Устройство и способ передачи электрической энергии



Устройство и способ передачи электрической энергии
Устройство и способ передачи электрической энергии
Устройство и способ передачи электрической энергии
Устройство и способ передачи электрической энергии
Устройство и способ передачи электрической энергии
Устройство и способ передачи электрической энергии
Устройство и способ передачи электрической энергии
Устройство и способ передачи электрической энергии
Устройство и способ передачи электрической энергии
Устройство и способ передачи электрической энергии
Устройство и способ передачи электрической энергии
Устройство и способ передачи электрической энергии
Устройство и способ передачи электрической энергии
Устройство и способ передачи электрической энергии
H02J50/30 - Схемы или системы питания электросетей и распределения электрической энергии; системы накопления электрической энергии (схемы источников питания для устройств для измерения рентгеновского излучения, гамма-излучения, корпускулярного или космического излучения G01T 1/175; схемы электропитания, специально предназначенные для использования в электронных часах без движущихся частей G04G 19/00; для цифровых вычислительных машин G06F 1/18; для разрядных приборов H01J 37/248; схемы или устройства для преобразования электрической энергии, устройства для управления или регулирования таких схем или устройств H02M; взаимосвязанное управление несколькими электродвигателями, управление первичными двигатель-генераторными агрегатами H02P; управление высокочастотной энергией H03L;

Владельцы патента RU 2713208:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) (RU)

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) = Emax,

где Emax - 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

Sосн = .

Площадь цилиндрического фотоприёмника 2

Sфп = 2πD⋅h.

Высота конусного отражателя 10

H = ctgα.

При α =45º

h = H = ,

Sфп = πD2,

Sфп / Sосн = 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),

Sфп = 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 Ефп= 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 Ел = 4Ефп= 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 ηфп = 0,4 (фиг. 1, 2, 3, 4).

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

Sосн = м2,

Sфп = 4Sосн= π, м2.

Электрическая мощность фотоприёмника

Рфп = Еηоптηфп,

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

Принимая Е = 80 кВт/м2; ηопт = 0,9; ηфп = 0,4; Sфп = π, м2, получим

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

Sосн = = 3,47 м2.

Dфп = = 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к конструкции зарядного стенда для заряда внутреннего элемента питания беспроводных радиоуправляемых фонарей. Стенд содержит основание, на котором установлено множество контактных узлов для осуществления подачи зарядного тока к контактным выводам беспроводных радиоуправляемых фонарей, программируемые контроллеры заряда, источник питания AC/DC для подачи электроэнергии программируемым контроллерам заряда от внешней сети электроснабжения.

Изобретение относится к способу беспроводной передачи энергии с одного беспилотного летательного аппарата (БЛА) на другой. Для этого лазерным лучом с одного из БЛА облучают установленный на другом БЛА фотоприемник, который преобразует энергию этого лазерного луча в электрическую для зарядки аккумулятора и/или питания его бортового оборудования, при этом используют не менее двух размещенных цепью БЛА, на каждом из которых устанавливают фокусирующую оптическую систему, при прохождении через которую диаметр лазерного луча уменьшается.

Настоящее изобретение относится к системе генерирования ветровой электроэнергии с использованием струйного течения. Система генерирования ветровой электроэнергии реализована для включения в себя летательного аппарата, выполненного с возможностью выработки электроэнергии посредством генерирования ветровой электроэнергии, плавая в воздухе и летая автономно без лебедки, и выполненного с возможностью передачи выработанной электроэнергии на землю, и земного узла приема, выполненного с возможностью получать сигнал электроэнергии, передаваемый с летательного аппарата, и преобразовывать сигнал электроэнергии в электричество, в которой летательный аппарат входит в место генерирования электроэнергии или выходит из места генерирования электроэнергии посредством регулирования плавучести, летательный аппарат вырабатывает электроэнергию посредством генерирования ветровой электроэнергии, оставаясь в верхней части тропосферы или поблизости от стратосферы, где генерируется струйное течение, и летательный аппарат включает в себя пропеллер, выполненный с возможностью вращаться в одном направлении по причине струйного течения, генератор электроэнергии, выполненный с возможностью выработки электроэнергии путем преобразования механической энергии, по причине вращательного усилия пропеллера, в электрическую энергию, узел управления генерированием электроэнергии, выполненный с возможностью управления входом или выходом в или из места генерирования электроэнергии, узел регулирования плавучести, выполненный с возможностью увеличения или уменьшения плавучести в соответствии с управлением узлом управления генерированием электроэнергии, узел преобразования лазера, выполненный с возможностью преобразования электроэнергии, выработанной генератором электроэнергии, в лазер, и узел излучения лазера, выполненный с возможностью передачи лазера, преобразованного узлом преобразования лазера, на землю.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в улучшении производительности системы беспроводного переноса питания.

Использование: в области электротехники для беспроводной передачи электрической энергии высокой частоты. Технический результат - упрощение конструкции элементов системы беспроводной передачи энергии, уменьшение непроизводительных потерь энергии, обусловленных ее излучением в свободное пространство, и теряемой в подводящих фидерах и элементах конструкции генерирующих устройств, а также снижение вредного влияния энергии излучаемых высокочастотных колебаний на человека и другие биологические объекты, находящиеся в зоне действия системы беспроводной передачи энергии.

Группа изобретений относится к индуктивной зарядке аккумулятора транспортного средства. Система бесконтактной подачи мощности, которая подает электрическую мощность бесконтактным способом из множества катушек для передачи мощности, расположенных на дороге, в катушку для приема мощности, смонтированную на транспортном средстве, движущемся по дороге, содержит первый модуль оценки и модуль указания.

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к способам и устройствам беспроводной передачи электрической энергии с применением резонансных полуволновых технологий между стационарными объектами, а также между стационарными питающими устройствами и мобильными агрегатами, принимающими электроэнергию.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для обеспечения гарантированного беспроводного питания и зарядки мобильных робототехнических комплексов и платформ.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности беспроводной передачи мощности.

Группа изобретений относится к электрическим схемам транспортных средств. Бортовая сеть для автомобиля, в частности для грузового автомобиля, содержит первую частичную сеть, в которой приложено первое номинальное напряжение, содержащую первый накопитель энергии и первый нагрузочный резистор, образованный несколькими потребителями, и вторую частичную сеть, в которой приложено второе номинальное напряжение, содержащую генератор и второй накопитель 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+ структур и контактов перпендикулярны поверхности цилиндрического фотоприёмника и параллельны оси симметрии конусного отражателя, а высота цилиндрического фотоприёмника и диаметр основания конусного отражателя связаны соотношениемh ,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 Втсм2 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+ диодных структур скоммутированных фотопреобразователей цилиндрического фотоприёмника и преобразуют энергию монохроматического излучения в электрическую энергию. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

Наверх