Изобретение: плазменный источник энергии

[Basargin]

Идея относится к сквозным технологиям НТИ, в частности, к новым портативным источникам энергии.

Изобретение относится к плазменной энергетике, конкретно к гибридным источникам энергии для получения электричества, горячего воздуха, горячей воды и горячего водяного пара в интересах коммунального хозяйства, товариществ собственников жилья (ТСЖ), садовых кооперативов, отдельных коттеджей и/или промышленных производств.

Уровень техники.

Основными источниками тепловой и электрической энергии в настоящее время являются тепловые (ТЭС, ТЭЦ) и атомные электростанции (АЭС), использующие ископаемые виды топлива. Ископаемые виды топлива для ТЭС весьма ограничены в резервах (около 30 лет в среднем на нефть и газ). Нехватка сырьевых ресурсов и, как следствие, высокие цены на нефть и газ, являются причиной нетерпимого расслоения общества и отдельных государств по уровню потребления и доходов от продажи энергоресурсов. Это в свою очередь приводит к возникновению социальных конфликтов, мировых войн и экономических потрясений. Для ликвидации этого источника конфликтов желательно для производства тепла и электричества использовать взамен углеводородных топлив более дешевые и доступные для потребителей на всей Земле альтернативные топлива и/или совершенствовать глубину переработки углеводородных топлив для повышения их КПД и снижения дефицита последних.

Кроме того, при производстве энергии необходимо соблюдать требования экологической безопасности их использования. Существующие ТЭС и ТЭЦ, работающие на углеводородном топливе, наносят существенный вред экологии Земли СО2- выбросами и характеризуются повышенным расходом атмосферного кислорода на окисление сжигаемого углеводородного топлива, создавая дефицит кислорода на Земле. Согласно [Амирханова Н.А., Минченкова Н.Х., Сабуров И.С. Дефицит кислорода в атмосфере. «Экология», http://zonaeco.ru/, март, 2011] за последние 200 лет содержание кислорода в атмосфере Земли снизилось с 42% до 21% и приближается к критической границе (15-16%), опасной для жизни на Земле. Снижение содержания кислорода одновременно приводит к снижению содержания озона в атмосфере Земли [Герман Дж.Р., Гольберг Р.А. Солнце, погода, климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981], расширению за счет этого озонных дыр и, как следствие, к ускорению уничтожения флоры и фауны планеты Земля УФ - излучением Солнца. В связи с этим в энергетике стоит задача экономии атмосферного кислорода и создания источников энергии, дешевых и экологически безопасных по выбросам в атмосферу, но и с пониженным потреблением атмосферного кислорода.

Экономию атмосферного электричества частично обеспечивают АЭС. Однако стоимость 1 кВт мощности АЭС достаточно велика и составляет $ 3,000 USD. Кроме того, атомная энергетика является опасной, а термоядерный синтез в виду повышенной опасности вообще никогда не будет использован для решения энергетических проблем [www.chukanovenergy.com].

Решение энергетических и экологических проблем Земли возможно с помощью возобновляемых источников энергии (энергии падающей воды, тепловой энергии геотермальных источников, энергии ветра, солнечной радиации, энергии приливной волны, биоисточников и т.д.). Однако их доля в общем энергетическом балансе нашей цивилизации согласно [www.chukanovenergy.com] составляет не более 5% и не может в ближайшей перспективе заменить энергетику ТЭС и ТЭЦ. Кроме того, некоторые из возобновляемых источников энергии (ветровая и солнечная энергия) стоят очень дорого ($ 5,000-$ 7,000) USD / кВт и работают только в благоприятных погодных условиях.

Существующие ТЭС, ТЭЦ и АЭС обладают повышенной мощностью от сотен до тысяч МВт и расположены на расстояниях по теплу - единицы÷десятки км, и по электроэнергии - десятки ÷ сотни км от потребителей. При этом в связи с удаленностью этих источников энергии от конечного потребителя в энергетике возникают дополнительные проблемы, а именно:

- высокие омические потери (до 50%) электроэнергии в длинных проводных линиях передачи электроэнергии;

- высокая (свыше 70%) изношенность линий электропередач и высокие финансовые затраты на прорубку для них просек и регулярную их очистку, непосильную для компаний, сбывающих электрическую энергию;

- регулярные разрывы проводов при их обледенении и снегопадах, высокие финансовые и материальные затраты на замену разорванных проводов;

- высокие материалоемкость и стоимость проводов из цветных металлов с одной стороны, а также огромные размеры территории России по сравнению с территориями западноевропейских государств, ограниченность природных ресурсов цветных материалов и их производств, с другой стороны - создают неразрешимую проблему энергообеспечения всей территории России на основе проводных высоковольтных и низковольтных линий передач электрической энергии;

высокие потери тепла (до 90%) в трубопроводах горячего водоснабжения ЖКХ городов и поселков;

- высокая (свыше 90%) изношенность трубопроводов горячего водоснабжения и отсутствие у региональных органов власти средств на их восстановление;

- трудность защиты от стихийных бедствий и террористических угроз протяженных магистралей подачи углеродного топлива к ТЭС и ТЭЦ;

- трудность защиты от стихийных бедствий и террористических угроз длинных линий передачи тепла и электроэнергии от источников энергии к потребителям;

- опасность длительного отключения АЭС от сетей электроснабжения, приводящая к отключению систем защиты от самопроизвольного взрыва ядерного реактора АЭС и радиоактивного заражения местности, аналогичных ядерной трагедии 2011 года в Японии (АЭС «Фокусима»).

Решение указанных проблем в энергетике было возможным на основе открытий и изобретений в СССР в области плазменной энергетики еще в средине 80-х годов прошлого столетия [СВЧ - генераторы плазмы. Физика. Техника. Применение. М.: Энергоатомиздат, 1988]. Так, в ФТИ г.Ленинграда в 1989 году был разработан [Р.В.Васильева, А.В.Ерофеев. «К вопросу о МГД генераторе на воздушной плазме». Ленинград. ФТИ, 1989] плазменный источник электрической энергии с пониженным расходом атмосферного воздуха и одновременно не требующий для выработки электрической энергии углеводородного топлива. Однако эти разработки в области плазменной энергетики не получили дальнейшего развития и финансовой поддержки в СССР в связи с дешевым в то время углеводородным топливом и недостаточным вниманием к проблемам экологии со стороны ЦК КПСС и Правительства СССР. Кроме того, владельцы международных монополистических организаций по добыче и нефти, и газа не были заинтересованы в то время в развитии конкурирующей альтернативной энергетики. В связи с этим плазменная энергетика, как альтернатива существующей энергетике, основанной на варварском (путем сжигания) и хищническом (без оглядки на будущее детей и внуков) истреблении остатков углеводородных сырьевых ресурсов Земли, развивалась без должной финансовой поддержки и на инициативном творчестве отдельных изобретателей стран мира.

Согласно публикации на сайте [www.chukanovenergy.com] наибольших успехов в практической реализации достижений плазменной энергетики добился доктор Чуканов К.Б. (США).

Разработанные им плазменные источники энергии на воздушной плазме ANLAUTRON-I (около 600 кВт) и АНГЕЛ-1 (30 кВт) основаны на патенте [US 69369761, НКИ: 315.111.91; 315.108, 2005] и содержат газовый реактор с источником СВЧ-накачки и патрубком для подвода атмосферного воздуха в полость реактора. Корпус реактора выполнен из кварцевого стекла с двойными стенками и патрубками для соединения полости между стенками с теплообменником. Пространство между стенками заполнено теплоносителем, преимущественно водой, нагреваемой излучением плазмы газа, генерируемой в полости камеры. Источником электрической и тепловой энергии служит ионизированный атмосферный воздух, нагретый СВЧ-излучением до состояния тлеющегося разряда шаровой молнии. Корпускулярное излучение шаровой молнии используется для нагрева теплоносителя, а разность зарядов электронной оболочки и ядра шаровой молнии - для вывода электрической энергии. Испытания автономного источника энергии АНГЕЛ-1 (30 кВт) на воздушной плазме показали [www.chukanovenergy.com] возможность его использования в качестве автономных ТЭЦ для получения электричества, горячего воздуха (до 300°С), горячей воды и горячего водяного пара для энергообеспечения отдельных коттеджей и жилых домов. При этом размеры источника АНГЕЛ-1 не превышают размеры газовых котлов, аналогичной мощности, и позволяют не только отапливать жилые помещения и обеспечивать их расходной горячей водой, но и дополнительно снабжать их электричеством.

При этом за счет использования в качестве горючего доступного атмосферного воздуха, уменьшенного его расхода при плазмохимической реакции по сравнению с его расходом в реакции окисления при сжигании углеводородного топлива автоматически исчезают проблемы коммунального хозяйства предприятий ЖКХ, связанные с необходимостью заготовки топлива для ТЭЦ и содержанием протяженных и бесхозных (муниципальных) тепловых сетей для них. Одновременно отпадает необходимость опутывания территории всей страны электрическими проводами. Отпадает также необходимость содержания огромной армии чиновников ЖКХ и «Гоэнергетики» с их посредническими структурами распределения тепла и электричества, потребляющих ежегодно из бюджета России свыше 3 миллиардов $ USD, сопоставимых с затратами на оборону страны.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому изобретению является плазменный источник энергии [WO 2010128877, H05H 1/24, 2010], выбранный в качестве прототипа и содержащий импульсный преобразователь дымовых газов в плазму, на плазменном выходе которого установлен преобразователь энергии плазмы в электрическую энергию, соединенный по выходу с накопителем электрической энергии, один выход которого соединен с клеммной коробкой электропотребления, а другой - с электропитающим входом импульсного преобразователя дымовых газов в плазму, причем импульсный преобразователь дымовых газов в плазму содержит ионизационную камеру, снабженную входным патрубком для подвода дымовых газов и импульсным устройством возбуждения детонационной плазмохимической реакции дымовых газов, соединенным по электропитающему напряжению с электропитающим входом импульсного преобразователя дымовых газов в плазму, причем импульсное устройство возбуждения выполнено управляемым по частоте следования импульсов. При этом устройство возбуждения плазмохимической реакции содержит импульсный генератор СВЧ-накачки дымовых газов и высоковольтный разрядник, электроды которого выведены в полость ионизационной камеры. Плазменный источник энергии прост по конструкции, обладает повышенной надежностью работы и повышенным КПД, связанным с повышенной ионизационной способностью дымовых газов по сравнению с атмосферным воздухом, пониженными затратами электрической энергии на возбуждение плазмохимической реакции детонационного типа.

Недостатком указанного плазменного источника энергии на CO2-плазме является необходимость для его реализации создания сети CO2-станций для заправки газовых баллонов углекислым газом или подключения плазменных источников энергии к дымовым трубам существующих котельных ЖКХ и ТЭЦ. Первое направление использования требует принятия организационно технических решений на уровне федеральных и/или региональных органов власти. Второе направление реализации дополнительно требует получения разрешения соответствующих надзорных органов по технике техники безопасности и согласования с конструкторами ТЭЦ. Кроме того, второе направление лишает плазменные источники энергии не только автономности, но и возможности их использования по прямому назначению - для электроснабжения индивидуальных энергопотребителей, удаленных от ТЭЦ и котельных. При этом цена энергии для конечного потребителя будет определяться не стоимостью производства энергии, а стоимостью цветного металла проводов и стоимостью обслуживания длинных линий передачи электрической энергии.

Постановка задачи.

Технической задачей изобретения является повышение реализуемости плазменного источника энергии на CO2-плазме с сохранением преимуществ (перед традиционными тепловыми источниками энергии) по расходу атмосферного кислорода для горячего водоснабжения, отопления, освещения и электроснабжения отдельных домов, коттеджей и фермерских хозяйств.

Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является самообеспечение плазменного источника энергии на CO2-плазме собственными дымовыми газами.



Промышленная применимость.

Изобретение разработано на уровне технического предложения. Предварительная воздухоподготовка газового реагента с помощью обычной топки 1 с контрольным электродом 1.2 уровня ионизации топливной смеси и автоматическим управлением регулирования состава топливной смеси вентилем 1.1 на входе топки 1 позволяет простым путем стабилизировать необходимый оптимальный состав смеси газового реагента (CO2- 80%), подаваемого в ионизационные камеры 3.1 преобразователя 3. Оптимальный состав газового реагента в свою очередь повышает глубину его переработки и преобразования в камерах 3.1 в энергию плазмы в процессе плазмохимической реакции деления и синтеза CO2-газов. Этим дополнительно обеспечивается повышение КПД плазменного источника энергии, стабильность его работы. Исключаются выбросы CO2-газов. Понижаются общие затраты атмосферного и углеродного топлива.

Экспресс-оценка эффективности предложенного гибридного плазменного источника энергии показывает, что расход углеродного топлива и атмосферного кислорода сократился в нем (за счет увеличения КПД их переработки в процессе подготовки реагента и последующей плазмохимической реакции) не менее чем в 48 раз по сравнению с аналогичным расходом у традиционных источников энергии аналогичной мощности, основанных на сжигании углеродного топлива. Экономия топливных материалов соответственно снижает затраты на их приобретение и одновременно увеличивает время автономной работы гибридного источника энергии при одинаковых (традиционных) годовых запасах углеродного топлива на обеспечение электрической и тепловой энергии отдельных коттеджей, фермерских хозяйств и производств.

Незначительное увеличение [WHITTAKER D.G.М. METHOD OF ENERGISING A WORKING FLUID AND DERIVING USEFUL WORK. GB 2241746, МПК: F02B 43/10; F02B 51/04; F02P 9/00; F02P 23/04; F02B 1/04; F02B 3/06; F02B 43/00; F02B 51/00; F02P 9/00; F02P 23/00; F02B 1/00; F02B 3/00; 1991; WARD M. COMBUSTION IN AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE. GB1515148, F02P 23/00; F02P 23/04; F02B 3/06; F02P 23/00; F02B 3/00, 1978) рентгеновского фона (до 80 мВт) вне камеры 3.1 легко нейтрализуется тонким свинцовым покрытием корпуса преобразователя 3. Объем выбросов диоксида азота в результате плазмохимической реакции не превышает уровня таких выделений при реакции гниения продуктов животноводства, сельских уборных и городских свалок и может быть нейтрализован фильтрами 6 с использованием редкоземельных элементов, например неодима, для химического разложения вредных выбросов. Малое время (10 мин) полураспада радиоактивной воды и малый (доли грамм/час) объем ее выделения при работе плазменного источника энергии мощностью 30 кВт позволяет осуществлять ее временную нейтрализацию в малогабаритных фильтрах-отстойниках, емкостью до 1 литра, с последующей выдержкой в течение 30 минут и сбросом выдержанной воды в канализацию или подачу ее в патрубок 9.3 теплообменника 9 для повторного использования.

Таким образом, с помощью предлагаемого гибридного источника энергии можно обеспечить относительно безопасное для экологии автономное производство дешевой энергии (электричества, горячего воздуха, горячей воды и горячего водяного пара) в интересах коммунального хозяйства, товариществ собственников жилья (ТСЖ), садовых кооперативов, отдельных коттеджей и/или промышленных производств.

Массовое внедрение гибридного источника может снять проблемы энергетики, связанные с дефицитом углеродного топлива, ядерными катастрофами, террористическими актами, стихийными бедствиями при авариях длинных линий передач тепловой и электрической энергии, недостатком материальных, сырьевых и финансовых ресурсов для их ремонта и обслуживания последних. При этом автоматически решаются проблемы экологии и резко сокращается бюрократический аппарат ЖКХ и электроэнергетики.

Изобретение RU 2485727 разработано на уровне технического предложения и является следствием изобретений WO 2010123391, 20.04.2009; в основе открытия 2008 года, представленного в 2009 году на всероссийском молодежном форуме Селигер 2009 в "Зворыкинском проекте":

(Звонов А.А., Басаргин О.С. Явление самовозгорания воздушной среды под действием электрического разряда и СВЧ-излучения в ограниченном объеме. Свидетельство о депонировании №08-08. Тверь, ВАО, 2008)

Авторы: К.Т.Н., С.Н.С., академик МААНОИ Звонов Александр Александрович; Член-корреспондент МААНОИ Басаргин Олег Сергеевич.

Формула открытия:

Установлено неизвестное ранее явление возгорания воздуха при нормальном атмосферном давлении с выделением кинетической энергии, превышающей энергию на поджиг воздуха, заключающееся в том, что при одновременном воздействии электрического разряда и СВЧ излучения на воздух, заключенный в изолированном от внешней среды объеме, происходит высвобождение собственной энергии молекул и атомов воздуха, обусловленное образованием слабо ионизированной электронной плазмы, резонансной накачкой энергии образованных электронов СВЧ – полем до момента запуска процесса лавинной автоионизации воздуха в условиях закрытия доступа нейтральных атомов и молекул воздуха из внешней среды в зону ионизации.



Мы как авторы открытия и изобретения можем создать аналог устройства. Сделать его эффективнее и дешевле в изготовлении, а также, упростить технологический процесс.
Приглашаем заинтересованных лиц к организации опытного производства.