Устройство и способ передачи электрической энергии

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройству и способу передачи электрической энергии. Технический результат заключается в обеспечении одинаковой освещённости всех фотопреобразователей и в снижении внутреннего сопротивления и коммутационных потерь в фотоприёмнике лазерного излучения. Технический результат достигается тем, что в устройстве для передачи электрической энергии фотоприёмник выполнен в виде цилиндра, на основании которого со стороны, противоположной входу монохроматического излучения, установлен конусный отражатель, диаметр основания которого равен диаметру цилиндрического фотоприёмника, вершина которого расположена на оси цилиндрического фотоприёмника со стороны входа монохроматического излучения, плоскости диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структур и контактов перпендикулярны поверхности цилиндрического фотоприёмника и параллельны оси симметрии конусного отражателя, а высота цилиндрического фотоприёмника и диаметр основания конусного отражателя связаны соотношением

h = (ctgα – ctg2α),

где h – высота цилиндрического фотоприёмника; D – диаметр основания конусного отражателя; 2α – угол при вершине конусного отражателя; α – угол между образующей и осью конусного отражателя.

Технический результат достигается также тем, что в способе передачи электрической энергии монохроматическое излучение со средней плотностью потока 1,0-10 Вт/см² направляют на конусный отражатель, конусный отражатель ориентируют вершиной конуса встречно по оси потока монохроматического излучения, отражают осесимметрично монохроматическое излучение под углом 80-100º к направлению монохроматического излучения на цилиндрический фотоприёмник, направляют монохроматическое излучение параллельно плоскости контактов и n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) диодных структур скоммутированных фотопреобразователей цилиндрического фотоприёмника и преобразуют энергию монохроматического излучения в электрическую энергию. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

 

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

Известен способ передачи электрической энергии, отличающееся тем, что между источником и приемником электрической энергии формируют проводящий канал методом фотоионизации и ударной ионизации с помощью генератора излучения, например, на основе оптического лазера, указанный проводящий канал электрически изолируют то генератора излучения с помощью прозрачного для излучения электроизоляционного экрана, соединяют проводящий канал с источником электрической энергии через высоковольтный 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 кулоновских сил перемещение электрических зарядов вдоль проводящего канала.

Устройство, реализующее данный способ передачи электрической энергии, содержит генератор излучения, например, на основе оптического или рентгеновского лазера, для формирования проводящего канала между источником и приемником электрической энергии, и установленный соосно генератору 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, с противоположной стороны проводящего канала установлен приемник проводящего канала, изолированный от корпуса приемника электрической энергии, указанный приемник электрической энергии соединен с приемником проводящего канала через понижающий высокочастотный трансформатор Тесла или диодно-конденсаторный блок. (Пат. РФ № 2143775, опубл. 27.12.1999. Заявка № 991054 от 25.03.1999)

Недостатком известного способа и устройства является невозможность его использование за пределами атмосферы Земли для передачи электрической энергии на космические аппараты.

Известен способ и устройство для передачи электрической энергии с использованием лазера и преобразователя лазерного излучения в электрическую с помощью фотопреобразователей. (Беспроводная передача электричества. https://ru.wikipedia.org/w/index.php)

Недостатком известного способа и устройства является небольшая мощность 500 Вт и малое расстояние 1 км передачи электрической энергии.

Другим недостатком является низкий КПД передачи электроэнергии 10% из-за неравномерного распределения энергии в пучке лазера и коммутационных потерь при неравномерном освещении фотоприёмника излучения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства и способа передачи электрической энергии большой мощности и с высоким КПД.

Технический результат заключается в обеспечении одинаковой освещённости всех фотопреобразователей и в снижении внутреннего сопротивления и коммутационных потерь в фотоприёмнике лазерного излучения.

В результате передаваемая электрическая мощность увеличивается до 10-100 кВт при КПД до 40% для фотоприёмников из кремния.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для передачи электрической энергии, содержащем генератор монохроматического излучения и фотоприёмник на основе скоммутированных фотопреобразователей с диодными n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структурами и контактами, согласно изобретению, фотоприёмник выполнен в виде цилиндра, на основании которого со стороны, противоположной входу монохроматического излучения, установлен конусный отражатель, диаметр основания которого равен диаметру цилиндрического фотоприёмника, вершина которого расположена на оси цилиндрического фотоприёмника со стороны входа монохроматического излучения, плоскости диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структур и контактов перпендикулярны поверхности цилиндрического фотоприёмника и параллельны оси симметрии конусного отражателя, а высота цилиндрического фотоприёмника и диаметр основания конусного отражателя связаны соотношением

h = (ctgα – ctg2α),

где h – высота цилиндрического фотоприёмника;

D – диаметр основания конусного отражателя;

2α – угол при вершине конусного отражателя;

α – угол между образующей и осью конусного отражателя.

Технический результат достигается также тем, что в способе передачи электрической энергии путем генерации монохроматического излучения в лазере, передачи энергии излучения по лазерному лучу и преобразования монохроматического излучения в электрическую энергию в фотоприёмнике на основе скоммутированных фотопреобразователей с диодными n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структурами и контактами, согласно изобретению, монохроматическое излучение со средней плотностью потока 1,0-10 Вт/см² направляют на конусный отражатель, конусный отражатель ориентируют вершиной конуса встречно по оси потока монохроматического излучения, отражают осесимметрично монохроматическое излучение под углом 80-100º к направлению монохроматического излучения на цилиндрический фотоприёмник, направляют монохроматическое излучение параллельно плоскости контактов и n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) диодных структур скоммутированных фотопреобразователей цилиндрического фотоприёмника и преобразуют энергию монохроматического излучения в электрическую энергию.

Устройство и способ передачи электрической энергии показаны на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6.

На фиг. 1 показана схема устройства и способа передачи электрической энергии на движущиеся объекты.

На фиг. 2 показана схема устройства для приёма и преобразования лазерного излучения в электрическую энергию (продольное сечение).

На фиг. 3 показана схема фотоприёмника (поперечное сечение).

На фиг. 4 показаны оптическая схема и ход лучей в фотоприёмнике при равенстве высоты фотоприёмника и конусного отражателя.

На фиг. 5 показан ход лучей в фотоприёмнике, высота которого меньше высоты конусного отражателя.

На фиг. 6 показан ход лучей в фотоприёмнике, высота которого больше высоты конусного отражателя.

Устройство для передачи электрической энергии на фиг. 1 содержит генератор монохроматического излучения 1 и фотоприёмник 2 на основе скоммутированных фотопреобразователей 3 с диодными n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структурами 4 и контактами 5 (фиг. 2, 3). Фотоприёмник 2 выполнен в виде цилиндра 6, на основании 7 которого со стороны 8, противоположной входу монохроматического излучения 9, установлен конусный отражатель 10, диаметр D основания которого равен диаметру цилиндрического фотоприёмника 2. Вершина 11 конусного отражателя 10 расположена на оси 12 цилиндрического фотоприёмника 2 со стороны входа 13 монохроматического излучения 9. Плоскости 14 диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структур 4 и контактов 5 на фиг. 2 и 3 перпендикулярны боковой поверхности 15 цилиндрического фотоприёмника 2 и параллельны оси 16 симметрии конусного отражателя 10. Высота цилиндрического фотоприёмника 2 и диаметр основания конусного отражателя 10 связаны соотношением

h = (ctgα – ctg2α),

где h – высота цилиндрического фотоприёмника 2;

D – диаметр основания конусного отражателя 10;

2α – угол при вершине конусного отражателя 10;

α – угол между образующей и осью 16 конусного отражателя 10.

Генератор монохроматического излучения 1 имеет систему слежения 17 за фотоприёмником 2, установленного на движущемся объекте 18. Система слежения обеспечивает попадание монохроматического излучения 9 на вход 13фотоприёмника 2 при произвольном перемещении движущегося объекта 18.

Способ передачи электрической энергии реализуется следующим образом. Генератор 1 преобразует электрическую энергию от источника питания 19 в монохроматическое излучение 9. Монохроматическое излучение со средней плотностью потока 1,0-10 Вт/см² направляют на конусный отражатель 10, конусный отражатель 10 ориентируют вершиной конуса встречно по оси потока монохроматического излучения 9, отражают осесимметрично монохроматическое излучение 9 под углом 80-100º к направлению оси 20 монохроматического излучения9 на цилиндрический фотоприёмник 2, направляют отражённое монохроматическое излучение параллельно плоскости 14 контактов 5 и n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) диодных структур4 скоммутированных фотопреобразователей3 цилиндрического фотоприёмника 2 и преобразуют энергию отражённого от конусного зеркального отражателя монохроматического лазерного излучения в электрическую энергию.

Электрическую энергию передают в систему электроснабжения 21 движущегося объекта 18 для питания электрической аппаратуры и электрических движителей. Скоммутированные фотопреобразователи 3 изолируют от системы охлаждения 22 фотоприёмника 2 с помощью теплопроводящей керамики 23, выполненной, например, из AlN (фиг. 2, 3).

Распределение плотности потока излучения в поперечном сечении при потоках монохроматического лазерного излучения описывается кривой нормального распределения Гаусса

E(r) = E_max,

где E_max - максимальная плотность потока излучения на оси 20 лазерного луча;

r - расстояние от оси 20;

С - постоянная, зависящая от параметров генератора монохроматического лазерного излучения.

Для получения заданных параметров системы электроснабжения по напряжению в фотоприёмнике 2 используется последовательная коммутация фотопреобразователей 3(фиг. 2, 3). В этом случае при неравномерном освещении ток фотоприёмника определяется током наименее освещённого фотопреобразователя, что снижает КПД преобразования энергии излучения в электрическую энергию.

Предлагаемое устройство и способ передачи электрической энергии обеспечивают одинаковую плотность излучения всех скоммутированных фотопреобразователей3 в фотоприёмнике 2 как при постоянном, так и при импульсном освещении фотоприёмника 2 со средней плотностью потока излучения 1,0-10 Вт/см².

Направление отражённого от зеркального конусного отражателя 10 потока монохроматического излучения параллельно плоскости 14 контактов 5 и плоскости n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) диодных структур 4 позволяет отделить друг от друга области генерации неосновных носителей заряда (электронов в р и р⁺ области и дырок в n и n⁺ области) и области переходов n⁺-p, p⁺-n, где происходит разделение и собирание носителей заряда. При этом обеспечивают ортогональность векторов фототока через p⁺-n и n⁺-p переходы и потока излучения, что приводит к снижению до нуля сопротивления растекания легированного слоя в n⁺ и p⁺ области и снижение сопротивления базовой области с n(р) типом проводимости за счёт однородной функции генерации и модуляции фотопроводимости при высокой плотности потока излучения.

На фиг. 4 показаны оптическая схема и ход лучей в фотоприёмнике 2 при α =45º, h = H.

Площадь основания зеркального конусного отражателя 10

S_осн = .

Площадь цилиндрического фотоприёмника 2

S_фп = 2πD⋅h.

Высота конусного отражателя 10

H = ctgα.

При α =45º

h = H = ,

S_фп = πD²,

S_фп / S_осн = 4.

На фиг. 5 α<45º, h<H.

Обозначим n̅ - вектор нормали, перпендикулярной к боковой поверхности конусного отражателя 10 и Δ разность между высотой Н конусного отражателя и высотой h цилиндрического фотоприёмника 2:

Δ = Н – h.

Из фиг. 5 следует, что

Δ =ctg 2α,

H =ctgα,

h = Н–Δ = (ctgα - ctg 2α),

S_фп = 2πD⋅h = πD²(ctgα - ctg 2α),

= 4(ctgα - ctg 2α),

На фиг. 6 α > 45º, H<h. Обозначим δ разность между высотой h цилиндрического фотоприёмника 2 и высотой Н конусного отражателя 10:

δ = h – Н.

Из фиг. 6 следует, что

δ = ctg(180  - 2α) = - ctg2α.

Н = h + δ = (ctgα - ctg 2α),

= 4(ctgα - ctg 2α).

Найдем минимум функции

f(α) = = 4(ctgα - ctg 2α)/

= 4(- + = 0

(

1 - = 0

cosα =

α = 45º.

При α = 45º на фиг. 4 минимум функции f(α):

minf(α)│α = 45º =

Плотность потока излучения на фотоприёмнике 2 выбирают равной Е_фп= 0,25 – 2,5 Вт/см² из условий отвода тепла от фотоприёмника 2 с помощью пассивной или активной системы охлаждения 22. Тогда плотность потока монохроматического излучения составит Е_л = 4Е_фп= 1-10 Вт/см².

Пример выполнения устройства и способа передачи электрической энергии. Плотность потока излучения равна 8 Вт/см² = 80 кВт/м²при длине волны 915-975 нм и КПД фотоприёмника η_фп = 0,4 (фиг. 1, 2, 3, 4).

При диаметре фотоприёмника D = 1 м; h = H = 0,5; α = 45º

S_осн = м²,

S_фп = 4S_осн= π, м².

Электрическая мощность фотоприёмника

Р_фп = Еη_оптη_фп,

где η_опт – оптический КПД передачи излучения между генератором и фотоприёмником.

Принимая Е = 80 кВт/м²; η_опт = 0,9; η_фп = 0,4; S_фп = π, м², получим

Для получения электрической мощности Р_фп = 100 кВт площадь фотоприёмника 2 составит

S_осн = = 3,47 м².

D_фп = = 2,1 м.

Высота фотоприёмника

h = = 1,05 м.

Необходимая мощность потока монохроматического излучения генератора составит

Устройство и способ передачи электрической энергии может быть использовано для беспроводного электроснабжения стационарных потребителей, беспилотных летательных аппаратов в атмосфере Земли, космических аппаратов и орбитальных станций.

При ширине диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структур 0,2 мм напряжение последовательно скоммутированных фотопреобразователей составит 30 В на 1 см длины окружности фотоприёмника 2. При диаметре фотоприёмника 100 см максимально возможное напряжение фотоприёмника составит Vфп = 30 π D = 9420 В.

Для фотоприёмника мощностью 100 кВт с диаметром фотоприёмника 2,1 м максимальное возможное напряжение составит 19782 В, что достаточно для питания электроракетных двигателей космических аппаратов.

1. Устройство передачи электрической энергии, содержащее генератор монохроматического излучения и фотоприемник на основе скоммутированных фотопреобразователей с диодными n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структурами и контактами, отличающееся тем, что фотоприемник выполнен в виде цилиндра, на основании которого со стороны, противоположной входу монохроматического излучения, установлен конусный отражатель, диаметр основания которого равен диаметру цилиндрического фотоприемника, вершина которого расположена на оси цилиндрического фотоприемника со стороны входа монохроматического излучения, плоскости диодных n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структур и контактов перпендикулярны поверхности цилиндрического фотоприемника и параллельны оси симметрии конусного отражателя, а высота цилиндрического фотоприемника и диаметр основания конусного отражателя связаны соотношением

h = (ctgα - ctg2α),

где h - высота цилиндрического фотоприемника;

D - диаметр основания конусного отражателя;

2α - угол при вершине конусного отражателя;

α - угол между образующей и осью конусного отражателя.

2. Способ передачи электрической энергии путем генерации монохроматического излучения в лазере, передачи энергии излучения по лазерному лучу и преобразования монохроматического излучения в электрическую энергию в фотоприемнике на основе скоммутированных фотопреобразователей с диодными n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) структурами и контактами, отличающийся тем, что монохроматическое излучение со средней плотностью потока 1,0-10 Вт/см² направляют на конусный отражатель, конусный отражатель ориентируют вершиной конуса встречно по оси потока монохроматического излучения, отражают осесимметрично монохроматическое излучение под углом 80-100° к направлению монохроматического излучения на цилиндрический фотоприемник, направляют монохроматическое излучение параллельно плоскости контактов и n⁺-p-p⁺ (p⁺-n-n⁺) диодных структур скоммутированных фотопреобразователей цилиндрического фотоприемника и преобразуют энергию монохроматического излучения в электрическую энергию.