СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСПРОВОДНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ УДАЛЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПО ЛАЗЕРНОМУ ЛУЧУ Российский патент 2015 года по МПК H02J17/00 

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

Известен способ электропитания /1÷2/ электротехнических устройств с использованием генератора переменного напряжения, подключаемого к потребителю, отличающийся тем, что напряжение генератора подают на низковольтную обмотку высокочастотного трансформаторного преобразователя, а один из выводов высоковольтной обмотки соединяют с одной из входных клемм электротехнического устройства, при этом изменением частоты генератора добиваются установления резонансных колебаний в образованной электрической цепи.

Устройство, реализующее данный способ, представляет собой источник переменного напряжения, преобразователь частоты и, высокочастотный трансформатор, один вывод высоковольтной секции которого изолирован или заземлен, а второй предназначен для подачи высоковольтной энергии потребителю /3÷6/.

В известном способе /1÷2/ и устройстве /3÷6/ используют однопроводную систему передачи энергии потребителю. В данном способе питания электротехнических устройств отсутствует выделение тепла в проводнике, подводящем электрическую энергию, что обуславливает возможность использовать проводники малого поперечного сечения без потери электроэнергии на их нагрев.

Недостатком известного способа и устройства является необходимость использования для передачи энергии опор, изоляторов, провода или кабеля, что увеличивает стоимость передачи электроэнергии.

Другим недостатком является невозможность прямого использования известного способа и устройства для непосредственного питания движущихся электрических транспортных средств (автомобилей, тракторов, самолетов, ракет, кораблей, дирижаблей) из-за жесткой связки их приемного и передающего трактов проводной линией связи.

Известен способ и устройство для беспроводного электропитания удаленных потребителей электрической энергии по лазерному лучу /7/, в том числе для непосредственного питания стационарных и мобильных электрических транспортных средств: автомобилей, тракторов, самолетов, ракет, кораблей, дирижаблей и т.д.

Известный способ и устройство для беспроводного электропитания удаленных потребителей энергии по лазерному лучу основаны на оптическом соединении высоковольтного источника Тесла с потребителем электрической энергии путем направления (наведения) лазерного луча на потребителя электрической энергии, фотоионизации атмосферы на пути распространения лазерного луча путем увеличения (после установления факта наведения) энергии лазерного излучения до энергии фотоионизации составляющих атмосферного воздуха в лазерном луче и после образования в лазерном луче токопроводящего канала - резонансной передаче по нему электрической энергии напряжением десятки - сотни киловольт с использованием резонансного трансформатора Тесла.

При этом проводящий канал формируют непрерывным лазерным излучением или с помощью генератора излучения в импульсном режиме с синхронной подачей на проводящий канал электрических импульсов от высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла. В качестве источника лазерного излучения предлагается использовать инфракрасный CO₂-лазер с длиной волны 10,6 мкм мощностью 1 кВт, неодимовый лазер с удвоением частоты с длиной волны 0,53 мкм и электрической мощностью 0,5 кВт, генератор рентгеновского и другого излучения, генератор аэрозолей и другие устройства, создающие повышенную проводимость канала по оси пучка излучения.

Недостатком известного способа и устройства /7/, выбранного в качестве прототипа, является повышенные потери электрической энергии на формирование токопроводящего канала, приводящие к снижению коэффициента полезного действия (КПД) электропитания удаленных потребителей электроэнергии.

Это связано с тем, что длина волны 10,6 мкм инфракрасного CO₂-лазера с мощностью 1 кВт и длина волны 0,53 мкм неодимового лазера, используемые преимущественно в радиолокации и оптической связи /8÷11/, выбраны из условия попадания в окна прозрачности атмосферы. При этом с помощью указанных лазеров эффект электрической ионизации воздушной среды (см. в /8, 10, 14/ «световой пробой») возможен в ограниченном объеме (в точке фокусировки) только путем создания высокой (10⁹ Вт/см²) плотности мощности электромагнитного излучения (ЭМИ) и его электрического поля в точке фокусировки (E_пр≈30 кВ/см).

При этом за счет «светового пробоя», приводящего к сплошной ионизации практически всех составляющих частиц атмосферного воздуха в приземных слоях атмосферы /12÷16/, в точке фокуса создается плазма с плотностью ( $$n_2^{уд}\approx {10}^{19}÷{10}^{21}с{м}^{-3}$$ ). Такая плотность плазмы блокирует /15÷18/ дальнейшее распространение лазерного излучения с частотами, ниже частоты рентгеновского излучения, и препятствует образованию токопроводящего канала в атмосфере достаточной длинны для электропитания удаленных потребителей электричества.

Использование рентгеновского лазера /7/ для создания токопроводящего канала в атмосфере также проблематично из-за его высокой ионизирующей способности и быстрого расхода энергии Е_И на создание протяженных каналов с плотностью плазмы $$n_2^{уд}\approx {10}^{19}÷{10}^{21}с{м}^{-3}$$ . Учитывая малую /19, 24/ длину свободного пробега рентгеновского излучения в атмосфере - единицы ÷ десятки м, а также низкий /8, 15/ КПД (≤1%) преобразования электрической энергии в электромагнитную в рентгеновском диапазоне ЭМИ, использование рентгеновского лазера /7/ для передачи электрической энергии в линиях Тесла также проблематично.

Минимальное значение энергии E_и, требуемой для реализации способа и устройства по прототипу, в первом приближении может быть найдено /8, 14, 17, 18/ из выражения $$E_{и}=\left(h\cdot \nu \right)\cdot n_2^{уд}\cdot \left(\pi r^2\cdot D\right)$$ , где: (h·ν) - энергия кванта излучения с частотой ν, необходимая для ионизации одной частицы атмосферного воздуха; h=6.62517·10^-34 Дж·сек - постоянная Планка; плотность частиц $$n_2^{уд}\approx {10}^{19}÷{10}^{21}с{м}^{-3}$$ , ионизируемая при «световом пробое» атмосферы длинноволновым ЭМИ и фотоионизации рентгеновским ЭМИ; (π·r²·D) - объем токопроводящего канала; r, D - средний радиус и длина токопроводящего канала, создаваемого лазерным излучением и требуемого для электропитания удаленных потребителей.

Так, для лучших условий прототипа (D=1 км=10⁵ см, радиус 0,5 см) требуемая энергия (E_и) ЭМИ для создания токопроводящего канала со сплошной ионизацией атмосферных частиц в приземном слое атмосферы и с временем существования (релаксации) плазмы в созданном канале доли ÷ единицы сек составляет

E_и=6.62517·10^-34 Дж·сек×1.5·10¹⁶ Гц×10¹⁹ см^-3×3.14·(0.25)см²×10⁵ см=7.8·10⁶ Дж=7.8 МДж.

С учетом КПД лазера (1÷10) % требуемая энергия в импульсе для создания токопроводящего будет составлять (78÷780) МДж.

При частоте следования лазерных импульсов 1 Гц (T=1 имп/с) средняя мощность электрической энергии для электропитания лазера и поддержания канала передачи энергии в токопроводящем состоянии будет составлять P_ср=(28÷280)·10⁹ кВт·час.

Вклад высоковольтного напряжения в ионизацию токопроводящих каналов в прототипе несущественен. Это связано с тем, что при рентгеновской фотоионизации и «световом пробое» (нерациональным по частоте излучением) происходит полная ионизация частиц в атмосферном канале и больше ионизировать нечего. Единственно высоковольтная ионизация будет сглаживать флуктуацию плазмы в период между лазерными импульсами.

Учитывая, что в прототипе /2/ средняя мощность электрической энергии, передаваемой по лазерному лучу потребителю, составляет (30÷60) МВт·час, а затраты на передачу этой энергии по указанному лучу составляют P_ср=(28÷280)·10³ МВт·час, то КПД известного способа и устройства передачи энергии по лазерному лучу существенно меньше заявленного в /2/ КПД.

Задачей изобретения является повышение коэффициента передачи электрической энергии на удаленные потребители электрической энергии по лазерному лучу.

Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является снижение потерь электрической энергии на формирование токопроводящего канала в лазерном луче.

Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что способ беспроводного электропитания удаленных потребителей энергии по лазерному лучу, заключающийся в оптическом соединении высоковольтного источника Тесла с потребителем электрической энергии путем направления лазерного луча на потребителя электрической энергии, фотоионизации атмосферы на пути распространения лазерного луча путем увеличения энергии лазерного излучения до энергии фотоионизации составляющих атмосферного воздуха в лазерном луче и после образования в лазерном луче токопроводящего канала - резонансной передаче по нему электрической энергии напряжением десятки ÷ сотни киловольт с использованием резонансного трансформатора Тесла, согласно изобретению токопроводящий канал в атмосфере создают импульсным многочастотным лазерным излучением с периодом следования импульсов, большим времени релаксации плазмы в лазерном луче, разность соседних частот многочастотного лазерного излучения выбирают равной или кратной соответствующим частотам Фраунгоферовых линий поглощения электромагнитного излучения молекулами и/или атомами атмосферного воздуха, длительность лазерных импульсов выбирают не меньшей времени распространения потенциальной волны вдоль лазерного луча, а резонансную частоту передачи высоковольтного напряжения по токопроводящему каналу выбирают в диапазоне единицы ÷ десятки кГц и синхронизируют ее с частотой следования лазерных импульсов.

Формирование токопроводящего канала в лазерном луче импульсным многочастотным лазерным излучением с периодом следования импульсов, большим времени релаксации плазмы, и выбор разности соседних частот многочастотного лазерного излучения, равной или кратной соответствующим частотам Фраунгоферовых линий поглощения электромагнитного излучения молекулами и/или атомами атмосферного воздуха, выбор длительности лазерных импульсов, не меньшей времени распространения потенциальной волны вдоль лазерного луча, а также синхронизация резонансной частоты передачи высоковольтного напряжения по токопроводящему каналу с частотой следования лазерных импульсов позволяют снизить потери электрической энергии на создание токопроводящих каналов и на передачу по ним электрической энергии конечному потребителю за счет использования эффекта малоэнергетической резонансной фотоионизации атмосферы и за счет учета параметров атмосферы в приземных слоях атмосферы.

Устройство для беспроводного электропитания удаленных потребителей энергии по лазерному лучу, содержащее передающий и приемный модули электрической энергии, токосъемные электроды которых установлены соосно и соединены между собой лазерной линией резонансной передачи электрической энергии, содержащей не менее двух импульсных лазеров для ионизации атмосферы и создания токопроводящего воздушного канала между электродами передающего и приемного модулей, причем передающий модуль содержит повышающий резонансный трансформатор Тесла, а приемный модуль - понижающий резонансный трансформатор Тесла и/или диодно-конденсаторный блок, соединенные с соответствующими электродами передающего и приемного модулей, согласно изобретению лазерная линия резонансной передачи электрической энергии дополнительно содержит блок сведения лазерных лучей, блок сведения установлен соосно с токосъемным электродом передающего модуля или в непосредственной близости от него, токосъемные электроды передающего и приемного модуля выполнены тугоплавкими, лазеры разнесены по частоте на величину, соответствующую Фраунгоферовым линиям поглощения электромагнитного излучения молекулами и/или атомами атмосферного воздуха, лазеры выполнены с длительностью импульсов, не меньшей времени распространения потенциальной волны между электродами приемного и передающего модулей, период следования импульсов лазера выполнен не меньшим времени релаксации плазмы в ионизированном воздушном канале, резонансная частота передающего и приемного трансформаторов Тесла выполнена кратной частоте следования лазерных импульсов, а тугоплавкие электроды выполнены из вольфрама и/или графита.

Введение блока сведения лучей, установка его соосно с токосъемным электродом передающего модуля или в непосредственной близости от него, выполнение токосъемных электродов передающего и приемного модуля тугоплавкими, разнесение частот лазеров на величину, соответствующую Фраунгоферовым линиям поглощения электромагнитного излучения молекулами и/или атомами атмосферного воздуха, выполнение лазеров с длительностью импульсов, не меньшей времени распространения потенциальной волны между электродами приемного и передающего модулей, выбор периода следования импульсов лазера не меньшим времени релаксации плазмы в ионизированном воздушном канале, выбор резонансных частот передающего и приемного трансформаторов Тесла кратным частоте следования лазерных импульсов и выбор рациональных параметров элементов устройства позволяют реализовать способ передачи электрической энергии по лазерному лучу с пониженными затратами энергии и, тем самым, повысить коэффициент передачи электрической энергии на удаленные потребители электрической энергии по лазерному лучу.

На чертеже представлена функциональная схема варианта устройства с двумя резонансными трансформаторами Тесла, поясняющая заявленный способ беспроводного электропитания удаленных потребителей электрической энергии по лазерному лучу.

Устройство, реализующее предложенный способ беспроводного электропитания удаленных стационарных потребителей энергии по лазерному лучу в простейшем случае содержит передающий 1 и приемный 2 модули электрической энергии, соединенные между собой лазерной линией 3 резонансной передачи электрической энергии. Линия 3 включает токосъемные электроды 4 и 5, установленные соосно на передающем 1 и приемном модуле 2 соответственно, и лазерный ионизатор 6 атмосферного воздуха, установленный на передающем модуле соосно с электродом 4. Токосъемные электроды 4 и 5 выполнены тугоплавкими из вольфрама и/или графита и соединены с высоковольтными шинами модулей 1 и 2. Электрод 4 выполнен кольцевой формы или в виде двух пластин, установленных с двух сторон от оптической оси ионизатора 6. Ионизатор 6 выполнен многочастотным, содержит как минимум два импульсных полупроводниковых /30/ лазера 7 и 8, блок 9 сведения лучей лазеров 7 и 8 и оптическую линзу 10, установленную соосно с токосъемным электродом 4. Линза 10 предназначена для коллимации пучка сведенных лучей лазеров 7 и 8 между электродами 4 и 5. Лазеры 7 и 8 выполнены полупроводниковыми /30/ соответственно с частотами ν₁ и ν₂ в полосе частот прозрачности атмосферы (уменьшенным поглощением лазерного излучения). Для снижения энергетических затрат на ионизацию атмосферного канала разность частот (Δν=ν₁-ν₂) лазеров выбрана равной или кратной частоте Фраунгоферовых линий /9÷11/ резонансного поглощения энергии биений E_б=h·Δν, где h=6.62517·10^-34 Дж·сек - постоянная Планка, составляющими атмосферы, например оксид углерода, имеющими достаточно малое ( $$n_1^{уд}\approx {10}^7÷{10}^8с{м}^{-3}$$ ) процентное содержание в атмосфере по сравнению с общим количеством частиц ( $$n_2^{уд}\approx {10}^{19}÷{10}^{21}с{м}^{-3}$$ ), содержащихся в 1 см³ в приземных слоях атмосферы /12÷13/. Избирательная (по выбору рациональных по плотности составляющих атмосферы) ионизация позволяет исключить блокирование передачи лазерных излучений с частотами ν₁ и ν₂ при 100% ионизации таких составляющих. При этом согласно /13, 21, 22, 25/ при плотности ( $$n_1^{уд}\approx {10}^7÷{10}^8с{м}^{-3}$$ ) зарядов в луче создаются условия /13/ для электрического пробоя с увеличенным электрическим КПД - 70÷80%. Для сравнения по затратам электропитания лазерный КПД ~ (1÷10)% /7/.

Указанная ( $$n_1^{уд}\approx {10}^7÷{10}^8с{м}^{-3}$$ ) плотность зарядов в лазерном луче сравнима с плотностью зарядов в «стримере» (потенциальной волны) - предвестнике электрической молнии в атмосфере /13/, распространяющейся со скоростью распространения зарядов V₂≈3·10⁵ км/с, которая существенно выше /13/ скорости (~1 км/с) распространения «стримера».

Поскольку скорость распространения лазерного ионизирующего излучения сравнима со скоростью света, то общее время электрического пробоя воздуха в лазерном луче будет определяться не временем (t_e=D/V_e, V_e=1 км/с) прохождения потенциальной волны E между электродами 4 и 5, а временем (t_i=D/V_i, V_i=3·10⁵ км/с) распространения лазерного излучения.

Согласно /13, 14, 18/ это связано с тем, что скорость и энергия электрического пробоя воздуха существенно зависят от начальной плотности «затравочных» (n_зтр) зарядов в атмосфере. Так, согласно /13, 20, 21, 29/ при нормальных атмосферных условиях n_зтр=1÷3 см^-3 /12, 13/ требуемая напряженность электрического поля для электрического пробоя воздушной E_пр=32 кВ/см, а при n_зтр=(10⁷÷10⁸) см^-3=20 В/см.

Из рассмотренного видно, что учет указанного природного явления при передаче электрической энергии по лазерному лучу 15 позволяет уменьшить общие затраты электрической энергии на создание токопроводящей линии 15 с одновременным уменьшением времени ее формирования и передачи электрической энергии от передающего модуля 1 к приемному модулю электрической энергии. Передающий модуль 1, как и в прототипе /7/, содержит преобразователь 11 трехфазного напряжения промышленной частоты 50 Гц в частоту f∈{0.5÷50} кГц, нагруженный на низковольтную обмотку резонансного трансформатора 12 Тесла, высоковольтная обмотка которого соединена с электродом 4. Приемный модуль 2, как и в /7/, содержит резонансный трансформатор 13 Тесла /3/ и/или диодно-конденсаторный блок /28/ (на чертеже не показан), соединенные по высоковольтному входу с электродом 5, а по низковольтному выходу - непосредственно или через адаптер 14 (инвертор), с потребителем электрической энергии. Трансформатор 12 и 13 Тесла /3÷5/, изобретенный в 1891 году, представляет собой бессердечниковый или с незамкнутым сердечником трансформатор, первичная обмотка, которого расположена снаружи или соосно с вторичной обмоткой. Вторичная обмотка состоит из большого числа витков медной тонкой изолированной проволоки. Один земляной конец высоковольтной вторичной обмотки остается свободным или замкнут на Землю, а второй высоковольтный - для передачи напряжения высокой частоты и высоковольтной энергии - присоединен к токопроводящей линии 15 через электрод 4. Для надежного соединения приемного 2 и передающего 1 модулей по воздушному каналу 15 лазеры 7 и 8 выполнены с длительностью импульсов τ_и, не меньшей времени t₁=D/V₁, где D - расстояние между электродами 4 и 5, a V₁ - скорость распространения потенциальной волны (1 км/с). Период T следования импульсов лазера выполнен из условия

T=K×(1/f_рез)=K×2π√(L·C)

где:

f_рез∈{0.5÷50} кГц - резонансная частота трансформаторов 12 и 13 Тесла;

L, С - индуктивность и емкость трансформаторов 12 и 13 Тесла соответственно;

K - коэффициент синхронизации (кратности численного значения частоты f_рез и f_и, где f_и=1/T - частота следования лазерных импульсов, f_рез - резонансная частота трансформаторов 12 и 13 Тесла), K>>1.

Для создания плотности электрических зарядов в атмосферном канале $$n_1^{уд}\approx {10}^7÷{10}^8с{м}^{-3}$$ , достаточной для формирования в нем «электрической молнии» с минимальными затратами энергии лазерного излучения, энергетические параметры лазеров 7 и 8 выбраны из условий:

$$P_{и}^{мин}\le P_{и}<P_{и}^{мах},P_{и}=E_{и}/{\tau }_{и},\left(1\right)$$

$$E_{и}=\left(h\cdot \Delta \nu \right)\times n_1,\left(2\right)$$

$$n_1=n_1^{уд}\cdot \left(\pi r^2\cdot D\right),D\le U/E_{т},\left(3\right)$$

$$\Delta \nu =\left({\nu }_1-{\nu }_2\right)={\nu }_{рез}^i,\left(4\right)$$

$${\tau }_{и}\ge D/V,T\ge {\tau }_{рел},\left(5\right)$$

P_и, E_и - мощность и энергия электромагнитного излучения с частотой Δν и длительностью τ_и, необходимая для создания в атмосфере ионизированного канала длинной D с плотностью зарядов $$n_i^{уд}$$ ;

$$P_{и}^{мин}$$ , $$P_{и}^{мах}$$ - минимально и максимально допустимое значение P_и для фотоионизации атмосферного воздуха;

h=6.62517·10^-34 Дж·сек - постоянная Планка;

Δν, ν₁, ν₂ - частота биений и излучения первого и второго лазера соответственно;

$${\nu }_{рез}^i$$ ∈ {ультрафиолетовый ÷ сантиметровый диапазон электромагнитных волн} - Фраунгоферова i-я линия поглощения электромагнитного излучения молекулами и атомами воздуха;

$$n_1^{уд}\approx {10}^7÷{10}^8с{м}^{-3}$$ - плотность электрических зарядов в атмосферном канале, необходимая для электрического пробоя (полной ионизации - $$n_2^{уд}\approx {10}^{19}÷{10}^{21}с{м}^{-3}$$ ) атмосферы электрическим полем Тесла с напряженностью E_т=U/D≈20 В/см;

r - средний радиус лазерного луча;

U=(10÷220) кВ - напряжение между передающим и приемным электродами лазерной линии резонансной передачи электричества Тесла;

τ - длительность лазерных импульсов;

D - дальность передачи электрической энергии;

V=3·10⁵ км/с - скорость распространения потенциальной волны при $$n_1^{уд}\approx {10}^7÷{10}^8с{м}^{-3}$$ ;

T - период следования лазерных импульсов;

τ_рел=(0.8÷1.2) c - время релаксации плазмы.

Устройство для беспроводного электропитания удаленных потребителей электрической энергии по лазерному лучу в соответствии с предлагаемым способом работает следующим образом.

При включении передающего модуля 1 преобразователь 11 частоты преобразует входное трехфазное напряжение 3×220 В с частотой f₁=50 Гц в напряжение частотой

f₂∈{0.5÷50} кГц, ,

где:

f_рез - резонансная частота трансформатора 12 Тесла;

L, C - индуктивность и емкость трансформатора 12 Тесла соответственно.

Далее напряжение повышенной частоты f₂∈{0.5÷50} кГц с преобразователя 11 подается на низковольтную первичную обмотку трансформатора 12. В условиях резонанса в высоковольтной вторичной обмотке трансформатора 12 возникают высокочастотные колебания напряжением до 7·10⁶ В /3, 7/, которое подается на электрод 4 резонансной линии 3 передачи электрической энергии по лазерному лучу ионизатора 4.

Одновременно двухчастотное ионизирующее излучение ионизатора 6 проходит между электродами 4 и 5. За счет выбора частоты биений Δν, соответствующей резонансной частоте $$\Delta \nu =\left({\nu }_1-{\nu }_2\right)={\nu }_{рез}^i$$ , поглощения составляющих воздушной среды /13, 17, 18/ с плотностью частиц

n_уд≈10⁷÷10⁸ см^-3

и выбора энергетических характеристик лазерного излучения из условий (1÷5) происходит избирательная резонансная фотоионизации указанных частиц в лазерном луче 15 и образование плазмы с плотностью $$n_1^{уд}\approx {10}^7÷{10}^8с{м}^{-3}$$ .

Поскольку плотность ионизированных частиц в луче 15 много меньше плотности нейтральных частиц ( $$n_1^{уд}<<n_2^{уд}$$ , где $$n_2^{уд}\approx {10}^{19}÷{10}^{21}с{м}^{-3}$$ /12/), то из выражений (1÷5) видно, что требуемая энергия лазерного излучения за счет избирательной резонансной ионизации, а не сплошной, как в прототипе /7/, уменьшается на несколько порядков. При этом исчезают проблемы /14. 15, 17, 18/ блокирования лазерного излучения с частотами ν₁ и ν₂ за счет относительно низкой плотности плазмы $$n_1^{уд}\approx {10}^7÷{10}^8с{м}^{-3}$$ на пути его распространения. Согласно /13, 20, 21/ при такой плотности ( $$n_1^{уд}\approx {10}^7÷{10}^8с{м}^{-3}$$ ) плазмы наличие на электродах 4 и 5 переменной разности потенциалов U=(10÷220) кВ /7/ с резонансной частотой $$f_{рез}=2\pi \sqrt{L\cdot C}$$ при передаче электрической энергии от передающего модуля 1 к приемному модулю 2 приводит к электрическому разряду между электродами 4 и 5 и дополнительной ионизации линии (канала 15) передачи электрической энергии. За счет увеличения плотности плазмы переменный ток в канале 15 (при малых дальностях D передачи электрической энергии) может возрастать до сотен ÷ тысяч Ампер с образованием электрической дуги между электродами 4 и 5. Согласно теории сварки /20-21/ время существования токопроводящего канала с таким током ограничено единицами сек. Это объясняется тем, что при достижении силы тока в канале 15 и магнитного поля вокруг него выше предельного допустимого значения /13, 18/ под действием силы Лоренца происходит вынос плазмы из канала 15, изгиб электрической дуги D между электродами 4 и 5 и ее удлинение. Изгиб и удлинение электрической дуги D приводит к снижению напряженности электрического поля E_d=U/D в дуге и ее разрыву. Для уменьшения вредного влияния этого эффекта через время T≥τ_рел, где τ_рел - время релаксации плазмы в лазерном луче (канале 15), генерируют очередной пучок лазерных импульсов и процесс поддержания канала 15 передачи энергии в токопроводящем состоянии повторяется.

При этом по поддерживаемому в токопроводящем состоянии воздушному каналу 15 происходит процесс передачи электрической энергии от передающего модуля 1 к приемному модулю 2 с резонансной частотой f_рез∈{0.5÷50} кГц. Переменный ток, поступающий через канал 15 на вход модуля 2, является емкостным током. Реактивное внутреннее сопротивление канала 15 не создает потерь активной мощности, что согласно /3÷7/ обеспечивает высокий (96-99%) КПД передачи энергии по каналу 15. Электрическая мощность, передаваемая по проводящему каналу 15, зависит от мощности источника электрической энергии (передающего модуля 1), от энергии перезарядки емкости канала 15 и приемного контура LC приемного модуля 2 и от частоты циклов их перезарядки.

Согласно /4, 7/ при длине токопроводящего воздушного канала 15 сотни метров ÷ единицы км его емкость может составлять 1000÷2000 пФ. При резонансной частоте f_рез=30 кГц и напряжении 35 кВ передающего трансформатора 12 Тесла передаваемая по лазерному лучу 15 электрическая мощность может составлять 30÷60 МВт.

При этом согласно (1-5) требуемое значение лазерной энергии на фотоионизацию воздушного канала 15 длинной D=1 км со средней площадью поперечного сечения 1 см² по сравнению с прототипом /7/ уменьшены не менее, чем на 10 порядков. Это резко снижает требования к параметрам лазерного источника 6 ионизирующего излучения и упрощает реализацию лазерных линий передачи электрической энергии.

В предложенном изобретении часть электрической энергии, передаваемой по лазерному лучу 15, расходуется на «доионизацию» воздушного канала в нем.

С учетом этого, а также с учетом повышенного КПД полупроводниковых лазеров (30÷70)%, высокого КПД (80÷90% /21/) преобразования электрической энергии в плазму в «электрической дуге» наблюдается существенное (~3 порядка) снижение энергетических потерь (по сравнению с прототипом /7/) при передаче электрической энергии на удаленные потребители электрической энергии по лазерному лучу.

При этом КПД передачи электрической энергии на удаленные потребители электрической энергии по лазерному лучу в зависимости от погодных условий и дальности (0.1÷1) км до потребителя будет составлять порядка 30÷50%.

Предложенный способ и устройство могут быть использованы для дистанционного (сотни метров ÷ единицы км) беспроводного электропитания стационарных и подвижных потребителей электрической энергии. В последнем случае передающий и приемный модуль оснащаются соответствующими силовыми следящими приводами и средствами усиленной диэлектрической защиты от высоковольтного напряжения.

Источники информации

1. Авраменко С.В. Способ питания электротехнических устройств и устройство для его осуществления. RU №210013, 1997.

2. Электропередачи переменного и постоянного тока. Электротехнический справочник, Энергоатомиздат, 1988, стр.337-352.

3. Nicola Tesla. Colorado Springs Notes 1889-1900. Publidhed by Nolit, Beograd, 1978. 437 pp.

4. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2004. - 188 с.

5. Стребков Д.С. Никола Тесла и перспективы современной энергетики. - М.:, ГНУ ВИЭСХ. 2013, 13 с.

6. Стребков Д.С. Резонансный метод передачи электрической энергии по однопроводниковым волноводным воздушным и кабельным линиям. - М.:, ГНУ ВИЭСХ. 2012, с.34-35.

7. Стребков Д.С., Авраменко С.В., Некрасов А.И. способ и устройство для передачи электрической энергии. RU 2143775, 27.12.1999.

8. Квантовая электроника. Под ред. М.Е. Жаботинского. - М.:, «Советская энциклопедия». 1969. 446 с.

9. Пестов Э.Г., Лапшин Г.М. Квантовая электроника. - М.:, Воениздат. 1972, 331 с.

10. Яманов Д.Н. Основы электродинамики и распространение радиоволн. Часть 2. - М.: МГТУ ГА, 2005. 100 с.

11. Физическая энциклопедия. Под ред. А.М. Прохорова. Т.5. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. с.81.

12. Справочник по системотехнике. Под ред. Р. Макола. Перевод с английского под ред. А.В. Шилейко. - М.: «Советское радио». 1970. 688 с.

13. Герман Дж.Р., Гольдберг Р.А. Солнце, погода, климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

14. СВЧ-энергетика. Сборник под редакцией Э. Окресса. Перевод под редакцией Шлифера Э.Д. - М.: Издательство Мир, 1971.

15. Батенин В.М., Климовский И.И., Лысов Г.В., Троицкий В.Н. СВЧ-генераторы плазмы. Физика. Техника. Применение. - М.: Энергоатомиздат. 1988. 224 с.

16. Полетавкин П.Г. Космическая энергия. - М.: Наука, 1981, с.103-130.

17. Звонов А.А., Тарасенко В.Ф. Лазерная антенна. RU 2081488, 10.06.1997.

18. Звонов А.А., Ратова Е.А. Лазерная электростанция. RU 2076470. 27.03.1997.

19. Енохович А.С. Краткий справочник по физике. - М.: Высшая школа», 1969, с.74-75.

20. Справочник по основам радиолокационной техники. Под редакцией В.В. Дружинина. Воениздат. 1967, 768 с.

21. Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов. Учебное пособие для техникумов. - Киев: «Машиностроительная литература», 1952.

22. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов. - Киев: «Высшая школа». 1976, 424 с.

23. Справочник по ядерной физике. Перевод с английского под ред. акад. Л.А. Арцимовича. - М.: Физматиздат. 1963. 632 с.

24. Розенфельд В.Е., Староскольский Н.А. Высокочастотный бесконтактный электрический транспорт. - М.: Транспорт, 1975.

25. Корум К.Л., Корум Д.Ф. Эксперименты по созданию шаровой молнии при помощи высокочастотного разряда и электрохимические фрактальные кластеры. УФН, Изд. РАН, апрель 1990, т.160, вып.4, с.47-58. 26 Мейнке X., Гундлес Ф. Радиотехнический справочник. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960, т.1, с.188, 117-123, 191-194.

27. Патент СССР N 781, кл. H05F 7/00, 1925.

28. Электротехнический справочник, 1971 г. Изд-во Энергия, т.I, стр.871.

29. Звонов Д.А, Звонов А.А. Устройство конструкции Звоновых для сварки и резки материалов. RU 2118244, 1988.

30. Басов Н.Г. Полупроводниковые квантовые генераторы. - М.: «Успехи физических наук». 1965. Т.85, в.4.

Изобретение основано на оптическом соединении высоковольтного источника Тесла с потребителем электрической энергии путем направления лазерного луча на потребитель электрической энергии, фотоионизации атмосферы на пути распространения лазерного луча путем увеличения энергии лазерного излучения до энергии фотоионизации составляющих атмосферного воздуха в лазерном луче и после образования в лазерном луче токопроводящего канала - резонансной передаче по нему электрической энергии напряжением десятки ÷ сотни киловольт с использованием резонансного трансформатора Тесла. Технический результат заключается в снижении затрат лазерной энергии на ионизацию воздушной среды и повышении коэффициента передачи электрической энергии по лазерному лучу. При этом токопроводящий канал в атмосфере создают импульсным многочастотным лазерным излучением с периодом следования импульсов, большим времени релаксации плазмы в лазерном луче, разность соседних частот многочастотного лазерного излучения выбирают равной или кратной соответствующим частотам Фраунгоферовых линий поглощения электромагнитного излучения молекулами и/или атомами атмосферного воздуха, длительность лазерных импульсов выбирают не меньшей времени распространения потенциальной волны вдоль лазерного луча, а резонансную частоту передачи высоковольтного напряжения по токопроводящему каналу выбирают в диапазоне единицы ÷ десятки кГц и синхронизируют ее с частотой следования лазерных импульсов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ беспроводного электропитания удаленных потребителей энергии по лазерному лучу, заключающийся в оптическом соединении высоковольтного источника Тесла с потребителем электрической энергии путем направления лазерного луча на потребителя электрической энергии, фотоионизации атмосферы на пути распространения лазерного луча путем увеличения энергии лазерного излучения до энергии фотоионизации составляющих атмосферного воздуха в лазерном луче и после образования в лазерном луче токопроводящего канала - резонансной передаче по нему электрической энергии напряжением десятки ÷ сотни киловольт с использованием резонансного трансформатора Тесла, отличающийся тем, что токопроводящий канал в атмосфере создают импульсным многочастотным лазерным излучением с периодом следования импульсов, большим времени релаксации плазмы в лазерном луче, разность соседних частот многочастотного лазерного излучения выбирают равной или кратной соответствующим частотам Фраунгоферовых линий поглощения электромагнитного излучения молекулами и/или атомами атмосферного воздуха, длительность лазерных импульсов выбирают не меньшей времени распространения потенциальной волны вдоль лазерного луча, а резонансную частоту передачи высоковольтного напряжения по токопроводящему каналу выбирают в диапазоне единицы ÷ десятки кГц и синхронизируют ее с частотой следования лазерных импульсов.

2. Устройство для беспроводного электропитания удаленных потребителей энергии по лазерному лучу, содержащее передающий и приемный модули электрической энергии, токосъемные электроды которых установлены соосно и соединены между собой лазерной линией резонансной передачи электрической энергии, содержащей не менее двух импульсных лазеров для ионизации атмосферы и создания токопроводящего воздушного канала между электродами передающего и приемного модулей, причем передающий модуль содержит повышающий резонансный трансформатор Тесла, а приемный модуль - понижающий резонансный трансформатор Тесла и/или диодно-конденсаторный блок, соединенные с соответствующими электродами передающего и приемного модулей, отличающееся тем, что лазерная линия резонансной передачи электрической энергии дополнительно содержит блок сведения лазерных лучей, блок сведения установлен соосно с токосъемным электродом передающего модуля или в непосредственной близости от него, токосъемные электроды передающего и приемного модулей выполнены тугоплавкими, лазеры разнесены по частоте на величину, соответствующую Фраунгоферовым линиям поглощения электромагнитного излучения молекулами и/или атомами атмосферного воздуха, лазеры выполнены с длительностью импульсов, не меньшей времени распространения потенциальной волны между электродами приемного и передающего модулей, период следования импульсов лазера выполнен не меньшим времени релаксации плазмы в ионизированном воздушном канале, а резонансная частота передающего и приемного трансформаторов Тесла выполнена кратной частоте следования лазерных импульсов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно выполнено с параметрами:
$$P_{и}^{мин}\le P_{и}<P_{и}^{мах}$$ , P_и=E_и/τ_и,
E_и=(h·Δν)×n₁,
$$n_1=n_1^{уд}\cdot \left(\pi r^2\cdot D\right)$$ , D≤U/E_т,
$$\Delta \nu =\left({\nu }_1-{\nu }_2\right)={\nu }_{рез}^i$$ ,
τ_и≥D/V, T≥τ_рел,
T=K×(1/f_рез)=K×2π√(L·C)
где:
P_и, E_и - мощность и энергия электромагнитного излучения с частотой Δν и длительностью τ_и, необходимая для создания в атмосфере ионизированного канала длиной D с плотностью зарядов $$n_i^{уд}$$ ;
$$P_{и}^{мин}$$ , $$P_{и}^{мах}$$ - минимально и максимально допустимое значение P_и для фотоионизации атмосферного воздуха;
h=6.62517·10^-34 Дж·сек - постоянная Планка;
Δν, ν₁, ν₂ - частота биений и излучения первого и второго лазера соответственно;
$${\nu }_{рез}^i$$ ∈ {ультрафиолетовый ÷ сантиметровый диапазон электромагнитных волн} - Фраунгоферова i-я линия поглощения электромагнитного излучения молекулами и атомами воздуха;
$$n_1^{уд}\approx {10}^7÷{10}^8с{м}^{-3}$$ - плотность электрических зарядов в атмосферном канале, необходимая для электрического пробоя (полной ионизации - $$n_2^{уд}\approx {10}^{19}÷{10}^{21}с{м}^{-3}$$ ) атмосферы электрическим полем Тесла с напряженностью E_т=U/D≈20 В/см;
r - средний радиус лазерного луча;
U=(10÷220) кВ - напряжение между передающим и приемным электродами лазерной линии резонансной передачи электричества Тесла;
τ - длительность лазерных импульсов;
D - дальность передачи электрической энергии;
V - скорость распространения потенциальной волны;
T - период следования лазерных импульсов;
τ_рел - время релаксации плазмы на пути распространения лазерных лучей;
f_рез∈{0.5÷50} кГц - резонансная частота трансформатора Тесла;
L, C - индуктивность и емкость трансформатора Тесла соответственно,
K - целое число, большее единицы.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что тугоплавкие электроды выполнены из вольфрама и/или графита.