Способ получения электрической энергии

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ(71) Заявитель Ледовской Иван СергеевичЛедовской Александр Иванович(72) Авторы Ледовской Иван Сергеевич Ледовской Александр Иванович(73) Патентообладатель Ледовской Иван СергеевичЛедовской Александр Иванович(57) Способ получения электрической энергии, в котором неполяризующиеся электроды,разнесенные в пространстве не менее чем на 1 м друг от друга, погружают на глубину от 1 до 5 м в грунт в районе прохождения активного разлома, затем подают возникающее между электродами переменное напряжение для оптимизации его величины на устройство согласования и защиты, фильтруют напряжение для выделения сигналов с частотами ниже 450 Гц, выпрямляют полученное напряжение и подают его на вход электродвигателя постоянного тока. Изобретение относится к области энергетики, конкретно к области получения электрической энергии, и может быть использовано для энергообеспечения на основе возобновляемых природных источников электричества. Известны способы получения электрической энергии на основе возобновляемых природных источников 1 энергии тепла земных недр (Исландия, Новая Зеландия, Камчатка и др.), энергии солнца (южные районы земного шара), энергии движения ветра (Нидер 14492 1 2011.06.30 ланды и др.), энергии приливов и отливов (окраинные моря океанов и др.), энергии воды(реки и др.) и т.д. Недостатками известных способов получения электрической энергии являются их ограниченность в использовании по причине районирования по земному шару сложность преобразования энергии названных природных ресурсов в электрическую энергию сложность и высокая стоимость как технической реализации, так и конструктивного решения и производства. Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому является способ получения электрической энергии патент 0002271465 С 2, 037/04, состоящий в использовании природной энергии, заключенной в пластах Земли с высоким давлением,включающий размещение турбины в скважине, в которую подают агент высокого давления и электрогенератор с кабелем, с последующим преобразованием турбиной и электрогенератором энергии перетока агента из пласта высокого давления в пласт низкого давления в электроэнергию. Недостатками известного способа являются сложность и трудность извлечения и преобразования природной энергии, заключенной в пластах Земли, в электрическую энергию,высокая стоимость конструктивного решения и производства, ограниченность использования по причине районирования. Задачей настоящего изобретения является упрощение технической реализации снижение стоимости как извлечения электроэнергии от возобновляемых природных источников, так и конструктивного решения при преобразовании с одновременным обеспечением универсальности вне зависимости от районирования по земному шару. Поставленная цель достигается тем, что в способе получения электрической энергии,основанном на использовании природной энергии, заключенной в пластах Земли с высоким давлением, включающем размещение турбины в скважине, в которую подают агент высокого давления и электрогенератор с кабелем, с последующим преобразованием турбиной и электрогенератором энергии перетока агента из пласта высокого давления в пласт низкого давления в электроэнергию, электрическую энергию получают (извлекают) непосредственно из земных недр с помощью электродов, размещенных на участках активных разломов земной коры любого региона земного шара, с последующей подачей на электродвигатель и электрогенератор. Это позволяет упростить как процесс извлечения энергии из возобновляемых источников земных недр, так и технико-конструктивное решение по производству электроэнергии снизить стоимость производства обеспечить универсальность по местоположению и повысить эффективность получения электроэнергии от возобновляемых природных источников земных недр с одновременным повышением надежности всего процесса реализации. На фиг. 1 представлена схема практической реализации способа, где обозначено 1 - участок разлома земной поверхности 2 - неполяризующиеся электроды (токосъемники), которые могут быть выполнены в виде металлических стержней, пластин и др. (медных, цинковых, кадмиевых, серебряных и т.д.), либо используемые непосредственно, либо помещаемые в сосуд из пористого материала, как показано на фиг. 2, а, б. 3 - устройство согласования и защиты, обеспечивающее согласование сопротивления электродов с сопротивлением измерительной аппаратуры и защиту аппаратуры от разрушения при перенапряжении 4 - устройство выпрямления и фильтрации 5 - электрический двигатель 6 - генератор 7 - устройство распределения и коммутации 8 - накопитель 2 14492 1 2011.06.30 9 - потребители. Сущность способа состоит в следующем. Согласно современным представлениям 2, 3, земная поверхность разделена на семь главных литосферных плит, границы которых определены вдоль срединно-океанических хребтов и по активным окраинам континентов с поясами сейсмической активности. Плиты не спаяны друг с другом, и под действием глубинных сил Земли они могут перемещаться подниматься вверх, скользить краями одна относительно другой (регион Китая) заталкиваться одна под другую при встречном движении в так называемых зонах субдукции (район Индонезии). Размер плит определен в 100-1000 км движение их хаотично, и оно приводит к растрескиванию каменной толщи с образованием более мелких плит, разделяемых так называемыми разломами - тектоническими разрывами сплошности земной коры (ЗК). Стороны разломов разнесены относительно друг друга на расстояния (от борта к борту) от метров до километров. Глубина разломов также различна и простирается от 1-1,5 км до 3-6 тыс. км. В соответствии с этим разломы подразделяются на глубокофокусные (глубинные) - субрегиональные (иногда - региональные) и мелкофокусные (локальные) - региональные или местные. На земной поверхности разломы заполнены окружающими породами и могут быть обнаружены либо при аэрофотосъемках, либо при специальных измерениях на земной поверхности. Большинство глубокофокусных разломов являются активными (живыми), т.е. находясь во взаимодействии с глубинными процессами в ЗК (в том числе и с землетрясениями - ЗМТ), процессами в атмосфере и ионосфере, они реагируют на изменения параметров и характеристик этих сред путем изменения собственных параметров 8, 9, 11 электротеллурических токов (ЭТТ), электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемостей, удельного электрического сопротивления, концентрации носителей зарядов, плотности вмещающих пород, насыщенности газами и жидкостями и т.д. Все эти и другие параметры в относительно спокойном состоянии сред сохраняют свое стабильное состояние относительно средних значений, которые известны и измеряемы 1, 2, 8, 9, 11. Аномалии в названных средах приводят к аномальным изменениям и параметров ЗК. Покажем это. Одним из источников восполняемой энергии в ЗК является напряженность совокупного электрического поля Земли (ионосферы и атмосферы) 100-120 В/м и ток утечки 10-12 А/м 2,формирующие электротеллурические токи (ЭТТ) в ЗК 9, 12, 13 и их вариации. Представление ЗК как макросистемы по аналогии с микросистемами 4, 5 в виде резистивно-емкостной структуры позволяет выявить дополнительный источник, вносящий вклад в общий энергетический потенциал, в виде инфранизкочастотного шума, проявляющегося в приращении уровня и мощности спектральной плотности его. Появляющиеся трещины в ЗК в результате движения литосферных плит образуют так называемые капилляры, заполненные газами и жидкостями, что приводит к появлению так называемых дислокаций, несущих заряды 8, 11. Заряженные дислокации создают области разделенных зарядов (ОРЗ) или двойные электрические слои (ДЭС), стремящиеся не только к размножению, но и к объединению. Значения тока, вносимого заряженными дислокациями в соответствии с эмиссионно-захватывающими процессами в ЗК, определяются 4, 5 суммой токови (-), где Здесь обозначено- заряд носителей,и- коэффициенты эмиссии захвата для-го уровня дислокаций,- число дислокаций,- плотность носителей зарядов. Естественно, что при изменении количества дислокаций возникают вариации величин как токов, так и зарядов 8 Е(Е)- и-/ - флуктуации уровня Ферми и электрических потенциалов- исследуемая поверхность с дислокациями- диэлектрическая проницаемость ГП. Изменения зарядов вызывают изменения напряжения 8 на участках ЗК, которое измеряемо и определяется через модуль полного сопротивления Контакты пород с электронной проводимостью и различными концентрациями 1 и 2 за счет диффузионных процессов создают напряжение, определяемое равенством 2(1)( 2) , вн вн 1 гдеи- универсальная газовая постоянная и температура- число Фарадея(1) и вн( 2) - внутренние потенциалы соприкасающихся пород. вн Контакты водонасыщенных пород с различной концентрацией 1 и 2, где также имеет место метадиффузия из-за наличия процессов разделения зарядов, вносят свой вклад в общее напряжение участков ЗК в виде 11 22 гдеи- подвижность носителей зарядов 1 и 2 - коэффициенты активности. Для разбавленных растворов, напримерпри температуре 18 С, контактное напряжение определяемо через проводимости сред и имеет вполне реальное значение (мВ) 122 . 1 Поле жидкого потока в контакте с породами также вносит свой вклад в энергию участков ЗК через напряжение где 0 - напряжение в стационарном состоянии. Наличие капилляров в ЗК с заполнением их флюидами создает так называемое фильтрационное напряжение, которое в объеме капилляра с твердыми стенками длиной , радиусом 0 и проводимостьюблагодаря адсорбции ионов на твердой оболочке создает ДЭС. Полный электрический заряд ионно-диффузионного слоя при этом определяется равенством/0 0 ,20 где- емкость цилиндрического ДЭС при толщине 020 - поверхность цилиндрической оболочки 0 0 0 и- скорость и давление жидкости. 2 4 14492 1 2011.06.30 Изменения температуры и давления при электрохимических процессах электрофореза,диффузиофореза и капиллярного электроосмоса существенно изменяют напряженность электрического поля (ЭП) термокапиллярногоЭТК 4 и электробарокапиллярного происхожденияЭБК,4 гдеи- удельное сопротивление и вязкость жидкости- падение потенциалов в диффузной части ДЭС на границах раздела- коэффициент, учитывающий параметры регионов. В параметрах напряжения каждый из этих процессов привносит приращение в энергетику ЗК в единицы вольт на единицу изменения параметра. Рассматриваемые процессы формирования электрической энергии Земли анализировались в отдельности и в короткие временные промежутки. Однако процесс жизнедеятельности триединой системы Земля - атмосфера - ионосфера происходит постоянно и одновременно, создавая в конечной геофизической среде - Земле - эффекты формирования в ЗК огромного количества ДЭС, стремящихся к объединению и созданию так называемых накопителей электрической энергии в виде образующихся энергетических зон 8. Эти зоны представляют собой конденсаторы, формирующиеся в результате объединения ДЭС и имеющие огромные емкости (заметим, что толщина одного ДЭС составляет 10-8 м),определяемые выражением 0 1 / 2,эф 0 212 где пр/0 0 и- объем рассматриваемого пространства и его изменениеобъемная плотность зарядов. Наблюдения показывают, что эти процессы могут активизироваться в районах существования искусственно создаваемого электромагнитного излучения (излучаемого радиолокационной станцией - РЛС), водных массивов и, конечно, в районах активных разломов. Здесь наиболее вероятно возникновение эффекта гигантской низкочастотной диэлектрической дисперсии (ГНДД), где диэлектрическая проницаемость достигает величин 104 и более 8, что создает условия трансляции (канализации) электрической энергии по разломам из одного участка ЗК в другие. Кроме того, в процессе жизнедеятельности Земли возникают короткоживущие подкорковые локальные возмущения (КПЛВ), стремящиеся к выходу на поверхность 10. Накопление энергии в таких зонах происходит постоянно, и при определенных величинах ее может возникать неуправляемый выход на поверхность, создавая локальные землетрясения, а иногда приводя к катастрофам (Чернобыль). В районах активных разломов, характеризующихся совокупностью физикохимических параметров при воздействии внешних возбудителей, например проходящих ЗМТ, все рассматриваемые процессы активизируются. Особенно отчетливо это наблюдается в изменении количества ДЭС, емкости, тока и напряжения, которые становятся зависимыми от магнитуды происходящего или локального ЗМТ Принимая конкретные средние значения параметров пр 10 735,310-3 0(0/)1/2 е 103 и М 3,5, можно произвести приближенную оценку величин емкости С 2,1510-4 Ф плотности накапливаемых зарядов нзэфнз 107 Кл/см 2 эф 1011 А/см 2 напряженности поля накапливаемых зарядовнзнз /в 100 В/см прив 1,36109 Ф/м и 104 тока накапливаемого заряда нзнз/нз 102 А/см 2 и 2 накапливаемой при этом энергии нз 2 Очевидно, что значения параметров имеют огромные величины. Часть этой энергии переходит в тепловую энергию, а часть по глубинным разломам выносится на поверхность. В общем случае накапливаемая энергия при значениях 104 и величине емкости равной 105 мкФ/см 2, может быть определена согласно выражению( /)2,63 где- показатель преломления- коэффициент поглощения- простирание разломаскорость в среде 2 - частота, определяемая размерами разлома- угол наблюдения в плоскости разлома. Следует указать, что при больших значениях токов в ЗК (более 5 А) может возникнуть(и возникает) эффект взаимодействия тока с собственным магнитным полем, что приводит к возникновению известного явления 8, 11 ПИНЧ-эффекта, способствующего сжатию энергопотока, исходящего из недр, как бы в шнур с очень высокой плотностью тока диаметром 5-20 м. Кроме того, в сильных электрических полях (при большой плотности зарядов) наблюдается эффект резкого нелинейного роста концентрации носителей зарядов под действием ударной электростатической ионизации 8, 11, что ведет к образованию в участках ЗК отрицательного сопротивления - эффект Зенера - и распространению энергии практически без ослабления. Поскольку в каждом участке ЗК (особенно в районах разломов) имеют место различного рода дефекты, примеси, поля механических (тектонических) напряжений, заряженные дислокации и др., то между каждым диполем заряженной структуры (их группами) и каким-либо из энергообразований возникает взаимодействие, которое скачкообразно приводит к поляризации среды и возникновению вихревых токов. Энергия этих токов ведет к нагреву среды, изменению формы естественного домена и образованию акустики (это часто наблюдается в местах пересечения разломов, например в районе Пермской аномальной зоны, в районах городов Смолевичи, Мосты в Беларуси). Процессы поляризации обусловливают также появление пандемоторных сил 8, которые оказывают переменное давление на породы ЗК, вызывая их деформацию, т.е. приводят к электросейсмическим эффектам 11. Подставляя значения 104 нз 106 В/см в известное выражение для 14492 1 2011.06.30 давления 0 нз 2/8103, убеждаемся, что давление на породы в ЗК в энергоактивных зонах может достигать огромных значений - до десятков атмосфер. Этот механизм не только способствует, но и действует как механизм образования и распространения упругих волн - сейсмических волн, а место (район) возникновения их является очагом местных (локальных) землетрясений, что существенно активизирует представленные процессы образования электрических источников в ЗК. Таким образом, установлено, что в ЗК во взаимодействии с атмосферой и ионосферой происходят процессы непрерывного энергообразования, т.е. создаются источники, характеризующиеся не только высокими уровнями напряжений и токов, но и стремящиеся к выходу на поверхность в виде электромагнитного излучения 12, 13, но и в виде искрообразований, плазменных структур 14, 15 и др. Универсальность применения способа состоит в том, что даже тихие в сейсмическом отношении территории изобилуют глубокофокусными активными разломами, которые постоянно изменяют свои параметры и являются как бы генераторами электрической энергии. Натурные наблюдения авторов в Пермской аномальной зоне (так она названа нами) показали, что при воздействии на имеющиеся здесь разломы проходящих ЗМР (май 1990 г.) градиент напряженности электрического поля достигает значений 850 В/м (при норме 100-120 В/м) разность потенциалов по сторонам разломов - до нескольких тысяч вольт градиент магнитного поля - 130-150 нТл/см значение токов утечки - 10-9-10-8 А/м 2 при норме 10-12 А/м 2. Подобные явления наблюдаются повсеместно, в том числе в Беларуси Смолевичский район, район г. Мосты, район г. Копыля и т.д. Карты разломов существуют практически повсеместно, а возбуждающие факторы,способствующие восполнению электрической энергии, существуют постоянно, что подтверждается данными ЮНЕСКО 2, 3. На Земле ежегодно фиксируется и анализируется более 20 катастрофических ЗМТ. В год происходит 150 разрушительных (они не связаны с населенными пунктами), 7 тысяч сильных, 19 тысяч умеренных, 150 тысяч слабых и несколько миллионов не ощущаемых человеком, т.е. катализаторов восполняемых энергетических источников в ЗК великое множество. В соответствии с этим можно заключить, что природа своей жизнедеятельностью создала человечеству неисчерпаемые энергетические источники, которые необходимо у нее взять и использовать для нужд людей. Устройство, представленное на фиг. 1, работает следующим образом. Согласно изложенному, в результате физико-химических процессов, развивающихся в пространстве разлома 1, между электродными отведениями (электродами) 2 имеет место разность потенциалов, которая передается на вход устройства согласования и защиты 3. Это устройство выполняет, во-первых, согласование межэлектродного сопротивления со входным сопротивлением измерителя, оптимизируя условия получения максимального напряжения, во-вторых, осуществляет защиту всех последующих устройств от перенапряжения (от пробоев) в условиях повышенной активности разломов при сильных ЗМТ,например, с помощью искровых или других известных разрядников. С устройства 3 напряжение поступает на устройство 4, где проводятся операции выпрямления и сглаживания (фильтрации), поскольку в общем случае напряжение, поступающее из разлома 1,является переменным, основная мощность которого сосредоточена в диапазоне частот 0-450 Гц. Отфильтрованное (постоянное) напряжение далее поступает на запуск электродвигателя 5 постоянного тока, который при выходе на режим непосредственно или через редуктор приводит во вращение синхронный генератор 6, вырабатывающий напряжение необходимого уровня и частоты. Это напряжение поступает на устройство распределения и коммутации 7 и далее к потребителям 9 и на накопитель 8. Последний включается в работу (например, в ночное время) - режим накопления, либо в режим передачи при большом потреблении энергии. В качестве накопителей могут использоваться известные конденсаторные, электрохимические, водородные и т.д. 14492 1 2011.06.30 В целях извлечения напряжений больших величин из разломов 1 следует электроды создавать секционными, т.е. от 3-5 и более единиц, показанных на фиг. 2, соединенных низкоомными проводниками. Глубина погружения электродов в грунт на равнинных участках может составлять 5 м и более, а в горной местности - около одного метра. Разнос электродов в секции выбирается экспериментально, но не менее одного метра. В интересах повышения мощности, получаемой из земных недр предлагаемым способом, может использоваться параллельное включение приведенных устройств, а для повышения или понижения уровня напряжения - трансформаторы. Место установки таких электродов отбора от земных источников электрической энергии выбирается (определяется) на участках наивысшей активности разломов, которые в горной местности определяются либо непосредственным зондированием, либо путем емкостных вертолетных измерений, а на равнинной местности - с помощью автомобильных емкостных электродов 16. Одним из достоинств предлагаемого способа является его универсальность как по уровню вырабатываемой энергии (маломощные и среднемощные), так и напряжений(низковольтные 12-24 В и высоковольтные - более 200 В). Кроме того, эти источники могут быть как стационарными, так и передвижными. Последнее очень важно для удаленных и малонаселенных пунктов, для отдельных ферм, геологических партий и т.д. Источники информации 1. Быстрицкий Г.Ф. Основы энергетики Учебник. - М. ИНФА, 2006. - 278 с. 2. Рикитаке Т. Предсказание землетрясений. - М. Мир, 1979. - 388 с. 3. Эйби Дж.И. Землетрясения Пер. с англ. - М. Недра, 1982. - 264 с. 4. Ледовской И.С., Воинов В.В. и др. Связь скорости деградации резисторов с низкочастотным шумом. В сб. Физика отказов. 3-е Всесоюзное совещание. - Суздаль, 1984. С. 122-124. 5. Ледовской И.С., Крутиков В.В., Исаенко В.А. Влияние дислокаций на спектральную плотность низкочастотных шумов резистивных и полупроводниковых приборов / НТШ. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. - М., 1986. С. 121-126. 6. А.с. СССР 1408286, МПК 013/08. 7. А.с. СССР 1182462, МПК 013/00. 8. Баласанян С.Ю. Динамическая геоэлектрика. - Новосибирск Наука, 1990. - 264 с. 9. Имянитов И.М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы. - М. Госиздательство технико-теоретической аппаратуры, 1957. - 484 с. 10. Бороздич Э.В., Коробейник В.М., Яжитский И.Н. и др. Геометрические и прогностические исследования при оценке надежности промышленных площадок ответственных инженерных сооружений. Сб. Оценка сейсмотектонических условий строительства атомных энергетических установок. - М. Энергоиздат, 1987. - 128 с. 11. Телфорд В.М., Гелфарт Л.П., Шериф Р.Е. и др. Прикладная геофизика Пер. с англ. Ю.Г. Такаева и В.А. Шевника. - М. Недра, 1980. - 502 с. 12. Электромагнитные предвестники землетрясений. - М. Наука, 1982. - 97 с. 13. Флуктуации электромагнитного поля Земли в диапазоне СНЧ / Под ред. М.С. Александрова. - М. Наука, 1972. - 194 с. 14. Воинов В.В., Демьяненко А.В., Ледовской И.С. и др. Применение сети контрольно-корректирующих станций для сейсмического мониторинга Земли. Сб. тр.Международной конференции. Планирование глобальной радионавигации. - М., 9-11 октября 2000. 15. Патент 6565, МПК 013/12. 16. Бобровников Л.З., Кадыров И.Н., Попов В.А. Электроразведочная аппаратура и оборудование. - М. Недра, 1979. - 336 с. 8 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.