Способ получения электроэнергии



Способ получения электроэнергии
Способ получения электроэнергии

 


Владельцы патента RU 2578207:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) (RU)

Изобретение относится к электротехнике, основано на преобразовании энергии электронных пучков в электроэнергию электромагнитного процесса и может быть использовано для производства электроэнергии в электроэнергетике, в энергосиловых установках транспортных средств и других отраслях, вырабатывающих электроэнергию для собственных нужд. Технический результат состоит в повышении к.п.д. за счет повышения использования энергии пучка электронов. Способ заключается в ионизации электрической дугой рабочего вещества, создании с помощью электронной пушки электронных пучков, преобразовании энергии электронных пучков в виде тока проводимости, индукционного преобразования конвекционных токов и емкостного преобразования токов смещения по двухполупериодной схеме в электроэнергию, которую трансформируют в промышленную сеть рабочей частоты. 1 ил.

 

Изобретение основано на преобразовании энергии электронных пучков в электроэнергию электромагнитного процесса и может быть использовано для производства электроэнергии в электроэнергетике, в энергосиловых установках транспортных средств и других отраслях, вырабатывающих электроэнергию для собственных нужд.

Известен способ производства энергии (патент RU 2262793, H02N 3/00), принятый за прототип. Способ заключается в том, что электрической дугой ионизируют рабочее вещество, с помощью электронной пушки получают электронные пучки и преобразуют их энергию по двухполупериодной схеме в электроэнергию в виде тока проводимости, идущего по первичной цепи силового трансформатора - преобразователя, трансформирующего электроэнергию в сеть потребителей рабочей частоты ωp (в бортовую сеть транспортного средства).

Недостатком прототипа является то, что в электроэнергию преобразуется за счет тока проводимости только часть энергии электронного пучка (примерно 1/3 часть).

Согласно теории электромагнитного поля [К. Шимони - Теоретическая электротехника, М., «Мир», 1964, с.42…50] электромагнитные процессы электронного пучка можно описать с помощью уравнений Максвелла-Лоренца:

rotH=JПР+JK+JCM=Eγ+ρυ+ε∂E/∂t; rotE=-µ∂H/∂t,

где H - вектор напряженности магнитного поля;

Е - вектор напряженности электрического поля;

JПР=Еγ - вектор плотности тока проводимости,

γ - удельная электропроводимость электронного пучка, переходящего в электрическую цепь;

JK=ρυ - вектор плотности конвекционного тока,

ρ - объемная плотность зарядов в электронном пучке;

υ - вектор скорости зарядов в электронном пучке;

JCM=ε∂E/∂t=ωρεE - вектор плотности токов смещения;

ε - диэлектрическая проницаемость;

µ - магнитная проницаемость среды электронного пучка.

Поэтому в электроэнергию можно также преобразовать конвекционные токи и токи смещения. Это существенно увеличит количество получаемой электроэнергии и повысит КПД.

Задачей изобретения является увеличение количества получаемой электроэнергии и повышение КПД.

Данная задача решается тем, что в известном способе, заключающемся в ионизации электрической дугой рабочего вещества, создании с помощью электронной пушки электронных пучков, преобразовании части энергии электронных пучков по двухполупериодной схеме в электроэнергию в виде тока проводимости, которую трансформируют в промышленную сеть рабочей частоты, согласно изобретению остальную энергию электронных пучков превращают в электроэнергию путем индукционного преобразования конвекционных токов и емкостного преобразования токов смещения.

Функциональная схема устройства, с помощью которого может быть реализован заявляемый способ получения электроэнергии, представлена на чертеже.

Данное устройство содержит: электродуговой плазмотрон 1 с анодом АЭД и катодом КЭД электрической дуги; электронные пушки 2 с аксиальными выходными анодами АВ, на которые подают противофазные напряжения Ua циклической рабочей частоты ωp; индукционные преобразователи 4, выполненные на ферромагнитном тороидальном магнитопроводе, охватывающем электронный пучок 3; рабочие электроды 5 с рабочей полостью (РП) 6, выполненные из материала проводника первого рода, поэтому на поверхности рабочей полости 6 образуется двойной электрический слой; металлические обкладки 7, изолированные диэлектриком 8 от рабочих электродов 5, образующие конденсаторы С5-7, соединенные последовательно с электрической емкостью двойного электрического слоя рабочих полостей 6; электроды 9 торможения; индуктивные обмотки L1, L2, L3, La первичной цепи силового трансформатора-преобразователя 11 (СТП), симметричного относительно средней точки 10 обмотки La, соединенной с катодом КЭД плазмотрона 1 и корпусом устройства; конденсаторы Cp1, Cp2, соединенные с соответственными обмотками индуктивностей L1, L2; вторичную цепь 12 силового трансформатора-преобразователя 11; сеть потребителей электроэнергии 13 с циклической рабочей частотой ωp (бортовую сеть мобильного аппарата).

Работает данное устройство следующим образом. С помощью электрической дуги ионизируют рабочее вещество (разряженный газ) между анодом АЭД и катодом КЭД плазмотрона 1 в ортогонально направленном полю дуги анодном поле электронной пушки 2.

Каждый ионизированный атом рабочего вещества дает два противоположно заряженных иона, электрон с зарядом «-е» и катион с зарядом «+е», которые движутся в противоположные стороны, катион - к катоду КЭД, электрон - к аноду АЭД. Под действием поля аксиального выходного анода АВ электронной пушки 2, создающего напряженность поля, в 10-15 раз большую, чем напряженность поля электрической дуги, электроны выходят из области дуги между АЭД и КЭД и устремляются к выходному аноду АВ, проходя через аксиальное отверстие выходного анода, получая потенциал Ua анода АВ и соответствующую скорость: ϑеП=(2eUa/me)1/2,

где me - масса электрона.

Электроны объединяются в электронный пучок 3, модулированный рабочей частотой ωp. В это время катионы ионизированного рабочего вещества, обладающие массой на 4-5 порядков больше, чем электроны, практически не изменяя своей траектории движения, приходят на катод КЭД, заряжая его положительно.

При прохождении электронного пучка 3 через индукционный преобразователь 4 конвекционный ток пучка преобразуется в электрическую мощность, определяемую по зависимости S И = I K 2 ω p L И ,

где LИ - эквивалентная индуктивность преобразователя 4, соединенного с обмоткой L, трансформатора-преобразователя 11 через конденсатор Ср1;

LИ - конвекционный ток, который равен I K = J K π r П 2 ,

JК - плотность конвекционного тока,

rП - радиус электронного пучка.

Эта мощность через обмотку L1, настроенную с конденсатором Ср1 в резонанс на рабочую частоту ωp, передается силовым трансформатором-преобразователем 11 во вторичную обмотку 12 и в сеть потребителей 13.

Чем больше отбирается мощности из электронного пучка, тем сильнее тормозятся электроны, снижая свою скорость, пучок расширяется, уменьшается плотность заряда в пучке и его энергия. Для увеличения плотности заряда в пучке 3 его сжимают в рабочей полости 6 за счет сходящейся конусности по ходу пучка и электрического поля двойного электрического слоя на поверхности РП 6. Отношение диаметра входного отверстия рабочей полости 6 к выходному диаметру характеризует коэффициент сжатия пучка (dвх/dвых=Kсж), который определяет, во сколько раз увеличивается плотность заряда в пучке и сила тока. Энергия и мощность соответственно растут пропорционально квадрату коэффициента сжатия ( К с ж 2 ) , так как они пропорциональны квадратам плотности заряда, конвенционного тока, плотности конвекционного тока (ρ2, I K 2 , I K 2 ).

Затем полем двойного электрического слоя в цилиндрической части РП 6 удерживают электронный пучок 3 в сжатом состоянии, сохраняя его энергию и мощность, при торможении пучка 3 тормозящим полем электрода 9. На электроды 9 подают напряжение с части обмотки L2, на анод АВ - со всей обмотки Lа, поэтому напряжение на электроде 9 меньше, чем Ua, так как Ua=ULa≈UL2. Образуя ток проводимости электромагнитной цепи L2, в электрод 9 входят передние электроны пучка, вдавливаемые задними электронами пучка 3, имеющими большую скорость, создаваемую выходным анодом АВ электронной пушки 2.

За счет торможения электронного пучка 3 у него отбирается кинетическая энергия Wk=meеПeT)2/2, которая превращается в напряжение на электроде 9 торможения UT=meеПеТ)2ejωpt/2e и в соответствующую мощность S П Р = U T I П Р = U T 2 Y П Р , отбираемую из электронного пучка в виде тока проводимости в первичной электрической цепи L2, трансформирующей эту мощность в сеть потребителей электроэнергии 13.

Здесь: ϑeT - скорость электронов, входящих в электрод 9 торможения, создающих силу тока проводимости IПР=UTYПР в электрической цепи, обладающей электропроводимостью YПР=(g2+(bL-bC)2)1/2,

где g - активная электропроводимость цепи L2;

bL=1/ωpL2 - индуктивная проводимость; bCрСр2 - емкостная проводимость электрической цепи L2 совместно с CP2, настроенных в резонанс на рабочей частоте ωp.

Регулированием напряжения на индуктивной обмотке L2 можно задавать степень торможения электронного пучка 3 и количество отбираемой из него энергии (мощности), передаваемой в сеть потребителей 13.

Рабочие электроды 5, металлические обкладки 7, изолированные между собой диэлектриком 8, являются конденсаторами C5-7, получающими заряд сжимаемых пучков 3 через емкость «двойного электронного слоя», т.к. С5-7 соединен последовательно с электрической емкостью «двойного электрического слоя» на поверхности рабочей полости 6. При последовательном соединении электрических емкостей их заряды одинаковы. Поэтому напряжение U5-7 на конденсаторе C5-7 будет в СДЭС5-6 раз больше напряжения «двойного электрического слоя» в рабочей полости 6, что составляет 3-4 порядка

U5-7=qДЭC/C5-7=UДЭC·CДЭC/C5-7.

Это напряжение подают на обмотку L3 силового трансформатора-преобразователя 11, работающую совместно с С5-7 в режиме резонанса напряжений, ω p L 3 = ( ω p C 5 7 ) 1 .

Мощность, передаваемая через этот конденсатор в электрическую цепь силового трансформатора-преобразователя 11, составляет

S q Э Ц = U 5 7 2 ω p C 5 7 = U 5 7 2 / ω p L 3 .

При смене полярности полуволны напряжения Ua, на выходном аноде АВ электронной пушки 2, под действием положительной полуволны напряжения, образуется электронный пучок и получают электрическую мощность в другом плече симметричной электрической цепи СТП 11.

Происходит двухполупериодное преобразование конвекционного тока, тока смещения, тока проводимости и энергии электронного пучка в электрическую мощность рабочей частоты сети 13.

Совершив работу в электрической цепи СТП 11, электроны приходят на катод электрической дуги КЭД, где рекомбинируют катионы в атомы и молекулы рабочей среды, вновь подвергаемой ионизации электрической дугой, для очередного цикла получения электроэнергии по предлагаемому способу и передачи электрической мощности рабочей частоты ωp в сеть потребителей 13.

Таким образом, по предлагаемому способу получения электроэнергии осуществляют двухполупериодное преобразование энергии электронного пучка 3 в электрическую мощность конвекционных токов, токов смещения, токов проводимости, трансформируемую на рабочей частоте ωp в сеть потребителей электроэнергии (бортовую сеть мобильного аппарата) 13. Применение индукционного и емкостного преобразования совместно с преобразованием энергии электронного пучка 3 в токи проводимости, используемого в прототипе, существенно повышает коэффициент использования энергии (мощности) электронного пучка 3, увеличивая количество получаемой электроэнергии, и, соответственно, возрастает КПД предлагаемого способа по сравнению с прототипом.

Способ получения электроэнергии, заключающийся в ионизации электрической дугой рабочего вещества, создания из него с помощью электронной пушки электронных пучков, двухполупериодном преобразовании части энергии электронных пучков путем их торможения в электроэнергию в виде эквивалентных электрическому заряду пучков токов проводимости, создающих в поляризующейся электрической цепи эквивалентный потенциал и мощность, трансформируемую в сеть потребителей, отличающийся тем, что электронные пучки с частотой двухполупериодного преобразования первоначально направляют в магнитоиндукционные преобразователи, в которых происходит преобразование конвекционного тока, обусловленного направленным движением заряженных микрочастиц в электронном пучке, в электрическую мощность, трансформируемую в сеть потребителей, а затем электронные пучки направляют в рабочие полости с электрической емкостью двойного электрического слоя, последовательно соединенной с электрической емкостью рабочих электродов с металлическими обкладками, с помощью этих емкостей преобразуют электрические заряды пучков в эквивалентное напряжение токов смещения, возникающих за счет изменения электрической индукции в электронных пучках, и электрическую мощность, трансформируемую в сеть потребителей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к тепловой защите летательных аппаратов. Крыло гиперзвукового летательного аппарата включает катод, состоящий из внешней оболочки крыла, анод, состоящий из слоя восприятия электронов и токопроводящей подложки анода.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для генерирования электроэнергии. Технический результат состоит в повышении выходной электроэнергии.

Изобретение относится к энергомашиностроению, к теплообменной аппаратуре и может быть использовано для конденсации отработанного пара без использования хладоагента с трансформацией части тепловой энергии в электрическую.

Электронный генератор электроэнергии относится к электротехнике, а именно к производству электроэнергии. Электронный генератор электроэнергии содержит реактор электронной плазмы (1), заполненный рабочей средой (разреженный инертный газ с примесью материалов с малой энергией ионизации), в котором установлены катод (2) и анод (3) электрической дуги, управляющие аноды (4), рабочие аноды (5) и поляризующиеся электроды (6), соединенные с концами первичной обмотки (7) силового трансформатора (12).

Изобретение относится к экологически чистому методу получения электроэнергии и может быть использовано для любого вида электроснабжения как бытового, так и промышленного.

Изобретение относится к энергетике и транспорту, а именно к получению электрической энергии от химической реакции детонационного сгорания топлива. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для производства электрической энергии для малой энергетики и локальных электросетей с использованием как высокопотенциального, так и низкопотенциального тепла, в частности солнечного.
Изобретение относится к области производства энергии, в частности тепловой, которая выделяется из материала при пропускании через него электрического тока. .

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую. .

Изобретение относится к области машиностроения, где используются тепловые генераторы, и представляет гидравлический кавитационный аппарат, построенный на базе статора электродвигателя переменного 3-х фазного тока.
Наверх