СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК H02J17/00 

Устройство относится к области электротехники, в частности к способу и устройству для передачи электрической энергии.

Известен способ и устройство для передачи электрической энергии, включающий передачу электрической энергии от источника к приемнику электрической энергии таким образом, что между источником и приемником электрической энергии формируют проводящий канал методом фотоионизации и ударной ионизации с помощью генератора излучения. Указанный проводящий канал электрически изолируют от генератора излучения с помощью прозрачного для излучения электроизоляционного экрана, соединяют проводящий канал с источником электрической энергии через повышающий высокочастотный трансформатор Тесла и с приемником электрической энергии через понижающий высокочастотный трансформатор Тесла или диодно-конденсаторный блок, увеличивают электрическую проводимость канала путем формирования поверхностного заряда и увеличения напряженности электрического поля и осуществляют под действием кулоновых сил перемещение электрических зарядов вдоль проводящего канала. Проводящий канал формируют как со стороны источника энергии, так и со стороны приемника энергии.

Электрическую энергию передают по проводящему каналу в импульсном или непрерывном режиме путем синхронной подачи на формирователь проводящего канала одновременно импульсов от генератора излучения и электрических импульсов от высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла.

Известное устройство для передачи электрической энергии содержит генератор излучения на основе оптического или рентгеновского лазера для формирования проводящего канала между источником и приемником электрической энергии, установленный соосно с генератором излучения формирователь проводящего канала и электроизолирующий экран, прозрачный для излучения генератора, размещенный между формирователем проводящего канала и генератором излучения. Источник электрической энергии соединен с формирователем проводящего канала через высоковольтный высокочастотный трансформатор Тесла, а с противоположной стороны проводящего канала установлен приемник проводящего канала, изолированный от корпуса приемника электрической энергии. Указанный приемник электрической энергии соединен с приемником канала через понижающий высокочастотный трансформатор Тесла или диодно-конденсаторный блок.

Устройство для передачи электрической энергии может быть выполнено в виде энергетической разветвленной системы, состоящей из множества источников и приемников электрической энергии, соединенных между собой проводящими каналами, имеющими одинаковую частоту и напряжение в точках соединения. Каждый источник электрической энергии снабжен генератором излучения, электроизолирующим экраном, формирователем и приемником проводящего канала. Каждый формирователь проводящего канала соединен с источником электрической энергии с помощью высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла, а каждый генератор излучения соединен или с источником электрической энергии, или с приемником через понижающий высокочастотный трансформатор Тесла или диодно-конденсаторный блок (патент РФ 2143775 от 25.03.99 г., БИ №36, 1999 г.).

Недостатком известного способа и устройства является необходимость использования газоразрядного проводящего канала и поддержания концентрации ионизированного воздуха в канале в определенных пределах, так как при малой концентрации ионов лазерный воздушный канал обладает малой проводимостью, недостаточной для передачи электрической энергии, а при большой концентрации ионов воздушный канал становится непрозрачным для лазерного излучения.

Другим недостатком известного способа и устройства является то, что его невозможно использовать в вакууме за пределами земной атмосферы.

Известен способ передачи электрической энергии с помощью релятивистских пучков электронов высоких энергий (Б.Э. Мейерович. Канал сильного тока. М.: Фима, 1999, стр.355-357). Недостатком известного способа передачи электрической энергии являются большие потери энергии на рассеивание при столкновении электронов с молекулами в газовой среде, что ограничивает длину распространения и мощность электронного потока в атмосфере.

Другим недостатком является необходимость преобразования электронного потока у потребителя в электрическую энергию с заданными параметрами, так как поток электронов представляет собой источник тока. Отбор энергии от пучка электронов производят за счет торможения электронов в электрическом поле конденсатора и увеличения заряда -конденсатора. В магнитном поле энергия пучка электронов преобразуется в синхротронное излучение. При облучении твердой мишени энергия пучка электронов превратится в теплоту, которую можно преобразовать в электрическую энергию с помощью известных термодинамических циклов преобразования энергии.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ передачи электрической энергии, включающий генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии, в котором проводящий канал формируют с помощью ускорителя в виде релятивистского пучка электронов, на который подают высокое напряжение с частотой 0,3-300,0 кГц - от спиральной антенны бегущей волны (патент РФ №2183376, БИ №16, 2002). Для увеличения радиационной безопасности проводящий канал формируют в виде двух пересекающихся пучков, один из которых формируют в атмосфере с помощью лазера, а второй формируют в разреженной среде и за пределами атмосферы в виде релятивистского пучка электронов.

Пучки в проводящем канале могут быть направлены соосно встречно друг другу, пучок релятивистских электронов направляют преимущественно из оптически менее плотной среды в сторону оптически более плотной среды, а лазерное излучение преимущественно из оптической более плотной среды в сторону оптической менее плотной среды. Формирование проводящего канала также осуществляют путем передачи вдоль оси канала соосного релятивистского пучка электронов и лазерного пучка и подачи на проводящий канал высокого напряжения от высокочастотного трансформатора Тесла или путем передачи вдоль оси канала двух параллельных пучков лазерного излучения и релятивистских электронов, расстояние между которыми не превышает поперечного размера меньшего по диаметру пучка.

Для передачи электрической энергии по линии, отличной от прямой, проводящий канал содержит проводящее тело, которое облучают с одной или нескольких сторон с помощью релятивистских пучков электронов и лазерных пучков, соединенных с высоковольтными трансформаторами Тесла. Для создания глобальной системы энергоснабжения Земли в качестве проводящего тела используют проводящие слои в ионосфере Земли, которые соединяют проводящими каналами на основе релятивистских электронных пучков с источниками и приемниками электрической энергии.

Устройство для передачи электрической энергии, содержащее высоковольтные высокочастотные трансформаторы Тесла, установленные у приемника и у источника энергии, содержит ускоритель релятивистских пучков электронов, выходное отверстие ускорителя соединено с высоковольтной обмоткой трансформатора Тесла, а ось ускорителя ориентирована на проводящий изолированный экран, который соединен с высоковольтной обмоткой другого трансформатора Тесла, а высоковольтная обмотка трансформаторов Тесла выполнена в виде многослойной спиральной антенны, ось которой совпадает с осью электронного пучка релятивистского ускорителя электронов (патент РФ №2183376, БИ №16, 2002).

Недостатком известного способа и устройств является необходимость использования дополнительных устройств ускорителя релятивистских пучков электронов или лазера для создания проводящего канала. Все указанные способы преобразования электрической энергии электронного пучка характеризуются низким кпд.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности и снижение потерь при передаче электрической энергии, а также обеспечение возможности передачи электрической энергии в вакууме за пределами земной атмосферы между космическими аппаратами или планетами, а также с Земли на космические тела и обратно из космического пространства на Землю, а также из одного пункта Земли на другой пункт Земли через атмосферу и космическое пространство без использования таких дополнительных устройств, как ускорители релятивистских пучков электронов и лазеров.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе передачи электрической энергии, включающем генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии, высокочастотные электромагнитные колебания генерированные в высокочастотном резонансном трансформаторе, усиливают по напряжению до 0,5-100 миллионов вольт в четвертьволновой резонансной линии, состоящей из спирального резонатора и естественной емкости на конце линии путем подачи на вход спирального резонатора электромагнитных колебаний от высокочастотного резонансного трансформатора с частотой f₀=1-1000 кГц, синхронизированной с периодом времени Т₀ движения волны напряжения от входа спирального резонатора до естественной емкости и возврата отраженной волны по входу в спиральный резонатор

,

где Н - длина четвертьволновой линии, u - скорость и движения электромагнитной волны вдоль оси резонатора, накапливают электрическую энергию в естественной емкости, а проводящий канал формируют с помощью микроволнового излучения на частоте f₁>>f₀ от микроволнового генератора, соединенного с игольчатым проводящим формирователем канала, установленного в непосредственной близости от естественной емкости четвертьволновой линии и получающего энергию от электрического поля четвертьволновой линии путем эмиссии стриммеров с конца игольчатого формирователя проводящего канала на резонансной частоте f₀=1-1000 кГц при напряжении V=0,5-100 миллионов вольт и соединения естественной емкости четвертьволновой линии с игольчатым проводящим формирователем канала.

Для увеличения коэффициента усиления по напряжению в способе естественную емкость выполняют в виде сферы из проводящего материала.

Для дальнейшего увеличения напряжения в линии в способе естественную емкость выполняют в виде тороида из проводящего материала.

Для увеличения концентрации зарядов в проводящем канале в способе естественную емкость выполняют в виде сферического купола, а игольчатый проводящий канал выполняют в виде шпиля с заостренным концом, который соединяют с куполом.

Для увеличения потенциала и передаваемой энергии в способе генератор микроволнового излучения возбуждают электрическим полем естественной емкости четвертьволновой линии на расстоянии Δ=0,1-10 мот поверхности емкости при напряженности электрического поля 1-100 кВ/м, а проводящий канал формируют с двух сторон микроволнового генератора со стороны сферической емкости и со стороны приемника электрической энергии.

Для обеспечения слежения за приемником излучения в способе генератор микроволнового излучения вместе с игольчатым формирователем проводящего канала перемещают относительно сферической емкости для передачи электрической энергии различным потребителям или одному потребителю, который изменяет свое положение в пространстве.

Для увеличения запасаемой энергии и снижения размеров четвертьволновой линии в способе четвертьволновую линию изолируют с помощью диэлектрического корпуса, заполненного изолирующим газом или жидкостью, а игольчатый формирователь канала снабжают устройством для импульсного соединения с емкостью четвертьволновой линии с частотой импульсов 1 Гц - 100 кГц.

В другом варианте способа передачи электрической энергии, включающем генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии, проводящий канал создают с помощью дополнительной четвертьволновой линии, состоящей из спирального резонатора и естественной емкости на частоте f₁>>f₀, соединенной с двумя игольчатыми формирователями проводящего канала, один из которых формирует проводящий канал в сторону естественной емкости основной четвертьволновой линии, а второй формирует проводящий канал в сторону приемника нагрузки, основная и дополнительная четвертьволновые линии получают электрическую энергию от одного резонансного высокочастотного трансформатора.

В другом варианте способа передачи электрической энергии, включающем генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии, создают несколько проводящих каналов на частоте f>f₀ с помощью нескольких дополнительных спиральных резонаторов, каждый из которых имеет резонансную емкость и соединенный с ней игольчатый формирователь канала, каждый дополнительный спиральный резонатор получает электромагнитную электроэнергию для формирования канала от своего высокочастотного резонансного трансформатора, а электромагнитную энергию для передачи беспроводным методом от основного спирального резонатора, когерентную накачку которого производят от резонансного высокочастотного трансформатора.

Технический результат достигается также тем, что в предлагаемом устройстве для передачи электрической энергии, содержащем источник электрической энергии повышенной частоты, передающий и приемный резонансные высокочастотные трансформаторы с резонансной частотой f₀, установленные у источника и приемника энергии, и проводящий канал между ними, каждый резонансный высокочастотный трансформатор имеет естественную емкость, соединенную с высоковольтной обмоткой трансформатора, а в непосредственной близости от естественной емкости установлен микроволновый генератор с частотой f>>f₀ без источника питания, с возбуждением от электрического поля естественной емкости, а микроволновый генератор соединен с игольчатым формирователем проводящего канала и снабжен средством для соединения микроволнового генератора с естественной емкостью.

В другом варианте устройства для передачи электрической энергии, содержащем источник электрической энергии повышенной частоты, передающий и приемный резонансные высокочастотные трансформаторы с резонансной частотой f₀, установленные у источника и приемника энергии, и проводящий канал между ними, два игольчатых формирователя проводящего канала электрически соединены друг с другом и установлены с двух противоположных сторон микроволнового генератора на расстоянии Δ=0,1-10 м от естественной емкости четвертьволновой линии таким образом, что один игольчатый формирователь направлен в сторону естественной емкости, а второй в сторону приемника нагрузки.

В другом варианте устройства для передачи электрической энергии, содержащем источник электрической энергии повышенной частоты, передающий и приемный резонансные высокочастотные трансформаторы с резонансной частотой f₀, установленные у источника и приемника энергии, и проводящий канал между ними, вокруг естественной емкости четвертьволновой линии установлены n микроволновых генераторов с игольчатыми формирователями проводящих каналов с устройствами электрического соединения с четвертьволновой линией и формирования проводящих каналов к n-приемникам излучения, n=1, 2, 3, ...к.

В другом варианте устройства для передачи электрической энергии, содержащем источник электрической энергии повышенной частоты, передающий и приемный резонансные высокочастотные трансформаторы с резонансной частотой f₀, установленные у источника и приемника энергии, и проводящий канал между ними, один из двух игольчатых формирователей канала снабжен устройством для перемещения вокруг естественной емкости четвертьволновой линии для передачи электрической энергии потребителю, который изменяет свое положение в пространстве.

В другом варианте устройства для передачи электрической энергии, содержащем источник электрической энергии повышенной частоты, передающий и приемный резонансные высокочастотные трансформаторы с резонансной частотой f₀, установленные у источника и приемника энергии, и проводящий канал между ними, передающий трансформатор имеет резонансную частоту f₀=1-1000 кГц и соединен с двумя четвертьволновыми линиями с резонансными частотами f₁=f₀=1-1000 кГц и f₂>>f₀, каждая из четвертьволновых линий выполнена из естественной емкости и спирального резонатора с длиной

для первой линии и длиной

для второй линии, где u₁ и u₂ - фазовая скорость перемещения электромагнитной волны вдоль оси первого и второго спирального резонатора, естественная емкость второй линии снабжена двумя игольчатыми формирователями проводящего канала, один из которых направлен на естественную емкость первой линии, а второй формирователь ориентирован на приемник нагрузки, обе четвертьволновые линии получают питание от передающего резонансного высокочастотного трансформатора.

В другом варианте устройства для передачи электрической энергии, содержащем источник электрической энергии повышенной частоты, передающий и приемный резонансные высокочастотные трансформаторы с резонансной частотой f₀, установленные у источника и n приемников энергии, и n проводящих каналов между ними, передающий трансформатор имеет резонансную частоту 1-1000 кГц и соединен с основной четвертьволновой линией с резонансной частотой f₀=1-1000 кГц, которая состоит из естественной емкости на конце линии и спирального резонатора в начале линии длиной

,

где u₀ - фазовая скорость движения электромагнитной волны вдоль оси спирального резонатора, устройство содержит n дополнительных четвертьволновых линий, каждая из которых содержит спиральный резонатор с резонансной частотой f>>f₀ и естественную емкость, соединенную с двумя игольчатыми формирователями каналов, один с ориентацией на емкость основной четвертьволновой линии, а второй с ориентацией на один из n приемников нагрузки, все дополнительные четвертьволновые линии соединены с передающим резонансным высокочастотным трансформатором основной четвертьволновой линии.

Для увеличения передаваемой мощности в устройстве для передачи электрической энергии часть из n дополнительных четвертьволновых линий соединена с собственным высокочастотным резонансным трансформатором.

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

На фиг.1 схема способа и устройства для передачи электрической энергии с использованием микроволнового генератора для создания проводящего канала.

На фиг.2 схема способа и устройства для передачи электрической энергии с использованием микроволнового генератора и игольчатого формирователя канала для создания проводящего канала между естественной емкостью четвертьволновой линии и приемником нагрузки.

На фиг.3 конструкция устройства четвертьволновой линии в изолирующем корпусе и микроволнового генератора, возбуждаемого электрическим полем тороидальной емкости.

На фиг.4 схема устройства для передачи электрической энергии с использованием двух резонансных четвертьволновых линий для усиления потенциала и создания проводящего канала от генератора к приемнику.

На фиг.5 конструкция устройства для передачи электрической энергии с использованием двух резонансных четвертьволновых линий для усиления потенциала и создания проводящего канала от генератора к приемнику.

На фиг.1 между сферической емкостью 6 и игольчатым формирователем канала 7 установлен генератор микроволнового излучения 17, который установлен на шарнире 18, выполняющем функции воздушного конденсатора с зазором δ=0,1-1 м относительно сферической емкости 6 с возможностью поворота относительно центра сферы 6 для ориентации относительно приемника 9 нагрузки.

На фиг.2 генератор микроволнового излучения 17 имеет игольчатый формирователь канала 7 со стороны проводящего канала 8 и электрод 19 со стороны сферической емкости 6 для передачи электрической энергии от емкости 6 через формирователь канала 7 на проводящий канал 8. Зазор Δ между сферической емкостью 6 и электродом 19 составляет 1-10 м.

На фиг.3 спиральный резонатор 5 и сферическая емкость 6 размещены в корпусе 20 из изолирующего материала, заполненном элегазом под давлением. Спиральный резонатор 5 выполнен в виде однослойного спирального проводника 21, намотанного на каркасе 22 из изолирующего материала. На фиг.3 показаны размеры резонатора, диаметр D и длина l, а также распределение напряжения V и тока I вдоль резонатора. Формирователь 7 и 19 проводящего канала 8 установлены в одном корпусе с генератором 17 микроволнового излучения, который начинает работать при напряженности электрического поля 10 кВ/м и получает энергию для работы от электрического поля сферической емкости 6. Между электродом 19 формирователя проводящего канала 7 и сферической емкостью 6 установлено устройство 23, которое соединяет сферическую емкость 6 и электрод 19 при наличии потенциала на сферической емкости 6 и инициировании проводящего канала 8 в результате начала работы генератора микроволнового излучения 17. Электрическая энергия по проводящему каналу поступает на приемник 9 и затем через понижающий трансформатор 12 на преобразователь 4, на нагрузку 16 (на фиг.3 не показаны) аналогично фиг.1 и 2.

На фиг.4 электрический генератор высокой частоты 24 присоединен к последовательному резонансному контуру, образованному емкостью 25 и низковольтной обмоткой 26 высокочастотного резонансного повышающего трансформатора 27. Одна вторичная обмотка 28 трансформатора 27 присоединена к четвертьволновой линии, состоящей из спирального резонатора 31 с резонансной частотой f₀ и сферической емкости 32. Вторая вторичная обмотка 29 трансформатора 27 подключена к другой четвертьволновой линии, состоящей из спирального резонатора 33 повышенной резонансной частоты f₁>>f₀ и сферической емкости 34. Сферические емкости 32 и 34 имеют игольчатые формирователи канала 35 и 36, ориентированные по одной оси по направлению к приемнику 9 нагрузки 16. Свободные концы вторичных обмоток 28 и 29 и первичная обмотка 26 в целях электробезопасности подключены к земле 30 и естественной емкости.

На фиг.5 электрический генератор высокой частоты 24 через резонансный высокочастотный трансформатор 27 присоединен к четвертьволновой линии, состоящей из спирального резонатора 37 и тороидальной емкости 40. Спиральный резонатор 37 выполнен в виде однослойной обмотки на изолирующем каркасе 38 и помещен в герметичный корпус 39, заполненный элегазом.

Электрический генератор 41 высокой частоты через емкость 42 присоединен к высоковольтной обмотке 43 высокочастотного резонансного трансформатора 44. Потенциальный вывод 45 высоковольтной обмотки 46 присоединен к другой четвертьволновой линии, состоящей из спирального резонатора 47 и тороидальной емкости 48, установленной осесимметрично к тороидальной емкости 40. Спиральный резонатор имеет каркас 49 из изолирующего материала и помещен в герметичный корпус 50, заполненный изолирующим газом под давлением, например элегазом.

Тороидальные емкости 40 и 48 содержат трубчатый каналообразователь 57, установленный по оси симметрии тороидальных емкостей 40 и 48 и герметично соединенный со стенками корпусов 39 и 50. На выходе из корпуса 50 трубчатый каналообразователь соединен с игольчатым каналообразователем 7 для образования проводящего канала 16. Генератор 41 имеет ключ 52 для подачи питания на высокочастотный резонансный трансформатор 44. Четвертьволновая линия с резонатором 47 имеет резонансную частоту f, значительно превышающую резонансную частоту f₀, f>>f₀, где f₀ - резонансная частота четвертьволновой линии с резонатором 37.

Устройство для передачи электрической энергии работает следующим образом. Трехфазный источник энергии (фиг.1, 2, 3) передает электрическую энергию на преобразователь частоты 2. Преобразователь частоты 2 создает электромагнитные колебания в контуре из индуктивности и двух конденсаторов общей емкостью С₁ с частотой

Электромагнитные колебания с частотой f повышают по напряжению в высокочастотном трансформаторе 4 и усиливают по напряжению в четвертьволновой резонансной линии, состоящей из спирального резонатора 5 и сферической емкости 6, накапливают электрическую энергию при напряжении 0,5-100 миллионов вольт в сферической емкости. Резонансная частота четвертьволновой линии f₀=1-1000 кГц совпадает с частотой f₀ контура с индуктивностью L₁ и суммарной емкостью С₁. Усиление электромагнитных колебаний получают путем синхронизации поступления электромагнитных колебаний на вход спирального резонатора 5 с периодом времени Т₀ движения волны напряжения вдоль спирального резонатора 5 до сферической емкости 6 и обратно.

,

где Н - длина четвертьволнового резонатора 5, а u - скорость движения волны вдоль электромагнитного резонатора 5.

Проводящий канал 8 формируют с помощью микроволнового генератора 17, установленного с зазором δ от сферической емкости 6 (фиг.1). Микроволновый генератор 17 получает энергию с частотой f₀ от электрического поля сферической емкости 6 и излучает микроволновое излучение на частоте f₁>>f₀. Это излучение поступает на игольчатый формирователь 7 проводящего канала 8 и формирует проводящий канал 8. Передачу высокочастотной электрической энергии, накопленной в сферической емкости 6, на формирователь проводящего канала 7 осуществляют через воздушный конденсатор 18 с зазором δ и затем на приемный экран 9 вдоль проводящего канала 6 при частоте f₀=1-1000 кГц и напряжении V=0,5-100 миллионов вольт. С приемного экрана 9 электрическую энергию подают через понижающий высокочастотный трансформатор 12, инвертор 15 на нагрузку 16. Настройку приемника на резонансную частоту f₀ осуществляют с помощью высоковольтного резонансного контура, состоящего из индуктивности высоковольтной обмотки 10 трансформатора 12 и сферической емкости 11, а также низковольтного резонансного контура, состоящего из низковольтной обмотки 13 трансформатора 12 и емкости 14.

Шарнирное исполнение сферического конденсатора 18 позволяет изменять положение игольчатого формирователя 7 канала относительно сферической емкости 6 и передавать электрическую энергию потребителям энергии, которые изменяют свое положение в пространстве.

На фиг.2 проводящий канал 8 формируют на частоте f₁>>f₀ с помощью микроволнового генератора 17 как в сторону приемного экрана 9, так и в сторону сферической емкости 16 через зазор 19 шириной Δ, что позволяет синхронизировать начало и длительность передачи электрической энергии через два воздушных промежутка 8 и 19.

На фиг.3 спиральный резонатор 5 и сферическая емкость 6 размещены в корпусе 20 из изолирующего материала, заполненного элегазом под давлением. Это позволяет уменьшить габариты D и l передающего устройства для передачи электрической энергии и использовать его как в стационарном, так и мобильном исполнении.

На фиг.4 электрическую энергию от высокочастотного генератора 24 преобразуют в электромагнитную энергию высокочастотных колебаний с частотой f₀ в резонансном контуре, состоящем из емкости 25 и индуктивности 26. Электромагнитную энергию повышают по напряжению в высокочастотном резонансном трансформаторе 27 и усиливают по напряжению в двух спиральных резонаторах 31 и 33. Резонансная частота резонатора 33 f₁ превышает резонансную частоту f₀ спирального резонатора 31. В отличие от фиг.1, 2, 3 питание микроволнового генератора 34 осуществляют от одной 29 из двух обмоток 28 и 29 высокочастотного трансформатора 27 и от специального резонатора 33 на повышенной частоте f₁>>f₀.

На фиг.5 спиральные резонаторы 37 и 47 получают электромагнитную энергию на резонансной частоте f и f₀, f>>f₀ от двух различных высокочастотных трансформаторов 27 и 44 и двух различных электрических генераторов высокой частоты 24 и 41. Резонаторы 37 и 47 с тороидальными емкостями 40 и 48 заключены в изолирующие корпуса 39 и 50 и заполнены элегазом. Такое исполнение позволяет снизить габариты устройства и увеличить напряжение и передаваемую мощность по проводящему каналу 16.

Особенностью спирального резонатора 5 является малая скорость распространения электромагнитной волны, которая в сотни раз меньше скорости распространения волны в свободном пространстве. Это облегчает конструирование четвертьволнового резонатора, так как в этом случае в сотни раз уменьшается длина обмотки и высота резонатора 5. Уменьшенные размеры резонатора 5 снижают потери на излучение даже при больших частотах.

Расчет параметров спирального резонатора проведем, используя современные представления о принципах функционирования и параметрах спирального проводника. Спиральная дополнительная обмотка является спиральным волноводом и электрическим резонатором и обладает двумя замечательными свойствами:

1. Она выполняет функции замедляющей системы, в которой фазовая скорость распространения электромагнитной волны вдоль оси значительно меньше, чем скорость распространения электромагнитной волны в свободном пространстве.

2. При малом шаге спирали электромагнитное поле фокусируется по оси спирального волновода.

Параметры спирального резонатора: диаметр дополнительной обмотки (L₃) D=1 м; высота Н=2,44 м; число витков N₃=95. Обмотка выполнена однослойной из медного провода диаметром 1,25 мм. Длина обмотки L₃=2πDN₃=597 м, расстояние между витками t=0,0125 м. Емкость сферического конденсатора С₃=250 пФ.

Расчет спирального резонатора производится по формулам четвертьволновой разомкнутой на конце линии.

Напряжение в линии представляет сумму подающей и отраженной волны, интерференция которых образует стоячие волны. Коэффициент распространения волны:

γ=α+iβ.

Коэффициент затухания α определяется потерями на сопротивлении в линии и диэлектрическими потерями в шунтовом сопротивлении.

Фазовая постоянная

.

Напряжение на выходе обмотки длиной /:

Коэффициент потерь

R₀ - сопротивление 1 погонного метра, Ом;

Z₀ - эффективное сопротивление спирального резонатора;

λ₀ - длина волны в свободном пространстве:

К_u - коэффициент снижения скорости распространения волны в спиральном резонаторе:

D - диаметр спирального резонатора;

t - расстояние между витками;

с - скорость света;

u - скорость распространения волны.

Подставляя в (4) D=1 м, t=0,0125 м, λ₀=3390 м, получим К_u=0,00713.

Эффективное сопротивление спирального резонатора

Подставляя в (5) К_u=0,00713, Н=2,44 м, D=1 м, получим Z₀=10755 Ом.

Коэффициент потерь

Н - высота спирального резонатора, м;

d_w - диаметр провода, м.

Подставляя в (6) Н=2,44 м, D=1 м, Z₀=94156 Ом, d_w=0,0125 м, f₁=88,5·10^-3 МГц, получим αI=0,005837 Н.

Подставляя в (1) αI=0,00445 Н, V_L2=3·10⁵ B, найдем предельное возможное напряжение на выходе спирального резонатора .

Практически достижимое напряжение V_H ограничено потерями в резонансном трансформаторе и четвертьволновой линии и может достигать 20-50 миллионов вольт.

Примеры выполнения способа и устройства передачи электрической энергии.

Пример 1.

На фиг.2 микроволновой генератор 17 при увеличении напряженности электрического поля до 1-100 кВ/м вокруг сферической емкости 6 начинает вырабатывать высоковольтные высокочастотные импульсы с частотой f₁, превышающей резонансную частоту четвертьволновой новой линии. На игольчатом формирователе 7 проводящего канала 8 возникает коронный разряд и формируется проводящий канал 8. При наличии двух игольчатых формирователей 7 и 19 формируется два проводящих канала, один в сторону сферической емкости 6, а второй канал 8 в сторону приемника 9 нагрузки 16. Резонансная частота четвертьволновой линии составляет 100 кГц, а частота микроволнового генератора 1 МГц. Когда длина проводящего канала 8 составит 50-90% от расстояния Δ между игольчатым формирователем канала 19 и сферической емкостью 6, возникает встречный проводящий канал от сферической емкости 6 к формирователю канала 19 и полный потенциал сферической емкости 6 поступает к микроволновому генератору 17 и затем в проводящий канал 8 между микроволновым генератором 17 и приемником 9 нагрузки. Существенное различие резонансной частоты четвертьволновой линии и микроволнового генератора 17 приводит к триггерному эффекту, при котором электрическая энергия, запасенная в сферической емкости 6, разряжается на проводящий канал 8 за очень короткое время Δt=10-100 мкс. При емкости сферического конденсатора 8 250 пФ, напряжении на емкости 6 V_мах=50·10⁶ В энергия Q₀ в импульсе составит:

заряд, накопленный на емкости 6:

q=C₃V_мах=250·10^-12·50·10⁶=1,25·10^-2 Кл.

Электрическая мощность при длительности импульса 10 мкс:

Пример 2.

На фиг.4 вместо генератора микроволнового излучения для создания проводящего канала 8 используют вторую дополнительную четвертьволновую линию, состоящую из электрического спирального резонатора 33 с повышенной резонансной частотой f₂>>f₀ и сферической емкости 34.

В отличие от фиг.2, в которой генератор микроволнового излучения 17 получает энергию от электрического поля сферического конденсатора 6, на фиг.4 спиральный резонатор 33 получает электрическую энергию от второй вторичной обмотки 29 резонансного трансформатора 27. Напряжение на вторичной обмотке 29 равно напряжению V⁰ _min. Число витков обмотки 29 равно 100, коэффициент трансформации n⁰ _т=5, напряжение на обмотке 29 V⁰ _min=n⁰ _TV_VL1=7,5·10³B.

Параметры спирального резонатора 33: диаметр D₂=0,5 м, Н₂=1 м; число витков N₂=300f₂=250 кГц, λ₀=1200 м, α_w=1,25 мм, t=1,25 мм, С₃=5 пФ. Используя формулы 1-6, получим:

K⁰ _u=0,0276, Z⁰ ₀=23466 Ом, αl⁰=0,00153

Максимальное напряжение на сферической емкости 34

Поскольку частота дополнительной четвертьволновой линии в 2,82 раза выше частоты основного резонатора 31 (фиг.4), взаимодействие этих двух резонаторов 31 и 33 через игольчатые формирователи каналов 35 и 36 приведет к сбросу электрической энергии, накопленной на емкости 32, в проводящий канал 8 и передаче электрической энергии к приемнику 9 и затем нагрузке 16.

Изобретение относится к электротехнике, к передаче электрической энергии. Технический результат состоит в повышении эффективности и снижении потерь, а также обеспечении возможности передачи электрической энергии в вакууме за пределами земной атмосферы между космическими аппаратами или планетами, а также с Земли на космические тела и обратно из космического пространства на Землю, а также из одного пункта Земли на другой пункт Земли через атмосферу и космическое пространство без использования таких дополнительных устройств, как ускорители релятивистских пучков электронов и лазеров. Способ передачи электрической энергии включает генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии. Высокочастотные электромагнитные колебания генерируют в высокочастотном резонансном трансформаторе, усиливают по напряжению до 0,5-100 миллионов вольт в четвертьволновой резонансной линии, состоящей из спирального резонатора и естественной емкости на конце линии путем подачи на вход спирального резонатора электромагнитных колебаний от высокочастотного резонансного трансформатора с частотой f₀=1-1000 кГц, синхронизированной с периодом времени Т₀ движения волны напряжения от входа спирального резонатора до естественной емкости и возврата отраженной волны по входу в спиральный резонатор

,

где Н - длина четвертьволновой линии, u - скорость движения электромагнитной волны вдоль оси резонатора. Накапливают электрическую энергию в естественной емкости. Проводящий канал формируют путем эмиссии стриммеров с конца игольчатого формирователя проводящего канала на резонансной частоте f₀=1-1000 кГц при напряжении V=0,5-100 миллионов вольт путем соединения естественной емкости четвертьволновой линии с игольчатым проводящим формирователем канала. В устройстве передачи электрической энергии в непосредственной близости от естественной емкости установлен микроволновый генератор с частотой f>>f₀ без источника питания с возбуждением от электрического поля естественной емкости, соединенный с игольчатым формирователем проводящего канала. 9 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ передачи электрической энергии, включающий генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии, отличающийся тем, что высокочастотные электромагнитные колебания, генерированные в высокочастотном резонансном трансформаторе, усиливают по напряжению до 0,5-100 млн В в четвертьволновой резонансной линии, состоящей из спирального резонатора и естественной емкости на конце линии, путем подачи на вход спирального резонатора электромагнитных колебаний от высокочастотного резонансного трансформатора с частотой f₀=1-1000 кГц, синхронизированной с периодом времени Т₀ движения волны напряжения от входа спирального резонатора до естественной емкости и возврата отраженной волны по входу в спиральный резонатор

где Н - длина четвертьволновой линии, u - скорость движения электромагнитной волны вдоль оси резонатора, накапливают электрическую энергию в естественной емкости, а проводящий канал формируют с помощью микроволнового излучения на частоте f₁>>f₀ от микроволнового генератора, соединенного с игольчатым проводящим формирователем канала, установленного в непосредственной близости от естественной емкости четвертьволновой линии и получающего энергию от электрического поля четвертьволновой линии, путем эмиссии стриммеров с конца игольчатого формирователя проводящего канала на резонансной частоте f₀=1-1000 кГц при напряжении V=0,5-100 млн В и соединения естественной емкости четвертьволновой линии с игольчатым проводящим формирователем канала.

14. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее источник электрической энергии повышенной частоты, передающий и приемный резонансные высокочастотные трансформаторы с резонансной частотой f₀, установленные у источника и приемника энергии, и проводящий канал между ними, отличающееся тем, что передающий трансформатор имеет резонансную частоту f₀=1-1000 кГц и соединен с двумя четвертьволновыми линиями с резонансными частотами f₁=f₀=1-1000 кГц и f₂>>f₀, каждая из четвертьволновых линий выполнена из естественной емкости и спирального резонатора с длиной для первой линии и длиной для второй линии, где u₁ и u₂ - фазовая скорость перемещения электромагнитной волны вдоль оси первого и второго спирального резонатора, естественная емкость второй линии снабжена двумя игольчатыми формирователями проводящего канала, один из которых направлен на естественную емкость первой линии, а второй формирователь ориентирован на приемник нагрузки, обе четвертьволновые линии получают питание от передающего резонансного высокочастотного трансформатора.

15. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее источник электрической энергии повышенной частоты, передающий и приемный резонансные высокочастотные трансформаторы с резонансной частотой, установленные у источника и n приемников энергии, и n проводящих каналов между ними, отличающееся тем, что передающий трансформатор имеет резонансную частоту 1-1000 кГц и соединен с основной четвертьволновой линией с резонансной частотой f₀=1-1000 кГц, которая состоит из естественной емкости на конце линии и спирального резонатора в начале линии длиной где u₀ - фазовая скорость движения электромагнитной волны вдоль оси спирального резонатора, устройство содержит n дополнительных четвертьволновых линий, каждая из которых содержит спиральный резонатор с резонансной частотой f>>f₀ и естественную емкость, соединенную с двумя игольчатыми формирователями каналов, один с ориентацией на емкость основной четвертьволновой линии, а второй с ориентацией на один из n приемников нагрузки, все дополнительные четвертьволновые линии соединены с передающим резонансным высокочастотным трансформатором основной четвертьволновой линии.