СПОСОБ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ УДАЛЕННЫХ НАГРУЗОК И СИСТЕМА ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DISTRIBUTION AND TRANSMISSION OF ELECTRICAL ENERGY FOR REMOTE LOADS AND SYSTEM FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Область техники
Настоящее изобретение относится к энергетическим системам. Более конкретно, настоящее изобретение представляет собой систему для передачи оптической энергии в удаленное место для последующего преобразования передаваемой оптической энергии в другую форму энергии, такую как тепло и электричество, в частности для использования на удаленных от источников энергии объектах.
Уровень техники
Задача передачи энергии от источника к потребителю на сегодняшний день является достаточно актуальной. Наряду с классическими способами распределения энергии, посредством линий электропередач, передающий непосредственно электрический ток, используются и иные способы передачи различных видов энергий. Один из способов передачи энергии на расстояние без использования непосредственных соединительных линий является передача СВЧ излучения и прием его на стороне потребителя и преобразование его в электричество. Ведение деятельности за пределами Земной атмосферы на объектах Солнечной системы связано с созданием инфраструктуры по энергообеспечению хозяйственных, промышленных и научно-исследовательских объектов. На ряду со множеством способов по добыче энергии в усовиях космического пространства и на объектах Солнечной системы, существует необходимость в ее надежном распределении по пользователям.
Известен патент на изобретение CN 104539062 A «Система и способ выработки и распределения электроэнергии», включающая один или несколько передатчиков СВЧ-излучения в местах расположения на Земле в районах расположения топливных и энергетических ресурсов. Топливо преобразуется в электричество на месте расположения, а затем электричество преобразуется в пучки СВЧ-излучения, передаваемые от передатчика СВЧ к спутнику-распределителю на орбите Земли. Затем спутник-распределитель посылает один или несколько микроволновых лучей на ректенны, расположенные в странах-потребителях в соответствующих местах для питания энергосистемы, или на дополнительные спутники-распределители для направления на ректенны, расположенные на другой стороне Земли.
Известен патент на изобретение JP 4478031 B2 «Космическая система выработки электроэнергии» вклющая в себя множество элементов космической энергетической системы и систему управления. Один или несколько элементов системы выработки электроэнергии свободно плавают в космическом пространстве. Система управления поддерживает массив свободно плавающих элементов. Множество элементов расположены так, чтобы иметь возможность собирать солнечный свет, электрическая энергия создается из собранного солнечного света, и электрическая энергия может быть передана в заданное место. Солнечный свет при этом передается непосредственно и попадает на солнечную батарею, электрическая энергия передается путем преобразования в СВЧ-излучение. Недостатком данного изобретения является низкая плотность солнечного света, который можно передать на расстояние и использование СВЧ-излучаетелей, что требует большие площади в приеме и преобразования данного излучения в электричество.
Известно изобретение RU91224U1 «Энергетическая космическая система для энергоснабжения в полете космических аппаратов», которая включает, расположенные на КА источнике энергии, энергоустановку (ЭУ), электрохимические генераторы, емкость для хранения воды, емкость для хранения водорода, емкость для хранения кислорода, при этом входы электрохимических генераторов сообщены, по водороду - с емкостью для хранения водорода, по кислороду - с емкостью для хранения кислорода, а выход электрохимических генераторов по воде сообщен с емкостью для хранения воды, при этом выходы емкости для хранения водорода и емкости для хранения кислорода КА источника энергии, во время стыковок КА источника энергии и КА потребителя энергии, через разъемные соединения сообщаются, соответственно, с входами емкости для хранения водорода и емкости для хранения кислорода КА потребителя энергии, а вход емкости для хранения воды КА источника энергии также через разъемные соединения сообщается с выходом емкости для хранения воды КА потребителя энергии.
Недостатком данного изобретения является то, что в нем не предусмотрена возомжность передачи энергии от источника энергии на удаленный объект, энергоснабжения которого подразумевает непосредственное подключение к токопроводящим линиям космического аппарата.
Наиболее близким аналогом можно считать патент на изобретение US 20180136408 А1 «Оптическая система передачи и преобразования энергии для планетарного Ровера, имеющая установленный на нем барабанный волоконный шпуль» содержащая волоконную катушку и систему производства электрической энергии, соединенную с катушкой оптическим волноводом. Оптическая энергия генерируется и передается от базовой станции через волокно, обернутое вокруг катушки, и в конечном счете поступает в систему преобразования энергии на удаленной подвижной платформе для преобразования в другую форму энергии. Волоконная катушка может находиться на удаленной подвижной платформе, которая может быть транспортным средством или устройством, которое либо самоходно, либо перевозится вторичной подвижной платформой либо на суше, под водой, в воздухе или в космосе.
Ведение хозяйственной деятельности на объектах Солнечной системы связано с перемещением, транспортировкой грузов, грунта и иных материалов, что может быть связано как и с падением оных, так и попытками достаточно непредсказуемой траекторией движения транспортной платформы избежать аварийной ситуации, при этом может быть нарушена целостность оптоволокна по которому подается энергия на транспортную платформу, что может привести к ее потере. Потому как деятельность даже одной платформы при использовании непосредственного контакта с источником энергии достаточно затруднительная, при использовании нескольких транспортных платформ на одной территории может привести к запутыванию и обрыве энергетических связей. Недостатками данного изобретения является отсутствие резервного источника питания на подвижной платформе. Низкая надежность энергоснабжения транспортной платформы при использовании непосредственного контакта транспортной платформы с источником энергии.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является надежное обеспечение энергией удаленного потребителя, находящегося в стационарном состоянии, а также удаленного передвижного потребителя.
Технический результат заявленного изобретения заключается в создании комплекса с системой распределения электроэнергии, и преобразовании энергии в лазерное излучение, с передачей его на приемную поверхность преобразователя тепловой энергии в электрическую, при этом необходимая температура горячей стороны преобразователя поддерживается лазерным излучением.
Для достижения указанного технического результата предлагается система распределения и передачи электроэнергии для удаленных нагрузок включающая систему производства и распределения электрической энергии, устройство генераторации лазерного излучения, систему приема и преобразования электроэнергии на удаленной платформе при этом система производства электрической энергии посредством токопроводящих линий, соединена с по меньшей мере тремя преобразователями мощности, которые соединены токопроводящими линиями с, по меньшей мере, одним устройством генерации лазерного излучения, полезной нагрузкой и электролизером который посредством трубопровода соединен с емкостью для хранения водорода, посредством трубопровода с емкостью для хранения кислорода, посредством трубопровода с емкостью для хранения воды, соединеной с заправочно-сливным трубопроводом и посредством трубопровода с топливным элементом, который посредством системы теплопередачи и токопроводящей линии соединен с полезной нагрузкой, соединенной посредством газопровода с емкостью для хранения кислорода и посредством трубопровода с емкостью для хранения воды, при этом топливный элемент посредством трубопроводов соединен с трубопроводом, подключеным к емкости для хранения водорода и трубопроводом, который подключен к емкости для хранения кислорода, к газопроводу подключен газопровод, соединенный со станцией заправки кислородом с заправочным каналом, так же к газопроводу подключен газопровод, который соединен со станцией заправки водородом с заправочным каналом, устройство генерации лазерного излучения не содержит оптоволоконных катушек и соединенно с системой слежения за объектом передачи энергии.
Так же предлагается способ распределения и передачи электроэнергии для удаленных нагрузок заключающийся в вырабатывании электрической энергии, распределении ее по токопроводящим линиям высокого напряжения, преобразовании под параметры необходимые для работы лазера с системой охлаждения, генеририровании лазерного луча, передаче электроэнергии на тепловой аккумулятор транспортной платформы, с последующим преобразованием тепловой энергии в электрическую, при этом электроэнергия от системы производства электрической энергии преобразуется под требования полезной нагрузки и поступает на нее, в период избытка электроэнергии от системы производства электрической энергии электроэнергия преобразуется под параметры работы электролизера и поступает на него, передача электроэнергии на тепловой аккумулятор транспортной платформы осуществляеться посредством лазерного луча и системы слежения за объектом передачи электроэнергии.
В предпочтительном варианте:
удаленная платформа содержит обратимый топливный элемент и электролизер соединеный с баллонами водорода, кислорода и с емкостью для хранения воды.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что: потребитель гарантированно получает энергию от источника, находясь при этом на расстояния от источника, не имея при этом с источников непосредственной проводной связи.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами:
На фиг. 1 показана схема системы распределения и передачи электроэнергии для удаленных нагрузок, позициями обозначены:
1 - система производства электрической энергии
2-6 - устройство преобразования напряжения
17, 20, 23 - система охлождения лазера
18, 21, 24 - лазер
19, 22, 25 - система слежения за объектом передачи энергии.
42, 43 - транспортная платформа
44 - удаленная нагрузка
27 - электролизер
28 - емкость для хранения водорода
26 - емкость для хранения кислорода
29 - емкость для хранения воды
31 - станция заправки водородом
32 - станция заправки кислородом
33 - топилвный элемент
34 - полезная нагрузка
45-47 - лазерный луч
7-14, 15, 16, 36 - токопроводящие линии
37, 38, 39, 40, 60, 61 65, 64 - газопровод
35, 41, 62, 63 - трубопровод
30 - заправочно/сливной трубопровод
58, 59 - заправочный канал
На фиг. 2 показана транспортная платформа, позициями обозначены:
48 - тепловой аккумулятор
49 - преобразователь тепловой энергии в электрическую
50 - аккумуляторная батарея
51 - баллон с кислородом
52 - баллон с водородом
53 - топливный элемент
54 - емкость для хранения воды
55 - кабина пилота
56 - система жизниобеспечения
57 - электроприводное мотор-колесо
На фиг. 3 показан вариант системы распределения и передачи электроэнергии позициями обозначены:
1 - система производства электрической энергии
42 - транспортная платформа
44 - удаленная нагрузка
18 - лазер
27 - электролизер
33 - топилвный элемент
28 - емкость для хранения водорода
26 - емкость для хранения кислорода
29 - емкость для хранения воды
31 - станция заправки водородом
32 - станция заправки кислородом
34 - полезная нагрузка
Осуществление и примеры реализации изобретения
Заявляемое техническое решение состоит из системы производства электрической энергии которая может быть представлена солнечной батареей, ядерной энергетической установкой, генераторной установкой на основе двигателя внутреннего сгорания, топливным элементом работающим на водороде или водородосодержащем топливе, системы распределения электроэнергии фиг. 1 и, по меньшей мере 1 устройства приема электроэнергии например -транспортной платформы фиг. 2.
Система производства электрической энергии 1 фиг. 1 посредством токопроводящих линий 7-11, соединена с устройствами преобразования мощности 2-6, которые соединены с токопроводящими линиями 10-14. К токопроводящей линии 12 подключен лазер 18 - устройство генерации лазерного излучения, система охлаждения лазера 17, система слежение за объектом передачи энергии 19. К токопроводящей линии 13 подключен лазер 21, система охлаждения лазера 20, система слежение за объектом передачи энергии 22. К токопроводящей линии 14 подключен лазер 24 - устройство генерации лазерного излучения, система охлаждения лазера 23, система слежение за объектом передачи энергии 25. Преобразователь мощности 6 соединен с токопроводящей линии 16, которая подключена к полезной нагрузке 34. Преобразователь мощности 5 соединен с токопроводящей линии 15, которая подключена на электролизер 27, который посредством газопровода 64 соединен с емкостью для хранения водорода 28, посредством газопровода 65 соединен с емкостью для хранения кислорода 26, посредством трубопровода 63 соединен с емкостью для хранения воды 29. Емкость для хранения воды соединена с заправочно/сливным трубопроводом 30 и посредством трубопровода 41 соединена с топливным элементом 33, который посредством системы теплопередачи 35 и токопроводящей линии 36 соединен с полезной нагрузкой 34, которая посредством газопровода 38 соединена с емкостью для хранения кислорода 26 и посредством трубопровода 62 с емкостью для хранения воды 29. Топливный элемент 33 посредством газопровода 60 соединен с газопроводом 37, который подключен к емкости для хранения водорода 28. Топливный элемент 33 посредством газопровода 61 соединен с газопроводом 38, который подключен к емкости для хранения кислорода 26. К газопроводу 38 подключен газопровод 40, который соединен со станцией заправки кислородом 32 к которой подключен заправочный канал 59. К газопроводу 37 подключен газопровод 39, который соединен со станцией заправки водородом 31 к которой подключен заправочный канал 58.
Принимающая поверхность транспортной платформы фиг. 2 с тепловым аккумулятором 48 непосредственно соединена с преобразователем энергии 49, который посредством токопроводящих линий соединен с аккумуляторной батареей 50 и может быть соединена с обратимым топливным элементом/электролизером 53, который посредством газопроводов соединен с баллоном с водородом 52 и с баллоном с кислородом 51 и посредством трубопровода соединен с емкостью для хранения воды 54. Система жизнеобеспечения 56 посредством трубопроводов соединена с баллоном с кислородом 52 и посредством трубопровода к емкости для хранения воды 54, далее посредством трубопровода и газопровода с кабиной пилота 55. Аккумуляторная батарея 50 посредством токопроводящих линий соединена с набором мотор-колес 57.
Реализация
Как минимум одна система производства электроэнергии 1 вырабатывает электрическую энергию, которая распределяется по токопроводящим линиям высокого напряжения 7-11. По токопроводящей линии 7 энергия попадает на как минимум одно устройство преобразования напряжения 2, в котором преобразуется под параметры необходимые для работы как минимум одного лазера, системы охлаждения 17 лазера 18 и системы слежения за объектом передачи энергии 19. По токопроводящей линии 12 энергия попадает на лазер 18, систему охлаждения лазера 17 и систему слежения за объектом передачи 19. Лазер 18 закреплен на системе слежения за объектом передачи энергии 19 и производит теплообмен с системой охлаждения лазера 17. Лазер 18 генерирует луч 45, который посредством системы слежения за объектом передачи энергии 19 попадает на тепловой аккумулятор 48 транспортной платформы 42. Тепловой аккумулятор 48 транспортной платформы 42 под действием лазерного луча 45 нагревается, тем самым создавая разницу температур преобразователя тепловой энергии в электрическую 49 в качестве которого предпочтительно может использоваться двигатель Стирлинга. В преобразователе тепловой энергии в электрическую 49 вырабатывается электричество и поступает на аккумуляторную батарею 50, на систему жизнеобеспечения 56, в кабину пилота 55 и на электроприводные мотор-колеса 57 и приводит их в движение. По токопроводящей линии 8 энергия попадает на как минимум одно устройство преобразования напряжения 3, в котором преобразуется под параметры необходимые для работы как минимум одного лазера 21, системы охлаждения лазера 20 и системы слежения за объектом передачи энергии 22. По токопроводящей линии 13 энергия попадает на лазер 21, систему охлаждения лазера 20 и систему слежения за объектом передачи 22. Лазер 21 закреплен на системе слежения за объектом передачи энергии 22 и производит теплообмен с системой охлаждения лазера 20. Лазер 21 генерирует луч 46, который посредством системы слежения за объектом передачи энергии 22 попадает на тепловой аккумулятор 48 транспортной платформы 43 в которой энергия преобразуется аналогичным образом как и в транспортной платформе 42. По токопроводящей линии 9 энергия попадает на как минимум одно устройство преобразования напряжения 4, в котором преобразуется под параметры необходимые для работы как минимум одного лазера 24, системы охлаждения лазера 23 и системы слежения за объектом передачи энергии 25. По токопроводящей линии 14 энергия попадает на лазер 24, систему охлаждения лазера 23 и систему слежения за объектом передачи 25. Лазер 24 закреплен на системе слежения за объектом передачи энергии 25 и производит теплообмен с системой охлаждения лазера 23. Лазер 24 генерирует луч 47, который посредством системы слежения за объектом передачи энергии 25 попадает на удаленную нагрузку 44. Неравномерность рельефа лунной поверхности компенсируется свободным ходом системы слежения за объектом электропотребления 19, 22, 25 по вертикали и по горизонтали. В случае возникновения ситуации, при которой транспортная платформа 42, 43 вышла из зоны воздействия лазера 18, 21, электроприводные мотор-колеса 57, система жизнеобеспечения 56 и кабина пилота 55 получают электроэнергию от аккумуляторной батареи 50 и топливного элемента 53, который вырабатывает ее посредством соединения газа водорода из баллона с водородом 52 и газа кислорода из баллона с кислородом 51, в результате реакции также образуется вода, которая из топливного элемента посредством трубопровода отправляется в емкость для хранения воды 54 и в систему жизнеобеспечения 56 и в кабину пилота 55. После того как транспортная платформа 42,43 вошла в зону видимости лазера 18, 21 электропитание электроприводных мотор-колес 57 возобновляется преимущественно от преобразователя тепловой энергии в электрическую 49. После выполнения необходимой деятельности транспортная платформа 42, 43 из емкости для хранения воды 54 сливает воду посредством заправочно/сливной трубопровода 30 воду в емкость для хранения воды 29. Затем через заправочный канал 58 заправляется водородом, который наполняется баллон с водородом 52 и через канал для заправки 59 заправляет кислородом баллон с кислородом 51. Электроэнергия по токопроводящей линии высокого напряжения 11 поступает на как минимум одно устройство преобразования напряжения 6, где адаптируется под требования полезной нагрузки 34 и по токопроводящей линии 16 поступает на нее. В период избытка электроэнергии от системы производства электрической энергии 1 электроэнергия по токопроводящей линии высокого напряжения 10 поступает на устройство преобразования напряжения 5, где преобразуется под параметры работы электролизера 27 и поступает на него по токопроводящей линии 15. Вода хранящаяся в как минимум одной емкости для хранения воды 29 через трубопровод 63 поступает в электролизер 27, где под действием электричества расделяется на газ водород и газ кислород. Водород поступает через газопровод 64 в емкость для хранения водорода 28, кислород поступает через газопровод 65 в емкость для хранения кислорода 26. Водород по газопроводу 37 распределяется по газопроводу 39 и 60. Из газопровода 39 водород попадает на станцию заправки водородом 31, откуда в заправочный канал 58. Кислород из емкости для хранения кислорода 26 поступает в газопровод 38 по которому распределяется по газопроводам 40, 61 и поступает на полезную нагрузку 34. По газопроводу 40 кислород поступает на станцию заправки кислородом 32 откуда поступает в заправочный канал 59. Из газопровода 60 водород и из газопровода 61 кислород поступает на топливный элемент 33 в которой в случае необходимости вырабатывает электрическая и тепловая энергии, которые посредством токопроводящей линии 36 поступает и посредством трубопровода 35 поступает на полезную нагрузку 34. Вода образующаяся при выработки электричества в топливном элементе 33 поступает по трубпроводу 61 в емкость для хранения воды 29. Полезная нагрузка 34 подразумевает наличие в них жилых помещений и людей, в результате жизнедеятельности которых при потреблении кислорода образуется вода, которая конденсируется и направлятся по трубопроводу 62 в емкость для хранения воды 29.
Во время лунного дня который длится приблизительно 14 земных суток ведется деятельность при которой электрической энергии от источника энергии хватает на обеспечение деятельности транспортных платформ и ведения деятельности по добыче ресурсов и иных видов деятельности и наработки водорода и кислорода. Во время лунной ночи добытые ресурсы отправляются на Землю. Топливом для отправки является водород и кислород добытый во время лунного дня. Жизнеобеспечение полезной нагрузки и необходимая транспортная коммуникация обеспечивается засчет вырабатанного водорода и кислорода.
Система передачи и преобразования энергии для Лунной транспортной платформы может иметь но не ограничиваться 10 транспортных платформ, 10 удаленных зарядных станций и 10 различных удаленных нагрузок. В предпочтительном варианте источником электрической энергии может являться фотовольтаическая станция стационарно размещенная на поверхности космического тела, источниками энергии может являться космическая ядерная энергетическая установка. Транспортная платформа является модульной, при этом элементы 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56 могут быть сконфигурированы необходимым образом, учитывая условия эксплуатации во время лунного дня и лунной ночи. При это для лунной ночи наличие преобразователей тепловой энергии в электрическую не обязательно, при этом наличие аккумуляторной батареи и топливного элемента необходимо.
В качестве характеристики необходимого лазерного излучения для того, чтобы система могла работать по назначению можно взять параметры посвященные разработкам лазерного оружия, но информация о параметрах лазерного излучения применяемого в оружии в открытом доступе отсутствует.
В энциклопедии Министерства обороны говорится, что лазерное оружие может эффективно применяться для поражения воздушных целей на дальности до 6 км. Создание лазерного оружия потребовало разработки быстродействующей автоматизированной системы управления, которая бы обеспечивала обнаружение, опознавание, захват, сопровождение высокоскоростных целей и наведение на них лазерного луча с точностью до 1 мкрад. Точность 1 мкрад при сопровождении цели на расстоянии 6 км означает, что центр лазерного луча может перемещаться внутри окружности радиуса 3 мм.
Взаимодействие боевого лазера с объектом взаимодействия подразумевает, что необходимо произвести абляцию или расплавлению (прожигу) материала. В системе распределения электроэнергии для удаленных нагрузок требуется меньшая мощность или меньшее время экспозиции, поскольку не нужно прожигать поверхность, а достаточно лишь ее нагреть и держать температуру на определенном уровне. В таком случае лазерное излучение с тепловой мощностью лазерного пучка, которая доходит до принимающей поверхности и составляет порядка 60 кВт может быть преобразовано в электричество с учетом КПД устройства преобразования.