Об электронном генераторе электроэнергии

Электроэнергия – самый универсальный вид энергии, широко применяемый как в производстве средств аэрокосмической техники, такив обеспечении жизнедеятельности аэрокосмических аппаратов. Производство электроэнергии осуществляется главным образом с помощью энергоблоков – генераторов, за счёт энергии сжигаемого топлива. В результате этого образуются вредные выбросы и отходы, негативно воздействующие на экологию. КПД топливосжигающих электрогенераторов сравнительно низкий. Они потребляют колоссальное количество топлива. Поскольку топливно-энергетические ресурсы планеты весьма ограничены и цена на них постоянно растёт, эта ситуация ведёт человечество в тупик энергетического экологического кризиса [1].

Анализ существующих электроэнергетических технологий показывает, что для электроэнергетики необходима принципиально новая электрическая технология производства электроэнергии. Единственной, данной природой возможностью для создания высокоэффективного экологически чистого источника электроэнергии (а не преобразователя других видов энергии в электроэнергию) является фундаментальное электрическое взаимодействие имеющих элементарный заряд е= 1,6 ⋅ 10^–19 Кл электронов и катионов (наноисточников) электрической энергии, образующих вокруг себя радиальное электрическое поле с энергией 511 кэВ [2].

Сила взаимодействия заряженных тел описывается законом Кулона [2]:

F_k= q ₁ ⋅ q ₂ / 4 πε r_ij ², где q ₁и q ₂–суммарные заряды взаимодействующих тел; ε – диэлектрическая проницаемость среды; r_ij –расстояние между центрами заряженных тел.

Усреднённая энергия связи протонов в ядре и электронов в электронной оболочке химического элемента [2] определяется по формуле

Wq= e2(Z – 1)2/4πεri, где Z– атомный номер химического элемента; ri–среднее расстояние между заряженными частицами в ядре или электронной оболочке химического элемента. Энергия связи (взаимодействия) двух протонов в ядре состав-ляетпорядка 1,6 МэВ, двух электронов в оболочке – по- рядка 1,6 кэВ; двух ионов в плазме, в которой из каждого атома удалён один электрон на расстояние ионного радиуса ri ~10–10м, ~16 эВ.

Электростатическая энергия моля ионизированного вещества, в котором из атома удален один электрон на расстояние ионного радиуса r_i ~10^–10м, составляет порядка 10³⁰Дж [3] и определяется формулой

W = A2e2/4πεr, ei гдеА–число Авагадро; ε – диэлектрическая проницаемость среды. На ионизацию моля вещества, например с помощью электрической дуги, затрачивается энергия Wd=AeUd~6⋅ 1026эВ, где Ud – напряжение между электродами дуги, равное ~100 В. Затраты энергии на формирование из плазмы электронного луча и управление лучом, например методом «электронной пушки» [2]: Wl=AeUl~6⋅ 1026кэВ ~ 1011Дж, где Ul– напряжение на аноде электронной пушки, ~100 кВ. Соотношение энергий We/(Wd+ Wl) ~1019показывает, что на фундаментальном взаимодействии электрически заряженных частиц можно создать высокоэффективный источник электроэнергии [3].

В процессе взаимодействия электроны и катионы не разрушаются, а рекомбинируя друг с другом, образуют атом исходного рабочего вещества, который вновь подвергается ионизации полем электрической дуги.

Техническое решение электроэнергетической нанотехнологи (ЭЭНТ) защищено патентом [4]. Осуществляется ЭЭНТ с помощью электронных генераторов электроэнергии (ЭГЭ), преобразующих в электроэнергию энергию взаимодействия положительных ионов с электронами, проходящими по электрической цепи, совершающими работу, пропорциональную произведению суммарного заряда электронов и катионов на их суммарную разность потенциалов. Такая технология позволяет в 5–7 раз снизить себестоимость производства электроэнергии по сравнению с топливосжигающими технологиями, не образуетвыбросов отходов, негативно воздействующих на экологию.

В основу ЭЭНТ положен процесс перехода электричества из электростатической формы в электродинамическую – «закон сохранения энергии электричества».

Теоретическая возможность такого перехода показана в[3].

Уравнения, связывающие плотность электростатической и электромагнитной энергии заряженных частиц:

– для правосторонней ротации электромагнитного процесса:

( μ H ² + ε E ²) = ρ R _τ E = DЕ ;

– для левосторонней ротации электромагнитного процесса:

(μH2 + εE2) = –ρRτE= –DЕ, где μ и ε – магнитная и диэлектрическая проницаемость среды соответственно; Н, Е и D – вектор напряжённости магнитной составляющей, вектор напряжённости электрической составляющей и вектор индукции электрической составляющей электромагнитного процесса соответственно; ρ – плотность заряда частицы; Rτ–радиусзаря-женной частицы.

Мощность ЭГЭ определяется формулой

P_q=I_e ϕ_{Σ 0} = I_eN_Lq_S / ε r_i= I_eN_sl_sE_a = I_eN_el_s ( М_i/ ε R_a )^1/2 =I_e ² Z_H/ η , где I_e = eN_e – ток эмиссии ( N_e – количество электронов, переходящих за одну секунду из электрической дуги в электронный луч); ϕ_{Σ 0} = U_q = N _LN _S ∫ E i dl ≅ϕ _iN_SN _L – суммарный потенциал относительно т ^ri очки с нулевым потенциалом, создаваемый электронным лучом на рабочем электроде (рабочее напряжение), определяется из уравнения grad ϕ = – E ; N _S = N_er_i/V_i – среднее количество заряженных частиц в поперечном сечении электронного луча; ϕ _i=e/ ε r_i= ( eE_a/ ε )^1/2–потенциал, создаваемыйкаж-дым электроном луча; E_i = e/ ε r_i ² – напряженность электрического поля, создаваемая электроном луча; r_i = ( e/ ε E_a )^1/2 – среднее расстояние между электронами в луче, устанавливающееся равновесием сил Кулона, расталкивающих электроны, и Лоренца – притягивающих электроны друг к другу; V_i = ( eU_a/М_i )^1/2 – средняя скорость электронов в луче, получивших потенциал анодного поля, образующего луч из электронного облака плазмы; E_a = U_a/R_a – напряженность анодного поля «электронной пушки», напряжение на аноде и расстояние между анодом и катодом; r_iN _L ≅ l_s – эффективная длина электронного луча, воздействующего на рабочий (поляризующийся) электрод (во сколько раз l_s больше R_a , во столько раз U_q больше U_a и P_q больше P_а , так как E_i по длине луча практически одинакова; происходитумножение напряжения электронным лучом в l_s/ R_a раз, U_q= U_a l_s /R_a ); q_S=eN _S – суммарный заряд электронов, одновременно воздействующих на рабочий электрод; η =Z_H/ ( Z_qo + Z_H ) –КПДЭГЭвэлект-рической цепи потребителей электроэнергии; Z_qo =Z_H opt= = ϕ_{Σ 0}/ I_e = l_se^{– 1}( M_i / ε R_a )^1/2 – внутреннее сопротивление ЭГЭ, ему должно быть равно сопротивление нагрузки для получения максимального КПД отгенератора тока, каким является ЭГЭ.

Электрический ток, проходя по внешней цепи, соединяющей положительно и отрицательно поляризующиеся электроды, совершает электрическую работу в приемниках электрической энергии, т. е. передает ее потребителям, включенным в цепь. Вместе с этим электроны, приходя на положительно поляризованный катод электрической дуги, рекомбинируютс положительными иона- ми, образуя атомы и молекулы рабочего вещества (в данном случае инертного газа), которое вновь подвергается ионизации полем электрической дуги [4]. Многократная ионизация – рекомбинация рабочего вещества в герметичном объеме, не расходует его, не нарушает его свойства.

На придание скорости электронам, формирование луча из электронной плазмы и массоперенос электронов отобласти электрической дуги до поляризующегося электрода затрачивается энергия анодного поля

W_a=eN_eU_a= NМ_iV_i ² = W_Мv .

При этом в сжатом из электронной плазмы луче создается энергия взаимодействия электрических зарядов W_ij= q_iq_j / ε r_ij= N_ie_iN_je_j / ε r_ij =N ² e ²/ ε r_ij .

Баланс энергии ЭГЭ:

W +W +W = W +W = W + W = I2Z t/η, ϕe     a e ij Мv      λT      q H где Wϕe = eϕeN – затраты энергии на совершение работы выхода N электронов из материала катода для получения электронной плазмы, в данном случае ϕε равно напряжению между электродами электрической дуги; We = Ne2ke/ε – энергия электрического поля N свободных электронов; WМv =NМiVi2 – кинетическая энергия частиц, движущихся в электронном луче; WλT – электромагнитное излучение и тепловой нагрев мишени, обусловленные торможением движущихся электрических зарядов и торможением массы частиц; Wq = eNϕΣ0 = I2ZHt – энергия взаимодействия электронов, сжатых в электронный луч – потенциальная энергия электрических зарядов, преобразуемая в электромагнитную энергию и передаваемая под действием суммарного потенциала электрическим током в нагрузку сопротивлением ZH, включенную в электрическую цепь рабочего электрода, принимающего электронный луч.

Для эффективного производства электроэнергии необходимо, чтобы K _W – коэффициентэффективности преобразования электростатической энергии – соотношение производимой электроэнергии к затрачиваемой на это производство, был больше единицы. Чем больше это соотношение, тем выше эффективность производства ЭЭНТ. В случае ЭГЭ [4]

KW= Wq/(Wa+ Wje) =ϕΣO/(Ua+ϕe) ≅ Nels(Мi/RaεUa2)1/2>1, так как ϕΣ0>Ua>> ϕε.

Отсюда минимальная эмиссия электронов, необходимая для производства электроэнергии c K _W = 1, определится как

N_{e min} > U_a ( ε R_a/М_i l_s ²)^{1 / 2}.

При U_a= 10³Ви Е_a= 10⁴В/м, N_{e min}>10¹⁴ ε /c. Одновременное взаимодействие моля электронов N= 6 ⋅ 10²³ (их суммарная масса ≈ 0,5 ⋅ 10^–6 кг) и сближение их на расстояние ионного радиуса r_ij ~ 10^–10 м создаютпучок электронов с суммарной энергией порядка 10³⁰ Дж.

Определим минимальную силу тока и мощность ЭГЭ.

Затраты энергии анодного поля на ускорение и мас-соперенос электронов Wa = eNeUa представляют собой линейную зависимость от суммарного заряда электронов луча q=eNe . Энергия взаимодействия электронов, сжатых в электронный луч Wq =N2e2/εri, представляет со- бой квадратичную зависимость от суммарного заряда электронов луча (рис. 1).

Рис. 1

Для производства электроэнергии с помощью ЭГЭ необходимо, чтобы количество производимой электроэнергии превышало затраченную электрическую энергию:

W_q/W_a= K_W >1.

Из этого соотношения определяем минимальную силу тока, необходимую, чтобы ЭГЭ был генератором, а не преобразователем энергии:

I _min = ρ _qV_iS_q ≈ ε ( e/m )^1/2 ⋅ U_P ^3/2 = 4 ⋅ 10^–5 ⋅ U_P ^{3 / 2} ( A ).

Минимальная мощность фазы ЭГЭ:

S _min= I _min U_P = 4 ⋅ 10^–5 ⋅ U_P ^{5 / 2}( ВА ).

Обозначения: ρ _q = 3 e /4 π r_i ³ – плотность заряда в электронном луче; V_i = ( eU_a/М_i )^1/2 – средняя скорость электронов в луче, получивших потенциал анодного поля; S_q= π r_i ² l_s ( E_a ⋅ ε /e )^1/2– площадь поперечного сечения электронного луча; r_i = ( e / ε E_a )^1/2 – среднее расстояние между электронами в луче.

При рабочем напряжении 10 кВ минимальная мощность ЭГЭ на каждую фазу составляет 400 кВА. При рабочем напряжении 35 кВ S _min на каждую фазу составляет около 9 МВА. При рабочем напряжении 100 кВ S _min на фазу– 132 МВА.

Для производства и потребления электроэнергии по ЭЭНТ необходим реактор электронной плазмы (РЭП) ЭГЭ, превращающий рабочее вещество в заряженную плазму с помощью электрической дуги в ортогональном электрическом поле, и силовой трансформатор – преобразователь ЭГЭ (СТ-П), преобразующий электростатическую энергию заряженной плазмы в электроэнергию и согласующий ЭГЭ с сетью потребителей.

Технологическая схема электроснабжения по ЭЭНТ с помощью ЭГЭ показана на рис. 2. Здесь РЭП – реактор электронной плазмы; СТ-П – силовой трансформатор – преобразователь электростатической энергии луча электронной плазмы в электроэнергию, которую передает в сеть потребителей электроэнергии; РПН – регулируемый преобразователь напряжения, создаёт необходимые напряжения для совместной работы РЭПи СТ-П.

Укрупненная схема топливосжигающей электроэнергетической технологии с помощью ТЭС или АЭС, вырабатывающих соответственно около 70 % и порядка 10 % электроэнергии [1] показана на рис. 3. Здесь Т – топливо, углеводородное или ядерное; К–котёлдля сжигания соответствующего топлива и превращения его в тепловую энергию; ТП – турбина паровая, преобразующая тепловую энергию пара в механическую энергию; МГЭ –ме-ханический генератор электроэнергии, преобразующий механическую энергию в электроэнергию; ПВН – трансформаторная подстанция высокого напряжения; ЛЭП – высоковольтная линия передачи электроэнергии; ПНН – трансформаторная подстанция низкого напряжения. Сеть потребителей электроэнергии такая же, какв ЭЭНТ.

в сеть потребителей электроэнергии

Рис. 2

Сравнивая схемы электроснабжения с помощью ЭГЭ и с помощью топливосжигающих энергоблоков ТЭС или АЭС, видим, что для ЭГЭ не требуется топливо и сжигающий его котел, а также турбогенератор, преобразующий тепловую энергию в электроэнергию. ЭГЭ – экологически чистый источник энергии, поэтому его можно располагать непосредственно на территории сети потребителей, исключая ЛЭП – ненадежное звено энергосистемы, подверженное внешним воздействиям, в 2–3 раза повышающее стоимость передаваемой электроэнергии. Соответственно исключаются повышающая и понижающая трансформаторные подстанции. ЛЭП занимают сравнительно большие площади на территории городов и поселков. Такое упрощение технологической схемы ЭГЭ и схемы электроснабжения существенно (в 5–7 раз) снижает трудозатраты на создание и эксплуатацию энергосистемы, повышает ее надежность и сокращает сроки промышленного освоения.

Для промышленного освоения и массового применения электронной энергетики необходимы известные технологии электровакуумного, электротехнического приборостроения, а также технологии техники высоких напряжений. Имеющиеся электрические сети потребителей электроэнергии, силовое, бытовое и другое элект-

Т К ТП МГЭ ПВН ЛЭП ПНН

Рис. 3

в сеть потребителей электроэнергии

ротехническое оборудование могут быть использованы без изменений.

ЭГЭ можно эффективно использовать в качестве энергетических и силовых устройств на сухопутных, водных, воздушных, космических транспортных средствах [5].

Проработаны ЭГЭ номинальной мощностью 1, 10, 100и200МВА [6]. Себестоимость производства электроэнергии с помощью ЭГЭ сравнительно низкая и состав-ляет10–15 руб. за 1 000 кВт·ч для энергоблоков мощностью 100…200 МВА; 30–40 руб. за 1 000 кВт·ч для энергоблоков мощностью порядка 10 МВА; 100–120руб. за1 000 кВт·ч для энергоблоков мощностью порядка 1 МВА.

Электронные генераторы электроэнергии, в силу их достоинств, займут ведущее положение в электроэнергетике третьего тысячелетия [6; 7].