| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2277744
ПРИСТРІЙ АКТИВНОЇ БЛИСКАВКОЗАХИСТУ І ВІДБОРУ ЕНЕРГІЇ МОЛНИИ
Ім'я винахідника: Шпігановіч Олександр Миколайович (RU); Свиридов Павло Миколайович
Ім'я патентовласника: ЛИПЕЦЬКА державного технічного університету (ЛДТУ)
Адреса для листування: 398600, г.Ліпецк, вул. Московська, 30, ЛДТУ НІС
Дата початку дії патенту: 2004.02.26
Винахід відноситься до електроенергетики, зокрема до техніки захисту об'єктів від атмосферних перенапруг і техніці отримання електричної енергії альтернативними способами. Суть винаходу: в якості блискавкоприймача використовується вертикальна токопроводящая ізольована від землі труба, всередину якої вниз дном вставлений товстостінний діелектричний стакан так, щоб верхня частина труби височіла над краями склянки. На внутрішню поверхню стінок склянки нанесено заземленное струмопровідні покриття. Труба-молниеприемник електрично з'єднана з одним кінцем первинної обмотки трансформатора, інший кінець якої заземлений. Індуктивність первинної обмотки і ємність, сформована токопроводящей трубою, стінками склянки і струмопровідних покриттям, утворюють паралельний коливальний контур. Розряд блискавки на трубу-молниеприемник ініціюється протяжним оптичним пробоєм, який формується Беселевих пучком імпульсного інфрачервоного лазера. Конфігурацію і напрямок гріє пучка формує керовану дихроичное дзеркало, розташоване всередині склянки. Це дзеркало одночасно працює в складі системи оптичного сканування атмосфери, необхідної для виявлення відомим методом оптичної локації зон з критичними градиентами напруги в нижній частині грозових хмар. Енергія, що знімається з вторинної обмотки трансформатора, використовується для харчування всіх систем пристрої, і частина її може передаватися споживачам. Винахід дозволяє підвищити надійність грозозахисту і площа території, що захищається, одночасно даючи можливість отримання електричної енергії в результаті відбору її з каналів розрядів блискавок, що відводяться на струмопровідну трубу.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до електроенергетики, зокрема до техніки захисту об'єктів від атмосферних перенапруг і техніці отримання електричної енергії альтернативними способами.
Відомо пристрій, в якому вертикальна металева антена-штир, встановлена на гнучкому тросі по центру всередині конусоподібної спіральної пружини з ізоляційного матеріалу, розгойдується за допомогою стиснення і розтягування пружини. При цьому нижній кінець троса-зниження за допомогою гнучкого додаткового троса заземлюється через обмотку трансформатора, на вторинній обмотці якого створений електричний коливальний контур, і ця енергія використовується для передачі споживачам (RU 96122019, МПК Н 02 Н 003/22, дата публікації 10.01.1999 г). Пристрій взято в якості прототипу пристрою активного блискавкозахисту і відбору енергії блискавки. Перший недолік прототипу в тому, що якою б довгою була антена-штир (а довжина її обмежена), зона захисту локалізована навколо пристрою і має розміри, не сильно перевершують зону захисту статичного стрижневого блискавковідводу такої ж висоти. При цьому взагалі немає потреби в розгойдуванні молниеприемника - досить нерухомо закріпити кілька однакових жердин нижніми кінцями в одній точці таким чином, щоб верхні їх кінці розходилися на зразок волоті. Другий недолік в тому, що енергія розряду блискавки відводиться на індуктивність - первинну обмотку трансформатора, а коливальний контур влаштований на вторинній обмотці цього трансформатора. В результаті чого при розряді блискавки її ударний струм буде протікати по первинній обмотці трансформатора і генерувати в ній імпульс у вигляді спектра електромагнітних коливань всіляких частот. Коливальний контур, створений на вторинній обмотці, виділяє з цього спектру лише резонансну частоту. Коефіцієнт корисної дії подібного перетворення невисокий.
Відомо і пристрій на основі способу, згідно з яким заземлений стрижень розташовують вертикально, при цьому додатково використовують ультрафіолетовий лазер (або інше джерело, іонізуючий повітря), промінь якого направляють уздовж заземленого стрижня вертикально в вищерозташованих шари атмосфери, створюючи тим самим в повітрі струмопровідну смугу з іонізованих газів, яка служить провідником для проходження блискавки в стрижень, де вона нейтралізується заземленням (RU 2000125979, МПК Н 02 Н 003/22, дата публікації 10.09.2002 г). Перший недолік даного пристрою в тому, що стрижень глухо заземлений, а енергія розряду блискавки ніяк не використовується. До другого недоліку відноситься використання лазера ультрафіолетової частини спектра і пов'язані з цим невиправдано великі витрати енергії на ініціацію оптичного пробою.
Істотні ознаки, що відрізняють Пристрій активного блискавкозахисту і відбору енергії блискавки від прототипу, такі. Як блискавкоприймача використовується вертикально розташована токопроводящая циліндрична труба, в яку знизу до рівня внутрішньої поверхні дна міцно вставлений циліндричний товстостінний стакан з діелектричного матеріалу з великою відносною діелектричною проникністю таким чином, щоб верхня частина труби височіла над краями склянки. На внутрішню поверхню стінок склянки знизу від дна до деякого рівня нанесено заземленное струмопровідні покриття. Частина, що залишилася вільною від струмопровідного покриття внутрішня поверхня стінок склянки, щоб уникнути замикання струму блискавки з струмопровідної труби на покриття, виконане гофрованої горизонтальними круговими канавками і виступами. Струмопровідна труба ізольована від землі і електрично з'єднана з одним кінцем первинної обмотки трансформатора, інший кінець якої заземлений. Ємність токопроводящей труби і струмопровідного покриття разом з ув'язненою між ними бічною стінкою склянки і індуктивність первинної обмотки трансформатора утворюють паралельний коливальний контур. На рівні заземленого токопроводящего покриття всередині склянки геометричним центром на його осі обертання розташоване дихроичное кероване дзеркало, нормальна вісь відбиває якого утворює вільно змінюваний гострий кут з віссю обертання склянки. Навпаки дзеркала нерухомо закріплені мінімум два лазера, один з яких необхідний для формування протяжного оптичного пробою Беселевих пучком переважно інфрачервоній частині спектра, а другий - для підсвічування атмосфери в складі системи оптичного сканування атмосфери на наявність зон скупчення зарядів, так, щоб випромінюються ними співвісні гріє і скануючий промені відповідно потрапляли в геометричний центр дзеркала і відбивалися вгору. При цьому вісь відбитих променів при зміні кута між нормаллю дзеркала і віссю обертання склянки може вільно описувати правильний перевернутий конус з вершиною в геометричному центрі дзеркала, що стосується своєї бічною поверхнею внутрішньої окружності верхнього кінця струмопровідної труби. Вторинна знижує обмотка трансформатора, підключена до випрямляча, вихід якого шунтований конденсаторної батареєю, яка за допомогою конвертора струму, виконаного по одній із загальновідомих схем, приєднана паралельно акумуляторної батареї. Остання підключена до системи живлення, яка подає частину енергії на всі системи пристрою. Частина енергії акумуляторної батареї може використовуватися для передачі споживачам.
 |
 |
У складі Пристрої активного блискавкозахисту і відбору енергії блискавки (далі - пристрої) є наступні елементи (фіг.1). Система статичного контролю напруженості електричного поля в повітрі 1, яка весь час включена і працює в режимі очікування на сигнал, призначена для запуску пристрою в тому випадку, якщо модуль градієнта напруги в двох точках в повітрі на вертикальній трасі перевищить деяке критичне значення, яке вказує на підвищену скупчення електричних зарядів в нижніх шарах хмар. Система управління (СУ) призначена для включення всіх систем пристрої по сигналу від системи 1. Імпульсний лазер 2 (в якості нього може бути використаний Nd-лазер), що працює в ближньому або середньому ІЧ-діапазоні і має одну з загальновідомих систем формування вихрового хвильового фронту світлової хвилі, формує пучок Беселевих профілю достатньої потужності для створення протяжного оптичного пробою. Лазер 3 (наприклад, відпаяні СО 2 лазер) призначений для підсвічування атмосфери і в сукупності з керованим діхроічним дзеркалом 4, СУ і мінімум одним приймачем оптичного випромінювання 5 входить до складу системи оптичного сканування атмосфери. Система оптичного сканування атмосфери необхідна для виявлення відомим методом оптичної локації критичних градієнтів напруги в нижніх шарах грозових хмар (заснованому, наприклад, на ефекті Керра), тобто кордонів областей скупчення критичного заряду, і працює на сигнал. Для харчування всіх систем пристрої використовується система харчування спільно з розподільним пристроєм (РППУ). Молніепріемніком служить металева труба 6, електрично з'єднана з одним кінцем первинної обмотки трансформатора Т, інший кінець якої заземлений. Використання в якості блискавкоприймача труби дозволяє найбільшою мірою знизити ймовірність прориву блискавки до дзеркала 4. У трубу 6 знизу до рівня внутрішньої поверхні дна міцно вставлений циліндричний товстостінний стакан 7 з внутрішнім діаметром D з матеріалу з великою діелектричною проникністю 
і товщиною бічної стінки d таким чином, щоб верхня частина труби височіла над краями склянки. На внутрішню поверхню стінок склянки знизу від рівня дна до рівня l нанесено заземленное металеве покриття 8. При цьому, щоб уникнути перекриття розрядом блискавки проміжку між внутрішньою поверхнею труби 6 і заземленим покриттям 8 залишилася вільною від покриття 8 внутрішня поверхня стінок склянки виконана гофрованої горизонтальними круговими канавками і виступами 9. Щоб уникнути прямого замикання струму блискавки з зовнішньої поверхні труби 6 на землю, минаючи первинну обмотку трансформатора Т, труба 6 ізольована від землі, наприклад, приміщенням її разом з виступаючим дном склянки 7 в стакан 10 з діелектричного матеріалу. У дні склянок 7 і 10 виконаний наскрізний канал для підведення заземлення до металевого покриття 8, а й прокладки живлять і сигнальних кабелів до блокам, які є всередині. Дзеркало 4 використовується як в системі оптичного сканування атмосфери, так і для управління конфігурацією і напрямком випромінювання лазера 2. Так як енергія імпульсу випромінювання, що генерується лазером 2, має порядок 10 3 Дж і сконцентрована у вузькому пучку, на дзеркало 4 не повинні потрапляти абсолютно ніякі забруднення, в тому числі краплі води або інші атмосферні опади. Для цього служить система форсунок 11, які призначені для створення досить швидкого горизонтального потоку повітря над поверхнею, що відбиває дзеркала 4, що рухається ламінарно, що має температуру навколишнього повітря, і тим самим вносить мінімально можливі спотворення в конфігурацію відбитого від дзеркала випромінювання. Елементи 12, 13, КТ (конвертор струму) і 14 призначені для знімання і накопичення відібраної з каналу блискавки енергії.
Технічний результат роботи пристрою полягає в збільшенні ефективності захисту від грозової активності в ідеальному випадку в межах горизонту, що перекривається протяжним оптичним пробоєм, і в отриманні електричної енергії в результаті відбору її з каналів розрядів блискавок, що відводяться на струмопровідну трубу. При цьому частина одержуваної електричної енергії використовується для електроживлення лазерів та інших систем, в результаті чого пристрій може весь сезон грозової активності забезпечувати себе електроенергією, тобто можлива повністю автономна робота. У разі експлуатації пристрою в географічних зонах, де грозова активність найбільш висока, можлива його робота в режимі електростанції.
Пристрій працює наступним чином (фіг.2). При перевищенні модуля градієнта напруги в двох точках в повітрі на вертикальній трасі деякого критичного значення, що вказує на підвищену скупчення електричних зарядів на нижній межі хмар, система статичного контролю напруженості електричного поля в повітрі 1 посилає сигнал запуску (прозорими стрілками на фіг.2 показані напрямки сигналів , темними стрілками - напрямки потужностей) системі управління СУ. При цьому СУ включає всі інші системи пристрою. Як джерело підсвічування атмосфери в системі оптичного сканування атмосфери може використовуватися відпаяні СО 2 лазер 3, слаборасходящійся пучок на виході якого відомо як поляризований. Лазери 2 і 3 юстіруются так, щоб пучки, створювані ними, мали близькі паралельні один одному осі. Лазер 3 працює весь час, наприклад, в імпульсно-періодичному режимі, в той час як лазер 2 не діє і випромінює імпульс тільки по сигналу від СУ. Зондуючого випромінювання 15 лазера 3, проходячи вглиб нижніх шарів 16 грозових хмар, відбивається від них і розсіюється. При цьому кероване дзеркало 4 знаходиться в русі, направляючи зондуючого випромінювання 15 лазера 3 в різні точки нижніх шарів хмар. Алгоритм управління дзеркалом може бути будь-яким, важливо, проте, щоб (в разі використання одного скануючого лазера 3) зондує пучок 15 в результаті руху дзеркала покривав як можна більшу площу за досить короткий час. Приймач оптичного випромінювання 5, оснащений полярископом, виявляє відомі зміни поляризації відбитого зондуючого випромінювання 17, що відбуваються через розсіювання зондуючого пучка 15 на кордонах зон скупчення зарядів 18 нижніх шарів грозових хмар. Як тільки приймач 5 фіксує зміна поляризації відбитого зондуючого випромінювання, відповідне зоні скупчення критичного заряду, він посилає сигнал системі управління СУ. У цей момент СУ подає сигнал на генерацію лазеру 2 і на короткий проміжок часу, достатній для генерації імпульсу лазером 2, зупиняє (або припиняє) рух дзеркала 4. В результаті імпульс 19 лазера 2, відбитий дзеркалом 4, надсилається в тому ж напрямку, в якому була виявлена зона скупчення критичного електричного заряду 18. Оптичний пробій уздовж траси лазерного пучка 19 ініціює появу стримера між зоною скупчення заряду 18 і верхньою частиною металевої труби 6. Це викликає протікання ударного струму блискавки 20 по ланцюгу: земля - металеве покриття 8 - металева труба 6 - атмосферна траса - хмара 16, що, в свою чергу, збуджує загасаючий коливальний процес між зарядами ємністю, утвореної покриттям 8, склянкою 7 і трубою 6, і первинної обмоткою трансформатора Т, включеної по відношенню до неї паралельно. Т. е. Відбувається ударне збудження коливального контуру. При цьому в моменти розряду ємності на обмотку I трансформатора Т можлива її підзарядка струмом ще не втратив провідність каналу блискавки 20 (фіг.2). Для цього потрібно, щоб власна частота даного паралельного контуру була досить великою. Згідно фіг.1 через конструктивні і електричні параметри елементів пристрою в найпростішому випадку вона дорівнює
де 
0 - резонансна частота контуру;
С - ємність, утворена струмопровідних покриттям 8, бічною стінкою склянки 7 і токопроводящей трубою 6;
L - індуктивність первинної обмотки трансформатора Т;
D - внутрішній діаметр склянки 7;
d - товщина бічної стінки склянки 7;
- Відносна діелектрична проникність матеріалу склянки;
l - висота заземленого токопроводящего покриття 8.
Радіоімпульс, наведений в обмотці II трансформатора Т (фіг.2), випрямляється двухполуперіодним випрямлячем 12 і подається на конденсаторних батарей 13, де відбувається миттєве накопичення відведеної енергії, звідки потім за допомогою конвертора струму КТ, виконаного по одній із загальновідомих схем, проводиться плавний з'їм накопиченої енергії для зарядки акумуляторної батареї 14 з метою подальшої передачі її частини в РППУ. При цьому решта енергії може бути передана споживачам. Протягом всього часу роботи пристрою повинні працювати форсунки 11, створюючи над поверхнею, що відбиває дзеркала 4 горизонтальний ламінарний потік повітря 21.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Улаштування блискавкозахисту і відбору енергії блискавки, що містить молниеприемник, заземлений через обмотку трансформатора, що відрізняється тим, що блискавкоприймач є вертикально розташовану струмопровідну циліндричну трубу, в яку знизу до рівня внутрішньої поверхні дна міцно вставлений циліндричний товстостінний стакан з діелектричного матеріалу з великою відносної діелектричної проникністю таким чином, щоб верхня частина труби височіла над його краями, при цьому на внутрішню поверхню стінок склянки знизу від рівня дна до рівня, меншого висоти стінок, нанесено заземленное струмопровідні покриття, а що залишилася вільною від покриття внутрішня поверхня стінок склянки виконана гофрованої горизонтальними круговими канавками і виступами, струмопровідна труба ізольована від землі і електрично з'єднана з одним кінцем первинної обмотки трансформатора, інший кінець якої заземлений, на рівні заземленого токопроводящего покриття геометричним центром на осі обертання склянки розташоване дихроичное кероване дзеркало, нормальна вісь відбиває якого утворює вільно змінюваний гострий кут з віссю обертання склянки, напроти дзеркала нерухомо закріплені мінімум два лазера, один з яких необхідний для формування протяжного оптичного пробою, а другий для підсвічування атмосфери в складі системи оптичного сканування атмосфери на наявність зон скупчення зарядів так, щоб випромінюються ними співвісні гріє і скануючий промені відповідно потрапляли в геометричний центр дзеркала і відбивалися вгору, при цьому загальна вісь відбитих променів при зміні кута між нормаллю поверхні, що відбиває дзеркала і віссю обертання склянки може вільно описувати правильний перевернутий конус з вершиною в геометричному центрі дзеркала і що стосується бічною поверхнею внутрішньої окружності верхнього кінця струмопровідної труби, вторинна знижує обмотка трансформатора підключена до випрямляча, вихід якого шунтований конденсаторної батареєю, яка за допомогою конвертора струму, виконаного по одній із загальновідомих схем, приєднана паралельно акумуляторної батареї, остання підключена до системи живлення, призначеної для подачі частини енергії акумуляторної батареї на всі системи пристрою.
2. Пристрій за п.1, що відрізняється тим, що над діхроічним керованим дзеркалом з боків розташовані форсунки, які можуть створювати над поверхнею, що відбиває дзеркала стовп повітря, що рухається ламінарно в горизонтальному напрямку і має температуру навколишнього повітря.
Версія для друку
Дата публікації 15.02.2007гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.