ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ELECTRIC POWER GENERATION

Перекрестная ссылка на связанные заявки
[0001] Испрашивается приоритет согласно предварительной заявке на патент США, имеющей номер 61/110737 и поданной 3 ноября 2008 года, и предварительной заявке на патент США, имеющей номер 61/170869 и поданной 20 апреля 2009 года, полное описание которых включено в настоящий документ путем ссылки.
Предпосылки создания изобретения
[0002] Изобретение относится к системе для генерации электричества.
[0003] В настоящее время имеются различные системы для генерации электричества. Такие системы, в общем, проявили себя как неудовлетворительные в эксплуатации из-за их общей неэффективности и экологической небезопасности.
[0004] Таким образом имеется потребность в разработке систем и способов генерации электричества эффективным и экологически безопасным способом.
Сущность изобретения
[0005] В соответствии с одной формой осуществления настоящего изобретения система содержит пусковую трубу и генератор, соединенный с пусковой трубой. Генератор использует многофазные материалы (multiphase material, MPM) и сжатый воздух для преобразования кинетической энергии многофазных материалов в электрическую энергию.
[0006] В соответствии с другой формой осуществления настоящего изобретения система содержит пусковую трубу и генератор, соединенный с пусковой трубой. Генератор использует многофазные материалы (MPM) и сжатый воздух для преобразования кинетической энергии многофазных материалов в электрическую энергию. Генератор содержит вторичные обмотки, которые производят электрическую энергию при перемещении вблизи них многофазного материала.
[0007] В соответствии с другой формой осуществления настоящего изобретения способ генерации электрической энергии включает заполнение многофазным материалом (МРМ) пусковой трубы, соединенной с генератором. Способ также включает подачу сжатого воздуха в пусковую трубу для перемещения многофазного материала из пусковой трубы в генератор, который преобразует кинетическую энергию в электрическую энергию.
[0008] Другие аспекты и технические признаки настоящего изобретения, определяемые формулой изобретения, станут очевидны специалистам из подробного описания, не ограничивающего изобретение, и прилагаемых чертежей.
Краткое описание чертежей
[0009] На фиг.1A представлен пример структурной схемы генераторной системы в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.
[0010] На фиг.1B представлен пример генераторной системы в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.
[0011] На фиг.1C-1D представлены примеры генератора в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.
[0012] На фиг.1E представлен пример генератора в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.
[0013] На фиг.1F представлен вид сверху генератора, показанного на фиг.1E, в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.
[0014] На фиг.1G представлен пример генератора в эксплуатации в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.
[0015] На фиг.2A и 2B проиллюстрированы другие примеры генераторов в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.
[0016] На фиг.3 представлен график сигналов, формируемых генератором, показанным на фиг.4A.
[0017] На фиг.4 представлен другой пример генератора в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.
Подробное описание изобретения
[0018] В последующем подробном описании форм осуществления изобретения используются ссылки на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие конкретные формы осуществления изобретения. Другие формы осуществления изобретения, имеющие различные структуры и операции, находятся в пределах объема настоящего изобретения.
[0019] Могут использоваться различные формы осуществления системы. Например, может использоваться генераторная система с применением многофазных материалов (МРМ).
[0020] На фиг.1 представлена структурная схема примера генераторной системы 300 в соответствии с некоторыми формами осуществления данного изобретения. Система 300 может содержать один или более описываемых компонентов или другие компоненты. Приводимая в качестве примера система 300 содержит воздушный компрессор 102, резервуар 104, быстродействующие клапаны 106, пусковую трубу 108, каналы 110, 110' для многофазного материала (МРМ) и электрический генератор 112. В некоторых формах осуществления изобретения система 300 может содержать электрические схемы, такие как регулятор мощности, цифровой контроллер, управляющий компьютер, интерфейс управления для управляющего компьютера и любые другие схемы для управления работой системы 300.
[0021] В общих чертах в процессе получения энергии согласно некоторым формам осуществления изобретения многофазный материал 107 загружается в пусковую трубу 108. Сжатый воздух, хранимый в резервуаре 104, быстро вводится в пусковую трубу 108 через быстродействующие клапаны 106. Воздух создает ударную волну, и как только многофазный материал 107 начнет двигаться, будет создаваться ударная волна, распространяющаяся вместе с многофазным материалом 107 от основания пусковой трубы 108, а также будет создаваться волна разрежения, перемещающаяся в противоположном направлении в пусковой трубе 108, заставляя многофазный материал 107 быстро перемещаться через пусковую трубу 108 к генератору 112. Электрическая энергия забирается генератором 112 и передается в электронные схемы. После перемещения многофазного материала 107 через генератор 112 или из генератора 112 многофазный материал 107 возвращается в резервуар или многофазный материал, который является непригодным, отбрасывается. Описанный выше краткий обзор процесса является примером процесса данного изобретения, и следует отметить, что в этот процесс могут быть включены различные другие шаги. Ниже приводится более подробное описание нескольких аспектов данного изобретения.
[0022] Рассмотрение частей генераторной системы в некоторых формах осуществления изобретения будет приведено ниже в отношении фиг.1A-1G.
[0023] В системе может использоваться воздушный компрессор 102 любого вида. В одной форме осуществления изобретения это может быть поршневой компрессор, в другой - компрессор винтового типа. Воздушный компрессор 102 накапливает газы в резервуаре 104 и нагнетает давление в такой резервуар 104 до тех пор, пока газ не будет готов для подачи в пусковую трубу 108. В одной форме осуществления изобретения воздушный компрессор 102 должен монтироваться на транспортном средстве, поскольку он является бортовым компрессором, следовательно, воздушный компрессор 102 должен быть легким и иметь хорошие рабочие характеристики. Воздушный компрессор 102 взаимодействует с электрическими схемами и резервуаром 104.
[0024] Резервуар 104 хранит сжатый воздух и взаимодействует с электрической схемой и быстродействующими клапанами 106. Резервуар 104 может быть изготовлен из композитных материалов для обеспечения малого веса и хорошей износостойкости. Для предотвращения возможного взрыва резервуара в случае удара конструкция резервуара сконфигурирована для медленного ослабления давления, а не резкого ослабления давления, что может привести к взрыву.
[0025] Быстродействующие клапаны 106 принимают сжатый воздух из резервуара 104 и действуют как распределитель для синхронизированного распределения сжатого воздуха в генератор 112. Работа быстродействующих клапанов 106 происходит быстро, чтобы привести в действие многофазный материал 107. Для каждого периода синхронизации быстродействующие клапаны выбрасывают сжатый воздух в полость (или пусковую трубу), содержащую многофазный материал. Выброс происходит последовательно от конца с соплом обратно к основанию полости. Последовательность синхронизируется так, чтобы удерживать многофазный материал ниже действующего клапана. Когда последовательность доходит до основания полости, многофазный материал выше действующего клапана выбрасывается вверх через сопло, перенося кинетическую энергию, которая была преобразована из потенциальной энергии сжатого воздуха.
[0026] Выброс давления воздуха в пусковую трубу 108 из компрессора 102 создает ударную волну по всей пусковой трубе, поэтому многофазный материал будет быстро вытесняться вверх из пусковой трубы к генератору 112 и будет создаваться волна разрежения. В то время как многофазный материал движется вверх по пусковой трубе, кинетическая энергия перемещающегося многофазного материала преобразуется в электростатическую энергию, которая, в конечном счете, забирается генератором (как будет рассмотрено ниже).
[0027] Приводимая в качестве примера пусковая труба 108, которая может использоваться в данном изобретении, описана в находящейся на рассмотрении заявке на патент США №12/476555, которая полностью включена в данное описание путем ссылки. Как показано на фиг.1Е, пусковая труба 108 может быть любым контейнером, который способен принимать и содержать материал (например, многофазный материал) и находиться под давлением. Пусковая труба 108 может иметь любую форму или размер. Например, пусковая труба 108 может быть цилиндрической формы. По меньшей мере часть пусковой трубы 108 первоначально является пустой. Корпус пусковой трубы может быть выполнен из материалов любого типа, включая металлы (например, сталь, алюминий и т.д.), пластик (например, поливинилхлорид) и другие материалы. В одной форме осуществления изобретения пусковая труба 108 является полой трубой или пластиковой трубой. Пусковая труба 108 имеет по меньшей мере одно отверстие 108 для приема многофазного материала и/или сжатого воздуха/газа. Например, пусковая труба 108 может иметь множество отверстий для приема сжатого газа через быстродействующие клапаны, а также может иметь другие отверстия для получения многофазного материала 107, такого как многофазный материал из резервуара и/или многофазный материал, который был использован и возвращается в пусковую трубу 108 (например, через клапан).
[0028] Пусковая труба 108 может содержать систему равномерного потока для создания равномерного потока многофазного материала 107. Такая система равномерного потока расположена внутри пусковой трубы и создает однородный ламинарный поток многофазного материала, когда многофазный материал достигает генератора 112. Эта система может быть любой аппаратной системой, такой как ряд диффузоров и эффузоров 113, как показано на фиг.1G. Эти диффузоры и эффузоры 113 создают эффект Вентури в потоке многофазного материала, заставляя многофазный материал равномерно течь в генератор 112. В одной форме осуществления изобретения такой эффузор имеет первое отверстие и второе отверстие и практически коническую форму, при этом площадь поверхности первого отверстия и площадь поверхности второго отверстия равны. Этот эффузор направляет многофазный материал через зону магнитного поля, создаваемого между двумя соседними магнитами согласно различным формам осуществления изобретения, которые будут более подробно рассмотрены позже при описании примеров генераторов, которые могут использоваться.
[0029] Диффузоры и эффузоры 113 направляют поток многофазного материала так, чтобы минимизировать коррозионный эффект многофазного материала, оказывающего воздействие на внутренние стенки генератора. Диффузоры и эффузоры также уменьшают турбулентность и создают однородный ламинарный поток вокруг внутренних структур генератора. Диффузоры и эффузоры также уменьшают или устраняют эффект группирования многофазного материала и фокусируют многофазный материал в центральной части пусковой трубы 108.
[0030] В некоторых формах осуществления изобретения многофазный материал 107 является любым материалом, имеющим многофазную композитную структуру (например, диэлектрические материалы, объединенные с газами, твердыми телами и/или газами, и/или жидкостями и т.д.). Пример такого многофазного материала включает смесь песка и газа. Другие примеры многофазных материалов включают кварц, пластмассу и аналогичные материалы, смешанные с материалами по меньшей мере в одной другой фазе. В одной форме осуществления изобретения многофазный материал включает любой материал, который имеет множество элементов, связанных вместе так, что при разрыве такой связи высвобождается энергия. Многофазный материал имеет пористость, большую 0, но меньшую или равную 1. По меньшей мере часть или вся внутренняя полость пусковой трубы 108 заполняется многофазным материалом.
[0031] В другой форме осуществления изобретения многофазный материал имеет другие свойства, такие как адсорбция. При наличии таких свойств разрыв связи будет происходить только на поверхности материала, но механические структуры могут быть нетронуты, и материал будет использоваться в течение долгого времени без замены.
[0032] Как показано на фиг.1E и 1G, после того как многофазный материал помещается в пусковую трубу 108 из бункера-источника или другого источника, быстродействующие клапаны работают в синхронизированной последовательности, используя сжатый воздух из резервуара 104. Последовательное введение сжатого воздуха создает ударную волну и волну разрежения в противоположном направлении, что сообщает кинетическую энергию многофазному материалу, быстро выталкивая многофазный материал через пусковую трубу.
[0033] Каналы 110, 110' соединены с генератором 112. Каналы включают первый набор каналов 110 и набор возвратных каналов 110'. Эти каналы переносят многофазный материал к генератору и от него. Первый набор каналов 110 может быть установлен в конце пусковой трубы 108, но перед входом в генератор 112. Как было рассмотрено ранее, сжатый воздух выталкивает многофазный материал через пусковую трубу к генератору. Что касается набора возвратных каналов 110', эти каналы установлены после генератора на возвратном пути к бункеру-источнику многофазного материала. Возвратные каналы формируют возвратный путь после того, как многофазный материал прошел через генератор. Каналы 110' разделяют многофазный материал и воздух, при этом отделенный воздух выпускается из системы, а многофазный материал собирается для следующего цикла.
[0034] Генератор 112 может быть любым устройством, которое генерирует электрическую энергию на основе многофазного материала, перемещающегося через генератор 112. Рассмотрим различные формы осуществления генератора 112. Могут использоваться три примера осуществления такой генераторной системы:
1) магнитно-гидродинамический генератор, использующий постоянный магнит или электромагнит и диэлектрический многофазный материал;
2) генератор, использующий обмотки и магнитно-мягкий многофазный материал;
3) генератор, использующий обмотки и постоянно намагниченный многофазный материал.
Должно быть понятно, что различные другие формы осуществления генераторных систем с использованием многофазного материала находятся в пределах объема данного описания. Каждая из этих систем будет описана ниже. Следует отметить, что примеры электрического генератора, который может использоваться в данном изобретении, описаны в предварительных заявках на патент США №61/110737 и 61/170869, которые полностью включены в данное описание путем ссылки.
Магнитно-гидродинамический генератор, использующий постоянный магнит или электромагнит и диэлектрический многофазный материал
[0035] Согласно одной форме осуществления изобретения электрическая генераторная система 300 может содержать две противостоящие части 117, 119. Основание 115 электрического генератора прикреплено к концу пусковой трубы 108, а две противостоящие части конически расширяются наружу от основания генератора. Генератор также содержит два магнита (то есть северный полюс 121 и южный полюс 123), как показано на фиг.1C, 1E и 1F. Эти магниты 121, 123 могут быть двумя отдельными магнитами или противоположными концами одного магнита. Эти магниты 121, 123 помещены в основание генератора 112 и непосредственно выше конца пусковой трубы 108. Равномерный поток многофазного материала перемещается между этими двумя магнитами 121, 123 так, что многофазный материал подвергается воздействию магнитного поля. Это заставляет многофазный материал расщепляться на два направления перпендикулярно направлению магнитного поля, как показано на фиг.1F.
[0036] В общем электрический генератор 112 преобразует электростатическую энергию и/или кинетическую энергию перемещающегося многофазного материала в электрическую энергию, когда многофазный материал выпускается из пусковой трубы. Чтобы это сделать, генератор 112 имеет сетку и электрод (совместно показанные как элемент 131) на конце каждой из двух противоположных частей 117, как показано на фиг.1E. В то время как электрически заряженный многофазный материал проходит вблизи сетки и электродов 131, многофазный материал притягивается к сетке и ионизированные частицы проходят в электрод, который затем переходит в электрическую схему. Затем из многофазного материала высвобождается электростатическая энергия и использованный многофазный материал возвращается в источник-бункер многофазного материала для повторного использования. Таким образом, электрическая энергия генерируется путем применения сжатого газа к многофазному материалу в пусковой трубе.
[0037] Как было рассмотрено ранее, многофазный материал может состоять из мелкозернистого диэлектрического материала, который вследствие его изоляционных свойств будет приобретать электрический заряд, когда он выбрасывается из пусковой трубы, как было рассмотрено выше. Следовательно, система равномерного потока (например, ряд взаимосвязанных сопел) направляет многофазный материал таким образом, чтобы оптимизировать преобразование кинетической энергии многофазного материала в постоянный заряд, сильно увеличивая ионизацию диэлектрического многофазного материала. Кроме того, как было рассмотрено выше, система равномерного потока предназначена для того, чтобы направлять поток многофазного материала таким образом, чтобы минимизировать коррозионный эффект многофазного материала, воздействующего на внутренние стенки генератора. В зависимости от электроотрицательности материала эта система равномерного потока будет заставлять значительную часть многофазного материала приобретать положительный заряд, в то время как равная часть будет заряжаться отрицательно.
[0038] Как показано на фиг.1C-1G, струя заряженного многофазного материала входит в магнитное поле, создаваемое магнитом, таким как сильный редкоземельный неодимовый магнит. Частицы испытывают действие силы, описываемой уравнением Лоренца:
<mrow><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover><mo>=</mo><mi>q</mi><mover accent="true"><mi>ν</mi><mo>→</mo></mover><mo>×</mo><mover accent="true"><mi>B</mi><mo>→</mo></mover></mrow>
,
<mover accent="true"><mi>ν</mi><mo>→</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>B</mi><mo>→</mo></mover>
где q - заряд,
- вектор скорости и
- вектор магнитного поля. Эта сила направляет положительные и отрицательные заряды в противоположные стороны, где они собираются электродами, расположенными под прямыми углами к векторам поля и скорости. Поверхностная плотность заряда σ, создаваемого этой силой, создает электрический потенциал, задаваемый формулой
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>σ</mi><mi>d</mi></mrow><mrow><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
0
где d - расстояние между электродами и ε - диэлектрическая постоянная свободного пространства, которая определяет напряженность электрического поля. Когда это электрическое поле возрастает, заряженный многофазный материал замедляется, эффективно преобразовывая свою кинетическую энергию в электрическую энергию, которая запасается в показанном конденсаторе. Эта энергия после доведения до стандартных параметров регулятором затем используется для питания двигателя транспортного средства и электроники так же, как в случае известных генераторов.
Генератор, использующий обмотки и магнитно-мягкий многофазный материал
[0039] Как было ранее упомянуто, генератор 112 не является единственным генератором, который может использоваться для генерации электрической энергии. Конечно, могут использоваться различные другие генераторные системы.
[0040] Рассмотрим другую генераторную систему 400, которая может использоваться вместо вышеописанного генератора 112. Описываемая генераторная система использует магнитно-мягкий многофазный материал. Такой магнитно-мягкий многофазный материал включает ферромагнитный материал с высокой магнитной восприимчивостью, но низкой остаточной намагниченностью, например "мягкий" железный сплав (например, "мягкое" железо или другой материал, который может быть намагничен с использованием электромагнита).
[0041] Магнитно-мягкий многофазный материал помещается в пусковую трубу и выталкивается из нее. Магнитно-мягкий многофазный материал называется "струей" магнитно-мягкого многофазного материала.
[0042] Как показано на фиг.2A и 2B, эта "струя" магнитно-мягкого многофазного материала проходит через обмотку 402 возбуждения, которая выравнивает дипольный момент каждой частицы многофазного материала, создавая поляризованный магнитный "флюид" 404, который становится струей намагниченного материала. Этот магнитный "флюид" 404 продолжает движение через вторичную обмотку 406, где создается электродвижущая сила в соответствии с законом Фарадея электромагнитной индукции. В некоторых формах осуществления изобретения как обмотка 402 возбуждения, так и вторичная обмотка 406 представляют собой ряд витков электрического провода вокруг центральной точки. Согласно некоторым формам осуществления вторичная обмотка 406 может иметь больше витков, чем обмотки 402 возбуждения. Кроме того, в другой форме осуществления может использоваться дополнительный контроллер для обмотки 402 возбуждения (не показан).
[0043] При этом во вторичной обмотке генерируется синусоидальный импульс тока (см. фиг.3), когда через нее движется струя намагниченного многофазного материала, и такой импульс направляется через выпрямитель на конденсатор для накопления произведенной электрической энергии.
[0044] Следует отметить, что в форме осуществления, где пусковая труба требует временного интервала, чтобы "перезагрузиться" многофазным материалом, напряжение во вторичной обмотке не генерируется непрерывно. Однако в рамках данного изобретения непрерывный сигнал напряжения может генерироваться в случае, когда используется несколько пусковых труб; при этом некоторые пусковые трубы вводятся в действие, когда другие пусковые трубы перезагружаются. Дополнительно, в данном изобретении рассматривается также непрерывный процесс перезагрузки, при котором многофазный материал (диэлектрический или магнитный многофазный материал) непрерывно заполняет пусковую трубу и непрерывно выталкивается через генератор.
[0045] При этом, когда кинетическая энергия многофазного материала преобразуется в электрическую энергию, многофазный материал замедляется и захватывается системой вентиляции. Оттуда сила тяжести позволяет многофазному материалу течь обратно в бункер-источник, как было рассмотрено ранее. Кроме того, может быть установлена положительная обратная связь посредством подключения конденсатора к обмотке возбуждения, что увеличивает намагничивание многофазного материала. Полезной аналогией для понимания этого процесса является обычный автомобильный генератор переменного тока. В настоящее время аккумуляторная батарея создает магнитное поле в ряде обмоток в корпусе генератора переменного тока. Ротор, вращающийся от приводного ремня двигателя, перемещается через это поле и производит ток, который затем течет назад в батарею, таким образом увеличивая общую эффективность устройства.
[0046] Фактически вторичные обмотки становятся генератором системы, так что, когда намагниченный многофазный материал входит во вторичные обмотки, генерируется и забирается электрический ток.
Генератор, использующий постоянно намагниченный многофазный материал
[0047] В другой альтернативной форме осуществления изобретения, показанной на фиг.4, генератор, использующий постоянно намагниченный многофазный материал (вместо или в дополнение к магнитно-мягкому многофазному материалу), может использоваться как генератор 112 для общей генераторной системы 300. Постоянно намагниченный многофазный материал включает материалы постоянных магнитов, которые создают магнитное поле. Использование такого постоянно намагниченного многофазного материала устраняет или минимизирует необходимость обмотки 402 возбуждения для намагничивания струи многофазного материала. Следует отметить, что постоянно намагниченный многофазный материал может использоваться в комбинации с магнитно-мягким материалом и не ограничен однородными магнитными материалами.
[0048] Независимо от этого генератор 112, использующий постоянно намагниченный многофазный материал, работает аналогично вышеописанной генераторной системе, использующей магнитно-мягкий материал, за исключением того, что обмотки возбуждения являются необязательной частью системы. Например, струя постоянно намагниченного многофазного материала выпускается из пусковой трубы, как в ранее описанных системах, и входит во вторичные обмотки 406, показанные на фиг.4, без прохождения через обмотку возбуждения. Если необходимо, в одной форме осуществления изобретения струя постоянно намагниченного многофазного материала перемещается через обмотку возбуждения для намагничивания любого поддающегося намагничиванию материала. Когда струя постоянно намагниченного многофазного материала движется через вторичные обмотки 406, вырабатывается электрический ток, и получается электрическая энергия, которая используется или сохраняется, как было рассмотрено ранее.
[0049] Могут применяться и другие формы осуществления электрического генератора, которые используют многофазный материал, и изобретение не ограничено раскрытыми формами его осуществления.
[0050] Например, преобразователи переменного тока в постоянный, постоянного тока в постоянный или постоянного тока в переменный могут забирать электрическую энергию, произведенную генератором 112, а также любую другую энергию и накапливать ее в схемах аккумулирования энергии. Схемы аккумулирования энергии могут быть любыми схемами, способными хранить энергию, включая, не ограничиваясь этим, аккумуляторную батарею, топливный элемент, схемы с использованием сжатого воздуха и любые другие средства для накопления электрической энергии. При применении генератора в транспортном средстве будет производиться энергия постоянного тока и будет использоваться повышающий преобразователь для преобразования в более высокое напряжение постоянного тока - стандартный преобразователь постоянного тока в постоянный ток. Для других применений генератора может потребоваться переменный ток и будет использоваться преобразователь постоянного тока в переменный. В качестве примера можно привести снабжение электричеством распределительной энергосистемы, требующей синхронизации как по фазе, так и по частоте.
[0051] После того как произведена электрическая энергия с использованием любой конфигурации генератора, она может аккумулироваться, потребляться или использоваться любым способом с помощью электрических схем.
[0052] Хотя были проиллюстрированы и описаны конкретные формы осуществления изобретения, специалистам очевидно, что любое устройство, которое предназначено для достижения той же самой цели, может заменить указанные конкретные формы осуществления изобретения и что изобретение имеет другие применения в других сферах. Изобретение включает любые приспособления или изменения. Формула изобретения не ограничена описанными конкретными формами осуществления изобретения.