УСТРОЙСТВО ОТБОРА АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И ЗАЩИТЫ ОБЪЕКТОВ ОТ УДАРА МОЛНИИ
DEVICE FOR ATMOSPHERIC ELECTRICITY TAKE OFF AND LIGHTNING PROTECTION OF FACILITIES

Изобретение относится к области электротехники, в частности к альтернативным источникам электроэнергии и защите объектов от атмосферных перенапряжений.
Известно устройство (RU 2277744, МПК Н02Н 3/22, H02G 13/00, дата публикации 10.08.2005), содержащее молниеприемник, заземленный через обмотку трансформатора. Молниеприемник представляет собой токопроводящую трубу, в которую снизу вставлен диэлектрический цилиндрический стакан. Внутри корпуса, на уровне заземленного токопроводящего, покрытия геометрическим центром на оси вращения стакана расположено дихроичное управляемое зеркало, на которое падают лучи ультрафиолетового сканирующего и инфракрасного ионизирующего лазеров и отражаются вверх. Это устройство взято в качестве прототипа. Первым недостатком устройства является открытый корпус. При этом на элементы устройства, в частности на дихроичное управляемое зеркало, могут попасть атмосферные осадки и другие загрязнители, что приведет к ухудшению его отражающей способности. Вторым недостатком является расположение молниеприемника в корпусе устройства, что вызывает повышенный износ диэлектрического корпуса устройства. Третьим недостатком является затрата энергии на постоянную работу форсунок, расположенных над управляемым дихроичным зеркалом.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство отбора атмосферного электричества и защиты объектов от удара молнии, содержащее молниеприемник, изолированный от земли и электрически соединенный с одним концом первичной обмотки трансформатора, другой конец которой заземлен, управляемое зеркало, неподвижно закрепленные минимум два лазера, один из которых необходим для формирования протяженного оптического пробоя, а второй для подсветки атмосферы в составе системы оптического сканирования атмосферы на наличие зон скопления зарядов, вторичную обмотку трансформатора, подключенную к выпрямителю, выход которого шунтирован конденсаторной батареей, к которому параллельно подключен конвертер тока. Все элементы устройства, кроме молниеприемника, датчика напряженности атмосферы на вертикальной трассе и датчика системы оптического сканирования атмосферы на наличие зон скопления зарядов, расположены внутри диэлектрического герметичного корпуса, верхняя центральная часть которого состоит из плоского кварцевого оптического стекла, полностью прозрачного для ультрафиолетового и инфракрасного спектра светового излучения, верхняя боковая часть корпуса имеет форму конуса, сужающегося к верхней центральной части, и содержит укрепленные на ней солнечные батареи, внутри верхней части герметичного корпуса расположены ультрафиолетовый и импульсный инфракрасный лазеры таким образом, чтобы генерируемые ими лучи распространялись параллельно, попадали на неподвижное плоское зеркало, отражались от него на подвижное управляемое плоское зеркало, расположенное на вертикальной оси геометрического центра плоского кварцевого оптического стекла, отражались от него вверх под острым углом к вертикали заданным управляемым плоским зеркалом, проходили сквозь плоское кварцевое оптическое стекло и далее распространялись в воздухе. Молниеприемник выполнен в виде стальных тросов, натянутых между верхними частями изолированных от земли опорами над корпусом устройства в виде многоугольной геометрической фигуры в горизонтальной проекции, и представляет собой не связанную с корпусом устройства конструкцию. В качестве первичной обмотки трансформатора используется обмотка трансформатора Тесла, содержащее большее количество витков, в качестве вторичной обмотки используется обмотка трансформатора Тесла, содержащая меньшее количество витков. Обмотка трансформатора Тесла, содержащая меньшее количество витков, входит в состав последовательного колебательного контура, настроенного на резонансную частоту, содержащего также емкостный элемент и первичную катушку отбирающего энергию трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с входными зажимами выпрямительного блока, выходные зажимы которого подключены к батареи импульсных конденсаторов, полярные зажимы последней подключены параллельно к входу конвертора тока, выходы которого соединены с батареей ионисторов. Электрические зажимы солнечных батарей соединены с зажимами батареи ионисторов.
1
2
В состав устройства отбора атмосферного электричества и защиты объектов от удара молнии (далее - устройства) входят следующие элементы (Фиг.1). Лазер ультрафиолетового спектра излучения 1 (генерирующий луч с длиной волны ближнего ультрафиолетового спектра λ=300-400 нм, например, эксимерный лазер, или лазер на основе полупроводниковых нитридов), работающий в составе системы оптического сканирования атмосферы на наличие зон критического состояния напряженности; импульсный лазер инфракрасного спектра излучения 2 (генерирующий луч с длиной волны коротковолнового или средневолнового спектра инфракрасного излучения λ=0,74-50 мкм, например, лазер на монооксиде углерода, углекислотный или алюмо-иттриевый лазер); неподвижное плоское зеркало 3; управляемое подвижное плоское зеркало 4; кварцевое оптическое плоское стекло 5, прозрачное для ультрафиолетового и инфракрасного спектра светового излучения (например, марки КУВИ); датчик напряженности электрического поля 6, фотодатчик системы оптического сканирования атмосферы на наличие зон критического состояния напряженности 7; молниеприемник 8, опоры молниеприемника 9; солнечные батареи 10; диэлектрические стойки 11; обмотка трансформатора Тесла, имеющая большее количество витков 12; обмотка трансформатора Тесла, имеющая меньшее количество витков 13; выпрямительный блок 14; батарея импульсных конденсаторов 15; конвертер тока 16; батарея ионисторов 17 (собранная, например, из ионисторов Panasonic F- или NF- серии); блок управления 18; корпус устройства 19; емкостный элемент С; первичная и вторичная обмотки отбирающего энергию трансформатора L и L.
Устройство работает следующим образом (Фиг.2). Первоначально включенное устройство находится в ждущем режиме, характеризующимся отключенным состоянием всех его элементов, кроме блока управления 18 и датчика напряженности электрического поля 6. При этом, если наблюдается солнечная погода, батарея ионисторов 17 питается от солнечной батареи 10, и таким образом поддерживается достаточный уровень электрической мощности, запасаемой в ионисторах 17, необходимой для его работы в ждущем режиме и первоначального запуска рабочего режима. При реагировании датчика напряженности электрического поля 6 на превышение заданного значения напряженности, блок управления 18 дает импульс на включение системы сканирования атмосферы, состоящей из ультрафиолетового лазера 1, управляемого подвижного плоского зеркала 4 и фотодатчика 7. Генерируемый ультрафиолетовым лазером луч попадает на неподвижное плоское зеркало 3, отражается от него и попадает на управляемое подвижное плоское зеркало 4, отражаясь от которого проходит сквозь плоское кварцевое оптическое стекло 5, и далее распространяется вне корпуса устройства в окружающем воздухе. Неподвижное плоское зеркало 3 необходимо для оптимального размещения управляемого подвижного плоского зеркала 4 относительно плоского кварцевого оптического стекла 5. Сканирование атмосферы осуществляется следующим образом: одновременно с включением лазера ультрафиолетового спектра излучения 1 управляемое подвижное плоское зеркало 4 начинает выполнять движения в соответствии с заданным алгоритмом. Таким образом, луч лазера ультрафиолетового спектра излучения 20, проходящий сквозь плоское кварцевое оптическое стекло 5 и распространяющийся далее в окружающем воздухе, имеет возможность отклоняться на острый угол относительно вертикального своего положения, задаваемый управляемым плоским зеркалом 4. Достигнув препятствия на пути своего распространения в виде кучево-дождевого облака, ультрафиолетовый луч 20 рассеянно отражается от него (направление его изображено линией 21), и часть его достигает фотодатчика системы сканирования атмосферы 7, установленного на корпусе устройства. Система сканирования атмосферы работает по известному принципу, основанному на эффекте Керра, заключающемуся в двойном лучепреломлении монохромной световой волны при попадании в электрическое поле, и определяется в соответствии с известным выражением:
e
0
2
n-n=bλE
e
где n - коэффициент преломления обыкновенного луча;
0
n - коэффициент преломления необыкновенного луча;
b - постоянная Керра, зависящая от природы вещества;
λ - длина волны света в вакууме;
Е - внешнее электрическое поле.
1
1
1
1
2
2
По значению лучепреломления, фиксируемого фотодатчиком 7, блок управления 18 анализирует состояние напряженности зон кучево-дождевого облака и задает дальнейшее движение управляемого подвижного плоского зеркала 4. Движение управляемого плоского зеркала 4 задается в соответствии с алгоритмом, основанным на математическом методе поиска экстремального значения функции (например, на методе градиентного спуска). При этом операция измерения значения лучепреломленности отраженного ультрафиолетового луча повторяется циклично. При последующем цикле значение полученной величины напряженности сравнивается с предыдущим и при его снижении блоком управления 18 меняется дальнейшее движение управляемого подвижного плоского зеркала 4 на противоположное. Сканирование атмосферы выполняется непрерывно, при этом осуществляется поиск точки максимума напряженности кучево-дождевого облака 22. При обнаружении точки максимальной напряженности кучево-дождевого облака 22 управляемое подвижное плоское зеркало 4 останавливается и фиксируется в положении, соответствующем полученному максимуму напряженности системой сканирования атмосферы. После этого блоком управления 18 включается импульсный лазер инфракрасного спектра излучения 2, расположенный таким образом, чтобы его луч распространялся параллельно лучу сканирующего лазера ультрафиолетового спектра излучения 1 и максимально близко от него. Так как оба зеркала (неподвижное 3 и управляемое подвижное 4), входящие в состав устройства, являются плоскими, то инфракрасный луч лазера войдет в кварцевое оптическое стекло 5 параллельно ультрафиолетовому лучу, пройдет сквозь него и выйдет смещенным на некоторое расстояние относительно ультрафиолетового, но параллельно ему, так как кварцевое оптическое стекло 5 является плоским. Далее инфракрасный луч распространяется в окружающем воздухе по прямой 22, вызывая его протяженный оптический пробой вдоль линии распространения. При достижении лучом инфракрасного лазера зоны критического состояния кучево-дождевого облака 22 инициируется пробой молнии. Так как созданный ионизированный канал воздуха имеет меньшее электрическое сопротивление по сравнению с окружающим его нормальным воздухом, то столб молнии будет распространяться вдоль этого канала по направлению к корпусу устройства 19. При достижении зоны пассивной защиты молниеприемника 8 молния отклоняется от ионизированного канала и ударяет в него. Молниеприемник 8, представляющий собой конструкцию, отдельно стоящую от корпуса устройства, выполнен в виде стальных тросов, натянутых между вершинами опор 9 в виде многоугольной геометрической фигуры, получающейся при проекции на горизонтальную плоскость, с геометрическим центром на вертикальной оси, проходящей через геометрический центр кварцевого оптического плоского стекла 5. Опоры 9 изолированы от земли путем установки их на изоляторных стойках 11. Управляемым подвижным плоским зеркалом 4 задается такой угол распространения ультрафиолетового и инфракрасного лучей относительно вертикальной оси, проходящей через геометрический центр кварцевого оптического плоского стекла 5, при котором они не могут выходить за пределы многоугольной геометрической фигуры, образуемой молниеприемником 8. Молниеприемник 8 имеет электрическое соединение с одним концом одной из двух обмоток трансформатора Тесла, имеющую большее количество витков 12. Второй ее конец заземлен. Импульс тока, возникающий при ударе молнии в молниеприемник 8, идет в землю, проходя через обмотку трансформатора Тесла, имеющей большее количество витков 12, вызывая наведения импульса магнитного потока. Данный импульс пронизывает обмотку трансформатора Тесла, имеющую меньшее количество витков 13, наводя в ней электродвижущую силу. Обмотка трансформатора Тесла, имеющая меньшее количество витков 13, входит в состав замкнутого последовательного колебательного контура, в который также входят емкостный элемент C и первичная обмотка L отбирающего энергию трансформатора. Контур настроен на резонансную частоту путем подбора значений емкости C и суммарного значения индуктивности обмотки трансформатора Тесла, имеющей меньшее количество витков 12, и первичной обмотки L отбирающего энергию трансформатора. Настройка на резонансную частоту необходима для уменьшения потери мощности из-за наличия дополнительно реактивной составляющей тока в последовательном колебательном контуре. В результате наведения в обмотке трансформатора Тесла, имеющей меньшее количество витков 13, в последовательном колебательном контуре возникают гармонические колебания. При этом ток, возникающий в замкнутом колебательном контуре, меняет свое направление на противоположное с частотой, соответствующей резонансной частоте, на которую настроен контур, что можно рассматривать как переменный электрический ток с цикличным уменьшением амплитуды вследствие постепенного затухания колебаний. Переменный электрический ток, проходя через первичную обмотку L отбирающего энергию трансформатора, наводит переменный магнитный поток, замыкающийся через сердечник трансформатора. Первичная L и вторичная L обмотки имеют между собой магнитную связь М. В результате чего, вторичную обмотку L отбирающего энергию трансформатора пронизывает переменный магнитный поток, который наводит в ней электродвижущую силу, пропорциональную уменьшающейся со временем амплитуде магнитного потока. Зажимы вторичной обмотки отбирающего энергию трансформатора подключены к входу выпрямительного блока 14, что позволяет получить на его выходе выпрямленное напряжение. Выпрямленное напряжение позволяет зарядить, подключенную к выходу выпрямительного блока 14 батарею импульсных конденсаторов (например, марки ИКЭ), имеющую время заряда до уровня 95%, равное 3τ, где τ=RC - постоянная времени конденсатора. Указанное время зарядки батареи импульсных конденсаторов достигается при помощи указанного последовательного колебательного контура, общая энергия которого вычисляется в соответствии с известным выражением:
,
С
где W - энергия емкостного элемента (конденсатора);
L
W - энергия индуктивного элемента (катушки индуктивности);
С - емкость конденсатора;
L - индуктивность катушки индуктивности, u - напряжение на конденсаторе;
i - ток, протекающий через обмотки катушки индуктивности.
Для работы последовательного замкнутого колебательного контура в резонансном режиме, необходимо выполнение соотношения значений номиналов входящих в него элементов, которое определяется из известного выражения:
,
где f - частота колебаний, возникающих в контуре.
При этом, для сведения потерь мощности в контуре к минимуму, необходима его высокая добротность:
,
где R - активное сопротивление контура.
Параллельно зажимам импульсных конденсаторов подключается конвертер тока 16, предотвращающий быструю разрядку заряженной батареи импульсных конденсаторов 15 на батарею ионисторов (составленную из ионисторов, например, Panasonic F- или NF-серии) 17. Таким образом, повышается эффективность процесса зарядки батареи ионисторов 17 путем увеличения времени ее зарядки и ограничения тока заряда, снижая его до оптимального. Запасенная в батареи ионисторов энергия используется для питания всех элементов устройства при последующем запуске указанного цикла, а также для питания потребителей или отдачи ее в энергосистему.
Технический результат работы устройства состоит в получении альтернативной возобновляемой электроэнергии при использовании устройства в районах с высокой степенью грозовой активности, а также в защите объектов от удара молнии и расширении зоны защиты от удара молнии.