Накопление и преобразование энергии
Изобретение относится к накоплению и преобразованию энергии, в частности к преобразованию кинетической или потенциальной энергии текучей среды, например газа, в электрическую энергию. Технический результат – расширение арсенала технических средств, обеспечивающих преобразование энергии текучей среды в электрическую энергию. Устройство содержит проточную камеру, имеющую впускное и выпускное отверстия для текучей среды. Пара электродов накопления заряда расположены на расстоянии друг от друга вдоль направления накапливания заряда и помещены внутрь проточной камеры. Генератор электрического поля выполнен с возможностью генерировать электрическое поле в проточной камере вдоль направления поля для разделения заряженных частиц в текучей среде. Траектория потока текучей среды между впускным и выпускным отверстиями может иметь направление с составляющей вдоль первого направления и составляющей вдоль второго направления. Также раскрыта система, содержащая устройство и связанный с ним способ. Изобретение может найти применение, например, в обеспечении источника энергии для электрического транспортного средства. 5 н. и 27 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.
Настоящее изобретение относится к накоплению и преобразованию энергии, в частности к преобразованию кинетической или потенциальной энергии текучей среды, например газа, в электрическую энергию.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Большинство решений для накопления энергии в масштабе портативных устройств предусматривают накопление энергии в химической форме в аккумуляторе или топливном элементе с целью преобразования накопленной энергии в электрическую энергию в тот момент, когда это необходимо. Большое количество исследований, проводимых в настоящее время, посвящено разработке и усовершенствованию аккумуляторов и топливных элементов с целью решить такие проблемы, как ограниченный срок службы аккумуляторов и безопасность использования топливных элементов.
Также известно накопление энергии в форме потенциальной энергии (давления) газа или жидкости. Например, известно использование электричества в течение времени малого энергопотребления для перекачки воды в сторону повышенного потенциала и для того, чтобы позволить перекачиваемой воде проходить через электрогенераторную турбину в течение времени высокого энергопотребления. Аналогично, также известно накопление энергии в газе при постоянном давлении (например, накопление энергии под водой) или при постоянном объеме (например, накопление энергии под землей). Однако такие формы накопления энергии требуют крупномасштабных установок и сложных устройств, в том числе турбины и электрических машин, для преобразования накапливаемой энергии в электрическую энергию.
Существует постоянная потребность в усовершенствованных или альтернативных формах накопления энергии, в частности, но не исключительно, в масштабе портативных устройств, например, так что они могут быть установлены в электрическом транспортном средстве.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В первом аспекте устройство для преобразования кинетической энергии текучей среды в электрическую энергию содержит проточную камеру, имеющую впускной и выпускной отверстия для текучей среды. Пара электродов накопления заряда расположены на расстоянии друг от друга вдоль направления накапливания заряда и размещены внутри проточной камеры. Генератор электрического поля выполнен с возможностью порождать электрическое поле в проточной камере вдоль направления поля для разделения заряженных частиц в текучей среде. Траектория потока текучей среды между впускным отверстием и выпускным отверстием имеет направление потока с составляющей вдоль направления накапливания заряда и составляющей вдоль направления поля.
Первое направление положительных и отрицательных заряженных частиц, разделенных электрическим полем, вызвано действием электрического поля, в целом заставляющего частицы двигаться в том же направлении, что и поток текучей среды, в результате разделения зарядов, а второе направление положительных и отрицательных заряженных частиц вызвано действием электрического поля, в целом заставляющего частицы двигаться в направлении, противоположном направлению потока текучей среды (т.е. приводя к положительному и отрицательному скалярному произведению направлений поля, индуцированного движением, и направления потока соответственно). Поскольку поток может по-разному влиять на заряженные частицы, между накапливающими электродами возникает дополнительное разделение зарядов в дополнение к разделению, вызванному электрическим полем, что приводит к преобразованию кинетической энергии потока текучей среды (возникающей, например, из потенциальной энергии давления в сосуде с текучей средой, находящейся под давлением) в электрическую энергию, которая может рассеиваться в нагрузке. В случае ионизированного газа или других текучих сред, которые имеют различную подвижность заряженных частиц, поток текучей среды может оказывать большее влияние на один вид заряженных частиц (например, ионы газа), чем на другой (например, электроны). В результате, частицы, более восприимчивые к потоку, будут преимущественно покидать проточную камеру через выпускной трубопровод, в то время как другие частицы будут преимущественно притягиваться к соответствующему электроду захвата, таким образом, увеличивая разность потенциалов между электродами захвата и обеспечивая электрическую энергию, вызванную избыточным зарядом.
Следует понимать, что в этом раскрытии описаны имеющиеся методики использования, которые представлены с целью иллюстрации, а не с целью ограничения объема настоящего раскрытия.
В некоторых вариантах реализации электрическое поле представляет собой ионизирующее электрическое поле для ионизации текучей среды. Текучая среда может представлять собой газ, как например воздух, аргон или неон, а ионизация текучей среды может включать генерирование плазмы и/или электрического разряда, например темного разряда или коронного разряда в проточной камере. В таких вариантах реализации одним из типов заряженных частиц являются электроны, вырванные из молекул газа, а другой тип заряженных частиц представляет собой результирующие положительно заряженные ионы газа. В частности, поток текучей среды может влиять на заряженные ионы в большей степени, чем на свободные электроны, в результате чего поток текучей среды уносит из проточной камеры больше заряженных ионов, нежели электронов, тем самым увеличивая разделение зарядов и, следовательно, электрический потенциал между собирающими электродами. В других вариантах реализации текучая среда может представлять собой жидкость, например, с положительно и отрицательно заряженными ионами в растворе.
В некоторых вариантах реализации генератор электрического поля содержит пару электродов генерирования поля, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль направления поля и находящихся на обеих сторонах проточной камеры. В некоторых вариантах реализации электроды генерирования поля могут быть представлены электродами, генерирующими заряд. В других вариантах реализации электроды генерирования поля могут быть отделены от электродов накопления заряда, и могут быть электрически изолированы от проточной камеры. Электроды генерирования поля могут приводиться в действие любым приемлемым источником напряжения, например, любым источником питания высокого напряжения (ВН), к примеру, имеющим в своем составе аккумулятор в качестве источника энергии. Приемлемый источник напряжения может дополнительно или взамен содержать конденсатор высокого напряжения.
В некоторых вариантах реализации направления поля и потока, а также направления накопления заряда и потока могут быть по существу параллельными. Преимущественно, это может максимизировать влияние потока текучей среды, несмотря на то, что данный эффект будет продолжаться до тех пор, пока имеет место быть ненулевое скалярное произведение направления потока и поля и/или направления накопления заряда. В некоторых вариантах реализации угол между направлениями поля и потока и/или угол между направлениями накопления заряда и потока может составлять от -n до n градусов или от 180-n до 180+n градусов, где значение n менее 45 градусов, например, менее 30, 20 или 10 градусов. В некоторых вариантах реализации значение n может составлять менее 5 градусов. В некоторых вариантах реализации направления поля и накопления заряда могут быть по существу параллельными. В некоторых вариантах реализации траектория потока проходит через один или оба электрода накопления заряда. Например, электроды накопления заряда могут представлять собой сетчатые электроды. Электроды накопления заряда могут быть центрированы на оси, совпадающей по меньшей мере с частью траектории потока.
Во втором аспекте система для преобразования кинетической энергии текучей среды в электрическую энергию содержит устройство, описанное выше. Система дополнительно содержит источник напряжения с ограничением по току, генерирующий ионизирующее электрическое поле, и нагрузку, подключенную к одному из электродов накопления заряда. В некоторых вариантах реализации нагрузка может быть подключена к электроду, имеющему более низкий потенциал, (то есть комбинированный электрод, генерирующий суммарное поле и накапливающий заряд, подключенный к отрицательному полюсу источника питания, или электрод накопления заряда, расположенный рядом с электродом, генерирующим поле, подключенный к отрицательному полюсу источника питания), который может в некоторых вариантах реализации обеспечивать повышенную производительность, например, в случае, когда текучая среда представляет собой ионизированный газ. Например, нагрузка может быть подключена между одним из электродов накопления заряда и нулевым электрическим потенциалом. Второй электрод накопления заряда может быть подключен к нулевому электрическому потенциалу. В некоторых вариантах реализации нагрузка может быть подключена к электродам накопления заряда в приборе, работающем в буферном режиме. Нагрузка может быть подключена с одной стороны к одному электроду накопления заряда, а с другой стороны - к другому такому электроду. Один полюс нагрузки и соответствующий электрод накопления заряда могут быть заземлены.
В некоторых вариантах реализации система содержит соединитель соединяющий впускное отверстие с контейнером, в котором находится текучая среда под давлением. Контейнер может быть соединен с соединителем с возможностью демонтажа, что позволяет заменить пустой контейнер новым контейнером, содержащим текучую среду под давлением. Контейнер может быть установлен в системе в закрепленном положении с устройством и может быть повторно наполнен текучей средой под давлением, например, через заправочное отверстие.
В некоторых вариантах реализации система содержит контроллер, регулирующий скорость потока текучей среды. Контроллер может быть выполнен с возможностью учитывать величину, характеризующую энергию, рассеиваемую нагрузкой, и регулировать скорость потока текучей среды в зависимости от величины, характеризующей энергию, рассеиваемую нагрузкой. Дополнительно или взамен, контроллер может быть выполнен с возможностью учитывать величину, характеризующую энергию, потребляемую нагрузкой, и регулировать скорость потока текучей среды в зависимости от величины, характеризующей энергию, потребляемую нагрузкой. Величина, характеризующая рассеиваемую энергию, может быть рассеиваемой мощностью, током, потребляемым нагрузкой, падением напряжения в нагрузке или их комбинацией. Величина, характеризующая потребляемую энергию, может быть требуемой мощностью, током, потребляемым нагрузкой, падением напряжения в нагрузке или их комбинацией, скоростью или необходимым крутящим моментом, если нагрузка представляет собой двигатель, и т.д. Контроллер может управлять клапаном, регулирующим поток текучей среды; некоторые или все контроллеры могут быть установлены на контейнере с текучей средой под давлением или вместе с ним и могут быть заменимы вместе с контейнером.
Нагрузка может представлять собой электродвигатель, например, установленный в электрическом транспортном средстве, таком как электрический или гибридный автомобиль, велосипед, трехколесный мотоцикл, водное судно, поезд или воздушное судно. Нагрузка может содержать сеть электроснабжения, например электроподстанцию общего пользования, или сеть электроснабжения одного или более коммерческих или жилых объектов, таких как одно или более из домов, квартир или тому подобного.
В третьем аспекте способ преобразования кинетической энергии текучей среды в электрическую энергию включает обеспечение прохождения текучей среды через проточную камеру вдоль направления потока. Текучая среда может находиться под давлением, и в связи с этим поток текучей среды может вызвать преобразование потенциальной энергии текучей среды под давлением в кинетическую энергию потока текучей среды. Электрическое поле прикладывается к текучей среде, протекающей в проточной камере. Электрическое поле имеет направление с составляющей вдоль направления потока. В результате положительные и отрицательные частицы текучей среды расходятся вдоль направления поля, при этом некоторые положительные и отрицательные частицы под действием напряжения смещения движутся в направлении, имеющем составляющую в направлении потока, а другие положительные и отрицательные частиц под действием напряжения смещения движутся в направлении, имеющем составляющую в направлении, противоположном направлению потока. Все положительные и отрицательные частицы накапливаются в соответствующем токосъемнике, и ток подается из одного из токосъемников для подачи электрической энергии на нагрузку.
В некоторых вариантах реализации способ включает ионизацию текучей среды, например газа, путем приложения электрического поля к потоку текучей среды для получения ионизированной текучей среды, содержащей отрицательные и положительно заряженные частицы. Ионизация текучей среды может включать в себя один или более видов генерирования плазмы и возникновения разряда, например темного или коронного разряда.
В некоторых вариантах реализации способ включает измерение величины, характеризующей энергию, рассеиваемую нагрузкой, и регулирование скорости потока текучей среды в зависимости от величины, характеризующей энергию, рассеиваемую нагрузкой. Дополнительно или взамен, способ может включать учет величины, характеризующей энергию, потребляемую нагрузкой, и регулирование скорости потока текучей среды в зависимости от величины, характеризующей энергию, потребляемую нагрузкой.
Четвертый аспект относится к электрическому транспортному средству, содержащему устройство и/или систему, описанную здесь. Пятый аспект относится к сети электроснабжения, содержащей устройство и/или систему, описанную здесь.
Раскрыты другие аспекты и варианты реализации, в которых траектория потока текучей среды между впускным отверстием и выпускным отверстием может иметь направление потока с составляющей в любом направлении относительно направления накопления заряда и направления поля, например, перпендикулярно одному или первому и второму направлениям, вместо того, чтобы быть ограниченной направлением потока с составляющей вдоль направления накопления заряда и составляющей вдоль направления поля.
В любом из описанных аспектов и вариантов реализации скалярное произведение направления потока и направления поля может быть отрицательным, то есть электрическое поле ускоряет движение отрицательно заряженных частиц, например электронов, действуя обычно в одном направлении с направлением потока текучей среды, в то время как поток текучей среды будет подавлять действие электрического поля на положительно заряженные частицы, например, положительно заряженные ионы газа. Это может обеспечить отличный результат благодаря большему влиянию потока текучей среды на движение ионов, чем на движение электронов, и на поток текучей среды, препятствующий по меньшей мере доле положительных ионов притягиваться к отрицательному собирающему электроду. В других вариантах реализации скалярное произведение направления потока и направления поля может быть положительным, и электрическое поле может ускорять движение положительно заряженных частиц, например ионов газа, действуя обычно в одном направлении с направлением потока текучей среды.
Следует понимать, что первое направление, осуществляющееся, как правило, вдоль второго направления или имеющее составляющую вдоль второго направления, эквивалентно наличию ненулевого скалярного произведения соответствующих векторов вдоль первого и второго направлений (или, если коротко, между двумя направлениями) или тому, что оба этих направления не перпендикулярны и, следовательно, угол между ними находится в пределах от нуля до угла менее 90 градусов или от угла более 90 градусов до 180 градусов (или в зависимости от того, как именно измеряется угол: от 180 градусов до угла менее 270 градусов или от угла более 270 до 360 градусов).
Текучая среда может представлять собой газ, например воздух, аргон или неон. Предпочтительно, аргон или неон являются химически инертными, и выделение их заряженных ионов в атмосферу является безопасным. То же самое относится и к другим инертным газам, которые могут быть применены в других вариантах реализации. Варианты реализации, которые применяют неинертные газы, такие как воздух, содержащий кислород и азот, могут включать применение устройства захвата, улавливающего и/или разряжающего ионы в текучей среде, которая вытекает из выпускного отверстия, с целью препятствования выбросу токсичных газов в атмосферу. Конечно, следует понимать, что другие варианты реализации, например с применением инертных газов, также могут включать применение такого устройства захвата.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В силу вышесказанного, варианты реализации описаны с помощью примера и иллюстрации со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых одинаковые номера позиций относятся к одинаковым элементам, и на которых:
ФИГ. 1 иллюстрирует вариант реализации системы накопления и преобразования энергии, содержащей устройство для преобразования кинетической энергии потока текучей среды в электрическую энергию;
ФИГ. 2 иллюстрирует альтернативный вариант реализации системы накопления и преобразования энергии, содержащей устройство для преобразования кинетической энергии потока текучей среды в электрическую энергию;
ФИГ. 3 иллюстрирует электрическое транспортное средство, включающее в себя систему, изображенную на ФИГ. 1 или ФИГ. 2; а
ФИГ. 4 иллюстрирует способ преобразования кинетической энергии потока текучей среды в электрическую энергию.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ссылаясь на ФИГ. 1, система 2 для преобразования энергии, накапливаемой в сжатой текучей среде, содержит устройство для преобразования энергии 4, соединенное с резервуаром 6, содержащим сжатую текучую среду, например с контейнером со сжатой текучей средой. В некоторых вариантах реализации текучая среда представляет собой газ, например инертный газ, такой как аргон или неон. Проточная камера 8 содержит впускное отверстие 10 для текучей среды, соединенное с резервуаром 6 с помощью трубопровода 12 на одном конце, и выпускное отверстие 14 для текучей среды на другом, противоположном конце. На каждом конце предусмотрены специальные токосъемные сетчатые электроды 15, через которые протекает поток текучей среды из/через впускное и выпускное отверстия 10 и 14. В некоторых вариантах реализации отверстия проходят через соответствующий электрод 15 или находятся на одном уровне с ним. В некоторых вариантах реализации могут использоваться другие геометрии электродов, например, кольцевой электрод, расположенный вокруг соответствующего отверстия или рядом с ним, точечный электрод, расположенный рядом с соответствующим ему каналом и т.д. Электроды 15 могут быть выполнены одинаковыми или могут отличаться друг от друга с любой комбинацией раскрытых или других геометрий.
Пара электродов 16 генерирования поля, расположена на расстоянии друг от друга с проточной камерой 8, находящейся между ними; причем каждый электрод расположен рядом с соответствующим ему впускным или выпускным отверстием 10 и 14. Диэлектрический материал 18 расположен между каждым электродом 16 генерирования поля и смежной стенкой проточной камеры 8. В некоторых вариантах реализации диэлектрический материал 18 представляет собой твердое вещество, в других вариантах реализации он представляет собой воздух или любой другой пригодный диэлектрик. Таким образом, электроды 16 генерирования поля электрически изолированы от проточной камеры 8. В некоторых вариантах реализации трубопровод 12 соединен с проточной камерой 8 посредством диэлектрического материала 18, и/или выпускной трубопровод 20 соединен с выпускным отверстием 14 посредством диэлектрического материала 18. В некоторых вариантах реализации выпускной трубопровод 20 прямо или косвенно соединен с окружающей атмосферой посредством текучей среды через выпускную ионную ловушку.
Источник 22 питания высокого напряжения с ограничением по току соединен с электродами 16, генерирующими поле, с целью порождения электрического поля достаточной силы внутри проточной камеры 8 для разделения заряженных частиц в текучей среде. В некоторых вариантах реализации поле имеет достаточную силу для ионизации текучей среды. Например, разность потенциалов, приложенная между электродами, генерирующими поле, посредством источника питания, может быть достаточной для того, чтобы генерировать напряженность поля 600 кВ/м или более для ионизации аргона, используемого в качестве текучей среды. Более низкая напряженность поля необходима для некоторых текучих сред, таких как неон (60 кВ/м), в то время как более высокая напряженность поля будет необходима для других текучих сред, например воздуха (3000 кВ/м). Источник 22 питается от источника электрической энергии 24, например источника постоянного тока, такого как аккумулятор, например аккумулятор на 12 В. В некоторых вариантах реализации источник 22 питания выполнен с возможностью ограничения тока, что позволяет потреблять менее 2 А от аккумулятора (или другого источника тока на входе). В некоторых вариантах реализации ток в цепи, подключенной к источнику питания (ток на выходе), также может быть ограничен, например, потреблять менее 2А. В некоторых вариантах реализации было обнаружено, что ток на выходе ограничен током пробоя, в случае, когда камера 8 заполнена воздухом, и в диапазоне от 0,05 до 0,1 А возникает искра, как было установлено в некоторых вариантах реализации. В некоторых вариантах реализации входное напряжение, приложенное к источнику питания, может варьироваться, например, от 9 до 12 В. В некоторых вариантах реализации источник 22 питания и источник 24 заменены конденсатором высокого напряжения, который ранее был заряжен от любого приемлемого источника.
В некоторых вариантах реализации понижающий преобразователь 26 соединен с электродом 15 накопления заряда, имеющим более низкий потенциал, в других вариантах реализации - с электродом 15 накопления заряда, имеющим более высокий потенциал (как показано), с целью понижения разности потенциалов между электродами 6 до требуемого рабочего напряжения нагрузки 28, которая подключена к понижающему преобразователю 26 с целью потребления тока от него и, следовательно, от устройства 4. Нагрузка 28 подключена между электродом 15 накопления заряда, и в некоторых вариантах реализации, один полюс нагрузки и соответствующий токосъемный электрод заземлены. В других вариантах реализации нагрузка 28 подключена между электродами 15 накопления заряда в приборе, работающем в буферном режиме. В некоторых вариантах реализации нагрузка 28 и один из электродов заземлены, а другой из электродов накопления заряда, также заземлен.
В некоторых частных вариантах реализации электроды 15 накопления заряда имеют площадь 0,0001 м2 и расположены на расстоянии 0,016 м друг от друга, причем электроды генерирования поля имеют площадь 0,0005 м2 и расположены на расстоянии 0,07 м друг от друга. Проточная камера имеет длину 0,07 см и внутренний объем 0,000034 м3; скорость течения в ней составляет 0,1 мл/мин (1,7×10-3 мл/с) в зависимости от сопротивления потока в трубопроводах и отверстиях 10, 12, 14, 20 и, в частности, относительно небольшого поперечного сечения потока / относительно высокого гидродинамического сопротивления выпускного отверстия 14 для достижения давления в резервуаре 1 МПа (10 бар).
Ссылаясь на ФИГ. 2, в некоторых вариантах реализации, описанных здесь, со ссылкой на одинаковые номера позиций для одинаковых элементов, устройство 4 выполнено аналогично устройству 4, описанному выше, ссылаясь на ФИГ. 1, но с заменой электрода, генерирующего поле, и электрода, накапливающего заряд, 15, 16 на комбинированные электроды 17, генерирующие поле и накапливающие заряд, расположенные в проточной камере 8 на ее соответствующих стенках и подключенные к источнику 22 питания. В некоторых частных вариантах реализации электроды 17 выполнены в виде трубчатых электродов, причем каждый электрод имеет свою привязку к осям координат вдоль общего направления. В некоторых вариантах реализации впускное и выпускное отверстия 10, 14 расположены на соответствующих полюсах электродов 17. В некоторых вариантах реализации источник 22 питания выполнен с возможностью предотвращения или сильного ограничения тока, порожденного электронами, движущимися в сторону положительного полюса источника 22 питания, например, посредством диода, связанного с положительным полюсом источника 22 питания.
Комбинированные электроды 17, генерирующие поле и накапливающие заряд, подключены к соответствующим полюсам источника 22 питания. Понижающий преобразователь 26 подключен к одному из электродов 17 параллельно с источником 22 питания (который ограничивает или блокирует протекание тока от электрода 17 обратно к источнику питания, как описано выше), и нагрузка 28 подключена к понижающему преобразователю 26. В частности, понижающий преобразователь 26 и нагрузка 28 подключены между электродами 17. В некоторых вариантах реализации один полюс нагрузки и один из электродов 17 заземлены. В некоторых вариантах реализации нагрузка и один из электродов 17 (например, электрод с более низким потенциалом) заземлены, а другой электрод 17 заземлен с целью замыкания цепи.
Ссылаясь на ФИГ. 3, электрическое транспортное средство 30, например электромобиль, содержит резервуар 6, соединенный с устройством для преобразования энергии 4, как описано выше. Устройство для преобразования энергии 4 подключено к источнику 22 питания и нагрузке 28, как описано выше. Нагрузка 28 представляет собой электродвигатель, соединенный с трансмиссией 32 транспортного средства, для обеспечения движения транспортного средства, например, его ведущих колес. В некоторых вариантах реализации энергия, накапливаемая в резервуаре с текучей средой 6, находящейся под давлением, является единственным источником энергии, необходимой для движения транспортного средства. В некоторых вариантах реализации резервуар 6 соединен устройством 4 с возможностью демонтажа и может быть заменен на полный резервуар, в случае, если он пуст. В других вариантах реализации резервуар 6, независимо от того, является ли он демонтируемым/заменяемым или нет, может быть повторно заполнен текучей средой под давлением через заправочное отверстие в электрическом транспортном средстве 30.
Контроллер 33 принимает входные данные от одного или более интерфейсов для водителя транспортного средства (например, требуемой скорости или крутящего момента), нагрузки/двигателя 28 (например, потребляемый ток, действительный ток) и резервуара 6 (например, давления в резервуаре, в случае измерения датчиками давления и/или датчиками потока, связанными, например, с резервуаром) и управляет источником 22 питания, в частности, напряжением на электродах 16 или 17, в зависимости от обстоятельств, и клапаном (не показан), регулирующим поток текучей среды от резервуара 6 к устройству 4. Контроллер 33 в соответствии с частными вариантами реализации управляет приложенным напряжением и потоком на основе адекватного алгоритма управления, например, используя отрицательную обратную связь для регулирования тока, потока, выходного крутящего момента или скорости двигателя. Например, напряженность поля (то есть напряжение, приложенное к электродам 15/17) может регулироваться на основании потребления мощности, при этом напряженность поля увеличивается в зависимости от потребления мощности. Следует понимать, что приемлемый контроллер, реализующий адекватный алгоритм управления, в некоторых вариантах реализации включен в варианты реализации, изображенные на ФИГ. 1 и ФИГ. 2, т.е. независимо от конкретного применения, как описано ссылаясь на ФИГ. 3. Конечно, должно быть понятно, что реализуется конкретный алгоритм управления, а измеренные или полученные и контролируемые величины будут варьироваться от одного приложения к другому.
Ссылаясь на ФИГ. 4, описан способ управления системой накопления и преобразования энергии. Поток текучей среды из резервуара 6 в устройство 4 инициируется на этапе 34, а на этапе 36 электрическое поле прикладывается к электродам 16/17 для разделения заряженных частиц в текучей среде. Газ ионизируется электрическим полем в вариантах реализации, в которых текучая среда представляет собой газ. Например, в некоторых вариантах реализации электрическое поле вызывает темный или коронный разряд в газе. В некоторых вариантах реализации текучая среда протекает вдоль направления электрического поля, в зависимости от геометрии устройства 4. На этапе 38 заряженные частицы (либо собственные частицы текучей среды, либо генерируемые в процессе ионизации, например ионы газа и электроны), накапливаются с помощью собирающих электродов 16. Поток текучей среды может по-разному влиять на заряженные частицы, например, ввиду подвижности каждой частицы и/или расположения электродов относительно потока. В результате заряженные частицы одного типа преимущественно могут покинуть устройство 4 через выпускное отверстие 20, а заряженные частицы другого типа преимущественно могут быть собраны с помощью соответствующего электрода 15/17, в зависимости от обстоятельств. В результате поток текучей среды может увеличивать разность потенциалов между электродами 15/17 по сравнению той, какой она была бы в противном случае, и соответствующий избыточный заряд может потребляться в качестве тока нагрузкой 28 для выполнения электрических работ на этапе 40.
Как описано выше, потоком текучей среды на этапе 34 (например, через клапан) или приложенным электрическим полем на этапе 36 (например, через настройку напряжения для источника 22 питания) можно управлять на основе одного или более измеренных или принятых параметров в некоторых вариантах реализации. Измеренный параметр может характеризовать энергию, рассеиваемую нагрузкой, а принятый параметр может характеризовать энергию, потребляемую нагрузкой. Управление может основываться на измеряемых параметрах, таких как давление в резервуаре 6. Кроме того, напряжение от источника 22 питания управляется, например, как описано выше, на основе потребляемой мощности, с целью обеспечения напряженности поля, достаточной для ионизации текучей среды в случае вариантов реализации, в которых текучая среда представляет собой газ, а также для того, чтобы устройство 4 могло обеспечивать требуемую мощность. В некоторых вариантах реализации напряжение может изменяться со временем. Например, в некоторых вариантах реализации более высокое напряжение первоначально подается источником 22 питания до тех пор, пока в газе не произойдет разряд и/или образование плазмы, а после напряжение опустится до более низкого уровня, достаточного для поддержания разряда или генерации плазмы. Управление напряженностью поля может быть основано на обратной связи, протоколе времени или на том и другом с целью достижения эффективного использования текучей среды и удовлетворения требований к потребляемой мощности.
Скорость потока можно регулировать таким образом, чтобы она была по существу постоянной в достижимой степени, например, при изменении давления внутри резервуара 6 и/или исходя из потребляемой или действительной мощности, рассеиваемой в нагрузке (или связанной характеристики, см. выше). В некоторых вариантах реализации контроллер может реагировать на потребляемую/рассеиваемую мощность, посредством увеличения скорости потока и/или напряжения питания. Дополнительно или взамен, в некоторых вариантах реализации контроллер регулирует давление внутри проточной камеры 8, например, в ответ на сигнал отдатчика, измеряющего давление внутри проточной камеры 8. Скорость потока и/или давление можно контролировать путем управления сопротивлением потока впускного трубопровода и впускного отверстия 12, 10 с одной стороны и/или сопротивления потока выпускного трубопровода и выпускного отверстия 14, 20 с другой стороны. Например, в некоторых вариантах реализации дроссельный клапан может быть предусмотрен в одном или обоих трубопроводах 12, 14 и/или отверстия 10, 20 могут иметь переменную апертуру. В некоторых вариантах реализации дроссельный клапан и/или переменная апертура, в зависимости от обстоятельств, находятся под управлением контроллера, например, для управления скоростью потока и/или давлением, как описано выше.
Следует понимать, что описанные аспекты управления применимы ко всем описанным вариантам реализации, включая описанные выше, ссылаясь на ФИГ. 1, ФИГ. 2 или ФИГ. 3.
В некоторых вариантах реализации направление потока и направление поля в целом могут быть ориентированы в противоположных направлениях (то есть иметь отрицательное скалярное произведение). В этих вариантах реализации положительно заряженные частицы склонны перемещаться в различных направлениях под действием электрического поля и потока. В случае, когда ионизированный газ применяется в качестве рабочей текучей среды, это означает, что положительные ионы газа, по сути, уносятся потоком от соответствующего им захватывающего электрода 16/17 и, таким образом, могут эффективно удаляться из устройства 4, в то время как более подвижные электроны в меньшей степени подвержены влиянию потока текучей среды и в любом случае будут смещены потоком текучей среды к соответствующему им захватывающему электроду 16/17. Однако в некоторых вариантах реализации относительная ориентация потока текучей среды и электрического поля может быть противоположной.
Рабочие параметры частного варианта реализации, описанного выше, ссылаясь на ФИГ. 1, были охарактеризованы с помощью иллюстрации с изменением входного напряжения источника 22 питания в диапазоне от 9 до 12 В для фиксированной скорости потока 0,1 мл/мин, тока питания 2 А и двух нагрузок, что привело к изменению мощности, рассеиваемой в нагрузке выше порогового входного напряжения. Выходное напряжение источника питания составляло приблизительно 30000 В при пороговом входном напряжении и приблизительно 45000 В при максимальном входном напряжении питания 12 В. Некоторые результаты представлены в следующей таблице:
Частные варианты реализации были описаны выше в качестве примера с целью иллюстрации аспектов раскрытия. Следует понимать, что объем изобретения изложен в прилагаемой формуле изобретения. Многие модификации и различные комбинации признаков будут очевидны для специалиста в данной области техники, например, как изложено выше. Кроме того, следует понимать, что порядок этапов вариантов реализации способа может быть изменен на более приемлемый и что некоторые или все этапы могут выполняться в полностью или частично перекрывающихся во времени отношениях. В равной степени, особенности различных вариантов реализации, описанных выше, могут быть объединены в зависимости от конкретного случая. В случае, когда настоящее изобретение ссылается на заряженные, положительные и отрицательные частицы соответственно, каждый тип частиц может соответствовать одному типу объекта (например, однозарядные положительные ионы газа и электроны, соответственно) или каждый тип частиц может включать в себя подвиды частиц, например, положительно заряженные ионы газа с различными соответствующими зарядами. Аналогичные соображения применимы к вариантам реализации, в которых жидкость представляет собой раствор с соответствующими ионами.
1. Устройство для преобразования кинетической энергии текучей среды в электрическую энергию, содержащее:
проточную камеру, имеющую впускное отверстие для текучей среды и выпускное отверстие для текучей среды;
пару электродов накопления заряда, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль направления накопления и размещенных внутри проточной камеры; и
генератор электрического поля, выполненный с возможностью генерирования электрического поля в проточной камере вдоль направления поля для разделения заряженных частиц в текучей среде,
причем траектория потока текучей среды между впускным отверстием и выпускным отверстием имеет направление потока с составляющей вдоль направления накапливания заряда и составляющей вдоль направления поля.
2. Устройство по п. 1, в котором электрическое поле представляет собой ионизирующее электрическое поле для ионизации текучей среды.
3. Устройство по п. 1 или 2, в котором генератор электрического поля содержит пару электродов генерирования поля, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль направления поля и находящихся по обе стороны от проточной камеры.
4. Устройство по п. 3, в котором электроды генерирования поля электрически изолированы от проточной камеры.
5. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором направления поля и потока по существу параллельны.
6. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором направления накапливания заряда и потока по существу параллельны.
7. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором электроды накопления заряда центрированы на оси, совпадающей по меньшей мере с частью траектории потока.
8. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором траектория потока проходит через электроды накопления заряда.
9. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором электроды накопления заряда представляют собой сетчатые электроды.
10. Система для преобразования кинетической энергии текучей среды в электрическую энергию, содержащая:
устройство по любому из предыдущих пунктов;
источник напряжения с ограничением по току для генерации ионизирующего электрического поля и
нагрузку, подключенную к одному из электродов накопления заряда.
11. Система по п. 10, содержащая соединитель для соединения впускного отверстия с контейнером, содержащим текучую среду под давлением.
12. Система по п. 11, в которой контейнер соединен с соединителем с возможностью демонтажа для обеспечения замены пустого контейнера новым контейнером, содержащим текучую среду под давлением.
13. Система по любому из пп. 10-12, содержащая контроллер для регулирования скорости потока текучей среды.
14. Система по п. 13, в которой контроллер выполнен с возможностью приема величины, характеризующей энергию, рассеиваемую нагрузкой, и регулирования скорости потока текучей среды в зависимости от величины, характеризующей энергию, рассеиваемую нагрузкой.
15. Система по п. 13 или 14, в которой контроллер выполнен с возможностью приема величины, характеризующей энергию, потребляемую нагрузкой, и регулирования скорости потока текучей среды в зависимости от величины, характеризующей энергию, потребляемую нагрузкой.
16. Система по любому из пп. 10-15, в которой нагрузка представляет собой электродвигатель.
17. Система по п. 16, в которой электродвигатель установлен в электрическом транспортном средстве, например электромобиле или гибридном автомобиле, велосипеде, трехколесном мотоцикле, водном судне, поезде или самолете.
18. Система по любому из пп. 10-15, в которой нагрузка содержит сеть электроснабжения, например электрическую подстанцию общего пользования, или сеть электроснабжения одного или более коммерческих или жилых объектов.
19. Способ преобразования потенциальной энергии текучей среды под давлением в электрическую энергию, включающий:
обеспечение прохождения текучей среды под давлением через проточную камеру вдоль направления потока с преобразованием потенциальной энергии в кинетическую энергию потока текучей среды;
приложение электрического поля к текучей среде, протекающей в проточной камере; при этом электрическое поле имеет направление с составляющей вдоль направления потока, что обеспечивает разделение положительных и отрицательных частиц текучей среды вдоль направления поля, и при этом один тип из положительно и отрицательно заряженных частиц заставляют перемещаться в направлении, имеющем составляющую в направлении потока, а другой тип из положительно и отрицательно заряженных частиц заставляют перемещаться в направлении, имеющем составляющую в направлении, противоположном направлению потока;
накопление по меньшей мере части одного или каждого типа из положительно и отрицательно заряженных частиц в соответствующем токосъемнике и
потребление тока от одного из токосъемников для подачи электрической энергии на нагрузку.
20. Способ по п. 19, включающий ионизацию текучей среды путем приложения электрического поля к потоку текучей среды для получения ионизированной текучей среды, содержащей отрицательно и положительно заряженные частицы.
21. Способ по п. 20, в котором ионизирующая текучая среда содержит генерирование плазмы.
22. Способ по п. 20 или 21, в котором ионизация текучей среды содержит инициирование разряда, например темного или коронного разряда.
23. Способ по любому из пп. 19-22, который включает восприятие величины, характеризующей энергию, рассеиваемую нагрузкой, и регулирование скорости потока текучей среды и/или в зависимости от величины, характеризующей энергию, рассеиваемую нагрузкой.
24. Способ по любому из пп. 19-23, который включает прием величины, характеризующей энергию, потребляемую нагрузкой, и регулирование скорости потока текучей среды в зависимости от величины, характеризующей энергию, потребляемую нагрузкой.
25. Способ по одному из пп. 19-24, в котором скалярное произведение направления потока и направления поля является отрицательным.
26. Способ по одному из пп. 19-24, в котором скалярное произведение направления потока и направления поля является положительным.
27. Способ по одному из пп. 19-24, в котором текучая среда представляет собой газ, например воздух, аргон или неон.
28. Способ по одному из пп. 19-24, в котором текучая среда представляет собой инертный газ.
29. Устройство для преобразования кинетической энергии текучей среды в электрическую энергию, содержащее:
проточную камеру, имеющую впускное отверстие для текучей среды и выпускное отверстие для текучей среды;
пару электродов накопления заряда, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль направления накапливания и размещенных внутри проточной камеры; и
генератор электрического поля, выполненный с возможностью генерирования электрического поля в проточной камере вдоль направления поля для разделения заряженных частиц в текучей среде.
30. Устройство по п. 29, в котором генератор электрического поля содержит пару электродов генерирования поля, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль направления поля и находящихся по обе стороны от проточной камеры, причём электроды генерирования поля электрически изолированы от проточной камеры.
31. Способ преобразования потенциальной энергии текучей среды под давлением в электрическую энергию, включающий:
обеспечение прохождения текучей среды под давлением через проточную камеру вдоль направления потока с преобразованием потенциальной энергии в кинетическую энергию потока текучей среды;
приложение электрического поля к текучей среде, протекающей в проточной камере, вырабатываемого генератором электрического поля;
накопление по меньшей мере части одного или каждого типа из положительно и отрицательно заряженных частиц в соответствующем токосъемнике и
потребление тока от одного из токосъемников для подачи электрической энергии на нагрузку.
32. Способ по п. 31, в котором генератор электрического поля содержит пару электродов генерирования поля, расположенных на расстоянии друг от друга вдоль направления поля и находящихся по обе стороны от проточной камеры, причём электроды генерирования поля электрически изолированы от проточной камеры.
