СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
METHOD OF PRODUCING ELECTRICITY

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.
p
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 ω (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:
ПР
K
CM
rotH=J+J+J=Eγ+ρυ+ε∂E/∂t; rotE=-µ∂H/∂t,
где H - вектор напряженности магнитного поля;
Е - вектор напряженности электрического поля;
ПР
J=Еγ - вектор плотности тока проводимости,
γ - удельная электропроводимость электронного пучка, переходящего в электрическую цепь;
K
J=ρυ - вектор плотности конвекционного тока,
ρ - объемная плотность зарядов в электронном пучке;
υ - вектор скорости зарядов в электронном пучке;
CM
ρ
J=ε∂E/∂t=ωεE - 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.
ЭД
ЭД
В
a
p
5-7
1
2
3
a
a
ЭД
p1
p2
1
2
p
Данное устройство содержит: электродуговой плазмотрон 1 с анодом А и катодом К электрической дуги; электронные пушки 2 с аксиальными выходными анодами А, на которые подают противофазные напряжения U циклической рабочей частоты ω; 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 С, соединенные последовательно с электрической емкостью двойного электрического слоя рабочих полостей 6; электроды 9 торможения; индуктивные обмотки L, L, L, L первичной цепи силового трансформатора-преобразователя 11 (СТП), симметричного относительно средней точки 10 обмотки L, соединенной с катодом К плазмотрона 1 и корпусом устройства; конденсаторы C, C, соединенные с соответственными обмотками индуктивностей L, L; вторичную цепь 12 силового трансформатора-преобразователя 11; сеть потребителей электроэнергии 13 с циклической рабочей частотой ω (бортовую сеть мобильного аппарата).
ЭД
ЭД
Работает данное устройство следующим образом. С помощью электрической дуги ионизируют рабочее вещество (разряженный газ) между анодом А и катодом К плазмотрона 1 в ортогонально направленном полю дуги анодном поле электронной пушки 2.
ЭД
ЭД
В
ЭД
ЭД
В
a
В
еП
a
e
1/2
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 К, электрон - к аноду А. Под действием поля аксиального выходного анода А электронной пушки 2, создающего напряженность поля, в 10-15 раз большую, чем напряженность поля электрической дуги, электроны выходят из области дуги между А и К и устремляются к выходному аноду А, проходя через аксиальное отверстие выходного анода, получая потенциал U анода А и соответствующую скорость: ϑ=(2eU/m),
e
где m - масса электрона.
p
ЭД
Электроны объединяются в электронный пучок 3, модулированный рабочей частотой ω. 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 К, заряжая его положительно.
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>И</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>I</mi><mi>K</mi><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>L</mi><mi>И</mi></msub></mrow>
При прохождении электронного пучка 3 через индукционный преобразователь 4 конвекционный ток пучка преобразуется в электрическую мощность, определяемую по зависимости
,
И
р1
где L - эквивалентная индуктивность преобразователя 4, соединенного с обмоткой L, трансформатора-преобразователя 11 через конденсатор С;
И
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>K</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>J</mi><mi>K</mi></msub><mi>π</mi><msubsup><mi>r</mi><mi>П</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
L - конвекционный ток, который равен
,
К
J - плотность конвекционного тока,
П
r - радиус электронного пучка.
1
р1
p
Эта мощность через обмотку L, настроенную с конденсатором С в резонанс на рабочую частоту ω, передается силовым трансформатором-преобразователем 11 во вторичную обмотку 12 и в сеть потребителей 13.
вх
вых
сж
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>К</mi><mrow><mi>с</mi><mi>ж</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>K</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>I</mi><mi>K</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
2
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 (d/d=K), который определяет, во сколько раз увеличивается плотность заряда в пучке и сила тока. Энергия и мощность соответственно растут пропорционально квадрату коэффициента сжатия
, так как они пропорциональны квадратам плотности заряда, конвенционного тока, плотности конвекционного тока (ρ,
,
).
2
В
а
a
a
La
L2
2
В
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 L, на анод А - со всей обмотки L, поэтому напряжение на электроде 9 меньше, чем U, так как U=U≈U. Образуя ток проводимости электромагнитной цепи L, в электрод 9 входят передние электроны пучка, вдавливаемые задними электронами пучка 3, имеющими большую скорость, создаваемую выходным анодом А электронной пушки 2.
k
e
еП
eT
T
e
еП
еТ
2
2
2
jωpt
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mi>T</mi></msub><msub><mi>I</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>U</mi><mi>T</mi><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>Y</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Р</mi></mrow></msub></mrow>
За счет торможения электронного пучка 3 у него отбирается кинетическая энергия W=m(ϑ-ϑ)/2, которая превращается в напряжение на электроде 9 торможения U=m(ϑ-ϑ)e/2e и в соответствующую мощность
, отбираемую из электронного пучка в виде тока проводимости в первичной электрической цепи L, трансформирующей эту мощность в сеть потребителей электроэнергии 13.
eT
ПР
T
ПР
ПР
L
C
2
2
1/2
Здесь: ϑ - скорость электронов, входящих в электрод 9 торможения, создающих силу тока проводимости I=UY в электрической цепи, обладающей электропроводимостью Y=(g+(b-b)),
2
где g - активная электропроводимость цепи L;
L
p
2
C
р
р2
2
P2
p
b=1/ωL - индуктивная проводимость; b=ωС - емкостная проводимость электрической цепи L совместно с C, настроенных в резонанс на рабочей частоте ω.
2
Регулированием напряжения на индуктивной обмотке L можно задавать степень торможения электронного пучка 3 и количество отбираемой из него энергии (мощности), передаваемой в сеть потребителей 13.
5-7
5-7
5-7
5-7
ДЭС
5-6
Рабочие электроды 5, металлические обкладки 7, изолированные между собой диэлектриком 8, являются конденсаторами C, получающими заряд сжимаемых пучков 3 через емкость «двойного электронного слоя», т.к. С соединен последовательно с электрической емкостью «двойного электрического слоя» на поверхности рабочей полости 6. При последовательном соединении электрических емкостей их заряды одинаковы. Поэтому напряжение U на конденсаторе C будет в С/С раз больше напряжения «двойного электрического слоя» в рабочей полости 6, что составляет 3-4 порядка
5-7
ДЭC
5-7
ДЭC
ДЭC
5-7
U=q/C=U·C/C.
3
5-7
<mrow><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>L</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>C</mi><mrow><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>7</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow>
Это напряжение подают на обмотку L силового трансформатора-преобразователя 11, работающую совместно с С в режиме резонанса напряжений,
.
Мощность, передаваемая через этот конденсатор в электрическую цепь силового трансформатора-преобразователя 11, составляет
<mrow><mi>S</mi><msub><mi>q</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Ц</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>U</mi><mrow><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>7</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>7</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>U</mi><mrow><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>7</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>L</mi><mn>3</mn></msub></mrow>
.
a
В
При смене полярности полуволны напряжения U, на выходном аноде А 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.
ЭД
p
Совершив работу в электрической цепи СТП 11, электроны приходят на катод электрической дуги К, 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 ω в сеть потребителей 13.
p
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 ω 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.