НАГРУЗОЧНОЕ УСТРОЙСТВО И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ
LOADING DEVICE AND LOAD POWER SUPPLY DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к нагрузочному устройству для использования в устройстве электрического питания, а также для размещения на первом внешнем электропроводящем элементе. Настоящее изобретение относится также к устройству электропитания для питания такого нагрузочного устройства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Публикация WO 2009/153715 A2 раскрывает светоизлучающее устройство, содержащее первый общий электрод, структурированный электропроводящий слой, образующий набор электрически изолированных друг от друга электродных прокладок, диэлектрический слой, проложенный между первым общим электродным слоем и структурированным электропроводящим слоем, второй общий электрод и множество светоизлучающих элементов. Каждый светоизлучающий элемент электрически включен между одной из электродных прокладок и вторым общим электродом, так, что при этом он последовательно соединен с конденсатором, содержащим одну из электродных прокладок, диэлектрическим слоем и первым общим электродом. Когда между первым и вторым общими электродами приложено переменное напряжение, светоизлучающие элементы будут запитываться через емкостное соединение, что обеспечивает также ограничение тока. Во время работы светоизлучающего устройства вызванная коротким замыканием неисправность в одном светоизлучающем элементе повлияет только на светоизлучающие элементы, подключенные к одному и тому же самому конденсатору. Кроме того, ток короткого замыкания будет ограничен этим конденсатором.
В сценариях некоторых применений такое светоизлучающее устройство, в частности, способ питания этого светоизлучающего устройства (или нагрузки вообще), имеет недостатки, например, обусловленные электрическим соединением между общим слоем электрода и источником переменного напряжения. Такие сценарии применений включают в себя, например, системы для предупреждения биологического обрастания поверхности (например, корпуса судна), когда упомянутая поверхность, по меньшей мере, частично погружена в жидкостное окружение (например, в морскую воду), в которую посредством источников света, каким-либо образом установленных по отношению к внешней поверхности корпуса корабля, подается УФ излучение, препятствующее биологическому обрастанию корпуса судна.
Публикация WO 2014/060921 Al раскрывает светодиодный модуль, предназначенный для испускания света при подключении ее к источнику питания переменного тока, который содержит первый и второй выводы светодиодного модуля, по меньшей мере одну пару диодов, включенных антипараллельно между выводами светодиодного модуля, при этом по меньшей мере один из диодов является светоизлучающим диодом. Первый вывод светодиодного модуля разъемно подсоединен к первому выводу источника питания и выполнен с возможностью формирования - вместе с первым выводом источника питания - первой емкостной связи, а второй вывод светодиодного модуля разъемно подсоединен ко второму выводу источника питания и выполнен с возможностью формирования - вместе со вторым выводом источника питания - второй емкостной связи. Обеспечением электрических соединений, которые менее подвержены к связанным с температурой ухудшениям, срок службы светодиодного модуля может быть увеличен.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является - обеспечить улучшенное нагрузочное устройство и улучшенное устройство электропитания для питания нагрузки, которые могут быть использованы в специальном сценарии применения при наиболее неблагоприятных окружающих условиях с малыми или даже с нулевыми потерями рабочих характеристик и без вероятности повреждения, например, обусловленного внешними воздействиями, такими как морская вода.
В первом объекте настоящего изобретения представлено нагрузочное устройство для использования в устройстве электрического питания и предназначенное для размещения на первом внешнем электропроводящем элементе и для подсоединения к источнику питания переменного тока, при этом упомянутое нагрузочное устройство содержит
- нагрузку, содержащую источник света и/или датчик, и/или электронную схему,
- первый электрод, электрически подсоединенный к нагрузке,
- диэлектрический слой,
в котором нагрузка, первый электрод и диэлектрический слой образуют конструкцию, которая выполнена с возможностью расположения на первом внешнем электропроводящем элементе,
в котором первый электрод и диэлектрический слой выполнены с возможностью образования в комбинации с первым внешним электропроводящим элементом, представляющим внешнюю поверхность морской конструкции, конденсатора для емкостной передачи электроэнергии между первым электродом и первым внешним элементом,
в котором носитель выполнен с возможностью расположения на первом внешнем электропроводящем элементе, и
в котором нагрузка подсоединена ко второму электроду, электрически изолированному от первого электрода или выполнена с возможностью электрического подсоединения ко второму внешнему электропроводящему элементу, электрически изолированному от первого электрода.
В дополнительном объекте настоящего изобретения представлено устройство электрического питания, содержащее
- источник питания переменного тока и
- нагрузочное устройство в том виде, как оно здесь раскрыто.
В еще одном объекте настоящего изобретения представлена морская конструкция, такая корабль имеющая внешнюю поверхность, содержащую нагрузочное устройство в том виде, как оно здесь раскрыто, в которой нагрузочное устройство прикреплено к упомянутой внешней поверхности.
Предпочтительные варианты исполнения настоящего изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленное устройство электрического питания и заявленная морская конструкция имеют похожие и/или идентичные предпочтительные варианты исполнения, что и заявленное нагрузочное устройство, в частности, в том виде, как они определены в зависимых пунктах формулы изобретения и как это раскрыто в настоящем описании.
Настоящее изобретение основано на идее модификации и оптимизации использования емкостной передачи электроэнергии для применения в сложных окружающих условиях, таких как мокрая электрически проводящая и суровая окружающая среда моря. Кроме того, электрическая схема нагрузочного устройства и устройство электрического питания была адаптирована для придания ей устойчивости к умеренным и сильным ударам, а также к поверхностным разрывным повреждениям на различных уровнях, таким, например, как возникновение одного или более разомкнутых или короткозамкнутых соединений УФС-светодиодов (в качестве нагрузки). Это достигнуто посредством использования первого внешнего электропроводящего элемента, который вместе с первым электродом и диэлектрическим слоем образует конденсатор для осуществления емкостной передачи электроэнергии между первым электродом и первым внешним элементом. Тем самым может быть обеспечена подача электроэнергии источником питания переменного тока, первый вывод переменного тока которого электрически подсоединен к первому внешнему элементу, создавая четко определенный потенциал напряжения на этом первом внешнем элементе во время использования устройства электрического питания.
В соответствии с раскрытым в документе WO 2009/153715 A2 устройством, для того чтобы размещать электронные компоненты, например, такие как светодиоды, создан жесткий носитель. Недостаток этого носителя заключается в том, что он является сгибаемым лишь в некоторой степени, но даже при этом такие носители трудно налагать на трехмерно искривленные поверхности, такие как поверхности корпуса судна. Далее, хотя для придания им большей гибкости такие носители могут выполняться сегментированными, свобода при размещении таких носителей ограничена. С этой целью носитель, предпочтительно, разбит или разрезан на отдельные составляющие носители, тем самым разбив на части общий вывод источника питания. В отличие от этого, в соответствии с настоящим изобретением выбрана компоновка, подобная наклеиваемому элементу, например, размещенная на носителе, для того, чтобы i) решить проблему с искривленными поверхностями и ii) обеспечить полную свободу размещения (с частичным их перекрытием), при сохранении, тем не менее, общего вывода источника питания посредством использования общего жидкого проводника, такого как вода или морская вода. Кроме того, например, для обеспечения безопасности и эффективности подачи электроэнергии, желательно, чтобы при этом работали только погруженные нагрузки. Поскольку уровень воды вдоль корпуса самоустанавливается по отношению к различной скорости хода судна, к погодным условиям на море и к условиям загрузки судна, то должно быть ясно, что при этом к ним сразу же адаптируется и общий вывод питания без необходимости в управляющей электронике.
В соответствии с настоящим изобретением нагрузка, первый электрод и диэлектрический слой образуют конструкцию. Следует понимать, что эта конструкция может быть образована не только из этих элементов, но что для образования этой конструкции могут быть обеспечены дополнительные элементы. В некоторых вариантах осуществления сами эти элементы выполнены с возможностью образования этой конструкции (например, нагрузка и диэлектрический слой первого электрода могут быть встроены в диэлектрический материал диэлектрического слоя, образуя таким образом конструкцию). В других вариантах осуществления для образования конструкции структуры вместе с этими тремя элементами обеспечены один или более дополнительных элементов (например, носитель, подложка, адгезивный слой и т. д.).
В одном варианте осуществления нагрузочное устройство дополнительно содержит носитель, несущий нагрузку, первый электрод и диэлектрический слой и выполнено с возможностью размещения на первом внешнем электропроводящем элементе. Это делает возможным гибкое использование нагрузочного устройства и работу с ним. Вместе с нагрузкой, первым электродом и диэлектрическим слоем носитель несет конструктивную форму, которая выполнена с возможностью размещения на первом внешнем электропроводящем элементе. Вообще говоря, нагрузочное устройство может быть как с носителем или без него.
Носитель, предпочтительно, выполнен в листовом виде, при этом по меньшей мере одна поверхность носителя покрыта адгезивным материалом. Таким образом, носитель может быть сконфигурирован в виде наклеиваемого элемента, плитки или бумажных обоев, которые посредством адгезивного материала могут быть легко прикреплены к другим объектам.
Нагрузочное устройство дополнительно может содержать пленку, которая прикреплена к покрытой адгезивным материалом поверхности с возможностью ее удаления. Таким образом адгезивный материал перед использованием защищен, а пленку удаляют только перед его применением.
Размер и/или форма носителя, предпочтительно, выполнены такими, чтобы он соответствовал по форме и/или размеру области применения, то есть он может быть предварительно изготовлен в соответствии с желаемым сценарием применения. Например, если он сконфигурирован как наклеиваемый элемент, то контур этого наклеиваемого элемента может быть выполнен в соответствии с ожидаемым контуром зоны обрастания. Величина обрастания на разных участках корпуса будет различной в зависимости от формы соответствующей области, глубины соответствующей области в воде, температуры соответствующей области в зависимости от расстояния до двигателя и т.д. Соответственно, будут существовать области, в которых имеет место большее обрастание, и области, в которых оно меньше.
Таким образом, наклеиваемый элемент предпочтительно прилагать к областям, которые будут погружены в воду. Кроме того, некоторые области могут быть более подвержены обрастанию, чем другие, например, из-за различной глубины и скорости течения воды вдоль корпуса. Поэтому области, являющиеся более восприимчивыми к обрастанию, могут нести на себе наклеиваемые элементы, которые обеспечивают бóльшую "очищающую энергию", например, наклеиваемые элементы с более мощными светодиодами или наклеиваемые элементы с более плотным расположением, или же они могут быть выполнены соответствующими различным областям первого внешнего электропроводящего элемента.
В другом варианте осуществления поверхность носителя (то есть поверхность, которая не используется для крепления нагрузочного устройства к другому объекту и/или наружная поверхности нагрузочного устройства, противолежащая поверхности носителя, покрытой адгезивным материалом, покрыта адгезивным материалом, в частности, для приема световода или сглаживания поверхности одной из поверхностей. Например, обе поверхности носителя могут быть покрыты адгезивным материалом.
Для возможности использования в сценариях различных применений, например, для крепления нагрузочного устройства на криволинейную поверхность, носитель, предпочтительно, выполнен из гибкого материала, такого как (термо-)пластичный материал, который тоже устойчив к окружающей среде, в которой используется нагрузочное устройство. Используемый материал, предпочтительно, имеет низкий коэффициент D рассеяния мощности, и с этой целью используются диэлектрический слой, носитель и адгезивный материал. Кроме того, используемые при этом материалы не поглощают (морскую) воду и, в частности, - присутствующие в ней (в морской воде) свободные обуславливающие электропроводимость ионы. Далее, по меньшей мере, некоторые из материалов являются механически прочными (то есть механически устойчивыми к удару). Для достижения этого свойства материал носителя может представлять собой последовательности или смесь (гибрид) множества материалов, причем каждый компонент материала обладает по меньшей мере одним или более из вышеупомянутых необходимых свойств. Существуют и другие альтернативные варианты, такие как бумага, пропитанная водостойким материалом или литьевой вариант носителя, который уже не должен быть гибким.
В другом варианте осуществления носитель содержит индикатор для установки нагрузочного устройства, в частности, для указания установочного положения и/или установочного направления, и/или возможности перекрытия. Это делает установку нагрузочного устройства более легкой. Индикатор может, например, быть линией или стрелкой, но, вообще говоря, это может быть любой другой индикатор.
а
Дополнительно или альтернативно, носитель может содержать индикатор, указывающий, где необходимо разрезать носитель. Это может помочь исключить всякую возможность для пользователя отрезть части носителя, на которых на носителе проходят электрические цепи или размещены элементы, которые могут быть повреждены при резке носителя.
Множественные носители, например, наклеиваемые элементы могут быть расположены на сворачиваемой пленке, так чтобы пользователь мог отрезать от упомянутого рулона столько нагрузочных устройств, сколько необходимо.
Нагрузочное устройство также может быть выполнено с возможностью его отрезки под размер, или же оно может быть отрезано соответствующим образом заранее. Это обуславливает более гибкое использование предложенного нагрузочного устройства.
Первый внешний элемент может быть выбран из группы электропроводящих элементов, содержащей воду, в частности морскую воду, объект окружающей среды, в частности часть строения или транспортного средства, и объект инфраструктуры. Например, первый внешний элемент может быть корпусом судна, к которому прикреплено множество нагрузочных устройств (каждое из которых содержит, например, один или более УФ светодиодов) для противодействия биологическому обрастанию. Таким образом, корпус судна может выгодно использоваться в качестве одного электрода первого конденсатора и, таким образом, это позволяет избежать организации гальванических соединений между первым выводом источника питания переменного тока и первым выводом нагрузки (одним или несколькими УФ светодиодами), то есть, при этом для того чтобы обеспечить такие гальванические соединения, нет необходимости испещрять отверстиями корпус судна, что улучшает конструкцию и меньше разрушает корпус судна.
Для подключения второго вывода переменного тока существуют разные варианты. Согласно одному варианту осуществления устройство электрического питания содержит второй электрод, который электрически подсоединен ко второму выводу нагрузки и ко второму выводу переменного тока. Множественные нагрузочные устройства могут использовать один и тот же второй электрод, так что количество гальванических соединений между вторым выводом переменного тока источника питания переменного тока и вторым электродом может быть сведено к минимуму.
По другому варианту осуществления второй вывод переменного тока и второй вывод нагрузки электрически подсоединены ко второму внешнему электропроводящему элементу, который изолирован от первого внешнего элементе и который выбран из группы электропроводящих элементов, содержащей воду, в частности, морскую воду, объект окружающей среды, в частности, часть строения или транспортного средства, и объект инфраструктуры. Поэтому в некоторых применениях в зависимости от обстоятельств, для образования второго конденсатора или для использования эффекта собственной емкости с целью передачи электроэнергии между вторым выводом электропитания переменного тока и вторым выводом нагрузки могут использоваться уже существующие элементы.
В соответствии с другим вариантом осуществления устройство нагрузки дополнительно содержит электропроводящий токонаправляющий элемент, предназначенный для расположения в пределах второго внешнего элемента или крепления к нему и к нагрузке. Этот токонаправляющий элемент дополнительно поддерживает путь электрического тока между источником питания переменного тока, например, между его вторым выводом переменного тока и нагрузкой, например, вторым выводом нагрузки. Он направляет ток между этими элементами, но обычно не образует гальванического контакта с источником питания переменного тока и с нагрузкой.
Кроме того, устройство электрической мощности может содержать линию электропитания постоянного тока, предназначенную для расположения в пределах второго внешнего элемента или крепления к нему. Она, предпочтительно, соединена с источником питания переменного тока, например, со вторым выводом переменного тока. Эта линия электропитания постоянного тока может быть, например, уже имеющейся линией питания постоянного тока, такой как, например, линия, используемая кораблями при подаче постоянного тока в морскую воду для обеспечения катодной защиты от естественной коррозии.
Далее, может быть обеспечен кожух, вмещающий нагрузку, первый электрод и диэлектрический слой. Кожух, включающий в себя эти элементы, может изготавливаться и использоваться в виде модульных узлов (или плиток), которые в случае неисправности можно по отдельности заменять, и которые можно в соответствии с требуемым применением произвольно комбинировать. Таким образом, этот кожух может быть представлен в виде отдельного футляра или коробки, например, из защитного материала против воздействий на него окружения, но альтернативно он может быть представлен в виде диэлектрического материала диэлектрического слоя, который может заключать в себя нагрузку и первый электрод.
В другом варианте осуществления нагрузочное устройство может дополнительно содержать размещенный в корпусе второй электрод, электрически подсоединенный ко второму выводу нагрузки и ко второму выводу переменного тока источника питания переменного тока.
В конкретных применениях устройство электрического питания содержит множество нагрузок, чьи первые выводы нагрузки подключены параллельно общему первому электроду или разделенным первым электродам, и чьи вторые выводы нагрузки подключены параллельно общему второму электроду, разделенным вторым электродам или второму внешнему элементу. Таким образом, существуют различные варианты совместного включения нагрузок. Предпочтительно, для того чтобы уменьшить количество соединений между источником питания переменного тока и нагрузками, несколько нагрузок используют общий источник питания переменного тока.
Для использования в варианте осуществления, предназначенном для противодействия биологическому обрастанию, в котором первый внешний элемент может быть корпусом судна, нагрузка, предпочтительно, содержит источник света, в частности светодиод или УФ светодиод (например, УФС-светодиод).
Кроме того, нагрузка может содержать схему диодного моста, в которой источник света включен между средними точками диодной мостовой схемы. Таким образом, нагрузку можно рассматривать как разделенную на несколько "поднагрузок", например, посредством включения четырех недорогих диодов Шоттки в виде моста Гретца (или по схеме Гретца), тем самым обеспечивая локальный источник питания постоянного тока (например, обслуживающий один или более источников света). Этот локальный источник питания постоянного тока может использоваться также для обеспечения работы электронной схемы, чувствительной к изменению полярности, или любой другой электронной схемы, которой необходимо электропитание постоянного тока, такой как датчик контроля обрастания и интегральная схема (схемы) контроллера в применении противодействия обрастанию.
В другом варианте осуществления нагрузка содержит первый светодиод и второй светодиод, включенные антипараллельно один другому. Это дополнительно улучшает работу светодиодов посредством источника питания переменного тока (например, генератора). Однако из-за более высокой стоимости одного УФС-светодиода по сравнению с четырьмя диодами Шоттки мост Гретца более экономичен для обеспечения электропитания в течение полного цикла переменного тока.
В соответствии с одним объектом настоящее изобретение относится к морской конструкции, такой как корабль или лодка или судно, имеющей внешнюю поверхность, содержащую нагрузочное устройство, в том виде, как оно здесь раскрыто, при этом нагрузочное устройство прикреплено к упомянутой внешней поверхности. Морская конструкция, может содержать источник энергии для обеспечения энергии для питания нагрузки нагрузочного устройства. Упомянутый источник энергии может быть генератором, двигателем, батареей, химическим реактором (для генерирования энергии посредством химической реакции какого-либо вещества, например, с водой) или, вообще говоря, источником любого типа, который способен обеспечить достаточно электрической энергии для питания нагрузки нагрузочного устройства. Упомянутый источник энергии может быть соединен с источником питания переменного тока или может содержать его или представлять его.
В дополнительном объекте настоящее изобретение относится к способу установки нагрузочного устройства, в том виде, как оно здесь раскрыто, на внешней поверхности морской конструкции, например, на корпусе судна.
В еще одном дополнительном объекте настоящее изобретение относится к использованию нагрузочного устройства, в том виде, как оно здесь раскрыто, для установки на внешнюю поверхность морской конструкции, в частности для предотвращения биологического обрастания наружной поверхности, например, корпуса судна.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие объекты изобретения будут разъяснены и станут понятными при рассмотрении описанного ниже варианта осуществления. На нижеследующих чертежах:
фиг. 1 показывает принципиальную схему первого варианта осуществления устройства электропитания по настоящему изобретению,
фиг. 2 показывает принципиальную схему первого варианта осуществления устройства электропитания в сценарии применения предупреждения обрастания,
фиг. 3 показывает вид сбоку в разрезе первого варианта осуществления нагрузочного устройства по настоящему изобретению,
фиг. 4 показывает принципиальную схему второго варианта осуществления устройства электропитания по настоящему изобретению,
фиг. 5 показывает принципиальную схему второго варианта осуществления устройства электропитания в сценарии применения предупреждения обрастания,
фиг. 6 показывает принципиальную схему третьего варианта осуществления устройства электропитания по настоящему изобретению,
фиг. 7 показывает принципиальную схему третьего варианта осуществления устройства электропитания в сценарии применения предупреждения обрастания,
фиг. 8 показывает принципиальную схему четвертого варианта осуществления устройства электропитания по настоящему изобретению в сценарии применения предупреждения обрастания,
фиг. 9 показывает принципиальную схему пятого варианта осуществления устройства электропитания по настоящему изобретению в сценарии применения предупреждения обрастания,
фиг. 10 показывает схему шестого варианта осуществления устройства электропитания по настоящему изобретению,
фиг. 11 показывает принципиальную схему шестого варианта осуществления устройства электропитания в сценарии применения предупреждения обрастания,
фиг. 12 показывает схемы локального выреза сегментированного второго электрода и поврежденного сегментированного второго электрода,
фиг. 13 показывает вид сбоку и вид сверху одной практической реализации устройства электропитания по настоящему изобретению в сценарии применения предупреждения биологического обрастания,
фиг. 14 показывает вид сбоку другой практической реализации устройства электропитания по настоящему изобретению в сценарии применения предупреждения обрастания, и
фиг. 15 показывает примеры комбинации активной светодиодной полоски с излучением УФС и дополнительного пассивного световода излучения УФС, выполненной в виде рулона, плитки или полоски.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Далее настоящее изобретение будет объяснено со ссылкой на сценарий применения, в котором оно используется для питания источников УФ излучения (в частности, светодиодов), которые могут быть установлены на внешней поверхности корпуса судна, чтобы противодействовать его биологическому обрастанию. Поэтому, прежде чем будут пояснены детали различных вариантов осуществления раскрытого предмета изобретения, будет описана общая идея и известные подходы с целью противодействия биологическому обрастанию в таком сценарии применения изобретения.
Патентная заявка WO 2014/188347 Al раскрывает способ противодействия обрастанию поверхности, когда упомянутая поверхность, по меньшей мере, частично погружена в жидкостное окружение. Раскрытый способ включает в себя обеспечение предотвращающего обрастание света, распределение по меньшей мере части света через оптическую среду, содержащую силиконовый материал, и/или (плавленый) кварц УФ класса, и испускание предотвращающего обрастание света из оптической среды и из поверхности. Такие противодействующие обрастанию решения основаны на облучении излучением диапазона УФС, чтобы предотвратить (первоначальное) поселение микро- и макроорганизмов, например, на корпусе корабля. Связанная с биопленками проблема заключается в том, что по мере обусловленного ростом организмов увеличения с течением времени их толщины их поверхности становятся шероховатыми. Поэтому возрастает тормозное сопротивление, требующее, чтобы двигатель потреблял больше топлива для поддержания крейсерской скорости судна, и тем самым повышающее эксплуатационные расходы. Другим отрицательным воздействием биообрастания может быть уменьшение охлаждающей способности радиаторной трубы или уменьшение пропускной способности фильтров и труб забора соленой воды. Поэтому увеличиваются расходы на их обслуживание и техническое обслуживание.
Потенциальным решением с целью противодействия биообрастанию корпуса корабля может являться, например, покрытие внешнего корпуса пластинами из материалов, прозрачных к излучению УФС диапазона, имеющими встроенные УФС-светодиоды. Эти пластины или вообще любые электрические нагрузки или нагрузочные устройства (то есть элементы или устройства, потребляющие электрическую энергию) расположены ниже ватерлинии. Это связано с тем, что преимущественно чувствительными к биологическому обрастанию и, следовательно, ответственными за увеличение тормозного сопротивления являются поверхности, находящиеся под водой. Следовательно, электропитание к этим нагрузкам должно подаваться под ватерлинию.
Комбинация электричества, воды, а также грубого и жесткого окружения прибрежной промышленности представляет собой настоящую проблему. Это объясняется тем, что (морская) вода является хорошим проводником электричества, а потому в ней могут легко возникать короткие замыкания. Кроме того, под воздействием электрического тока вода разлагается. В случае морской воды под воздействием постоянного тока она разлагается на хлор и газообразный водород. При использовании переменного тока на каждом электроде попеременно выделяются оба газа. Дополнительной проблемой, связанной с образованием газов, является то, что хлор может усиливать и без того имеющую место естественную коррозию стального корпуса судна и ускоряет разрушение других материалов, включая УФС-светодиоды, если они не герметизированы. С другой стороны, газообразный водород может вызывать ломкость железа, в конечном итоге приводя к образованию в объеме железа огромных трещин.
Для того чтобы противодействовать естественной коррозии стального корпуса, большинство кораблей покрыты или окрашены, а, кроме того, они часто оснащены пассивными или активными катодными системами защиты, так что когда защитное покрытие или краска локально разрушается, корпус судна остается защищенным от естественной коррозии. Пассивные системы используют "жертвенные" цинковые, алюминиевые или железные аноды, которые со временем электрохимически растворяются, в то время как активные системы подают постоянный ток, используя аноды, выполненные из титана, покрытого смесью окислов металлов, или титана, покрытого платиной. Для активных систем, подающих постоянный ток в морскую воду, требуется тщательный мониторинг тока, поскольку слишком большие токи могут приводить к локальному растворению корпуса с повышенной интенсивностью. Очевидно, что противодействующие обрастанию решения не должны приводить к выходу из строя системы катодной защиты. Поэтому корпус судна должен функционировать как заземляющий вывод, защитные токи должны быть постоянными токами, а морская вода может служить в качестве замыкающей электрическую цепь среды с высокой электропроводностью.
Далее, корабельные корпуса за свой срок службы становятся (сильно) поврежденными, например, вследствие естественного износа, случайных столкновений с плавающей древесиной и других объектов, плавающих на поверхности или близко к поверхности, или же они могут получать повреждения от "более контролируемых" ударов при столкновениями с другими кораблями, такими как буксиры или находящиеся рядом суда. Поэтому более чем вероятно, что в течение срока службы повреждаются также и "противообрастающие" электрические нагрузки, а также линии подачи электропитания. Более того, и электрические нагрузки, и линии электропитания могут серьезно повредиться и даже разорваться, образовав открытые цепи, пропитанные проводящей морской водой. Так что в результате нанесенного внешнего повреждения может иметь место нежелательная электрохимическая реакция. По этой причине для питания нагрузок в качестве основного источника питания не должны использоваться источники питания постоянного тока.
Однако для работы UVC-светодиодов обычно предпочтительным является постоянный ток. Таким образом, внутри противодействующей обрастанию электрической нагрузки требуются средства и способы, которые, будучи запитаны от сети переменного тока, могут генерировать локальный постоянный ток. Более предпочтительно, чтобы источник постоянного тока был изолирован от стального корпуса (предпочтительно, служащего в качестве заземляющего вывода). Таким образом, хотя при разрыве питающих выводов и может возникать электрохимическая реакция, эта электрохимическая реакция будет ограничена областью разрыва. Кроме того, интенсивность электрохимической реакции будет зависеть от величины постоянного тока, который может протекать локально, и площади поверхности обнаженных электродов. Поэтому существует также необходимость в том, чтобы ограничить постоянный ток вблизи величины в соответствии с требованиями УФС-светодиодов (для малых светодиодов - обычно десятые доли миллиампер), а также в том, чтобы ограничить площадь поверхности обнажившихся локальных выводов питания постоянного тока.
а
Следовательно, на практике существенная область противодействующего обрастанию решения в течение срока службы может повредиться. Теоретически повреждение может представлять собой локальное повреждение одного или более УФС-светодиодов в пределах одной или более нагрузок или даже большя часть нагрузки может исчезнуть. Поэтому в одном варианте осуществления предлагаются (бесшовные) плитчатые электрические нагрузки. В пределах этой плитки может быть предусмотрено некоего рода подразделение УФС-светодиодов и источника питания, поскольку один вышедший из строя светодиод (или, вообще говоря, нагрузка) не должен приводить к тому, чтобы функциональный остаток плитки при повреждении стал неработоспособным. Тем самым, неисправные светодиоды могут приводить либо к размыканию цепи, либо к короткому замыканию, а так как УФС-светодиоды довольно дороги, то рекомендуется избегать последовательных светодиодных нитей.
Очевидно также, что плитчатые электрические нагрузки, тем не менее, потребуют какого-то рода электроэнергии, - проводной или беспроводной. Учитывая ожидаемые проблемы, связанные с проводами, поскольку прибрежная индустрия является грубой и жесткой, предпочтительны и настоящим изобретением предлагаются беспроводные решения подачи электропитания. Тем не менее, поскольку и морская вода, и железный корпус судна являются хорошими электрическими проводниками, потери мощности, связанные и с передачей энергии в индуктивных системах, и с беспроводными (РЧ) решениями, могут быть довольно большими. Кроме того, эти системы могут быть довольно громоздкими. Поэтому привлекательное решение для обеспечения подачи электроэнергии использует емкостную связь по переменному току.
Обычные емкостные (беспроводные) системы передачи энергии используют один или два (длинных) провода питания с электроэнергией от генератора переменного тока. Когда провода питания покрыты диэлектрической пленкой, в любом месте сверху вдоль проводов может быть размещен приемный элемент, имеющий два приемных электрода, и производится передача электроэнергии. Кроме того, в известном устройстве подачи электропитания передаваемая мощность при питании нагрузки может быть ограничена реактивным сопротивлением. Функционирование системы обусловлено высокими изолирующими свойствами окружающего воздуха. Таким образом, между двумя пассивными заземляющими электродами приемного элемента может быть создано высокое электрическое поле. Однако когда окружающая среда становится электропроводящей, как в случае с морской водой, посредством хорошо проводящей окружающей среды становится более легкой передача электроэнергии и в любом месте вдоль двух проводов. Поэтому очень трудно вообще передавать какую-либо мощность в направлении целевого принимающего элемента.
В соответствии с настоящим изобретением использование емкостного принципа передачи электроэнергии было модифицировано и оптимизировано для применения, например, в устройствах электропитания для передачи электроэнергии на источники света, установленные на той части корпуса судна, которая обычно находится под водой, то есть во влажном, электропроводящем и жестком окружении. Кроме того, электрическая цепь была адаптирована для противостояния умеренным и сильным ударам, а также разрывным поверхностным повреждениям на различных уровнях, таким как, например, размыкание или короткое замыкание цепи УФС-светодиодов.
Фиг. 1 показывает принципиальную схему первого варианта осуществления устройства 100 электропитания в соответствии с настоящим изобретением, предназначенного для питания нагрузки 2. Устройство 100 электропитания содержит первый вариант осуществления нагрузочного устройства 300 по настоящему изобретению. Нагрузочное устройство 300 содержит нагрузку 2, имеющую первый вывод 2а нагрузки и второй вывод 2b нагрузки, первый электрод 3 (далее называемый также активным электродом), электрически подсоединенный к нагрузке 2, и диэлектрический слой 4. Нагрузка 2, первый электрод 3 и диэлектрический слой 4 образуют конструкцию, которая выполнена с возможностью размещения на первом внешнем электропроводящем элементе 5. Кроме того, первый электрод 3 и диэлектрический слой 4 выполнены с возможностью образования вместе с первым внешним электропроводным элементом 5 конденсатора 6 для емкостной передачи электрической энергии между первым электродом 3 и первым внешним элементом 5. Нагрузка 2 дополнительно подсоединена ко второму электроду 7, электрически изолированному от первого электрода 3.
В этом контексте следует заметить, что нагрузка 2, первый электрод 3 и диэлектрический слой 4, предпочтительно, образуют некую конструкцию. Необходимо понимать, что данная конструкция может быть образована не только из этих элементов, но для образования этой конструкции могут быть предусмотрены и дополнительные элементы. В некоторых вариантах осуществления сами эти элементы выполнены с возможностью образования этой конструкции (например, нагрузка и диэлектрический слой первого электрода могут быть встроены в диэлектрический материал диэлектрического слоя, образуя конструкцию таким образом). В других вариантах осуществления для формирования конструкции вместе с этими тремя элементами предусмотрены один или более дополнительных элементов (например, носитель, подложка, адгезивный слой и т. д.).
Устройство 100 электропитания дополнительно содержит источник 1 питания переменного тока (например, генератор), имеющий первый вывод 1а переменного тока и второй вывод 1b переменного тока. Первый вывод 1а переменного тока выполнен с возможностью электрического подсоединения к первому внешнему элементу 5, - то есть после установки и во время работы первый вывод 1а переменного тока и первый внешний элемент 5 являются электрически соединенными. Второй вывод 2b переменного тока и второй вывод 1b нагрузки электрически подсоединены ко второму электроду 7 (далее называемому также пассивным электродом). Следовательно, электроэнергия может передаваться на нагрузку через конденсатор 6 от источника 1 питания переменного тока. В качестве первого внешнего элемента 5 могут использоваться элементы, имеющиеся в ближайшем окружении или инфраструктуре, такие как корпус транспортного средства, электропроводящее покрытие пола и стены, часть строения и т. д.
Фиг. 2 показывает схему первого варианта осуществления устройства 200 электропитания и нагрузочного устройства 400 в сценарии применения предупреждения обрастания. В этом варианте осуществления нагрузка 20 представляет собой УФС-светодиод, а первый внешний элемент 50 является корпусом судна, который (по меньшей мере частично) является электропроводящим (т. е. весь корпус судна, только его внутренняя поверхность, только его внешняя поверхность или только определенные участки корпуса судна могут быть построены таким образом, чтобы быть электропроводящими или могут быть изготовлены из электропроводящего материала, например, металла). Источник 1 питания переменного тока обычно размещен на борту судна. Первый вывод 1а переменного тока находится в контакте с электропроводящей поверхностью корпуса 50 судна, а второй вывод 1b переменного тока посредством соединительного провода 1с через корпус 50 судна связан со вторым электродом 7. Светодиод 20, диэлектрический слой 4 и первый электрод 3 (как вариант, также и второй электрод 7), предпочтительно, находятся на носителе 80, который расположен на первом внешнем электропроводящем элементе (5, 50).
Нагрузочное устройство 400 сконфигурировано таким образом, что электрические компоненты защищены от воды 10 (в частности, от морской воды). Несколько таких нагрузочных устройств могут быть подсоединены параллельно источнику 1 питания переменного тока, то есть вторые электроды (которые могут быть отдельными электродами или одним большим общим вторым электродом) множественных нагрузочных устройств могут быть подсоединены к одному и тому же источнику 1 питания переменного тока и к одному и тому же соединительному проводу 1с. Таким образом, количество источников питания переменного тока и соединительных проводов может быть уменьшено, даже если количество нагрузочных устройств велико.
Фиг. 3 показывает вид сбоку в разрезе варианта осуществления нагрузочного устройства 400 по настоящему изобретению. Носитель 80 может представлять собой тонкую пластину, лист или подложку, выполненную, например, из материала (предпочтительно, удовлетворяющего вышеописанным требованиям), устойчивого к окружению, в котором он используется. Носитель 80, предпочтительно, является гибким, так чтобы его можно было крепить на различные элементы 5, например, на криволинейные поверхности, подобные корпусу судна. Сверху на носителе 80 обеспечен диэлектрический слой 4, а нагрузка 2 встроена в этот диэлектрический слой 4. Кроме того, в диэлектрический слой 4 встроен также первый электрод 3. Вывод 2b электрической нагрузки может быть встроен в диэлектрический слой 4, посажен поверх его или может даже выступать из него. Второй электрод 7 расположен сверху диэлектрического слоя 4.
Для обеспечения возможности размещения устройства на первом внешнем электропроводном элементе 5, например, на корпусе 50 судна простым способом на одной поверхности 81 носителя 80 может быть обеспечен адгезивный материал 90. Для защиты адгезивного материала 81 до нанесения носителя 80 на элемент 5 этот адгезивный материал 90 дополнительно может быть покрыт удаляемой пленкой 91
Вместо адгезивных материалов, которые имеют химическую основу для фиксации, может быть использован горячий расплав (термопластичный материал, жесткий в холодном состоянии, а будучи нагретым, например, посредством пара, на короткое время становится локально жидким и обеспечивает соединение), механическое крепление (микрокрючочки из двух материалов которые при креплении сцепляются между собой) или их комбинация.
Кроме того, размер и/или форма носителя 80 могут быть выполнены такими, чтобы соответствовать форме и/или размеру области применения. Например, нагрузочное устройство может быть сконфигурировано в виде разновидности плитки или наклеиваемого элемента, которые выполнена таким образом, чтобы соответствовали форме и/или размеру элемента 5, или таким образом, чтобы несколько таких наклеиваемый элементов или плиток могли быть скомбинированы между собой (размещены смежно друг с другом), чтобы легкого покрыть требуемую область элемента 5.
Поверхность 82 носителя 80 и/или наружная поверхность 92 нагрузочного устройства, противолежащая поверхности 81 носителя, покрытого адгезивным материалом, предпочтительно, покрыта адгезивным материалом 93, в частности, для приема световода или сглаживания одной из этих поверхностей.
Носитель 80 может дополнительно содержать индикатор 94 установки нагрузочного устройства, в частности, для указания положения его установки и/или направления установки, и/или возможности перекрытия. Такой индикатор может быть просто пунктирной линией или линией разреза или любой графикой, которая показывает, как и где следует накладывать носитель на элемент 5.
Множественные электрические нагрузки могут быть обеспечены в виде рулона, так чтобы из упомянутого рулона можно было брать отдельные нагрузочные устройства и прилагать их так, как это необходимо, или же одновременно может использоваться и прилагаться целая последовательность таких нагрузочных устройств.
Фиг. 4 показывает принципиальную схему второго варианта осуществления устройства 101 электропитания, включая второй вариант осуществления нагрузочного устройства 301 по настоящему изобретению, а фиг. 5 показывает принципиальную схему упомянутого второго варианта осуществления устройства электропитания 201, включающего в себя второй вариант осуществления нагрузочного устройства 401 в сценарии применения противодействия обрастанию. Отличный от первого варианта осуществления, второй вариант осуществления не использует второго электрода, но второй вывод 1b переменного тока и второй вывод 2b нагрузки электрически, в частности, проводами 1d и 2d подсоединены ко второму внешнему электропроводящему элементу 11, изолированному от первого внешнего элемента 5. В сценарии применения, изображенном на фиг. 5, второй внешний элемент 11, предпочтительно, является водой 10, в частности, морской водой, через которую замыкается путь электрического тока между вторым выводом 1b переменного тока и вторым выводом 2b нагрузки, что имеет то преимущество, что при этом не требуется никакого дополнительного проволочного электрода 7, как в первом варианте осуществления. Провода 1d и 2d нужно просто направлять в воду 10. Нагрузочное устройство 301/401, предпочтительно, сконфигурировано модульным образом. Как и в первом варианте осуществления, нагрузочное устройство 301/401, предпочтительно, содержит носитель (на фиг. 4 и фиг. 5 не показан). Поскольку ток передается через воду, а не по проводу, будет иметь место простота установки, снижение стоимости и функциональная гибкость. Кроме того, модульность допускает также свободу размещения.
Фиг. 6 показывает принципиальную схему третьего варианта осуществления устройства 102 электропитания, включающего в себя третий вариант осуществления нагрузочного устройства 302 по настоящему изобретению, а фиг. 7 показывает принципиальную схему третьего варианта осуществления устройства 202 электропитания, включающего в себя третий вариант осуществления нагрузочного устройства 402 в сценарии применения противодействия обрастанию. По сравнению со вторым вариантом осуществления третий вариант осуществления дополнительно содержит электропроводящий токонаправляющий элемент 12, расположенный в пределах второго внешнего элемента 11 или прикрепленный к нему и между вторым выводом 1b переменного тока и вторым выводом 2b нагрузки без осуществления гальванического контакта с ними. Этот токонаправляющий элемент 12 может быть, например, дополнительным электродом (например, пластиной или проводом), расположенным в воде 10, чтобы уменьшить импеданса линии тока между вторым выводом 1b переменного тока и вторым выводом 2b нагрузки. И в этом случае нагрузочное устройство 302, предпочтительно, сконфигурировано модульным образом. Направляющий элемент 12 может также располагаться поверх сборки модульного наклеиваемого элемента в виде провода или петли или может быть даже продолжением провода 2d. Таким образом, расстояния между соседними замкнутыми контурами образуют локальные перемычки из морской воды (попеременная цепь элементов управления и перемычек из морской воды).
Кроме того, для провода 1d может использоваться (часто уже существующая) линия электропитания постоянного тока. Такая линия электропитания постоянного тока обычно расположена в пределах второго внешнего элемента или прикреплена к нему, то есть, направлена в воду, чтобы уменьшить или исключить естественную коррозию корпуса судна. Таким образом, эта линия 1d электропитания постоянного тока может использоваться снова, и ее электрически подключают ко второму выводу 1b переменного тока, чтобы в дополнение к постоянному току подавать переменный ток. Это исключает необходимость в дополнительных проводах и дополнительных отверстиях в корпусе судна.
Фиг. 8 показывает принципиальную схему четвертого варианта осуществления устройства 203 электропитания, включающего в себя четвертый вариант осуществления нагрузочного устройства 403 по настоящему изобретению в сценарии применения предупреждения обрастания. По сравнению с первым вариантом осуществления нагрузка 2 содержит два антипараллельно соединенных светодиода 20а, 20b, включенных между первым электродом 3 и вторым электродом 7. Это обуславливает поочередное испускание ими света в соответствующем полупериоде волны переменного тока.
Фиг. 9 показывает принципиальную схему пятого варианта осуществления устройства 204 электропитания, содержащего четвертый вариант осуществления нагрузочного устройства 404 по настоящему изобретению в сценарии применения предупреждения обрастания. В этом варианте осуществления нагрузка 2 содержит диодный мост 23 (также называемый мостом Гретца или схемой Гретца) из четырех диодов Шоттки и светодиод 24, включенного между средними точками 23а, 23b диодного моста. Диодный мост 23 служит в качестве выпрямителя для выпрямления связанного переменного тока, так что светодиод 24 испускает свет в обоих полупериодах переменного тока.
Фиг. 10 показывает принципиальную схему шестого варианта осуществления устройства 105 электропитания по настоящему изобретению, включающего в себя множество нагрузочных устройств 305а, 305b, 305с по настоящему изобретению, а фиг. 11 показывает принципиальную схему шестого варианта осуществления устройства 205 электропитания в сценарии применения предупреждения обрастания, содержащего множество нагрузочных устройств 405a, 405b, 405c. Таким образом, нагрузка 2 содержит множество нагрузок 25a, 25b, 25c (также называемых субнагрузками), первые нагрузочные выводы которых соединены параллельно первому общему электроду (не показано) или отдельным первыми электродам 3a, 3b, 3c, а чьи вторые выводы нагрузки соединены параллельно второму общему электроду 7 (как показано на фиг. 11), отдельные вторые электроды 7a, 7b, 7c (т.е. сегментированный второй электрод, как это показано на фиг. 10) или второй внешний элемент (не показан). Тем самым, каждая из нагрузок 25а, 25b, 25с может быть сконфигурирована так, как показано на любом из фиг. с 1 по 9.
В отличие от обычных решений электрические нагрузки 25a, 25b, 25c включены прямо параллельно источнику 1 питания переменного тока и заканчиваются пассивным заземляющим электродом (то есть вторым электродом (электродами) 7 или 7a, 7b, 7c), а не используют два активных передаточных электрода между источником 1 питания переменного тока и нагрузкой 2. Кроме того, в этой конфигурации локальный ток ограничен реактивным сопротивлением поверхностной площади пассивного электрода, и, следовательно, например, через короткозамкнутую цепь (светодиод) может протекать локальный постоянный ток.
subload
oscillator
eff
eff
eff
Для электродов с низким удельным сопротивлением эффективная сила тока I определяется выражением I=U×2π×f×C, где U - эффективное напряжение (генератора), а f - частота возбуждения. Величина локальной емкости C зависит от локальной площади сегментированного пассивного электрода 3 (или 3a, 3b, 3c), локальной толщины диэлектрического слоя 4 (или 4a, 4b, 4c) между электродом 3 (или 3a, 3b, 3c) и общего электрода 5 и его диэлектрической проницаемости. Поскольку ток I зависит от приложенного напряжения U возбуждения, то можно понять, что передаточная способность по мощности P, даже если устройство электропитания очень эффективно, ограничена реактивным сопротивлением, при этом P=U×I. Таким образом, для того чтобы передавать большую мощность, требуется высокое напряжение и/или большая емкость. Из соображений безопасности может быть ясно, что предпочтительной является большая емкость. Поскольку корпус корабля занимает большую площадь поверхности, а УФС-светодиоды являются маломощными, то это можно использовать в соответствии с требуемым сценарием применения. Следовательно, и с точки зрения мощности светодиода выгодно организовать множество локальных источников питания постоянного тока, запитываемых по одной линии питания переменного тока.
Для встраивания светодиодов в прозрачный водо- и соленепроницаемую оболочку, прозрачную для излучения УФС, можно благоприятно использовать диэлектрический материал, то есть, при этом все элементы могут быть размещены внутри корпуса, а дополнительно или альтернативно они могут быть погружены в диэлектрический материал, который может быть тем же самым материалом, что и используемый для диэлектрического слоя 4. Подходящим материалом для такого размещения, который высоко прозрачен для излучения УФС, является силикон. Кроме того, поскольку площадь локального пассивного электрода (второго электрода 7) и толщина локального диэлектрического материала являются конструктивными параметрами, то даже светодиоды и другая электроника, требующие разные величины тока и/или напряжения, тем не менее, могут быть подключены к одному и тому же генератору. Использование одной линии генератора благоприятно уменьшает проблемы, связанные с проводами, так как любой провод можно соединить с любым другим проводом. Это облегчает установку, особенно в прибрежной промышленности.
Из приведенной ранее формулы можно сделать заключение, что площадь пассивного электрода может быть минимизирована при работе на более высоких частотах возбуждения, тем самым потенциально ограничивая площадь/объем уязвимой электроники. Однако для того, чтобы через "субнагрузку" протекал большой эффективный ток (т.е. ток через одну из множества нагрузок 25a, 25b, 25c, показанных на фиг. 10 и 11), площадь поверхности пассивного электрода будет по-прежнему иметь определенный размер. К счастью, не имеет значения, разрывается ли площадь при повреждении, потому что разрыв вряд ли уменьшит площадь его поверхности. Это проиллюстрировано на фиг. 12A, показывающей схему локально разрезанного сегментированного второго электрода 7b, в том виде, как он используется в варианте осуществления устройства электрического питания, в котором разрезы 70 практически не влияют на эффективную площадь пассивного электрода.
Только тогда, когда площадь поверхности пассивного электрода уменьшена, как это проиллюстрировано на фиг. 12B, показывающей схему поврежденных сегментированных вторых электродов 7b, 7c, светодиодный выход светодиодов в субнагрузках 25b, 25c становится пониженным, что нежелательно. Следовательно, для существенно поврежденной площади пассивного электрода эта площадь затронута значительно. При установке резисторов общей нагрузки часть потери площади может быть скомпенсирована ближайшими "соседями", при этом величина R определяет, сколько соседних резисторов могут компенсировать имеющую место потерю площади и в какой степени (функционально, разомкнутые или короткозамкнутые).
Чтобы устранить пассивное повреждение электрода, могут быть установлены резисторы 26а, 26b общей нагрузки, соединяющие параллельно один или более смежных пассивных субэлектродов 7a, 7b, 7c, как это также показано на фиг. 12B. Одной из выгод, связанных с установкой резисторов 26a, 26b общей нагрузки является то, что в случае отсутствия повреждения нет существенных различий между смежными субэлектродами 7a, 7b, 7c, и, следовательно, в нагрузочных резисторах 26a, 26b вряд ли происходит хоть какое-либо рассеяние мощности. Когда случается повреждение, часть тока поврежденного светодиода может переноситься соседними субэлектродами 7a, 7b, 7c. Насколько возможно их совместное участие в этом, зависит от величины резисторов 26a, 26b общей нагрузки. Для малой величины резисторов 26a, 26b общей нагрузки допускается отсутствие значительной части площади пассивного электрода. Однако если в одном или более из "соседей" также случится короткое замыкание, то может протекать слишком большой ток короткого замыкания. Когда величина резисторов 26a, 26b общей нагрузки слишком велика, вряд ли возможна компенсация отсутствия электрода. Следовательно, объективная оценка возможности общего использования нагрузки в 10-40% представляется как разумная. В случае тока УВС-светодиода в 20 мА разумными являются величины резисторов общей нагрузки примерно в 1-4 кОм, но эта величина данным диапазоном не ограничена.
Как отмечалось выше, если площадь локального активного электрода (то есть первого электрода) рассчитана на допущение максимального тока, величиной, равной или близкой к величине тока УВС-светодиода, то в субнагрузках допустимо короткое замыкание без значительного влияния на их функциональных соседей (с резистором общей нагрузки или без него). Следовательно, в том случае, когда оба - и положительный, и отрицательный выводы локального источника питания постоянного тока при повреждении оголяются, уменьшается и величина "электрохимического" тока, тогда как его локализация ограничена площадью повреждения. Поскольку оголенные выводы со временем будут растворяться, интенсивность электрохимической реакции со временем также уменьшится, если не прекратится полностью в результате растворения материала.
Удовлетворительные результаты могут быть получены, например, для частот возбуждения в диапазоне от 0,1 до 100 МГц. При обрыве, например, провода 1b питания будет идти электрохимическая реакция переменного тока, и будет происходить коррозия. Поэтому требуется контроль повреждений. В данном случае существует еще одно преимущество высокой частоты (при, примерно, более 20 кГц) генератора. Если провод 1b питания (провод питания подает питание переменного тока и, следовательно, порождает электрохимическую реакцию переменного тока, внутри нагрузки переменный ток преобразуется в постоянный ток, и происходит электрохимическая реакция постоянного тока, но лишь локально) оголен в морской воде, то этот провод питания и корпус судна будет попеременно работать как анод и катод. Однако для высоких частот это не имеет значения, поскольку продукты электрохимической реакции будут присутствовать у обоих электродов и в стехиометрических количествах для симметричного напряжения возбуждения. Еще более важно, что вследствие кинетики образования пузырьков газа к моменту изменения полярности напряжения эти пузырьки будут все еще маленькими. Поэтому будет происходить их самовоспламенение и, таким образом, - самоуничтожение. Этот процесс генерирует тепло, но при этом количество свободных продуктов отходов резко уменьшено.
Другим преимуществом предложенного решения является то, что замыкание электрической цепи осуществляется областью пассивного электрода, последовательной либо с электропроводящей морской водой ниже ватерлинии, либо с непроводящим воздухом над ватерлинией. Следовательно, нагрузки над ватерлинией являются нагрузками с самоуменьшающейся светимостью. При этом помимо проводимостей разными являются также и диэлектрические постоянные сред выше и ниже ватерлинии, и в этом случае результирующий эффект "работает в нужном направлении". Таким образом, можно сделать так, чтобы электрические нагрузки, находящиеся выше ватерлинии, могли пассивно уменьшать свою светимость в зависимости от связывающего отношения между корпусом судна и окружением в виде морской воды или воздуха, тем самым экономя электроэнергию и одновременно уменьшая количество УФС излучения, испускаемого во внешнее окружение над ватерлинией. При необходимости, построив схему активного обнаружения, светодиоды можно будет даже полностью отключать. Различные варианты осуществления описывают разные средства и способы достижения этого (например, с использованием различных толщин диэлектриков, различных материалов, двухуровневых пассивных электродов, обходного отверстия к корпусу, который может быть мокрым или нет, и т. д.).
В соответствии с одним объектом настоящего изобретения все нагрузки последовательно соединены с генератором (источником питания переменного тока), который заканчивается пассивным заземлением. Преимущество этой схемы заключается в том, что при этом весь ток, протекающий от пассивного электрода на "землю", протекает также и через сумму субнагрузок. Эффективность или передача мощности этой схемы определяется соотношением энергии, потребляемой всеми субнагрузками, и той энергии, которая рассеивается (последовательно с нагрузками) окружающей средой на пассивном заземляющем электроде. Когда внешнее окружение является хорошо проводящим (низкое последовательное удельное сопротивление), что имеет место для морской воды и корпуса судна, потери мощности низки. Это обусловлено тем, что корпус судна толстый, имеет большую площадь поверхности и выполнен из стали с хорошей электрической проводимостью, тогда как резистивные потери в морской воде малы из-за ее довольно высокой электрической проводимости. Корпус судна, по сути, плавает в бесконечной жидкой матрице трехмерных резисторов. Кроме того, все резистивные электрические пути к "земле" параллельны, что приводит к очень низкому эффективному сопротивлению. Кроме всего прочего, это сопротивление является самоадаптирующимся в результате того, что морская вода - и при движении судна, и при его неподвижном состоянии - следует контурам его корпуса, а также приспосабливается к различному положению ватерлинии из-за изменения нагрузки (посредством грузовой или балластной воды или и той, и другой). Таким образом, при любых обстоятельствах эффективность предлагаемого устройства электропитания является высокой и оптимальной.
Имея в виду ожидаемые вклады корпуса судна и морской водой с низким уровнем потерь, наиболее важными, таким образом, являются диэлектрические свойства диэлектрического слоя поверх сегментированных пассивных электродов. Потери, связанные с этим слоем, могут быть очень низкими, когда используется, например, силикон. Использование силикона является выгодным еще и потому, что он является прозрачным для УФС излучения и блокирующим воду и соль.
Другой аспект настоящего изобретения относится к потенциальному разрыву общей линии подачи электроэнергии (то есть провода 1b подачи электропитания) и к ее последующей открытости по отношению к морской воде. Хотя такой разрыв приведет к тому, что подсоединенные далее к нему нагрузки станут неработоспособными, количество энергии, выбрасываемой в морскую воду, и время, в течение которого такой выброс будет происходить, может быть сведено к минимуму. Это можно сделать посредством оптимизации его физических размеров, а также интенсивности его эрозии при нахождении в воде. Поэтому общую линию электропитания, предпочтительно, выполняют в виде тонкой и широкой полоски, а не в виде толстого круглого провода. Кроме того, могут использоваться ковкие материалы, такие как золото, серебро, медь и алюминий, которые можно легко разрезать и разрывать. Из этих материалов наиболее предпочтительным материалом является алюминий, так как алюминий растворяется также и в кислотном и в основном окружении. Таким образом, когда происходит электрохимическая реакция, алюминий будет растворяться намного быстрее, чем большинство других материалов, в то время как он по-прежнему остается хорошим электрическим проводником. Кроме того, растворение алюминия по самой своей природе ускоряют и газообразный хлор, и ионы. Следовательно, площадь поверхности обнаженной полоски или ее поперечное сечение будет быстро сокращаться, тем самым быстро уменьшая количество энергии, выбрасываемой в окружающую морскую воду.
Более того, алюминий имеет низкую температуру плавления, что позволяет встраивать в саму линию электропитания один или более плавких предохранителей. К тому же, алюминий, что благоприятно, является очень хорошим отражателем УФС-излучения. Таким образом, и линию электропитания, и пассивные электроды, предпочтительно, изготавливают из (листового) алюминия. Кроме того, алюминий позволяет осуществлять (проволочное) соединение электронных компонентов без необходимости в использовании припоя, и его можно сваривать лазером. Поэтому возможно полное интегрирование всех электронных компонентов в светодиодную полоску с излучением в диапазоне УФС, имеющую также пассивные сегментированные электроды. Кроме того, светодиодные полоски легко можно прикреплять к изогнутым и профилированным поверхностям, и их можно изготавливать очень длинными. Следовательно, в одном из вариантов осуществления может использоваться светодиодная лента или светодиодная наклеиваемый элемент. Далее, толщину подложки наклеиваемого элемента можно легко регулировать по большим площадям и длинам, и поэтому с небольшим усилием можно устанавливать емкость по отношению к корпусу (площадь электродов 3 и 7, нанесенная непосредственно на верхнюю часть держателя).
Если используется светодиодная лента или светодиодный наклеиваемый элемент только с одним проводом питания, то оставшаяся часть противодействующей обрастанию плитки (то есть нагрузочного устройства) может содержать «пассивную» плитку, содержащую только световод УФС-диапазона, оптически подключенный к светодиодной полоске. Это может быть плитка с защелкой (световод, проходящий над светодиодной полоской) или пластиной световодного материала, заполняющей зазор между соседними светодиодными полосками, или же может содержать множество более мелких плиток, заполняющих пространство между светодиодными полосками. Преимущество заключается в том, что световоды могут быть отрезаны под размер, чтобы заполнить зазор, не повреждая светодиодные полосы. Оптическая связь между световодными элементами и светодиодными полосками может быть выполнена по воздуху, (морской) воде или посредством силикона.
Вообще говоря, соединительный провод 1c может быть соединен со вторым электродом 7 напрямую (гальванически), или же он может заканчиваться в воде, так что при этом соединение между соединительным проводом 1c и вторым электродом 7 осуществляется через воду, что особенно благоприятно в случае использования "наклеечного" решения относительно размещения нагрузочного устройства. Эти разные решения должны обозначаться пунктирной линией между концом соединительного провода 3 и вторым электродом 7 (в частности, на фиг. 8 и 9). Кроме того, второй электрод 7, предпочтительно, непосредственно подсоединен к нагрузке 2, то есть, обычно между выводом 2b нагрузки и вторым электродом 7 нет (длинного) соединения.
Далее будут описаны другие варианты осуществления.
Фиг. 13 показывает вид сбоку (фиг. 13A) и вид сверху (фиг. 13B) одной практической реализации устройства 106 электропитания по настоящему изобретению в сценарии применения предупреждения обрастания, которая подобна шестому варианту осуществления по фиг. 10 и фиг.11. В этом варианте осуществления предусмотрен один тонкий и широкий провод 3 подачи питания (представляющий первый электрод), проведенный поверх одной или более диэлектрических (адгезивных) подложек 40 (часть которых представляет диэлектрический слой 4), причем, этот один провод 3 питания (подсоединенный к выводу 1b переменного тока напрямую или посредством внешнего элемента 11 (морская вода)), предпочтительно, выполнен из листового алюминия и передает напряжение, модулированное высокочастотным генератором переменного тока (не показан). Этот единственный провод 3 питания гальванически подсоединен ко множеству нагрузок 25a, 25b, 25c, соединенных между собой параллельно, включая, например, локальные источники питания постоянного тока, выполненные в виде моста 23 Гретца и светодиодов 24, как это показано на фиг. 9 или 12. Каждая нагрузка 25a, 25b, 25c заканчивается ограничивающим ток пассивным заземляющим электродом 7a, 7b, 7c.
Через мост 23 Гретца каждой нагрузки 25a, 25b, 25c может быть включен один или более электронных компонентов, таких как УФС-светодиоды, интегральные микросхемы и/или другие электронные схемы и модули. Вся сборка, предпочтительно, заключена в прозрачную непроницаемую для воды и соли оболочку 41, выполненную, например, из силикона.
Провод 3 подачи питания (представляющий первый электрод) может быть оснащен одним или более встроенными плавкими предохранителями 26 (например, выполненными из полоски алюминия) и водонепроницаемым изолированным креплением провода подачи электропитания. В случае повреждения провода безопасность обеспечивается предохранителем. Это проиллюстрировано на фиг. 14, показывающей вид сверху другой практической реализации устройства 107 электропитания в соответствии с настоящим изобретением в сценарии применения предупреждения обрастания.
В другом варианте осуществления области 7а, 7b, 7с пассивного электрода также могут быть выполнены из листового алюминия. Кроме того, области пассивного электрода могут быть выполнены таким образом, что при этом могут быть получены множественные значения емкости, зависящие от электрических и диэлектрических свойств окружающей среды. Это может быть, например, различные толщины диэлектриков с верхней и с нижней стороны пассивного электрода или два разных диэлектрических материала (например, один хорошо прилипает, а другой имеет лучшую УФ прозрачность), или же это может быть расположенный сверху локально утонченный диэлектрический материал с отверстием, который может быть мокрым от морской воды. Другим примером является пассивный электрод, "расщепленный" на две или более соединенных между собой частей, при этом одна или более частей приподняты в плоскости относительно с другой части, близкой к несущей подложке. Далее, может быть использована описанная выше обратная конфигурация этих вариантов. Еще один вариант осуществления может содержать пневматический или поворотный пассивный электрод или находящуюся ниже или выше пассивного электрода полость, что позволяет регулировать локальную высоту и/или положение диэлектрического материала. Это всего лишь примеры вариантов, которые можно использовать для настройки индивидуальных составляющих со стороны верхней и нижней половины пассивного заземляющего электрода с целью автоматического уменьшения светимости локальных светодиодов в зависимости от диэлектрических и электрических свойств окружающей среды.
В еще одном варианте осуществления светодиодная полоска 25а, 25b может быть оптически расширяемой посредством дополнительного световода, например, выполненного в виде рулона 27а, плитки 27b или любой другой, но прозрачный к УФС излучению увеличивающийся световод, как показанный на фиг. 15. Такие плитки могут быть повреждены и/или утеряны при ударе, но при необходимости могут быть легко заменены.
Другие применения, отличные от использования на внешней поверхности корпуса судна, включают строения, находящиеся под водой или рядом с водой, такие как причал, мостовой опоры или ветряная электростанция и т. д.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и детально описано на чертежах и вышеприведенном описании, такая иллюстрация и такое описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные, а не ограничительные: изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Специалистами в данной области при практической работе с заявленным изобретением, в результате изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения могут быть придуманы и реализованы другие модификации раскрытых вариантов осуществления.
В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а признаки единственного числа не исключают множественности. Один элемент или другое устройство может выполнять функции нескольких позиций, перечисленных в формуле изобретения. Тот простой факт, что некоторые меры перечислены во взаимно зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что для получения положительного результата не может быть использована комбинация этих мер.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие его объем.
Ниже следует перечень дополнительных вариантов осуществления и объектов изобретения.
С1. Морская конструкция, содержащая
- поверхность (50) и
- нагрузку (2, 20, 21, 22, 25), имеющую первый вывод (2а) нагрузки и второй вывод (2b) нагрузки, предназначенной для запитывания от источника (1) питания переменного тока, при этом упомянутый источник (1) питания переменного тока имеет первый вывод (1a) переменного тока, электрически соединяемый с поверхностью (50) и второй вывод (1b) переменного тока.
- первый электрод (3), электрически подсоединенный к первому выводу (2а) нагрузки, и
- диэлектрический слой (4),
в которой первый электрод (3) и диэлектрический слой (4) выполнены с возможностью образования в комбинации с поверхностью (50) конденсатора (6) для емкостной передачи электроэнергии между первым электродом (3) и поверхностью (50),
в которой второй вывод (1b) переменного тока и второй вывод (2b) нагрузки выполнены с возможностью электрического подсоединения ко второму внешнему электропроводящему элементу (10, 11), изолированному от поверхности (50), и
в которой первый вывод (2а) нагрузки электрически изолирован от второго вывода (2b) нагрузки.
С2. Морская конструкция по варианту осуществления С1, в которой поверхность (50) является внешней поверхностью.
С3. Морская конструкция по варианту осуществления С2, в которой поверхность (50) по меньшей мере частично является корпусом судна.
С4. Морская конструкция по варианту осуществления С1, дополнительно содержащая источник (1) питания переменного тока для питания упомянутой нагрузки.
С5. Морская конструкция по варианту осуществления С1, дополнительно содержащая носитель (80), несущий нагрузку (2), первый электрод (3) и диэлектрический слой (4), и выполненная с возможностью установки на корпусе (50) судна.
С6. Морская конструкция по варианту осуществления С1, дополнительно содержащая второй электрод (7), электрически подсоединенный к нагрузке (2) и выполненный с возможностью электрического соединения с источником (1) питания переменного тока.
С7. Морская конструкция по варианту осуществления С1,
в которой нагрузка (2) выполнена с возможностью электрического соединения со вторым внешним электропроводящим элементом (10, 11), который является водой, в частности, морской водой.
С8. Морская конструкция по варианту осуществления С1,
дополнительно содержащая электропроводящий токонаправляющий элемент (12), расположенный в пределах второго внешнего элемента (10, 11) или прикрепленный к нему, и вывод (2) нагрузки.
С9. Морская конструкция по варианту осуществления С1,
дополнительно содержащая линию (1d) электропитания постоянного тока, расположенную в пределах второго внешнего элемента (10) или прикрепленную к нему.
С10. Морская конструкция по варианту осуществления С1,
дополнительно содержащая кожух (8), вмещающий в себя нагрузку (2, 20, 21, 22), первый электрод (3) и диэлектрический слой (4).
С11. Морская конструкция по варианту осуществления С1,
содержащая множество нагрузок (25a, 25b, 25c), чьи первые выводы нагрузки включены параллельно общему первому электроду (3) или отдельным первым электродам (3a, 3b, 3c), и чьи вторые выводы нагрузки включены параллельно общему второму электроду (7), отдельным вторым электродам (7a, 7b, 7c) или второму внешнему элементу (10, 11).
С12. Морская конструкция по варианту осуществления С1,
в которой нагрузка (20, 21, 22) содержит источник света, в частности, светодиод или УФ светодиод.
С13. Морская конструкция по варианту осуществления С1,
в которой нагрузка (22) содержит схему (23) диодного моста, при этом источник (24) света, включен между средними точками (23a, 23b) этой схемы (23) диодного моста.
С14. Морская конструкция по варианту осуществления С1,
в которой нагрузка (21) содержит первый светодиод (21а) и второй светодиод (21b), включенные антипараллельно друг другу.
С15. Морская конструкция по варианту осуществления С1,
в которой корпус (50) судна покрыт множеством носителей (80), и в которой обеспечено множество источников (1) питания переменного тока, причем, каждый выполнен с возможностью питания нагрузок двух или более носителей (3).
А1. Нагрузочное устройство для использования в устройстве электрического питания, и для размещения на первом внешнем электропроводящем элементе (5, 50), при этом упомянутое нагрузочное устройство содержит
- нагрузку (2, 20, 21, 22, 25), имеющую первый вывод (2а) нагрузки и второй вывод (2b) нагрузки, предназначенную для запитывания посредством источника (1) питания переменного тока,
- первый электрод (3), электрически подсоединенный к первому выводу (2а) нагрузки, и
- диэлектрический слой (4),
в котором первый электрод (3) и диэлектрический слой (4) выполнены с возможностью образования в комбинации с первым внешним электропроводящим элементом (5, 50) конденсатора (6) для емкостной передачи электрической энергии между первым электродом (3) и первым внешним элементом (5, 50),
в котором по меньшей мере один из конденсатора (6) и второго вывода (2b) нагрузки выполнен с возможностью передачи электроэнергии сквозь воду (10, 11) с образованием электрического пути через воду (10, 11) между источником (1) питания переменного тока и соответствующим одним из конденсатора и второго вывода (2b) нагрузки, и
в котором первый вывод (2а) нагрузки электрически изолирован от второго вывода (2b) нагрузки.
А2. Нагрузочное устройство по варианту осуществления А1,
в котором первый внешний электропроводящий элемент (5, 50) выбран из группы электрически проводящих элементов, содержащих воду, в частности, морскую воду, окружающий объект, в частности, часть строения или транспортного средства, и объект инфраструктуры.
А3. Нагрузочное устройство по варианту осуществления А1,
в котором первый внешний электропроводящий элемент (5, 50) является морской конструкцией, и в котором второй вывод (2b) нагрузки имеет электрическое соединение с водой (10, 11) с образованием электрического пути через воду (10, 11) между источником (1) питания переменного тока и вторым выводом (2b) нагрузки, и
в котором источник (1) питания переменного тока прикреплен к морской конструкции (5), и этот источник (1) питания переменного тока имеет электрическое соединение с водой (10, 11) для замыкания электрического пути через воду (10, 11) между источником (1) питания переменного тока и вторым выводом (2b) нагрузки.
А4. Нагрузочное устройство по варианту осуществления А3,
в котором второй вывод (2b) нагрузки и источник (1) питания переменного тока имеют емкостное электрическое соединение с водой (10, 11).
А5. Нагрузочное устройство по варианту осуществления А3,
в котором второй вывод (2b) нагрузки и источник (1) питания переменного тока имеют резистивное электрическое соединение с водой (10, 11).
А6. Нагрузочное устройство по варианту осуществления А1,
в котором первый внешний электропроводящий элемент (5, 50) является водой, и
в котором конденсатор выполнен с возможностью передачи электроэнергии через воду (10, 11) с образованием электрического пути через воду (10, 11) между источником (1) питания переменного тока и конденсатором.
А7. Нагрузочное устройство по варианту осуществления А1,
дополнительно содержащее электропроводящий токонаправляющий элемент (12), предназначенный для расположения в пределах второго внешнего элемента (10, 11) или прикрепления к нему, и нагрузку (2) для уменьшения сопротивления электропроводящего пути нагрузочного устройства.
А8. Нагрузочное устройство по варианту осуществления А7,
в котором направляющий элемент (12) выполнен с возможностью расположения в упомянутой воде (10, 11) и/или прикрепления к нагрузочному устройству.
А9. Нагрузочное устройство по варианту осуществления А1,
содержащая множество нагрузок (25a, 25b, 25c), чьи первые выводы нагрузки подсоединены параллельно общему первому электроду (3) или отдельным первым электродам (3a, 3b, 3c), и чьи вторые выводы нагрузки подсоединены параллельно общему второму электроду (7), отдельным вторым электродам (7a, 7b, 7c) или упомянутой воде (10, 11).
А10. Нагрузочное устройство по варианту осуществления А3, в котором первый внешний элемент (5) является корпусом судна.
А11. Нагрузочное устройство по варианту осуществления А3, в котором первый внешний элемент (5) является электродом, встроенным в электрически непроводящую морскую конструкцию или соединенным с ней
А12. Нагрузочное устройство по варианту осуществления А1,
в котором нагрузка (20, 21, 22) содержит источник света, в частности, светодиод или УФ светодиод или включает в себя первый светодиод (21а) и второй светодиод (21b), включенные антипараллельно друг другу.
А13. Нагрузочное устройство по варианту осуществления А1,
в котором нагрузка (22) содержит схему (23) диодного моста, при этом источник (24) света, включен между средними точками (23a, 23b) схемы (23) диодного моста.
А14. Устройство электрического питания для питания нагрузки, упомянутое устройство электрического питания содержит
- источник (1) питания переменного тока и
- нагрузочное устройство по любому из предшествующих вариантов осуществления с А1 по А13.
А15. Система, содержащая
- нагрузочное устройство по любому из предшествующих вариантов осуществления с А1 по А13,
- систему защиты созданного катодного тока (ICCP) и
- блок управления для управления упомянутой нагрузкой и системой ICCP, так, чтобы они работали совместно.
А16. Морская конструкция, имеющая внешнюю поверхность, содержащую нагрузочное устройство по любому из предшествующих вариантов осуществления с А1 по А13, причем упомянутое нагрузочное устройство прикреплено к упомянутой внешней поверхности.
А17. Способ установки нагрузочного устройства по любому из предшествующих вариантов осуществления с А1 по А13 на внешней поверхности морской конструкции.
А18. Использование нагрузочного устройства по любому из предшествующих вариантов осуществления с А1 по А13 для установки на внешней поверхности морской конструкции, в частности, для предотвращения биологического обрастания внешней поверхности.