся тем, что экранирование используется в качестве токосъемника электрических зарядов со стенки канала.
9. Генератор по п.4, отличающийся тем, что канал выполнен в виде трубы.
10. Генератор по п.4, отличающийся тем, что канал выполнен с прямолинейной осью.
11. Генератор по п.4, отличающийся тем, что канал выполнен с постоянным поперечным сечением по его длине.
12. Генератор по п.4, отличающийся тем, что ось канала лежит в горизонтальной плоскости.
13. Генератор по п.4, отличающийся тем, что канал расположен так, что его входное отверстие расположено выше выходного отверстия.
14. Генератор по п.4, отличающийся тем, что средство для организации потока частиц вещества включает бункер для хранения и подачи частиц вещества.
15. Генератор по п.4, отличающийся тем, что средство для организации потока частиц вещества включает средство подачи газа со взвесью в нем частиц вещества во входное отверстие канала.
16. Генератор по п.4, отличающийся тем, что в качестве частиц вещества используют частицы твердого вещества.
17. Генератор по п.16, отличающийся тем, что в качестве частиц вещества использованы соединения углерода или кремния.
18. Генератор по п.4, отличающийся тем, что токосъемник электрических зарядов с внутренней стенки канала электрически соединен с потребителем на участке у входного отверстия.
19. Генератор по п.4, отличающийся тем, что зазор между экраном и выходным отверстием канала выбран так, чтобы исключить возникновение электроискрового разряда между участком внутренней стенки канала вблизи выходного отверстия и экраном.
20. Генератор по п.4, отличающийся тем, что экран выполнен в виде твердой пластины, поверхность которой, обращенная к выходному отверстию, сориентирована по нормали к оси выходного отверстия.
21. Генератор по п.4, отличающийся тем, что экран выполнен из полупроводникового материала.
22. Генератор по п.4, отличающийся тем, что содержит два или более каналов и один экран.
