ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2010 года по МПК H03H7/32 H02N11/00 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к устройствам, преобразующим внешние электромагнитные излучения в электрический ток с целью получения электрической энергии.

Известен индуктивно-емкостный энергетический элемент [1], содержащий колебательный контур, в который входит индуктивная катушку и емкость в виде конденсатора, а также переключатель и источник постоянного тока - батарея.

После зарядки конденсатора колебательного контура от батареи и подключения конденсатора с помощью переключателя к индуктивной катушке в колебательном контуре начинаются свободные электрические колебания, т.е. возникает переменный электрический ток, который может быть отдан в нагрузку.

Недостатком такого индуктивно-емкостного энергетического элемента является необходимость использования внутреннего искусственного источника тока, который значительно увеличивает габариты и массу индуктивно-емкостного энергетического элемента, а также вызывает необходимость периодических подзарядок конденсатора и замен отработавших свой срок эксплуатации источников постоянного тока.

Известна гетерогенная субстанция для воздействия на электромагнитные поля - гетероэлектрик [2], содержащая носитель и размещенное в указанном носителе активное начало, представляющее собой кластеры атомов, наночастицы или микрочастицы вещества (или веществ), отличного от вещества указанного носителя. Однако неизвестно применение таких гетерогенных субстанций в индуктивно-емкостных энергетических элементах.

Известен индуктивно-емкостный энергетический элемент - приемно-выпрямительная часть детекторного радиоприемника [3], выбранный в качестве прототипа, содержащий соединенный с антенной, с устройством заземления и замкнутый на выпрямитель колебательный контур, в который входит индуктивная катушка и емкость. В детекторном радиоприемнике емкость обычно выполняют в виде конденсатора, а выпрямитель с малой полосой пропускания выполняет здесь роль детектора электромагнитных колебаний.

При своей работе такой индуктивно-емкостный энергетический элемент не требует внутреннего источника электрического тока, однако его недостатками являются значительные габариты и масса, связанные с необходимостью использования для приема электромагнитного излучения антенны и заземляющего устройства. К тому же такой индуктивно-емкостный энергетический элемент может работать только в зоне действия передающей радиостанции и принимать электромагнитные излучения только сравнительно низких радиочастот. Т.е. для его работы также необходимо производить электроэнергию, но уже внешним искусственным источником и, кроме этого, передавать ее на расстояние, что является весьма малоэффективным и энергозатратным. Кроме того, такой индуктивно-емкостный энергетический элемент не может работать на летательных аппаратах из-за необходимости обеспечения заземления.

В то же время известно, что у внешних естественных источников "свободных" электромагнитных излучений, таких как тепловое излучение Земли, солнечное излучение, реликтовое космическое излучение, а также фоновые Земные и космические радиационные излучения, собственные частоты колебаний располагаются выше диапазона радиочастот. Известно также, что такие электромагнитные излучения могут восприниматься индуктивно-емкостным колебательным контуром соответствующих микро- или наноразмеров, однако трудности вызывает необходимость выпрямления получаемого переменного тока крайне высокой частоты.

Задачей изобретения является обеспечение возможности заявляемым индуктивно-емкостным энергетическим элементом воспринимать и локально преобразовывать энергию внешних "свободных" электромагнитных излучений с частотами, лежащими выше диапазона радиочастот, в электромагнитные излучения более низкой частоты, а затем воспринимать это получаемое электромагнитное излучение более низкой частоты колебательным контуром с последующим выпрямлением наводимого в нем переменного тока в постоянный при отсутствии внешней антенны и заземляющего устройства.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей индуктивно-емкостного энергетического элемента при уменьшении его габаритов, в частности обеспечение возможности работы на летательных аппаратах.

Технический результат достигается тем, что в известном индуктивно-емкостном энергетическом элементе, содержащем замкнутый на выпрямитель колебательный контур, в который входит индуктивная катушка и емкость, в отличие от прототипа колебательный контур помещен в центральный слой гетерогенной субстанции, по внешней поверхности которого парно противоположно установлено четное количество других, отличных от центрального слоя и друг от друга слоев гетерогенных субстанций, при этом все слои гетерогенных субстанций являются проницаемыми для электромагнитного излучения, а между центральным слоем гетерогенной субстанции и другими слоями гетерогенных субстанций помещены поляризующие прослойки, причем у поляризующих прослоек, помещенных между центральным слоем гетерогенной субстанции и слоями гетерогенных субстанций, парно противоположно размещенных относительно центрального слоя гетерогенной субстанции, плоскости поляризации совпадают, а толщина центрального и других слоев гетерогенных субстанций равна или больше удвоенной длины волны электромагнитного излучения при плазменном резонансе содержащихся в нем металлических частиц.

При такой конфигурации заявляемого индуктивно-емкостного энергетического элемента каждый из парно противоположно установленных слоев отличных друг от друга проницаемых для электромагнитного излучения гетерогенных субстанций воспринимает внешнее(ние) электромагнитное(ные) излучение(ния) с частотой(тами), лежащей(щими) выше диапазона радиочастот, и локально усиливает их каждый на своей частоте благодаря плазменным резонансам активных начал в носителях этих гетерогенных субстанций.

При этом благодаря близким значениям расстояний между активными началами в этих слоях гетерогенных субстанций, частоты локально усиливаемых электромагнитных излучений оказываются близкими. Возникающие в противоположно размещенных слоях электромагнитные излучения с близкими частотами через поляризующие прослойки, плоскости поляризации которых совпадают, благодаря малой толщине этих слоев проникают в центральный слой, где в плоскостях поляризации благодаря явлению "биений" [4] возникает электромагнитное излучение разностной частоты, которое на этой частоте усиливается благодаря уже плазменному резонансу активного начала в носителе гетерогенной субстанции центрального слоя за счет создания соответствующего расстояния между частицами его активного начала. Если параметры колебательного контура выбраны так, что он настроен на частоту биений, то в нем наводится переменный ток разностной частоты (меньшей частоты исходного воспринимаемого электромагнитного излучения), который усиливается благодаря явлению резонанса, а затем выпрямляется выпрямителем. Причем чем меньше отличие в расстояниях между активными началами в носителях парно противоположно размещенных слоев, тем ближе частоты локально усиливаемых и направляемых ими в центральный слой электромагнитных излучений, тем ниже разностная частота электромагнитного излучения, возникающего в центральном слое, и тем легче подвергнуть наводимый от этого электромагнитного излучения разностной частоты в колебательном контуре переменный ток выпрямлению выпрямителем. Таким образом, частота исходного сигнала в заявленном устройстве понижается. Для восприятия таким индуктивно-емкостным энергетическим элементом "свободной" энергии внешних электромагнитных излучений с собственными частотами, располагаемыми выше диапазона радиочастот, и преобразования их в электрический ток не требуется применение антенны и заземляющего устройства. Их роль здесь выполняет катушка колебательного контура, представляющая собой либо спиральную, либо рамочную антенну, улавливающую электромагнитное излучение, возникающее практически внутри нее, что существенно уменьшает габариты устройства и позволяет ему работать на летательных аппаратах.

Эти свойства существенно расширяют возможности индуктивно-емкостного энергетического элемента по преобразованию энергии внешних "свободных" электромагнитных излучений в электрический ток, что может найти широкое применение в различных устройствах с большими ресурсами и периодами эксплуатации, крайне актуальных для применения на космических зондах, спутниках, орбитальных станциях, космических транспортных средствах межпланетного сообщения и планетоходах, а также в энергетике, в частности для энергообеспечения подвижных или стационарных объектов.

Таким образом, совокупность всех указанных существенных признаков заявляемого индуктивно-емкостного энергетического элемента позволяет ему воспринимать и локально преобразовывать энергию внешних "свободных" электромагнитных излучений с частотами, лежащими выше диапазона радиочастот, в электромагнитные излучения более низкой частоты, а затем воспринимать это получаемое электромагнитное излучение более низкой частоты колебательным контуром с последующим выпрямлением наводимого в нем знакопеременного тока в знакопостоянный при отсутствии внешней антенны и заземляющего устройства.

Осуществление заявленного технического решения поясняется с помощью схем, представленных на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.

На фиг.1 приведена конструкционная схема, показывающая общий вид варианта индуктивно-емкостного энергетического элемента с колебательным контуром, включающим цилиндрическую индуктивную катушку, в разрезе по оси цилиндрической катушки.

На фиг.2 приведена конструкционная схема, показывающая общий вид варианта индуктивно-емкостного энергетического элемента с колебательным контуром, выполненным в виде плоской спиральной индуктивной катушки.

На фиг.3 приведена конструкционная схема, показывающая вариант индуктивно-емкостного энергетического элемента с колебательным контуром, выполненным в виде плоской спиральной индуктивной катушки, в разрезе по плоскости спиральной катушки, перпендикулярно ее оси.

Индуктивно-емкостный энергетический элемент содержит колебательный контур 1, замкнутый на выпрямитель 2, при этом колебательный контур 1 состоит из индуктивной катушки 3 и емкости 4.

Колебательный контур 1 помещен в центральный слой 5 гетерогенной субстанции, по внешней поверхности которого парно противоположно установлено четное количество других, отличных от центрального слоя и друг от друга слоев 6 гетерогенных субстанций, при этом все слои (5 и 6) гетерогенных субстанций являются проницаемыми для электромагнитного излучения. Центральный слой 5 гетерогенной субстанции и другие слои 6 гетерогенных субстанций, проницаемых для электромагнитного излучения гетерогенных субстанций, содержат свои носители 8 и активные начала 7. Между центральным слоем 5 гетерогенной субстанции и другими слоями 6 гетерогенных субстанций помещены поляризующие прослойки 9, причем у поляризующих прослоек 9, помещенных между центральным слоем 5 гетерогенной субстанции и слоями 6 гетерогенных субстанций, парно противоположно размещенных относительно центрального слоя 5 гетерогенной субстанции, плоскости поляризации совпадают. Поляризующие прослойки 9 могут быть выполнены из природного (например, исландский шпат) или искусственного поляризующего материала, а также представлять собой микро- или нанорешетки. Индуктивная катушка 3 колебательного контура 1 может выполняться как в виде цилиндрической спирали, как это показано на фиг.1, так и в виде плоской спирали, как это показано на фиг.2 и фиг.3. Емкость 4 может быть выполнена в виде одного или более конденсаторов, или его роль может выполнять межвитковая емкость индуктивной катушки 3. В зависимости от конкретной задачи по восприятию и преобразованию внешнего электромагнитного(ных) излучения(ний) в качестве носителей 8 гетерогенных субстанций слоев 5 и 6 могут быть применены слои диэлектриков (например, стекла или прозрачного полимера), а также полупроводников, сегнетоэлектриков [2], люминофоров, в том числе с антистоксовой люминесценцией, сцинтилляторов, кристаллофосфоров и т.д. В качестве активного начала 7 центрального 5 и других слоев 6 гетерогенных субстанций могут быть применены металлические микрочастицы или наночастицы (например, серебряные) [2].

Работа индуктивно-емкостного энергетического элемента, приведенного на фиг.1, фиг.2 и фиг.3, осуществляется следующим образом.

При воздействии внешнего(них) электромагнитного(ных) излучения(ний) с частотой(тами), лежащей(щими) выше диапазона радиочастот, на индуктивно-емкостный энергетический элемент его парно противоположно размещенные слои 6 из отличных друг от друга проницаемых для электромагнитного излучения гетерогенных субстанций воспринимают это(и) внешнее(ние) электромагнитное(ные) излучение(ния) и локально усиливают их каждый на своей частоте благодаря плазменным резонансам активных начал 7 в носителях 8 этих проницаемых для электромагнитного излучения гетерогенных субстанций. Когерентное взаимодействие частиц 7 (наночастиц или микрочастиц) через ближнее поле, возникающее в таких гетерогенных субстанциях, если среднее расстояние между частицами 7 меньше или порядка корня кубического из их поляризуемости, приводит к существенному (в десятки и сотни раз) возрастанию ее диэлектрической функции по сравнению с диэлектрическими функциями материалов частиц 7 и носителя 8 [2]. Это позволяет таким гетерогенным субстанциям более активно воздействовать на электромагнитные излучения, в частности локально усиливать их. При этом благодаря близким значениям расстояний между активными началами 7 в носителях 8 противоположно размещенных слоев 6 проницаемых для электромагнитного излучения гетерогенных субстанций, частоты локально усиливаемых ими электромагнитных излучений оказываются близкими. Кроме этого, некоторые материалы носителей 8 могут сами по себе преобразовывать частоту внешнего воспринимаемого электромагнитного излучения как в сторону его повышения (люминофоры с антистоксовой люминесценцией), так и в сторону понижения (сцинтилляторы, кристаллофосфоры и т.п.). Возникающие в противоположно размещенных слоях 6 электромагнитные излучения с близкими частотами благодаря малой толщине этих слоев через поляризующие прослойки 9, плоскости которых совпадают, проникают в центральный слой 5, где в этих плоскостях поляризации благодаря явлению "биений" [4] возникает электромагнитное излучение разностной (существенно более низкой) частоты, которое также усиливается благодаря плазменному резонансу активного начала 7 в носителе 8 гетерогенной субстанции центрального слоя 5. Если параметры колебательного контура 1 выбраны так, что он настроен на частоту биений, то в нем наводится переменный ток разностной частоты (меньшей частоты исходного воспринимаемого электромагнитного излучения), который усиливается благодаря явлению резонанса, а затем выпрямляется выпрямителем 2. Чем меньше отличие в расстояниях между активными началами 7 в носителях 8 противоположно размещенных слоев 6, тем ближе частоты локально усиливаемых и направляемых ими в центральный слой 5 электромагнитных излучений, тем ниже разностная частота электромагнитного излучения, возникающего в центральном слое 5 и тем легче подвергнуть наводимый от этого электромагнитного излучения разностной частоты в колебательном контуре 1 переменный ток выпрямлению выпрямителем 2. Таким образом, частота результирующего сигнала, воспринимаемого колебательным контуром 1 индуктивно-емкостного энергетического элемента, существенно понижается по сравнению с исходным сигналом.

Для восприятия таким индуктивно-емкостным энергетическим элементом "свободной" энергий внешних электромагнитных излучений с частотами, располагаемыми выше диапазона радиочастот, и преобразования их в электрический ток не требуется применение антенны и заземляющего устройства, поскольку их роль здесь выполняет индуктивная катушка 3 колебательного контура 1, представляющая собой либо спиральную, либо рамочную антенну, которая улавливает электромагнитное излучение, возникающее практически внутри нее, что существенно уменьшает габариты и массу устройства и позволяет ему работать на летательных аппаратах. Наиболее эффективный процесс восприятия разностной частоты электромагнитного излучения, возникающего внутри индуктивной катушки 3, может быть обеспечен путем вариации конструкционных параметров колебательного контура 1, таких как число витков, толщина проводника и внешний диаметр индуктивной катушки 3, влияющих на индуктивность, а также межвитковое расстояние, влияющее на емкость, или применение в качестве емкости 4 одного или нескольких микро- или наноконденсаторов.

Для того, чтобы электромагнитное излучение с длиной волны, соответствующей частоте плазменного резонанса металлических частиц, гарантированно могло сформироваться в среде носителя каждого из слоев гетерогенных субстанций или произошло взаимодействие электромагнитных излучений в данном слое, необходимо, чтобы толщина каждого слоя гетерогенной субстанции была равна или больше удвоенной длины волны электромагнитного излучения, соответствующей частоте плазменного резонанса металлических частиц в носителе данного слоя гетерогенной субстанции.

Объединение таких индуктивно-емкостных энергетических элементов в батарею с последовательным, параллельным или комбинированным последовательно-параллельным соединением позволяет повысить или напряжение, или ток, вырабатываемый такой батареей, или то и другое вместе взятое, что позволяет создавать компактные микромодульные конструкции сравнительно небольшой массы, постоянно генерирующие электроэнергию.

Кроме этого, соединенные в батарею отдельные индуктивно-емкостные энергетические элементы могут быть выполнены таким образом, чтобы воспринимать электромагнитные излучения разных частотных диапазонов (например, инфракрасного, видимого светового и ультрафиолетового) от разных источников (например, солнце, планета нахождения, реликтовое космическое излучение, космическая радиация). Тогда интенсивность выработки электроэнергии такой батареей возрастает многократно.

Таким образом, заявленный индуктивно-емкостный энергетический элемент вырабатывает электрический ток, используя "свободную" энергию внешних источников электромагнитных излучений, без подпитки его каким либо внешним или внутренним искусственным источником электрической энергии. Это позволяет использовать его как в космической технике, так и в отраслях электроэнергетики и в быту.

Литература

1. Элементарный учебник физики/ Под редакцией академика Г.С.Ландсберга. Том III. М., Физматгиз, 1962. стр.62.

2. RU 2249277 С1.

3. Детекторный радиоприемник. Большая Советская Энциклопедия (В 30 томах)/ Гл. ред. А.М.Прохоров. Изд. 3-е. М., Сов. энциклопедия, 1972, Т 8, стр.145. - прототип.

4. Биения. Физическая энциклопедия/ Гл. ред. А.М.Прохоров. Ред. кол. Д.И.Алексеев, А.М.Балдин, А.М.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. М., Сов. Энциклопедия, 1988. Т I, стр.201.

Изобретение относится к электротехнике, к устройствам, преобразующим внешние электромагнитные излучения с целью получения электрической энергии. Индуктивно-емкостный энергетический элемент содержит колебательный контур, включающий индуктивную катушку и емкость. Колебательный контур замкнут на выпрямительный каскад и помещен в центральный слой гетерогенной субстанции. По внешней поверхности центрального слоя парно противоположно установлено четное количество других, отличных от центрального слоя и друг от друга слоев гетерогенных субстанций. Все слои гетерогенных субстанций являются проницаемыми для электромагнитного излучения. Между центральным слоем гетерогенной субстанции и другими слоями гетерогенных субстанций помещены поляризующие прослойки, причем у поляризующих прослоек, помещенных между центральным слоем гетерогенной субстанции и слоями гетерогенных субстанций, парно противоположно размещенных относительно центрального слоя гетерогенной субстанции, плоскости поляризации совпадают. Толщина центрального и других слоев гетерогенных субстанций равна или больше удвоенной длины волны электромагнитного излучения при плазменном резонансе содержащихся в нем металлических частиц. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей при уменьшении габаритов и массы, в частности обеспечение возможности работы на летательных аппаратах. 3 ил.

Индуктивно-емкостный энергетический элемент, содержащий замкнутый на выпрямитель колебательный контур, в который входят индуктивная катушка и емкость, отличающийся тем, что колебательный контур помещен в центральный слой гетерогенной субстанции, по внешней поверхности которого парно противоположно установлено четное количество других, отличных от центрального слоя и друг от друга слоев гетерогенных субстанций, при этом все слои гетерогенных субстанций являются проницаемыми для электромагнитного излучения, а между центральным слоем гетерогенной субстанции и другими слоями гетерогенных субстанций помещены поляризующие прослойки, причем у поляризующих прослоек, помещенных между центральным слоем гетерогенной субстанции и слоями гетерогенных субстанций, парно противоположно размещенных относительно центрального слоя гетерогенной субстанции, плоскости поляризации совпадают, а толщина центрального и других слоев гетерогенных субстанций равна или больше удвоенной длины волны электромагнитного излучения при плазменном резонансе содержащихся в нем металлических частиц.