Устройство для перемещения электрически заряженных частиц в целях получения электрической энергии
Полезная модель относится к устройствам для получения электрической энергии и может найти применение в МГД-генераторах, для преобразования энергии ветра в электрическую энергию, в датчиках направления и скорости ветра, в термоэмиссионных преобразователях для повышения КПД, в атомной энергетике для отказа от принципа преобразования энергии атомной реакции в тепловую, и, затем, с низким КПД - в электрическую. Также устройство может применяться в батареях типа шарового конденсатора с радиоактивным источником, имеющим приблизительно такое же устройство и те же недостатки, что и термоэмиссионный преобразователь. Также устройство может использоваться в гидроэнергетике. Технический результат: обеспечивается получение электрической энергии за счет перемещения заряженных частиц через магнитопровод. Устройство для получения электрической энергии содержит магнитопровод, выполненный с возможностью перемещения через него потока заряженных частиц, движущихся под влиянием не электрических внешних сил таким образом, чтобы в магнитопроводе появлялось переменное или импульсное магнитное поле; содержит обмотку, намотанную на магнитопровод, функцией которой является вывод через нее электрического тока.
Область применения
Полезная модель относится к устройствам для получения электрической энергии и может найти применение в МГД-генераторах, для преобразования энергии ветра в электрическую энергию, в датчиках направления и скорости ветра, в термоэмиссионных преобразователях для повышения КПД, в атомной энергетике для отказа от принципа преобразования энергии атомной реакции в тепловую, и, затем, с низким КПД - в электрическую. Также устройство может применяться в батареях типа шарового конденсатора с радиоактивным источником, имеющим приблизительно такое же устройство и те же недостатки, что и термоэмиссионный преобразователь. Также устройство может использоваться в гидроэнергетике.
Уровень техники
Из уровня техники известен способ получения электроэнергии и теплодинамические ионные электрогенераторы на его основе (RU 2004113182). Способ получения электроэнергии при помощи теплодинамических ионных электрогенераторов (ТДИ электрогенераторов) заключается в том, что электрическая энергия генерируется в электрически изолированных электрогенерирующих каналах (от 1 до N) за счет проталкивания потоком подвижной среды предварительно выделенных или сгенерированных электрически заряженных частиц против потенциала коллекторного электрода, на котором при разряде электрически заряженных частиц на коллекторном электроде генерируется электрический ток и формируется электрический потенциал электрогенератора, в каждом электрогенерирующем канале находятся заряженные частицы одного знака, в разных электрогенерирующих каналах могут находится заряженные частицы с разными знаками и формировать обратные напряжения; электрически заряженные частицы с обратным знаком находятся в разных каналах, поэтому проблем с рекомбинацией ионов больше не существует как в магнитогидродинамических генераторах; при молекулярном взаимодействии молекул потока и электрически заряженных частиц, преодолевающих электрическое поле коллекторного электрода внутри электрогенерирующего изолированного канала,
тепловая и кинетическая энергия потока подвижной среды преобразуется в электрическую энергию и температура потока падает, контролируя температуру подвижной среды, выходящей из электрогенерирующего канала, подбирается такой потенциал на коллекторном электроде, чтобы обеспечить максимальный к.п.д. электрогенератора, близкий к 100%, если электрическое напряжение, вырабатываемое при оптимальных режимах, подходит для использования, его используют напрямую, в остальных случаях используются электронные устройства, поддерживающие электрический потенциал ТДИ электрогенератора в оптимальном режиме и преобразующих его до нужного уровня, например импульсные преобразователи напряжения и т.д.; в качестве подвижной среды выступают плазма, газ, жидкость, пар, сверхкритические состояния вещества, продукты сгорания топлив, гетерогенные среды (дым, коллодийные системы и т.д.) и т.д., в качестве заряженных частиц используются электроны, молекулярные и атомарные ионы, заряженные частицы гетерогенных фаз и т.д., что позволяет при помощи этого способа генерации электроэнергии использовать энергию сгорания топлив, энергию пара получаемых на атомных электростанциях, гейзерах и других источниках, энергию перепада давлений и другие типы энергий способные создавать поток подвижной среды и тепловую энергию для генерации электрической энергии.
Из способа непонятно, каким образом частица разряжается на коллекторе, особенно, если это касается иона или электрона. Или почему заряженная макрочастица должна передать свой заряд коллектору, имеющему тот же знак и покинуть коллектор разряженной. Таким образом, можно сомневаться в работоспособности заявленного способа.
В заявляемом устройстве выделение энергии не сопровождается разрядом частиц и, поэтому, друг за другом, на пути следования частиц, можно последовательно установить множество магнитопроводов, каждый из которых будет снимать энергию. Энергия движущихся зарядов снимается бесконтактным способом.
Технический результат: обеспечивается получение электрической энергии за счет перемещения заряженных частиц через магнитопровод.
Осуществление полезной модели
Устройство для получения электрической энергии содержит магнитопровод, канал для перемещения через магнитопровод заряженных частиц, движущихся под влиянием не
электрических внешних сил таким образом, чтобы в магнитопроводе появлялось переменное или импульсное магнитное поле; содержит обмотку, намотанную на магнитопровод, функцией которой является вывод через нее электрического тока. Сущность устройства состоит в том, чтобы заменить первичную обмотку трансформатора потоком заряженных частиц (ионов, электронов, заряженных макрочастиц, моноэлектретных материалов), движущихся под влиянием не электрических внешних сил. Сила тока в такой «первичной обмотке» будет равняться произведению заряда каждой частицы на количество частиц на скорость движения потока на поперечное сечение потока.
Движущаяся заряженная частица, или группа частиц, образует вокруг себя кольцевое магнитное поле, плоскость которого перпендикулярна направлению движения заряда, причем направление силовых линий магнитного поля отрицательных и положительных заряженных частиц, движущихся в одну сторону, направлены противоположно. Это поле предлагается улавливать магнитопроводом (1) (см. Фиг.1), охватывающим канал, по которому движутся заряженные частицы. Движение зарядов организуют таким образом, чтобы в магнитопроводе возникло переменное или пульсирующее магнитное поле. Это достигается либо чередованием в потоке положительно заряженных частиц с отрицательно заряженными (3), либо чередованием заряженных частиц с нейтральными, либо периодическим изменением концентрации, скорости или направления движения заряженных частиц и т.п.
Электрическая энергия может сниматься, например, обмоткой, намотанной на магнитопровод (2). Может быть установлено несколько магнитопроводов с обмотками друг за другом. Может применяться многовитковый магнитопровод вокруг движущихся зарядов. Устройство применимо в любых средах, где имеется направленное движение заряженных частиц. Для нейтральных сред используется либо ионизация этих сред, либо заряд разделяемых частиц этих сред либо ввод в среду посторонних заряженных частиц. В качестве альтернативного варианта замены обмотки на магнитопроводе может использоваться так называемый «трансформатор Миславского» (см. Журнал «Юный техник» 
2 за 2004 г.). Суть работы трансформатора Миславского в том, что замкнутый магнитопровод располагается между обкладками двух конденсаторов. При подаче переменного напряжения на выводы одного конденсатора, между его обкладками протекает переменный ток смещения, создающий вихревое магнитное поле в магнитопроводе. Это магнитное поле вызывает переменный ток смещения между обкладок второго конденсатора, на выводах которого появляется переменное
напряжение. Соотношение площадей конденсаторов есть коэффициент трансформации.
В трансформаторе Миславского физически перемещающихся зарядов нет, а магнитное поле, образованное током смещения, присутствует.
Можно заменить одну пару обкладок потоком движущихся заряженных частиц. В этом случае можно обойтись без обмоток. Такой вариант возможен только в том случае, если предлагаемый генератор работает на высоких частотах (десятки килогерц и более).
Устройство может быть осуществлено, например, с использованием
магнитогидродинамического генератора (МГД-генератор), представляющего собой энергетическую установку, в которой энергия рабочего тела (жидкой или газообразной электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется непосредственно в электрическую энергию.
Для реализации способа в качестве заряженных частиц могут использоваться: ионы, электроны, заряженные диэлектрические и проводящие макрочастицы, моноэлектреты и пр., перемещающиеся через магнитопровод трансформатора под воздействием давления, инерции, тепла и т.п.
Способ получения заряженных частиц и разделения на группы может быть любым. В движение они приводятся различными силами-тепловыми, инерционными, потоком среды, и т.п.
Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. За направление электрического тока принято направление движения положительных зарядов (О.Ф. Кабардин, «Физика. Справочные материалы», Москва, издательство «Просвещение», 1991 г., стр.146).
Отсюда следует вывод: когда через отверстие магнитопровода проходят положительные заряды, направление тока совпадает с направлением движения потока частиц, когда проходят отрицательные заряды в ту же сторону, ток направлен против движения потока.
Если в потоке заряженные частицы чередуются с нейтральными частицами, то ток через сердечник протекает только в моменты прохождения заряженных частиц, так как перемещение нейтральных частиц не является электрическим током. Ток будет пульсирующим.
Согласно формуле силы тока, изменение скорости движения зарядов приводит к изменению силы тока. То есть при периодическом изменении скорости потока частиц, ток будет пульсирующим.
Согласно формуле силы тока, изменение количества заряженных частиц в потоке приводит к изменению силы тока. То есть при периодическом изменении концентрации
заряженных частиц в потоке, ток будет пульсирующим.
При изменении направления движения потока заряженных частиц, меняется направление тока. То есть при периодическом изменении направления движения заряженных частиц в потоке, ток будет переменным.
Все перечисленные выше способы ведут к появлению переменного или пульсирующего тока в первичной обмотке трансформатора, образованной движущимися заряженными частицами, и, следовательно, к появлению переменного тока во вторичной обмотке трансформатора.
Опыты Роуланда-Эйхенвальда доказывают, что движущееся заряженное тело создаетвокруг себя магнитное поле совершенно такое же, как обычный электрический ток.
Отсюда следует вывод: перемещающиеся через отверстие магнитопровода заряженные частицы аналогичны протекающему через него току. Если поток частиц нестабилен (меняется знак зарядов, их скорость, направление, концентрации частиц, и т.п.), магнитное поле будет переменным, и во вторичной обмотке появится ток.
Для выработки электрической энергии используется переменное магнитное поле, создаваемое в замкнутом магнитопроводе переменным током, образованным перемещением заряженных частиц, перемещающихся под действием, преимущественно, не электрических сил, через отверстие магнитопровода, причем снятие энергии с магнитопровода осуществляется обмоткой, намотанной на него, либо за счет токов смещения в конденсаторе, обкладки которого располагаются параллельно плоскости магнитопровода.
Чередование в потоке положительно заряженных частиц с отрицательно заряженными и чередование заряженных частиц с нейтральными, либо периодическим изменением концентрации, скорости или направления движения заряженных частиц и т.п.может быть осуществлено следующими способами.
Магнитным полем разделяют движущуюся квазинейтральную плазму на положительные и отрицательные ионы, а затем поочередно пропускают их через отверстие магнитопровода например, при помощи клапанов, электростатическим способом и т.д.
Также можно формировать в раздельных каналах положительные и отрицательные частицы и затем импульсно пропускать их через отверстие одного или нескольких магнитопроводов, например, при помощи клапанов, электростатическим способом и т.д.
Также можно ионизировать среду ионизатором, на которое подается переменное высокое напряжение. После ионизатора положительные ионы будут чередоваться с отрицательными.
Также можно импульсно ионизировать среду (например, воздух) высоким напряжением одного знака. При этом заряженные частицы чередуются с нейтральными.
Также можно сделать поток зарядов одного знака импульсным за счеттурбулизации потока.
Также можно за счет системы каналов и клапанов, или другим способом, вводить ионизированные частицы одного знака в отверстие магнитопровода поочередно то с одной, то с другой стороны.
Также можно использовать управляющую сетку, как это описано ниже.
Перед сеткой будет происходить поочередное торможение положительных и отрицательных ионов. Причина этого явления в том, что одноименные заряды отталкиваются. На сетку подается переменное напряжение. Когда на сетке отрицательный потенциал, приближающиеся к ней отрицательные ионы квазинейтральной плазмы отталкиваются от нее и тормозятся перед ней так же, как это происходит в электронной лампе. Положительные же - наоборот, притягиваются полем сетки и ускоряются. После смены знака напряжения на сетке, все происходит точно наоборот. Таким образом, после сетки, плазма будет следовать положительно и отрицательно заряженными слоями.
Точно также меняется концентрация движущихся заряженных частиц одного знака. Перед сеткой будут тормозиться ионы, имеющие одноименный заряд сеткой, нейтральная же часть потока, свободно проходит через сетку. После сетки ионизированная среда следует слоями.
Поток зарядов одного знака можно сделать импульсным, например, так, как это происходит в лампе бегущей волны - при помощи заряженной спирали на пути потока зарядов.
Пример.
Работоспособность устройства проверялась следующим образом. Ко входу осциллографа подключалась обмотка выходного строчного трансформатора телевизора ТВС 110 ПЦ 15. При резком приближении к сердечнику трансформатора заряженного диэлектрического или металлического предмета, осциллограф регистрировал ток. Приближение нейтрального предмета никакого эффекта не вызывало.
Устройство может применяться в существующих МГД-генераторах, где энергия сгорания топлива расходуется как на ионизацию рабочего вещества, так и на его разгон. Рабочее вещество разгоняется до очень высоких скоростей (2000 м/с и более). На контактных
электродах выделяется только та часть энергии, которая была затрачена на ионизацию рабочего тела (разрыв молекул на ионы). Кинетическая энергия рабочего тела растрачивается на нагрев токосъемных электродов. Предлагаемый способ позволит использовать кинетическую часть энергии плазмы. Кроме того, появляется возможность использовать в МГД-генераторах, работающих по замкнутому циклу, например, моноэлектретные или заряженные макрочастицы снизить рабочую температуру процесса и упростить сам генератор до уровня тепловой трубки. Для работы МГД-генератора в предлагаемом режиме, требуется соблюсти условия движения заряженных частиц, описанные выше. Разделение движущейся квазинейтральной плазмы в канале МГД-генератора может производиться, например, сетками, установленными поперек потока. На сетки поочередно подается положительное и отрицательное напряжение. Перед сеткой будет происходить поочередное торможение положительных и отрицательных ионов. После сетки плазма будет разделена на группы заряженных частиц, как показано на Фиг.1. Входя в отверстие магнитопровода, заряды создают переменное магнитное поле в магнитопроводе и, соответственно, переменный ток в обмотке. Разделение ионов и обеспечение импульсного режима их движения может осуществляться постоянными или перемененными магнитными полями и другими способами.
Устройство может применяться в термоэмиссионных преобразователях. Термоэмиссионные преобразователи имеют очень низкий КПД, около 6%, что обусловлено отчасти потерями на нагрев анода электронами, имеющими большую скорость при столкновении с анодом, отчасти тем, что электронный газ вокруг катода препятствует эмиссии электронов. Электроны, вылетающие с подогреваемого катода, имеют самую разную скорость, однако, для выработки энергии в обычных преобразователях имеет значение только факт достижения анода электроном, вне зависимости от его кинетической энергии. При использовании предлагаемого устройства, энергия пролетающих групп электронов будет сниматься магнитопроводом (1) ((см. Фиг.2), обмотка на магнитопроводе не показана), причем, чем выше скорость каждого пролетающего электрона, тем сильнее создаваемое им магнитное поле, то есть энергия каждого электрона будет использована максимально, что увеличит КПД преобразователя и уменьшит потери на разогрев анода. На управляющую сетку (5) (Фиг.2) подают импульсное управляющее напряжение, меняющее постоянный ток преобразователя на импульсный, что необходимо для возникновения импульсного магнитного поля в
магнитопроводе. Подбором управляющего напряжения на сетке, добиваются оптимального режима эмиссии электронов с катода. Магнитопровод может располагаться вне вакуумной камеры преобразователя (снаружи). К катоду (4) (см. Фиг.2) подводят тепловую энергию. При этом начинается термоэлектронная эмиссия, электроны вылетают с катода и осаждаются на аноде (6). Так работает обычный термоэмиссионный преобразователь. Мы же вводим в преобразователь управляющую сетку (5), подавая переменное или импульсное напряжение на которую, добиваемся импульсного движения групп электронов от катода к аноду. Причиной движения электронов остается тепловая энергия, сетка лишь делит поток электронов на группы. При этом в магнитопроводе (1) возникает переменное или импульсное магнитное поле. Токосъемная обмотка на магнитопроводе не показана.
Устройство может применяться для преобразования энергии ветра в электрическую энергию (см. Фиг.3).
Проходящий через ионизатор (7) воздух импульсно ионизируется (если на ионизатор подается переменное или импульсное напряжение) и, проходя через отверстие магнитопровода, вызывает появление тока на выходе. Либо ионизация происходит непрерывно, постоянным напряжением, а поток воздуха турбулизуют перед входом в сердечник. Или перед входом в сердечник устанавливают управляющую сетку, подавая переменное или импульсное напряжение на которую, делают ток (в данном случае под током понимается упорядоченное движение ионов воздуха) переменным. Ток появится на выходе.
Поток воздуха ионизируют перед входом в сердечник и обеспечивают указанный выше режим, необходимый для появления переменного или пульсирующего магнитного поля в магнитопроводе и тока в обмотке. Ионизация может производиться любым способом, например, при помощи высоковольтного ионизатора. В канале движения ионизированного воздуха последовательно устанавливают несколько магнитопроводов для более полного использования энергии ветра.
Устройство может применяться в гидроэнергетике (см. Фиг.4). В гидроэнергетике может использоваться распыление струи воды давлением, с последующим вводом заряженных любым способом капель в отверстие магнитопровода (1). Либо, в воду могут добавляться макроскопические заряженные частицы, например, моноэлектретные, замкнуто циркулирующие в гидроэнергетической системе.
Вылетающая под давлением струя воды (8) распадается на мелкие капли, заряженные электростатической индукцией (части проводника, разделенные в электрическом поле, приобретают заряд). Причем, следующие друг за другом капли имеют различный заряд, так как на кольцевой электрод (9) подается импульсное или переменное напряжение (10) для заряда капель электростатической индукцией.
Либо движение капель делают импульсным при постоянном напряжении на электроде 9. Пролет капель через отверстие магнитопровода, вызывает появление тока на выходе. Может использоваться падение заряженных капель в магнитопровод сверху, под действием силы тяжести. Давление для выброса струи воды может создаваться, например, столбом жидкости, давлением газа, пара и т.п.
Устройство может применяться в датчиках направления и скорости ветра. В этом случае электронным способом засекается время от момента подачи ионизирующего импульса, до момента появления импульса тока в обмотке магнитопровода. Несколько магнитопроводов, установленных радиально вокруг ионизатора, позволят определить направление ветра.
Датчик скорости ветра устроен так же, как преобразователь энергии вера в электрическую энергию стой лишь разницей, что на ионизатор подают одиночные импульсы и засекают время, прошедшее от момента подачи импульса до появления импульса на выходе. Если, допустим, расстояние от ионизатора до магнитопровода равняется 1 метру, и импульс на выходе появился через 1 секунду после подачи ионизирующего импульса, скорость ветра равна 1 м/с. Для определения направления ветра, несколько магнитопроводов располагаются в горизонтальной плоскости радиально вокруг ионизатора, на равных от последнего расстояниях. Линия, соединяющая ионизатор и магнитопровод, на выходе которого появился импульс и есть направление ветра.
Устройство может применяться в атомной энергетике. Используется перемещение через отверстия сердечников ионизированных продуктов деления ядер, используя принципы, описанные выше. Применение устройства дает возможность отказаться от преобразования энергии атомной реакции в тепловую, и, затем, с низким КПД - в электрическую. Также устройство может применяться в батареях типа шарового конденсатора с радиоактивным источником, имеющим приблизительно такое же устройство и те же недостатки, что и термоэмиссионный преобразователь, описанный выше.
Устройство для получения электрической энергии содержит магнитопровод, канал для перемещения через магнитопровод заряженных частиц, движущихся под влиянием не электрических внешних сил таким образом, чтобы в магнитопроводе появлялось переменное или импульсное магнитное поле; содержит обмотку, намотанную на магнитопровод, функцией которой является вывод через нее электрического тока.
