СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ В ВАКУУМЕ Российский патент 1998 года по МПК H04B13/00 

Изобретение относится к передаче энергии и может быть использовано для высокоэффективной передачи энергии без проводов между источником и потребителем, удаленными друг от друга на большие расстояния.

Известен способ передачи энергии от источника к потребителю (Brown W.C. The Technology and Application of Free Space Power Transission by Microwave Beam. Proceedings IEEE, v.62, N 1, January, 1974) путем последовательного преобразования энергии первичного источника в энергию постоянного тока, затем в энергию направленного СВЧ-излучения и обратного преобразования его в приемно-выпрямительной антенне-ректенне с использованием большого количества полупроводниковых диодов с барьером Шоттки, эффективно работающих в диапазоне частот 3 - 10 ГГц с удельной мощностью СВЧ на один диод до 10 Вт/диод, (прототип).

Недостатками этого способа являются: использование огромного количества маломощных диодов Шоттки, размещенных в апертуре ректенны с плотностью 4 - 16 диодов на S - 1 λ² , где λ - длина волны; ограничения по плотности мощности СВЧ-пучка в апертуре ректенны, обусловленные выбранной длиной волны и указанными ограничениями по удельной мощности; большие помехи для расположенных недалеко от беспроводной линии энергопередачи систем связи как на основной частоте, так и частотах гармоник; низкая надежность ректенны, связанная с низкой надежностью полупроводниковых диодов и их высокой чувствительностью к импульсному режиму по СВЧ-мощности.

Техническими результатами изобретения являются: исключение большого количества низкоэффективных, маломощных и низконадежных полупроводниковых элементов - диодов Шоттки, повышение потока мощности в СВЧ-пучке, а значит и суммарной мощности, снижение массогабаритных характеристик, в основном размеров приемно-выпрямительной антенны, снижение уровня помех для систем телерадиокоммуникации, повышение надежности работы системы энергопередачи, упрощение сбора энергии выпрямленного постоянного тока с апертуры приемно-выпрямительной антенны.

Указанные результаты достигаются за счет того, что в способе передачи энергии в вакууме путем последовательного преобразования энергии первичного источника в энергию постоянного тока, преобразования энергии постоянного тока в энергию СВЧ-излучения, передачи энергии СВЧ-излучения от передающей антенны к приемной антенне, приема СВЧ-излучения и обратного преобразования энергии СВЧ-излучения в энергию электрического тока, гиротронно-преобразованную в гироклистронах с рекуперацией энергию СВЧ-излучения передают на частотах не менее 30 ГГц, а обратное преобразование энергии СВЧ-излучения в энергию постоянного тока осуществляют накачкой энергии СВЧ-излучения в замагниченную плазму, преобразуют накопленную тепловую энергию плазмы в кинетическую, переводя далее кинетическую энергию плазмы при движении через систему рекуператоров в энергию электрического тока и завершают цикл прокачкой заторможенной плазмы.

При обратном преобразовании накачку энергии СВЧ-излучения осуществляют в плазму зеркальной ловушки.

Тепловую энергию нагретой в зеркальной ловушке плазмы переводят в кинетическую энергию за счет расширения плазмы в магнитном сопле.

Превращение кинетической энергии плазмы в энергию электрического тока осуществляют электрическим торможением постоянными электрическими полями и применением магнитных полей при энергии электронов плазмы 5 - 50 Кэв/электрон.

Известно, что диоды Шоттки, являясь самым ненадежным элементом ректенны, значительно снижают общую надежность всей ректенны и всей линии беспроводной передачи СВЧ-энергии. Кроме того, диоды Шоттки имеют существенные ограничения по мощности СВЧ и диапазону рабочих частот. Поэтому отказ от использования диодов Шоттки в устройстве обратного преобразования и переход на предложенный нами способ позволяет достичь значительных преимуществ. В частности, появляется возможность работать на повышенной частоте СВЧ-пучка при сохранении высокого КПД передач; повышается общая мощность передачи при прежних размерах апертур и расстояниях между ними (или можно согласованно снизить габариты апертур при прежней суммарной мощности передачи и прежнем расстоянии передачи); повышается надежность работы приемно-выпрямительной антенны и всей линии энергопередачи, снижается уровень помех от линии передачи энергии для системы телерадиокоммуникаций, упрощается сбор выпрямленного тока с апертуры приемно-выпрямительной антенны.

Выбор рабочей частоты СВЧ-передачи 30 ГГц и выше (т.е. в 10 и более раз, чем в прототипе) обусловлен следующим. При передаче СВЧ-энергии возникают мощные паразитные сигналы помех как на основных частотах, так и на частотах высших (2-й, 3-й, 5-й) гармоник. Для частоты прототипа 2,45 ГГц 2-я, 3-я и 5-я гармоники попадают в широко используемую область радиочастот - диапазон спутниковой связи - 4 - 6,5 ГГц и 9,7...14,7 ГГц. Причем, как показывают предварительные оценки, уровень помехи может быть сравним с уровнем сигнала в телекоммуникационных системах и даже превышать его. Поэтому частоты передачи следует выбирать выше указанных диапазонов для телекоммуникации. При повышении частоты по определенному закону уменьшаются габаритные размеры апертур a,a:

где a^T - радиус передающей апертуры, a^R - радиус принимающей апертуры, R - расстояние между центрами передающей и принимающей апертур, λ - длина волны получения, τ - безразмерный параметр, характеризующий геометрические соотношения размеров элементов линии передачи, при τ - 2 пространственный КПД передачи остается высоким - около 90%. Именно этим определяется выбранная нами технология гиротронного преобразования. И диапазон рабочих частот составит около 30 - 37 ГГц и выше.

Для наиболее эффективного обратного преобразования энергии СВЧ-излучения в энергию постоянного тока необходима следующая последовательность действий: накачка энергии СВЧ-излучения в замагниченную плазму зеркальной ловушки, перевод тепловой энергии плазмы в кинетическую за счет расширения плазмы в магнитном сопле, превращение кинетической энергии в электрическую в системе рекуператоров, осуществляя электростатическое торможение постоянными электрическими и удержание постоянными магнитными полями при энергии электронов плазмы 5 - 50 КэВ/электрон.

При этом на наш взгляд наиболее эффективна в данном случае рекуперация пучка плазмы после ускорения его в магнитном сопле, если производить ее путем введения в магнитный сепаратор, где пучок плазмы разделяют на два потока: электронов и ионов, которые направляют в электростатические ловушки - цилиндры Фарадея, которые позволяют устойчиво и равномерно по площади коллекторов, находящихся в них, собирать соответственно электронные и ионные токи, рекуперируя тем самым кинетическую энергию плазмы в электроэнергию.

При соответствующем подборе параметров КПД преобразования кинетической энергии плазмы в электрическую составит 70 - 80%.

Способ передачи энергии в вакууме реализуется следующим образом.

Энергию первичного источника переводят в энергию постоянного тока тем или иным известным способом. Полученную энергию постоянного тока с помощью гироклистронов с рекуперацией преобразуют в СВЧ-излучение с частотой 30 - 60 ГГц с КПД преобразования около 70%. Далее осуществляют передачу СВЧ-мощности с помощью передающей антенны и прием СВЧ-излучения с помощью приемного антенного устройства, причем диапазон рабочих частот составляет 30 - 37 ГГц. Обратное преобразование СВЧ-излучения осуществляют накачкой последнего в замагниченную плазму зеркальной ловушки с пробочным отношением 2 и волновой мощностью на отдельном волноводном тракте 1 МВт и полной мощностью до 1 ГВт. Далее плазма расширяется в магнитном сопле с соответствующим переводом тепловой энергии в кинетическую и преобразуется в электрическую энергию электростатическим торможением в постоянных электрических полях с удержанием в постоянных магнитных полях при энергии электронов плазмы 5 - 50 Кэв/электрон. Рекуперация осуществляется в данном случае вводом ускоренного пучка плазмы в магнитный сепаратор, где пучок плазмы разделяют на электронный и ионный, которые удерживаются от разлета продольными магнитными полями и вторничными частицами противоположных знаков, затем оба пучка попадают в электростатические ловушки, где с помощью электродов-коллекторов собирают соответственно электронный и ионный токи. (Димитров С.К., Обухов В. А., Системы торможения и рекуперации энергии плазменных потоков, (Ионные инжекторы и плазменные ускорители). Под ред. А.И.Морозова и Н.Н.Семашко, - М.: Энергоатомиздат, 1989 с. 193-219).

Цикл завершается прокачкой заторможенной плазмы, чтобы затем повториться.

Пример. Энергию выработанного постоянного тока переводят с помощью гироклистронов в СВЧ-излучение с рабочей частотой не ниже 30 ГГц. Затем известным способом осуществляют передачу и прием СВЧ-мощности с помощью передающих и приемных антенн. При этом в качестве передающей антенны нами предлагается использовать активную фазируемую антенную решетку из примерно 1,5 тысяч модулей диаметром приблизительно 0,5 м каждый. Модуль выполнен в виде зеркальной антенны Кассегрейна со специальным облучателем, запитываемым с помощью сверхразмерного круглого волновода через охлаждаемый ферритовый фазовращатель от гироклистронов мощностью до 1 МВт. В качестве приемной антенны нами предлагается использовать нефазируемую антенную решетку из примерно 1,5 тысяч специальных рупорных излучателей, плотно заполняющих апертуру диаметром около 10 м, которые передают принятую СВЧ-мощность до 1 МВт каждый в окна ввода СВЧ-излучения в плазму зеркальной ловушки с помощью, например, охлаждаемого извне сверхразмерного тракта с минимально возможными потерями или с помощью квазиоптической зеркально-линзовой линии, которая фокусирует энергию СВЧ-излучения и полуторотысячной доли площади апертуры на окне ввода СВЧ-излучения. Таким образом снимаемое с приемной антенны СВЧ-излучение с частотой 30-37 ГГц вводят в замагниченную плазму зеркальной ловушки с двумя пробками для нагрева плазмы в ловушке по отдельным трактам с волновой мощностью около 1 МВт, причем количество каналов может достигать 1000. Величина магнитного поля зеркальной ловушки H_пр. составляет 0,7 - 1 Т, пробочное отношение H_мин./H_макс. - 1/2, плотность частиц в плазме n_e составляет 10¹³ см^-3, энергия электронов после накачки СВЧ-мощности - 5 - 50 Кэв, а ионов - 1 - 5 Кэв. Объем плазмы в ловушке составляет 10⁹ см³. При этом накачка энергии осуществляется разогревом электронов плазмы, которая затем для перевода ее тепловой энергии в кинетическую пропускается через магнитное сопло и далее, проходя через систему рекуператоров, тормозится электростатически, т.е. против сил электрического поля за счет инерции, причем в рекуператорах используются как постоянные электрические, так и постоянные магнитные поля. Детально после расширения и разгона плазмы в магнитном сопле длиной около 10 м ускоренные частицы попадают в магнитный масс-сепаратор. В этом сепараторе ларморовский радиус ионов не превышает нескольких метров, а ларморовский радиус электронов - нескольких сантиметров. Разделенные таким образом квазиуниполярные пучки ионов и электронов удерживаются от разлета продольными магнитными полями и вторичными частицами противоположных знаков. Затем интенсивные потоки электронов и ионов направляют в соответствующие электростатические ловушки - цилиндры Фарадея, где расположены системы электродов - коллекторов электронов и ионов. Продольная компонента скорости электронов и радиальная компонента магнитного поля, расходящегося около цилиндра Фарадея, позволяют создать азимутальный дрейф и электронов, и ионов. В результате, в каждой из электростатических ловушек устойчиво и равномерно по площади коллекторов собираются соответственно электронный и ионный токи, рекуперируя тем самым кинетическую энергию плазмы в электроэнергию, причем плотность электронного тока не превышает десятков килоампер на квадратный метр.

Способ передачи энергии в вакууме относится к передаче энергии без проводов между источником и потребителем, удалении друг от друга на большие расстояния. Способ позволяет повысить поток мощности в СВЧ-пучке, понизить массогабаритные характеристики, относящиеся к размерам приемно-выпрямительной антенны, снизить уровень помех для систем телерадиокоммуникации, повысить надежность работы системы энергопередачи, что является техническим результатом. Для этого производят последовательное преобразование энергии первичного источника в энергию постоянного тока, преобразование энергии постоянного тока в энергию СВЧ-излучения, передают СВЧ-излучения от передающей антенны к приемной на частотах не менее 30 ГГц, а обратное преобразование энергии СВЧ-излучения в энергию постоянного тока осуществляют накачкой энергии СВЧ-излучения в замагниченную плазму зеркальной ловушки, накопленную в ней тепловую энергию плазмы переводят в кинетическую за счет расширения плазмы в магнитном сопле, а превращение энергии плазмы в энергию электрического тока производят электростатическим торможением разделенных в масс-сепараторах и удерживаемых продольными магнитными полями потоков электронов и ионов, собирая на соответствующих коллекторах электронный и ионный токи. 3 з.п.ф-лы.

1. Способ передачи энергии в вакууме путем преобразования энергии первичного источника в энергию постоянного тока, преобразования энергии постоянного тока в энергию СВЧ излучения, передачи энергии СВЧ излучения от передающей антенны приемной антенне, приема СВЧ излучения и обратного преобразования энергии СВЧ излучения в энергию электрического тока, отличающийся тем, что гиротронно преобразованную в гироклистронах с рекуперацией энергию СВЧ излучения передают на частоте не менее 30 ГГц, а обратное преобразование энергии СВЧ излучения в энергию электрического тока осуществляют накачкой энергии СВЧ излучения в замагниченную плазму, преобразования тепловой энергии плазмы в кинетическую, дальнейшим переводом кинетической энергии плазмы при движении через систему рекуператоров в энергию электрического тока и завершают цикл прокачкой заторможенной плазмы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что накачку энергии СВЧ излучения ведут в плазму зеркальной ловушки. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что тепловую энергию плазмы переводят в кинетическую за счет расширения плазмы в магнитном сопле. 4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что превращение кинетической энергии плазмы в энергию электрического тока осуществляют путем электростатического торможения постоянными электрическими полями, удерживая потоки электронов и ионов продольными магнитными полями, при энергии электронов плазмы 5 - 50 Кэв/электрон.