Способ генерации электроэнергии и емкостной электрополевой генератор на основе этого способа
Изобретение относится к области электротехники, в частности к генерации электроэнергии, и может быть использовано для промышленного получения электроэнергии. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и повышение коэффициента полезного действия генератора. Согласно изобретению электроэнергию генерирует емкостной электрополевой генератор, в состав которого входят два предварительно заряженных либо находящихся под действием поля зарядов электретов конденсатора, электрически соединенных параллельно, через нагрузку, и источник регулируемого напряжения. Емкость одного или обоих конденсаторов изменяют увеличением или уменьшением диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора путем поляризации меньшей, равноудаленной от обкладок конденсатора части диэлектрика в направлении, перпендикулярном основному полю конденсатора, для чего к этой части диэлектрика прикладывают управляющее электрическое поле, ориентированное поперек основного поля конденсатора, а управление емкостью конденсатора и, соответственно, величиной генерируемого напряжения осуществляют уменьшением или увеличением напряжения управляющего электрического поля, подводимого от источника регулируемого напряжения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к генерации электроэнергии, и может быть использовано для промышленного получения электроэнергии.
Широко известны различные способы получения электрической энергии: электрохимический, термоэлектрический, магнитоэлектрический, пьезоэлектрический, фотоэлектрический, с использованием ядерной энергии и другие (см. "Большая Советская энциклопедия", Изд-во "Советская энциклопедия", М., 1978, т.10, стр.580-581). Общими для них проблемами являются низкий КПД преобразования исходной энергии в электрическую, а также экологическое загрязнение окружающей среды при утилизации используемых природных ресурсов. При этом, например, для создания и поддержания электромагнитного поля в генераторах или двигателях постоянного тока, для работы термоэлектрических генераторов, используемых в качестве источников тока, требуется потребление значительных объемов энергоносителей. Источники тока, преобразующие энергию солнечного излучения, имеют низкий КПД и могут быть эффективно использованы только в районах с большим числом солнечных дней в году. Кроме того, ряд источников электроэнергии в процессе функционирования наносит существенный вред окружающей природе (тепло- и гидроэлектростанции).
В том числе известен способ получения электроэнергии, в котором для получения в обмотке, пронизываемой изменяющимся магнитным потоком, электрического тока, создают в прокачиваемом горючим газом объеме волну горения путем его поджига разрядом. При этом создаваемый магнитный импульс создает в обмотке с ферромагнитным элементом импульс электрического тока (см. «Способ получения электроэнергии», патент РФ №2091975, МПК6 H02N 11/00, Н05Н 1/24, Н01М 14/00, 1993 г.).
Недостатками этого способа являются конструкционная сложность, низкий КПД, загрязнение окружающей среды.
Известен способ и устройства получения электроэнергии с помощью емкостного электромеханического генератора тока, состоящего из двух предварительно заряженных конденсаторов, электрически соединенных параллельно, через нагрузку. Емкость одного или обоих из них периодически изменяют путем приложения к конденсаторам механической силы, меняющей параметры емкости. Причем изменение емкости обоих связанных между собой механически конденсаторов производят в противофазе таким образом, что, когда емкость одного конденсатора имеет минимальную величину, емкость другого принимает максимальное значение. Способ работы этого устройства заключается в том, что вследствие изменения емкости и напряжения у предварительно заряженных конденсаторов, между ними образуется разность потенциалов, под действием которой электрический заряд периодически перетекает из одной емкости в другую, совершая полезную работу в электрической нагрузке, включенной последовательно между указанными емкостями (см. Калашников С.Г. Электричество. - 6-е изд. - М.: Физматлит, 2003. С.74-79; Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т2. - 13-е изд. - М.: Физматлит, 2008. С.75-79, 85-93; «Электростатический емкостной генератор постоянного тока», АС СССР №1656647, МПК5 H02N 1/00, 1988 г.; «Емкостной электромеханический генератор тока», патент РФ №2317631, МПК H02N 1/08, 2007 г.).
Недостатками этого способа и устройства являются конструкционная сложность, малая удельная мощность генератора, необходимость подведения к конденсаторам механической энергии, преобразуемой в электрическую, и низкий КПД.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является емкостной генератор тока, состоящий из двух электрических конденсаторов переменной емкости, каждый из которых имеет минимальную и максимальную емкость, соединенных между собой электрической цепью и связанных между собой механически в противофазе так, что, когда одна емкость имеет минимальное значение, другая емкость имеет максимальное значение, при этом при изготовлении создается постоянное напряжение на электродах конденсатора, причем каждый из конденсаторов образован двумя сегнетоэлектрическими пластинами (электретами), на внешней поверхности которых нанесены электропроводящие слои, а сопряженные поверхности имеют зубцовые элементы, гребни которых ориентированы перпендикулярно направлению относительного перемещения. Способ работы этого устройства заключается в преобразовании механической энергии в электрическую путем изменения средней диэлектрической проницаемости конденсаторов при взаимном перемещении заряженных обкладок конденсаторов, вызывающего образование разности потенциалов и соответствующего тока в электрической нагрузке, включенной между этими емкостями (см. «Емкостной генератор тока», патент РФ №2346380, МПК H02N 1/08, 2007 г.).
Недостатком данного выбранного в качестве прототипа способа является конструкционная сложность осуществления изменения емкости и электрического поля конденсатора перемещением его заряженных обкладок. Такая технология управления емкостью конденсатора сопровождается большими потерями, связанными с выполнением механической работы по вращению заряженных сегнетоэлектрических пластин - обкладок конденсатора, испытывающей противодействие кулоновских сил, что значительно усложняет устройство генератора и снижает эффективность его работы, затрудняет возможность миниатюризации устройства в приборостроении. Поэтому коэффициент полезного действия этого способа невысок. Применение в качестве источника начального заряда конденсаторов сегнетоэлектрических электретов, устанавливаемых стационарно при изготовлении конденсаторов, в общем случае ограничивает потребительские характеристики генерируемой электроэнергии (мощности, напряжения, тока) узким диапазоном, но может быть обосновано в случае потребности в конкретном номинале напряжения.
Задачей изобретения является упрощение процесса преобразования энергии электростатического поля заряженного конденсатора в энергию электрического тока, исключение использования механической энергии и повышение коэффициента полезного действия генератора.
Поставленная задача достигается тем, что для получения электроэнергии в конструкции емкостного генератора тока, состоящего из двух предварительно заряженных либо находящихся под действием поля электретов, электрически соединенных параллельно, через нагрузку, конденсаторов, емкость одного или обоих из которых изменяют, в качестве конденсатора переменной емкости используют конденсатор с электрически управляемой емкостью, например разработанный автором в заявке на получение патента РФ на изобретение «Способ управления емкостью электрического конденсатора и конденсатор переменной емкости на основе этого способа» №2010152798 от 24.12.2010.
Данное изобретение реализует способ электрического управления емкостью конденсатора путем изменения диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора, которое создают поляризацией меньшей, равноудаленной от обкладок конденсатора части диэлектрика в направлении, перпендикулярном основному полю конденсатора, с помощью управляющего электрического поля. Причем большему напряжению и напряженности управляющего электрического поля соответствует меньшее значение емкости конденсатора. Кроме того, для усиления поляризации указанной меньшей части диэлектрика под действием управляющего поля предусмотрено ее выполнение из анизотропного диэлектрического материала. При этом подбирают такие параметры конденсатора (площадь и расстояние между электродами управляющего поля, материал диэлектрика и так далее), чтобы малые напряжения управляющего поля управляли гораздо большим значением выходного напряжения на обкладках конденсатора. Некоторой аналогией здесь может служить работа лампового триода или полевого транзистора.
Выбором емкости и рабочего напряжения конденсатора получают необходимую выходную мощность генератора без каких-либо конструкционных ограничений, свойственных электромеханическим системам. Кроме того, возможно управление величиной выходной мощности и напряжения, получаемых на электрической нагрузке, регулированием диапазона изменения управляющего напряжения.
Для начальной зарядки конденсатора (и дальнейшей его подпитки при необходимости) может быть использован любой маломощный источник, например умножитель напряжения (на схеме не показан). Также в предлагаемых вариантах предусмотрена возможность использования в качестве источника электростатического поля конденсаторов гомозарядных или гетерозарядных электретов.
Выходной функциональный эффект изобретения, как и у аналогов, состоит в том, что вследствие изменения емкости и, соответственно, напряжения у находящихся под действием электростатического поля конденсаторов электрический заряд периодически перетекает из одной емкости в другую, совершая полезную работу в электрической нагрузке, включенной последовательно между указанными конденсаторами. Однако в отличие от аналогов изменение емкости не требует подведения механической энергии к конденсаторам, что значительно упрощает конструкцию устройства и, соответственно, повышает его КПД.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ и устройства генерации электроэнергии отличаются иной, более простой и более экономичной технологией образования переменной разности потенциалов на электрической нагрузке, осуществляемой путем электрического управления изменением емкости конденсатора переменной емкости, без существенно более сложной и трудоемкой операции взаимного вращения и перемещения заряженных пластин-индукторов и связанных с этим ограничений по мощности и снижением КПД генератора.
Техническим результатом является упрощение процесса преобразования энергии электростатического поля конденсаторов в энергию электрического тока и повышение коэффициента полезного действия генератора.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "технический уровень "и "новизна".
На фиг.1-4 показаны примеры осуществления предлагаемого способа генерации электроэнергии и устройства (генератора) на его основе.
Во всех вариантах генератора используется конденсатор 1 переменной емкости с электрически управляемой емкостью, который содержит, по меньшей мере, две токопроводящие обкладки 2, предназначенные для создания основного поля конденсатора, разделенные поляризующимся диэлектриком, состоящим из большей части 3 и меньшей, равноудаленной от обкладок конденсатора, части 4, по внешней поверхности которой параллельно друг другу и перпендикулярно обкладкам конденсатора размещены, по меньшей мере, два электрода 5 конденсатора, служащие для формирования между ними управляющего поля. Управляющее поле изменяет поляризацию меньшей части 4 диэлектрика конденсатора, а следовательно, и среднюю диэлектрическую проницаемость всего конденсатора в направлении основного поля. С целью повышения эффективности действия управляющего поля заключенная между управляющими электродами меньшая часть 4 диэлектрика конденсатора может изготавливаться из анизотропного диэлектрика таким образом, чтобы его коэффициент диэлектрической проницаемости вдоль направления управляющего поля превышал коэффициент диэлектрической проницаемости по направлению основного поля конденсатора.
Управление емкостью конденсатора осуществляется следующим образом.
Приложением к электродам 5 управляющего напряжения, напряжения от источника 8 регулируемого напряжения, в части 4 диэлектрика создают управляющее поле. Увеличением или уменьшением напряженности управляющего поля путем изменения значения управляющего напряжения, подводимого от источника 8 регулируемого напряжения, управляют емкостью конденсатора. По достижении заданной величины емкости управляющее напряжение сохраняют неизменным.
В первом варианте конструкции, приведенном на фиг.1, генератор содержит конденсатор 1 переменной емкости с электрически управляемой емкостью и конденсатор 6 постоянной емкости, которые предварительно заряжены и соединены параллельно, через электрическую нагрузку 7. К управляющим электродам 5 конденсатора 1 подключен источник 8 регулируемого напряжения. Управление емкостью конденсатора и, соответственно, величиной генерируемого на электрической нагрузке напряжения осуществляют периодическим уменьшением или увеличением напряжения управляющего электрического поля, подводимого от источника 8 регулируемого напряжения. Источником 8 регулируемого напряжения может, например, служить выходная цепь мультивибратора.
Во втором варианте (фиг.2) генератор содержит два конденсатора 1 переменной емкости с электрически управляемой емкостью, которые предварительно заряжены и соединены параллельно, через электрическую нагрузку 7. К управляющим электродам 5 каждого конденсатора 1 подключен свой источник 8 регулируемого напряжения, которые связаны между собой таким образом, что увеличению выходного напряжения одного источника соответствует уменьшение выходного напряжения другого. Управление емкостью конденсаторов и, соответственно, величиной генерируемого на электрической нагрузке напряжения осуществляют периодическим уменьшением (увеличением) напряжения управляющего электрического поля, подводимого от соответствующих источников 8 регулируемого напряжения. В качестве примера реализации схемы совместного противофазного управления емкостью конденсаторов можно рассматривать использование двух разных выходов мультивибратора, нагружаемых на разные конденсаторы переменной емкости.
В варианте третьем (фиг.3) генератор содержит конденсатор 1 переменной емкости с электрически управляемой емкостью и гетерозарядный электрет 9, которые соединены параллельно, через электрическую нагрузку 7. К управляющим электродам 5 конденсатора 1 подключен источник 8 регулируемого напряжения. В этом случае рабочее поле конденсатора переменной емкости создается гетерозарядом электрета. Сам гетерозарядный электрет, кроме того, обладает свойствами конденсатора постоянной емкости. Работа устройства аналогична первому варианту.
В четвертом варианте (фиг.4) генератор содержит два конденсатора 1 переменной емкости с электрически управляемой емкостью, которые соединены параллельно, одними обкладками последовательно через гомозарядный электрет 10 и электрическую нагрузку 7, другими через гомозарядный электрет 11, имеющий иной, чем у электрета 10, знак заряда. К управляющим электродам 5 каждого конденсатора 1 подключен свой источник 8 регулируемого напряжения, которые связаны между собой таким образом, что увеличению выходного напряжения одного источника соответствует уменьшение выходного напряжения другого. Рабочее поле конденсаторов переменной емкости здесь создается зарядами электретов. Работа устройства аналогична третьему варианту.
Использование предлагаемого способа и устройства получения электроэнергии дает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
позволяет упростить конструкцию машин, производящих электроэнергию;
экономичнее по сравнению с существующими способами, обладает более высоким коэффициентом полезного действия;
является экологически чистым способом производства электроэнергии.
Перспективы промышленного применения изобретения не вызывают трудностей, поскольку предполагается использование существующих освоенных технологий конденсаторостроения и микроэлектроники, а также не требуется применения каких-либо неизвестных современной промышленности средств, материалов или элементов.
1. Способ генерации электроэнергии, заключающийся в получении переменного электрического тока между двумя предварительно заряженными или находящимися под действием поля зарядов электретов, параллельно через нагрузку электрически соединенными конденсаторами путем изменения емкости одного или обоих из них, причем изменение емкости обоих конденсаторов проводят в противофазе, так что меньшему значению емкости одного соответствует большее значение емкости другого конденсатора, отличающийся тем, что изменение емкости конденсатора осуществляют увеличением или уменьшением диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора посредством поляризации меньшей, равноудаленной от обкладок конденсатора части диэлектрика в направлении, перпендикулярном к основному полю конденсатора, для чего к этой части диэлектрика прикладывают управляющее электрическое поле, ориентированное поперек основного поля конденсатора, а управление емкостью конденсатора и, соответственно, величиной генерируемого напряжения осуществляют уменьшением или увеличением напряжения управляющего электрического поля.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для усиления поляризации указанной меньшей части диэлектрика под действием управляющего поля ее выполняют из анизотропного диэлектрического материала и ориентируют таким образом, чтобы коэффициент его диэлектрической проницаемости вдоль направления управляющего поля превышал коэффициент диэлектрической проницаемости по направлению основного поля конденсатора.
3. Емкостной электрополевой генератор, состоящий из двух параллельно через нагрузку электрически соединенных конденсаторов, один или оба из которых являются конденсаторами переменной емкости, причем при использования двух конденсаторов переменной емкости они связаны между собой в противофазе, так что меньшему значению емкости одного соответствует большее значение емкости другого конденсатора, отличающийся тем, что в качестве конденсатора переменной емкости используют конденсатор с электрически управляемой емкостью, например, содержащий разделенные диэлектриком, по меньшей мере, две обкладки, предназначенные для создания основного поля конденсатора, и, по меньшей мере, два электрода, служащие для формирования между ними управляющего поля, изменяющего диэлектрическую проницаемость диэлектрика конденсатора, размещенные параллельно друг другу и перпендикулярно обкладкам конденсатора по внешней поверхности меньшей, равноудаленной от обкладок конденсатора части диэлектрика, которые подключены к источнику регулируемого напряжения, с возможностью управления напряжением управляющего поля и, соответственно, емкостью конденсатора и величиной генерируемого напряжения, например, изменением напряжения источника регулируемого напряжения.
4. Генератор по п.3, отличающийся тем, что расположенная между электродами часть диэлектрика конденсатора переменной емкости выполнена из анизотропного диэлектрического материала, ориентированного таким образом, чтобы коэффициент его диэлектрической проницаемости вдоль направления управляющего поля превышал коэффициент диэлектрической проницаемости по направлению основного поля конденсатора.
5. Генератор по п.3, отличающийся тем, что в качестве конденсатора постоянной емкости используют гетерозарядный электрет.
6. Генератор по п.3 или 4, отличающийся тем, что между одними обкладками конденсаторов переменной емкости последовательно с нагрузкой подключен первый гомозарядный электрет, а другие обкладки этих конденсаторов соединены через второй гомозарядный электрет, имеющий иной, чем у первого электрета, знак заряда.
