СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
METHOD AND DEVICE FOR TRANSMISSION OF ELECTRIC POWER

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам и устройствам для передачи электрической энергии.
Известен способ и устройство для передачи электроэнергии по замкнутой цепи, состоящей из двух или более проводов, трансформаторных подстанций и линий электропередачи (Электропередачи переменного и постоянного тока. Электротехнический справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с.337-352).
Недостатками известного способа являются потери в линиях, составляющие от 5% до 20% в зависимости от длины ЛЭП, и высокая стоимость оборудования. При этом цепь, соединяющая источник энергии и нагрузку, обязательно должна быть замкнутым контуром.
Известен способ питания электротехнических устройств с использованием генератора переменного напряжения, подключаемого к потребителю, в котором напряжение генератора подают на низковольтную обмотку высокочастотного трансформатора, а один из выводов высоковольтной обмотки соединяют с одной из входных клемм электротехнического устройства, при этом изменением частоты генератора добиваются установления резонансных колебаний в образованной электрической цепи.
Устройство, реализующее данный способ, представляет собой источник переменного напряжения с регулируемой частотой, высокочастотный трансформатор, один вывод высоковольтной секции которого изолирован, а второй предназначен для подачи энергии потребителю (патент РФ №2108649, 1998, Авраменко С.В. Способ питания электротехнических устройств и устройство для его осуществления).
Недостатком известного способа является необходимость использования для передачи электроэнергии линии из опор, изоляторов, проводов или кабеля, что увеличивает стоимость передачи электроэнергии.
Другим недостатком является невозможность прямого использования этого способа и устройства для непосредственного питания движущихся электрических транспортных средств: автомобилей, тракторов.
Известен способ передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного генератора и двух, понижающего и повышающего, высокочастотных трансформаторов Тесла, передачи высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему трансформатору Тесла, понижения потенциала его высоковольтного вывода и передачи энергии нагрузке (патент РФ №2255406, 2003, Стребков Д.С., Авраменко С.В., Некрасов А.И. Способ и устройство для передачи электрической энергии).
Недостатком известного способа является необходимость для передачи энергии подключения передающего высокочастотного трансформатора Тесла к двум электрически потенциально различным носителям энергии (однопроводниковая линия и земля) либо к одной электрически изолированной от земли и находящейся под высоким электрическим потенциалом однопроводниковой линии, что требует использования опор, изоляторов, проводов.
Известен способ и устройство для передачи электрической энергии без металлических проводов с использованием в качестве проводящего канала транспортных трубопроводов с перемещаемым по ним жидким или газообразным веществом. В этом случае между источником и приемником электрической энергии формируют в электроизоляционной оболочке электропроводящий канал из вещества в жидкой, твердой или газообразной фазе. В проводящем канале генерируют электромагнитные колебания электрического поля, при этом за счет резонансных колебаний создают в канале пучности напряжений, а энергию электрического поля канала преобразуют в активную энергию для потребителя (Патент РФ №2172546, 2000. Стребков Д.С., Авраменко С.В. Способ и устройство для передачи электрической энергии).
Недостатком известного способа является необходимость формирования изолированного от окружающей среды проводящего канала, а также применения электрически высокопрочного материала для создания электроизолирующей оболочки проводящего канала, т.к. интенсивность передачи электроэнергии прямо пропорциональна квадрату напряжения в проводящем канале. Другим недостатком является то, что все известные способы и устройства не позволяют передавать энергию в водной среде.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа и устройства для передачи электрической энергии в водной среде с использованием изолированных трубопроводов в качестве проводящего канала, снижение затрат на передачу электроэнергии за счет исключения опор, проводов, изоляторов, кабелей, а также повышение КПД передачи электрической энергии.
Технический результат достигается тем, что в способе передачи электрической энергии с использованием проводящего канала из вещества в жидкой фазе и создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из источника энергии с повышающим высокочастотным трансформатором Тесла и резонансным контуром в низковольтной обмотке, проводящего канала и понижающего высокочастотного трансформатора Тесла с резонансным контуром в низковольтной обмотке, передачи электрической энергии вдоль проводящего канала к понижающему высокочастотному резонансному трансформатору Тесла, снижения потенциала высоковольтных колебаний и передачи электрической энергии через инвертор к электрической нагрузке, в высоковольтных обмотках повышающего и понижающего высокочастотных резонансных трансформаторов Тесла создают последовательные резонансные контуры путем соединения высокопотенциальных выводов высоковольтных обмоток трансформаторов Тесла с естественной емкостью, выполненной в виде сферы, тороида или проводящего тела произвольной формы, настраивают последовательные резонансные контуры в высоковольтных обмотках на общую резонансную частоту контуров в низковольтных обмотках трансформаторов Тесла, размещают понижающий резонансный трансформатор, инвертор и электрическую нагрузку на морском подводном или надводном корабле, соединяют низкопотенциальные выводы высоковольтных обмоток обоих трансформаторов с морской средой, повышают напряжение на повышающем трансформаторе Тесла и создают стационарные волны колебаний электромагнитной энергии в морской среде с резонансной частотой
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>4</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
,
1
1
2
2
3
3
4
4
где LC, LC - индуктивности и емкости резонансных контуров в низковольтной и высоковольтной обмотках повышающего высокочастотного резонансного трансформатора Тесла, LC, LC - индуктивности и емкости резонансных контуров низковольтной и высоковольтной обмоток понижающего высокочастотного резонансного трансформатора Тесла.
В варианте способа передачи электрической энергии на морские и океанские надводные и подводные корабли высокочастотный источник энергии с повышающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла устанавливают на берегу моря или океана.
В другом варианте способа передачи электрической энергии на морские и океанские надводные и подводные корабли высокочастотный источник энергии с повышающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла устанавливают на надводном морском или океанском корабле.
Еще в одном варианте способа передачи электрической энергии на морские и океанские надводные и подводные корабли высокочастотный источник энергии с повышающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла устанавливают на подводном морском или океанском корабле.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>4</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем источники и приемники электрической энергии с проводящими каналами между ними из вещества в виде жидкой фазы, каждый источник электрической энергии соединен с проводящим каналом через повышающий высокочастотный резонансный трансформатор Тесла, а каждый приемник с противоположной стороны проводящего канала соединен с ним через понижающий высокочастотный резонансный трансформатор Тесла, каждый высокочастотный трансформатор Тесла имеет два резонансных последовательных контура с общей резонансной частотой
,
1
1
2
2
3
3
4
4
1
3
1
3
2
4
2
4
где LC и LC - индуктивности и емкости резонансных контуров в низковольтной и высоковольтной обмотках повышающего трансформатора Тесла, LC и LC - индуктивности и емкости резонансных контуров низковольтной и высоковольтной обмоток понижающего трансформатора Тесла, L и L - индуктивности низковольтных обмоток, C и C - емкости конденсаторов, последовательно включенных с низковольтными обмотками, L и L - индуктивности высоковольтных обмоток, естественные емкости конденсаторов C и C выполнены в виде сферы, тороида или проводящего тела произвольной формы и соединены с высокопотенциальными выводами высоковольтных обмоток высокочастотных резонансных трансформаторов Тесла, низкопотенциальные выводы высоковольтных обмоток высокочастотных резонансных трансформаторов Тесла соединены изолированными кабельными линиями с морской средой, приемник энергии с понижающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла установлен в море или океане на подводном и/или надводном корабле.
В варианте устройства для передачи электрической энергии источник энергии с повышающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла размещен на берегу моря или океана.
В другом варианте устройства для передачи электрической энергии источник энергии с повышающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла размещен на надводном морском или океанском корабле.
Еще в одном варианте устройства для передачи электрической энергии источник энергии с повышающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла размещен на подводном морском или океанском корабле.
Изобретение иллюстрируется фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, где на фиг.1 представлена блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии от источника энергии на берегу океана на подводный корабль, на фиг.2 - блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии от источника энергии на берегу на надводный корабль, на фиг.3 - блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии от источника энергии на надводном корабле на подводный и надводный корабли, на фиг.4 - блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии от источника энергии на подводном корабле на подводный и надводный корабли.
1
2
На фиг.1 высокочастотный источник энергии 1 соединен через емкость 2 с низковольтной обмоткой 3 повышающего резонансного трансформатора Тесла 4. Высоковольтный вывод 5 высоковольтной обмотки 6 соединен с естественной емкостью 7, выполненной в виде сферы, установленной на регулируемой высоте h от поверхности морской среды (моря) 8 на берегу 9. Низкопотенциальный вывод 10 высоковольтной обмотки 6 трансформатора Тесла 4 соединен электроизолированным кабелем 11 с морской средой 8 с глубиной погружения кабеля h. На конце кабеля 11 в морской среде 8 могут быть установлены широкополосные или узконаправленные антенны для передачи электрической энергии в морской среде 8 в заданном направлении. Источник энергии 1 с резонансной емкостью 2 и повышающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла 4 размещен в контейнере 12 на берегу 9 моря 8. Электрическую энергию от источника энергии 1 подают с берега моря через морскую среду на подводный корабль 13. На подводном корабле 13 внутри корпуса 14 установлен высокочастотный понижающий резонансный трансформатор Тесла 15. Высокопотенциальный вывод 16 высоковольтной обмотки 17 соединен с естественной емкостью 18, которая установлена внутри корабля 13. Низкопотенциальный вывод 19 высоковольтной обмотки 17 соединен с помощью кабеля 20 с морской средой 11. Низковольтная обмотка 21 понижающего высокочастотного резонансного трансформатора Тесла 15 соединена через емкость 22 и инвертор 23 с электрической нагрузкой 24. В качестве электрической нагрузки 24 используют электрические схемы подводного корабля и накопители энергии (на фиг.1 не показаны).
3
На фиг.2 электрическую энергию от источника энергии 1 на берегу 9 моря 8 передают через морскую среду 8 на понижающий высокочастотный резонансный трансформатор 15 с емкостью 22 и инвертором, который размещен в контейнере 25 на борту надводного корабля 26. Естественная емкость 18 установлена над кораблем на регулируемой высоте h.
1
На фиг.3 контейнер 12 с высокочастотным источником электрической энергии 1, емкостью 2 и повышающим трансформатором Тесла 4 установлен на надводном корабле 27. Естественная емкость 7 установлена над кораблем 27 на регулируемой высоте h. Электрическую энергию от источника 1 на надводном корабле 27 передают через морскую среду на резонансные понижающие трансформаторы 15 с емкостью 22, инвертором и естественной емкостью 18, которые установлены на подводном корабле 28 аналогично фиг.1 и на надводном корабле 29 аналогично фиг.2.
На фиг.4 высокочастотный источник 1 электрической энергии, повышающий высокочастотный резонансный трансформатор Тесла 4 с емкостью 2 и естественной емкостью 30 установлены на подводном корабле 31. Электрическую энергию от источника энергии 1 передают через морскую среду 8 на резонансные понижающие высокочастотные резонансные трансформаторы 15 с емкостью 22 и естественной емкостью 18, которые установлены на подводном корабле 32 аналогично фиг.1 и на надводном корабле 33 аналогично фиг.2.
Способ и устройство для передачи электрической энергии реализуются следующим образом.
1
1
2
2
3
3
4
4
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
При подаче электрической энергии от высокочастотного источника 1 на низковольтную обмотку 3 в последовательном контуре, состоящем из низковольтной обмотки 3 с индуктивностью L и емкости 2 величиной C, возникают электромагнитные колебания с резонансной частотой
. Индуктивность L высоковольтной обмотки 6 и емкость C естественной емкости 7 выбирают согласно условию
. Для понижающего высокочастотного резонансного трансформатора Тесла 15 индуктивность L низковольтной обмотки 21 и емкость C емкости 22, а также индуктивность L высоковольтной обмотки 17 и емкость C естественной емкости выбирают таким образом, что выполняется условие
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>3</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>4</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
.
1
3
4
2
Передаваемая мощность и дальность передачи электрической энергии увеличивается с увеличением диаметра естественных емкостей 7, 30, 18 и их высоты над уровнем моря h, h, h. С увеличением глубины погружения h кабеля 11 в морскую среду 8 увеличивается глубина распространения электромагнитных колебаний в морской среде 8.
0
<mrow><mi>λ</mi><mfrac><mi>C</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Электромагнитные колебания с частотой f усиливают по напряжению в резонансном трансформаторе Тесла 4 и распространяют по воздуху и по морской воде 8, образуя стационарные волны с длиной волны
,
где C - скорость распространения электромагнитной волны в морской среде 8.
0
4
4
3
3
Понижающий высокочастотный резонансный трансформатор Тесла 15 воспринимает электромагнитные колебания с резонансной частотой f в последовательном резонансном контуре LC, усиливает их по току в контуре LC и передает через инвертор 23 в электрическую нагрузку 24.
Пример выполнения способа и устройства для передачи электрической энергии.
1
Пример 1. На берегу 9 моря 8 (фиг.1) установлен контейнер 12, содержащий источник энергии 1, выполненный в виде дизельной электростанции максимальной мощностью 10 МВт с преобразователем частоты 50 Гц/1 кГц (на фиг.1 не показаны), который через резонансную емкость 2 подключен к высокочастотному резонансному повышающему трансформатору Тесла 4, у которого последовательные резонансные контуры низковольтной обмотки 3 и высоковольтной обмотки 6 настроены на резонансную частоту 1 кГц. Диаметр сферической емкости 7 составляет 25 м, высота расположения сферической емкости h 100 м, напряжение на сферической емкости 1000 кВ. Понижающий высокочастотный резонансный трансформатор Тесла 15 с резонансной частотой 1 кГц установлен на подводном корабле 13 на расстоянии 500 км от берега 9 в морской среде 8 на глубине 100 м. Диаметр сферической емкости 18 понижающего трансформатора составляет 2,5 м, напряжение на выходе трансформатора 15 220 В, электрическая мощность на нагрузке 24 100 кВт, которая используется для зарядки аккумулятора электрической энергии (на фиг.1 не показан) для питания силовой установки подводного корабля 13.
0
0
4
Пример 2. Контейнер 12 с высокочастотным источником энергии 1 с резонансной частотой f=5 кГц, резонансной емкостью 2 и повышающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла 4 установлен на борту надводного корабля 27 (фиг.3). Максимальная электрическая мощность источника энергии 1 5 МВт, резонансная частота f=5 кГц, диаметр тороидальной естественной емкости 6 м, высота расположения естественной емкости 7 регулируется в пределах h=2-20 м в зависимости от дальности передачи энергии и передаваемой мощности. Напряжение на естественной емкости 750 кВ. Понижающий резонансный высокочастотный трансформатор Тесла 15 с резонансной частотой 5 кГц установлен на другом надводном корабле 29 на расстоянии 100 км. Диаметр тороидального конденсатора естественной емкости 18 составляет 6 м, напряжение на выходе понижающего трансформатора Тесла 15 220 В, электрическая мощность на нагрузке 100 кВт.
Способ и устройство передачи электрической энергии в морской среде при использовании стационарных волн тока и напряжения характеризуется низкими потерями, так как при отсутствии потребления энергии в нагрузке в режиме холостого хода потери мощности составляют 10-20 кВт, и энергия колебаний расходуется в тех районах морской среды 11, где на кораблях установлены понижающие высокочастотные резонансные трансформаторы Тесла 15 и имеет место потребление электрической энергии в нагрузке кораблей.