СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ МОЛНИИ

Изобретение относится к области экологически чистой возобновляемой электроэнергетики.

Известна экологически чистая система утилизации электроэнергии атмосферной молнии, в которой импульсный ток молнии воспринимается тороидом, расположенным вокруг снижения заземленного молниеотвода, в котором возникает импульсная ЭДС, соединенным с выпрямителем и накопительным конденсатором.

Недостатком такой системы утилизации энергии молнии является то, что при напряжениях до 10⁶ В и токах в до 10⁶ А, действующих в пределах до 10^-3 с, имеют место существенные, хотя принципиально преодолимые, сложности реализации высоковольтных выпрямителей и конденсаторов большой емкости (многие единицы фарад) и технические проблемы превращения заряда конденсатора в доступную для утилизации на современном уровне развития техники энергию в электрическом или механическом виде.

Задачей изобретения является обеспечение утилизации энергии молнии в удобно используемой стандартной электрической или механической форме с помощью простых реализуемых и/или серийно выпускаемых промышленностью технических средств.

Техническим результатом изобретения является превращение энергии удара молнии в стандартную форму электрической энергии промышленной частоты, в том числе в виде длительно работающих одно или 3-фазных электродвигателей либо непосредственно производящих работу (например, как электроприводы насосов, закачивающих воду (газ) в напорную емкость (накопитель потенциальной энергии) для последующей утилизации, например, в водяной (газовой) турбине, для полива сельскохозяйственных угодий), или, например, раскручивающих до максимальных оборотов маховик, который используется для сохранения механической энергии.

Указанная цель достигается тем, что вокруг соединенного с землей металлического снижения молнии располагают тороид-приемник (с намоткой электрическим проводом) ударного возбуждения высокодобротного контура, состоящего из последовательно соединенных указанного тороида-приемника, рабочей индуктивности и емкости, настроенного на частоту резонанса промышленной сети, а так же тем, что энергия от указанного высокодобротного контура для питания стандартного электродвигателя переменного тока отбирается от трансформатора тока, протекающего в упомянутом высокодобротном контуре, причем электродвигатель подключен к вторичной обмотке трансформатора тока по схеме последовательного резонанса, в которой стандартное напряжение питания промышленного электродвигателя при изменении напряжения в основном контуре вследствие затухания колебательного процесса поддерживается автоматическим регулятором за счет изменения емкости в цепи двигателя.

Принцип работы системы представлен на фиг.1, где L₁ - стартовый тороид, L - рабочая индуктивность, L_тр - трансформатор тока, С, С_р - конденсаторы электрические, М - маховик или иная механическая нагрузка.

При ударе молнии через снижение при напряжении 10⁶ В протекает импульсный ток величиной порядка (0.5-1) 10⁶ A за время Δt≈10^-3 с.

Этот ток создает импульсное магнитное поле, силовые линии которого есть окружности, плоскости которых ортогональны снижению, а центры совпадают со снижением. По силовым линиям располагается стартовый тороид L₁ радиуса r, в котором возникает импульсная ЭДС Е₀, производя ударное возбуждение контура (L₁+L, C, R).

Возникающий в контуре ток i создает свое магнитное поле и в трансформаторе тока L_тр энергия поля трансформируется в ЭДС Е, которая питает асинхронный двигатель переменного тока, включенный по схеме последовательного резонанса через конденсатор С_р. Двигатель либо совершает механическую работу по повышению потенциальной энергии жидкости или газа посредством насоса, или раскручивает маховик М, в котором происходит утилизация энергии в механической форме.

Двигатель должен работать длительное время, что предполагает высокую добротность контура и в свою очередь требует величины индуктивности порядка сотен Гн, а электрического сопротивления - доли или единицы Ом. Так как при импульсном воздействии при столь больших индуктивностях величина импульсной ЭДС может оказаться чрезвычайно большой и вызвать пробой обмоток и конденсатора, а также создать вторичные молнии, общая индуктивность разбивается на две части.

Стартовая индуктивность L₁ выбирается значительно меньшей величины, чем рабочая L, величина которой составляет несколько сотен Гн, но располагается так, что магнитосцепление ее с основным магнитным полем снижения отсутствует.

Таким образом, ударная ЭДС Е₀ оказывается в приемлемых пределах, а декремент затухания контура будет определяться рабочей индуктивностью L и величиной отбора мощности, выраженной, например, в обобщенном сопротивлении контура R.

Частота колебаний контура соответствует промышленной, т.е. 314 рад/с (50 Гц) или 2512 рад/с (400 Гц) или иной при необходимости.

Амплитуда тока i значительно меньше, чем амплитуда напряжения на емкости С или индуктивности L, так как ток контура пропорционален второй производной импульса и величине емкости, которая на много порядков меньше величины индуктивности.

Снятие энергии с контура (L₁+L, С, R) осуществляется с помощью трансформатора тока.

По мере затухания амплитуды колебаний контура автоматическая система управления, состоящая из датчика напряжения U_∂ на двигателе, элемента сравнения, исполнительного двигателя и автоматического регулятора, который, работая по принципу отрицательной обратной связи дискретно (или непрерывно, дискретно-непрерывно), изменяет емкость С_р с целью поддержания неизменным напряжение U_∂ (например, 220 В) на клеммах двигателя, что обеспечивает его штатную работу в диапазоне относительно медленного изменения амплитуды колебаний в контуре (L₁+L, С, R). Такая ситуация может иметь место при высокой добротности контура последовательного резонанса в цепи двигателя, вследствие чего, по крайне мере, индуктивность трансформатора L_тр должна значительно превосходить индуктивность L_∂ статора двигателя.

Исходная энергия импульса тока снижения является случайной величиной. Следовательно, ток i и ЭДС Е - тоже случайные величины в пределах, определяемых диапазоном тока в проводе снижения - молниеотводе - при ударе молнии.

Стабильная работа двигателя в этом случае также обеспечивается соответствующим автоматическим изменением емкости С_р.

Для повышения энергетической эффективности установки конструкцию устройства утилизации энергии молнии выполняют многоярусной по высоте снижения молниеотвода, т.е. при одном ударе молнии энергия закачивается через отдельные стартовые тороиды в несколько резонансных контуров (L₁+L, С, R), следовательно, в несколько двигателей одновременно.

В случае утилизации энергии молнии в виде механической энергии раскрученного маховика, как, в частности, показано на фиг.1, при полной раскрутке конкретного маховика, подсоединенного к одному трансформатору тока и соответствующему двигателю, через, например, фрикционные муфты, двигатель переключают на раскрутку следующего маховика и так далее.

При повторном ударе молнии в период утилизации энергии, закачанной в контур (L₁+L, С, R) предыдущим ударом молнии, возможен пробой конденсатора С или повреждение обмоток контура L.

Для исключения последствий этой ситуации в конструкции многоярусного устройства утилизации энергии молнии стартовые тороиды L₁ изготавливают в виде частичных, незамкнутых дуг. Тогда после удара молнии часть тороидов поворачивают на 90°, вследствие чего прерывается их сцепление с электромагнитным полем провода-молниеотвода и далее контура (L₁+L, С, R) и они не реагируют на последующие удары молнии.

Другая часть стартовых тороидов находится в рабочем состоянии, но после удара молнии их поворачивают на 90° (нерабочее положение). Поскольку ударное возбуждение контуров тороидов уже произошло, энергия поступает на соответствующие двигатели.

Первую же часть стартовых тороидов резонансных контуров (L₁+L, С, R), в которых энергия уже успела утилизироваться, поворачивают на 90° в рабочее положение и при ударе молнии получившие ударное возбуждение стартовые тороиды вновь выводят из рабочего положения и т.д.

Описанную последовательность работы стартовых тороидов электростанции обеспечивают специальной системой релейной автоматики.

Предлагаемая электростанция может обеспечить потребителя электроэнергией достаточно длительное время, особенно в районах, где происходят частые грозы в течение года при абсолютной экологической чистоте.

Оценка реализуемости способа утилизации энергии молнии

Импульс тока снижения вследствие индуктивности самого снижения, его сопротивления, имеет неопределенную форму. Максимум функции Im имеет порядок величины и длительность импульса Δt, указанные выше.

Пусть

Тогда f нормирована и предполагается, что дифференцируема, и, кроме того, удовлетворяет требованиям f(0)=0,f(α)=0,f_max=1.

По закону Био-Савара-Лапласа при этом в тороиде L₁ возникает магнитное поле ΔH=ΔI/2πr и поток магнитной индукции ΔФ=µ₁µ₀ΔISn₁/2πr, где µ₁ - магнитная проницаемость сердечника тороида, S - поперечное сечение сердечника тороида, n₁ - число витков тороида, µ₀=4π10^-7[Гн/м] - магнитная проницаемость пустоты.

Таким образом, ЭДС с учетом (1) окажется равной

Где h(x) - единичная функция.

Обозначим Ф_0m=µ₁µ₀Im·S·n₁/2πr примем 0.1 м² [(30×30)см], тогда

Окончательная оценка L₁ будет дана ниже после выбора параметра

Для расчета L и R контура необходимо учесть потребляемую энергию от контура и связь тока контура с суммарной индуктивностью.

При снятии мощности двигателями Р_∂в.∑ от контура отбирается мощность, равная , где i_∂ - действующее значение тока контура, Rэкв - эквивалентное сопротивление, вносимое в контур нагрузкой.

Тогда , откуда и определяется Rэкв, которое влияет на декремент затухания.

С учетом Rэкв эквивалентная схема контура представляется в виде, показанном на фиг.2, где L_∑=L₁+L; Rэкв - суммарное сопротивление контура, включающее сопротивление обмоток стартовой и рабочей индуктивностей Rобм и Rэкв, т.е. R_∑=Rобм+Rэкв.

Оценку Rобм можно произвести следующим образом.

Полагаем, что обмотки стартовой и рабочей индуктивности выполнены из одинакового медного провода сечением 50 мм². Тогда R=ρl/S_пр, где l - суммарная длина провода, которая при одинаковом сечении магнитопроводов L₁ и L, S=0.1 м² (30×30)см², одинаковом количестве витков n=10³ равна 2.5-10³ м; при S_пр - сечении провода, равного 50·10^-6 м² и ρ≈1,7·10^-8[Ω·м].

При этих параметрах Rобм составляет величину порядка Rобм≈1[Ω].

Эквивалентная схема контура показана на фиг.2.

Операторное выражение для напряжения на емкости U_c(p) в схеме фиг.2 представляется в виде

где p - оператор Лапласа, F(p) - операторное выражение функции

τ_c=R_∑C

Оригинал (3), с учетом (2), удобнее представить в виде свертки (интеграла Дюамеля):

При выводе (4) учитывалось, что добротность контура и .

Выражение (4) разделяется на 2 части: при t≤Δt и t>Δt.

Интерес представляет исследование при t>Δt, тем более, что при t=Δt обе части «сшиваются» и максимальное напряжение на электрической емкости возможно оценить, не рассматривая диапазон t≤Δt.

При t>Δt выражение (4) перепишется следующим образом:

или окончательно

Равенство (5) можно упростить, если учесть, что величина R_∑/2L_∑ должна быть мала (условие малого декремента затухания), тогда экспоненту под интегралом можно с достаточной точностью принять равной 1 и выражение (5) перепишется в следующем виде:

Последний множитель в (6) есть средний интеграл. В силу свойств функции f величина этого интеграла ≤1

Учитывая, что ωΔt<<1, можно приближенно (6) представить в виде

где λ≤1

Проведем оценку амплитуды U_c

Величину λ можно включить в диапазон неопределенности (1÷2), тогда окончательно оценка U_cm определяется параметром, введенным выше, . Для выбора этого параметра необходимо еще провести оценку величины тока контура i.

Из соотношения получаем

где

Из (8) следует

или

С другой стороны, если потребовать , что обеспечит работу двигателей в течение не менее t_e=5 мин (амплитуда тока за это время уменьшится в е раз), то

Энергию контура можно оценить двояко:

Где i_m и U_m выбираются минимальными.

Если рассчитывать на 5 двигателей, то Р_∂в∑=5[кВт] и W_k≥5·P_∂в·t_e=1,5·10⁶[Дж],

откуда

Подставив в (10) вместо , получаем еще одно соотношение

или

Полагая, что потери мощности на сопротивлении обмоток не должны превышать потерь на Rэкв, т.е. i_m≤100 A, и сопоставляя (12) и (13), получаем одно соотношение

Далее, исходя из равенства (11), получаем

или

В равенстве (15) можно считать U_m=U_m.доп. - допустимое напряжение.

С другой стороны , а С≈10^-5/L_∑ и, учитывая, что L_∑=k·10² [Гн], где k<10, получаем оценку или U_m≥10₇ [В].

Таким образом, можно положить U_m.доп.≥2·10⁷ [В], что при современных высоковольтных конденсаторах вполне допустимо. Тогда из (15) получаем

L_∑·i_m≈7·10⁴,

а из (14)

i_m≥0.4·10² [A].

Можно положить i_m≈50 [A], тогда L_∑≈1400 [Гн].

Из равенства (9) находим

Возвращаясь к оценке L₁, получаем

L₁≈2·10^-8·2·10⁷·n₁=4·10^-1·n₁.

Если, как ранее было указано, положить n₁=10³, то

L₁≈400 [Гн],

откуда

L≈1000 [Гн].

Для окончательного определения параметров тороида и дросселя L полагаем

n=n₁=10³, µ₁=10⁵, r=5 м, S₁=S=0.1 м², µ=10⁵.

Тогда из равенства , где l - длина дросселя (соленоида), получаем

l=4π≈12.5 м.

Сопротивление, вносимое нагрузкой в контур, теперь можно оценить, т.к. и, следовательно,

Таким образом R_∑=5[Ω] и постоянная затухания контура .

Т.е. за время t_e≈9 мин ток в контуре уменьшится в е раз. Двигатели в резонансном включении смогут за это время надежно работать, так как номинальное для их работы напряжение питания поддерживается автоматическим регулятором.

Проблема высокого напряжения на емкости решается с помощью современных высоковольтных конденсаторов на напряжения до сотни киловольт.

Рассмотрим контур двигателя, представленный на фиг.3.

На фиг.3 влияние ротора учтено в L_∂ и R_∂. Для двигателя мощностью 1 кВт ориентировочно L_∂≈0.5 Гн, a R_∂ можно оценить также, как и R_экв в силовом контуре, т.е.

Ток i_∂ в номинальном режиме составляет 5А, поэтому R_∂.экв≈40 [Ω]. Точная формула для оценки R_∂.экв сложна и включает множество параметров, в том числе характеризующие скольжение. Примем R_∂≈40 [Ω].

ЭДС контура Е определяется током i основного контура

где

µ_T - магнитная проницаемость сердечника трансформатора тока,

S_T - сечение сердечника,

n_T - число витков трансформатора тока,

r_T - средний радиус тороида трансформатора тока.

Исследование процессов в контуре фиг.3, в общем виде сложно, однако, учитывая весьма малый декремент затухания, можно упростить анализ, проведя его на частотном языке и предполагая, что амплитуда генератора Е медленно изменяется во времени, т.е.

E_m=E_m0·e^-R∑t\2L∑ из (16) следует E_m0=k·ω·i_m.

Тогда модуль напряжения на двигателе /U_∂/ можно записать в виде

Поскольку L_∂ зависит от режима работы двигателя, то, как было сказано выше, L_mp>>L_∂ и поэтому диапазон перекрытия определяется только индуктивностью L_mp. С учетом этого (17) можно переписать в более удобной форме:

где m²=(ω·τ_mp-1/τ_p)²; τ_∂=L_∂/R_∂; τ_mp=L_mp/R_∂; τ_p=C_p·R_∂.

Коэффициент m в (18) определяет диапазон перекрытия. Формально m²∈[0,∞). При m=0 имеет место резонанс и /U_∂/_max≃E_m·ωτ_∂ (учитывая, что при реальных параметрах двигателя ωτ_∂>>1). При m⇒∞ очевидно /U_∂/⇒0.

Рассмотрим пределы изменения E_m за время уменьшения i в е раз:

Иными словами, за время, отсчитываемое от момента удара молнии в течение 9 мин, двигатель должен стабильно работать, т.е. m² должен изменяться таким образом,

что (амплитудное напряжение на двигателе),

откуда .

При t=0 имеем

при t=t₁ имеем

Между этими двумя границами /m/ изменяется по закону

Проведем оценку границ при S_T≈10^-2 м²,

Тогда

Из равенства (8) получается оценка диапазона неопределенности тока, т.е.

Следовательно

Из (19) следует, что , где v<10

Тогда

При этом

/m₁/≈(4÷8), /m₀/≈(10÷20).

Таким образом, диапазон перекрытия оказывается равным /m/≈(4÷20).

Заметим, что диапазон регулировки не должен содержать m=0 (условие резонанса), так как границы диапазона неопределенности случайные величины.

Тогда

Из этого равенства следуют два решения

Для выбора решения необходимо провести оценку L_mp. Для тороида трансформатора тока

Так как L_mp должна быть много больше L_∂, а с другой стороны, при слишком большой L_mp, помимо конструктивных усложнений, как видно из формулы (20), резко сужается диапазон регулировки C_p, исходя из этих соображений, примем n_T=10². Тогда L_mp=6 [Гн].

Не сложно заметить, что больший диапазон регулировки дает верхнее решение(20), т.е.

С_р≈(2÷3)·10⁶ [Ф]=(2-3) [мкФ]

Максимально возможное напряжение на конденсаторе С возникает при резонансе и равно

Относительно выбора типа конденсатора C_p соображения те же, что и приведенные выше, а схема регулировки представлена на фиг.4. На фиг.4 показана схема дискретной регулировки, но возможна и плавная, а также комбинированная.

Реализация устройства утилизации энергии молнии не требует разработки специальных технологий и материалов для изготовления электромагнитных устройств, стартового тороида L₁, рабочей индуктивности L и трансформатора L_mp.

Электродвигатели - асинхронные переменного тока мощностью ориентировочно 1 кВт.

При необходимости применения 3-фазного двигателя используют общепромышленные преобразователи частоты /ПЧ/, имеющие штатную функцию формирования стандартного 3-фазного напряжения силовой сети при однофазном питании собственно ПЧ и выходную мощность, достаточную для питания применяемого 3-фазного электродвигателя, например ПЧ серии VFD фирмы «DELTA ELECTRONICS, INC» корпорации DELTA (DELTA GROUP COMPANIES) Тайвань.

Регулятор автоматический общепромышленный, стандартный, например, типа «МИНИТЕРМ-400» производства Московского Завода Тепловой Автоматики или серии UDC фирмы «HONEYWELL»

Переключатель конденсаторов (фиг.4) изготавливается по стандартным технологиям высоковольтных цепей.

В качестве привода переключателя может быть применен общепромышленный исполнительный механизм, например, серии МЭО производства МЗТА (Москва) или ООО «МЕТРАН» (РФ) или ему аналогичный.

Датчик напряжения переменного промышленной частоты - общепромышленный, информационно сопрягающийся (по крайне мере, по категории унифицированного сигнала токового (4…20) мА) с общепромышленными средствами КИП и А, например типа У855.3ЭС (Республика Беларусь, г.Витебск).

Конденсаторы - высоковольтные типа К75-90 на 40 кВ производства фирмы «Элкод» или производства фирмы «AVX High Voltage Capacitors HP/HW/HK Type - Strontium-based Dielectric» типа НР60Е90751М (на 100 кВ).