Способ и устройство для передачи электрической энергии

Изобретение относится к электротехнике, к передаче электрической энергии. Технический результат состоит в повышении эффективности и снижении потерь, обеспечении передачи электрической энергии в вакууме за пределами земной атмосферы между космическими аппаратами или планетами, с Земли на космические тела и обратно из космического пространства на Землю, а также из одного на другой пункт Земли через атмосферу и космическое пространство без использования ускорителей релятивистских пучков электронов и лазеров. Способ 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 волновода и естественной емкости на конце линии, путем подачи на вход спирального волновода электромагнитных колебаний от высокочастотного резонансного трансформатора с частотой f₀=1-1000 кГц, синхронизированной с периодом времени Т_к движения волны напряжения от входа спирального волновода до естественной емкости, и возврата отраженной волны по входу в спиральный волновод. Накапливают электрическую энергию в естественной емкости. Проводящий канал формируют путем эмиссии стриммеров и создания потока электромагнитного излучения с конца игольчатого формирователя проводящего канала на резонансной частоте f₀=1-1000 кГц при напряжении V=0,5-100 миллионов вольт путем соединения с ним естественной емкости. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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.

Известен 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. 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.

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 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 волновода и естественной емкости на конце линии, путем подачи на вход спирального волновода электромагнитных колебаний от высокочастотного резонансного трансформатора с частотой f₀=1-1000 кГц, синхронизированной с периодом времени Т_к 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 путем эмиссии стриммеров и создания потока электромагнитного излучения 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 одном из вариантов способа естественную емкость выполняют в виде сферы из проводящего материала.

В другом варианте способа естественную емкость выполняют в виде тороида из проводящего материала.

Еще в одном варианте способа естественную емкость выполняют в виде сферического купола, а игольчатый проводящий канал выполняют в виде шпиля с заостренным концом, который соединяют с куполом.

Устройство для передачи электрической энергии, содержащее источник электрической энергии, преобразователь частоты и передающий и приемный резонансные высокочастотные трансформаторы с резонансной частотой f₀, установленные у источника и приемника энергии, и проводящий канал между ними, передающий трансформатор с частотой f₀=1-1000 кГц соединен с дополнительной четвертьволновой линией, выполненной из спирального волновода с длиной , где u - скорость распространения электромагнитной волны вдоль оси резонатора, и естественной емкости на конце линии с напряжением 0,5-500 MB, емкость соединена с игольчатым проводящим формирователем проводящего канала, который ориентирован на приемник нагрузки у потребителя.

В одном из вариантов устройства для передачи электрической энергии естественная емкость выполнена в виде сферы диаметром 0,5-50 м.

В другом варианте устройства естественная емкость выполнена в виде тороида диаметром 0,5-50 м.

Еще в одном варианте устройства естественная емкость объединена в одном корпусе с игольчатым формирователем канала и выполнена в виде купола с заостренным шпилем.

В варианте устройства дополнительная четвертьволновая линия со спиральным резонатором и естественной емкостью заключена в изолирующий герметичный корпус и заполнена изолирующим газом, например элегазом.

В варианте устройства дополнительная четвертьволновая линия со спиральным резонатором и естественной емкостью заключена в изолирующий корпус и заполнена изолирующей жидкостью например силиконовым маслом.

Сущность предлагаемого способа и устройства для передачи электрической энергии поясняется на фиг.1, где представлена общая схема способа и устройства для передачи электрической энергии с использованием четвертьволновой резонансной линии для усиления потенциала в линии и формирования проводящего канала.

На фиг.1 электрическая энергия от трехфазного источника 1 с частотой 50-400 Гц поступает на преобразователь частоты 2 и затем с частотой 1-500 кГц поступает через конденсаторы 3 на высокочастотный резонансный трансформатор 4 с обмотками L₁ и L₂. Один вывод высоковольтной обмотки L₂ заземлен или присоединен к естественной емкости, а второй вывод обмотки L₂ присоединен к четвертьволновой резонансной линии, состоящей из спирального волновода 5 L₃ и сферической емкости 6, которая соединена с игольчатым формирователем 7 проводящего канала 8. У потребителя в конце проводящего канала 8 установлен приемник 9, который соединен с высоковольтной обмоткой 10 высокочастотного резонансного трансформатора 12. Низковольтная обмотка 13 трансформатора 12 через емкость 14 соединена с преобразователем частоты 15 и нагрузкой 16.

Способ передачи электрической энергии реализуется следующим образом. Трехфазный источник электрической энергии 1 (фиг.1) создает на выходе преобразователя частоты 2 высокочастотные колебания с резонансной частотой , где L₁ - индуктивность первичной обмотки трансформатора 4, а С₁ - полная суммарная емкость двух конденсаторов 5 в контуре L₁C₁.

Резонансная частота f₂ в обмотке L₂ равна резонансной частоте f₃ в волноводе L₃, f₂=f₃=f₁.

Если произвести настройку каждого в отдельности контура L₁ и L₂ на одинаковую частоту f₀, то при совместной работе резонансная частота f₀ из-за наличия взаимной индукции обмоток L₁ и L₂ будет отличаться от f₀, f₀<f₁, f₀<f₂.

Разница в частотах Δf=f₁-f₀=f₂-f₀ приведет к появлению биений и будет тем больше, чем больше коэффициент магнитной связи обмоток и коэффициент взаимной индукции.

При наличии колебаний в контуре L₁C₁ электромагнитная энергия передается во вторичную обмотку L₂. Из цепи L₁C₁ электромагнитная энергия передается в спиральный резонатор 5 на частоте f₀ при напряжении V₂=nV₁, где n - коэффициент трансформации трансформатора 4, и токе .

Особенностью четвертьволновой линии является ее способность работать в режиме накачки электромагнитной энергии с последующим освобождением запасенной энергии в короткий промежуток времени. По существу резонансный волновод 5 представляет аналог лазера, работающего в диапазоне низких частот 1-1000 кГц при максимально возможной запасенной мощности и мощности импульсного разряда более 10¹⁰ Вт и импульсном напряжении более 50 MB.

Накачка электромагнитной энергии в волноводе 5 производится от резонансного трансформатора 4 следующим образом. При подаче напряжения от трансформатора 2 падающая волна поступает на вход четвертьволновой линии и отражается обратно от ее разомкнутого конца без изменения фазы волны. Отраженная волна достигает начала волновода 5, замкнутого на L₂, и повторно отражается с изменением фазы волны на 180°. Волна напряжения проходит дважды через четвертьволновую линию 5 (туда и обратно), ее фаза изменяется при движении также на 180° и поэтому ее фаза совпадает с фазой волны, поступающей от источника энергии L₂. В результате амплитуда волны напряжения удваивается через каждые два отражения от конца и начала четвертьволновой линии. Возникает стоячая волна в виде одной четверти синусоидальной волны с началом синусоиды в начале четвертьволновой линии с напряжением V_мин. и максимальным напряжением V_макс. в конце линии.

Увеличение напряжения на выходе линии 5 определяется не добротностью Q контура, как в обычной разомкнутой линии, а величиной æ, обратной произведению коэффициента затухания волны на длину волновода 5, т.е. æ обратно пропорциональна потерям энергии в волноводе æ=

Когерентность обеспечивается за счет синхронизации частоты f₀ со скоростью и распространения волны напряжения в волноводе и его длины Н.

Накачка происходит по аналогии с лазером в режиме модулированной добротности, когда добавленная энергия поступает когерентно через промежуток времени Т_к, равный прохождению волны от начала до конца четвертьволновой линии и обратно.

Пример выполнения способа и устройства передачи электрической энергии.

Электрический генератор 1 на фиг.1 имеет электрическую мощность 60 кВА, выходное напряжение V=6 кВ, частоту 50 Гц. Преобразователь частоты 2 имеет на выходе напряжение V₁=6 кВ, частоту 100 кГц.

Резонансный трансформатор 4 имеет диметр D₁=1,2 м, высоту H₁=2 м. Первичная обмотка состоит из 6 секций, каждая из секций выполнена из медного проводника сечением 35 мм², секции соединены параллельно. Количество витков N₁=25. Индуктивность первичной обмотки L₁=50 мкГн. Полная емкость в первичной обмотке С₁=0,1 мкФ.

Вторичная обмотка состоит из N₂=600 витков, намотанных плотно друг к другу из двух параллельно соединенных проводов диаметром d=1,2·10^-3 м, сечением S=50 мм². Индуктивность вторичной обмотки L₂=12 мГн.

Коэффициент трансформации

Энергия заряженного конденсатора Q=¹/₂CV². Подставляя С₁=0,1 мкФ, V=6 кВ, получим Q=1,8 Дж.

Ток разряда конденсатора равен I₁=800 А.

Резонансная частота в первичной цепи

Подставляя С₁=0,1 мкФ, L₁=25 мкГн, f₁=100 кГц.

Длина волны

Напряжение на индуктивности L₁ (первичная обмотка резонансного трансформатора):

Подставляя I=800 А, f₀=100 кГц, L=85 мкГн, получаем V_L1=12560 В.

Напряжение на L₂ (вторичная обмотка резонансного трансформатора):

Параметры четвертьволновой резонансной линии: диаметр спирального волновода D=1 м, длина спирального волновода 1,5 м, диаметр провода 1,25 мм, число витков - 80, резонансная частота 100 кГц, время прохождения волны до конца четвертьволновой линии и обратно емкость сферического конденсатора 100 пФ, коэффициент усиления напряжения в четвертьволновой линии æ=31,9. Напряжение на конденсаторе 6 12·10⁶ В. Время, необходимое для усиления потенциала на емкости 6 с 3,76·10⁵ В до 12·10⁶ В, при отсутствии потерь в линии составит τ=Т_к·æ=5·10^-6 с·31,9=159 мксек.

Напряжение V_макс на емкости 6 определяется потерями в четвертьволновой резонансной линии и электрической прочностью изоляции и превышает напряжение на выходе резонансного трансформатора L₂ в 10-300 раз и может достигать величины 100 миллионов вольт.

При резонансной частоте и высоком напряжении на емкости 6 на выходе игольчатого формирователя 7 в атмосфере начинается эмиссия стриммеров, которая формирует проводящий канал 8 от емкости 6 к приемнику излучения 9. За пределами атмосферы проводящий канал формируется путем эмиссии электронов с заостренного конца игольчатого формирователя проводящего канала, и электрическая энергия передается в виде пучка электромагнитного излучения с частотой f₀. Электрическая энергия от источника энергии 1, которая накоплена в емкости 6, поступает по проводящему каналу 8 на приемник 9 и далее на вход высоковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора 12. Низковольтная обмотка 13 трансформатора 12 с помощью емкости 14 настраивается на резонансную частоту волны, которая сформирована в резонаторе 5. В проводящем канале 8 возникают стоячие волны тока и напряжения. Ток последовательного резонансного контура с емкостью 14 поступает на преобразователь частоты 15 и затем в нагрузку 16. Параметры понижающего резонансного трансформатора 12 выбираются аналогично параметрам трансформатора 11.

Длина проводящего канала 8 для передачи энергии в атмосфере Земли составляет 150-500 км, за пределами атмосферы Земли - 500-500000 км.

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 миллионов вольт в четвертьволновой резонансной линии, состоящей из спирального волновода и естественной емкости на конце линии путем подачи на вход четвертьволновой линии электромагнитных колебаний от высокочастотного резонансного трансформатора с частотой f₀=1-1000 кГц, синхронизированной с периодом времени Т₀ движения волны напряжения от входа спирального волновода до естественной емкости и возврата отраженной волны по входу в спиральный волновод , где Н - длина четвертьволновой линии, u - скорость движения электромагнитной волны вдоль оси волновода, накапливают электрическую энергию в естественной емкости, а проводящий канал формируют путем эмиссии стримеров и создания потока электромагнитного излучения с конца игольчатого формирователя проводящего канала на резонансной частоте f₀=1-1000 кГц при напряжении 0,5-100 миллионов вольт путем соединения естественной емкости четвертьволновой линии с игольчатым проводящим формирователем канала.

2. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что естественную емкость выполняют в виде сферы из проводящего материала.

3. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что естественную емкость выполняют в виде тороида из проводящего материала.

4. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что естественную емкость выполняют в виде сферического купола, а игольчатый проводящий канал выполняют в виде шпиля с заостренным концом, который соединяют с куполом.

5. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее источник электрической энергии, преобразователь частоты и 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 с частотой f₀=1-1000 кГц соединен с четвертьволновой резонансной линией, выполненной из спирального волновода с длиной , где u - скорость распространения электромагнитной волны вдоль оси волновода, и естественной емкости на конце линии с напряжением 0,5-100 MB, емкость соединена с игольчатым проводящим формирователем проводящего канала, который ориентирован на приемник нагрузки, у потребителя.

6. Устройство для передачи электрической энергии по п.5, отличающееся тем, что естественная емкость выполнена в виде сферы диаметром 0,5-50 м.

7. Устройство для передачи электрической энергии по п.5, отличающееся тем, что естественная емкость выполнена в виде тороида диаметром 0,5-50 м.

8. Устройство для передачи электрической энергии по п.5, отличающееся тем, что естественная емкость объединена в одном корпусе с игольчатым формирователем канала и выполнена в виде купола с заостренным шпилем.

9. Устройство для передачи электрической энергии по любому из пп.5, 6, 7 и 8, отличающееся тем, что дополнительная четвертьволновая линия со спиральным волноводом и естественной емкостью заключена в изолирующий герметичный корпус и заполнена изолирующим газом, например элегазом.

10. Устройство для передачи электрической энергии по любому из пп.5, 6, 7 и 8, отличающееся тем, что дополнительная четвертьволновая линия со спиральным волноводом и естественной емкостью заключена в изолирующий корпус и заполнена изолирующей жидкостью, например силиконовым маслом.