Устройство беспроводной передачи энергии для питания видеосистем, установленных на подвижные платформы крупных производственных объектов
WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE FOR SUPPLYING VIDEO SYSTEMS INSTALLED ON MOBILE PLATFORMS OF LARGE PRODUCTION FACILITIES

Изобретение относится к устройствам беспроводной передачи энергии посредством электромагнитного излучения, в данном случае при помощи волн видимого и инфракрасного диапазона, которые генерируются лазером. Изобретение может быть использовано для передачи энергии питаемому устройству в том случае, когда к устройству невозможно подключить провода, по которым будет подаваться питание, и невозможно использовать аккумулятор для временной подачи питания на устройство, ввиду изменения параметров конструкции, таких как увеличение массы и габаритных размеров.
В технической литературе существует значительное число аналогов, использующие лазерный метод передачи энергии [Патент RU №2241313 С1, кл. Н04В 10/10 Н01Т 23/00 Н05Н 15/00, 2004], [Патент RU №2510925 С1, кл. H01Q 1/28 H02J 17/00, 2014].
Все упомянутые аналоги используют газовые и твердотельные лазеры, высоковольтные трансформаторы и резонаторы, что приводит к большой стоимости, весу, габаритным размерам устройства и повышенной опасности эксплуатации устройства в промышленных областях.
В качестве прототипа изобретения служит устройство для беспроводной передачи энергии [Патент RU №2538160 С2, кл. H02J 17/00, 2015], состоящее из лазера и резонансного трансформатора Тесла.
Недостатком данного устройства является высокая конечная стоимость, большой вес, размеры устройства и повышенные требования по безопасности эксплуатации устройства в промышленных областях.
Изобретение направлено на устранение этих недостатков и создание устройства, применимого в таких областях промышленности, как: тяжелое машиностроение, нефтегазовая промышленность, судостроительная промышленность, космическая промышленность.
Это достигается тем, что устройство использует лазер для передачи энергии на расстояния прямой видимости, систему наведения и приемник, выполненный в форме сферы, содержащий поверхность фотоэлементов и сферическую линзу.
Работа устройства поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - вид устройства беспроводной передачи энергии, где 1 - лазер, 2 - сфера, 3 - поверхность фотоэлементов, 4 - сферическая линза.
Фиг. 2 - вид системы наведения лазерного луча, где 1 - лазер, 2 - сфера, 5 - выходное отверстие энергонесущего лазерного излучения, 6 - отверстие входа лазерного излучения внутрь сферы, 7 - лазеры наведения, 8 - фотоэлементы наведения.
Фиг. 3 - блок схема работы устройства беспроводной передачи энергии, где 1 - лазер, 2- сфера, 9 - сеть питания, 10 - драйвер питания лазера, 12 - преобразователь напряжения, 13 - питаемое устройство.
Описание работы устройства
Драйвер питания лазера 10 питается от сети питания 9 и подает мощность на лазер 1. Лазер преобразует электрическую энергию в световую и излучает свет в узком сколлимированном пучке, который выходит из отверстия 5, преодолевает нужное расстояние прямой видимости и входит в отверстие 6 сферы 2. Далее лазер попадает на сферическую линзу 4, которая рассеивает лазерное излучение равномерно на всю поверхность фотоэлементов 3. Фотоэлементы преобразуют световую энергию обратно в электрическую и, через преобразователь напряжения 12, подают ток на питаемое устройство 13. Мощность выходного лазерного луча регулируется драйвером питания лазера, и подача питания на лазер происходит только тогда, когда свет от четырех лазеров наведения 7 попадает на четыре фотоэлемента наведения 8 (фиг. 3). Данная система наведения позволяет отключить подачу энергонесущего лазерного луча, в случае, если он не наведен на входное отверстие сферы. Это необходимо для того, чтобы предотвратить попадание лазерного луча на внешнюю поверхность сферы. В этом случае, рассеянное лазерное излучение несет опасность здоровью людям, находящимся рядом с установкой. Попадание лазерного луча внутрь сферы, ограничивает выход лазерного излучения из внутренней полости сферы лишь в пределах телесного угла Ω, который находится через угол раствора конуса по следующей формуле (фиг. 4):
угол раствора конуса находится исходя из геометрических размеров сферы и диаметра входного отверстия:
где r - радиус сферы, а - диаметр отверстия.
При этом мощность выходящего из внутренней полости сферы лазерного излучения равняется:
0
где Р - суммарная мощность лазерного излучения, Ω - телесный угол выхода лазерного излучения.
Подставляя (1) в 3, а затем и (2) в (3), получается следующая формула для интегральной мощности лазерного излучения в телесном угле Ω:
используя в качестве примера, реальные параметры установки: а=5 см, r=60 см, получается угол раствора конуса:
0
зная суммарную мощность Р=500 Вт и подставляя формулу (5) в формулу (4):
зрачка
2
получается интегральная мощность, сосредоточенная в телесном угле  (фиг. 5). Так как рассеянное лазерное излучение опасно лишь для человеческого глаза, зная геометрическую площадь зрачка глаза S=3 мм[1] и интенсивность рассеянного лазерного излучения, безопасное для человеческого глаза  [2, 3], определяется расстояние от сферы
L, на котором безопасно находиться человеку, при этом находясь в телесном угле выходного лазерного излучения Q:
из определения интенсивности лазерного излучения:
откуда находится площадь пятна лазерного излучения:
в то же время:
где d - диаметр пятна, который находится по следующей формуле:
где f=22 мм - фокусное расстояние глаза, 1=808 нм - длина волны лазерного излучения, w - радиус лазерного луча.
Из фиг. 5 определяется радиус лазерного луча w:
откуда:
подставляя (12) в (10), получается:
подставляя (13) в (9), получается:
подставляя (14) в (8), получается:
откуда выражая L, получается:
подставляя в формулу (16) известные значения, получается расстояние от сферы, на котором безопасно находиться человеку, при этом находясь в телесном угле лазерного излучения:
Получается, что на расстояниях уже больше 11,4 микрометров, используя лазер мощностью 500 Вт и систему наведения, человеку не будет нанесен вред, находящемуся в телесном угле выходного лазерного излучения. Этот результат удовлетворяет требованиям безопасности, учитывая, что устройство передает энергию на расстояния от 50 метров.
Характерно, что система наведения оснащена 4 лазерами и 4 фото датчиками (фиг. 3). При появлении постороннего объекта на пути следования энергонесущего луча, один из лучей лазера перекрывается, на соответствующий ему фотодатчик перестает поступать лазерный луч, фотодатчик подает сигнал на вай-фай модуль, который в свою очередь подает сигнал на драйвер питания источника лазерного излучения. Этот сигнал отключает подачу питания на генерацию энергонесущего лазерного луча и лазерный луч отключается. Это необходимо для того, чтобы энергонесущий лазерный луч не рассеивался от постороннего объекта, который появился на пути следования лазерного луча, так как, в этом случае, рассеянный лазерный луч мощностью 500 Вт несет в себе угрозу окружающим людям, поражая глаза и ткани человеческой кожи.
К технико-экономическим преимуществам данного устройства относится то, что оно позволяет уменьшить вес, габаритные размеры, стоимость и удовлетворяет требованиям безопасности по эксплуатации устройства в таких областях промышленности, как тяжелое машиностроение, нефтегазовая промышленность, судостроительная промышленность, космическая промышленность.
Список источников информации
1. Сравнение интенсивностей 1-милливаттного лазера и Солнца [Электронный ресурс] URL: http://laserfaq.ru/sam/lasersaf_ru.htm
2. Комфортное освещение для работы и отдыха [Электронный ресурс] URL: https://habr.com/ru/post/l61997/
2
3. Перевести единицы: люкс [лк]↔ватт на кв. см (при 555 нм) [Вт/см(555 нм)] [Электронный ресурс] URL https://www.translatorscafe.com/unit-converter/RU/illumination/l-11/lux-watt/centimeter%C2%B2%20(at%20555%20nm)/.