Способ аккумулирования энергии и электродинамический аккумулятор для его осуществления

Способ аккумулирования энергии отличающийся тем, что создают вращающееся кольцо заряженных частиц одного знака, например, электронов или протонов и удерживают его в устройстве, используя изменяющееся или постоянное магнитное и (или) электрическое поле. Величину накапливаемой энергии и количество отбираемой энергии изменяют путем изменения плотности, размеров и скорости вращения кольца заряженных частиц. Вращающееся кольцо заряженных частиц создают следующим путем: в герметичной камере эмитируют заряженные частицы, разгоняют их с помощью электронных пушек или иным способом и направляют со стороны внешней окружности камеры радиально или тангенциально к центру, причем внутри камеры создают отклоняющее магнитное поле, сконфигурированное так, чтобы оно закручивало заряженные частицы по окружности и удерживало вращающееся кольцо заряженных частиц внутри камеры.

Электродинамический аккумулятор содержит герметичную камеру эллисоидной или иной формы. На внешней окружности камеры установлены устройства, генерирующие потоки заряженных частиц, направленные со стороны внешней окружности камеры радиально или тангенциально к центру, причем на торцевых поверхностях камеры размещены отклоняющие соленоиды и удерживающие фокусирующие соленоиды, причем внутри камеры вдоль ее окружности установлен кольцевой электрод, а в центре камеры установлен центральный электрод.

Аккумуляторы заявляемого типа могут обладать гигантской емкостью. Аккумулятор с кольцом электронов диаметром в 100 мм и сечением в 1 мм способен аккумулировать до 25 Мдж энергии. Емкость электродинамического аккумулятора с диаметром кольца в 50 метров и сечением в 1 м составит 6,99 E+12 Мдж. Это вдвое больше, чем было произведено электроэнергии в СССР в 1972 году. Применение электродинамических аккумуляторов будет эффективно в современной структуре энергосистем. Появляется возможность создавать аккумуляторы, способные накапливать энергию десятков мощных электростанций в течение времени неактивного потребления электроэнергии. Это время может измеряться часами, сутками и даже сезонами, что особенно ценно для гидроэлектростанций. Экономический эффект от внедрения таких аккумуляторов может составить миллиарды долларов в год.

Описание изобретения

Уровень техники

Прототип

Краткое описание чертежей

Осуществление изобретения

Технический результат

 

Изобретение относится к системам для накопления электрической энергии и по этому признаку может соответствовать индексу МПК - H02J 15/00. Изобретение содержит специальные электротехнические устройства и по этому признаку может соответствовать индексу МПК H05H1/00 - специальные области электротехники, не отнесенные к другим классам. Просмотреть заявку на изобретение 2004 110 891 "Способ аккумулирования энергии и электродинамический аккумулятор для его осуществления".

Уровень техники

Аккумулятор (лат. accumulator — собиратель, от accumulo — собираю, накопляю), устройство для накопления энергии с целью её последующего использования. В зависимости от вида накапливаемой энергии различают аккумулятор: электрические, гидравлические, тепловые, инерционные. Известны электрические аккумуляторы, которые служат для накопления электрической энергии путём превращения её в химическую с обратным преобразованием по мере надобности. Первые опыты по созданию электрических аккумуляторов были проведены в начале 19 в. В. В. Петровым и И. Риттером. Особенно большой вклад в изучение свойств, разработку и совершенствование конструкций аккумуляторов внесли русские учёные Э. Х. Ленц, Д. А. Лачинов, Е. П. Тверитинов, Н. Н. Бенардос, П. Н. Яблочков, М. П. Авенариус, английский физик У. Гров, француз Г. Планте и многие др. (в мировой практике только по свинцовому аккумулятору к 1937 зарегистрировано 20 000 патентов). В 1900 Т. А. Эдисон изобрёл аккумулятор щелочного типа, получивший широкое распространение. Электрический аккумулятор состоит из 2 электродов, погруженных в раствор электролита; разность потенциалов электродов — эдс аккумулятора. Преобразование химической энергии в электрическую происходит при наличии замкнутой электрической цепи на основе химической (токообразующей) реакции. Электрические аккумуляторы характеризуются электрическим зарядом (распространён термин «ёмкость»), т. е. количеством электричества в кулонах (к), килокулонах (кк) или в ампер-часах (а(ч), которое он может отдать при разряде; средним напряжением; удельной энергией в дж, кдж или вт(ч, снимаемой при разряде с 1 кг массы или 1 дм3 объёма; отдачей по энергии (кпд) (1 а .ч = 3600 к; 1 вт .ч = 3600 дж). (Терентьев Б. П., Электропитание радиоустройств, 2 изд., М., 1958; Вайнел Д ж. В., Аккумуляторные батареи, пер. с англ., 4 изд., М. — Л., 1960; Багоцкий В. С., Флеров В. Н., Новейшие достижения в области химических источников тока, М. — Л., 1963.)

По патенту РФ № 2160955 известен «Способ и устройство для покрытия пикового потребления энергии в сетях переменного или трехфазного тока». Аналоги этого изобретения EP 0578531 A2, 12.01.1994. RU 2013843 C1, 30.05.1994. RU 2028706 C1, 09.02.1995. FR 2693052 A, 31.12.1993. Устройство для покрытия пикового потребления энергии в электрических сетях переменного или трехфазного тока соединено с множеством потребителей, из которых, по меньшей мере, часть оснащена аварийным снабжением электроэнергией, содержащим аккумуляторы и питаемые от сети выпрямители. При возникновении кратковременной пиковой нагрузки в сети часть энергии из аккумуляторов индивидуальных, децентрализованных сетей аварийного электроснабжения отдают в сеть так долго, пока существует пиковая нагрузка и в аккумуляторах еще имеется достаточно энергии для аварийного электроснабжения. Техническим результатом является снижение затрат потребления в течение времени пикового потребления энергии.

Известны инерционные аккумуляторы, которые представляют собой движущееся тело, количество движения которого значительно превышает количество движения внешних сил, воздействующих на это тело. Наиболее широко в качестве инерционного аккумулятора применяют вращающийся маховик (например, инерционный двигатель, получивший распространение в детских игрушках). Известны конструкции маховиков, представляющие собой массивную круглую деталь, установленную на ведущем валу машины для уменьшения неравномерности его вращения при установившемся движении. Маховики представляют собой колесо с тяжёлым ободом, соединённым со ступицей прямыми спицами или сплошным диском. Накапливая кинетическую энергию при ускорении и отдавая её при замедлении, маховик уменьшает неравномерность вращения вала до величины, допустимой по условиям нормальной работы машины. Например, п о патенту РФ № 98104588 известно «Маховое устройство, в частности для автомобиля». По этому патенту маховиковое устройство, по меньшей мере, с одной первичной и одной вторичной инерционными массами, которые установлены соосно друг другу, причем первичная инерционная масса выполнена с возможностью соединения с выходным валом двигателя, а вторичная инерционная масса - с возможностью соединения и разъединения сцеплением с входным валом коробки передач, отличающееся тем, что обе инерционные массы установлены в виде единого целого на выходном валу двигателя.

В инерционных двигателях накопленная маховиком энергия используется для привода машины, например в жиробусе. Обычно маховики изготовляют литыми из серого чугуна, при скоростях выше 30—35 м/сек — из стали. (Артоболевский И. И., Теория механизмов, 2 изд., М., 1967.) Известны гиробусы [от итал. giro, греческое gyros — круг, оборот и латинское (omnibus — для всех], представляющие вид аккумуляторного транспорта, движущегося за счёт кинетической энергии, накопленной в маховике. Известны электрогиробусы, оборудованные маховым агрегатом, состоящим из асинхронного двигателя — генератора, сочленённого с маховиком, и тяговых электродвигателей. Раскручивание маховика осуществляется электродвигателем. Запасённой кинетической энергии достаточно для преодоления расстояния 4—5 км. Кпд таких аккумуляторов не более 50%; материалоёмкость махового агрегата составляет 322 кг/квт•ч (в 32 раза больше, чем у современных электрохимических источников тока).

Прототип

Наиболее близко по конструктивному исполнению к заявляемому изобретению можно считать изобретение по патенту РФ №2001108017 «Механический аккумулятор электрической энергии». По этому патенту механический аккумулятор электрической энергии, выполненный в виде электрической машины, содержащей корпус, в котором установлены статор со статорными катушками, катушки возбуждения и расположенный на валу массивный металлический ротор, отличающийся тем, что статорные обмотки расположены по окружности, в центре которой установлен массивный металлический ротор, выполненный цилиндрическим с полюсными магнитами, с противоположных торцов ротора неподвижно установлены катушки возбуждения, с полюсными магнитами ротора связаны магнитопроводами магнитные датчики для контроля положения полюсных магнитов относительно статорных катушек. Механический аккумулятор энергии по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен герметичным для создания внутри него вакуумной среды.

Целью изобретения является кардинальное повышение эффективности аккумуляторов электрической энергии, содержащих вращающиеся инерционные накопительные элементы за счет того, что в качестве вращающегося инерционного элемента используется вращающееся кольцо электронов, сжатых внешним или собственным магнитным полем до высокой плотности, разгоняемых и удерживаемых на заданной орбите магнитным и электрическим полями. Так как электроны легко разгоняются до субсветовых скоростей, то кольца электронов могут вращаться с субсветовыми линейными скоростями и поэтому способны запасать колоссальные количества энергии.

При этом возникают две проблемы. Первая – заставить электроны двигаться по неизлучающим квантованным орбитам. И вторая – достичь высоких плотностей электронного потока.

Устройства, создающие потоки электронов, движущихся по круговым орбитам, существуют. Это различного рода циклические ускорители электронов и магнетроны. Циклические ускорители конструктивно приспособлены для разгона потока электронов малой плотности. Принцип образования вращающегося кольца электронов большой плотности реализован в магнетронах. Имеется опыт создания магнетронов мощностью до 5-х мегаватт в импульсе и до 120-150 квт. в постоянном режиме излучения.

Термин «магнетрон» был введён американским физиком А. Халлом (A. Hull) в 1921году. Генерирование электромагнитных колебаний посредством магнетрона впервые открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек. Задача увеличения выходной мощности генерируемых колебаний была решена в 1936—1937 советскими инженерами Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым. Они увеличили мощность магнетрона на 2 порядка, применив в качестве анода массивный медный блок, содержащий ряд резонаторов. В магнетронах применяют катод, имеющий форму полого цилиндра, внутри которого располагается подогреватель. Катодно-анодный блок размещен между полюсами электромагнита. В магнетроне на электроны, движущиеся в пространстве между катодом и анодным блоком, действуют 3 поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле и электрическое поле СВЧ (резонаторной системы). При перемещении электронов в радиальном направлении (от катода к аноду) энергия источника анодного напряжения преобразуется в кинетическую энергию электронов. Под влиянием постоянного магнитного поля, направленного по оси катода (перпендикулярно постоянному электрическому полю), электроны изменяют направление движения: их радиальная скорость переходит в тангенциальную, перпендикулярную радиальной. За счет этого происходит образование вращающегося облака электронов.

Из релятивистской теории поля известно, что при скоростях движения заряженных частиц, приближающимся к световым, напряженность их собственного поля в направлении параллельном направлению движения напряженность поля уменьшается по зависимости Е_II = e (1- V² / C² )/ R². (Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц Теория поля, М., Главная ред. физ-мат. литературы, 1988 г.). «Можно сказать наглядно, что электрическое поле движущегося заряда как бы сплющивается по направлению движения». И далее «...Электрическое поле быстро движущегося заряда, на заданном расстоянии от него, заметно отлично от нуля лишь в узком интервале углов вблизи экваториальной плоскости… (стр. 129-130)».

В быстровращающемся кольце электронов их поля как бы сплющиваются в диски, а это позволяет избежать взаимного электростатического отталкивания электронов во вращающихся электронных структурах и достичь высокой плотности потока электронов в них в направлении движения электронов. Возникающее собственное магнитное поле кольца при высокой плотности приводит к возникновению пинч-эффекта (см. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы, 3. изд. М. 1969 г.), которое сжимает тело электронного кольца в радиальном направлении. В упорядоченных электронных кольцевых структурах существующих в вакууме, в пинчах не действует соотношение Беннета, так как там нет плазмы и хаотического движения частиц, есть только упорядоченное. Это позволяет обеспечить очень высокие плотности потока электронов, сопоставимые и даже превышающие плотности электронов в металлах.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показано устройство аккумулятора энергии для реализации заявляемого способа с движением электронов к центру камеры.

На фиг.2. показан вид сверху рабочей камеры аккумулятора по фиг.1. с кольцом электронов.

На фиг.3 показаны отклоняющие катушки аккумулятора

На фиг.4 показаны удерживающие и фокусирующие катушки аккумулятора, а) все катушки в сборе, в) одна катушка, с) две катушки, наложенные со смещением.

На фиг. 5 показан отбор мощности от аккумулятора при уменьшении скорости вращения кольца с движением электронов к центру камеры.

Осуществление изобретения (как может быть осуществлено изобретение путем приведения примеров)

Устройства, показанные на фиг.1-5 состоят из герметичной кольцевой камеры 1 покрытой внутри слоем керамического изолятора 2. Внутри камеры поддерживается глубокий вакуум. В верхней и нижней части камеры 1 установлены отклоняющие катушки 3, закрытые сверху биологической защитой в виде магнитопровода и экрана электромагнитных излучений (ЭМИ) 4. Фокусирующие и удерживающие катушки 5 размещены над отклоняющими катушками 3.

На фигурах 1 и 2 центральный электрод 6 выполняет функции анода и расположен в центре кольцевой камеры 1. Источники и ускорители электронов в виде электронных пушек накачки 7 размещены на внешней окружности кольцевой камеры 1.

Облако электронов 8, возникает при работе установки между центральным электродом 6 и кольцевым электродом 9. На всех фигурах графического изображения показаны: траектория электронов 10 в электронном облаке (или кольце) 8, направление электрического поля 11.

Способ и устройство, для осуществления способа целесообразно описывать совместно.

Способ осуществляется, а устройство работает следующим образом. На отклоняющие катушки 3 подается ток, создающий магнитное поле внутри камеры 1 (на рисунке направленное по вертикальной оси аккумулятора). Катушки расположены под углом к оси аккумулятора, создавая магнитное поле, напряженность которого уменьшается по мере приближения к центру аккумулятора.

Источники электронов 7, например, в виде мощных электронных пушек, эмитируют и разгоняют электроны и направляют их к центру камеры 1 радиально или тангенциально. Разгон электронов осуществляется в два этапа. Генерирование потока и предварительный разгон электронов осуществляется с помощью электронных пушек 7, а последующий разгон с помощью радиального электрического поля в цилиндрической камере 1, в центре которой размещен положительно заряженный электрод 6, а по окружности отрицательно заряженный кольцевой электрод 9. Естественно, внутреннее пространство этой конструкции должно быть электрически изолировано, например, керамическим материалом 2 и тщательно вакуумировано.

Магнитное поле, созданное отклоняющими катушками 3 закручивает электроны вокруг центрального электрода 6. В этих условиях электроны должны двигаться по спиральной траектории 13.

Затем, соотношение между напряженностью магнитного и электрического полей и положительным напряжением на центральном электроде 6 устанавливают таким, чтобы образовалось электронное кольцо растущей плотности. Т.е. электроны не должны достигать анода 6, а должны вращаться по кольцевой траектории, создавая электронное кольцо 8. При правильно подобранном режиме, кольцо 8 будет экранировать отрицательное поле электрода 9, отталкиваясь от него и сжимаясь к центру. Поэтому эмитируемые электроны должны быть достаточно ускорены, чтобы преодолеть сопротивление электронного кольца и влетать в него при росте концентрации электронов в нем. Дополнительное сжатие кольца осуществляет конфигурация магнитного поля катушек 3, напряженность которого должна уменьшаться по мере приближения к центру аккумулятора. При движении электронов по кольцу центробежная сила, действующая на них, будет стремиться преодолеть действие магнитного и электрического полей. Она отбрасывает электроны от центрального электрода и заставляет их двигаться по круговым орбитам.

При достижении определенного порогового значения плотности заряда, магнитное поле электронного кольца должно стать настолько сильным, чтобы возник пинч-эффект (сужение разряда). Магнитному сжатию кольца токового канала кольца будут препятствовать силы электростатического отталкивания электронов, поэтому важно на начальном этапе формирования кольца обеспечить его сжатие внешним магнитным и электрическим полями. При достижении пинч-эффекта в кольце оно должно стать стабильным. Если этот эффект не будет получен, то существование электронного кольца необходимо будет поддерживать, подпитывая его электронами из пушек 7.

Такая конструкция будет полностью имитировать процесс вращения электронов по орбите простейшего атома. Электроны притягиваются электрическим полем центрального положительно заряженного электрода, но не могут упасть на него, так как их скорость такова, что центробежные силы удерживают электроны на стационарной орбите. Так как электроны при движении по стационарным квантованным круговым орбитам не излучают электромагнитной энергии, то кольцо должно быть стабильным, а энергия будет расходоваться только на его формирование. Электроны кольца через некоторое время работы устройства расположатся по квантованным орбитам и перестанут излучать.

Чтобы удержать кольцо в центре камеры используются фокусирующие и удерживающие электромагнитные катушки 5, создающие магнитное поле, которое будет отталкивать кольцо электронов 8 в нужном направлении. Учитывая, что кольцо электронов 8 будет обладать мощным гироскопическим эффектом, управляющие катушки должны быть расположены с взаимным перекрытием (см. фиг. 4 а, b и c ) так, чтобы можно было создавать управляющее магнитное поле бегущее вдоль окружности кольца с частотой его прецессии. Управляя бегущим магнитным полем катушек 5, можно будет осуществить ориентацию кольца в нужном направлении.

Для снятия мощности с кольца достаточно уменьшить его плотность, радиус или скорость электронов в кольце. Радиус кольца и скорость электронов можно менять путем изменения разности потенциалов, подаваемых на коаксиальные электроды устройства, либо другим путем. Для этого можно использовать изменение магнитного поля отклоняющих электромагнитов и электронные пушки накачки. При этом электроны будут поступать на центральные электроды 6 аккумулятора, как показано на фиг.5, и использоваться для питания необходимых устройств.

Технический результат

Преимуществом заявляемого изобретения является возможность осуществлять аккумулирование исключительно больших объемов электрической энергии.

Устройства могут обладать как очень малой, так и гигантской емкостью. Могут иметь как большие, так и маленькие размеры. При этом они не содержат токсичных материалов.

В таблице 1 приведены результаты расчета кинетической энергии кольца электронов в электродинамическом аккумуляторе.

Расчет кинетической энергии разогнанного кольца электронов

Таблица 1

В таблице показаны емкости аккумуляторов с кольцами диаметром от 0.1 до 50 метров и диаметром сечения кольца от 1 мм до 1 метра. Как видно из таблицы, возможности этих аккумуляторов растут с увеличением размеров. Если самый маленький аккумулятор диаметром кольца в 100 мм способен аккумулировать до 25 Мдж энергии, то возможности относительно небольшого по размерам (по сравнению с размерами электростанций) электродинамического аккумулятора №5 просто поражают. Для сравнения. В 1972 г. в СССР было произведено 975 млрд. киловатт часов электроэнергии что эквивалентно 3,51E+12 Мдж. Количество энергии, которое может быть аккумулировано в аккумуляторе №5 превосходит это количество энергии почти в два раза 6,99 E +12 Мдж! Причем, диаметр кольца этого аккумулятора составит всего 50 метров, а диаметр сечения тела кольца всего 1 м. (При расчете учитывалось релятивистское изменение массы электронов. При этом считалось, что достигнута такая же плотность электронов в кольце, как в меди.) Но ведь можно достичь и еще больших плотностей потока и сделать аккумуляторы еще больше диаметром. Тогда можно будет создавать аккумуляторы, способные аккумулировать практически любое вообразимое количество энергии.

Интересная особенность электродинамических аккумуляторов заключается в том, что электронное кольцо, по всей вероятности, может быть очень стабильным, точно так же, как стабильно движение электрона вокруг ядра атома. И поэтому кольца электронов можно будет просто «штамповать» в специальных аккумуляторах, а затем устанавливать в другие устройства, как батареи неограниченно высокой емкости. Возможно, что с развитием этого типа аккумуляторов станет выгоднее перевозить энергию в кольцах, чем передавать ее по проводам.

Другой особенностью электродинамических аккумуляторов является возможность очень быстро отдавать свою энергию, практически так же, как и в конденсаторе. Сила тока, отдаваемая аккумулятором, будет ограничена только проводимостью принимающих анодов и подводящих проводников.

Предлагаемая конструкция осуществима на современном уровне развития техники. Она не содержит движущихся, быстро вращающихся крупноразмерных или сильно нагревающихся частей, плазмы и т.п. экзотики. Здесь все просто и имеет работающие аналоги в виде магнетронов, где давно достигнуты мощности в десятки мегаватт. Очевидно, что применение аккумуляторов нового типа будет очень эффективно и в современной структуре энергосистем. Появляется возможность создавать аккумуляторы, способные аккумулировать энергию десятков электростанций в течение неактивного времени потребления электроэнергии. Это время может измеряться часами, сутками и даже сезонами. Например, аккумулируя энергию гидроэлектростанции типа Братской ГЭС в течение сезона полноводья, такие аккумуляторы могут отдавать энергию в течение нескольких месяцев маловодного, например, зимнего периода. Не потребуется бесполезно сбрасывать запасы воды во время половодья. Это позволит резко поднять производительность и эффективность каскадов ГЭС в целом. Другим преимуществом является возможность транспортирования таких аккумуляторов вместе с запасенной энергией на большие расстояния, тем самым можно исключить необходимость применения мощных и дорогостоящих линий ЛЭП. Экономический эффект от внедрения таких аккумуляторов может составить миллиарды долларов в год.