способ получения электрической энергии

Формула изобретения

Способ получения электрической энергии, включающий подключение к RLC-цепи, в которой автоколебательно генерируют электрический ток, нагрузки потребителя, отличающийся тем, что RLC-цепь, в которую дополнительно включают реле и математической моделью которой является уравнение



где R, L, C активное сопротивление, индуктивность и электрическая емкость цепи, соответственно;

U_с напряжение внешнего электрического поля;

h_о коэффициент модуля обратной связи;

- собственная частота RLC-цепи и внешнего поля, рад/с;

q, t электрический заряд и время, соответственно, создают путем подбора ее параметров в зависимости от параметров внешнего поля следующим образом



R 2f L,



где E, f величина напряженности внешнего поля и его частота, соответственно, Гц;

k постоянная Больцмана;

T температура окружающей среды, К;

(T_o) - максимальный размер энергетической щели при Т ОК,

причем h_о устанавливают из условия минимизации выражения



а нагрузку потребителя подключают к электрической цепи вместо ее активного сопротивления по срабатыванию реле, настроенного на заданный ток.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для использования во всех областях промышленности, науки и техники, где необходимо потребление энергии.

К настоящему времени основными энергетическими источниками являются тепловые, гидро- и атомные станции. Вклад энергетических источников других типов, например источников, использующих энергию ветра, морских приливов, лучей Солнца, геотермальных источников и т.д. составляет единицы или доли процента по сравнению с вкладом первых трех.

Не смотря на различие всех этих типов по способу получения энергии, их объединяет одна важная особенность (за исключением разве что источников, использующих энергию солнечных лучей), заключающаяся в том, что задача получения ими энергии обязательно сопряжена с задачей ее передачи потребителям. Это требует создания распределительных и передающих устройств и систем, систем управления, что чрезвычайно усложняет и удорожает ее потребление. Кроме того, процесс получения энергии первыми тремя типами станций сопряжен или с экологическим загрязнением, или с нарушением природно-климатических условий, а работа тепловых станций (обеспечивающих наибольший вклад в производство энергии), более того, требует работы целых отраслей промышленности по добыче угля, нефти и газа, а также их переработке. Необходимость передачи электрической энергии, кроме всего, делает невозможным ее использование в некоторых случаях, например в труднодоступных местах, в воздушном и водном транспорте и т.д. В этих случаях применяются двигатели внутреннего сгорания, использующие непосредственно энергию от сгорания нефти и газопродуктов, что также диктует необходимость работы добывающих отраслей промышленности.

Целью настоящего изобретения является непосредственное получение электрической энергии экологически чистым, не требующим затрат топливных ресурсов способом практически в любом месте, в любое время и в количестве, необходимом для ее потребления.

Для достижения этой цели здесь предлагается использовать устройство, работа которого основана на сочетании параметрического и автоколебательного способа генерации электрических колебаний, причем при дополнительно определенных условиях, расширяющих их возможности за рамки, установленные к настоящему времени из известного уровня науки и техники. Имеется в виду возможность такой эффективной генерации электрической энергии, при которой ее коэффициент полезного действия КПД превышал бы 1, т.е. мощность, выделяемая на сопротивлении потерь, превышала бы общую питающую устройство мощность, что дало бы, в свою очередь, основание говорить о новом способе получения энергии.

К настоящему времени известен способ параметрической генерации, заключающийся в периодическом изменении параметров колебательного контура: L или C (в данном случае будет рассматриваться изменение только C). В основе этого способа лежит теория параметрической генерации, разработанная Л.И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси [Л.И. Мандельштам. К теории параметрической генерации. Собрание трудов Л.И. Мандельштама, т. 2, АН СССР, 47 г. стр. 374] Согласно этому способу, если выбрать частоту и величину изменения емкости таким образом, чтобы вся система была близка к границе параметрического резонанса, то слабые внешние сигналы определенной частоты вызовут в контуре вынужденные колебания значительной амплитуды. При этом известно, что, если работа, совершаемая против сил поля конденсатора, работа "накачки" больше, чем рассеяние энергии на сопротивлении потерь контура, то в нем возбудятся колебания на его собственной частоте и при отсутствии ЭДС сигнала. Известно также, что выделяемая при этом на сопротивлении потерь контура мощность может равняться мощности "накачки", а КПД, таким образом, может достигать 1 [СВЧ - Полупроводниковые приборы и их применение. гл. 8. Под ред. Г. Уотсона. Перевод с англ. Под ред. д-ра ф.м.н. проф. В.С. Эткина. М. "Мир", 72 г, стр. 228]

На этом принципе Л.И. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси были построены параметрические генераторы [Л.И. Мандельштам, Н.Д. Папалекси. К вопросу о параметрической регенерации. "Известия электропромышленности слабого тока", 1935 г. N 3, стр. 1-7] В последующие годы, вплоть до середины 70-х, это направление получило сильное развитие, было подано множество заявок [например, Г. И. Рукман. Параметрический генератор. А.С. N 111720. Заявлено 19.07.57, кл. H 03B 09/00] однако до конца все возможности этого способа, на мой взгляд, исследованы не были. Для этого необходимо было вернуться назад и решить заново классическую задачу Ланжевена для броуновского параметрического осциллятора в ее новой постановке. Но даже при наличии желания этого сделать было нельзя, так как математический аппарат для ее решения в это время (50-е 60-е годы) еще только создавался (имеются в виду уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова - ФПК и методы их решения).

Из теории параметрической генерации известно, что работа "накачки" может быть интерпретирована как внесение отрицательного сопротивления R(-) в контур. Величина R(-) может быть вычислена, если энергию, получаемую контуром на частоте сигнала от источника "накачки" за 1 с приравнять -U²_м/2R(-) [К.В. Филатов. Введение в инженерную теорию параметрического усиления. "Советское радио", М. 71 г. стр. 6, 7] т.е.

где U_m амплитудное значение возбуждаемого в контуре сигнала: U U_mcos(Wt );

DC 2C₁ полное изменение емкости C₀, изменяемой по закону C C₀ C₁sin2Wt;

сдвиг фаз между сигналом в контуре и сигналом "накачки",

откуда

.

Отсюда видно, что величина R(-), а следовательно, и усилие зависят от фазы -: при = 0 усиление и 1/R(-) максимальны, при = /2 R(-)>0 и сигнал не усиливается, а поглощается. При фазе же, стремящейся к /4, R(-) будет стремиться к но ни при такой фазе R(-) не может быть меньше, чем , что требуется для обеспечения равенства R(-) сопротивлению потерь контура R. На важность этого момента не было обращено достаточного внимания в теории параметрической генерации. Но именно благодаря ему, как показали исследования стохастической и динамической модели такого генератора [П.В. Харитонов. Об ограничении тепловыми шумами предельной чувствительности ротационного гравитационного градиентометра с параметрической модуляцией коэффициента обратной связи. Журнал "Гироскопия и навигация". N 2, 1993 г. ЦНИИ Электроприбор, г. Санкт-Петербург] можно обеспечить при определенных условиях возникновение эффекта, обозначенного как динамическая сверхпроводимость, на базе которого было бы возможно осуществление предлагаемого изобретения. Впрочем, из теории параметрической генерации известно, что вынужденные колебания теоретически должны бы нарастать до бесконечной амплитуды даже при наличии трения в системе. Однако фактически только при малых амплитудах, когда система линейна, происходит такое нарастание энергии. С увеличением аплитуды колебаний существенную роль начинают играть нелинейные члены уравнения, которые не содержались в исходной математической модели контура. Поэтому практически амплитуда колебаний должна быть ограниченной. Тем не менее особый интерес, как было уже сказано выше, имеет момент возникновения самовозбуждения, т.е. когда общее сопротивление контура _R R + R(-) 0. В этом случае утверждается, что формально в такой системе могут существовать незатухающие колебания с любой амплитудой.

Однако в действительности в реальной системе невозможно осуществить точное равенство R 0 по причине того, что физические параметры всегда будут с течением времени немного изменяться и R будет больше или меньше нуля. При R>0 колебания будут затухать, а при R<0 сначала будут нарастать, но по мере нарастания все большую роль будет играть фактор нелинейности и поэтому снова затухать. В результате будут иметь место неустойчивые колебания, то затухающие, то нарастающие [С.П. Стрелков. Введение в теорию колебаний. М. "Наука"-64 г. стр. 43, 177, 179] Кроме того, при R 0 возможно, как утверждается в П. С. Ланда. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы. М. "Наука" -80 г. стр. 23, осуществление фазовых переходов 1-го и 2-го рода. А именно с фазовым переходом 2-го рода и связан переход некоторых металлов и соединений в сверхпроводящее состояние.

Предлагаемый способ в отличие от известного как раз и базируется на утверждении о принципиальной возможности осуществления R 0 и, кроме того, R R(-), что также обеспечивает возникновение эффекта динамической сверхпроводимости. Здесь R(-) определяется согласно результатам исследования динамической модели как



что при дополнительно введенных соотношениях

,

определяемых, как будет сказано ниже, из условия минимизации дисперсии в решении задачи Ланжевена, легко преобразуется к виду



или с учетом того, что h₀ C₀/C₁ и DC 2C₁, к виду, аналогичному (2^*):

,

откуда видно, что вносимое в контур R(-) по абсолютной величине должно быть меньше R(-), определяемого по выражению (2^*) в 4 раза. При этом, подставляя соотношение в известное выражение для собственной частоты контура , получаем выражение, имеющее фрактальный характер для параметров контура, что имеет важное значение как условие, способствующее становлению самоорганизующихся процессов.

Другим признаком, характеризующим предлагаемое изобретение, является автоколебательный способ возбуждения электрических колебаний в контуре. То есть здесь параметрическое воздействие на C₀ контура предлагается осуществлять за счет модуляции положительной обратной связи с определенным коэффициентом ее усиления путем использования устройства, питающегося от постоянного источника и реализующегося две основные функции: умножение входного сигнала по частоте на 2 и усиление его с определенным из расчета коэффициентом усиления. В общем случае устройство должно обеспечивать максимальную техническую реализацию определенной и указанной ниже по описанию динамической схемы такого контура (автогенератора).

Таким образом, в силу того, что предлагаемый способ предполагает использование устройства, которому присущи два основных признака: 1) наличие основной колебательной системы и 2) наличие звена обратной связи, управляющего постоянным источником энергии, его можно отнести и к автоколебательной системе. В качестве ее аналогов могут быть, например, устройства

1) С. С.Судаков. Устройство генерирования сложных периодических колебаний. H 03B 5/08, А.С. N 371851 от 5.02.76 г.

2) Ю.И.Судаков, Д.Я.Нагорный. Автогенератор. H 03B 5/00, А.С. N 1401548 от 7.06.88 г. Бюл N 21;

3) Е. Е. Юдин, В.П.Яценко. Автогенератор. H 03B 5/00, А.С. N 653724 от 28.03.79 г.

4) Е.Ф.Зимин, Г.П.Гаев. RC-Автогенератор низкой частоты. H 03B 5/00, А. С. N 292207 от 6.01.71 г.

5) Ю.К.Рыбин, М.С.Ройтман, Э.С.Литвак. Автогенератор. H 03B 5/00, А.С. N 664273 от 25.05.79.

Однако всевозможные модификации автоколебательного способа, реализуемые этими устройствами, не способны в силу вышеназванных причин обеспечить эффективность генерации электрической энергии с КПД, большим 1, что позволило бы устройствам приобрести новое качество быть источниками электрической энергии.

Этим качеством обладает предлагаемый здесь способ. Динамической схемой или математической моделью автоколебательной системы, реализующей предлагаемый способ, является обобщенное уравнение Матье:



где второе слагаемое в равной части представляет собой управляющее воздействие через обратную связь по q электрическому заряду:

(2) U_упр = K_осcos2wtq,

U_c сигнал внешнего поля,

R, L, C активное сопротивление, индуктивность и электрическая емкость колебательного контура соответственно.

Если учесть здесь необходимое из условия минимизации дисперсии соотношение f=R/(2L) и подставить его в известное выражение для определения собственной частоты контура: , то получим необходимое для реализации заявляемого способа соотношение между всеми параметрами контура:



f резонансная частота контура (Гц),

h₀ коэффициент модуляции обратной связи.

Примечание: Достижимое количество знаков после запятой в коэффициенте - h₀ зависит от стабильности этих параметров.

Соотношения f R/2L и , как показано в работе "Об ограничении тепловыми. " (первое в ней записано как W = 2_o) обеспечивают минимизацию дисперсии взаимного отклонения гантелеобразных масс градиентометра, за счет чего повышается его чувствительность и обеспечивается возможность накопления им гравитационной энергии, причем при значении h₀ 0,553 процесс накопления имеет линейный характер, а при значении h₀ 1,0365 экспоненциальный. Выражение для дисперсии взаимного отклонения здесь определено как



т.е. известная формула Эйнштейна-Смолуховского в этом случае дополняется множителем H(h₀)/2, зависящим от коэффициента модуляции обратной связи, фиг. 1.

При решении же аналогичной этой, классической задачи Ланжевена для брауновского гармонического осциллятора с модуляцией коэффициента квазиупругой связи -_c эта формула принимает общий вид



а в применении к электрическому колебательному контуру, описываемому уравнением (2), эта же формула для дисперсии заряда будет такой:

.

Учет регулярной составляющей U_ccost при исследовании стохастических уравнений по уравнению (2) и при выполнении соотношения (3) не выявил ее влияния на результирующую дисперсию, т.е. формула (6) остается справедливой и в этом случае.

Дисперсии заряда, определяемой по этой формуле, соответствует разброс энергии:

.

Здесь необходимо отметить, что понятие разброса энергии, а также понятие дисперсии играют ключевую роль при формировании понятий статической физики.

Однако по исторически сложившейся традиции таким ключевым понятием принято считать произведение kT, т.е. температуру, так как это единственно существенный параметр, от которого зависит дисперсия.

Поэтому, не нарушая как принятой традиции, так и принятого подхода к формированию определений статической физики, можно ввести понятие эффективной температуры T_эф TH(h₀)/2.

Таким образом, эта формула сохранит свой прежний вид, т.е. применительно к электрическому колебательному контуру

,

или для эффективной ширины энергетического максимума

.

Другими словами, выдерживая определенное значение h₀, можно определить эквивалентную или эффективную температуру контура. Так, например, при значении H(h₀ 1,0365) 1,710^-5, что возможно при соблюдении стабильности параметров контура с точностью C не более 0,2% R не более 0,5% L не более 2% эффективная температура при 300 K будет иметь значение T_эф 2,5510^-3 K.

Но при такой температуре контур должен находиться в сверхпроводящем состоянии, которое характеризуется образованием энергетической щели , размер которой (при T_эфT_c) можно определить по формуле [Е.М.Лифшиц, Л.П.Питаевский "Статистическая физика, ч.2. Теория конденсированного состояния", стр. 193]



Однако из квантовой статистики известно, что сверхпроводящее состояние проводника, находящегося в электромагнитном поле, может быть разрушено при определенной величине его параметров.

Для определения критических параметров этого поля можно воспользоваться методом, принятым в квантовой статистике, однако это же можно сделать, используя соотношение (3) (заодно показав как из него следует сверхпроводимость), а также равенство между энергией, запасенной индуктивностью при протекании по ней сверхпроводящего тока, и кинетической энергией электронов, образующих этот ток. Покажем, что результаты, полученные таким способом, полностью совпадают с результатами, полученными методом, принятым в квантовой статистике.

Запишем вначале равенство между энергией, запасенной индуктивностью, и кинетической энергией сверхпроводящих электронов [О.Г.Вендик, Ю.Н.Горин. Криогенная электроника. М. 77 г.

.

Отсюда можно определить, что кинетическая индуктивность, характеризующая сверхпроводящее состояние контура, будет равна

(10) L_к = m_el/(n²_eS).

С другой стороны, воспользовавшись выражением для L из соотношения (3), получим

(10) L = l/(2Sf) = m_el/(n_ee²Sf),

где = 2m_e/(e²n_e) удельное сопротивление проводников контура;

время свободного пробега электронов.

Отсюда видно, что для достижения сверхпроводящего состояния контура необходимо потребовать, кроме всего, чтобы t было равно периоду колебаний внешнего поля, т.е. должно выполняться равенство tf = 1.

Отсюда можно заключить, что в сверхпроводящем состоянии электроны, двигаясь равноускоренно под действием поля, из условия неразрушения сверхпроводимости (или сохранения коррелированного движения) должны за время приобрести скорость не большую, чем критическая v_кр, причем половину длины свободного пробега они должны ускоряться, а следующую половину тормозиться, как это изображено на фиг. 2. При таком представлении в контуре должен возникнуть постоянный электрический ток, величину которого можно определить из выражения

(11) I_max en₀Sv_кр,

где для v_кр можем записать at v_кр (a ускорение электронов под действием поля) или

(12) E_maxe/m_e = v_кр.

Отсюда для E_max получаем

(13) E_max=m_ev_крf/e,

то есть величина напряженности электрического поля должна быть не более той, чем это позволят f и v_кр.

Максимально допустимая скорость v_кр должна определяться, очевидно, размером энергетической щели и здесь нельзя обойтись без понятий квантовой статистики. Покажем, что с использованием этих понятий для определения E_max мы также придем к выражению (13). Согласно этим понятиям максимальное значение амплитуды E_max, при котором разрушается сверхпроводимость, определяется равенством [О.Г.Вендик, Ю.Н.Горин. "Криогенная электроника", М. 77 г.

(14) E_max = hf/(e_o) где:

_o = hv_F/(2(T)) размер области коррелированного движения электронов в куперовской паре (длина когерентности);

скорость хаотического движения электронов (скорость Ферми);

E_F(O) = h²/(2m_e)(3n_e/8)²¹³ 8,84710^-19 Дж. - энергия Ферми при Т 0 [А. И.Ансельм. Основы статистической физики и термодинамики. М. Наука, 73 г. стр. 291]

Критическая же скорость определяется из условия не превышения кинетической энергии электронов при их участии в дрейфе пары как целого, т.е. бозона. Исходя из этого, критическая скорость куперовской пары (бозона) определяется как

(15) v_кр = (T)(m_ev_F).

Подставляя отсюда v_F в выражение для _o, а _o в выражение (14) для E_max, получим

(16) E_max = f(t)/(ev_F) = m_ev_крf/e,

что полностью совпадает с (13).

Отсюда можно заключить, что соотношение (3) полностью удовлетворяет определенным в квантовой статистике условиям сверхпроводимости, т.е. организация обратной связи в колебательном контуре при условии выдерживания его параметров и коэффициента модуляции в соответствии с соотношением (3) приводит этот контур в состояние, эквивалентное при низких температурах, т.е. в сверхпроводящее состояние. В силу того, что это явление возникает при нормальной температуре, но при определенном способе управления, оно было обозначено как динамическая сверхпроводимость.

В данном случае за способ управления принимается такое управление, при котором поведение системы описывается обобщенным уравнением Матье. Однако вполне возможно, что этот способ не является единственным [см. например, Ю. Л. Климонтович. Нелинейное броуновское движение. Журнал "Успехи физических наук". N 8, 94 г. т. 164] Здесь дается обзор теории броуновского движения, которое описывается нелинейными уравнениями Ланжевена и соответствующими уравнениями ФКП, в частности устанавливается зависимость структуры уравнения Эйнштейна-Смолуховского от значения коэффициента обратной связи при взаимодействии броуновской частицы со средой.

Тем не менее для данного конкретного случая можно заключить, что электрический колебательный контур, находящийся в переменном электрическом поле, можно привести в состояние динамической сверхпроводимости, организуя для этого управление согласно (2") и задавая при этом соотношение между его параметрами, параметрами управления и параметрами электрического поля в виде



Для колебательного контура, параметры которого имеют указанную выше стабильность, удовлетворяют этим соотношениям и где в качестве проводников используется медный провод сечением 1 мм², величина v_кр, определяемая из (15) при Т T_эф, будет иметь значение v_кр 168,4 м/с, а максимальный ток соответственно (17) I_max en_eSv_кр 1589976 А/мм².

При этом при напряженности электрического поля, к примеру, не более 1 В/м резонансная частота контура должна быть не менее 162800 Гц, а для частоты не менее 50 Гц напряженность электрического поля должна быть не более 4,7810^-8 В/м, т.е. в этом случае необходима экранировка всего контура (так как помеховая напряженность электрического поля в этом диапазоне доходит до нескольких единиц В/м).

Однако здесь важно отметить, что этот ток (точно так же, как и в известном случае со сверхпроводимостью) не должен сопровождаться диссипацией энергии, т.е. выделением ее по закону Джоуля Ленца на R контура в силу того, что одновременно с увеличением тока произойдет соответствующее увеличению уменьшение удельного сопротивления контура согласно зависимости

(18) = 2m_e/(e²n_e).

При этом не произойдет нарушения параметрического соотношения (3"), так как параметры C и L также изменятся соответственно R. Эти новые значения R, C и L можно также обозначить как динамические.

Для выделения энергии на R контура необходимо нарушить условия его сверхпроводимости, для чего можно отключить модуляцию или просто обратную связь. При этом сопротивление контура примет исходное значение и выделенную на нем мощность можно определить по формуле

.

Исходя из этого, алгоритм управления устройством для получения электрической энергии может быть следующим.

В цепь колебательного контура включается токовое реле РТ с определенным из уровня энергетической потребности порогом срабатывания (при этом сопротивление, вносимое в контур реле, должно также учитываться соотношением (3")). При достижении током порогового значения реле срабатывает и отключает обратную связь, обеспечивая тем самым выделение энергии, а при уменьшении его до значения I_min, оно вновь включает обратную связь, обеспечивая этим новый цикл увеличения I до очередного I_пор, и т.д. Вместо R этот ток можно непосредственно подавать на исполнительный механизм (электродвигатель и т. д). При этом алгоритм управления будет тот же. Примером устройства, реализующего этот способ, может быть устройство, изображенное на фиг. 3.

Для подтверждения реальности предлагаемого способа получения электрической энергии был проведен физический эксперимент.

В качестве сигнала внешнего поля использовалась электрическая напряженность, создаваемая естественным гравитационным полем Земли. Величину этой напряженности можно определить из эквивалентности действия гравитационного градиента действию электрической напряженности по смещению свободных электрических зарядов относительно их равновесного положения в проводнике длиной l:

(20) E Гm_еl/е 1,710^-17 В/м,

где Г 310^-6 c^-2 гравитационный градиент на поверхности Земли. Сигнал такой малости давал возможность исключить необходимость экранировки контура и вместе с тем давал возможность на низких частотах (50-400 Гц) растянуть во времени процесс возрастания тока. Однако по причине несинхронизованности генератора источника модуляционного сигнала с входным сигналом контура (взаимная подстройка этих частот осуществлялась вручную) имело место образование набега фазы. По этой причине нарастание тока за время порядка 1-5 с ограничивалось величиной 0,1-12 мА, причем амплитуда и скорость нарастания зависели от частоты входного сигнала и скорости набега фазы. При более низкой частоте входного сигнала амплитуда и скорость нарастания тока были больше, чем при более высокой, и при уменьшении скорости набега фазы скорость нарастания тока уменьшалась, но до более высоких амплитуд, чем при ее увеличении. То есть за счет образования набега фазы возникающий в контуре постоянный ток начинал осциллировать относительно какого-либо среднего в пределах 0,1-12 мA значения. Визуально частота осцилляций в зависимости от скорости набега фазы составляла 0,2-2 Гц.

Подобное поведение тока при неизменных параметрах имело место в течение всего времени наблюдения продолжительностью до 2 ч.

Степень соответствия измеренных в эксперименте значений тока и вычисленных расчетным путем составила 10-20%

Наблюдаемая картина поведения тока полностью объясняется в рамках описанного выше способа.

В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию эксперимента.