CN101390177B - 能量收集 - Google Patents

Abstract

一种能量收集系统可收集并使用由电场产生的能量。收集纤维悬挂在由杆支承的支承导线系统上。支承导线系统通过连接线被电连接到负载。收集纤维可由任何传导材料制成，但优选碳和石墨。二极管可用来限制回流或能量的损失。

Description

能量收集

技术领域

本公开一般涉及能量，且更特别地涉及用于收集能量的系统和方法。 

发明背景 

晴天电学的概念涉及大气中靠空气的传导性传播的电场和电流。纯净、平静的空气传导电流，是在地球周围任何特定的时刻同时发生的上千的雷雨的返回路径。为简单起见，这种能量可称为静电或静能。图1示出了将电流从雷电返回，例如回到地面10的气象电路(weather circuit)。气象电流(weather current)20，30将云返回到地电流40。 

在雷雨中，电荷被积累，且电子弧穿气体，将气体电离并产生闪电。如本领域的普通技术人员所理解的，闭合电路需要闪电的返回路径。大气是电路的返回路径。因为地球上的上千电暴的能量在晴天和暴风雨天气中都扩散到整个地球的大气中，所以由上述大气的返回路径所产生的电场在任何特定的点处都相对较弱。导致电流在大气中存在的其他的起作用的因素可包括穿过地球的大气并与其相互作用的宇宙射线，还有离子的迁移，以及其他还没有充分研究的影响。 

一些在低层大气中的电离是由空气传播的、主要是氡的放射性物质引起的。在地球的大多数地方，离子在海平面上以5-10对每立方厘米每秒的速率形成。随着海拔的增加，宇宙射线使离子产生速率增加。在从土壤(或建筑材料)有高的氡析出的区域，离子产生速率可能更高。 

阿尔法(α)放射性物质是造成大气电离的主要原因。(例如，来自衰变的氡原子的)每个阿尔法粒子将在其几厘米的范围内产生约150,000-200,000个离子对。 

尽管大气中有大量可用的能量存在，但用于高效地收集上述能量的方法或设备还未出现。因此，在工业中存在至今为止还没有解决的解决上述缺陷和不足的需要。 

发明内容

本公开的实施方式提供用于收集能量的系统和方法。结构上简要描述，所述系统的一个实施方式，以及其他实施方式可由升高到地平面以上的支承结构导线(support structure wire)、电连接到支承结构导线的至少一个收集纤维、电连接到支承结构导线的负载以及电连接在负载和至少一个收集纤维之间的二极管来实现。 

本公开的实施方式也可看作是提供收集能量的方法。就此而言，这样的方法的一个实施方式，以及其他的实施方式可由以下步骤广泛地概括：将至少一个收集纤维悬挂在升高到地平面以上的支承结构导线上，所述纤维电连接到支承结构导线；提供电连接到支承结构导线的负载以汲取电流，以及提供在收集纤维和负载之间电连接的二极管。 

进一步地，所述收集装置包括二极管。 

进一步地，所述收集装置包括收集纤维。 

进一步地，所述收集装置包括二极管与收集纤维，且所述二极管在所述收集纤维和所述负载之间电连接。 

进一步地，所述方法还包括存储提供给所述负载的能量。 

进一步地，存储提供给所述负载的能量的所述步骤包括将能量存储在电容器或电感器中。 

进一步地，所述收集纤维包括碳纤维或石墨纤维。 

进一步地，所述二极管相对于所述地平面被升高。 

本发明提供一种能量收集的系统，其包括：多个支承结构导线，其被升高到地平面以上；至少一个收集装置，其被电连接到多个所述支承结构导线；以及负载，其被电连接到多个所述支承结构导线。 

进一步地，所述收集装置包括二极管。 

进一步地，所述收集装置包括收集纤维。 

进一步地，所述收集装置包括收集纤维和在所述负载和所述收集纤维之间被电连接的二极管。 

进一步地，所述二极管相对于所述地平面被升高。 

进一步地，所述收集纤维包括碳纤维或石墨纤维。 

进一步地，所述系统还包括在所述至少一个收集装置和多个所述支承结构导线之间被电连接的二极管。 

进一步地，所述收集纤维包括第一端和第二相对端，且其中所述系统进一步包括被连接到所述收集纤维的两端的支承结构。 

进一步地，所述系统还包括：多个收集纤维；支承架，其具有顶边和底边；以及传导连接线，其在多个所述支承结构导线和所述支承架之间；其中多个所述收集纤维的每个收集纤维的一端都被连接到所述支承架的所述顶边，而多个所述收集纤维的每个收集纤维的相对的端连接到所述支撑架的所述底边。 

进一步地，所述系统还包括刚性结构，所述刚性结构包括自所述支承结构导线的单个点向外延伸的多个支承物，其中所述收集纤维的每端都被连接到所述多个支承物的末端。 

进一步地，所述系统还包括刚性结构，所述刚性结构包括自所述支承机构导线的多个点向外延伸的多个支承物，其中所述收集纤维的每端都被连接到所述多个支承物的末端。 

进一步地，所述系统还包括多个刚性结构，其中收集纤维在所述多个刚性结构之间被连接。 

进一步地，所述系统还包括：开关，其在多个所述支承结构导线和所述负载之间被串联连接；以及电容器，其与所述开关和所述负载并联连接。 

进一步地，所述开关包括在多个所述支承结构导线和所述负载之间连接的断续器。 

进一步地，所述断续器包括荧光管、氖管、交流灯或火花隙中的一个。 

进一步地，所述系统还包括在所述断续器和所述负载之间连接的变压器。 

进一步地，所述系统还包括：电动机，其用于提供动力，所述电动机在多个所述支承结构导线和所述负载之间被连接；以及发电机，其由所述电动机提供动力。 

进一步地，所述负载包括在装有流体的容器中的火花隙，且所述负载用来产生化学反应。 

进一步地，所述流体包括水且所述化学反应包括氢气和氧气的产生。 

进一步地，所述系统还包括在多个所述支承结构导线和所述负载之间的燃料电池。 

进一步地，所述负载包括燃料电池。 

进一步地，所述燃料电池产生氢气和氧气。 

进一步地，所述系统还包括在多个所述支承结构导线和所述燃料电池之间被连接的二极管。 

本发明提供一种收集能量的系统，其包括：用于悬挂收集纤维的构件，所述构件被升高到地平面以上，所述收集纤维被电连接到所述用于悬挂收集纤维的构件；用于引起电流的构件，所述用于引起电流的构件被电连接到所述用于悬挂收集纤维的构件；以及用于限制电荷载体的回流的构件，所述用于限制电荷载体的回流的构件在所述收集纤维和所述用于引起电流的构件之间被电连接。 

对本领域技术人员来说，通过察看以下的附图和详细说明，本公开的其他的系统、方法、特征以及优点的将会或将变得显而易见。所有这样的另外的系统、方法、特征以及优点旨在包含于此说明书内，在本公开的范围内，且受到随附的权利要求的保护。 

附图的简要说明 

参考以下附图，本发明的许多方面可被更好地理解。附图中的组件不必要按比例绘制，重点而是放在清楚地示出本公开的原理上。而且，在附图中，相同的参考数字在几个视图中都表示相应的部分。 

图1是气象能路(weather energy circuit)的电路图。 

图2是被一个结构升高到地面以上的许多能量收集器的示例性的实施方式的透视图。 

图2A是悬挂在支承导线上的能量收集纤维的侧视图。 

图2B是悬挂在支承导线上的并带有附加的支承构件的能量收集纤维的示例性的实施方式的侧视图。 

图2C是多个能量收集纤维的支承结构的透视图。 

图2D是多个能量收集纤维的支承结构的示例性的实施方式的侧视图。 

图2E是能量收集纤维的支承结构的侧视图。 

图2F是能量收集纤维的支承结构的示例性的实施方式的侧视图。 

图2G是多个能量收集纤维的支承结构的侧视图。 

图3是用于能量的收集的电路的示例性的实施方式的电路图。 

图4是用于能量的收集的电路的示例性的实施方式的电路图。 

图5是向发电机和电动机提供动力的能量收集电路的示例性的实施方式的电路图。 

图6是收集能量并将能量用于产生氢气和氧气的电路的示例性的实施方式的电路图。 

图7是收集能量并将能量用于驱动燃料电池的电路的示例性的实施方式的电路图。 

图8是收集能量的电路的示例性的实施方式的电路图。 

图9是使用收集纤维收集能量的示例性的实施方式的流程图。 

详细说明 

导体上的电荷完全存在于导体的外表面上，且易于更多地在尖点和边缘附近而不是在平面上集中。因此，由尖锐的传导点接收的电场可能远强于由存在于在大的平滑传导外壳上的相同的电荷接收到的场。本公开的示例性的实施方式利用了此性质，以及其他性质，以收集并使用由大气中的电场产生的能量。参考图2中显示的收集系统100，至少一个收集装置130可悬挂在由杆110支承的支承导线系统120上。收集装置130 可单独地包括二极管或收集纤维，或二极管与收集纤维的组合。支承导线系统120可通过连接导线140电连接到负载150。支承导线系统120可以为任何的形状或式样。此外，传导线140可以是一根或多根导线。纤维形式的收集装置130可包括任何传导或非传导的材料，包括碳、石墨、聚四氟乙烯以及金属。示例性的实施方式将碳或石墨纤维用于静电收集。支承导线系统120和连接导线140可由任何传导材料制成，包括铝或钢，特别是铜。聚四氟乙烯也可添加到所述的导体，比如作为非限制性的例子：浸渍聚四氟乙烯的导线(Teflon impregnated wire)、具有聚四氟乙烯涂层的导线或悬挂在导线上的聚四氟乙烯带。传导线120、140和200可以是裸导线或作为非限制性的例子可以是涂有绝缘材料的裸导线。导线120和140是传输由收集装置130收集的能量的构件。 

作为收集装置130的收集纤维的示例性的实施方式包括石墨纤维或碳纤维。微观上，石墨纤维和碳纤维可具有几十万个点。大气电可被吸引到这些点。如果大气电可以沿两条路径而行，其中一条路径为平坦的表面而另一条路径为尖的、传导的表面，则电荷将被吸引到尖的、传导的表面。通常，存在的点越多，可聚集到的能量越高。因此，碳，或石墨纤维是说明示例性的收集能力的例子。 

在至少一个示例性的实施方式中，支承导线120的高度可能是重要的因素。收集装置130距地面越高，收集装置130和电气接地间的电压势越大。在某些条件下电场可大于100伏特每米。当支承导线120在空气中悬挂在特定的高度时，导线120本身将从环境电压收集很少的电荷。当收集装置130连接到支承导线120时，收集装置130会被供给能量，并将能量转移到支承导线120。 

未在图2中显示的二极管可连接在收集系统100中的几个位置。二极管是限制电荷载体的运动方向的组件。二极管允许电流在一个方向上流动，而在相反的方向上基本上阻止电流。二极管可被认为是电形式的止回阀。二极管可用来防止收集到的能量通过收集装置130的收集纤维实施方式释放到大气中。收集装置的示例性的实施方式包括不使用收集纤维的二极管。然而，优选的实施方式包括在收集纤维与支承系统120的连接点处 的二极管，这使得二极管被升高到地面以上。在收集装置130和负载150之间可使用多个二极管。另外，在使用多个纤维的实施方式中，二极管限制可由一个纤维收集的能量通过另一个纤维逸出。 

收集装置130可通过许多方式相关于支承导线系统120连接或布置。在图2A-2G中提供了使用收集纤维实施方式的一些非限制性的实施例。图2A显示了带有用来连接收集装置130的连接构件210的支承导线200。连接构件120可以是任何允许从连接装置130到支承导线200的电流流动的传导材料。于是，如在图2中所显示的，支承系统120的支承导线200可通过传导线140电连接到负载150。多个二极管可安置在支承结构导线上的任何位置。优选的实施方式将二极管安置在收集装置130的收集纤维实施方式和连接构件210之间的连接点处的升高的位置处。 

同样地，图2B显示了电连接到支承导线200并且连接到支承构件230的收集纤维130。支承构件230可在两端都连接到收集纤维130。支承构件230在纤维的两端稳固纤维，而不是让纤维自由地移动。支承构件230可以是传导的或非传导的。多个二极管可安置在支承结构导线上的任何位置。优选的实施方式将二极管安置在收集纤维130和支承导线200间或纤维130、支承构件230以及支承导线200间的连接点处的升高的位置处。 

图2C显示了具有顶部支承构件和底部支承构件的鼠笼式布置中的多个收集纤维。支承结构250可通过支承构件240连接到支承结构导线200。结构250具有顶部260和底部270且多个收集纤维130中的每个收集纤维都在一端连接到顶部260而在另一端连接到底部270。多个二极管可安置在支承结构250上的任何位置。优选的实施方式将二极管安置在收集纤维130和支承结构导线200间的连接点处的升高的位置处。 

图2D显示了支承结构的另一个示例性的实施方式，x形支承构件275在交叉点278连接到支承结构导线200，收集纤维130在支承构件275的末端间连接。多个二极管可安置在支承结构上的任何位置。优选的实施方式将二极管安置在收集纤维130和支承导线200间的连接点处的升高的位置处。 

图2E提供了用于支承收集纤维130的另一个示例性实施方式。收集 纤维130可在一端连接到支承构件285，支承构件285可在第一位置连接到支承结构导线200，而在另一端连接到支承构件280，支承构件280可在支承结构导线200上的第二位置连接到支承结构导线200。第一位置和第二位置可以是相同的位置，或者它们可以是不同的位置，甚至在不同的支承导线上。多个二极管可安置在支承结构上的任何位置。优选的实施方式将一个或更多二极管安置在收集纤维130和支承导线200间的连接点处的升高的位置处。 

图2F显示了收集纤维的支承物(support)的另一个示例性的实施方式。两个支承构件290可支承收集纤维的每边并可在单个点连接到支承导线200。多个二极管可安置在支承结构的任何位置。优选的实施方式将二极管安置在收集纤维130和支承导线200间的连接点处的升高的位置处。 

图2G提供了两个如在图2F中提供的支承物，使得至少两个支承构件292和294可在多个位置连接到支承结构导线200且收集纤维130可在支承结构的各端间连接。收集纤维130可在单个支承结构的各端间以及在多个支承结构间连接。多个二极管可安置在支承结构上的任何位置。优选的实施方式将一个或更多二极管安置在收集纤维130和支承结构导线200间的连接点处的升高的位置处。 

图3提供了用于存储由一个或更多收集装置(130，根据图2)收集的能量的存储电路300的示意图。负载150引起电流。二极管310可在一个或更多的收集装置(130，根据图2)与负载150之间串联电连接。多个二极管可安置在电路中的任何位置。开关330可在负载150和至少一个收集装置(130，根据图2)之间电连接以连接和断开负载。电容器320可与开关130和负载150并联以当开关330打开时存储能量，而在开关330闭合时将所存储的能量传输给负载150。整流器340可在开关330的接收端和地面之间，与负载150并联电连接。整流器340可以是全波的或半波的整流器。整流器340可包括在开关330的接收端和地面之间与负载150并联电连接的二极管。整流器340的二极管的方向是可选的。 

在图4中提供的示例性的实施方式中，存储电路400通过充电电容器410存储来自一个或更多的收集装置(130，根据图2)的能量。如果不使 用充电电容器410，则除去在充电器410显示的对地连接。多个二极管可安置在电路中的任何位置。二极管310可在一个或更多的收集装置(130，根据图2)和负载150之间串联电连接。二极管440可安置为与负载150串联。来自电容器410的电压可用来在电容器得到足够的电压时，对火花隙420充电。火花隙420可包括一个或更多并联的火花隙。火花隙420的非限制性的例子包括水银簧片开关和水银池簧片开关。当火花隙420形成电弧时，能量将从火花隙420的一端电弧放电至火花隙420的接收端。火花隙420的输出可与整流器450串联电连接。整流器450可以是全波的或半波的整流器。整流器450可包括在火花隙420的接收端和地面间，与变压器430和负载150并联电连接的二极管。整流器450的二极管的方向是可选的。整流器450的输出连接到变压器430以驱动负载150。 

图5显示了电动机驱动电路500。一个或更多的收集装置(130，根据图2)电连接到静电电动机510，静电电动机510向发电机520提供动力以驱动负载150。多个二极管可安置在电路中的任何位置。电动机510也可以直接地连接到负载150以直接地将其驱动。 

图6图示了用于产生氢气的电路600。多个二极管可安置在电路中的任何位置。一个或更多的收集装置(130，根据图2)电连接到主火花隙610，主火花隙610可连接到次火花隙640。火花隙610，640的非限制性的例子包括水银簧片开关和水银池簧片开关。次火花隙640可浸没在容器620内的水630中。当浸没在水630中的次火花隙640被供给能量时，火花隙640可产生氢气泡和氧气泡，这些氢气泡和氧气泡可收集作为燃料。 

图7显示了用于驱动燃料电池的电路700。多个二极管可安置在电路中的任何位置。收集装置(130，根据图2)向驱动负载150的燃料电池720提供能量。燃料电池720可产生氢气和氧气。 

图8显示了用于能量的收集的示例性的电路800。存储电路800通过充电电容器810存储来自一个或更多的收集装置(130，根据图2)的能量。如果不使用充电电容器810，则除去在充电器810显示的对地连接。多个二极管可安置在电路中的任何位置。来自电容器810的电压可用来在电容器得到足够的电压时，对火花隙820充电。火花隙820可包括一个或更多 的并联或串联的火花隙。火花隙820的非限制性的例子包括水银簧片开关和水银池簧片开关。当火花隙820形成电弧时，能量将从火花隙820的一端电弧放电至火花隙820的接收端。火花隙820的输出可与整流器825串联电连接。整流器825可以是全波的或半波的整流器。整流器825可包括在火花隙820的接收端和地面间与电感器830和负载150并联电连接的二极管。整流器825的二极管的方向是可选的。整流器825的输出连接到电感器830。电感器830可以是定值电感器或可变电感器。电容器870可安置为与负载150并联。 

图9显示了用于收集能量的方法的流程图。在块910中，一个或更多的收集装置可悬挂在支承结构导线上。在块920中，负载可电连接到支承结构导线以汲取电流。在块930中，二极管可在支承结构导线与负载的电连接之间电连接。在块940中，提供给负载的能量可被存储或以其他方式被使用。 

流程图中的任何程序说明或块应理解为代表模块、段或编码的部分，这些模块、段或编码的部分包括一个或更多的用于实现程序中特定逻辑功能或步骤的可执行的指令，且如本申请的本领域技术人员应理解的，可替换的实现方式可包括本申请公开的优选的实施方式的范围内，其中功能可不按显示的或讨论的顺序执行，包括基本上同时执行或按相反的顺序执行，这决定于涉及到的功能性。 

应强调本公开的上述的实施方式，特别是任何的“优选的”实施方式，仅是实现方式的可能的实施例，仅是为本公开的原理的清楚的理解而阐述的。可对本公开上述的实施方式作出许多变化和更改，且实质上不偏离本公开的主旨和原理。所有这样的变化和更改旨在在此被包括在此申请公开的范围以及本发明内，并受到所附的权利要求保护。 

Claims (31)

1.一种收集能量的方法，其包括：

将至少一个收集装置悬挂在被升高到地平面以上的多个支承结构导线上，所述收集装置电连接到所述支承结构导线且包括收集纤维，其中所述收集纤维包括用于收集静电的碳纤维；以及

提供被电连接到多个所述支承结构导线的负载以汲取电流。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述收集装置包括二极管。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述收集装置包括二极管与收集纤维，且所述二极管在所述收集纤维和所述负载之间电连接。

4.如权利要求1所述的方法，其进一步包括存储提供给所述负载的能量。

5.如权利要求4所述的方法，其中存储提供给所述负载的能量的所述步骤包括将能量存储在电容器或电感器中。

6.如权利要求2所述的方法，其中所述二极管相对于所述地平面被升高。

7.如权利要求1-6中的任一项所述的方法，其中所述碳纤维包括石墨纤维。

8.一种能量收集的系统，其包括：

多个支承结构导线，其被升高到地平面以上；

至少一个收集装置，其被电连接到多个所述支承结构导线且包括收集纤维，其中所述收集纤维包括用于收集静电的碳纤维；以及

负载，其被电连接到多个所述支承结构导线。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述收集装置包括二极管。

10.如权利要求8所述的系统，其中所述收集装置包括收集纤维和在所述负载和所述收集纤维之间被电连接的二极管。

11.如权利要求9所述的系统，其中所述二极管相对于所述地平面被升高。

12.如权利要求8所述的系统，其进一步包括在所述至少一个收集装置和多个所述支承结构导线之间被电连接的二极管。

13.如权利要求8所述的系统，其中所述收集纤维包括第一端和第二相对端，且其中所述系统进一步包括被连接到所述收集纤维的两端的支承结构。

14.如权利要求8所述的系统，其进一步包括：

多个收集纤维；

支承架，其具有顶边和底边；以及

传导连接线，其在多个所述支承结构导线和所述支承架之间；

其中多个所述收集纤维的每个收集纤维的一端都被连接到所述支承架的所述顶边，而多个所述收集纤维的每个收集纤维的相对的端连接到所述支承架的所述底边。

15.如权利要求8所述的系统，其进一步包括刚性结构，所述刚性结构包括自所述支承结构导线的单个点向外延伸的多个支承物，其中所述收集纤维的每端都被连接到所述多个支承物的末端。

16.如权利要求8所述的系统，其进一步包括刚性结构，所述刚性结构包括自所述支承机构导线的多个点向外延伸的多个支承物，其中所述收集纤维的每端被连接到所述多个支承物的末端。

17.如权利要求15所述的系统，其进一步包括多个刚性结构，其中收集纤维在所述多个刚性结构之间被连接。

18.如权利要求8所述的系统，其进一步包括：

开关，其在多个所述支承结构导线和所述负载之间被串联连接；以及

电容器，其与所述开关和所述负载并联连接。

19.如权利要求18所述的系统，其中所述开关包括在多个所述支承结构导线和所述负载之间连接的断续器。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述断续器包括荧光管、氖管、交流灯或火花隙中的一个。

21.如权利要求19所述的系统，其进一步包括在所述断续器和所述负载之间连接的变压器。

22.如权利要求8所述的系统，其进一步包括：

电动机，其用于提供动力，所述电动机在多个所述支承结构导线和所述负载之间被连接；以及

发电机，其由所述电动机提供动力。

23.如权利要求8所述的系统，其中所述负载包括在装有流体的容器中的火花隙，且所述负载用来产生化学反应。

24.如权利要求23所述的系统，其中所述流体包括水且所述化学反应包括氢气和氧气的产生。

25.如权利要求8所述的系统，其进一步包括在多个所述支承结构导线和所述负载之间的燃料电池。

26.如权利要求8所述的系统，其中所述负载包括燃料电池。

27.如权利要求25所述的系统，其中所述燃料电池产生氢气和氧气。

28.如权利要求25所述的系统，其进一步包括在多个所述支承结构导线和所述燃料电池之间被连接的二极管。

29.如权利要求8-28中的任一项所述的系统，其中所述碳纤维包括石墨纤维。

30.一种收集能量的系统，其包括：

用于悬挂收集纤维的构件，所述构件被升高到地平面以上，所述收集纤维被电连接到所述用于悬挂收集纤维的构件且包括用于收集静电的碳纤维；

用于引起电流的构件，所述用于引起电流的构件被电连接到所述用于悬挂收集纤维的构件；以及

用于限制电荷载体的回流的构件，所述用于限制电荷载体的回流的构件在所述收集纤维和所述用于引起电流的构件之间被电连接。

31.如权利要求30所述的系统，其中所述碳纤维包括石墨纤维。

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