СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЕ Российский патент 1998 года по МПК H04B5/00 

Изобретение относится к техническим средствам для передачи электроэнергии без проводов и может быть использовано в различных системах электроснабжения и связи.

Для оценки новизны и изобретательского уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.

Известен способ передачи электромагнитной энергии в целях радиосвязи при помощи катушечной антенны, согласно которому тороидальную катушку располагают в непосредственной близости от поверхности земли параллельно последней, чтобы за счет наведенных при этом в земле радиальных токов усилить излучающее действие тороидальной катушки как эквивалента вертикального вибратора (см. авт. св. N 68890, H 01 G 1/36).

Данный аналог не в состоянии решить поставленную нами задачу, так как передача электроэнергии в нем происходит посредством электромагнитной волны, распространяющейся в свободном пространстве, в природном волноводном канале либо (и в основном) над поверхностью одного естественного проводника, что в любом случае позволяет в точке приема выделить ничтожную часть от всей излучаемой мощности.

Известен способ передачи электроэнергии на высокой частоте, включающий генерирование высокочастотных колебаний и передачу их через согласующие устройства по линии электропередачи к приемнику, использующий для удешевления системы индуктивную связь, средства для реализации которой включают стационарные приемник и передатчик, несколько передвижных приемопередатчиков, линии приема и передачи, в разрывы которых включены усилительные узлы, каждый из которых содержит согласующие блоки и усилители [1].

В данном случае предложено схемное решение, позволяющее осуществить беспроводную передачу электроэнергии в основном в целях связи с подвижными объектами, внутри шахты и вдоль проводной линии.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Недостатками прототипа, не позволяющими достичь поставленной нами цели, является то, что проблема надежности такой передачи на значительные расстояния в данном способе не решена, так как радиосвязь осуществляется в непосредственной близости от антенны, отчего потери в пространстве невелики, но велики потери в линии связи - телефонном кабеле, проложенном по длине шахты, что требует наличия вдоль линии усилителей и т.п.

Задачей изобретения является обеспечение возможности надежной передачи электроэнергии без потерь независимо от расстояния и без искусственных проводников.

Сущность заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата.

Согласно изобретению, в способе передачи электроэнергии на высокой частоте, включающем генерирование высокочастотных колебаний и передачу их через согласующие устройства в линию электропередачи и в приемник, в качестве линии электропередачи используют сферическую фидерную линию, центральным проводником которой является вся поверхность земного шара, а наружным проводником - атмосферный слой с повышенной электронной концентрацией, при этом согласующие устройства снабжены конденсаторами связи, выполненными в виде установленных над поверхностью земли облучателей с развитой поверхностью, например сферической.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Заявленное техническое решение является новым, так как характеризуется наличием новой совокупности признаков, отсутствующей во всех известных нам объектах техники аналогичного назначения.

Непосредственный технический результат, который может быть получен при реализации заявленной совокупности признаков, заключается в том, что при соответствующей настройке электроэнергия приходит к получателю по объективно существующей сферической фидерной линии независимо ни от каких внешних факторов и практически без потерь.

Данный технический результат не является следствием известных свойств, проявляемых рядом порознь известных из других объектов техники признаков, таких как согласующие устройства, конденсаторы связи, а является свойством только всей заявленной в первом пункте формулы совокупности признаков, в т. ч. таких полностью новых признаков, как использование облучателей для настройки и включения в работу сферической фидерной линии.

Получение упомянутого технического результата обеспечивает появление у объекта изобретения в целом ряде новых полезных свойств, а именно обеспечивается возможность доставки электроэнергии без проводов в любые точки земного шара без потерь и помех существующими средствами радиосвязи.

Указанное позволяет признать заявленное техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень". Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен график зависимости степени ионизации атмосферы от высоты, на фиг. 2 - схематическое изображение сферической фидерной линии и один из возможных способов ее подключения к приемнику и передатчику через конденсатор связи.

Электропередача осуществляется с помощью передатчика 1, приемника 2, конденсаторов связи 3 и 4. Обязательным элементом передатчика является колебательная система 5, энергия из которой передается в сферическую фидерную линию, одним проводником которой является вся поверхность земного шара 6, а другим - слой атмосферы 7 с повышенной степенью ионизации.

Конденсаторы связи 3 и 4 конструктивно выполнены в виде шаровых облучателей, но возможно использование и других объемных тел с развитыми поверхностями, например диск, икосаэдр, додекаэдр и др.

Способ реализуют следующим образом. Облучатели 3 и 4 поднимают над поверхностью земли на расстояние большее, чем радиус шара, так как на такой высоте соблюдается равенство емкостей: собственная емкость шара, емкость "шар-земля" и емкость "шар - слой атмосферы 7" практически равны и не зависят от расстояния до наружного проводника. Это свойство шара позволяет реализовать связь со сферической линией (подключение к линии), а, следовательно, и передачу энергии по сферической фидерной линии.

Емкость шара постоянна, а поэтому она не может быть использована для согласования сопротивлений, как это часто делается в обычных радиопередатчиках. Для этого может быть использована индуктивная связь с промежуточным контуром. Емкость шара в этом случае является также емкостью контура. Ввиду крайне малого волнового сопротивления сферической фидерной линии связь между контурами будет очень слабой (для наиболее полной передачи колебательной мощности передатчика), а т.к. линия из двух сферических поверхностей размером с планету не поддается точному расчету, то в реальном передатчике должна быть предусмотрена подстройка связи при смене частоты. Такие регулировки в аппаратуре связи - обычное дело. Приемник 2 соединен со сферической фидерной линией связи также посредством облучателя 4 в виде шара. Нагрузка подключается непосредственно к контуру. Коэффициент связи с нагрузкой зависит, как обычно, от данных контура, величины сопротивления нагрузки и линии.

Сферическая фидерная линия связи обладает уникальным свойством ее волновое сопротивление составляет доли ома, с учетом того, что шар, обладая емкостью, практически не является индуктивностью. Такая линия будет передавать энергию практически без потерь. Лучшим случаем будет такой, при котором без нагрузки устанавливается чистая стоячая волна, а с подключенным потребителем - чистая бегущая волна. Это достигается выбором частоты - на всей длине линии должно уложиться целое число полуволн.

На практике качество линии будет зависеть от волнового сопротивления, омических потерь, паразитного излучения и потерь в диэлектрике, но это помешает ей выполнять свою функцию передачи энергии, т.к. хотя ее проводники обладают сравнительно большим удельным сопротивлением, воздух является лучшим диэлектриком, отношение диаметров проводников приближается к единице, а сферическая форма линии определяет безындукционность линии и волновое сопротивление в доли ома. Неоднородность слоев атмосферы для сферической фидерной линии также не имеет практического значения, т.к., во-первых, между облучателем и проводником отсутствует магнитная составляющая, а емкость "шар - слой" не меняется с изменением расстояния до слоя, а во-вторых, связь с использованием этих проводников как волновода - реальность, а требования к поверхности и форме фидерной линии не столь жестки, как для волновода.

Проводимость воздуха увеличивается с высотой и на высоте 6 км поле практически отсутствует, тогда как на высоте 3 км наблюдается наибольшая кривизна этой гиперболической зависимости. Это значит, что при относительно низких частотах условия эффективности облучателя и условия эффективности сферической фидерной линии наименее противоречивы именно в низших слоях атмосферы. При увеличении частоты удельная проводимость слоя будет играть большую роль, так что на практике возможны две линии - ионосферная и "нижняя", выбор которых происходит автоматически, т.к. емкость шара не зависит от высоты. На промежуточных частотах возможны две настройки: при уменьшении связи шар перестает работать как короткий штырь с емкостью на конце и становится емкостью связи сначала с ионосферной, а затем с "нижней" линией, т.к. "нижней" линии меньше, чем у ионосферной. Расчеты контуров связи, омических потерь в линии входных сопротивлений и сопротивлений связи ничем не отличаются от обычных в технике связи расчетов.

Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает следующие преимущества.

1. В линии практически отсутствуют потери, при этом КПД передачи не зависит от времени года, суток, метеоусловий, расстояния.

2. Не создается помех средствам обычной радиосвязи.

3. Соблюдаются санитарные нормы на облучение при мощностях до сотен тысяч мегаватт в одной точке, т.к. энергия распределяется в линии очень больших размеров.

4. Обеспечивается возможность передачи энергии без проводов на любой движущийся объект в пределах земной атмосферы и земных расстояний.

5. Упрощается аппаратура, отпадает необходимость в использовании сверхмощных передатчиков, химикатов и т.п.

Изобретение относится к техническим средствам для передачи электроэнергии без проводов и может быть использовано в различных системах электроснабжения и связи. Электропередача осуществляется с помощью передатчика 1, приемника 2, конденсаторов связи 3 и 4. Обязательным элементом передатчика является колебательная система 5, энергия из которой передается в сферическую фидерную линию, одним проводником которой является вся поверхность земного шара 6, а другим - слой атмосферы 7 с повышенной степенью ионизации. Конденсаторы связи 3 и 4 конструктивно выполнены в виде шаровых облучателей, но возможно использование и других объемных тел с развитыми поверхностями, например диск, икосаэдр, додекаэдр и др. Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает следующие преимущества: в линии практически отсутствуют потери, при этом КПД передачи не зависит от времени года, суток, метеоусловий, расстояния; не создается помех средствам обычной радиосвязи; соблюдаются санитарные нормы на облучение при мощностях до сотен тысяч мегаватт в одной точке, т.к. энергия распределяется в линии очень больших размеров; обеспечивается возможность передачи энергии без проводов на любой движущийся объект в пределах земной атмосферы и земных расстояний; упрощается аппаратура, отпадает необходимость в использовании сверхмощных передатчиков, химикатов и т.п. 2 ил.

Способ передачи электроэнергии на высокой частоте, включающий генерирование высокочастотных колебаний и передачу их через согласующие устройства в линию электропередачи и в приемник, отличающийся тем, что в качестве линии электропередачи используют сферическую фидерную линию, центральным проводником которой является вся поверхность земного шара, а наружным проводником - атмосферный слой с повышенной электронной концентрацией, при этом согласующие устройства снабжены конденсаторами связи, выполненными в виде установленных над поверхностью земли облучателей с развитой поверхностью, например сферической.