СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2001 года по МПК H02J17/00 H04B7/185 

Изобретение относится к способу и устройству для передачи электрической энергии стационарным и мобильным потребителям электроэнергии.

Известен способ передачи электроэнергии по одному проводу, разработанный Н.Тесла в 1900 году. Согласно этому способу энергия от электрической станции поступает на искровой разрядник, соединенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора Тесла. Один конец вторичной обмотки трансформатора Тесла соединен с Землей, а второй конец с нагрузкой, выполненной в виде конденсатора сферической или тороидальной формы, установленного на изолирующей подставке.

Трансформатор Тесла, изобретенный в 1891 году, представляет бессердечниковый или с незамкнутым сердечником трансформатор, первичная обмотка которого расположена снаружи или соосно с вторичной обмоткой. Вторичная обмотка состоит из большего числа витков медной тонкой изолированной проволоки. Один конец вторичной обмотки остается свободным, а второй при передаче напряжения высокой частоты на первичную обмотку присоединяется к линии. В высоковольтной вторичной обмотке в условиях резонанса возникают высокочастотные колебания, колебания напряжением до 7·10⁶ В (N. Tesla, Lectures, Patents, Articles, Beograd, 1956).

Теория и конструкция трансформатора Тесла разработана немецким ученым П. Друде в 1904-1905 годах. При подаче электрического напряжения на искровой разрядник на вторичной обмотке трансформатора Тесла генерируется высокое напряжение высокой частоты (до 1000000 В, 250 кГц), которое вызывает появление высокого напряжения на конденсаторе.

Недостатком известного способа и устройства является его использование для электроснабжения только стационарных объектов. Другим недостатком является использование разрядника в качестве высокочастотного генератора и отсутствие устройства, позволяющего изменять частоту и напряжение на нагрузке, и использовать в качестве нагрузки стандартные электрические приборы, работающие на постоянном или переменном токе.

В качестве такого устройства, позволяющего изменять частоту или напряжение у потребителя и использовать стандартные электрические приборы, может быть применен понижающий трансформатор Тесла или известный диодно-конденсаторный блок, который используется в схемах удвоения напряжения и выполнен из двух встречно включенных диодов, соединенных с конденсатором, общая точка диодов соединена с источником питания (Электротехнический справочник, 1971 г. , изд-во Энергия, т. 1, стр. 871). При подаче на диодно-конденсаторный блок переменного напряжения положительная волна переменного реактивного тока идет на одну обкладку конденсатора, а отрицательная на другую обкладку. Конденсатор будет накапливать заряды, пока напряжение на его выводах не достигнет положительной и отрицательной амплитуды переменного напряжения на общей точке диодов, тогда диоды окажутся запертыми и заряд конденсатора прекратится. Так работает известная схема выпрямителя с удвоением напряжения.

Недостатком всех известных способов и устройств передачи электрической энергии является то, что они не позволяют обеспечить высокоэффективную передачу электрической энергии на большое расстояние, а также передавать электроэнергию на транспортные средства и летательные аппараты.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ передачи электроэнергии на высокой частоте, включающей генерирование высокочастотных колебаний и передачу их через согласующие устройства в линию электропередачи, в качестве которой используют сферическую фидерную линию из двух проводников, одним из которых является поверхность земного шара, а другим 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 (А.П. Архипов. Способ передачи электроэнергии на высокой частоте. Патент РФ N 2115239, 1995 г.).

Недостатком известного способа и устройства передачи электрической энергии является необходимость размещения в атмосфере у генератора и приемника на высоте 4-9 км сферических облучателей, соединенных электрическими проводниками с генератором колебаний и приемником, установленным на Земле.

Другим недостатком является использование замкнутой двухпроводной сети, имеющей джоулевы потери при протекании по проводам и по Земле токов проводимости.

Еще одним недостатком является то, что известный способ и устройство не позволяют осуществить передачу электрической энергии за пределами его атмосферного слоя с повышенной электронной концентрацией.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности, снижение потерь и повышение надежности передачи электрической энергии, а также обеспечение возможности передачи электрической энергии в воздушное пространство за пределами ионосферы.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность передачи электрической энергии за пределами атмосферного слоя без размещения в атмосфере на высоте 4-9 км сферических облучателей, соединенных электрическими проводниками с гененатором колебаний и приемником, установленными на Земле, отсутствие джоулевых потерь при передаче энергии, а также возможность передачи электрической энергии в воздушное пространство за пределами ионосферы.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе передачи электрической энергии на высокой частоте через околоземное пространство, включающем генерирование электромагнитных колебаний и передачу их к потребителю по линии связи, между высокочастотными генераторами электромагнитных колебаний и приемниками энергии формируют в атмосфере проводящие каналы, проходящие через промежуточное проводящее тело, расположенное в околоземном пространстве, формирование проводящих каналов осуществляют фотоионизацией воздуха лазерным излучением и электрическим пробоем ионизированного воздуха в канале путем подачи высокого напряжения, а высокочастотные генераторы и приемники энергии соединяют с проводящими каналами через резонансные L-C контуры, содержащие конденсатор переменной емкости, а также собственную емкость и индуктивность повышающих трансформаторов Тесла, присоединенных к высокочастотным генератором энергии и понижающих трансформаторов Тесла, присоединенных к приемникам энергии непосредственно или через выпрямительные блоки.

Для передачи электрической энергии одному или нескольким приемникам энергии, находящимся в пределах прямой видимости от промежуточного проводящего тела, промежуточные проводящие тела выполнены в виде проводящих экранов, установленных на летательных аппаратах
Для передачи электрической энергии удаленным приемникам энергии на Земле и в околоземном пространстве в качестве промежуточного проводящего тела используют проводящие слои ионосферы Земли.

Для передачи электрической энергии от высокочастотного генератора энергии на приемники, по крайней мере, один высокочастотный генератор энергии устанавливают на Земле, а приемники энергии на Земле и летательных аппаратах, а проводящие каналы формируют как со стороны Земли, так и от летательных аппаратов.

В другом варианте способа передачи электрической энергии, по крайней мере, один высокочастотный генератор энергии устанавливают на летательном аппарате в околеземном пространстве, а приемники энергии устанавливают на других летательных аппаратах и на Земле.

Установленные на Земле и на летательных аппаратах высокочастотные генераторы энергии и приемники энергии, соединенные между собой проводящими слоями ионосферы и проводящими каналами, образуют единую энергетическую систему Земли.

В устройстве для передачи электрической энергии в околоземном пространстве, содержащем высокочастотные генераторы энергии и приемники энергии и линии связи между ними, линии связи выполнены в виде проводящих воздушных каналов, сформированных лазерными пучками, каждый из которых соединен с одной стороны через формирователь проводящего канала с одним из выводов высоковольтной обмотки высокочастотного трансформатора Тесла, а с противоположной стороны с промежуточным проводящим телом, расположенным в околоземном пространстве, а формирователи проводящих каналов и сами проводящие каналы электрически изолированы от лазаров с помощью электроизолированных экранов, прозрачных для излучения лазеров.

Для реализации глобальной системы передачи электрической энергии все высокочастотные генераторы и приемники энергии соединены между собой проводящими каналами через проводящие слои в ионосфере в единую энергетическую систему.

Сущность предлагаемого способа и устройства для передачи электрической энергии поясняется на чертежах.

На фиг. 1 представлена общая схема способа и устройства для передачи электрической энергии.

На фиг. 2 - конструкция устройства для передачи электрической энергии через ионосферу между генератором и приемником электрической энергии, установленными на Земле.

На фиг. 3 - способ и устройство для передачи электрической энергии с Земли на летательные аппараты в атмосфере через проводящие слои в ионосфере.

На фиг. 4 - способ и устройство для передачи электрической энергии от летательных аппаратов в атмосфере на Землю.

На фиг. 1 электрическую энергию от высокочастотного генератора энергии 1 через резонансный L-C контур 2, содержащий переменную емкость C₁ и собственную емкость C₂ и индуктивность L повышающего высокочастотного трансформатора Тесла 3, повышают по напряжению и передают на формирователь канала 4 на проводящий канал 5, который является направляющей системой для электромагнитных волн. Проводящий канал 5 формируют в атмосфере с помощью лазера 6 и высоковольтного электрического разряда, формируемого с помощью высоковольтного трансформатора Тесла 3. Лазер 6 изолирован от высокого напряжения на формирователе проводящего канала 4 и проводящем канале 5 с помощью электроизолирующего экрана 7, прозрачного для излучения лазера. Проводящий канал 5 соединяет высокочастотный генератор 1 и трансформатор Тесла 3 с промежуточным проводящим телом 8.

Приемник энергии 9 соединен через выпрямитель 10, понижающий высоковольтный трансформатор Тесла 12, резонансный L-C контур 13, формирователь канала 14 с проводящим каналом 15, который сформирован в атмосфере с помощью лазера 16 и высоковольтного электрического разряда от трансформатора Тесла 3 и 12. Лазер 16 получает электрическую энергию от вспомогательного генератора 11. Вспомогательный генератор 11 используется для питания трансформатора Тесла 12 для подачи высокого напряжения и электрического пробоя проводящего канала 15. Проводящий канал 15 соединяет резонансный L-C контур с промежуточным проводящим телом 8. Резонансный L-C контур 13 состоит из конденсатора переменной емкости C₃ и собственной емкости C₄ и индуктивности L₂ высокочастотного понижающего трансформатора Тесла 12.

Промежуточное проводящее тело 8 выполнено в виде проводящего экрана, установленного на летательном аппарате, например низкоорбитальном спутнике, шаре-зонде, аэростате, дирижабле, самолете или вертолете. Лазер 16 изолирован от высокого напряжения с помощью электроизолированного экрана 17.

В общем случае, к промежуточному проводящему телу 8 могут быть присоединены несколько приемников энергии 9 с помощью проводящих каналов 15, сформированных с помощью лазеров 16 со стороны Земли между приемниками энергии 9 и промежуточным проводящим телом 8. Принцип работы устройства для передачи электрической энергии не изменится, если лазеры 16 установлены на промежуточном проводящем теле 8. В этом случае проводящие каналы 9 формируются со стороны промежуточного проводящего тела 15 по направлению к приемникам энергии 9 на Землю.

На фиг. 2 в качестве промежуточного проводящего тела используют проводящие слои ионосферы 18 Земли 19.

Концентрация заряженных ионов в проводящих слоях ионосферы составляет от 10⁴ до 10⁶ см^-3. В этом случае между приемником 9 и генератором энергии 1, установленных на поверхности Земли 19, возникает однопроводная линия, состоящая из проводящих каналов 5 и 15 и проводящего слоя ионосферы 18.

На фиг. 3 передача электрической энергии от одного или нескольких источников энергии 20 на Земле 19 на летательные аппараты 21 и 22, находящиеся в атмосфере, происходит с помощью проводящих каналов 23 и 24, сформированных между источником электрической энергии 20 и проводящими слоями 18 в ионосфере и между приемниками энергии, установленными на летательных аппаратах 21 и 22 и проводящими слоями ионосферы 18. Проводящие каналы 24 между летательными аппаратами 21, 22 и проводящими слоями 18 в ионосфере создаются с помощью лазеров, установленных на летательных аппаратах 21, 22, и высоковольтного электрического разряда, формируемого от высоковольтного вспомогательного трансформатора Тесла, установленного на летательных аппаратах 21, 22.

Проводящие каналы 23 формируют методом фотоионизации воздуха с помощью лазеров и высоковольтного электрического разряда в проводящем канале 23 от высоковольтного трансформатора Тесла, установленного на Земле 19 рядом с источником энергии 20 аналогично показанному на фиг. 1 и 2.

На фиг. 4 летательные аппараты 25, 26 в атмосфере и приемники энергии 27, 28 на Земле 19 получают энергию от летательных аппаратов 29, 30 в атмосфере с помощью проводящих каналов 31, сформированных между летательными аппаратами 25, 26, 29 и 30 и проводящими слоями в ионосфере 18. Приемники энергии 27, 28 на Земле 19 соединены с проводящими слоями 18 в ионосфере проводящими каналами 32, сформированными с Земли. Летательный аппарат 33 передает энергию по проводящему каналу 34 непосредственно к потребителю энергии 35, расположенному на Земле 19.

Летательные аппараты 30 и 25 также передают энергию непосредственно другим летательным аппаратам 36 и 37 по проводящим каналам 38 и 39. Формирование проводящих каналов происходит путем фотоионизации воздуха и с помощью лазеров и высоковольтных электрических разрядов в канале от высоковольтных трансформаторов Тесла аналогично способу и устройству, указанному на фиг. 1, 2, 3.

Пример осуществления способа и устройства для передачи электрической энергии.

Лазеры 6 и 16 (фиг. 2) на быстрых электронах, один из которых установлен в непосредственной близости от генератора электромагнитных колебаний 1, а второй от приемника энергии 9, создают проводящие каналы 5 и 15 между проводящим слоем 18 в ионосфере и генератором 1 и приемником энергии 9, установленным на Земле 19. Проводящий канал 5 создают путем фотоионизации воздуха в лучах лазеров и подачи на формирователи каналов 4 высокого напряжения от трансформаторов Тесла 3 и 12 у генераторов 1 и приемника энергии 9. Мощность лазеров составляет 100 кВт, мощность генератора электромагнитных колебаний 11 МВт - 10000 МВт. Высокое напряжение на трансформаторах Тесла 3,125-50 миллионов вольт.

Устройство для передачи электрической энергии работает следующим образом.

В результате фотоионизации и электрического пробоя в проводящем канале 5 и 12 возникает высокая концентрация электронов и заряженных ионов и под действием кулоновских сил возникает перемещение электрических зарядов и электромагнитной энергии от генератора 1 к приемнику 9 вдоль линии, образованной из двух проводящих каналов 5 и 15 и проводящего слоя ионосферы 18 между каналами. Электрическая энергия поступает по проводящим каналам 5 и 15 на высоковольтный трансформатор Тесла 12, а затем через выпрямитель 10 к приемнику энергии 9. Частоту электромагнитных колебаний выбирают в пределах от 1 до 500 кГц из условий передачи энергии в резонансном режиме с использованием резонансных LC 3 и 13 контуров емкости и индуктивности трансформаторов Тесла 3 и 12, проводящих каналов 5 и 15 и проводящего слоя ионосферы 18.

Изобретение относится к способу и устройству для передачи электрической энергии стационарным и мобильным потребителям электроэнергии. Технический результат состоит в повышении эффективности, снижении потерь и повышении надежности передачи электрической энергии, а также обеспечении возможности передачи электрической энергии в воздушное пространство за пределами ионосферы, появляется возможность передачи электрической энергии за пределами атмосферного слоя без размещения в атмосфере на высоте 4 - 9 км сферических облучателей, соединенных электрическими проводниками с генератором колебаний и приемником, установленными на Земле, отсутствие джоулевых потерь при передаче энергии, а также возможность передачи электрической энергии в воздушное пространство за пределами ионосферы. В способе передачи электрической энергии на высокой частоте через околоземное пространство, включающем генерирование электромагнитных колебаний и передачу их к потребителю по линии связи между высокочастотными генераторами электромагнитных колебаний и приемниками энергии, формируют в атмосфере проводящие каналы, проходящие через промежуточное проводящее тело, расположенное в околоземном пространстве, формирование проводящих каналов осуществляют фотоионизацией воздуха лазерным излучением и электрическим пробоем ионизированного воздуха. 4 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ передачи электрической энергии на высокой частоте через околоземное пространство, включающий генерирование электромагнитных колебаний и передачу их потребителям по проводящим каналам, сформированным путем фотоионизации воздуха лазерным излучением и последующим электрическим пробоем ионизированного воздуха путем подачи высокого напряжения, отличающийся тем, что проводящие каналы между высокочастотными генераторами электромагнитных колебаний с частотой 1-500 кГц и приемниками энергии проходят через промежуточное проводящее тело, расположенное на летательном аппарате в атмосфере, а высокочастотные генераторы и приемники соединяют с проводящими каналами через резонансные LC-контуры, содержащие конденсатор переменной емкости, а также собственную емкость и индуктивность повышающих и понижающих трансформаторов Тесла. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, один высокочастотный генератор электромагнитных колебаний устанавливают на Земле и соединяют проводящими каналами с приемниками энергии на летательных аппаратах, а формирование проводящих каналов осуществляют как со стороны Земли, так и со стороны летательных аппаратов. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, один высокочастотный генератор энергии устанавливают на летательном аппарате в околоземном пространстве и соединяют проводящими каналами с приемниками энергии на Земле. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высокочастотные генераторы и приемники электромагнитных колебаний устанавливают на Земле. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высокочастотные генераторы и приемники устанавливают на летательных аппаратах. 6. Способ передачи электрической энергии на высокой частоте через околоземное пространство, включающий генерирование электромагнитных колебаний и передачу их потребителям по проводящим каналам, сформированных путем фотоионизации воздуха лазерным излучением и последующим электрическим пробоем ионизированного воздуха путем подачи высокого напряжения, отличающийся тем, что высокочастотные генераторы с частотой 1-500 кГц и приемники энергии устанавливают на Земле и на летательных аппаратах в атмосфере и соединяют между собой проводящими каналами через проводящие слои ионосферы в единую энергетическую систему Земли, а высокочастотные генераторы и приемники соединяют с проводящими каналами через резонансные LC-контуры, содержащие конденсатор переменной емкости, а также собственную емкость и индуктивность повышающих и понижающих трансформаторов Тесла. 7. Устройство для передачи электрической энергии в околоземном пространстве, содержащее высокочастотные генераторы энергии и приемники энергии и проводящие каналы между ними, сформированные лазерными пучками, отличающееся тем, что каждый проводящий канал соединен с одной стороны через формирователь проводящего канала и LC-контур с одним из выводов высоковольтной обмотки высокочастотного трансформатора Тесла, а с противоположной стороны - с промежуточным проводящим телом, расположенным в атмосфере. 8. Устройство для передачи электрической энергии в атмосфере Земли, содержащее высокочастотные генераторы и приемники энергии и проводящие воздушные каналы между ними, сформированные лазерными пучками, отличающееся тем, что все высокочастотные генераторы и приемники энергии соединены между собой через трансформаторы Тесла с LC-контурами, через проводящие каналы и проводящие слои в ионосфере - в единую энергетическую систему Земли.