Предложение к сотрудничеству
Energy harvesting of drifting snow
(Извлечение электричества из снежной поземки)



Ivan BRINK

Don State Technical University,

Rostov-on-Don,




Nepal, Kathmandu 2017

Бринк Иван - Руководитель проекта извлечения электричества из снежной поземки. Профессор Донского государственного технического университета, доктор технических наук, президент ассоциации НП ИТЦ "ИнТех-Дон"

Уважаемые друзья, коллеги.

Я хочу представить первые результаты попытки извлечь электричество из дрейфующего снега, или говоря другими словами, из снежной поземки. Работа проводилась группой ученых и специалистов кафедры "Конструирование, технология и дизайн" (КТиД) Института сферы обслуживания и предпринимательства Донского государственного технического университета (Филиал г. Шахты), ООО "БВН инжениринг" и ООО НПП "ИНТОР". Доклад в последней версии был представлен 16.02.2017 на круглом столе в Академии наук и технологий Непала, организованного совместно центром Российской науки и культуры в Катманду, Донским государственным техническим университетом и Южно-Российским государственным политехническим университетом. Доклад вызвал значительный интерес участников круглого стола, которые помнят трагедию, произошедшую на перевале Торонг-ла 10 октября 2014 года, когда заблудившись во время метели погибли более 160 человек.
Эволюция идеи
Из чего и как эволюционировала идея сборки электроэнергии из снежной поземки?
ООО "БВН инжениринг" и кафедра КТиД специализируются на разработке одежды для защиты от холода и электризации. На севере России зимой при низких температурах все предметы наэлектризовываются. Это связано с вымораживанием влаги из воздуха. Решительно все предметы кажутся наэлектризованными. Иногда при прикосновении к ним проскакивает искра. Это очень опасно в тех местах, где добываются газ и нефть и в воздухе часто присутствуют их пары. Электрический разряд может привести к взрыву газа. В таблице представлены энергетические параметры искры в микроджоулях и величина напряжения, при которых может произойти взрыв паров различных веществ.
Существует проблема нейтрализации электрического заряда. Накапливаясь на одежде он постоянно уходит в человека в районе шеи. Там одежда соприкасается с телом человека. На шее зимой у работников наблюдается раздражение. Возникла идея накапливать и полезно использовать электрический заряд.
Энерго харвестинг, что это такое?
Что такое энерго харвестинг. Это сбор энергии, распределенной в пространстве. Эта энергия имеет очень маленькую плотность, но ее можно собирать и применять в различных целях.
На этом графике представлены плотности энергии различных видов, распределенные в пространстве. Речь идет о микро ваттах на квадратный сантиметр или на кубический сантиметр. Как видим это величины от 0,1 микроватта на сантиметр квадратный, до 100000 микроватт, или 0,1 Вт. Здесь представлены плотности энергии вибрации, тепла, солнца, биохимических реакций.
Энергохарвестинг может использоваться для преобразования кинетической энергии в электрическую. Демонстрация сборки электростатической энергии осуществлялась при помощи, конденсаторов, движущихся электродов и так далее.
У человека большие возможности для генерации электричества – это в первую очередь его мышечная сила, тепло, энергия ударов сердца и движения.
Проблема
Электризация снежных потоков поземки достаточно хорошо известна. были попытки американских ученых использовать этот эффект для устранения заметания снегом взлетно-посадочных полос на Аляске. Академик Дюнин исследовал процессы электризации дрейфующего в поземке снега.
Но может быть это можно использовать в технических системах?

Тысячи километров дорог на севере России существуют только зимой. Возможно ли во время полярной ночи обеспечить сенсоры , сигнальные системы или передачу данных от электрической энергии переносимого снега?
Основополагающие идеи
Через 1 метр горного хребта за зиму переносится до 300 тонн снега. Академик Дюнин считает, что кулоновские силы взаимодействия отдельных частиц снега могут доходить до 0,2 от силы гравитации. Возможно кулоновские силы играют заметную роль при формировании снежных карнизов в горах и учет метелевого электричества позволит уточнить механизмы формирования снежных карнизов?
Всматриваясь ночью в снежные клубы сходящей лавины мы иногда видим в них всполохи молний.
Процесс разделения зарядов во время столкновения частиц разного размера профессор Арабаджин объясняет чисто полевыми эффектами. На концах игольчатых обломков снежной пыли гораздо большая напряженность электростатического поля, чем на плоских поверхностях больших частиц. Благодаря этому при соударении крупных и мелких частиц происходит разделение зарядов.

Американские ученые разделение зарядов объясняют термоэлектрическими эффектами, возникающими при соударениях частиц.
В процессе движения более тяжелые большие частицы, обладающие отрицательным зарядом опускаются вниз, а легкие малые частицы ветер несет дальше. Однако после порыва ветра весь поток снега может оказаться отрицательно заряженным, поскольку был сорван с поверхности. По мнению американских ученых Д.С. Шмидта, Р.А. Шмидта и Дж.Д. Дента на высоте до 4 сантиметров над уровнем снега может быть напряженность электростатического поля до 30 кВт/м, и количество переносимого одним килограммом снега электростатического заряда может составлять от +72 до - 208 микрокулонов/килограмм.
Мы провели несколько исследований в горах Кавказа, в регионе Домбай, в районе пика Мусачитара, результаты которых я хотел бы представить. На слайде представлены погодные условия во время эксперимента. Температура воздуха составляла -6 градусов по Цельсию, скорость ветра от 6 до 14 метров в секунду. На высоте от 10 до 15 сантиметров ветер переносил за секунду 10,4 грамма снега отнесенного к площади в 1 квадратный метр.
Электрический потенциал снежных поверхностей
Мы провели исследования потенциала электрического поля на наветренной и подветренной стороне снежного карниза. На подветренной стороне он существенно ниже, чем на наветренной. Это показано в приведенных выше таблицах.
Определение электрического потенциала на поверхности палатки
Мы измерили потенциал на стенках палатки. Известен случай, описанный Тенцингом Ногеем, первовосходителем на Эверест, что в ночь перед восхождением на высоте 7800 метров палатку так трепал ветер, что она постоянно светилась от электрических разрядов. В нашем эксперименте на боковой поверхности палатки потенциал достигал 3500 вольт. Посмотрите как трепало палатку на ветру. Нажмите кнопку!
Энергохарвестинг дрейфующего снега.
Здесь представлена электрическая схема и макет энергохарвестера, для преобразования энергии снегопада в электрическую энергию, за счет трения снежинок о пентафталевую поверхность с нанесенной на нее металлической сеткой для снятия электричества. К электрической схеме был подключен цифровой осциллограф, который регистрировал напряжение, возникавшее на контактах схемы в процессе эксперимента.
Работает схема следующим образом. Заряд возникающий на элементе сбора заряда стекает на конденсатор С1. Как только напряжение на конденсаторе достигает уровня пробоя разрядника V1, происходит заряд электролитического конденсатора С2 и фиксируется осциллограмма момента срабатывания разрядника.
При напряжении U1> UP, где uр – напряжение пробоя разрядника. В разряднике происходит дуговой разряд и емкости Cф и C1 передают свои заряды емкости C2. После срабатывания разрядника емкость C2 разряжается.

При порыве ветра осциллограф демонстрировал всплески напряжения, на конденсаторе С2 до 85мВ. Во время порыва ветра вручную включалась запись осциллограммы и фиксировалась скорость ветра при помощи анемометра AR –836.
Экспериментальные исследования подтвердили и теоретические исследования, представленные на этом слайде. Полученный ток, достигал 70 микроампер.
Полученные величины напряжений, токов и энергий импульса полученного в результате наших экспериментов сравнимы с величинами потребления энергии систем, созданных на основе микроконтроллера MSP430F2013 (SLAU283). Что это позволило бы сделать?
Во первых. Эту энергию можно было бы использовать для пульсирующего светодиодного маячка или для формирования электромагнитного сигнала.
Во вторых. Фиксация изменения напряжения во времени может позволить рассчитать относительное количество снега, перенесенного в данном месте и спрогнозировать рост снежного карниза.
Мы ищем партнеров!
Почему я ищу партнеров в социальных сетях? В проекте нужны мотивированные Люди. Специалисты в различных областях. Люди, которые отправляясь на преодоление неведомого каждый раз решают для себя вопрос - что для них главное - количество дней в жизни или количество жизни в прожитых днях.
Каковы возможности сотрудничества?
Работа над проектом в процессе обучения в магистратуре или аспирантуре;
Венчурный проект;
Совместное проведение экспериментальных работ и т.д.

Бринк Иван
Доктор технических наук, профессор ДГТУ

Черунова Ирина
Доктор технических наук, профессор ДГТУ
Горчаков Вячеслав
Кандидат технических наук. НПП "ИНТОР"