ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Разработка современного автономного высокоэффективного альтернативного источника энергии

Рекомендуемая область пременения

Альтернативный источник электроэнергии может быть использован:
– в ЖКХ населенных пунктов, удаленных от источников электроэнергии;
– в сельском хозяйстве;
– в железнодорожном и морском транспорте;
– в геологоразведке;
- для питания автоматических метеорологических станций и маяков;
– в подразделениях МЧС и ГО;
– в подразделениях министерстве обороны;
– в климатологии;
– в технологиях XXI века – «кластерных» производствах с ограниченным потреблением энергии, технологиях «зеленой химии».

Назначение, цели и задачи проекта

Назначение проекта – разработка современного автономного высокоэффективного альтернативного источника энергии для обеспечения автономной комфортной жизни и производственной деятельности человека в отдаленных от технологических центров местностях и регионах России.

Особенностью автономного альтернативного источника энергии является получение энергии – электрической и (или) тепловой – без использования невозобновляемого сырья – нефти, угля или газа. Энергия изымается из окружающей атмосферы, нагреваемой излучением Солнца, и преобразовывается в электрическое напряжение промышленных стандартов.

Таким образом предлагаемый альтернативный источник обеспечивает потребителя даровой энергией, ее себестоимость будет определяться только капитальными и эксплуатационными затратами на приобретаемое оборудование, т.е. от 0,54 до 1,07 руб. ($0,02-0,04) за один кВтч.

Состояние окружающей среды и территориальные особенности России настоятельно требуют постепенного снижения удельных тепловых, химических и электромагнитных нагрузок на природную среду в технологических и урбанистических центрах до уровня (примерно в 10 раз меньше существующих!), при котором Природа самостоятельно смогла бы самовосстанавливаться.

Кроме того, XXI век в связи с истощением минеральных ресурсов и почв потребует выравнивания плотности заселения всех регионов России. Заселение, естественно, должно осуществляться на основе новейших технологий – кластерных и «зеленых» технологий, обеспечивающих высокоэффективное использование энергии и сырья без вредного воздействия на окружающую природную среду. Основой для таких технологий может стать предлагаемый альтернативный источник энергии.

Для снижения издержек транспортировки грузов по огромной территории России просто необходимо использование дающего даровую энергию альтернативного источника.

В перспективе использование принципов конструирования и использования альтернативных источников открывает возможность контролируемо регулировать климат – вызывать дожди в локальном масштабе или разряжать атмосферные фронты для предотвращения атмосферных катаклизмов.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В настоящее время основным автономным источником энергии являются бензиновые и дизельные электростанции. Они выпускаются в широкой номенклатуре и используются в качестве автономных, резервных и мобильных источников электроэнергии.

Широко ведутся работы в следующих направлениях возобновляемой альтернативной энергетики: ветроэнергетика, микрогидроэнергетика, солнечные батареи и гелиоэнергетика, биомассовая энергетика, водородная энергетика, волновая энергетика, приливная энергетика, геотермальная энергетика, низкопотенциальная энергетика и др.

Сравнение технических и стоимостных характеристик известных автономных источников питания с альтернативным источником энергии приведено в табл. 8.1-8.5.

Таблица 8.1. Однофазные дизельные и бензиновые автономные электрогенераторы

Таблица 8.2. Трехфазные дизельные и автономные бензиновые электрогенераторы.

Средняя себестоимость электроэнергии, вырабатываемой бензиновыми и дизельными электрогенераторами однофазного и трехфазного тока – от 9,38 до 18,8 руб. ($0,35-0,7) за один кВтч.

Таблица 8.3. Малогабаритные ветроэлектростанции переменного тока без аккумуляторных накопителей.

Средняя себестоимость вырабатываемой электроэнергии – от 2,15 до 7,25 руб. ($0,08-0,27) за один кВтч.

Таблица 8.4. Панели солнечных батарей без аккумуляторных накопителей.

Средняя себестоимость вырабатываемой электроэнергии – от 18,0 до 36,2 руб. ($0,67-1,35) за один кВтч.

Примечание. Все другие виды автономных источников энергии в ценовом диапазоне находятся за пределами рассмотренных выше.

Таблица 8.5. Альтернативный источник энергии (варианты стационарного исполнения).

Примечание: При установке генератора на крышах зданий специальной площадки не требуется.

Средняя себестоимость вырабатываемойалтернативным источником электроэнергии от 0,54 до 1,07 руб. ($0,02-0,04) за один кВтч.

Себестоимость электроэнергии от альтернативного источника определяется в основном капитальными затратами и может быть пересмотрена в сторону уменьшения в зависимости от степени подготовки серийного производства.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Технология получения возобновляемой электрической энергии из окружающей атмосферы построена на некоторых физических эффектах атмосферы, а именно на атмосферных процессах тепло- и массопереноса, на которые до настоящего времени не смотрели с позиций промышленного использования в силу их относительно низкой плотности.

Суть технологии заключается в следующем.

Как известно, средняя наружная температура любого небесного тела обычно постоянна и жестко задана с интегральной мощностью внешнего излучения, поглощаемой его поверхностью, и внутренним тепловыделением из недр. Для Земли среднегодовая плотность потока солнечного излучения колеблется: на экваторе – от 250-300 Вт/м² и в полярных областях – до 50-120 Вт/м². Внутреннее тепловыделение планеты в данной работе не рассматривается. Оно лишь прибавляет к общему тепловому состоянию поверхности и атмосферы Земли.

Охлаждение любого небесного тела в космосе (вакууме) чисто радиационное. Сумма потоков энергии, достигающих поверхности планеты (при Т° = const), в точности равна среднему потоку энергии, излучаемой в космос.

Но многие планеты Солнечной системы обладают атмосферой. У них только стратосфера (откуда, собственно, тепловая радиация и излучается в мировое пространство) имеет температуру, соответствующую норме теплового баланса (для Земли около минус 25°С). Поверхность самого небесного тела значительно теплее. Этот эффект называется «парниковым эффектом».

Любая атмосфера является узкополосным спектральным фильтром с несколькими окнами прозрачности. Она пропускает излучение только строго определенных длин волн. Поскольку спектральный максимум обратного (теплового) излучения поверхности, как правило, всегда сдвинут относительно поглощенного в длинноволновую область, то её прямое радиационное охлаждение (подобно астероидам) практически невозможно. Обратно излучение от поверхности далеко в атмосферу не проникает, а только нагревает прилегающие воздушные массы.

Для эффективного удаления энергии в космос Природа использует другой принцип. В данном случае, она использует механизм с материальным теплоносителем (тепловой насос).

Установлено, что в плотной части газовой оболочки планет (до стратосферы включительно) теплопередача преимущественно конвективная.

Тропосфера Земли (ниже высоты 12-15 км) содержит 90% массы воздуха и почти всю атмосферную влагу. Тепловой поток «поверхность-космос» в тропосфере идет за счет механического перемещения воздуха. Равенство радиационного притока энергии из космоса (от Солнца) и конвективного оттока тепла требует быстрого вертикального движения теплоносителя. Это возможно только при резком перепаде температуры и давления по высоте между нагретыми и холодными воздушными массами.

Тепловой напор между поверхностью планеты и верхней границей тропосферы достаточно велик. На Земле в районе экватора температура воздуха на уровне моря в среднем достигает до 45°С и до минус 70°С – в тропопаузе.

Но конвективный теплообмен всё равно в тысячи раз медленнее лучевого и не справляется с нагрузкой. Энергия «застревает» в нижних слоях атмосферы. У чистого воздуха ничтожная теплоемкость. Он почти не годится на роль теплоносителя и хорош скорее как утеплитель. Поэтому основную нагрузку по транспортировке энергии через плотные слои приземного воздуха несет гораздо более производительный процесс теплопереноса на эффекте фазовых переходов, идущий параллельно с конвекционным.

Атмосфера четко стратифицирована по высоте на слои, отличающиеся составом, плотностью и температурой. Двигаясь из жары в холод и обратно, часть компонентов воздушных потоков циклически меняет агрегатное состояние (испаряется, поглощая тепло, и конденсируется, его отдавая).

На Земле рабочим телом описанного теплового насоса на фазовых переходах является вода, на Венере – серная кислота, на Юпитере – аммиак.

Содержание водяного пара в атмосфере Земли не превышает 0,3-0,4%, но огромная энергоемкость процесса его испарения-конденсации обеспечивает более 95% обмена теплом между поверхностью и стратосферой.

Работа всего этого механизма теплопередачи сопровождается своеобразными побочными эффектами. Дело в том, что изменение агрегатного состояния вещества резко меняет его диэлектрическую проницаемость. На границе раздела фаз возникает спонтанная электризация. Конденсация и кристаллизация водяных паров в холодных слоях атмосферы сопровождается накоплением там большого количества электрически заряженных частиц. Так возникают объемные заряды, образующие сплошной проводящий слой в верхних слоях атмосферы Земли.

Общая схема поддержания теплового баланса Земли представлена на рис. 9.1.

Круговорот электрических зарядов в атмосфере Земли представлен на рис. 9.2.

Электрическое поле атмосферы неразрывно связано с взвешенными в воздухе мельчайшими капельками воды и кристаллами льда. Свободные носители зарядов (ионы и электроны) в тропосфере практически отсутствуют, что обеспечивает ей хорошие изоляционные свойства (и препятствует саморазряду аэрозольной массы). В силу ничтожно малой подвижности частиц конденсата объемные электрические заряды (облака, струи тумана и пр.) крепко связаны с окружающими воздушными потоками и перемещаются с ними много дней (часто неделями), пока не испаряются или не выпадают на поверхность с осадками. Так возникают атмосферные электрические токи и зеркально подобные им теллурические токи в верхних слоях земной коры.

Физическая картина среднестатистического распределения температуры и электрического потенциала в вертикальном срезе атмосферы Земли изображена на рис. 9.3.

Рис. 9.3

В атмосфере постоянно висит положительный объемный заряд величиной около 0,57 млн. кулонов. Он создает электрическое поле со средней напряженностью 130 В/м. Поле пульсирует в такт вращению планеты (максимум его напряженности в 17.00 по Гринвичу). Средняя разность потенциалов между поверхностью и стратосферой составляет 400±60 кВ. Энергетический ресурс заряженной атмосферы оценивается величиной около (2,5-5,0)?10⁷ ГВт, что не менее чем в 250 раз превышает потребности человеческой цивилизации в энергии, посчитанной по самой энергопотребляющей стране – США. Странно, что такой подарок природы до сих пор никак не используется. Виной всему, по всей видимости, являются энергетические монополии. Мы ведь видим, что благодаря этим монополиям технологическая электротехника остановилась в своем развитии с начала XX века, не считая совершенствования материалов и оборудования.

Заряженная атмосфера охватывает Землю от полюса до полюса и подобна глобальной распределительной сети постоянного тока, подключенной к вечному, бесплатному и экологически чистому источнику энергии – Солнцу. Изобретать термоядерный синтез и другие изощренные источники энергии не надо. Атмосферная динамо-машина превосходно работает уже миллиарды лет.

Обоснование схемотехнического решения приемной и силовой части альтернативного источника энергии

С электротехнической точки зрения для бесперебойного получения энергии из электрического поля атмосферы необходимо и достаточно организовать стабильный поток электрических зарядов (проходящий через нагрузку и совершающий в ней полезную работу) между поверхностью планеты и находящейся под высоким электрическим потенциалом тропопаузой. Совершенно не обязательно создавать устойчивый проводящий канал, пронизывающий всю толщу тропосферы (длиной 10-15 км). Можно ограничиться искусственной нейтрализацией объемных зарядов над самой поверхностью планеты (на высотах менее 30-100 метров), где собственно и происходит их образование. Это дает аналогичный энергетический эффект и легко поддается практической реализации.

Нормальная напряженность электрического поля у поверхности Земли в ясную погоду составляет приблизительно 130 В/м и колеблется в течение суток с размахом ±15%. Средняя разность потенциалов между положительно заряженной атмосферой и отрицательно заряженной планетой равна 400 кВ (рис. 9.3). В городах и промышленных зонах воздух содержит большое количество примесей (облегчающих конденсацию микроскопических капель влаги) и там средняя напряженность поля достигает 250-400 В/м. Поле может кратковременно менять знак и быстро (за считанные минуты) усиливаться до пробойных для воздуха значений 0,5-3 МВ/м в сложной метеорологической обстановке (при грозах, ливневых дождях, ураганах и пр. атмосферных возмущениях).

Суточный ход средней напряженности атмосферного электрического поля имеет несимметричный характер. Она колеблется в глобальном масштабе, синхронно вращению земного шара. Наибольшее значение имеет место в 19.00 часов по Гринвичу (на освещенной солнцем стороне планеты – Тихий океан и испарение воды в атмосферу максимально), а наименьшее в 4.00 часа по Гринвичу (на солнечной стороне покрытый горами и пустынями – Старый Свет).

Средняя суточная вариация градиента потенциала атмосферы в ясную погоду у экватора над океанами (идеальный случай) изображена на рис. 9.4.

Над континентами чистый вид изображенной на рис. 9.4 зависимости (глобальной составляющей градиента потенциала) сильно искажается местными особенностями формирования атмосферного электрического поля. В каждом районе суши она принимает свой собственный характер, присущий только данной местности в совершенно определенное время года.

Типичные, усредненные за месяц, суточные вариации градиента потенциала атмосферы в окрестностях Санкт-Петербурга в декабре и апреле для примера изображены на рис. 9.5 и 9.6.

Рис. 9.4

Рис. 9.5

Годовой ход градиента потенциала атмосферы для различных районов земного шара так же имеет сложный характер. На него влияют рельеф, атмосферные течения, характер растительности, уровень промышленного развития региона и различные географические факторы. Типичные усредненные зависимости по месяцам для трех характерных точек на поверхности планеты (середины Индийского океана, центра Евразии и северной Европы) изображены на рис. 9.7, 9.8 и 9.9 соответственно.

Рис. 9.9

Эффективное согласование описанного энергетического ресурса с электрической нагрузкой требует специального промежуточного преобразователя. Эту функцию совместно выполняют приемник энергии, установленный на изолированной опоре, и силовой преобразователь электрической энергии. Функциональная схема приемника изображена на рис. 9.10.

Рис. 9.10

Приемник энергии устраняет колебания внешнего атмосферного электрического поля и преобразует его заряд в высоковольтный (50-300 кВ) источник постоянного тока (0,1-30 А).

Схема приемника энергии из внешнего электрического поля (патент РФ №2245606) представлена на рис. 9.11: вариант А – приемника энергии, размещенного на летательном аппарате, вариант Б – наземного исполнения приемника энергии.

Рис. 9.11

Преобразователь электрической энергии преобразует постоянный ток в выходное напряжение промышленного стандарта (постоянное или переменное) на повышенной частоте 100 кГц в зависимости от рода подключенной нагрузки, сетевого стандарта и местных потребностей.

Для защиты поднятого над землей приемника и высоковольтной части преобразовательной схемы от атмосферных воздействий (резкие колебания электрического поля, удары молнии, влажность, запыленность и т.п.) установка оснащается эффективным изолятором, заземлением, набором электрических разрядников, плавкими предохранителями, быстродействующим размыкателем силовой цепи и системой автоматической перемены знака приемного электрода.

Электрическая блок-схема такого преобразователя представлена на рис. 9.12.

Рис. 9.12

Конструктивные особенности и принципы монтажа установок альтернативной энергии представлены на рис. 9.13.

Рис. 9.13

Описание особенностей атмосферного электрического поля, мешающих и способствующих его использованию в качестве базового ресурса альтернативного источника энергии

Локальная напряженность электрического поля в произвольной точке поверхности Земли, вектор его направленности, сила и объемная плотность потока атмосферных зарядов жестко связаны с ходом тепловых и массообменных процессов в столбе воздуха над ней. Изменение любого из перечисленных параметров ведет к пропорциональному изменению всех остальных.

С физической точки зрения отбор энергии из атмосферного электрического поля означает вмешательство в процесс транспортировки излучения по цепочке «Солнце – поверхность – Космос» на участке конвективного теплообмена. Этот вывод справедлив ко всем видам альтернативных источников энергии, основанных на преобразовании солнечной энергии (ветроэлектрогенераторы, гидроэлектрогенераторы и т.п.).

Такое вмешательство остается без последствий, если полученная энергия немедленно возвращается в атмосферу (например, расходуется на освещение или отопление теплицы), но вызывает побочные климатические эффекты, если энергия изымается безвозвратно (например, тратится на совершение механической работы, химические реакции или транспортируется на значительное расстояние).

По силе побочных климатических эффектов можно выделить три основных варианта контакта приемника альтернативного источника энергии с объемным атмосферным зарядом: точечный, местный и глобальный. Они различаются мгновенным (усредненным в течение 20-30 минут) балансом между скоростью безвозвратного отбора энергии из атмосферы, скоростью её поступления в атмосферу извне, а так же запасом скрытой энергии в окружающем приемник пространстве (масса водяного пара в воздушном столбе над приемником, температура воздуха, время суток, характер поверхности, её теплоемкость и пр.). Последние факторы следует учитывать при запуске установки, при её импульсных и повторно-кратковременных режимах работы.

Точечный вариант контакта имеет место, если на площади порядка 0,01 км2 из атмосферы безвозвратно извлекается не более 1,5% от транзитного потока энергии. Такая убыль не превышает естественных колебаний среднего уровня теплового баланса атмосферы в полный штиль. Если над приемником дует ветер, перемешивающий воздушные массы и расширяющий зону теплообмена, допустимый процент безвозвратного изъятия растет пропорционально его скорости. Аналогичный эффект дает размещение приемника на подвижном объекте (например, электровозе). Во всех перечисленных случаях величина изъятой энергии на тепловой баланс атмосферы практически не влияет.

Местный вариант контакта возникает, когда на площади более 0,5-1 км2 из атмосферы безвозвратно и систематически (часами и сутками) изымается более 15-20% транзитного потока энергии. Тепловой баланс столба воздуха над приемником и поверхности вокруг него перестраивается в соответствии с новым (существенно более низким) уровнем энергообмена. Парниковый эффект ослабевает, температура воздуха падает, а его влажность растет за счет диффузии водяного пара со стороны. Вокруг приемника наблюдается туманная дымка. Учащаются атмосферные осадки. Не по сезону меняется их характер.

Глобальный вариант контакта (короткое замыкание планетарного электрогенератора) становится возможен когда на территории площадью порядка 1-2 км2 в течение нескольких десятков минут скорость отбора энергии из атмосферного электрического поля существенно (в разы) превышает полную интегральную мощность теплового обмена. Поверхность и тропопаузу соединяет столб воздуха с аномально низким (почти нулевым) объемным зарядом. В нем формируются мощные восходящие потоки. Приходят в движение воздушные массы по всему срезу тропосферы. Возникают струйные течения на высотах порядка 8-12 км, где низкая плотность ледяного аэрозоля компенсируется его большей подвижностью в разряженном газе. К месту искусственно вызванной электрической аномалии начинает дрейфовать (со скоростью 300-700 км/ч) заряженная ледяная пыль из тропопаузы и стратосферы. Обычно структура и напряженность атмосферного электрического поля восстанавливаются через 40-60 минут. Пробел затягивается. Небо покрывается сплошными тучами, начинается продолжительный ливень. Хорошей импульсной моделью для демонстрации глобального варианта отбора энергии служит воздушный ядерный взрыв, создающий над своим эпицентром столб ионизированного газа (ядерный гриб), насквозь протыкающий тропосферу. Из сказанного следует, что процесс получения энергии из электрического поля атмосферы имеет естественные ограничения и должен обязательно контролироваться по параметру соблюдения безопасного энергетического баланса.

Данное обстоятельство может являться фактором риска. Обладатель альтернативного генератора электрической энергии получает реальную возможность влиять на погоду в радиусе нескольких километров от места его установки.

Вариации глобального контакта в перспективе могут быть использованы для регулирования климата, например, разряжать фронты мощных циклонов и антициклонов, вызывать дожди в нужном месте и в нужном количестве, разгонять облачность, туманы и т.п.

Переход на использование предлагаемых альтернативных источников позволит решить проблему глобального потепления, которое неумолимо приближается, как многие ученые считают за счет повышенного выброса в атмосферу углекислого газа и пыли. В этом случае любое частное лицо по собственному желанию может вызывать дожди, понижать среднюю температуру воздуха на площадях в десятки и сотни тысяч гектаров и произвольно регулировать грозовую активность атмосферы.

С другой стороны, жесткая связь между количеством энергии, получаемой из атмосферы, и местной метеорологической обстановкой эффективно ограничивает хватательные рефлексы собственника. Продавать атмосферное электричество, например, подключив альтернативный источник энергии к магистральной ЛЭП, бессмысленно. Атмосферное электричество и так будет доступно каждому желающему, приобретшему установку, в любой точке земного шара. Тратить его на месте в хозяйственных целях можно сколько угодно. Выделившееся тепло тут же безвредно возвращается в окружающую среду. Зато на бизнесмена, решившего торговать атмосферной энергией «в твердом виде», например, плавить металл, в буквальном смысле обрушатся хляби небесные, либо ему придется в разгаре лета откапывать свою домну из-под снежных заносов.

Именно это свойство альтернативных источников обеспечит ускоренное развитие технологий «зеленой химии» с организацией производств кластерного типа.

По принципу действия каждый приемник генератора подобен обычному молниеотводу и подчиняется закономерностям, которые диктуют особенности пространственного распределения электрического поля в приземном слое воздуха. Максимальный эффект от подъема приемника вверх наблюдается в диапазоне высот до 25-30 метров. По мере дальнейшего подъема полезный эффект постепенно уменьшается до нуля. Ставить приемник выше 70-100 метров экономически нецелесообразно.

Выгодно подключать к мощному преобразователю несколько разнесенных в стороны приемников на опорах высотой менее 30 метров, использовать естественные возвышения и крыши зданий. На равнине дистанция между приемниками должна быть не меньше удвоенной высоты их опор. Это необходимо для устранения вредного влияния взаимного экранирования.

Определение закономерностей получения атмосферной электрической энергии в количестве, достаточном для хозяйственных целей

Альтернативный источник, получающий энергию из электрического поля атмосферы, подчиняется общим закономерностям, характерным для солнечных батарей, ветряных генераторов, тепловых накопителей и т.п. устройств, прямо или косвенно использующих энергию падающего на Землю солнечного излучения. Средняя плотность потока тепловой энергии Солнца на единицу поверхности северного полушария (Вт/м2 в сутки) приведена в табл. 9.1.

Из данных табл. 9.1 следует, например, что в окрестностях Вологды (58 градус северной широты) тепличное хозяйство, оснащенное автономными генераторами и расходующее в апреле месяце на отопление и освещение растений среднюю мощность 12 МВт, должно, как правило, быть единственным потребителем энергии атмосферного электрического поля в радиусе 2-х километров.

Таблица 9.1

В последней строке табл. 9.1 перечислены безопасные (1,5% от среднегодового) уровни систематического отбора энергии из атмосферы (Вт/м²) при отсутствии ветра (штиле) для разных географических зон. Естественно, что при строгом учете местных климатических особенностей они могут изменяться в широких пределах.

Определение способов получения энергии из атмосферного электрического поля с достаточным для хозяйственных целей качеством

Природный механизм конвективной транспортировки солнечного тепла через атмосферу попутно преобразует его в энергию потенциального электрического поля.

Обратимое или безвозвратное изъятие из воздуха этой энергии требует соблюдения всех перечисленных выше ограничений.

Бесперебойность работы альтернативного генератора является качественным показателем и важна не меньше его других характеристик.

Избыточный отбор мощности способен изменить или сорвать нормальный ход транзитного потока тепла в атмосфере, например, спровоцировав появление облаков. Требуется заранее рассчитывать оптимальный способ энергоснабжения хозяйственных объектов.

Наиболее очевидные сочетания конструктивных решений для различных режимов получения энергии из атмосферного электрического поля, перечислены в табл. 9.2.

Таблица 9.2

На первом этапе освоения технологии выгодно постепенно оснащать местные распределительные сети генераторами малой мощности (последняя строка таблицы). Каждый из них можно ставить прямо на линейных опорах и подавать энергию непосредственно в сеть. Это позволяет сразу и максимально полно (без какой либо переделки) использовать наличное электрохозяйство.

Описанный способ дает возможность при необходимости концентрировать значительные энергетические мощности, не нарушая теплового баланса атмосферы. Достаточно поддерживать заведомо малую плотность размещения приемников и располагать их на местности как можно более равномерно.

Обоснование методов текущего контроля работы альтернативного источника энергии

Искусственное вмешательство в механизм атмосферного теплообмена требует постоянного внимания за перемещениями и физическим состоянием окружающих приемник воздушных масс.

Эффективная скорость обмена зарядами приемника и атмосферы зависит от режима обтекания воздухом рабочего электрода, а концентрация объемного атмосферного заряда от температуры, влажности и давления газовой смеси.

Необходимо постоянно контролировать текущую напряженность электрического поля на поверхности рабочего электрода. Важно знать степень неоднородности и абсолютную величину электрического поля в ближней (несколько метров) и дальней (несколько десятков метров) зоне окружающего приемник пространства.

Метеорологическая обстановка способна существенно изменяться каждые несколько секунд. По этой причине измерение перечисленных параметров должно мгновенно отражаться на режиме работы электронной схемы установки, поддерживая его оптимальные характеристики.

Стандартный набор контрольных приборов альтернативного источника энергии должен включать:

– датчики напряженности электрического поля (1-2 штуки на внешней поверхности приемника, 1-2 штуки на равном удалении в ближней зоне и не менее 3-х штук в дальней зоне);

– измерители температуры воздуха (один на внешней поверхности приемника и не менее 2-х штук на максимальном расстоянии от приемника в дальней зоне);

– измерители скорости воздушного потока (один на внешней поверхности приемника, один в ближней и один в дальней зоне);

– измеритель давления воздуха (один в ближней зоне);

– измерители влажности воздуха (один в ближней и один в дальней зоне);

При групповом размещении приемников часть приборов может обслуживать сразу несколько установок.

В дальнейшем, по мере накопления опытных данных по взаимодействию приемника энергии с окружающей средой, количество необходимых датчиков может значительно снизиться.

Аппаратура по обработке информации, получаемой от датчиков альтернативного источника энергии для силовой части преобразовательной схемы, не отличается от аналогичной аппаратуры для обработки информации от датчиков аналогичного назначения любой электронной техники.

Исследование влияния альтернативного источника энергии на экологическую обстановку

При оптимальной величине отбора мощности из атмосферного электрического поля (меньше 1,5% от местной величины энергетического баланса) влияние альтернативного источника энергии на метеорологическую обстановку в районе размещения стремится к нулю. Тем не менее, он создает локальное возмущение текущего электрического поля планеты и вызывает перераспределение объемных зарядов у поверхности. Возможно, это может отразиться на прохождении СВЧ радиоволн в окрестностях генератора, а при неблагоприятных обстоятельствах (излишне густое размещение приемников, либо появление крупного облака заряженного аэрозоля в створе луча), вероятно, может нарушить работу сотовых телефонов и радиорелейной связи. Степень этого влияния будет изучена во время полномасштабных натурных испытаний альтернативного источника энергии (Интересно, существуют ли данные прохождения СВЧ-волн вблизи мощных ветроэлектрогенераторов?).

К неизбежным физическим эффектам, сопровождающим работу генератора, относятся:

– колебания прозрачности воздуха (меняется средний размер частиц атмосферного аэрозоля вокруг приемника);

– тлеющие электрические разряды на находящихся под высоким напряжением частях установки (ионизация воздуха и ультрафиолетовое свечение);

 – наведение статических зарядов на находящихся поблизости проводящих предметах (электрическая индукция);

– постоянный электрический ток через рабочее заземление.

Во время грозы или при большом снимаемом токе на приемнике может загораться коронный разряд, вызывающий интенсивное плазмохимическое разрушение электродов с изоляторами, а так же распыление в воздухе окислов составляющих их химических элементов. Все эти эффекты только предполагаемые и будут уточняться в процессе дальнейших исследований.

Формулировка правил техники безопасности при эксплуатации альтернативного источника энергии

Ниже приведены предварительные правила эксплуатации альтернативного источника энергии, позволяющие избежать вредных последствий для людей, техники и природы:

1. Запрещается установка приемников ближе 100-200 метров от воздушных ЛЭП, линий связи и антенного хозяйства радиостанций.

2. Запрещается установка преобразователя за пределами зоны отчуждения приемника.

3. Для пресечения несанкционированного доступа к токоведущим частям генератора следует применять специальные заграждения и плакаты «Осторожно, высокое напряжение!».

4. Категорически запрещается приближаться к опоре приемника, прикасаться к растяжкам и производить ремонт любой сложности без предварительного отключения генератора.

5. Каждый преобразователь должен подключаться к собственному заземляющему устройству.

6. Заземление проводящих частей опор приемников обязательно.

7. Все крупные токопроводящие предметы, постоянно расположенные в зоне отчуждения генератора, независимо от принадлежности к его конструкции, должны быть заземлены.

8. Эксплуатация генератора без грозозащитного разрядника запрещается при любой погоде.

9. Электроды и изоляторы приемника, подвергающиеся при работе плазмохимическому разрушению, рекомендуется изготавливать из материалов с высокой стойкостью, либо не содержащих токсичные химические элементы.

10. Не рекомендуется устраивать заземление элементов установки (через которое будет круглосуточно проходить постоянный электрический ток) поблизости от линий водопровода, электрических кабелей и других подземных коммуникаций.

Краткое описание альтернативного источника энергии

Альтернативный источник предназначен для преобразования солнечной энергии, запасенной в атмосферном электрическом поле, в электрическую энергию промышленных стандартов. Он состоит из приемника, опоры для крепления приемника и преобразователя постоянного тока высокого напряжения в выходное постоянное/переменное напряжение потребителя. Режим работы изделия – непрерывный, круглосуточный.

Приемник альтернативного источника генератора обеспечивает контакт входных цепей преобразователя с атмосферным электрическим полем. Опора обеспечивает электрическую изоляцию приемника, находящегося под высоким напряжением (оптимально 50 кВ) от заземленных деталей конструкции и удерживает его на достаточной высоте от поверхности грунта.

Допускается установка приемника на отдельно стоящих зданиях, деревьях и возвышенных деталях рельефа. Преобразователь обеспечивает согласование выходного тока приемника с электрическими характеристиками полезной нагрузки.

После сборки и запуска электрогенератор работает в автоматическом режиме и не требует обслуживания, за исключением профилактических осмотров один-два раза в год.

Под действием тлеющих высоковольтных разрядов и атмосферной коррозии материал металлических электродов и поверхность изоляторов приемника, как и любых других сооружений высоковольтной техники, постепенно разрушается. Рабочие характеристики генератора в результате ухудшаются.

Приемник (или его сменный узел) является расходным ресурсом генератора и требует периодической замены (по истечении гарантийного срока эксплуатации).

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Альтернативный источник энергии выгодно отличается от установок аналогичного назначения экономичностью (не требуется никакого топлива), отсутствием подвижных деталей, простотой складной конструкции и легкостью транспортировки. Он более надежен, чем любые известные устройства автономного энергоснабжения, так как электрическое поле атмосферы слабо зависит от времени года, существует круглосуточно и доступно в любой точке земного шара.

Предлагаемый альтернативный источник электроэнергии резко выделяется на фоне известных методов утилизации даровых сил природы несколькими принципиально важными отличиями:

– используемый ресурс имеет электрическую природу и может непосредственно (без сложных предварительных преобразований энергии) применяться для питания существующего электрооборудования, распределительных сетей и подвижных заземленных объектов;

– любое электрическое преобразование сегодня может выполняться с к.п.д. более 90%, что в два-три раза превышает обычные нормы для неэлектрических систем альтернативной энергетики;

– атмосферное электрическое поле, в силу его физической природы, легко концентрируется. Отбирать из воздушного пространства (измеряемого кубическими километрами) значительную мощность можно с помощью одного компактного приемника на изолирующей стойке;

– приемник предлагаемой установки не имеет подвижных деталей и не испытывает при работе динамических нагрузок. Полный комплект оборудования альтернативного источника энергии может быть сделан легким, складным и мобильным;

– используемый природный ресурс (атмосферное электрическое поле) сам по себе обладает свойствами буферного аккумулятора энергии, существует круглосуточно и доступен в любой точке земного шара;

– мощность современных электрических преобразователей слабо связана с их массой и габаритными размерами;

– капитальные затраты на подключения альтернативного источника энергии к стандартному электрооборудованию, местной распределительной сети, хозяйственной постройке или частному домовладению равны стоимости его покупки и установки. Эксплуатационные расходы – это редкие профилактические осмотры электрической схемы (один-два раза в год) с периодическими заменами изношенных элементов. Переоборудование уже действующих в населенных пунктах электрических подстанций для этого может не потребоваться.

– ориентировочный срок непрерывной работы сменного узла приемника в нормальных условиях составляет не менее 3-5 тысяч часов. Под действием тлеющих разрядов и атмосферной коррозии электроды и изоляторы приемника разрушаются. Это расходный ресурс генератора, периодически требующий замены, чем, помимо амортизационных отчислений, в основном и определяется себестоимость получаемой электрической энергии (от 0,54 до 1,07 руб. за один кВтч).

При очень высокой напряженности внешнего электрического поля, вызванной конструктивной необходимостью (например, невозможностью разместить на отдельной стойке больше одного приемника при значительной снимаемой мощности), элементы конструкции работают в условиях непрерывного коронного разряда. При этом плазмохимическое распыление изоляторов и рабочего электрода может достигать до 0,3-1,0 см³ на каждый ампер-час снятого атмосферного заряда. Износ почти не зависит от их химического состава.

Оптимальный диаметр одиночного приемника, независимо от мощности генератора, не превышает 1-2 м. Это связано с особенностями распределения атмосферного электрического поля в приземном воздухе. Для приемников стандартной конструкции целесообразно использовать сменные узлы из разных материалов. Длительно эксплуатируемый приемник, автономно стоящий на столбе распределительной сети, например, выгодно выполнять из сплава молибдена, а регулярно обслуживаемые приемники на опорах поселковой электростанции – из конструкционной стали. Их легко оперативно заменять по мере износа.

Экономическая оценка затрат (по общемировым ценам) на покупку и годичную эксплуатации генератора номинальной мощностью 10 кВт, установленного на опоре распределительной сети, приведена в табл. 10.1. Стоимость генератора задана, исходя из приблизительной эмпирической нормы «1 Вт – $1 USD», действующей на мировом рынке в отношении силовой преобразовательной электротехники последние 10-15 лет. Стоимость сменного узла приемника задана исходя из его технологической сложности и ценности применяемых материалов.

Таблица 10.1

За год круглосуточной работы (8670 часов) с периодической перегрузкой до 10% генератор мощностью 10 кВт способен отдать в местную распределительную сеть приблизительно 95000 кВтч электрической энергии.

Сравнительная оценка приобретения того же ресурса в готовом виде приводится в табл. 10.2.

Таблица 10.2

Из данных табл. 10.1 и 10.2 видно, что переоборудование существующей сельской инфраструктуры регионального электрического хозяйства России в полностью независимые местные энергетические системы при мировых ценах на электричество окупится в течение года.

В условиях постоянного повышения цен на энергоресурсы следующей по важности за отоплением и освещением является проблема перевозки грузов. Непосредственно применить описанную технологию альтернативного энергетического снабжения для наземного транспорта довольно трудно. Исключение составляют электрифицированные железные дороги. Их подвижной состав имеет отличный электрический контакт с поверхностью планеты, так как опирается на заземленные рельсы.

Автомобили, ездящие по асфальту на резиновых шинах, в их современном виде переделать на атмосферную электрическую тягу нельзя. Такая модернизация реальна разве что для гусеничных тракторов и танков.

Современные морские и речные суда не годятся для использования альтернативных источников энергии. При работе альтернативного источника с заземлением через воду будет наблюдаться электрокоррозионное разрушение корпуса. Для использования альтернативного источника для водного транспорта потребуется другой подход к конструированию корпусов судов.

Альтернативные источники энергии могут также использоваться и для воздушного транспорта при соответствующем подходе к конструированию фюзеляжа и энергоустановки.

Экономические показатели, связанные с возможным регулированием климата, здесь не рассматриваются.

Финансовый план

Общая сумма затрат по разработке, изготовлению опытного образца, испытаниям и сопровождению серийного производства альтернативного источника электроэнергии, а также предполагаемый эффект от освоения серийного производства приведена в табл. 10.3.

Таблица 10.3

План капитальных вложений по проекту приведен в табл. 10.4.

Таблица 10.4

Производственные затраты по разработке, изготовлению опытного образца, испытаниям и сопровождению серийного производства альтернативного источника электроэнергии представлены в табл. 10.5.

Таблица 10.5

10.4. Затраты на обслуживающий персонал представлены в табл. 10.6.

Таблица 10.6

План производства представлен в табл. 10.7.

Таблица 10.7

План реализации представлен в табл. 10.8.

Таблица 10.8

Результаты финансовой деятельности представлены в табл. 10.9.

Таблица 10.9

Примечание. Нормы и расценки на производство работ и оборудования будут уточняться при разработке проектно-сметной документации на строительство, приобретение техники и оборудования испытательного полигона и опытно-производственных цехов площадью 3-5 га.

Выплата авторского вознаграждения

Величина выплат авторского вознаграждения за использование промышленной собственности определяется из выражения

V_t – объем ожидаемого выпуска продукции в году t, шт.;

Z_t – продажная цена единицы изготовленной по лицензии продукции без НДС в году t, руб., в расчетах принимаем продажную цену аппаратов на все время продажи по лицензии неизменной, Z_t = 1,45 млн. руб.;

R_t – размер роялти в году t, для электротехнического оборудования в зависимости от эффективности 0,04 ? R_t? 0,07, в расчетах принимаем R_t = 0,05;

Т – срок действия лицензионного договора, рассматривается исходя из «жизненного цикла» нововведения, определяемого периодом его морального старения. Из опыта международной торговли интеллектуальной промышленной собственностью этот срок не превышает Т=15 лет, в расчетах принимаем Т=10 лет;

k_t – коэффициент дисконтирования, k_t = 1/(1+r)^t, принимаем ставку рефинансирования Ставропольского СБ по 2006 году – r = 18%. Естественно, ставки рефинансирования могут меняться ежегодно.

Пример расчета выплаты авторского вознаграждения в соответствии с предполагаемым выпуском продукции по годам с учетом постоянства r:

С₁ = 100?1,45?0,05?(1/1,18)¹ = 6,15 млн. руб.

С₂ = 2500?1,45?0,05?(1/1,18)² = 130,17 млн. руб.

С₃ = 50000?1,45?0,05?(1/1,18)³ = 2206,29 млн. руб.

С₄ = 50000?1,45?0,05?(1/1,18)⁴ = 1869,73 млн. руб.

-  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -  -

С₁₀ = 50000?1,45?0,05?(1/1,18)¹⁰ = 692,61 млн. руб.

Выплаты авторского вознаграждения производятся по результатам деятельности предприятия-изготовителя от фактически реализованной продукции в денежном выражении.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Высокая производительность. Альтернативный источник обладает высокими удельными характеристиками (м³/кВт, м²/кВт, кг/кВт).

Энергосбережение. Альтернативный источник не потребляет никаких топливных ресурсов для выработки электроэнергии.

Стоимость производимой электроэнергии – 0,54 до 1,07 руб. за один кВтч.

Экологическая безопасность. Альтернативный источник не имеет экологически опасных выбросов в окружающую среду. Утилизация альтернативного источника при окончании ресурса или неремонтопригодного выхода из строя подобна утилизации любого электротехнического изделия.

Энергопотребление. Для собственных нужд – не более 0,5% от производимой альтернативным источником энергии

Безлюдная технология. 100% автоматический контроль и регулирование.

Внедрение альтернативного источника энергии буле способствовать развитию современных технологий использования электроэнергии:

– регулированию технологических параметров производственной и бытовой техники;

– внедрению инновационных экологически безопасных технологий переработки веществ и сырья;

Новые потребительские свойства продукции

– выработка электроэнергии без использования энергоресурсов;
– повышение ресурса оборудования;
– снижение металлоемкости;
– высокая эффективность технологического процесса;
– стоимость производимой электроэнергии – 0,54 до 1,07 руб. за один кВтч.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Изделие – альтернативный источник энергии – должен быть сертифицирован по международным стандартам качества ISO9000 и ISO 14000.
Все качественные характеристики сырья и материалов должны соответствовать работе высоковольтных изделий для всех климатических зон на открытом воздухе со сроком работы не менее 25 лет.

Стадия и уровень разработки

Необходимо проведение НИОКР и подготовки производства.
Проведенной авторами работой впервые доказана возможность получения промышленно значимого количества энергии из атмосферного электрического поля. Разработан экологически безопасный способ и устройство получения и преобразования энергии.
Разработана методика расчета и оптимизации параметров установок, использующих атмосферное электрическое поле в качестве источника энергии.
Предложена методика теоретической и оперативной оценки экологически безопасных пределов количества получаемой энергии.
Проанализированы статистические данные состояния атмосферы, характеризующие работу устройства в различных климатических условиях и географических зонах.
В процессе проведения научно-исследовательской работы получены следующие результаты:
– разработана масштабируемая конструкция приемного устройства для извлечения энергии из атмосферного электрического поля;
– разработан набор схемотехнических решений силовых преобразователей энергии для различных вариантов приемных устройств;
– разработаны принципы построения оригинального комплекта контрольно-измерительных приборов для оперативной оценки электрических и физических параметров атмосферы в точке отбора энергии и её ближайших окрестностях;
– разработаны способы противодействия плазмохимической эрозии изоляторов и электродов приемного устройства.

Предлагаемые инвестиции

Прямые инвестиции: в 1 год – 42,75 млн. руб., во 2 год – 88,3 млн. руб.
Ожидаемый порядок окупаемости инвестиций по годам (нижняя строка – ожидаемая валовая прибыль), млн. руб., показан в табл. 17.1.
Таблица 17.1
1 год 2 год 3 год
42,78 88,3 –
– 1,42 3269,4

Рынки сбыта

Области продвижения продукции:
– прежде всего, в отдаленные районы России – использование альтернативных источников позволяет отказаться от ежегодного «северного завоза» энергоресурсов и организовать местное производство сельхозпродукции на основе энергосберегающих тепличных комплексов;
– сельское хозяйство и сельские муниципальные образования;
– государственные органы – МЧС, МО, геологоразведка»;
– развитие разработки и производства альтернативных источников энергии может позволить их использование в электрической тяге локомотивов и других самодвижущихся механизмов, имеющих электрический контакт с поверхностью земли;
– многие другие области, требующие малых и средних мощностей и отсутствия воздействия генерирующих производств на окружающую природную среду.
Объемы производства альтернативных источников принципиально не ограничены, о чем говорят имеющиеся исследования по экологии, в соответствии с которыми появляется требование снижения антропогенной нагрузки на окружающую природную среду, особенно со стороны крупных энергопроизводств и промышленных предприятий.
Поскольку эксплуатация источников связана с отбором энергии из атмосферы, в перспективе появляется возможность локального регулирования климата планеты в заданном регионе в специальных режимах работы альтернативных источников энергии.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

14.09.2006