Устройство отбора статического электричества
Владельцы патента RU 2499372:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ЛГТУ) (RU)
Устройство отбора статического электричества относится к области электроэнергетики, в частности к альтернативным источникам электроэнергии. Сущность изобретения состоит в использовании неравномерности распределения заряда кучево-дождевого облака в горизонтальной плоскости в нижних его слоях. Устройство состоит из двух лазерных установок, за основу которых взят лазер с инфракрасным спектром излучения, создающий оптический пробой воздуха с созданием ионизированного токопроводящего канала. Лазеры работают синхронно и прерывисто. Система снятия заряда с луча лазера состоит из металлического сердечника круглого сечения и намотанной на него катушки, в которой возникает ЭДС из-за изменяющегося магнитного поля вокруг луча лазера, проходящего внутри сердечника. Устройство имеет защиту от прямого удара молнии, а также систему автоматики, анализирующую напряженность электрического поля воздуха и включающую все системы. Изобретение имеет систему ориентации, способную анализировать распределение заряда в облаке и поворачивать установки в область, наиболее подходящую для снятия заряда облака. 2 ил.
Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к альтернативным источникам электроэнергии.
Известно, устройство (RU 2000125979, МПК H02H 003/22, дата публикации 10.09.2002 г), представляющее собой заземленный металлический стержень, вдоль которого направлен луч лазера ультрафиолетового излучения. Луч лазера ионизирует воздух, создавая тем самым проводящий канал для прохождения молнии и удара ее в заземленный стержень. К недостаткам устройства относится: невозможность использования энергии молнии, для ионизации воздуха ультрафиолетовым излучением используется лазер большей мощности, отсутствие системы автоматического управления устройства.
Существует устройство, позволяющее активно защищать объекты от удара молнии с использованием лазерной установки, а также реализовывать отбор части энергии молнии для собственных нужд (RU 2277744 МПК H02H 3/22 дата публикации 26.06.2006). Это изобретение имеет следующие недостатки: отбор заряда кучево-дождевого облака производится неэффективно, так как он возникает только при вызове удара молнии на металлическую трубу, что возможно только при высокой степени концентрации заряда в облаке.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключаются в возможности использования неравномерности распределения по объему и знаку горизонтального заряда кучево-дождевых облаков в нижней области для получения альтернативного источника электроэнергии. Поставленная задача решается за счет использования двух лазерных установок, состоящих из лазера, предназначенного для создания токопроводящей среды, уловителя заряда, блоков управления, блока трансформации, выпрямления, конденсации, конвертирования и аккумулирования. Вся конструкция устанавливается внутри изолятора с высокими диэлектрическими свойствами. Ток в системе образуется за счет неравномерности горизонтального распределения положительного заряда в нижней части облака. При этом мощности лазеров должны быть отрегулированы таким образом, чтобы они не могли проникать дальше нижнего слоя кучево-дождевого облака, так как в противном случае возможен эффект разряда облака из-за трехслойного вертикального распределения заряда облака.
Устройство отбора статического электричества, основанное на формировании протяженного оптического пробоя за счет использования лазера с инфракрасным спектром излучения, содержащее систему статического контроля напряженности электрического поля в воздухе, с применением лазера подсветки атмосферы, молнеприемник, представляющий собой возвышающуюся над всей конструкцией вертикально расположенную токопроводящую трубу, цилиндрический толстостенный стакан из материала с большой относительной диэлектрической проницаемостью, вставленный в молнепринемающую трубу снизу до уровня внутренней поверхности дна. Внешний корпус, изготовленный из материала с высокой относительной диэлектрической проницаемостью, выполненный снаружи ребристым для увеличения диэлектрической проницаемости. Устройство имеет форсунки, расположенные внутри толстостенного стакана над чувствительным элементом и создающие над его поверхностью ламинарно двигающийся столб воздуха, имеющего температуру окружающего воздуха и защищающий его от атмосферных загрязнений. В состав устройства так же входят понижающий трансформатор, выпрямительная установка, используемая для преобразования полученного тока из пульсирующего в постоянный, аккумуляторная батарея, предназначенная для накопления полученной электроэнергии. Сквозное отверстие внизу корпуса предназначено для подвода проводов питания лазеров и форсунок.
Устройство состоит из двух установок, состоящих из двух лазеров инфракрасного спектра излучения, двух защитных токопроводящих труб, двух диэлектрических стаканов, находящихся внутри защитных труб, двух зарядоуловителей, двух внешних корпусов из диэлектрического материала, четырех форсунок - по две в каждой установке. Установки устройства имеют одинаковую внутреннюю компоновку. Устройство снятия статического заряда с лучей лазеров основано на принципе электромагнитной индукции, сердечник системы снятия статического заряда с луча лазера, имеет диаметр немного больший луча лазера, так чтобы лазер максимально близко находился от стенок сердечника, но не касался его. Катушки системы снятия статического заряда обоих установок соединены согласно. Лазеры устройства работают синхронно в прерывистом режиме и включаются при подаче импульса от системы статического контроля напряженности в воздухе. Автотрансформатор является обязательным элементом устройства, замыкающим цепь движения тока от первой установки ко второй и преобразующий полученное напряжение в удобное для дальнейшего использования. Выпрямительная установка необходима для получения постоянного тока определенной полярности из пульсирующего тока различной полярности. Батарея конденсаторов необходима для накопления энергии. С помощью конвертора тока производится плавный съем заряда с конденсаторов на зарядку батареи аккумуляторов. Внизу каждой установки имеется отверстие во внешнем корпусе для подвода проводов питания лазеров и форсунок, а также для вывода проводов системы снятия статического заряда с луча лазера, которые подключены между собой и с автотрансформатором. Блок управления управляет работой всей установки по алгоритму, полученному из программного блока. Устройство содержит систему пространственной ориентации установок представляющее собой электрический привод, поворачивающий установки, управляемый блоком ориентации, получающий импульсы навигации от блока управления, работающий по алгоритму из программного блока, анализирующего данные полученные из системы сканирования атмосферы на наличие зон скопления наибольшего и наименьшего заряда в облаке.
Технический результат работы устройства состоит в осуществлении отбора статического электричества кучево-дождевого облака по средствам использования эффекта неравномерности распределения одноименного заряда в горизонтальной плоскости облака, и преобразование этой энергии в удобную для использования.
Устройство имеет систему автоматической ориентации и систему контроля статической напряженности в атмосфере, что делает устройство активным в плане поиска наибольшей горизонтальной разницы потенциалов в пределах одного облака, а также энергетически выгодной, поскольку постоянно работает только система статического контроля напряженности атмосферы, включающая все силовые цепи только при превышении определенного значения модуля градиента напряжения в двух точках в воздухе на вертикальной трассе. При этом возможна полностью автономная работа устройства.
На Фиг.1 представлено: 1 - система статического контроля электрического поля в воздухе; 2 - молнеприемник; 3 - корпус из материала с высокими диэлектрическими свойствами; 4 - металлический сердечник зарядоприемника; 5 - катушка зарядоприемника; 6 - форсунка; 7 - система сканирования атмосферы, состоящая из лазера подсветки атмосферы и приемника (полярископа); 8 - Nd-лазер инфракрасного спектра излучения; 9 - диэлектрический стакан; 10 - автотрансформатор; 11 - устройство выпрямления тока; 12 - батарея конденсаторов; 13 - конвертор тока; 14 - батарея аккумуляторов; 15 - клеммы, подключаемые к приемнику или инвертору тока; БУ - блок управления; ПБ - программный блок; Р - разветвительный блок.
На Фиг.2 представлено: 1 - система статического контроля электрического поля в воздухе; 7 - система сканирования атмосферы, состоящая из лазера подсветки атмосферы и приемника (полярископа); 16 - электроприводные цилиндры поступательного движения; БО - блок ориентации; БУ - блок управления; ПБ - программный блок.
Две лазерные установки, входящие в состав системы, имеют идентичное строение (Фиг.1). Система форсунок 6, располагающихся над лазерами, создают движение воздуха, необходимое для исключения попадания атмосферных осадков и других мелких инородных частиц на лазеры. Внутри диэлектрического толстостенного стакана 9 расположен металлический сердечник круглого сечения 4, на который наматывается обмотка 5. Металлическая труба 2 предназначена для защиты конструкции от попадания молнии, которую может вызвать луч лазера, попавший в зону повышенной напряженности. Система статического контроля напряженности электрического поля в воздухе 1 предназначена для подачи импульса на включение системы сканирования атмосферы 7, принцип работы которой основан на эффекте Керра, приводящий к возникновению двойного лучеприломления среды, в присутствии электрического поля.
Устройство работает следующим образом. Устройство первоначально выключено, за исключением системы статического контроля напряженности в воздухе 1, блока управления БУ и программного блока ПБ, которые включены постоянно. При достижении определенного значения напряженности электрического поля, система 1 подает соответствующий сигнал на блок управления БУ, который включает систему сканирования атмосферы 7. Данные, получаемые из системы 7, анализируются программным блоком ПБ. По полученным данным блок управления, по алгоритму из программного блока, при обнаружении оптимальных параметров облака, включает систему ориентации установок. При этом одна из установок наводится в область с максимальной концентрацией заряда, а вторая - в область с минимальной концентрацией заряда. После наведения установок, блок управления включает лазеры 8. Лучи лазеров 8, вызвав оптический пробой воздуха инфракрасным излучением, попадая в области кучево-дождевого облака с разными значениями заряда, создают среду проводимости для электрического тока. При этом токопроводящая среда лучей имеют разность потенциалов. Оба лазера установок работают синхронно в прерывистом режиме, за счет чего вокруг находящихся под зарядом лучей возникает переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле пронизывает сердечник 4 и намотанную на него катушку 5, что вызывает в ней ЭДС. Трансформатор 10 является нагрузкой, замыкающей цепь пути тока: (потенциал облака 1) - (луч лазера 1) - (катушка уловителя заряда 1) - (нагрузка) - (катушка уловителя заряда 2) - (луч лазера 2) - (потенциал облака 2).
Провода питания лазеров и форсунок, а также провода, отходящие от устройства снятия статического заряда, подходят через отверстие внизу изолятора. Трансформаторный блок 10 предназначит для преобразования полученного напряжения в удобное для использования. Он представляет собой автотрансформатор с широкими границами регулировки напряжения. Так как неизвестно, какая именно лазерная установка попадет в область с большей или меньшей концентрацией заряда, необходим выпрямитель тока 11, предназначенный для преобразования пульсирующего напряжения той или иной полярности в пульсирующие напряжение определенной полярности. Блок 12 - батарея конденсаторов, предназначенная для быстрого накопления полученной пульсирующей энергии. Блок 13 является конвертором тока и предназначен для плавной съемки заряда с конденсаторной батареи для более эффективной зарядки батареи аккумуляторов 14. Выводы 15 могут быть непосредственно подключены к приемнику, либо подключены к конвертору напряжения для получения переменного тока промышленной частоты и определенного уровня напряжения.
Блок ПБ является программным блоком, в который заносятся все необходимые параметры работы лазеров, форсунок, уровень напряженности атмосферы, при которой система статического контроля напряженности электрического поля должна подать импульс на включение системы сканирования атмосферы, а так же параметры работы этой системы. При этом система сканирования атмосферы включает установки и систему навигации только в том случае, если полученные данные о состоянии кучево-дождевых облаков будут являться оптимальными в соответствии с алгоритмом, заданным пользователем в программном блоке. Блок БУ является блоком управления всей системой и, по сути, является исполнительным органом программного блока ПБ. Блок Р - разветвительный блок, предназначен для разветвления проводов, идущих на лазерные установки и синхронизации их действий.
Система автоматической наводки лазерных установок позволит сделать устройство активным в отношении поиска наиболее подходящей горизонтальной разности потенциалов кучево-дождевых облаков. Пример такой системы приведен на чертеже (Фиг.2), для упрощения на нем отсутствуют силовые цепи, объясняющие принцип работы самой установки, которые показаны на Фиг.1, и показаны только цепи и блоки, необходимые для пояснения принципа работы системы навигации. Исполнительный орган 16 представляет собой перемещающийся поступательно цилиндр, приводимый в движение электродвигателем постоянного тока. Таких цилиндров имеется два в каждой установке. Они позволяют ориентировать установки в любое положение, таким образом, что бы имелась возможность наведения на любое облако, находящиеся в пределах досягаемости создания пробоя воздуха установленными лазерными установками. Питающий импульс на цилиндры подается из блока автоматической ориентации установки - блока БО. Блок БО управляется блоком управления БУ, управляемый, в свое время, программным блоком ПБ, в который пользователь заносит все необходимые параметры. При этом для осуществления работы системы автоматического наведения необходима система, позволяющая пространственно определить нахождение наибольшей разности потенциалов в кучево-дождевом облаке. Такой системой является устройство 7, работающее на основе эффекта Керра, представляющая собой лазер подсветки атмосферы(например, импульсно-периодический СО2-лазер, работающий в диапазоне длины волны λ=10,6 мкм), и приемника оптического излучения - полярископа. Блок управления анализирует полученные данные, и, получив соответствующий алгоритм от программного блока, подает импульс на блок системы навигации. После наведения соответствующих установок в области облака с различной концентрацией заряда на лазеры 8 подается питание.
Устройств отбора статического электричества кучево-дождевого облака, по средствам использования эффекта неравномерности распределения заряда в горизонтальной плоскости облака, и преобразования этой энергии в удобную для использования, представляет собой альтернативный источник электроэнергии. Устройство имеет систему автоматической ориентации и систему контроля статической напряженности в атмосфере, что делает устройство активным в плане поиска наибольшей горизонтальной разницы потенциалов в пределах одного облака, а также энергетически выгодной, поскольку постоянно работает только система статического контроля напряженности атмосферы, включающая все силовые цепи только при превышении определенного значения модуля градиента напряжения в двух точках в воздухе на вертикальной трассе. При этом возможна полностью автономная работа устройства.
Устройство отбора статического электричества, основанное на формировании протяженного оптического пробоя за счет использования лазера с инфракрасным спектром излучения, содержащее систему статического контроля напряженности электрического поля в воздухе, с применением лазера подсветки атмосферы, молнеприемник, представляющий собой возвышающуюся над всей конструкцией вертикально расположенную токопроводящую трубу, цилиндрический толстостенный стакан из материала с большой относительной диэлектрической проницаемостью, вставленный в молнепринимающую трубу снизу до уровня внутренней поверхности дна, внешний корпус, изготовленный из материала с высокой относительной диэлектрической проницаемостью, выполненный снаружи ребристым для увеличения диэлектрической проницаемости, форсунки, расположенные внутри толстостенного стакана над чувствительным элементом и создающие над его поверхностью ламинарно двигающийся столб воздуха, имеющего температуру окружающего воздуха и защищающий его от атмосферных загрязнений, понижающий трансформатор, выпрямительную установку, используемую для преобразования полученного тока из пульсирующего в постоянный, аккумуляторную батарею, предназначенную для накопления полученной электроэнергии, сквозное отверстие внизу корпуса для подвода проводов питания лазеров и форсунок, отличающееся тем, что устройство состоит из двух установок, состоящих из двух лазеров инфракрасного спектра излучения, двух защитных токопроводящих труб, двух диэлектрических стаканов, находящихся внутри защитных труб, двух зарядоуловителей, двух внешних корпусов из диэлектрического материала, четырех форсунок - по две в каждой установке, установки устройства имеют одинаковую внутреннюю компановку, устройство снятия статического заряда с лучей лазеров основано на принципе электромагнитной индукции, сердечник системы снятия статического заряда с луча лазера, имеющий диаметр немного больший луча лазера, так чтобы лазер максимально близко находился от стенок сердечника, но не касался его, катушки системы снятия статического заряда обоих установок, соединенных согласно, лазеры устройства работают синхронно в прерывистом режиме и включаются при подаче импульса от системы статического контроля напряженности в воздухе, автотрансформатор является обязательным элементом устройства, замыкающим цепь движения тока от первой установки ко второй и преобразующий полученное напряжение в удобное для дальнейшего использования, выпрямительная установка необходима для получения постоянного тока определенной полярности из пульсирующего тока различной полярности, батарея конденсаторов необходима для накопления энергии и с помощью конвертора тока производится плавный съем заряда с конденсаторов на зарядку батареи аккумуляторов, внизу каждой установки имеется отверстие во внешнем корпусе для подвода проводов питания лазеров и форсунок, а также для вывода проводов системы смятия статического заряда с луча лазера, которые подключены между собой и с автотрансформатором, блок управления управляет работой всей установки по алгоритму, полученному из программного блока, устройство содержит систему пространственной ориентации установок представляющую собой электрический привод, поворачивающий установки, управляемый блоком ориентации, получающий импульсы навигации от блока управления, работающий по алгоритму из программного блока, анализирующего данные, полученные из системы сканирования атмосферы, на наличие зон скопления наибольшего и наименьшего зарядов в облаке.
