СИСТЕМА ДЛЯ БЕСПРОВОДНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ УДАЛЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПО ЛАЗЕРНОМУ ЛУЧУ
SYSTEM FOR WIRELESS ELECTRIC POWER SUPPLY TO REMOTE CONSUMERS OF ELECTRICAL ENERGY VIA LASER BEAM

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам электропитания удаленных потребителей электрической энергии по однопроводным линиям передачи энергии.
Известны системы электропитания электротехнических устройств с использованием генератора переменного напряжения, подключаемого к потребителю, включающие источник переменного напряжения, преобразователь частоты и высокочастотный трансформатор, один вывод высоковольтной секции которого изолирован или заземлен, а второй предназначен для подачи высоковольтной энергии потребителю (патент РФ №210013, 1997, Электропередачи переменного и постоянного тока. Электротехнический справочник, Энергоатомиздат, 1988, стр.337-352, Nicola Tesla. Colorado Springs Notes 1889-1900. Publidhed by Nolit, Beograd, 1978. 437 pp., Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2004. - 188 с., Стребков Д.С. Никола Тесла и перспективы современной энергетики. М.: ГНУ ВИЭСХ. 2013, 13 с., Стребков Д.С. Резонансный метод передачи электрической энергии по однопроводниковым волноводным воздушным и кабельным линиям. М.: ГНУ ВИЭСХ. 2012, с.34-35).
В известных системах используют однопроводную технику передачи энергии потребителю. В них отсутствует выделение тепла в проводнике, подводящем электрическую энергию, что обуславливает возможность использовать проводники малого поперечного сечения без потери электроэнергии на их нагрев.
Недостатком известных систем является необходимость использования для передачи энергии опор, изоляторов, провода или кабеля, что увеличивает стоимость передачи электроэнергии.
Другим недостатком является невозможность прямого использования известных систем 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.
Известна система для беспроводного электропитания удаленных потребителей электрической энергии по лазерному лучу, в том числе для непосредственного питания стационарных и мобильных электрических транспортных средств: автомобилей, тракторов, самолетов, ракет, кораблей, дирижаблей и т.д. (патент РФ №2143775, опубл. 27.12.1999).
Известная система для беспроводного электропитания удаленных потребителей энергии по лазерному лучу содержит 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.
2
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 использован инфракрасный CO-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 известной системы, выбранной в качестве прототипа, являются повышенные потери электрической энергии на формирование токопроводящего канала, приводящие к снижению коэффициента полезного действия (КПД) электропитания удаленных потребителей электроэнергии.
2
пр
9
2
Это связано с тем, что длина волны 10,6 мкм инфракрасного CO-лазера с мощностью 1 кВт и длина волны 0,53 мкм неодимового лазера, используемые преимущественно в радиолокации и оптической связи (Квантовая электроника. Под ред. М.Е. Жаботинского. М.: «Советская энциклопедия». 1969. 446 с., Пестов Э.Г., Лапшин Г.М. Квантовая электроника. М.: Воениздат. 1972, 331 с., Яманов Д.Н. Основы электродинамики и распространение радиоволн. Часть 2. М.: МГТУ ГА, 2005. 100 с., Физическая энциклопедия. Под ред. А.М. Прохорова, т. 5, М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. с.81) выбраны из условия попадания в окна прозрачности атмосферы. При этом с помощью указанных лазеров эффект электрической ионизации воздушной среды (см. Квантовая электроника. Под ред. М.Е. Жаботинского. М.: «Советская энциклопедия». 1969. 446 с., 10, 14, / «световой пробой», Яманов Д.Н. Основы электродинамики и распространение радиоволн. Часть 2. М.: МГТУ ГА, 2005. 100 с., СВЧ - энергетика. Сборник под редакцией Э. Окресса. Перевод под редакцией Шлифера Э.Д. М.: Издательство Мир, 1971) «световой пробой» возможен в ограниченном объеме (в точке фокусировки) только путем создания высокой (10 Вт/см) плотности мощности электромагнитного излучения (ЭМИ) и его электрического поля в точке фокусировки (Е≈30 кВ/см).
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>19</mn></mrow></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>21</mn></mrow></msup></mrow>
-3
При этом за счет «светового пробоя», приводящего к сплошной ионизации практически всех составляющих частиц атмосферного воздуха в приземных слоях атмосферы (Справочник по системотехнике. Под ред. Р. Макола. Перевод с английского под ред. А.В. Шилейко. М.: «Советское радио». 1970. 688 с., Герман Дж. Р., Гольдберг Р.А. Солнце, погода, климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981, СВЧ - энергетика. Сборник под редакцией Э. Окресса. Перевод под редакцией Шлифера Э.Д. М.: Издательство Мир, 1971, Батенин В.М., Климовский И.И., Лысов Г.В., Троицкий В.Н. СВЧ - генераторы плазмы. Физика. Техника. Применение. М.: Энергоатомиздат. 1988. 224 с., Полетавкин П.Г. Космическая энергия. - М.: Наука, 1981, с.103-130) в точке фокуса создается плазма с плотностью (
см). Такая плотность плазмы блокирует (Батенин В.М., Климовский И.И., Лысов Г.В., Троицкий В.Н. СВЧ - генераторы плазмы. Физика. Техника. Применение. М.: Энергоатомиздат. 1988. 224 с., Полетавкин П.Г. Космическая энергия. - М.: Наука, 1981, с. 103-130, Звонов А.А., Тарасенко В.Ф. лазерная антенна. RU 2081488, 10. 06.1997, Звонов А.А., Ратова Е.А. Лазерная электростанция. RU 2076470. 27.03.1997) дальнейшее распространение лазерного излучения с частотами, превышающими частоту рентгеновского излучения, и препятствует образованию токопроводящего канала в атмосфере достаточной длинны для электропитания удаленных потребителей электричества.
и
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>19</mn></mrow></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>21</mn></mrow></msup></mrow>
-3
Использование рентгеновского лазера (патент РФ №2143775, 27.12.1999) для создания токопроводящего канала в атмосфере также проблематично из-за его высокой ионизирующей способности и быстрого расхода энергии Е на создание протяженных каналов с плотностью плазмы
см. Учитывая малую (Енохович А.С. Краткий справочник по физике. М.: Высшая школа», 1969, с.74÷75, Розенфельд В.Е., Староскольский Н.А. Высокочастотный бесконтактный электрический транспорт. М.: Транспорт, 1975) длину свободного пробега рентгеновского излучения в атмосфере - единицы ÷ десятки м, а также низкий / Квантовая электроника. Под ред. М.Е. Жаботинского. М.: «Советская энциклопедия». 1969. 446 с., Батенин В.М., Климовский И.И., Лысов Г.В., Троицкий В.Н. СВЧ - генераторы плазмы. Физика. Техника. Применение. М.: Энергоатомиздат. 1988. 224 с. / КПД (≤1%) преобразования электрической энергии в электромагнитную в рентгеновском диапазоне ЭМИ, использование рентгеновского лазера (патент РФ №2143775, 27.12.1999) для передачи электрической энергии в линиях Тесла также проблематично.
и
<mrow><msub><mi>Е</mi><mi>и</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>h</mi><mo>⋅</mo><mi>ν</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>π</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>D</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>19</mn></mrow></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>21</mn></mrow></msup></mrow>
-34
-3
2
Минимальное значение энергии Е, требуемой для реализации системы по прототипу, в первом приближении может быть найдено / Квантовая электроника. Под ред. М.Е. Жаботинского. М.: «Советская энциклопедия». 1969. 446 с., СВЧ - энергетика. Сборник под редакцией Э. Окресса. Перевод под редакцией Шлифера Э.Д. М.: Издательство Мир, 1971., Звонов А.А., Тарасенко В.Ф. Лазерная антенна. RU 2081488, 10.06.1997, Звонов А.А., Ратова Е.А. Лазерная электростанция. RU 2076470. 27.03.1997 / из выражения
, где: (h·ν) - энергия кванта излучения с частотой ν, необходимая для ионизации одной частицы атмосферного воздуха; h=6.62517·10 Дж·сек - постоянная Планка; плотность частиц
см, ионизируемая при «световом пробое» атмосферы длинноволновым ЭМИ и фотоионизации рентгеновским ЭМИ; (π·r·D) - объем токопроводящего канала; r, D - средний радиус и длина токопроводящего канала, создаваемого лазерным излучением и требуемого для электропитания удаленных потребителей.
5
и
Так для лучших условий прототипа (D=1 км=10 см, радиус 0,5 см) требуемая энергия (Е) 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
и
-34
16
19
-3
Е = 6.62517·10 Дж·с × 1.5·10 Гц × 10 см × 3.14 ×
2
5
6
× 0.25 см × 10 см = 7.8·10 Дж = 7.8 МДж.
С учетом КПД использованных лазеров (1÷10) % (патент РФ №2143775, 27.12.1999) требуемая энергия в импульсе для создания токопроводящего состояния будет составлять (78÷780) МДж.
ср
9
При частоте следования лазерных импульсов 1 Гц (Т=1 имп/с) средняя мощность электрической энергии для электропитания лазера и поддержания канала передачи энергии в токопроводящем состоянии будет составлять Р=(28÷280)·10 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.
ср
9
Учитывая, что в прототипе /2/ средняя мощность электрической энергии, передаваемая по лазерному лучу потребителю, составляет (30÷60) МВт-час, а затраты на передачу этой энергии по указанному лучу составляют P=(28÷280)·10 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 система для беспроводного электропитания удаленных потребителей энергии по лазерному лучу, содержащая 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, отличающаяся 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, 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 модулей тугоплавкими, разнесение частот лазеров по 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 кратными 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 фиг.1 представлена функциональная схема варианта системы беспроводного электропитания удаленных потребителей электрической энергии по лазерному лучу с двумя резонансными трансформаторами Тесла.
1
2
1-
2
б
1
2
-34
-3
-3
3
-3
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>7</mn></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>8</mn></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>19</mn></mrow></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>21</mn></mrow></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>7</mn></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>8</mn></msup></mrow>
Система для беспроводного электропитания удаленных потребителей электрической 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 / Басов Н.Г. Полупроводниковые квантовые генераторы. М.: «Успехи физических наук». 1965, Т. 85, в. 4 / 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 / Басов Н.Г. Полупроводниковые квантовые генераторы. М.: «Успехи физических наук». 1965, Т. 85, в. 4 / соответственно с частотами ν и ν в полосе частот прозрачности атмосферы (уменьшенным поглощением лазерного излучения). Для снижения энергетических затрат на ионизацию атмосферного канала разность частот (Δν=νν) лазеров выбрана равной или кратной частоте Фраунгоферовых линий / Пестов Э.Г., Лапшин Г.М. Квантовая электроника. М.: Воениздат. 1972, 331 с., Яманов Д.Н. Основы электродинамики и распространение радиоволн. Часть 2. М.: МГТУ ГА, 2005. 100 с., Физическая энциклопедия. Под ред. А.М. Прохорова, т. 5, М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. с.81 / резонансного поглощения энергии биений E=h·Δν, где h=6.62517·10 Дж·сек - постоянная Планка, составляющими атмосферы, например оксид углерода, имеющими достаточно малое (
см) процентное содержание в атмосфере по сравнению с общим количеством частиц (
см), содержащихся в 1 см в приземных слоях атмосферы / Справочник по системотехнике. Под ред. Р. Макола. Перевод с английского под ред. А.В. Шилейко. М.: «Советское радио». 1970. 688 с., Герман Дж.Р., Гольдберг Р.А. Солнце, погода, климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981 /. Избирательная (по выбору рациональных по плотности составляющих атмосферы) ионизация позволяет исключить блокирование передачи лазерных излучений с частотами ν и ν при 100% ионизации таких составляющих. При этом согласно /13, 21, 22, 25/ при плотности (
см) зарядов в луче создаются условия / Герман Дж. Р., Гольдберг Р.А. Солнце, погода, климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981 / для электрического пробоя с увеличенным электрическим КПД - 70÷80%. Для сравнения по затратам электропитания в газовых лазерах - КПД ~1%.
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>7</mn></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>8</mn></msup></mrow>
-3
5
2
Указанная (
см) плотность зарядов в лазерном луче сравнима с плотностью зарядов в «стримере» (потенциальной волны) - предвестнике электрической молнии в атмосфере / Герман Дж.Р., Гольдберг Р.А. Солнце, погода, климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981 /, распространяющейся со скоростью распространения зарядов V≈3·10 км/с, которая существенно выше / Герман Дж.Р., Гольдберг Р.А. Солнце, погода, климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981/ скорости (~ 1 км/с) распространения «стримера».
e
e
e
i
i
i
5
Поскольку скорость распространения лазерного ионизирующего излучения сравнима со скоростью света, то общее время электрического пробоя воздуха в лазерном луче будет определяться не временем (t=D/V, V=1 км/с) прохождения потенциальной волны E между электродами 4 и 5, а временем (t=D/V, V=3·10 км/с) распространения лазерного излучения.
зтр
зтр
пр
зтр
-3
7
8
-3
Согласно / Герман Дж.Р., Гольдберг Р.А. Солнце, погода, климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981, СВЧ - энергетика. Сборник под редакцией Э. Окресса. Перевод под редакцией Шлифера Э.Д. М.: Издательство Мир, 1971, Звонов А.А., Ратова Е.А. лазерная электростанция. RU 2076470. 27.03.1997 / это связано с тем, что скорость и энергия электрического пробоя воздуха существенно зависят от начальной плотности «затравочных» (n) зарядов в атмосфере. Так, согласно / Герман Дж.Р., Гольдберг Р.А. Солнце, погода, климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981., Справочник по основам радиолокационной техники. Под редакцией В.В. Дружинина. Воениздат. 1967, 768 с., Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов. Учебное пособие для техникумов. Киев. «Машиностроительная литература», 1952, Звонов Д.А, Звонов А.А. устройство конструкции Звоновых для сварки и резки материалов. RU 2118244, 1988 / при нормальных атмосферных условиях n=1÷3 см/ Справочник по системотехнике. Под ред. Р. Макола. Перевод с английского под ред. А.В. Шилейко. М.: «Советское радио». 1970. 688 с., Герман Дж. Р., Гольдберг Р.А. Солнце, погода, климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981 / требуемая напряженность электрического поля для электрического пробоя воздушной Е=32 кВ/см, а при n=(10÷10)см=20 В/см.
и
1
1
1
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 / патент РФ 2143775, 27.12.1999 /, 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 / патент РФ 2143775, 27.12.1999 /, содержит резонансный трансформатор 13 Тесла / Nicola Tesla. Colorado Springs Notes 1889-1900. Publidhed by Nolit, Beograd, 1978. 437 pp. / и/или диодно-конденсаторный блок / Электротехнический справочник, 1971 г., Изд-во Энергия, т. I, стр. 871 / (на фигурах не показан), соединенные по высоковольтному входу с электродом 5, а по низковольтному выходу - непосредственно или через адаптер 4 (инвертор), с потребителем электрической энергии. Трансформатор 12 и 13 Тесла / Nicola Tesla. Colorado Springs Notes 1889-1900. Publidhed by Nolit, Beograd, 1978. 437 pp., Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2004. - 188 с., Стребков Д.С. Никола Тесла и перспективы современной энергетики. М.: ГНУ ВИЭСХ. 2013, 13 с. /, изобретенный в 1891 году, представляет собой бессердечниковый или с незамкнутым ферритовым 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, не меньшей времени t=D/V, где D - расстояние между электродами 4 и 5, а V - скорость распространения потенциальной волны. Период Т следования импульсов лазера выполнен из условия
где:
рез
f∈{0.5÷50} кГц - резонансная частота трансформаторов 12 и 13 Тесла;
L, C - индуктивность и емкость трансформаторов 12 и 13 Тесла соответственно;
рез
и
и
рез
K - коэффициент синхронизации (кратности численного значения частоты f и f, где f=1/Т - частота следования лазерных импульсов, f - резонансная частота трансформаторов 12 и 13 Тесла), K>>1.
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>7</mn></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>8</mn></msup></mrow>
-3
Для создания плотности электрических зарядов в атмосферном канале
см, достаточной для формирования в нем «электрической молнии» с минимальными затратами энергии лазерного излучения, энергетические параметры лазеров 7 и 8 выбраны из условий:
где:
и
и
и
<mrow><msubsup><mi>n</mi><mi>i</mi><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msubsup></mrow>
P, E - мощность и энергия электромагнитного излучения с частотой Δν и длительностью τ, необходимая для создания в атмосфере ионизированного канала длиной D с плотностью зарядов
;
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mi>и</mi><mrow><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mi>и</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>х</mi></mrow></msubsup></mrow>
и
,
- минимально и максимально допустимое значение P для фотоионизации атмосферного воздуха;
-34
h=6.62517·10 Дж·сек - постоянная Планка;
1
2
Δν, ν, ν - частота биений и излучения первого и второго лазеров соответственно;
<mrow><msubsup><mi>υ</mi><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>з</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup><mo>∈</mo></mrow>
{ультрафиолетовый ÷ сантиметровый диапазон электромагнитных волн} -
Фраунгоферова i-я линия поглощения электромагнитного излучения молекулами и атомами воздуха;
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>7</mn></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>8</mn></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>19</mn></mrow></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>21</mn></mrow></msup></mrow>
-3
-3
т
см - плотность электрических зарядов в атмосферном канале, необходимая для электрического пробоя (полной ионизации -
см) атмосферы электрическим полем Тесла с напряженностью E=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;
5
-3
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>7</mn></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>8</mn></msup></mrow>
V=3·10 км/с - скорость распространения потенциальной волны при
см;
Т - период следования лазерных импульсов;
рел
τ=(0.8÷1.2) с - время релаксации плазмы.
Система для беспроводного электропитания удаленных потребителей электрической энергии по лазерному лучу работает следующим образом.
1
При включении передающего модуля 1 преобразователь 11 частоты преобразует входное трехфазное напряжение 3×220 В с частотой f=50 Гц в напряжение частотой
где:
peз
f - резонансная частота трансформатора 12 Тесла;
L, C - индуктивность и емкость трансформатора 12 Тесла соответственно.
2
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>з</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><mi>L</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi></mrow></msqrt></mrow>
6
Далее напряжение повышенной частоты f∈{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 7·10 Вольт /3, 7/, которое подается на электрод 4 резонансной линии 3 передачи электрической энергии по лазерному лучу ионизатора 4.
<mrow><mi>Δ</mi><mi>ν</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ν</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ν</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>ν</mi><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>з</mi></mrow><mi>i</mi></msubsup></mrow>
Одновременно двухчастотное ионизирующее излучение ионизатора 4 проходит между электродами 4 и 5. За счет выбора частоты биений Δν, соответствующей резонансной частоте
, поглощения составляющих воздушной среды /13, 17, 18/ с плотностью частиц
уд
7
8
-3
n≈10÷10 см
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>7</mn></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>8</mn></msup></mrow>
-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
см.
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo><</mo><mo><</mo><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>19</mn></mrow></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mn>21</mn></mrow></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>7</mn></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>8</mn></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><msup><mrow /><mrow><mi>у</mi><mi>д</mi></mrow></msup><mo>≈</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>7</mn></msup><mo>÷</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>8</mn></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>з</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><mi>L</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi></mrow></msqrt></mrow>
-3
-3
-3
1
2
d
рел
рел
Поскольку плотность ионизированных частиц в луче 15 много меньше плотности нейтральных частиц (
, где
см / Справочник по системотехнике. Под ред. Р. Макола. Перевод с английского под ред. А.В. Шилейко. М.: «Советское радио». 1970. 688 с./), то из выражений (1÷5) видно, что требуемая энергия лазерного излучения за счет избирательной резонансной ионизации, а не сплошной, как в прототипе / патент РФ 2143775, 27.12.1999 /, уменьшается на несколько порядков. При этом исчезают проблемы / СВЧ-энергетика. Сборник под редакцией Э. Окресса. Перевод под редакцией Шлифера Э.Д. М.: Издательство Мир, 1971, Батенин В.М., Климовский И.И., Лысов Г.В., Троицкий В.Н. СВЧ - генераторы плазмы. Физика. Техника. Применение. М.: Энергоатомиздат. 1988. 224 с., Звонов А.А., Тарасенко В.Ф. Лазерная антенна. RU 2081488, 10.06.1997, Звонов А.А., Ратова Е.А. лазерная электростанция. RU 2076470. 27.03.1997 / блокирования лазерного излучения с частотами ν и ν за счет относительно низкой плотности плазмы
см на пути его распространения. Согласно / Герман Дж.Р., Гольдберг Р.А. Солнце, погода, климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981., Справочник по основам радиолокационной техники. Под редакцией В.В. Дружинина. Воениздат. 1967, 768 с., Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов. Учебное пособие для техникумов. Киев. «Машиностроительная литература», 1952 / при такой плотности (
см) плазмы наличие на электродах 4 и 5 переменной разности потенциалов U=(10÷220) кВ / RU 2143775, 27.12.1999 / с резонансной частотой
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 / Справочник по основам радиолокационной техники. Под редакцией В.В. Дружинина. Воениздат. 1967, 768 с., Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов. Учебное пособие для техникумов. Киев. «Машиностроительная литература», 1952 / 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 / Герман Дж.Р., Гольдберг Р.А. Солнце, погода, климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981, Звонов А.А., Ратова Е.А. Лазерная электростанция. RU 2076470. 27.03.1997 / 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=U/D в дуге и ее разрыву. Для уменьшения вредного влияния этого эффекта через время T≥τ, где τ - время релаксации плазмы в лазерном луче (канале 15), генерируют очередной пучок лазерных импульсов и процесс поддержания канала 15 передачи энергии в токопроводящем состоянии повторяется.
рез
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∈{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.
рел
рез
рез
рел
2
При длине токопроводящего воздушного канала 15 сотни метров ÷ единицы км, времени релаксации плазмы в нем τ=(0.8÷1.2) с, параметрах резонансного трансформатора 12 Тесла (емкость конденсатора C=(1000÷2000) пФ, резонансная частота f=30 кГц и напряжении U=40 кВ) средняя величина электрической энергии, передаваемая потребителю 2, может составлять Pср=K(f, τ)(CU/2)~(5.7÷11.4) МВт-час.
2
При этом согласно (1-5) требуемое значение лазерной энергии на фотоионизацию воздушного канала 15 длиной D=1 км со средней площадью поперечного сечения 1 см по сравнению с прототипом /RU 2143775, 27.12.1999./ 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 предложенной системе 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% / Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов. Учебное пособие для техникумов. Киев. «Машиностроительная литература», 1952 / ) преобразования электрической энергии в плазму в «электрической дуге» наблюдается пропорциональное снижение энергетических потерь (по сравнению с прототипом / RU 2143775, 27.12.1999 / ) 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 может составлять порядка 32÷54%.
Предложенная система может быть использована 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.