Так исторически сложилось, что я питаю слабость к генераторам разных типов, и сегодня мы рассмотрим ещё один любопытный образец, в котором реализован достаточно красивый способ генерации электроэнергии — безлопастной ветрогенератор.
Вообще говоря, когда видишь словосочетание «безлопастной», да ещё и «ветрогенератор», то это вызывает своеобразный когнитивный диссонанс, так как мы привыкли к абсолютно другому, и в нашем понимании, ветрогенератор частенько представляет собой огромную конструкцию, с внушительного размера лопастями…
Однако, как выясняется, для генерации электроэнергии вовсе не обязательны такие монструозные конструкции, и, генератор может выглядеть (в самом простом варианте) — как просто, грубо говоря, вертикально установленная палка и пластина, причём, без каких-либо лопастей! При этом, какая-либо привычная нам механика, совершающая некое движение отсутствует!
До непосредственного рассказа о самом устройстве, следует оговориться, что на данный момент, подобные генераторы не могут состязаться по эффективности с лопастными собратьями, демонстрируя эффективность в районе 7% (у известных образцов), что, конечно же, не может бороться с типовыми 45% у лопастных ветряков.
Однако они демонстрируют очень красивый принцип генерации электроэнергии, показывающий на практике, что глубокое знание физики позволяет создавать генераторы чуть ли не «из палки».
Несмотря на свою кажущуюся сравнительную неэффективность, в практическом смысле, подкупает простота их создания (соответственно и дешевизна), где, к тому же, широкое распространение в данный момент слаботочной электроники — разнообразные датчики, компоненты управления устройствами IoT, заставляет повнимательнее приглядеться к таким интересным способам.
Есть у них и свои очевидные плюсы: отсутствие механики, а соответственно и отсутствие шума при работе, износа, и негативного влияния на окружающую среду (на тех же птиц, например).
Итак, что же это за устройство?
Считается, что самым первым прототипом подобного устройства являлся генератор, предложенный американцем Элвином Марксом в 1977 году, которого считают первопроходцем в создании такого рода устройств — в указанном году он получил патент на систему, которую считают на данный момент классической, и она представляет собой два электрода, один из которых называется эмиттером, а другой коллектором.
Эмиттер представлен остроконечным электродом или массивом электродов, тогда как коллектор представляет собой плоскую пластину/сетку и т.д. — то есть, нечто, с относительно большой площадью.
На эмиттер подаётся высокое напряжение, в результате чего из остроконечного* электрода эмиттера начинается вылет зарядов
*Коронирует именно остроконечный электрод, так как на его кончике наблюдается самая высокая напряженность электрического поля.
Вроде бы, на данный момент, выглядит вполне обычно? Однако, Маркс привнёс в эту систему следующие новшества: коллектор устанавливается изолированно от земли, в результате чего, на нём начинают накапливаться заряды (за счёт чего они там накапливаются — об этом ниже), тогда как эмиттер связан с землёй и не изолирован.
Теперь, если подключить полезную нагрузку (некое наше устройство, которое требует питания) между коллектором и землёй — то возникнет электрический ток.
Но, «а где же здесь генерация?» — спросите вы. «На данный момент мы видим одни лишь затраты энергии!»
А вот тут самое интересное: изобретатель придумал, что можно увеличить потенциальную энергию (читай «начать генерацию»), если совершать работу, преодолевая силу электрического поля, препятствующую перемещению заряженных частиц от эмиттера к коллектору!
Дальнейшее объяснение следует разбить на этапы, так как я сам тоже потратил некоторое время, чтобы понять, как оно работает, потому что принцип действия (на мой взгляд) не особо интуитивно понятен «прямо сходу».
Но, для начала, посмотрим на картинку, где показана принципиальная схема всей системы:
Итак, мы здесь видим описанную выше систему, где эмиттер (charging system) испускает из заостренного электрода заряды, которые тут же начинают сдуваться в сторону коллектора (collector) — ветром (wind).
Так как коллектор изолирован (HV insulator) от земли, то изначально он электрически нейтрален, и получает свой заряд, того же знака, что и эмиттер, получая от него заряженные частицы.
Теперь, получается, что коллектор приобрёл заряд того же знака, что и эмиттер, в результате чего, заряды одноимённого знака начинают отталкиваться.
И тут, собственно, сама суть изобретения: Маркс придумал, что ветер, который на изначальном этапе служил для первичного заряда коллектора, в дальнейшем, будет служить для совершения работы, как бы «против силы, вбивая заряды» в коллектор, перенося их на него!
В распространённых объяснениях этого момента как говорится, что это можно образно сравнить с «подниманием камня на гору» — то есть совершение некоей работы, с преодолением сопротивления.
Теперь, мы видим, что на рисунке присутствует ещё и полезная нагрузка (load), которая соединяет коллектор и землю — при подключении такой нагрузки, заряды начинают утекать через неё в землю, и потенциал коллектора начинает уменьшаться, но, нагрузка не является коротким замыканием на землю!
Это означает, что заряды утекают через неё с некоторой скоростью, где в течение некоторого времени (если бы не было притока новых зарядов), количество зарядов на коллекторе выровнялась бы с землёй, где в течение этого времени на коллекторе будет продолжать сохраняться потенциал того же знака, что и на эмиттере, постепенно уменьшаясь.
Однако у нас постоянно происходит приток новых зарядов и поэтому, некоторый потенциал, того же знака, что и у эмиттера, на коллекторе постоянно продолжает сохраняться.
Достижение оптимальной эффективности работы системы включает в себя, как минимум, подбор таких параметров как: площадь коллектора, величина высокого напряжения на эмиттере, типовая сила ветра в этом месте.
То есть, грубо говоря, величина зарядного напряжения должна быть такой, чтобы при текущей силе ветра, всё ещё не происходило пробоя между коллектором и эмиттером, (и опять же, при текущей силе ветра), у него всё ещё хватало сил, чтобы преодолеть силу отталкивания зарядов при данном уровне напряжения и перенести заряды на коллектор.
Мне тут сразу подумалось, что в теории, можно было бы сделать интересный генератор подобного типа, если всю установку (эмиттер и коллектор) разместить прямо на флюгере, свободно вращающемся по ветру! :-)
Таким образом, можно будет гарантировать, что она всегда будет установлена под оптимальным углом к набегающему потоку, и генерировать оптимальным образом.
Интересно, что такая конструкция с двумя электродами не является единственно возможной, так как чуть позже, после изобретения в 1977 году первой конструкции, Маркс запатентовал и вторую (1982 год), которая требовала уже всего лишь только одного электрода:
Здесь мы видим, что сохраняется один из ключевых элементов, а именно — эмиттер, который всё так же испускает частицы в воздух, которые, в свою очередь, сдуваются ветром, таким образом, система постоянно теряет заряды и начинает наблюдаться их недостаток, — другими словами, эмиттер приобретает полярность*.
*Здесь присутствует ещё один не особо интуитивно понятный момент, который заключается в том, что несмотря на наличие полярности у эмиттера — как излучателя зарядов, это всего лишь способ потери зарядов, тогда как сам эмиттер (как устройство) электрически нейтрален и, приобретает полярность только по мере потери зарядов, испускаемых в воздух.
Я бы сам сравнил это с надутым воздушным шариком, который проткнули, и из него начинает дуть поток воздуха: по мере выпускания воздуха, наполненность шарика меняется, и он меняет свой статус с «полностью полный» на «полностью пустой» (понятно, что это всё довольно утрированно).
В результате, становится возможным (как мы можем видеть на картинке выше) подключить полезную нагрузку (load) между эмиттером и землёй.
При этом, в самом тексте патента* подчёркивается, что система просто не будет работать без воды — это критически важный элемент: основным средством потери зарядов эмиттером здесь является не корона как таковая, а распыление заряженных микрокапель воды, распыляемых через мелкие отверстия.
Причём, подчёркивается, что от величины отверстий критически зависит затратность по воде установки (можно даже сказать, что эффективность установки): при диаметре капель в 0,3 мкм затраты воды в час составят около 10 галлонов на м2, тогда как если уменьшить размеры капель до 0,03 мкм — затраты упадут до 0,01 галлона в час, при той же самой выходной мощности на м2!
*Про текст патента — как можно видеть по ссылке выше, патент истёк ещё в 2002 году, поэтому, что называется «руки развязаны» :-)
Ещё из интересного: там же, в тексте патента показано, что возможно, как минимум, несколько вариантов установки с использованием энергии солнца, где основную роль играет испарение воды.
Но сразу встаёт вопрос, а п��ичём здесь вообще вода? Дело здесь в том, что без воды, заряды, вылетевшие из эмиттера, вернутся в землю непонятно, когда и достаточно долго могут ещё «болтаться» в воздухе, тогда как использование распыляемой воды служит своего рода балластом: заряды переносятся не воздухом, а каплями воды, которые достаточно быстро падают на землю под собственным весом.
Тут есть ещё один очень тонкий момент, который в явном виде не оговаривается, но, тоже довольно важен (как его понимаю я): в теории, здесь даже ветер ни к чему — мы совершили работу, подняли воду на некоторую высоту, после чего, оттуда распыляем её распылителем, она переносит заряды на землю, в результате чего, генерируется электроэнергия.
То есть, в этом варианте, резервуар воды и распылитель могут выступать своего рода водяным аккумулятором электричества!
Если к этому процессу подключится ещё и ветер — то он сможет относить капли воды на некоторое расстояние, где, чем оно больше, тем выше будет разность потенциалов!
То есть, в варианте с простым падением распылённой воды (например, если установка установлена в помещении) — мы получаем водяной аккумулятор, если же установка монтируется вне помещения и на неё воздействует ещё и ветер — мы получаем генератор в чистом виде. Вот такая интересная штука! :-)
Можете поправить, если кто-то в этом понимает больше:-)
Прототипы подобных устройств с одним электродом тестировались и один из них известен под названием EWICON (Electrostatic WInd energy CONvertor) — можете подробнее почитать по ссылке: насколько можно понять, именно он и продемонстрировал эффективность преобразования энергии ветра в электричество, порядка 7%.
Отмечается, что технология ещё находится в стадии совершенствования и поэтому пока не может конкурировать с классическим методами выработки электроэнергии, наподобие тех же ветрогенераторов, однако, очевидным плюсом таких установок (помимо уже названных выше), является возможность работать в очень широком диапазоне ветров, тогда как ветрогенераторы обычно ограничены только некоторым диапазоном, после которого возможно их разрушение.
Тем не менее, сама простота принципа генерации и потенциальная дешевизна подобных установок делает их интересными для изучения, совершенствования и, возможно, полезного применения…
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
