СИСТЕМА ПРОТИВ ОБРАСТАНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ЭНЕРГИЮ, СОБИРАЕМУЮ ИЗ СОЛЕНОЙ ВОДЫ
ANTI-FOULING SYSTEM USING ENERGY COLLECTED FROM SALT WATER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к осветительной системе против обрастания и к объекту, такому судно или подвижная конструкция для применения, в частности, в воде, содержащая упомянутую осветительную систему против обрастания. Изобретение дополнительно относится к способу защиты от обрастания обрастающей поверхности (такого объекта). Кроме того, изобретение относится к способу обеспечения осветительной системы против обрастания для объекта.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способы защиты от биообрастания известны в технике. Документ US2013/0048877, например, описывает систему для защиты от биообрастания защищаемой поверхности, содержащую источник ультрафиолетового света для генерации ультрафиолетового света; и оптическую среду, расположенную вблизи от защищаемой поверхности и сопряженную для приема ультрафиолетового света, при этом оптическая среда имеет направление толщины, перпендикулярное защищаемой поверхности, причем два ортогональных направления оптической среды, ортогональные направлению толщины, параллельны защищаемой поверхности, причем оптическая среда выполнена с возможностью обеспечения пути распространения ультрафиолетового света таким образом, что ультрафиолетовый свет распространяется внутри оптической среды в по меньшей мере одном из двух ортогональных направлений, ортогональных направлению толщины, и таким образом, что в точках вдоль поверхности оптической среды соответствующие доли ультрафиолетового света выходят из оптической среды.
В заявке WO2007/107722A1 предложен способ значительного уменьшения обрастания морскими организмами, включающий применение света в зоне около подводной поверхности, для уменьшения обрастания зоопланктоном и оболочниками. Данные морские организмы обычно ведут ночной образ жизни, чтобы избегать зрительных хищников, например, рыб. В результате, они будут избегать ярких зон. В кранцах вокруг шлюпки или подобного объекта можно обеспечивать фонари, которые могут направлять свет в зону около подводной поверхности судна. В качестве альтернативы фонари можно располагать над подводной поверхностью. Кроме того, подводную поверхность можно сделать отражающей для повышения уровней освещенности вокруг судна. В качестве дополнительной альтернативы подводная поверхность может быть покрыта био- или хемолюминесцентным покрытием.
В документе JPS5675290A устройства защиты против налипания органических веществ обеспечивают вокруг всего корпуса около ватерлинии. Каждое устройство снабжено элементом отражения ультрафиолетового света из изогнутого листа, поддерживаемого проволокой или вертикальными стержнями, и ультрафиолетовым излучателем типа ультрафиолетовой лампы, закрепленным внутри упомянутого отражательного элемента с помощью крепежного элемента, содержащего электрическую проволоку вместе с прозрачной крышкой для ограждения ультрафиолетового излучателя. Устройство также снабжено листом основания в одном корпусе с элементом отражения ультрафиолетового света и приклеивается на лист наружной обшивки корпуса через прокладку из постоянного магнита, мягкой резины или подобного материала, закрепленного на листе основания. В этой конструкции излучение ультрафиолетовых лучей вблизи ватерлинии эффективно предотвращает налипание бактериальной слизи на внешнюю поверхность корпуса.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Биообрастание или биологическое обрастание (называемое здесь также «обрастанием») представляет собой накопление микроорганизмов, растений, водорослей и/или животных на поверхностях. Многообразие видов организмов, вызывающих биообрастание, очень велико и распространяется далеко за пределы прикрепления усоногих рачков и морских водорослей. По некоторым оценкам к биообрастанию приводят свыше 1700 видов, содержащих свыше 4000 организмов. Биообрастание подразделяется на микрообрастание, которое включает в себя образование биопленки и бактериальное прилипание, и макрообрастание, которое представляет собой прикрепление более крупных организмов. Вследствие различных химического состава и биологической природы, которые определяют то, что препятствует оседанию организмов, данные организмы классифицируются также как твердый и мягкий виды обрастания. Известковые (твердые) организмы обрастания включают в себя усоногих рачков, обрастающих мшанок, моллюсков, полихетов и других трубчатых червей и полосатых мидий. Примерами неизвестковых (мягких) организмов обрастания являются ряска, гидроидные полипы, водоросли и биопленочная «слизь». Вместе взятые, приведенные организмы формируют сообщество организмов обрастания.
В некоторых обстоятельствах биообрастание создает значительные проблемы. Механизмы прекращают работать, водоприемные устройства закупориваются и корпуса судов подвергаются нарастающему сопротивлению. Следовательно, задача борьбы с обрастанием, т.е. процесс устранения или предотвращения образования обрастания широко известна. В промышленных процессах можно применять биодиспергаторы для борьбы с биообрастанием. В менее контролируемых средах организмы уничтожают или отталкивают покрытиями, использующими антисептики, тепловой обработкой или импульсами энергии. Нетоксичные механические методики, которые препятствуют прикреплению организмов, включают в себя выбор материала или покрытия со скользкой поверхностью или создание наноразмерных топологий поверхности, подобных коже акул или дельфинов, которые предоставляют лишь редкие точки привязки. Биообрастание на корпусе кораблей вызывает значительное увеличение сопротивления и, следовательно, увеличенный расход топлива. По оценкам, до 40% повышения расхода топлива может быть обусловлено биообрастанием. Поскольку крупные нефтеналивные танкеры или контейнерные суда могут потреблять топлива на 200000 евро в сутки, то с помощью эффективного способа защиты от обрастания можно получать значительную экономию.
Настоящее изобретение представляет подход на основе оптических способов, в частности, использования ультрафиолетового света (УФ). Оказывается, что большинство микроорганизмов нейтрализуется, лишается активности или теряет способность к размножению под действием достаточного количества УФ-света. Данный эффект обуславливается в основном суммарной дозой УФ-света. Типичная доза для уничтожения 90% определенного микроорганизма составляет 10 мВт-час на квадратный метр, подробные сведения содержатся в следующих параграфах, относящихся к УФ-свету, и на соответствующих фигурах.
Одна из проблем/задач состоит в подаче электропитания системе, которая обеспечивает (УФ) свет или свет против обрастания; поскольку упомянутая система находится снаружи объекта, такого как судно с (очень большим) корпусом, могут возникать осложнения, такие как:
- Высверленные отверстия для проводки от электрогенератора внутри судна к системе снаружи;
- Длина кабелей, проходящих от источника питания к действующим светодиодам;
2
2
- Любая система на основе светодиода УФ-свечения будет, вероятно, иметь некую форму мозаики для покрытия вплоть до ~10000 м (или даже до 40000 м) по всей поверхности крупнейших судов. Межсоединения между отдельными мозаичными элементами может быть сложной при выполнении;
- Необходимы как положительные, так и отрицательные электроды, которые требуют принятия мер предосторожности для предотвращения коротких замыканий; особенно в соленой воде или когда происходит повреждение.
Здесь мы предлагаем собирать необходимую энергию непосредственно из, например, соленой воды. Соленая вода в сочетании с двумя разными металлами электродов будет генерировать ток. Данный ток может питать нагрузку. На корабле данный принцип можно продуманно интегрировать в уже существующие решения катодной защиты: схему с двумя разными материалами; стальной корпус с прилагаемым, так называемым, протекторным (расходуемым) анодом, выполненным, например, из цинка. Вследствие разности электрохимического потенциала, цинковый электрод будет быстро коррозироваться; при этом стальной корпус одновременно защищается от коррозии. Мощность, генерируемая данной системой, не используется с какой-либо конкретной целью; она просто теряется. Катодная защита (КЗ) является методом, применяемым для контроля коррозии металлической поверхности при выполнении ее в качестве катода гальванического элемента. Простой способ защиты состоит в соединении защищаемого металла с легче корродирующим «протекторным металлом», который действует как анод. При этом протекторный металл коррозирует вместо защищаемого металла. При таком решении источник биообрастания на обрастающей поверхности, который может быть, в частности, жидкостью, которая по меньшей мере временно контактирует с поверхностью, можно также использовать как источник энергии для предотвращения и/или уменьшения биообрастания на обрастающей поверхности.
Следовательно, аспектом настоящего изобретения является обеспечение альтернативной осветительной системы против обрастания и/или объекта, такого как судно, содержащее такую осветительную систему против обрастания, и/или подвижная конструкция для применения в воде, содержащей такую осветительную систему против обрастания, и/или альтернативный способ защиты от обрастания элемента (такого судна или конструкции и т.п.), которые, предпочтительно дополнительно, по меньшей мере частично устраняют один или более из вышеописанных недостатков. Дополнительным аспектом изобретения является обеспечение альтернативного способа обеспечения осветительной системы против обрастания для объекта, такого как судно, который, предпочтительно дополнительно, по меньшей мере частично устраняет один или более из вышеописанных недостатков.
В первом аспекте изобретение обеспечивает осветительную систему против обрастания («систему» или «осветительную систему») (выполненную для предотвращения или уменьшения биообрастания (связанного с электропроводящей жидкостью на водной основе, в частности, связанного с электропроводящей водой, даже более конкретно, связанного с морской водой) на обрастающей поверхности объекта, который, во время использования, по меньшей мере временно подвергается воздействию электропроводящей жидкости на водной основе, посредством подачи света против обрастания к упомянутой обрастающей поверхности), при этом осветительная система содержит: (a) осветительный модуль, содержащий источник света, выполненный с возможностью генерации света против обрастания, и (b) энергосистему, выполненную с возможностью локального сбора энергии и предназначенную для подачи электропитания упомянутому осветительному модулю. В конкретном варианте осуществления энергосистема содержит (i) протекторный электрод (электрически соединенный с первым электродом источника света), и (ii) второй электрод энергосистемы (электрически соединенный со вторым электродом источника света), при этом энергосистема выполнена с возможностью подачи электропитания осветительному модулю, когда протекторный электрод и второй электрод энергосистемы находятся в электрическом контакте с электропроводящей жидкостью на водной основе, такой как, в частности, морская вода. В дополнительном варианте осуществления энергосистема может также, в качестве альтернативы или дополнительно, включать в себя фотогальванический элемент. Дополнительно, в варианте осуществления энергосистема может включать в себя средство сбора энергии, такое как, например, встроенные солнечные элементы, небольшие турбины, работающие в воде, пьезоэлектрические элементы, работающие от волн давления и т.п. Такой фотогальванический элемент или другое средство сбора энергии могут быть функционально связаны с первым и вторым электродами источника света. Изобретение, в частности, дополнительно поясняется по отношению к электрохимической ячейке. Энергосистема может вырабатывать электрическую мощность, в результате чего электрический ток может протекать по цепи и питать источник света и/или другие (необязательные) электрические компоненты.
В дополнительном аспекте изобретение также обеспечивает объект, который, во время использования, по меньшей мере временно подвергается воздействию электропроводящей жидкости на водной основе (такой как морская вода), при этом объект содержит обрастающую поверхность (которая, во время использования, по меньшей мере временно подвергается воздействию электропроводящей жидкости на водной основе), причем объект дополнительно содержит осветительную систему против обрастания, которая определена здесь, при этом осветительный модуль выполнен с возможностью облучения светом против обрастания по меньшей мере части упомянутой обрастающей поверхности. В варианте осуществления объект может быть судном, содержащим корпус. Однако, объект может также включать в себя подвижную конструкцию, содержащую подвижную часть, например, может быть водосливной плотиной, дамбой, шлюзом и т.п., которые могут иметь подвижную часть, такую как ворота или затвор и т.п. Следовательно, в частности, подвижная конструкция является водной подвижной конструкцией. Подвижная часть может содержать элемент, подобный листу, такому как стальной лист. Однако, предусмотрены также системы, отличающиеся от подвижных конструкций (смотри также ниже).
C помощью настоящей осветительной системы объект или по меньшей мере его часть, особенно обрастающую поверхность, можно по существу предохранять от биообрастания. В качестве альтернативы или дополнительно, биообрастание можно эффективно устранять. Предлагается по существу автономная система, которая не обязательно нуждается в питании изнутри корпуса, так как осветительная система может использовать свою собственную энергию. Это также допускает обеспечение единственного автономного модуля (здесь упоминаемого также как «блок»), который можно легко заменять новым модулем. Его элементы, в частности, протекторный электрод также можно заменять, при необходимости. Следовательно, сберегается энергия, может сберегаться объект, такой как корпус судна, поскольку не требуются сквозные отверстия, и можно предотвратить и/или уменьшить обрастание. Дополнительно, поскольку энергосистема является локальным источником, может потребоваться меньше проводки. Дополнительная возможность заключается в том, что, вследствие того, что энергосистема является локальной (как в случае гальванического элемента, который описан здесь), источник света будет получать питание только тогда, когда энергосистема или, более конкретно, протекторный электрод и второй электрод энергосистемы погружены (в электропроводящую жидкость). Данный эффект можно использовать, чтобы предоставлять осветительному блоку возможность подавать (УФ) свет только когда необходимо, т.е. когда обрастающая поверхность подвергается воздействию (морской) воды. Следовательно, испускающая поверхность осветительного модуля и энергосистема будут находиться, как правило, на небольших расстояниях друг от друга, таких как в диапазоне 0,1-20 м, например, 0,2-10 м.
Здесь термины «обрастание» или «биообрастание» применяются взаимозаменяемым образом. Выше приведено несколько примеров обрастания. Описанные способ (смотри ниже) и осветительную систему можно применять для предотвращения обрастания на корпусах судов (кораблей), но они применимы ко всем морским объектам, включая стационарные (трубы, морские станции и т.п.) и/или движущиеся морские объекты (подводные лодки и т.п.). Раскрытое решение защиты от обрастания можно также применить на объектах, работающих на судоходных коммуникациях, в каналах или озерах и, например, также к аквариумам и т.п. Биообрастание может происходить на любой поверхности в воде или вблизи воды и временно подвергающейся воздействию воды (или другой электропроводящей жидкости на водной основе). На такой поверхности биообрастание может происходить, когда элемент находится в воде или вблизи нее, например, (немного) над уровнем воды, (как, например, вследствие разбрызгивания воды, например, под воздействием носовой корабельной волной). В тропиках, биообрастание может происходить в течение нескольких часов. Даже при умеренных температурах первые (стадии) обрастания будут происходить в течение нескольких часов; в виде первого (молекулярного) уровня сахаров и бактерий.
Поверхность или зона, на которой может формироваться обрастание, называется здесь обрастающей поверхностью. Это может быть, например, корпусом корабля (судна) и/или испускающей поверхностью оптической среды (смотри также ниже). В связи с этим осветительный модуль подает свет против обрастания, который применяется для предотвращения образования биообрастания и/или для устранения биообрастания. Данный свет против обрастания содержит, в частности, по меньшей мере УФ-излучение (называемое также «УФ-светом»). В частности, источник света содержит светодиод УФ-свечения, выполненный с возможностью подачи одного или более из УФ-A-света (УФ-света длинноволнового спектра A) и УФ-C (УФ-света коротковолнового спектра C) света (смотри также ниже). УФ-A-свет можно применять для разрушения клеточных стенок, в то время как УФ-C-свет можно применять для повреждения ДНК.
-9
Ультрафиолетовый свет (УФ) является частью электромагнитного излучения, ограниченной нижним пределом длины волны видимого спектра и диапазоном частот рентгеновского излучения. Спектральный диапазон УФ-света находится, по определению, между примерно 100 нм и 400 нм (1 нм=10 м) и является невидимым для человеческих глаз. По классификации CIE УФ-спектр подразделен на три диапазона частот (полосы): диапазон частот УФ-A (длинных волн) от 315 нм до 400 нм; диапазон частот УФ-B (средних волн) от 280 нм до 315 нм; и диапазон частот УФ-C (коротких волн) от 100 нм до 280 нм. В действительности, многие специалисты в области фотобиологии часто говорят о кожных реакциях вследствие УФ-облучения, как о взвешенном воздействии длин волн длиннее и короче 320 нм, предлагая, следовательно, альтернативное определение.
Сильное бактерицидное (гермицидное) действие обеспечивается светом в коротковолновом диапазоне частот УФ-С. Кроме того, светом данного типа может также вызываться эритема (покраснение кожи) и конъюнктивит (воспаление слизистых оболочек глаз). По данной причине, когда применяют бактерицидные лампы УФ-света, важно спроектировать системы для исключения рассеяния УФ-C-света и, тем самым, избежать упомянутых эффектов. В случае погружных источников света поглощение УФ-света водой может быть достаточно сильным, так что рассеяние УФ-С-света не составляет проблемы для людей, находящихся над поверхностью жидкости. Следовательно, в варианте осуществления свет против обрастания содержит УФ-C-свет.
Само собой разумеется, что люди должны избегать облучения УФ-C-светом. К счастью, данное требование выполняется относительно просто, поскольку упомянутый свет поглощается большинством материалов, и даже стандартное плоское стекло поглощает по существу весь УФ-C-свет. Исключениями являются, например, кварц и ПТФЭ (политетрафторэтилен). И вновь, по удачной случайности, УФ-C-свет в основном поглощается омертвевшей кожей, так что образование эритемы может быть ограничено. Кроме того, УФ-C-свет не проникает в хрусталик глаза; тем не менее, конъюнктивит может возникать, хотя, и на время, но он является очень болезненным; и то же самое относится к эритемным влияниям.
3
Когда происходит облучение УФ-C-светом, следует проявлять осторожность, чтобы не превышать нормальный пороговый уровень. С практической точки зрения, таблица 1 предлагает пороговые предельные эффективные значения облученности УФ-светом, установленные Американской конференцией правительственных и промышленных гигиенистов (ACGIH) для воздействия (доз облучения) на человека, в зависимости от времени. При этом имеет смысл заметить, что излучение с длинами волн короче 240 нм формирует озон, O, из кислорода воздуха. Озон токсичен и весьма реакционноактивен; поэтому следует принимать меры предосторожности для исключения его воздействия на людей и некоторые материалы.
Таблица 1: допустимые воздействия (дозы облучения) УФ-C-светом для людей в соответствии с ACGIH
Длительность воздействия в сутки
Облученность (мкВт/см<sup>2</sup>)
8 часов
0,2
4 часа
0,4
2 часа
0,8
1 час
1,7
30 минут
3,3
15 минут
6,6
10 минут
10
5 минут
20
1 минута
100
Вышеприведенные бактерицидные дозы можно также легко обеспечивать при существующих низких затратах, маломощных светодиодах УФ-свечения. Светодиоды обычно могут быть заключены в относительно небольшие корпуса и потребляют меньше мощности, чем источники света других типов. Светодиоды можно изготавливать для испускания (УФ) света различных требуемых длин волн, и их рабочие параметры, в первую очередь, выходная мощность, могут быть в высокой степени управляемыми. Следовательно, в частности, источник света является источником света, который во время работы испускает (свет источника света) по меньшей мере свет с длиной волны, выбранной из УФ диапазона длин волн, в частности, по меньшей мере УФ-C-свет. В конкретном варианте осуществления источник света содержит твердотельный источник света на основе светодиода (такой как светодиод или лазерный диод). Термин «источник света» может также относиться к множеству источников света, таким как 2-20 (твердотельных) источников света на основе светодиода, хотя возможно также применение намного большего числа источников света. Следовательно, термин светодиод может также относится к множеству светодиодов. Светодиоды могут быть органическими светодиодами или твердотельными светодиодами, или комбинацией упомянутых светодиодов. В частности, источник света содержит твердотельные светодиоды.
В варианте осуществления значительная часть защищаемой поверхности, которую следует сохранять чистой от обрастания, предпочтительно, вся защищаемая поверхность, например, корпус корабля, может быть покрыта слоем, который испускает бактерицидный свет («свет против обрастания»), в частности, УФ-свет.
В еще одном варианте осуществления свет против обрастания может направляться на поверхность, подлежащую защите, по волокну или волноводу. Следовательно, в варианте осуществления осветительная система против обрастания содержит оптическую среду, при этом оптическая среда содержит одно или более из волновода и оптического волокна, выполненных с возможностью подачи упомянутого света против обрастания на обрастающую поверхность. Поверхность волокна или волновода, из которой исходит свет против обрастания, называется здесь также как испускающая поверхность. В общем, эта часть волокна или волновода может по меньшей мере временно погружаться (в воду). Благодаря испусканию света против обрастания из испускающей поверхности, элемент объекта, который, во время использования, по меньшей мере временно подвергается воздействию жидкости (такой как морская вода), может подвергаться облучению и, тем самым, защищаться от обрастания. Однако, испускающая поверхность по существу также может защищаться от обрастания. Данный эффект применяется в вариантах осуществления осветительного модуля, содержащего нижеописанную оптическую среду.
Осветительный модуль для защиты защищаемой поверхности от обрастания содержит по меньшей мере один источник света для формирования света против обрастания и необязательно оптическую среду для распределения света против обрастания из источника света. По меньшей мере один источник света и/или оптическая среда может быть по меньшей мере частично расположен(а) в, на и/или около защищаемой поверхности так, чтобы испускать свет против обрастания в направлении от защищаемой поверхности. Осветительный модуль предпочтительно выполнен с возможностью испускания света против обрастания в то время, когда защищаемая поверхность по меньшей мере частично погружена в жидкую окружающую среду. В варианте осуществления оптическая среда является оптическим волноводом, содержащим силиконовый материал и/или кварцевый материал, пропускающий УФ излучение. Следовательно, в конкретном варианте осуществления осветительный модуль дополнительно содержит оптическую среду, выполненную с возможностью приема по меньшей мере части света против обрастания и предназначенную для распределения по меньшей мере части света против обрастания по оптической среде, при этом оптическая среда содержит (i) первую сторону среды и (ii) испускающую поверхность, выполненную с возможностью испускания по меньшей мере части распределенного света против обрастания в направлении от первой стороны среды для оптической среды. В этом варианте осуществления обрастающая поверхность может содержать упомянутую испускающую поверхность. Однако, в качестве альтернативы или дополнительно, свет против обрастания применяют (также) для облучения поверхности объекта. Следовательно, здесь обрастающая поверхность может содержать поверхность (элемента) объекта, такую как корпус корабля. В конкретном варианте осуществления источник света встроен в оптическую среду, и оптическая среда содержит проход для электрических соединений с источником света. Термин «проход» может также относиться к множеству проходов. Например, в частности, осветительная система против обрастания, осветительный блок против обрастания или вся осветительная система против обрастания могут иметь пластинчатую форму. Данная форма может допускать удобное наложение на поверхность (элемента) объекта.
Выражение «при этом протекторный электрод электрически соединен с первым электродом источника света, и (ii) второй электрод энергосистемы электрически соединен со вторым электродом источника света» и аналогичные выражения не подразумевают, что при включенном источнике света всегда существует замкнутая цепь. Как указано выше, осветительный модуль может подавать свет против обрастания в импульсном режиме, и его интенсивность можно изменять. Дополнительно, (интенсивность) света против обрастания может зависеть от других (предварительно заданных параметров). Например, для привязанного по времени включения и выключения света против обрастания можно применять таймер (который также может получать питание от энергосистемы). По меньшей мере во время формирования света против обрастания будет существовать замкнутая электрическая цепь, генерирующая электрический ток, который протекает через источник(и) света против обрастания. Следовательно, выражение «при подаче света против обрастания на упомянутую обрастающую поверхность» и аналогичные выражения включают в себя также варианты осуществления, в которых свет против обрастания по меньшей мере временно подается на упомянутую обрастающую поверхность. Как указано выше, изобретение допускает интеллектуальное объединение компонентов. Изобретение допускает также легкое наложение на объект, такой как судно и т.п., а также легкую замену. Следовательно, тот факт, что энергосистема обеспечивает электропитание осветительного модуля, позволяет осветительному модулю подавать свет против обрастания (по меньшей мере временно). Энергосистема может также обеспечивать питание другим электрическим компонентам, не обязательно содержащимся в осветительном модуле.
Осветительный модуль для защиты защищаемой поверхности от обрастания может быть также обеспечен в виде пленки для наложения на защищаемую поверхность, при этом пленка содержит по меньшей мере один источник света для формирования света против обрастания и листовидную оптическую среду для распределения света против обрастания по пленке. В вариантах осуществления пленка имеет толщину порядка величины от пары миллиметров до нескольких сантиметров, такую как 0,1-5 см, например, 0,2-2 см. В вариантах осуществления пленка по существу не ограничена ни в одном направлении, перпендикулярном направлению толщины, так, чтобы обеспечить по существу большеразмерную пленку, имеющую размеры порядка величины от десятков до сотен квадратных метров. Пленка может быть по существу ограничена по размерам в двух ортогональных направлениях, перпендикулярных направлению толщины пленки, так, чтобы обеспечивать противообрастающую мозаику; в другом варианте осуществления пленка по существу ограничена по размеру только в одном направлении, перпендикулярном направлению толщины пленки, так, чтобы обеспечивать удлиненную полоску противообрастающей пленки. Следовательно, оптическая среда и даже осветительный модуль могут обеспечиваться в виде мозаики или в виде полоски.
Осветительный модуль, будь то расположенный в, на и/или вблизи защищаемой поверхности или обеспеченный в виде отдельной пленки, содержит испускающую поверхность для испускания света против обрастания из оптической среды в окружающую среду и нанесенную поверхность, противоположную испускающей поверхности, для наложения или расположения осветительного модуля на защищаемую(ой) поверхность(и). В предпочтительном варианте осуществления испускающая поверхность осветительного модули является по существу плоской с тем, чтобы исключить насечки и углубления, которые могут становиться центрами обрастания, и чтобы исключить выпуклости для ограничения величины сопротивления, вызываемого структурой при наложении на защищаемую поверхность. Преимущество по существу плоской поверхности по сравнению с поверхностью, содержащей углубления и выпуклости или имеющей значительную шероховатость поверхности, состоит в том, что микроорганизмам будет намного труднее прилипать к по существу плоской поверхности, особенно в сочетании с эффектами сопротивления в жидкой окружающей среде, чем закрепляться на неровной поверхности или на насечках, содержащихся на упомянутой поверхности. Термин «по существу плоская» испускающая поверхность относится здесь к поверхности, маскирующей или скрывающей толщину источников света и проводных соединений, встроенных в осветительный модуль или прикрепленных к нему. Термин «по существу плоская» может также относиться к маскированию или сокрытию некоторой конструктивной неровности защищаемой поверхности, что даже улучшает характеристики сопротивления защищаемой поверхности в жидкой окружающей среде. Примером конструктивной неровности защищаемой поверхности являются сварные швы, заклепки и т.п. Термин «по существу плоская» можно выразить количественно как приводящий к разбросам средней толщины световых модулей меньше, чем на 25%, предпочтительно меньше, чем на 10%. Поэтому термин «по существу плоская» не обязательно требует шероховатости поверхности как при машинном качестве обработки поверхности.
В предпочтительном варианте осуществления осветительный модуль содержит двумерную сеть источников света для генерации света против обрастания, и оптическая среда выполнена с возможностью распределения по меньшей мере части света против обрастания из двумерной сети источников света по оптической среде таким образом, чтобы обеспечивать двумерное распределение света против обрастания, исходящего из светоиспускающей поверхности осветительного модуля. Двумерная сеть источников света может быть расположена в виде мелкоячеистой проволочной сетчатой структуры, плотно упакованной структуры, структуры из строк/столбцов или любой другой подходящей регулярной или нерегулярной структуры. Физическое расстояние между соседними источниками света в сети может быть постоянным по сети или может изменяться, например, в зависимости от мощности светоотдачи, необходимой для обеспечения противообрастающего эффекта, или в зависимости от местоположения осветительного модуля на защищаемой поверхности (например, местоположения на корпусе корабля). Преимущества обеспечения двумерной сети из источников света включают в себя то, что свет против обрастания может генерироваться вблизи зон, подлежащих защите посредством освещения светом против обрастания, и что упомянутая сеть уменьшает потери в оптической среде или оптическом волноводе и улучшает равномерность распределения света. В предпочтительном варианте свет против обрастания обычно равномерно распределяется по испускающей поверхности; это снижает число или даже предотвращает появление зон недостаточной освещенности, где в противном случае может происходить обрастание, одновременно сокращая или предотвращая потери энергии на чрезмерное освещение других зон большим количеством света, чем требуется для защиты от обрастания.
В предпочтительных вариантах осуществления источники света представляют собой светодиоды УФ-свечения. По меньшей мере один светодиод УФ-свечения или сеть светодиодов УФ-свечения могут быть инкапсулированы в непроницаемую для жидкости оболочку. В вариантах осуществления по меньшей мере один светодиод УФ-свечения или сеть (решетка) светодиодов УФ-свечения могут быть встроены в оптическую среду. Множество светодиодов УФ-свечения может быть организовано в сети и электрически подключено в виде последовательной/параллельной мелкоячеистой проволочной сетчатой структуры (как поясняется в дальнейшем). Светодиоды и соединения мелкоячеистой проволочной сетчатой структуры могут быть инкапсулированы в светопропускающем покрытии и прикреплены к оптической среде или непосредственно встроены в оптическую среду. В других вариантах осуществления сеть светодиодов УФ-свечения может содержаться в слое электронной ткани, который встроен в структуру смолы.
В некоторых вариантах осуществления светодиоды УФ-свечения могут быть корпусными светодиодами, и при этом они уже могут включать в себя оптический элемент для распределения света, испускаемого из корпуса светодиода в широком угле испускания. В другом варианте осуществления светодиоды УФ-свечения могут представлять собой кристаллы светодиодов, обычно не содержащие оптические элементы, но имеющие значительно меньшую толщину, чем корпусные светодиоды. Например, кристаллы светодиодов могут быть подобраны и размещены на поверхности оптической среды (предпочтительно на нанесенной поверхности, а испускающая поверхность будет работать с той же эффективностью благодаря небольшому размеру компонентов, которые почти не будут препятствовать функции испускания света упомянутой поверхностью), электрически соединены проводкой посредством печатного нанесения проводящей пасты и, наконец, кристаллы светодиодов и проводка могут быть инкапсулированы (заключены в оболочку) тонким слоем/покрытием из оптической среды или любым другим защитным слоем для наложения осветительного модуля на защищаемую поверхность. Различные варианты осуществления встроенных источников света допускают организацию промышленного производства представленной технологии защиты от обрастания в виде пленки для нанесения на корпуса судов.
Система для защиты от обрастания защищаемой поверхности может содержать множество раскрытых здесь осветительных модулей для расположения на защищаемой поверхности таким образом, чтобы подавать свет против обрастания по существу по всей площади защищаемой поверхности.
3
3
2
n
3
3
Силиконовые материалы могут обеспечивать оптическое пропускание УФ-света с небольшими потерями по сравнению с другими материалами. То же самое относится, в частности, к более коротковолновому свету, например, УФ-свету с длинами волн короче 300 нм. Особенно эффективная группа силиконовых материалов представляет собой или по меньшей мере содержит так называемые, полиметилсилоксаны в соответствие с общей химической формулой CH[Si(CH)O]Si(CH), где «n» обозначает любое подходящее целое число, как принято в органической химии. Оказывается, что силиконовые материалы данного типа демонстрируют свойства превосходного пропускания УФ-света при небольших потерях по меньшей мере по сравнению с другими силиконовыми материалами. Дополнительно, силиконовые материалы являются гибкими и упругими, и поэтому они прочны, износостойки и способны выдерживать сжатие, такое как вследствие ударов, столкновений и т.п. объектов с поверхностью, например, ударов корабля о причал. Вместо метильных групп, в силиконе могут быть представлены также фенильные группы или фенильные и метильные группы.
Дополнительно, возможно приспособление к деформации бортовой обшивки корабля, обусловленной температурной флуктуацией, ударами волн, изгибанием корабля при волнении и бросках и т.п. Силиконовые материалы можно также наносить на поверхностные структуры: сварные швы, заклепки и т.п. в или на поверхности, или формировать на данных структурах. Силиконовые материалы обычно также имеют тенденцию прочно прилипать к металлам и краскам, так что формируется защитное покрытие по поверхности. Визуально прозрачные силиконовые материалы допускают считывание нижележащих маркировок (например, нанесенных краской символов), покрытых силиконовым материалом. Дополнительно, силиконовые материалы обычно являются водоотталкивающими и могут уменьшать трение и сопротивление. С одной стороны, силиконы могут быть выполнены очень гладкими для уменьшения прилипания биообрастающих организмов к слою и для уменьшения трения о текущую воду, в то время как, с другой стороны, материалу можно придать мелкую структуру с тем, чтобы имитировать акулью кожу, которая, как известно, также уменьшает трение в воде, при достаточной скорости относительно окружающей воды. Следует отметить, что структурированная поверхность оптической среды, в частности, оптического волновода, может вызывать нарушение условий полного внутреннего отражения и, вместе с тем, вызывать вывод света из оптического волновода, который в ином случае захватывается внутри и передается за счет полного внутреннего отражения. Таким образом, вывод света можно надежно локализовать.
Пропускающий УФ излучение кварц характеризуется очень низким поглощением УФ-света и, следовательно, особенно хорошо пригоден в качестве материала оптической среды и оптического волновода. Относительно крупные объекты могут быть выполнены путем использования множества относительно небольших деталей или участков пропускающего УФ излучение кварца и/или так называемого «плавленого кварца» с сохранением при этом характеристик пропускания УФ-света также для более крупного объекта. Кварцевые участки, встроенные в силиконовый материал, защищают кварцевый материал. В данном сочетании кварцевые участки могут обеспечивать рассеиватели, прозрачные для УФ-света, в оптической среде из остального силиконового материала для (пере)распределения света по оптической среде и/или для облегчения вывода света из оптического волновода. Кроме того, кварцевые частицы и/или частицы из другого твердого материала, прозрачного для УФ-света, могут упрочнять силиконовый материал. В частности, можно также применить пластинчатые кварцевые частицы с высокой плотностью до 50%, 70% или даже с более высоким процентным содержанием кварца в силиконовом материале, что может обеспечить прочный слой, который может сопротивляться ударным нагрузкам. Считается, что по меньшей мере часть оптической среды или оптического волновода можно снабжать кварцевыми частицами, прозрачными для УФ-света, с пространственно-переменной плотностью, в частности, пластинками, по меньшей мере частично встроенными в силиконовый материал, например, чтобы изменять оптические и/или структурные свойства. Здесь термин «пластинки» означает объекты, имеющие размеры по трем осям декартовой системы координат, при этом два или три размера могут взаимно отличаться друг от друга, однако, каждый размер значительно больше, чем третий размер, например, в 10, 20 или большее число раз, например, в несколько сотен раз.
В вариантах осуществления в частях оптической среды вблизи испускающей поверхности для испускания света против обрастания из оптической среды, плотность кварцевых частиц, прозрачных для УФ-света, в силиконовом материале может повышаться от внутренней области оптической среды к испускающей поверхности оптической среды таким образом, что на или вблизи испускающей поверхности обеспечивается относительно высокая плотность кварцевых частиц. Несмотря на то, что возможно применение частиц более или менее сферической и/или неправильной формы, кварцевые пластинки с длиной субмиллиметрового масштаба, например, с типичными размерами до нескольких микрометров, могут располагаться настолько плотно друг к другу, что под влиянием достаточно локальных сил, таких как точечные удары остроконечных объектов и/или локальные удары притупленных объектов, включающих в себя трещины, разрывы и т.п., пластинки могут иметь некоторую, хотя бы небольшую, свободу перемещения в гибком силиконе, так что они могут немного перестраиваться, рассеивая энергию ударов и уменьшая повреждение оптического волновода в целом. Таким образом, можно добиться баланса свойств, что дает, в результате, как прочный, так и несколько деформируемый слой, также обеспечивающий при этом требуемое оптическое качество. В варианте осуществления доля силиконового материала в оптической среде плавно изменяется от примерно 100% (т.е. по существу чистого силиконового материала) до менее, чем примерно 5% (в основном кварца) с одной стороны оптической среды до противоположной стороны.
Следует отметить, что можно применять частицы, в частности, пластинчатые частицы, другого материала, помимо кварца, например, стекла или слюды. Такие другие материалы могут также служить рассеивателями для света против обрастания. Можно также обеспечивать смеси частиц из разных материалов, которые могут содержать смеси из полупрозрачных, непрозрачных и/или оптически активных частиц. Составы данных смесей могут изменяться по оптическому волноводу, например, чтобы настраивать коэффициент пропускания оптического волновода для света против обрастания, в частности, если на некоторых участках используются относительно большие количества слабо пропускающих частиц.
Для изготовления оптической среды можно сформировать последовательность слоев силиконового материала, где каждый слой, возможно, имеет отличающийся состав по количеству и/или плотности кварцевых частиц. Слои могут быть очень тонкими, и по меньшей мере некоторые слои можно наносить методом нанесения влажного слоя по влажному слою, т.е. обеспечивая силиконовый материал слоем в жидкой или гелеобразной форме, которая должна отверждаться до требуемого слоя, но при этом последующий слой наносят на предыдущий слой до того, как предыдущий слой полностью отверждается. Тем самым достигается прочная адгезия между слоями, и в конечном изделии разные слои могут быть едва различимы или вообще неразличимы, и можно достигать постепенного изменения состава. Разные слои можно соответственно формировать и/или наносить посредством распыления материала слоя. Многослойный материал можно формировать до любой подходящей толщины, с надежным контролем качества. Следует отметить, что оптическую среду, которая составляет значительную часть поверхности осветительного модуля, можно закреплять на защищаемой поверхности любым подходящим способом, включая приклеивание. Силиконовые материалы имеют тенденцию демонстрировать прочную адгезию к керамическим, стеклянным и металлическим материалам, и поэтому распыление или намазывание силиконового материала является очень подходящим способом формирования и прикрепления оптической среды к подложке. Распыляемая и/или наносимая намазыванием оптическая среда может быть также легко выполнена с разными требуемыми формами, например, следуя ватерлинии, конкретным маркировкам и/или формам поверхности. Метод послойного нанесения может также облегчать ориентирование частиц в силиконовом материале, например, располагая пластинки в общем параллельно направлению протяженности слоя и поверхности, покрытой слоем.
В другом аспекте осветительного модуля оптическая среда содержит пространства, например, каналы, которые заполнены газом и/или прозрачной жидкостью, например, водой, для направления по ним света, и соответствующий способ содержит распределение по меньшей мере части света через данные пространства в оптическую среду. Установлено, что оптическое пропускание УФ-света газообразным веществом, в частности, воздухом, обычно значительно выше, чем пропускание света твердым материалом, который, даже если считается в какой-то степени полупрозрачным или прозрачным, может характеризоваться потерями на поглощение до нескольких процентов на один миллиметр. Прозрачная жидкость обеспечивает незначительное рассеяние, может эффективно транспортировать УФ-свет и может также обеспечивать структурную прочность полостей в оптической среде, по сравнению с газонаполненными пространствами. Как установлено, вода, в особенности пресная вода, имеет относительно высокий и подходящий коэффициент пропускания УФ-света. Загрязнение и/или поглощение УФ-света можно также и/или дополнительно уменьшить, если применить дистиллированную, деионизированную и/или иначе очищенную воду. Следовательно, считается особенно выгодным передавать свет через пространство, наполненное газом и/или жидкостью.
Для распределения света по защищаемой поверхности, пространство, наполненное газом и/или жидкостью, должно быть, предпочтительно, четко ограничено, и в оптической среде могут быть обеспечены каналы. Свет, который в конечном итоге попадает на стенки каналов, может проникать в оптическую среду и испускаться из оптической среды в направлении от защищаемой поверхности и в жидкую окружающую среду, чтобы подавать свет против обрастания. Оптическая среда, в которой ограничены воздушные каналы, и которая, сама по себе, является достаточно прозрачной для света против обрастания, дополнительно гарантирует, что, если оптическая среда будет иметь утечки, и жидкая среда будет проникать в оптическую среду, то генерируемый свет против обрастания будет по-прежнему подходящим образом передаваться по оптической среде. Каналы могут иметь переменный диаметр. Локальные участки каналов или карманы могут обеспечиваться участками стенок, ограничивающими и инкапсулирующими отдельные объемы, (намного) большие, чем размеры и/или толщины соответствующих участков стенок, например, подобные упаковочному изделию, продаваемому под торговым названием «Bubble Wrap» («воздушно-пузырьковая пленка»).
В конкретном варианте осуществления такая газосодержащая оптическая среда содержит силиконовый материал, ограничивающий каналы и/или другие пространства, наполненные газом и/или жидкостью; при этом силиконовым материалам можно придавать подходящую форму, чтобы задавать извилистые структуры. Выше представлены дополнительные преимущества силиконовых материалов с такими дополнительными объектами, как кварцевые частицы, или без них.
В варианте осуществления каналы и/или другие пространства обеспечиваются формированием двух противоположных слоев силиконового материала, выдерживаемых раздельно на требуемых расстояниях с помощью участков стенок и/или столбчатых опор из силиконового материала, создающих расстояние, например, воздушный зазор, между слоями. Такие участки стенок и/или столбчатые опоры могут служить центрами рассеяния для (пере)распределения света по (каналам в) оптической среде и/или для подачи света из пространств, наполненных газом и/или жидкостью, в силиконовый материал. Это способствует локальному испусканию света из оптической среды в жидкую окружающую среду, в которой предусмотрено применение света против обрастания.
По меньшей мере часть света против обрастания, испускаемого одним или более источниками света, может распределяться в направлении, имеющем составляющую, по существу параллельную защищаемой поверхности или по существу параллельную наносимой поверхности пленки, когда осветительный модуль обеспечен в виде пленки. Это способствует распределению света на значительные расстояния по защищаемой поверхности или наносимой поверхности пленки, что помогает получать подходящее распределение интенсивности света против обрастания.
В оптической среде может содержаться материал преобразования длины волны, и по меньшей мере часть света против обрастания может генерироваться путем фотовозбуждения материала преобразования длины волны светом, имеющим первую длину волны, вынуждающим материал преобразования длины волны испускать свет против обрастания на другой длине волны. Материал преобразования длины волны может быть обеспечен в виде люминофора, повышающего частоту, квантовых точек, нелинейных сред, таких как одно или более фотонно-кристаллических волокон и т.п. Поскольку потери на поглощение и/или рассеяние в оптической среде для света других, более длинных волн, чем УФ-свет, имеют тенденцию быть менее выраженными в оптической среде, может быть более энергетически эффективным генерировать не УФ-свет и передавать его через оптическую среду и для генерации УФ-света против обрастания в требуемом месте или около требуемого места использования света (т.е. испускания из поверхности в жидкую окружающую среду). Подходящий свет против обрастания находится в диапазоне длин волн УФ-света или необязательно также синего света, от примерно 220 нм до примерно 420 нм, в частности, на длинах волн короче, чем примерно 300 нм, например, от примерно 240 нм до примерно 280 нм.
Когда применяется материал преобразования длины волны, выражение «источник света, выполненный с возможностью генерации света против обрастания» можно интерпретировать как источник света для генерации, в сочетании с материалом преобразования длины волны, света против обрастания. Либо сам источник света, либо материал преобразования длины волны после преобразования света источника света в свет материала преобразования длины волны, либо оба обеспечивает(ют) упомянутый свет против обрастания.
В вариантах осуществления оптическая среда содержит распределитель света, расположенный перед по меньшей мере одним источником света для генерации света против обрастания, для распределения по меньшей мере части света против обрастания, испускаемого по меньшей мере одним источником света, в направлении, имеющем составляющую, по существу параллельную защищаемой поверхности. Примером распределителя света может быть «обратный» конус, расположенный в оптической среде и в положении напротив упомянутого по меньшей мере одного источника света, при этом обратный конус имеет область поверхности под 45° углом к перпендикуляру к защищаемой поверхности для отражения света, испускаемого источником света перпендикулярно упомянутой поверхности, в направлении, по существу параллельном упомянутой поверхности. В вариантах осуществления оптическая среда содержит оптический волновод, расположенный перед упомянутым по меньшей мере одним источником света для генерации света против обрастания, при этом оптический волновод имеет поверхность ввода света для ввода света против обрастания от упомянутого по меньшей мере одного источника света и поверхность вывода света для вывода света против обрастания в направлении от защищаемой поверхности; причем оптический волновод содержит световодный материал, имеющий показатель преломления выше, чем показатель преломления жидкой окружающей среды, таким образом, что по меньшей мере часть света против обрастания распространяется по оптическому волноводу благодаря полному внутреннему отражению в направлении, по существу параллельном защищаемой поверхности до вывода через поверхность вывода. Некоторый вариант осуществления может содержать оптическую среду, которая объединяет распределитель света и оптический волновод или интегрированные светораспределяющие элементы вместе со световодными элементами в оптическую среду. В вариантах осуществления распределитель света и/или оптический волновод нанесен в виде покрытия на защищаемую поверхность. В других вариантах осуществления распределитель света и/или оптический волновод обеспечен в форм-факторе пленки для нанесения на защищаемую поверхность.
Вариант осуществления системы для предотвращения обрастания может содержать:
- группу светодиодов УФ-свечения для генерации света против обрастания;
- распределитель света для распределения света против обрастания от точечных источников в виде светодиодов по защищаемой поверхности; и
- оптический волновод (или световод) для дополнительной подачи/распределения света против обрастания по поверхности, при этом оптический волновод содержит тонкий слой силиконового материала, прозрачного для УФ-света, с содержанием или без содержания кварцевых частиц или с одним или более участками с кварцевым покрытием.
Когда по существу вся защищаемая поверхность покрыта оптической средой, испускающей свет против обрастания, это значительно уменьшает рост микроорганизмов на этой среде. Так как микроорганизмы уничтожаются на испускающей поверхности оптической среды, то корпус постоянно очищается потоком воды вдоль корпуса, который относит остатки от корабля, и микроорганизмы не имеют шансов для нарастания на корпусе.
Преимущество настоящих предложенных решений заключается в том то, что микроорганизмы уничтожаются не после налипания и укоренения на обрастающей поверхности, как в случае известных покрытий, выделяющих токсины, но в том, что предотвращается укоренение микроорганизмов на обрастающей поверхности. Микроорганизмы эффективнее активно уничтожать непосредственно до или сразу после того, как они контактируют с обрастающей поверхностью, по сравнению с обработкой светом для устранения существующего обрастания крупными структурами микроорганизмов. Эффект может быть аналогичен эффекту, создаваемому при использовании наноповерхностей, которые являются настолько гладкими, что микроорганизмы не могут прилипать на них.
Благодаря небольшой световой энергии, необходимой для уничтожения микроорганизмов на начальной стадии укоренения, систему можно применять в режиме непрерывной подачи света против обрастания по большой поверхности, без предельных требований к питанию.
Сеть светодиодов, создающих осветительную поверхность, можно снабдить средством сбора энергии, такими как встроенные солнечные элементы, небольшие турбины, работающие в воде, пьезоэлектрические элементы, работающие от волн давления, и т.п.
2
Некоторые преимущества настоящей предлагаемой технологии включают в себя сохранение чистой поверхности, снижение затрат на антикоррозионную обработку, пониженный расход топлива судами, сокращенное время технического обслуживания корпусов, уменьшенные выбросы CO, уменьшение применения токсических веществ в окружающей среде и т.п. По существу плоская и гладкая светоиспускающая поверхность дополнительно имеет преимущество не добавления собственного сопротивления и может даже дополнительно уменьшать сопротивление, благодаря укрытию существующих неровностей (заклепок, сварных швов и т.п.) защищаемой поверхности под оптической средой.
Объект (смотри также ниже) может содержать один или более элементов, которые по меньшей мере временно подвергаются воздействию жидкости. Такой элемент может включать в себя первую поверхность элемента, которая может по меньшей мере временно подвергаться воздействию жидкости. Такой элемент может также содержать вторую поверхность элемента, которая может быть направлена к корпусу объекта.
Вместо силикона или дополнительно к нему, в качестве материала для оптической среды можно применять один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из пропускающих органических материалов, таких как выбранные из группы, состоящей из ПЭ (полиэтилена), ПП (полипропилена), ПЭН (полиэтиленнафталата), ПК (поликарбоната), полиметилакрилата (ПМА), полиметилметакрилата (ПММА) (плексигласа или перспекса), ацетобутирата целлюлозы (АЦБ), поливинилхлорида (ПВХ), полиэтилентерефталата (ПЭТ), (ПЭТГ) (модифицированного гликолем полиэтилентерефталата), ПДМС (полидиметилсилоксана) и ЦОС (циклоолефинового сополимера). В частности, оптическая среда является нежесткой. Например, оптическую среду можно наносить на корпус корабля. Однако, оптическая среда может быть также выполнена на корпусе корабля посредством нанесения покрытия материала на корпус и формирования тем самым оптической среды.
Оптическая среда выполнена с возможностью приема по меньшей мере части света против обрастания источника света. Следовательно, источник света и оптическая среда связаны по излучению. Термин «связанный по излучению» означает, в частности, что источник света и оптическая среда связаны между собой таким образом, что по меньшей мере часть излучения, испускаемого источником света, принимается оптической средой. Оптическая среда выполнена с возможностью распределения света против обрастания по оптической среде. Данное распределение возможно благодаря тому, что оптическая среда обладает, в частности, светопроводными (или волноводными) свойствами. Необязательно, источник света встроен в оптическую среду (смотри также ниже).
Дополнительно, оптическая среда может также включать в себя выводные структуры для вывода света против обрастания. Следовательно, свет против обрастания, который может захватываться внутри оптической среды за счет полного внутреннего отражения, может выходить благодаря выводу через выводную структуру. Эти выводные структуры могут быть встроены в оптическую среду и/или могут быть выполнены на поверхности оптической среды. В частности, выводные структуры, необязательно в сочетании с отражателем на по меньшей мере части первой поверхности среды, выполнены с возможностью облегчения испускания света против обрастания из испускающей поверхности в направлении от первой стороны среды (т.е. во время использования осветительного модуля: от первой поверхности элемента для элемента (смотри также ниже)). Такой свет применяется для предотвращения биообрастания и/или устранения биообрастания на испускающей поверхности осветительного модуля.
Как указано выше и далее, осветительный модуль по существу может состоять из оптической среды. Например, в оптическую среду может быть (также) встроено одно или более из системы управления и источника питания. Дополнительно, поскольку единственный светодиод может подавать свет против обрастания по большой зоне оптической среды, в варианте осуществления площадь поверхности осветительного модуля может составлять по меньшей мере 80% оптической среды. Оптическую среду можно использовать для герметизации элемента. Следовательно, первая сторона среды может иметь площадь поверхности, по существу равную площади поверхности первой поверхности элемента. В частности, первая сторона среды физически контактирует с первой поверхностью элемента. В еще более частном случае, вся первая сторона среды физически контактирует с первой поверхностью элемента. Выражение «с испускающей поверхностью, выполненной более удаленной от первой поверхности элемента, чем первая сторона среды», указывает на то, что первая сторона среды оптической среды находится ближе к первой поверхности элемента для элемента, чем испускающая поверхность. Таким образом, свет против обрастания может выходить в направлении от элемента. Как указано выше, в некотором варианте осуществления по меньшей мере часть первой стороны среды или, в частности, вся первая сторона среды могут физически контактировать с упомянутым (первой поверхностью элемента) элемента. Термин «герметизация» и аналогичные термины могут, в частности, означать, что часть, которая герметизирована, (по существу) не доступна для жидкости, такой как вода, в частности, морская вода.
На объект, такой как единственный элемент такого объекта, можно наносить более одного осветительного модуля. Следовательно, термин «осветительный модуль» может также относиться к множеству осветительных модулей. Дополнительно, единственная осветительная система может включать в себя множество оптических сред. Следовательно, термин «оптическая среда» может также относиться к множеству оптических сред. Разумеется, осветительная система против обрастания может также включать в себя множество элементов. Следовательно, как указано выше, термин «элемент» может также относиться к множеству осветительных элементов. Термин «элемент» может, например, в варианте осуществления относиться к листу, такому как стальной лист, корпуса. Однако, термин «элемент» может также относиться ко всему корпусу. Термин «элемент» относится, в частности, к части корпуса, которая находится со стороны воды, особенно в случае вариантов осуществления судна.
В варианте осуществления осветительный модуль может содержать упомянутую систему управления и необязательно также источник питания. Таким образом, систему можно обеспечивать на первой поверхности элемента для элемента, без необходимости включать сквозные отверстия через элемент. Данное решение может быть полезно, помимо прочего, с учетом защиты элемента. Дополнительно, источник питания необязательно может включать в себя локальную систему сбора энергии, которая описана здесь, такую как система, которая генерирует электрическую энергию из воды, в частности, электропроводящую жидкость на водной основе, например, в частности, морской воды, и/или фотогальваническую систему. Обе системы преимущественно могут быть расположены на таком элементе, при этом, в частности, первая под (ожидаемым) уровнем воды, и вторая, в частности, над (ожидаемым) уровнем воды.
Здесь изобретение описано относительно электропроводящей жидкости на водной основе. Однако изобретение может также иметь отношение к электропроводящей неводной жидкость. Такие (водные или неводные) жидкости являются весьма проводящими, благодаря присутствию ионов, как в случае морской воды. Следовательно, в частности, электропроводящая жидкость на водной основе содержит морскую воду.
В варианте осуществления осветительная система против обрастания содержит также систему управления. В частности, система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света против обрастания в зависимости от одного или более из сигнала обратной связи и таймера. Термин система управления может относиться к электронной схеме, такой как датчик в схеме, которая после достижения порогового уровня допускает или вызывает другое действие, такое как включение или выключение света, и/или может относиться к блоку управления, который может включать в себя (программируемое) программное обеспечение. В варианте осуществления система управления включает в себя систему с (линейной) обратной связью. Таким образом, система управления может быть выполнена с возможностью управления осветительным модулем (в частности, его светом против обрастания). Формулировка «управлять интенсивностью» может относиться к состоянию включения/выключения света против обрастания, но, в качестве альтернативы или дополнительно, может также относиться к высокой и низкой интенсивности света против обрастания. Она может также относиться к ступенчатому или плавному усилению или ослаблению света против обрастания между максимумом и минимумом (таким как нулевая интенсивность).
Например, таймер может быть системой, которая запускает осветительный модуль с привязкой по времени для подачи света в течение некоторого периода и выключения в течение другого периода. Следовательно, в варианте осуществления осветительная система выполнена с возможностью подачи света против обрастания в импульсном режиме, при этом периоды со светом против обрастания чередуются с периодами отсутствия света против обрастания. Световой импульс может включать в себя один или более из прямоугольных (квадратных) импульсов, треугольных импульсов, пилообразных импульсов, униполярных синусоидальных импульсов (как, например, при выпрямлении) и т.п. Частота может быть в диапазоне от нескольких секунд до нескольких часов или даже суток. Необязательно, импульсный свет может включать в себя длинный импульс и короткий импульс, например, 3 часа включения и 3 часа выключения, при этом, во время включения, импульсный свет снабжают частотой в диапазоне 0,001-200 Гц, таком как 0,01-20 Гц. При использовании импульсного света, в частности, с относительно низкой частотой, такой как <0,01 Гц, биообрастание может формироваться в периоды темноты, а в течение периода включения биообрастание может эффективно устраняться. При этом может непроизводительно расходоваться меньше света. Таким образом, в конкретном варианте осуществления осветительная система против обрастания может быть выполнена с возможностью подачи света против обрастания в импульсном режиме, при этом периоды со светом против обрастания чередуются с периодами отсутствия света против обрастания. С данной целью, для подачи света против обрастания с привязкой по времени в импульсном режиме можно применять, например, систему управления в сочетании с таймером.
Осветительная система может также включать в себя датчик. Термин «датчик» может также относиться к множеству датчиков. Типичный вариант осуществления осветительной системы против обрастания может, в частности, включать в себя следующее:
- Датчики для одного или более из параметров (смотри ниже);
- Программное обеспечение для вычисления требуемой величины мощности на основе значений параметров и известных сведений (например, предварительно заданных установок) о минимальных установках мощности для предотвращения обрастания;
- Блок управления для регулировки эффективной выходной мощности; как в целом, так и на каждую секцию, например, корпуса или другого элемента.
В конкретном варианте осуществления система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света против обрастания в зависимости от сигнала обратной связи датчика, при этом датчик выполнен с возможностью измерения одного или более из (i) скорости судна, содержащего упомянутый осветительный модуль, (ii) относительной скорости течения воды (со стороны обрастающей поверхности), (iii) температуры воды (со стороны обрастающей поверхности), (iv) загрузки судна, содержащего упомянутый осветительный модуль, (v) положения испускающей поверхности относительно уровня электропроводящей жидкости на водной основе для электропроводящей жидкости на водной основе (со стороны обрастающей поверхности). Уровень электропроводящей жидкости на водной основе может быть, в частности, уровнем воды, более конкретно уровнем морской воды.
Выше описаны некоторые аспекты системы, включая дополнительные интегрированные варианты. В дополнительном конкретном варианте осуществления осветительная система против обрастания содержит интегрированный блок, при этом интегрированный блок содержит (i) осветительный модуль и один или более из упомянутого протекторного электрода и упомянутого второго электрода энергосистемы, и необязательно одно или более из системы управления, (таймера) и датчика, причем система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света против обрастания в зависимости от одного или более из (i) сигнала обратной связи от датчика, связанного с риском биообрастания, и (ii) таймера для привязанного по времени (например, периодического) изменения интенсивности света против обрастания. В еще одном дополнительном варианте осуществления осветительная система против обрастания содержит интегрированный блок, при этом интегрированный блок содержит (i) осветительный модуль и (a) одно или более из системы управления, таймера и датчика, при этом система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света против обрастания в зависимости от одного или более из (i) сигнала обратной связи от датчика, связанного с риском биообрастания, и (ii) таймера для привязанного по времени (например, периодического) изменения интенсивности света против обрастания, и необязательно (b) один или более из упомянутого протекторного электрода и упомянутого второго электрода энергосистемы. Такие блоки могут быть удобно прикреплены к существующей поверхности объекта для предотвращения или ослабления обрастания, и могут также учитывать существующую инфраструктуру, такую как инфраструктура протекторных электродов. Когда в интегрированном блоке содержится протекторный электрод, протекторный электрод выполняется, в частности, отделяемым, например, с помощью средства с защелкой для присоединения/отсоединения или винтов и т.п. Это допускает замену после, например, значительной выработки протекторного электрода.
Дополнительно, когда один или более из протекторного электрода и упомянутого второго электрода энергосистемы интегрированы в блок, по меньшей мере часть этих электродов доступны извне блока. При этом, жидкость и протекторный электрод, и упомянутый второй электрод энергосистемы могут приходить в контакт таким образом, что может формироваться электрическая цепь. Следовательно, хотя, например, все компоненты могут быть встроены в силиконовую оптическую среду или другую оптическую среду, протекторный электрод и/или упомянутый второй электрод энергосистемы, когда также встроены в блок, доступны для электропроводящей жидкости на водной основе (в то время, как другие электрические компоненты будут, в общем, не доступны для данной жидкости, а могут быть целиком встроены в осветительный модуль, в частности, оптическую среду. Когда в блок интегрированы как протекторный электрод, так и упомянутый второй электрод энергосистемы, например, не обязательно использовать сталь корпуса корабля. Следовательно, поверхность (элемента) объекта, подлежащего защите, может содержать сталь, но необязательно может также содержать другой материал, такой как, например, выбранный из группы, состоящей из дерева, сложного полиэфира, композитного материала, алюминия, резины, хайпалона, ПВХ, стекловолокна и т.п. Следовательно, вместо стального корпуса, корпус может быть также ПВХ корпусом или корпусом из сложного полиэфира и т.п. Вместо стали, возможны другие железные материалы, такие как (другие) железные сплавы.
В частности, интегрированный блок является закрытым блоком, включающим испускающую поверхность, при этом только один или более из первого электрода источника света, второго электрода источника света, протекторного электрода и второго электрода энергосистемы имеет доступ во внешнюю среду (и может подвергаться воздействию жидкости).
Интегрированный блок может быть, например, (силиконовой) пленкой или (силиконовой) мозаикой, которую можно наносить на поверхность (элемента) объекта. Все элементы могут быть встроены в упомянутые пленку или элемент, при этом второй электрод энергосистемы и протекторный электрод доступны для контакта с жидкостью, в частности, с морской водой.
Необязательно, датчик может быть также выполнен с возможностью контроля протекторного электрода, при этом, в частности, система управления выдает предупредительный сигнал вслед за заданным значением, указывающим на состояние протекторного электрода.
Источник света, в частности, твердотельный источник света, может содержать первый электрод и второй электрод (смотри также выше). Последний может, например, контактировать с массой. Например, последний может контактировать со стальным корпусом судна или другим объектом. Данный контакт может осуществляться через второй электрод энергосистемы; например, функцию второго электрода энергосистемы может выполнять стальной корпус или другая стальная поверхность. Первый, т.е. первый электрод источника света может по существу контактировать с протекторным электродом. Дополнительно, этот протекторный электрод и второй электрод энергосистемы могут по существу контактировать с водой, содержащей ионы, т.е. электропроводящей жидкостью, такой как электропроводящая жидкость на водной основе, такой как, в частности, морская вода. Таким образом, здесь существует цепь с разностью потенциалов между протекторным электродом и вторым электродом энергосистемы и, следовательно, между первым электродом и вторым электродом. Поэтому, в частности, протекторный электрод и второй электрод энергосистемы содержат разные материалы.
В конкретном варианте осуществления протекторный электрод содержит одно или более из цинка и магния. В дополнительном варианте осуществления второй электрод энергосистемы содержит сплав железа, такой как сталь. Однако можно также применять другие материалы, например, в частности, один или более из углерода, графита, кокса, платины, вторичной окалины на стали, высокоуглеродистого чугуна, меди, латуни, бронзы, свинца и чугуна (неграфитизированного), вместо или в дополнение к, например, стали. Выражение «при этом протекторный электрод содержит одно или более из цинка и магния» может также относиться к протекторным электродам, содержащим сплав, содержащий цинк и/или магний. Однако, протекторный электрод может также состоять по существу из цинка и/или магния. Возможно также применение других материалов, таких как некоторые сорта алюминия или алюминиевых сплавов.
В частности, осветительная система, особенно энергосистема, может дополнительно содержать усилитель разности потенциалов, выполненный с возможностью усиления разности потенциалов между первым электродом и вторым электродом источника света. Например, можно применить «блокинг-генератор» («joule thieve»). Блокинг-генераторы и устройства, имеющие аналогичные свойства, такие как повышающий преобразователь, можно применять для повышения разности потенциалов, получаемой энергосистемой, которая может быть в некоторой степени низкой, например, для твердотельных источников света. В частности, протекторный электрод и второй электрод энергосистемы содержат материалы, которые, при контакте с морской водой или другой электропроводящей жидкостью, обеспечивают разность потенциалов по меньшей мере 0,25 В или даже более конкретно по меньшей мере 0,35 В между данными электродами. В сочетании с усилителем разности потенциалов может создаваться разность потенциалов между первым электродом и вторым электродом, пригодная для, например, твердотельных источников (УФ) света. Термины «протекторный электрод» и «второй электрод энергосистемы» могут независимо относиться также к множеству протекторных электродов и вторых электродов энергосистемы соответственно. Выражение «находятся в электрическом контакте с электропроводящей жидкостью на водной основе» указывает, в частности, что электроды физически контактируют с жидкостью. В таком случае может формироваться замкнутая цепь, позволяющая энергосистеме подавать питание осветительному модулю, в частности, источника света. Энергосистема может также подавать питание другим (необязательным) элементам, например, датчику, системе управления, таймеру и т.п. Следовательно, в варианте осуществления одно или более из системы управления и датчика (и необязательных других электрических компонентов, таких как, необязательно, таймер и т.п.) также получают питание от энергосистемы. Например, осветительный модуль может быть выполнен с возможностью изменения интенсивности света против обрастания. С данной целью, осветительный модуль может включать в себя такие электрические компоненты, как система управления, чтобы (периодически) изменять интенсивность света против обрастания. Следовательно, усилитель разности потенциалов можно применять, чтобы увеличивать разность потенциалов также для других электрических компонентов осветительной системы, в частности, осветительного модуля, таких как необязательной системы управления. Следовательно, в варианте осуществления осветительной системы против обрастания по любому из предшествующих пунктов, осветительная система против обрастания дополнительно содержит усилитель разности потенциалов, выполненный с возможностью усиления разности потенциалов электропитания, подаваемого осветительному модулю. Подаваемый ток может быть слабее, но разность потенциалов может быть достаточной для питания источника света и/или других необязательных электрических компонентов осветительной системы.
Как указано выше, изобретение предлагает также объект (который, в частности, во время использования, по меньшей мере временно подвергается воздействию электропроводящей жидкости на водной основе), содержащий обрастающую поверхность (которая, во время использования, по меньшей мере временно подвергается воздействию электропроводящей жидкости на водной основе), при этом объект дополнительно содержит осветительную систему против обрастания, которая описана здесь, в которой осветительный модуль выполнен с возможностью облучения (во время использования объекта) светом против обрастания по меньшей мере части упомянутой обрастающей поверхности. Облучение может выполняться непосредственно источником света или, например, посредством волокна или посредством волновода, такого как описанная здесь оптическая среда. Как указано выше, объект может быть, например, судном, рыбным садком, шлюзом, морским садком для разведения рыб и другими подвижными или неподвижными морскими объектами и т.п. В конкретном варианте осуществления объект содержит судно, при этом судно содержит стальной корпус, и при этом корпус выполнен в качестве второго электрода энергосистемы. Обрастающая поверхность может быть частью поверхности (элемента) объекта и/или может быть испускающей поверхностью осветительной системы (в частности, оптической среды, при ее содержании в осветительной системе; смотри также ниже). Следовательно, в вариантах осуществления объект выбирается из группы, состоящей из судна, водной плотины, дамбы, рыбного садка, шлюза, морского садка для разведения рыб и буя.
Как указано выше, осветительный модуль может дополнительно содержать оптическую среду, выполненную с возможностью приема по меньшей мере части света против обрастания и предназначенную для распределения по меньшей мере части света против обрастания по оптической среде, при этом оптическая среда содержит (ia) первую сторону среды и (ib) поверхность испускания, выполненную с возможностью испускания по меньшей мере части распределенного света против обрастания в направлении от первой стороны среды оптической среды. В частности, первая сторона среды физически контактирует с первой поверхностью элемента.
В еще одном дополнительном варианте осуществления объект содержит множество осветительных модулей, расположенных по по меньшей мере части высоты объекта, при этом система управления выполнена с возможностью управления интенсивностью света против обрастания в зависимости от положения осветительного модуля относительно уровня электропроводящей жидкости на водной основе со стороны обрастающей поверхности. В частности, высота объекта определяется как высота объекта при использовании, например, в воде, от самой низкой точки ниже уровня жидкости до самой высокой точки объекта. Высота элементов такого объекта определяется высотой, ограниченной относительно вертикального направления от самой низкой точки до самой высокой точки. Например, высота корпуса может быть высотой от киля до, например, леерного ограждения. Преимущественно, нежелательный свет против обрастания над уровнем воды можно уменьшать (и непроизводительные потери света и энергии можно уменьшать), в то время как можно подавать свет против обрастания ниже уровня воды. Это также повышает безопасность (людей и/или животных), так как облучение, например, людей УФ излучением должно быть как можно меньше. Следовательно, система управления может быть выполнена с возможностью управления интенсивностью света против обрастания в зависимости от положения осветительного модуля по отношению к глубине осветительного модуля ниже уровня электропроводящей жидкости на водной основе (со стороны обрастающей поверхности).
В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящее изобретение обеспечивает также осветительную систему против обрастания (выполненную с возможностью предотвращения или уменьшения биообрастания на обрастающей поверхности объекта, который, во время использования, по меньшей мере временно подвергается воздействию электропроводящей жидкости на водной основе, посредством подачи света против обрастания на упомянутую обрастающую поверхность), при этом осветительная система против обрастания содержит: (a) осветительный модуль, содержащий источник света, выполненный с возможностью генерации света против обрастания; и (b) энергосистему, выполненную с возможностью локального сбора энергии и предназначенную для подачи электропитания упомянутому осветительному модулю, при этом энергосистема содержит (a) протекторный электрод в электрическом соединении с первым электродом источника света и/или (первое) электрическое соединение для соединения с таким протекторным электродом, причем (первое) электрическое соединение электрически соединено с первым электродом источника света, и (ii) второй электрод энергосистемы в электрическом соединении со вторым электродом источника света и/или (второе) электрическое соединение для соединения с таким вторым электродом источника света, причем (второе) электрическое соединение электрически соединено со вторым электродом источника света; причем энергосистема выполнена с возможностью подачи электропитания осветительному модулю, когда протекторный электрод и второй электрод энергосистемы находятся в электрическом контакте с электропроводящей жидкостью на водной основе. Один или более из протекторного электрода и второго электрода энергосистемы могут уже присутствовать в существующей структуре. Следовательно, при этом осветительный блок против обрастания можно наносить на существующую инфраструктуру, например, уже включающую в себя протекторный электрод.
В еще одном дополнительном аспекте изобретение предлагает также способ защиты от обрастания обрастающей поверхности объекта, который, во время использования, по меньшей мере временно подвергается воздействию электропроводящей жидкости на водной основе, при этом способ содержит: (a) обеспечение осветительного модуля, который определен здесь; (b) генерирование света против обрастания, необязательно в зависимости от одного или более из (i) сигнала обратной связи, зависящего от риска биообрастания, и (ii) таймера для привязанного по времени (например, периодического) изменения интенсивности света против обрастания; и (c) подачу упомянутого света против обрастания на упомянутую обрастающую поверхность. Таким образом, во время использования объекта, например, во время плавания и/или во время стоянки в гавани, судно можно сохранять чистым от биообрастания, или можно устранять биообрастание. То же самое относится к другим объектам, которые можно защищать от обрастания данным способом. Выражение «способ защиты от обрастания» означает, что обрастание предотвращается, и/или обрастание можно устранять. Следовательно, способ может быть исправительным и/или профилактическим. Способ может дополнительно содержать, в частности, управление интенсивностью света против обрастания в зависимости от сигнала обратной связи датчика, например, среди других этапов, определенных выше. Например, можно представить схему с выключением на 3 часа и включением на 5 минут. В варианте осуществления свет против обрастания подают в течение 0,2-10 минут в течение каждого часа. В еще одном варианте осуществления свет против обрастания подают 30-300 минут каждые (календарные) сутки, т.е. каждые 24 часа. Время включения и/или время выключения могут быть изменяющимися, например, основанными на сигнале обратной связи. В частности, свет против обрастания будет генерироваться, когда объект по меньшей мере частично подвергается воздействию электропроводящей жидкости на водной основе, как обычно будет происходить в случае, когда объект используют (в соответствии с его заданным применением). Следовательно, осветительная система против обрастания может быть выполнена с возможностью подачи, во время использования осветительной системы против обрастания, света против обрастания с переменной интенсивностью, необязательно включая периоды включения и выключения света против обрастания. С данной целью, осветительная система против обрастания, в частности, модуль, может включать в себя дополнительные электрические компоненты, такие как таймер и/или система управления.
В еще одном дополнительном аспекте изобретение предлагает способ обеспечения осветительной системы против обрастания для объекта, который, во время использования, по меньшей мере временно подвергается воздействию электропроводящей жидкости на водной основе, при этом способ содержит обеспечение осветительного модуля (и энергосистемы), которые определены здесь, для судна, причем осветительный модуль выполнен с возможностью подачи (во время использования) упомянутого света против обрастания на обрастающую поверхность одного или более из объекта и осветительного модуля, закрепленного на объекте. Следовательно, осветительную систему против обрастания (и энергосистему) можно также наносить на существующие объекты. Например, осветительную систему против обрастания можно интегрировать в существующую инфраструктуру протекторных электродов. Когда энергосистема и осветительный модуль функционально связаны, для объекта обеспечивается осветительная система против обрастания. С помощью способа защиты от обрастания и способа обеспечения осветительной системы против обрастания для объекта можно защищать обрастающую поверхность. Как указано выше, обрастающая поверхность может содержать, в частности, одну или более из испускающей поверхности оптической среды и первой поверхности элемента для элемента, содержащегося в/на корпусе упомянутого судна. Следовательно, при применении осветительной системы против обрастания на объекте, один или более элементов энергосистемы уже могут присутствовать на (существующем) объекте.
Термин «по существу» здесь, такой как в выражении «по существу весь свет» или в выражении «по существу состоит», будет понятным специалисту в данной области техники. Термин «по существу» может также включать в себя варианты осуществления с «полностью», «совершенно», «весь» и т.п. Следовательно, в вариантах осуществления прилагательное по существу может быть также исключено. Где применимо, термин «по существу» может также относиться к 90% или выше, например, 95% или выше, в частности, 99% или выше, даже более конкретно 99,5% или выше, включая 100%. Термин «содержит» включает в себя также варианты осуществления, в которых термин «содержит» означает «состоит из». Термин «и/или», в частности, относится к одному или более из предметов, упомянутых до и после «и/или». Например, выражение «предмет 1 и/или предмет 2» и аналогичные выражения могут относиться к одному или более из предмета 1 и предмета 2. Термин «содержащий» может относиться в варианте осуществления к «состоящему из», но в другом варианте осуществления может также относиться к «содержащий по меньшей мере обозначенные категории и необязательно одну или более других категорий».
Кроме того, определения первый, второй, третий и т.п. в описании и в формуле изобретения используют для проведения различия между сходными элементами и не обязательно для описания последовательного или хронологического порядка. Следует понимать, что применяемые так термины являются взаимозаменяемыми в соответствующих обстоятельствах, и что описанные здесь варианты осуществления изобретения способны функционировать в других последовательностях, кроме описанных или изображенных здесь.
Устройства здесь описаны, среди прочего, в действии. Как будет ясно специалисту в данной области техники, изобретение не ограничено способами действия или устройствами в действии.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления поясняют, а не ограничивают изобретение, и что специалисты в данной области техники смогут разработать много альтернативных вариантов осуществления, не выходя за рамки прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения никакие ссылочные позиции, помещенные в круглые скобки, не должны быть истолкованы как ограничивающие пункт формулы изобретения. Применение глагола «содержать» и его спряжений не исключает присутствия других элементов или этапов, кроме тех, которые установлены в пункте формулы изобретения. Признак единственного числа перед элементом не исключает присутствия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано посредством аппаратного обеспечения, содержащего несколько отдельных элементов, и посредством соответственно запрограммированного компьютера. В пункте на устройство, перечисляющем несколько средств, некоторые из этих средств могут быть реализованы одним и тем же самым элементом аппаратного обеспечения. Лишь тот факт, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что не может быть использована с выгодой комбинация этих мер.
Изобретение дополнительно применимо к устройству, содержащему один или более из характеризующих признаков, представленных в описании и/или показанных на прилагаемых чертежах. Изобретение дополнительно относится к способу или процессу, содержащему один или более из характеризующих признаков, представленных в описании и/или показанных на прилагаемых чертежах.
Различные аспекты, обсужденные в этом патенте, можно объединять, чтобы обеспечивать дополнительные преимущества. Кроме того, некоторые из признаков могут формировать основу для одной или более выделенных заявок.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Теперь, только в качестве примера, будут описаны варианты осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых соответствующие ссылочные позиции указывают соответствующие части, и на которых:
Фиг. 1 - график, отражающий спектр бактерицидного действия для разных биологических материалов в зависимости от длины волны света;
Фиг. 2 - схематическое поперечное сечение осветительного модуля с оптическим волноводом;
Фиг. 3 показывает вариант осуществления, содержащий перераспределяющий отражатель и материал преобразования длины волны;
Фиг. 4a-c показывают варианты осуществления мелкоячеистой проволочной сети;
Фиг. 5a-5d схематически отображают некоторые аспекты осветительной системы, описанной здесь;
Фиг. 6a-6c схематически отображают некоторые аспекты осветительной системы против обрастания и ее применения; и
Фиг. 7a-7e схематически отображают некоторые аспекты осветительной системы против обрастания и ее применения.
Чертежи не обязательно выполнены в масштабе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Хотя это раскрытие подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в вышеприведенном описании, такие иллюстрации и описание следует считать наглядными или примерными, а не ограничивающими; это раскрытие не ограничено раскрытыми вариантами осуществления.
Фиг. 1 является графиком, отражающим спектр бактерицидного действия для разных биологических материалов в зависимости от длины волны света, где RE означает относительную эффективность, кривая 1 означает бактерицидное действие, полученное из справочника по освещению Североамериканского общества инженеров-светотехников, IES Lighting Handbook, Application Volume, 1987, 14-19; кривая 2 означает поглощение света штаммом E. Coli (полученное из публикации W. Harm, Biological Effects of Ultraviolet Radiation, Cambridge University Press, 1980), а кривая curve 3 означает поглощение ДНК (также полученное из справочника IES).
Фиг. 2 представляет, в качестве базового варианта осуществления, поперечное сечение осветительного модуля 200, содержащего множество источников 210 света (здесь: светодиоды торцевого свечения, в которых свет испускается, в основном, из торца светодиода и более или менее параллельно поверхности), инкапсулированных в непроницаемой для жидкости оптической среде 220 для направления по меньшей мере части света 211, испускаемого из источников 210 света, за счет полного внутреннего отражения по оптической среде, при этом данная оптическая среда дополнительно снабжена оптической структурой 7 для рассеяния света 211 и направления света 211 из оптической среды 220 к объекту 1200, подлежащему облучению светом, (биообрастающему организму). Оптическая среда 220 обычно простирается в двух измерениях значительно дальше, чем в третьем измерении, так что обеспечен объект, подобный двумерному. Оптические структуры 7 для рассеяния света 211 могут быть распределены на одном или более участках материала оптической среды, возможно, по всему данному материалу, при этом на таких участках распределение может быть, в основном, равномерным или локализованным. Рассеивающие центры с разными структурными свойствами могут объединяться, чтобы обеспечивать, кроме оптических, также структурные характеристики, такие как сопротивление износу и/или ударному воздействию. Подходящие рассеиватели содержат непрозрачные объекты, но можно также применять, в принципе, полупрозрачные объекты, такие как небольшие воздушные пузырьки, стекло и/или двуокись кремния; требуется только, чтобы имело место изменение показателя преломления для используемой(ых) длин(ы) волн(ы).
Принцип канализации света и распределения света по поверхности хорошо известен и широко применяется в различных областях. Здесь принцип применяется для УФ-света с целью защиты от обрастания. Следует отметить, что идея выполнения поверхности, например, корпуса корабля с автономным освещением УФ-светом является совершенно иным решением, чем нынешние и хорошо отработанные решения защиты от обрастания, которые основаны на гладких покрытиях, химических веществах, очистке, программном обеспечении для управления скоростью корабля и т.п.
Полное внутреннее отражение является одним способом передачи света по оптической среде, которую в таком случае часто называют оптическим волноводом. Чтобы поддерживать условия для полного внутреннего отражения, показатель преломления оптического волновода должен быть выше, чем у окружающей среды. Однако, можно также воспользоваться применением (частично) отражающих покрытий на оптическом волноводе и/или применением отражательных свойств защищаемой поверхности, например, корпуса корабля самого по себе, чтобы создать условия для направления света по оптической среде.
В некоторых вариантах осуществления оптическая среда может быть расположена относительно защищаемой поверхности, например, корпуса корабля, таким образом, чтобы между оптической средой и защищаемой поверхностью создавался небольшой воздушный зазор; УФ-свет может распространяться даже лучше, с меньшим поглощением, в воздухе, чем в оптической среде, даже когда эта оптическая среда спроектирована как светопроводный материал. В других вариантах осуществления внутри силиконового материала могут быть сформированы газонаполненные каналы, например, воздушные каналы. Можно также обеспечить матрицу отдельных газонаполненных карманов, например, с регулярным рисунком, подобным прямоугольному рисунку или рисунку сотовой структуры, или с нерегулярной структурой. Вместо наполнения газом (например, воздухом), каналы и/или карманы могут быть по меньшей мере частично наполнены жидкостью, пропускающей УФ-свет, например, пресной и/или очищенной водой. В случае, если защищаемая поверхность, которая покрыта такой оптической средой, подвергается ударным воздействиям, например, при соударении корабля с причальной стенкой, небольшие карманы могут смягчать, перераспределять энергию ударов и, следовательно, защищать поверхность, при этом карманы, наполненные жидкостью, могут быть прочнее при деформации, чем воздушные карманы, которые могут легче разрываться.
Поскольку большинство материалов имеет (очень) ограниченный коэффициент пропускания УФ-света, то при проектировании оптической среды следует проявлять осторожность. Ряд конкретных признаков и/или вариантов осуществления, которые специально определены с данной целью, перечислены ниже:
- Чтобы минимизировать расстояние, на которое должен распространяться свет по оптической среде, можно выбирать относительно малый шаг маломощных светодиодов.
- Можно использовать «пустотелую» структуру, например, мат из силоксанового каучука с прокладками, которые поддерживают мат на небольшом расстоянии от защищаемой поверхности. Это создает воздушные «каналы», по которым УФ-свет может распространяться с высокой эффективностью (воздух очень прозрачен для УФ-света). Применение газонаполненных каналов, обеспечиваемых такими структурами, допускает распределение УФ-света на значительные расстояния в оптической среде материала, который, в ином случае, поглощал бы УФ-свет слишком сильно, чтобы быть полезным для защиты от обрастания. Аналогично, возможно формирование отдельных карманов.
- Можно подобрать специальный материал с высокой прозрачностью для УФ-света, подобный некоторым силиконам или (плавленому) кварцу, пропускающему УФ-свет. В вариантах осуществления этот специальный материал можно применять только для создания каналов, чтобы свет распространялся на большую часть расстояния; для остальной поверхности можно применить более дешевый/стойкий материал.
На прилагаемых чертежах раскрыты дополнительные варианты осуществления, при этом основным вопросом является освещение большой поверхности светом против обрастания, предпочтительно, УФ-светом, причем с использованием точечных источников света. Типичной задачей является распределение света от точечных источников для освещения поверхности. Более подробные сведения:
2
- Площадь защищаемой поверхности типичного контейнерного корабля составляет ~10000 м.
2
10
- Типичный светодиодный источник имеет площадь ~1 мм. Это меньше в 10 раз.
2
- С учетом требуемых уровней мощности, может требоваться 10 светодиодов на м.
2
- Это означает, что свет от 1 светодиода должен быть распределен по ~1000 см.
- В качестве другого граничного условия принимают, чтобы решение было тонким (порядка величины: 1 см), например, по таким причинам, как:
- Можно было добавлять решение в качестве «покрытия» для корабля,
- Не увеличивать сопротивление из-за увеличенного размера поперечного сечения корабля.
- Выдерживать ограниченные затраты на (основной) материал.
Следовательно, обеспечивается применение оптической среды, в частности, в целом плоского оптического волновода. Типичными размерами оптического волновода являются толщина от примерно 1 мм до примерно 10 мм. Ограничение по размеру в других направлениях фактически отсутствует с оптической точки зрения; в особенности отсутствует, если обеспечено множество источников света так, что ослабление интенсивности света по оптическому волноводу, обусловленное частичным выводом света и, возможно, потерями (на поглощение), компенсируется.
Здесь считается, что аналогичные оптические задачи решаются при проектировании подсветки для ЖК телевизоров, хотя, при защите от обрастания, требование к равномерности интенсивности испускаемого света является менее жестким, чем к подсветке для ЖК телевизоров.
Для получения лучшей равномерности в оптической структуре меньшей толщины существуют дополнительные идеи и решения, такие как введение рассеивателей и/или отражателей или других распределителей света непосредственно перед одним или более источниками света.
Фиг. 3 представляет (с левой стороны) внесение распределителя света в форме отражательного конуса 25 в оптическую среду 220, с вершиной, направленной к источнику 210 света. Этот конус направляет свет 211 в направлении, имеющем составляющую по существу параллельную поверхности 101, подлежащей защите от обрастания. Если конус 25 не является полностью отражательным или непрозрачным, то некоторая часть света от источника света будет проходить сквозь него, и предотвращается образование теней, приводящих к ослаблению или неэффективности защиты от обрастания.
Дополнительно, фиг. 3 показывает материал CM преобразования длины волны, который содержится в оптической среде 220. Проиллюстрированный вариант осуществления выполнен с возможностью генерации по меньшей мере части света против обрастания посредством фотовозбуждения материала CM преобразования длины волны светом от источника света, свет 31 которого имеет первую длину волны, вынуждая материал преобразования длины волны испускать свет 211 против обрастания с другой длиной волны из оптической среды 220 в окружающую среду E, т.е. ниже по направлению распространения света от испускающей поверхности 222. Распределение материала преобразования длины волны в оптической среде 220 может быть пространственно-переменным, например, в соответствии с (ожидаемыми) распределениями интенсивности света (разных длин волн) в оптической среде 220.
Термины «выше по направлению распространения света от» и «ниже по направлению распространения света от» относятся к расположению элементов или предметов относительно распространения света от средств генерации света (здесь, в частности, первого источника света), при этом относительно первого положения в пучке света от средства генерации света, второе положение в пучке света, ближе к средству генерации света, находится «выше по направлению распространения света от», а третье положение в пучке света, дальше от средства генерации света, находится «ниже по направлению распространения света от».
Фиг. 4a-4c показывают вариант осуществления мелкоячеистой проволочной сети, где источники 210 света, такие как светодиоды УФ-свечения, расположены в виде сети и подключены в виде последовательности параллельных соединений. Светодиоды могут быть смонтированы в узлах, как показано на фиг. 4b, посредством пайки, приклеивания или любого другого известного метода электрического соединения для подключения светодиодов к проводам 4 мелкоячеистой сети. В каждом узле можно размещать один или более светодиодов. Может быть реализовано возбуждение постоянным током или переменным током. В случае постоянного тока светодиоды смонтированы, как показано на фиг. 4c. Если используется переменный ток, тогда применяется пара светодиодов в антипараллельной конфигурации, как показано на фиг. 4c. Специалисту в данной области техники известно, что в каждом узле можно использовать более одной пары светодиодов в антипараллельной конфигурации. Фактический размер мелкоячеистой проволочной сетки и расстояние между светодиодами УФ-свечения в сетке можно регулировать растяжением структуры в виде гармошки. Мелкоячеистая проволочная сетка может быть встроена в оптическую среду, в которой, необязательно, обеспечена параллельная сеть рассеивающих элементов, как показано на фиг. 3.
Кроме применения для защиты от обрастания корпусов судов, предусмотрены следующие альтернативные применения и варианты осуществления:
- Раскрытие можно применять в самых различных областях. Почти любой объект, приходящий в контакт с природной водой, будет со временем подвергаться биообрастанию. Биообрастание может создавать помехи, например, на впусках воды опреснительных установок, блокировать трубы насосных станций или даже покрывать стенки и дно открытого бассейна. Все приведенные применения извлекут пользу из настоящих предложенных способа, осветительных модулей и/или системы, т.е. эффективного тонкого дополнительного поверхностного слоя, который предотвращает биообрастание на всей площади поверхности.
- Хотя УФ-свет является предпочтительным решением, предусматриваются также другие длины волн. Не УФ-свет (видимый свет) также эффективен против биообрастания. Типичные микроорганизмы менее чувствительны к не УФ-свету, чем к УФ-свету, но в спектре видимого излучения можно генерировать намного большую дозу на единичную входную мощность, подаваемую в источники света.
- светодиоды УФ-свечения являются идеальным источником для тонких светоиспускающих поверхностей. Однако, возможно также использование других УФ-источников, отличных от светодиодов, таких как ртутные лампы низкого давления. Форм-фактор этих источников света совершенно другой; главным образом, источник гораздо больше. Это приводит к другим оптическим конструкциям для «распределения» всего света от единственного источника по большой площади. Хотя концепция канализации света, обсужденная здесь, не изменяется. Дополнительно, можно создать значительный вклад света на требуемых длинах волн и/или комбинациях длин волн.
Вместо использования тонкого слоя, который испускает УФ-свет наружу в направлении от защищаемой поверхности, чтобы исключить биообрастание, биообрастание также можно потенциально устранять при подаче УФ-света снаружи в направлении защищаемой поверхности. Например, освещая УФ-светом корпус или поверхность, содержащую подходящую описанную оптическую среду. Таким образом, единственная оптическая среда, испускающая свет против обрастания в направлениях к защищаемым поверхностям и от них, может быть даже более эффективной.
Фиг. 5a-5d схематически изображают некоторые варианты осуществления и видоизменения системы против обрастания. Фиг. 5a схематически изображает осветительную систему 1 против обрастания, содержащую осветительный модуль 200 и необязательно систему 300 управления. Здесь, в качестве примера объекта 1200 с обрастающей поверхностью 1201 схематически показано судно 20 с упомянутым корпусом 21. Обрастающая поверхность 1201 может быть элементом 100 (его частью) и/или поверхностью элемента или системы, связанной с упомянутым объектом 1200. Элемент 100 означает элемент объекта, такой как корпус 21 судна 20. В этом схематически изображенном варианте осуществления объект 1200 дополнительно содержит осветительную систему против обрастания, которая включает в себя испускающую поверхность (смотри ниже). Следовательно, обрастающая поверхность 1201 может, например, также содержать такую испускающую поверхность 220.
2
Элемент 100 содержит первую поверхность 101 элемента и вторую сторону 102, при этом первая поверхность 101 элемента имеет, например, площадь по меньшей мере 0,4 м. Например, вторая сторона 102 может быть внутренней стенкой корпуса 21 судна 20. Первая поверхность 101 элемента является стороной, обращенной в этом варианте осуществления наружу судна 20, которая будет во время использования по меньшей мере частично контактировать с жидкостью 5, в частности, водой. Уровень жидкости обозначен позицией 15. Как можно видеть, по меньшей мере часть элемента 100 погружена в жидкость.
2
Осветительный модуль 200 содержит источник света и необязательно оптическую среду 220. В частности, источник 210 света выполнен с возможностью генерации света 211 против обрастания, который может, в частности, включать в себя УФ-свет, и, даже более конкретно, по меньшей мере УФ-C-свет. Оптическая среда 220 выполнена, в частности, с возможностью приема по меньшей мере части света 211 против обрастания и дополнительно предназначена для распределения по меньшей мере части света 211 против обрастания по оптической среде 220. Оптическая среда содержит первую сторону 221 среды, которая может, например, иметь площадь по меньшей мере 0,4 м, и испускающую поверхность 222, выполненную с возможностью испускания по меньшей мере части распределенного света 211 против обрастания в направлении от первой стороны 221 среды оптической среды 220. Здесь первая сторона 221 среды направлена к первой поверхности 101 элемента 100. В этом варианте осуществления оптическая среда 220 физически контактирует с первой поверхностью 101 элемента. Следовательно, например, в таком варианте осуществления по меньшей мере часть осветительного модуля 200 выполнена с возможностью герметизации по меньшей мере части первой поверхности 101 элемента посредством испускающей поверхности 222, выполненной более удаленной от первой поверхности 101 элемента, чем первая сторона 221 среды. Дополнительно, осветительная система 1 содержит систему 300 управления, выполненную с возможностью управления интенсивностью света 211 против обрастания в зависимости от одного или более из сигнала обратной связи и таймера. Необязательный таймер не показан, но может быть необязательно интегрирован в систему управления. В качестве альтернативы, датчик, обозначенный позицией 400, может воспринимать сигнал времени. Позиция 230 обозначает источник питания, который может локально собирать энергию или который может быть, например, аккумуляторной батареей. Необязательно, электропитание может подаваться из судна. Позиция h обозначает высоту элемента 100.
Посредством примера, источник 230 питания, система 300 управления и датчик 400 все интегрированы в осветительный модуль 200 и формируют с оптической средой 220 единый блок. Осветительный модуль 200 может покрывать по существу весь элемент 100. Здесь, в качестве примера, покрыта только часть 1-й стороны 101. В варианте осуществления, изображенном на фиг. 5a, 1-ая поверхность оптической среды прикреплена к 1-й стороне элемента 100. Фиг. 5b схематически изображает только в качестве примера вариант осуществления, в котором оптическая среда не прикреплена к элементу 100; вследствие чего может быть создано пустое пространство 107. Следует отметить, что по меньшей мере часть осветительного блока герметизирует первую поверхность элемента на элементе 100. Здесь, в качестве примера, элементом является стенка или ворота, или подвижная конструкция 40, например, дамба или шлюз. Фиг. 5c, посредством примеров, представляет множество элементов 100, а также множество осветительных модулей 200. Осветительная система включает в себя также множество датчиков 400 и единственную систему 300 управления. Дополнительно, локальная система 230 сбора энергии может быть, например, фотогальваническим элементом. Осветительные модули 200 могут в варианте осуществления формировать единый интегрированный блок и герметизировать в совокупности элементы 100. При использовании такой системы можно контролировать то, какие оптические среды 220 находятся ниже уровня 15 жидкости. Только те оптические среды, которые находятся ниже уровня 15 жидкости, могут подавать свет 211 против обрастания, как указано на чертеже. Разумеется, возможно присутствие большего числа осветительных модулей, чем показано. Фиг. 5d схематически отображает отдельную осветительную систему 1, которая также необязательно может быть сопряжена. Например, системы 300 управления могут необязательно сообщаться (беспроводным способом). Однако, осветительные системы могут также действовать независимо.
Позиция 700 обозначает интегрированный блок, содержащий (i) осветительный модуль 200 и одно или более из упомянутого протекторного электрода (смотри ниже), упомянутого второго электрода энергосистемы (смотри ниже), необязательной системы 300 управления, необязательного таймера и необязательного датчика 400, при этом система 300 управления может быть выполнена, например, с возможностью управления интенсивностью света 211 против обрастания в зависимости от одного или более из (i) сигнала обратной связи от датчика 400, связанного с риском биообрастания, и (ii) таймера для привязанного по времени (например, периодического) изменения интенсивности света 211 против обрастания.
Интегрированный блок 700, который, например, показан в некоторых из схематически изображенных вариантах осуществления, может быть, в частности, закрытым блоком с испускающей поверхностью 221 в качестве одной из сторон. На фиг. 5a-5d электроды и т.п. не показаны с целью упрощения. Тем не менее, они дополнительно объяснены ниже со ссылками на фиг. 6a-6c и 7a-7e.
Следует отметить, что обрастающая поверхность 1201 в некоторых из вариантов осуществления может (также) содержать испускающую поверхность (222), смотри среди прочих фиг. 5a-5b.
Фиг. 6a-6c схематически изображают некоторые аспекты осветительной системы против обрастания и ее применения. Например, в аспекте изобретения светодиод УФ-свечения и/или другие источники 210 света включают в электрическую цепь, которая уже может быть доступной на объекте 1200, имеющем (стальную) обрастающую поверхность 1201 и закрепленный на ней протекторный электрод 510, смотри фигуры 6a-6c для сравнения ситуаций без источника 210 света (фиг. 6a) и с источником света (фиг. 6b и 6c). Пунктирная линия обозначает, посредством примера, обратную электрическую цепь по стальной обрастающей поверхности 1201. Стальной корпус 21, здесь обрастающая поверхность 1201, может действовать в качестве второго электрода 520 источника энергии. При этом обеспечивается энергосистема 500, которая может запитывать источник 210 света. Фиг. 6b показывает введение источника 210 света, который может освещать обрастающую поверхность 1201 и который может запитываться энергосистемой 500.
Фиг. 6c схематически более подробно изображает вариант осуществления осветительной системы 1 против обрастания (здесь также в варианте осуществления закрытого блока), в которой, посредством примера, источник 210 света содержится в оптической среде 220. Осветительная система против обрастания дополнительно поясняется среди прочего относительно этого варианта осуществления, но изобретение не ограничено этим вариантом осуществления. Фиг. 6c схематически изображает осветительную систему 1 против обрастания, выполненную с возможностью предотвращения или уменьшения (связанного с водой) биообрастания на обрастающей поверхности 1201 объекта 1200, который, во время использования, по меньшей мере временно подвергается воздействию электропроводящей жидкости на водной основе, посредством подачи света 211 против обрастания на упомянутую обрастающую поверхность 1201. Осветительная система 1 против обрастания содержит (a) осветительный модуль 200, содержащий источник 210 света, выполненный с возможностью генерации света 211 против обрастания; и (b) энергосистему 500, выполненную с возможностью локального сбора энергии и предназначенную для подачи электропитания упомянутому осветительному модулю 200, при этом энергосистема 500 содержит (i) протекторный электрод 510 (электрически соединенный с первым электродом 251 источника 210 света) и (ii) второй электрод 520 энергосистемы (электрически соединенный со вторым электродом 252 источника 210 света), причем энергосистема 500 выполнена с возможностью подачи электропитания осветительному модулю 200, когда протекторный электрод 510 и второй электрод 520 энергосистемы находятся в электрическом контакте с электропроводящей жидкостью на водной основе, такой как, в частности, морская вода (такой как жидкость 5). Источник 210 света встроен в оптическую среду 220. Оптическая среда 220 содержит проход 530 для электрических соединений 1251, 1252 с источником 210 света. Здесь доступны два прохода. Следует отметить, что оптическая среда может быть полимером, в который может быть встроен (внедрен) весь источник света. Следует отметить, что поверхность или корпус 21 является (элементом с) поверхностью, подлежащей защите. При расположении осветительного блока 1, в частности, оптической среды 220, на значительной части этой поверхности, подлежащей защите, обрастающая поверхность превращается в поверхность осветительного блока 1, в частности, оптической среды. Следовательно, в этом варианте осуществления свет против обрастания будет защищать от обрастания испускающую поверхность 221. Следовательно, обрастающая поверхность 1201 здесь содержит испускающую поверхность 222 оптической среды 220. Поэтому, в этом варианте осуществления испускающая поверхность 222 фактически является поверхностью, подлежащей защите.
Фиг. 7a-7e схематически изображают некоторые аспекты осветительной системы против обрастания и ее применение. Фиг. 7a и 7b схематически более подробно изображают некоторые варианты и аспекты изобретения. Дополнительно, фиг. 7a схематически изображает применение усилителя электрической мощности, обозначенного позицией 580, например, «блокинг-генератора» (повышающего импульсного преобразователя напряжения), для увеличения разности потенциалов между первым электродом 251 и вторым электродом 252 источника 210 света. Дополнительно к такому «блокинг-генератору» или вместо него можно применить повышающий преобразователь (повышающий конвертор) в качестве усилителя электрической мощности. Повышающий преобразователь представляет собой силовой преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока с выходным напряжением выше, чем его входное напряжение. Данный преобразователь относится к классу импульсных источников питания (SMPS), содержащих по меньшей мере два полупроводника (диод и транзистор) и по меньшей мере один энергонакопительный элемент, конденсатор, катушку индуктивности или оба в сочетании. «Блокинг-генератор» является минималистским автоколебательным вольтодобавочным устройством, которое является небольшим, недорогим и удобным для изготовления; обычно применяемым для возбуждения легких нагрузок. Данное устройство может использовать почти всю энергию одноэлементной электрической батареи, даже при напряжении ниже уровня, когда другие цепи оценивают батарею полностью разряженной (или «отработанной»). Цепь может использовать автоколебательные свойства блокинг-генератора с формированием нерегулируемого повышающего преобразователя напряжения. Выходное напряжение повышается за счет увеличенного потребления тока на входе. В качестве альтернативы или дополнительно можно применить обратноходовой преобразователь. Обратноходовой преобразователь можно использовать при преобразовании напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока с гальванической развязкой между входом и любыми выходами. Точнее, обратноходовой преобразователь представляет собой промежуточный вольтодобавочный преобразователь с расщеплением катушки индуктивности для формирования трансформатора таким образом, что коэффициенты трансформации (усиления) по напряжению перемножаются с дополнительным преимуществом развязки.
На фиг. 7a свет от источника 210 света вводится в оптическую среду, такую как волокно или волновод, из которой, необязательно, после распределения по оптической среде, свет против обрастания может выходить (из испускающей поверхности 222). Этот свет против обрастания, показанный в верхней части чертежа, можно использовать для защиты от обрастания обрастающей поверхности (не показана). Фиг. 7b схематически изображает вариант, в котором источник 210 света встроен в оптическую среду 220, например, силиконовую пленку или мозаику. Первый электрод 251 и второй электрод 252 могут простираться здесь в качестве электрических соединений 1251, 1252 соответственно через оптическую среду и могут быть доступны снаружи оптической среды 220 через проходы 530. Эти электроды могут соединяться с соответствующими электродами энергосистемы (не показаны; смотри выше; и смотри фиг. 7e).
Фиг. 7c-7d схематически изображают некоторые варианты осуществления осветительного блока 1, при этом в интегрированном блоке 700 обеспечены несколько компонентов. Интегрированный блок 700 может содержать осветительный модуль 200 и один или более из упомянутого протекторного электрода 510, смотри фиг. 7c, и упомянутого второго электрода 520 энергосистемы, смотри фиг. 7d, и необязательно одно или более из системы управления (не показана), таймера (не показан) и датчика (не показан). Разумеется, также возможны сочетания этих двух вариантов осуществления, такие как содержащие упомянутый протекторный электрод 510 и упомянутый второй электрод 520 энергосистемы. Вариант осуществления по фиг. 7c можно, например, прикреплять к поверхности объекта 1200 (не показан), при этом поверхность является, например, стальным корпусом. Это может также относиться к варианту осуществления по фиг. 7d, хотя этот вариант осуществления уже может содержать второй электрод энергосистемы, но этот блок также будет электрически соединен с протекторным электродом (не показан) электрическим соединением 1251.
Следовательно, в то время как вариант осуществления по фиг. 7d может нуждаться в том, чтобы объект, включающий в себя протекторный электрод, электрически соединялся с первым электродом 251 источника света, этот вариант осуществления не обязательно нуждается в объекте со стальным корпусом или другим элементом, который можно использовать в качестве второго электрода 520 энергосистемы, так как этот электрод уже содержится в системе 1 против обрастания, в частности, блоке 700. Следовательно, тип поверхности, на которую можно наносить эту систему 1 против обрастания, в частности, блок 700, может быть не ограничивающим. Напротив, в то время как вариант осуществления по фиг. 7c может нуждаться в том, чтобы объект, включающий в себя второй электрод 520 энергосистемы, электрически соединялся со вторым электродом 252 источника света, этот вариант осуществления не обязательно нуждается в объекте с протекторным электродом 510, так как этот электрод уже содержится в системе 1 против обрастания, в частности, блоке 700. Здесь тип поверхности, на которую можно наносить эту систему 1 против обрастания, в частности, блок 700, может быть не ограничивающим. Чтобы обеспечить полностью автономную систему, которую можно применять для защиты от обрастания любой поверхности или для защиты любой поверхности, варианты осуществления по фиг. 7c и 7d можно объединять, как схематически показано на фиг. 7d. Фиг. 7a-7e не показывают другого необязательного компонента, такого, как схематически показанный на фиг. 5a-5d, однако, разумеется, также могут быть доступны система управления, датчик, таймер и т.п. и могут, например, быть интегрированными в блок 700. Дополнительно, энергосистема 700 может также питать эти необязательные электронные компоненты.
Следовательно, изобретение обеспечивает осветительную систему 1 против обрастания, предназначенную для предотвращения или уменьшения биообрастания на обрастающей поверхности 1201 объекта 1200, который, во время использования, по меньшей мере временно подвергается воздействию электропроводящей жидкости на водной основе, посредством подачи света 211 против обрастания на упомянутую обрастающую поверхность 1201, при этом осветительная система 1 против обрастания содержит: а) осветительный модуль 200, содержащий источник 210 света, выполненный с возможностью генерации света 211 против обрастания; и б) энергосистему 500, выполненную с возможностью локального сбора энергии и предназначенную для подачи электропитания упомянутому осветительному модулю 200, при этом энергосистема 500 содержит (i) протекторный электрод 510 и (ii) второй электрод 520 энергосистемы, причем энергосистема 500 выполнена с возможностью подачи электропитания осветительному модулю 200, когда протекторный электрод 510 и второй электрод 520 энергосистемы находятся в электрическом контакте с электропроводящей жидкостью на водной основе.
В зависимости от конкретных металлов, используемых для анодов, и конкретного используемого светодиода, генерируемое напряжение может быть недостаточным для непосредственного запитывания светодиодов. В этом случае простой преобразователь напряжения постоянного тока в напряжение постоянного тока может генерировать более высокое напряжение. Например, так называемый «блокинг-генератор» может работать с таким низким напряжением, как 0,35 В. Общую требуемую мощность и, следовательно, необходимое количество протекторного электрода можно оценить следующим образом:
ο Энергоемкость составляет примерно 368 Ампер-часов на один фунт (0,454 кг) цинка; 1108 Ампер-часов для алюминия; ток 3 мА при напряжении 3 В будет выдавать 10 мВт электрической мощности=1 мВт оптической мощности в УФ-C диапазоне (при 1% коэффициенте преобразования).
2
ο 1 мВт УФ-C-света может предотвращать биообрастание на площади ~1 м.
2
ο Таким образом, для большого судна (10000 м), требуется ток 10000×3 мА=30 A. При этом расходуется (корродирует) один фунт (0,454 кг) цинка каждые 12 часов или примерно 360 кг/год. Следовательно, с помощью относительно простой системы и при повторном использовании нескольких уже существующих компонентов на корпусе корабля может запитываться система против обрастания, использующая УФ-свет.
Таким образом, решения против обрастания, которые высвобождают некоторые химические вещества или биоциды, занимают в настоящее время большую долю рынка. Чтобы быть эффективными, эти покрытия должны обеспечивать окружающую среду, которая агрессивна для живых существ. Недостаток состоит в том, что со временем или при заданном высвобождении, или при обязательной очистке поверхности эти химические вещества попадают в воду. Эти химические вещества очень часто остаются активными, вызывая неблагоприятные влияния на окружающую среду. Принципиально другой способ предотвращения биообрастания представляет собой применение испускания УФ-света. Как известно, УФ-свет эффективно деактивирует или даже уничтожает микроорганизмы, при условии подачи достаточной дозы с подходящей длиной волны. Примером такого подхода является обработка балластной воды. Мы представим новый подход к защите от обрастания, при котором на наружную поверхность корпуса корабля наносят слой, испускающий УФ-свет. Введение светодиодов УФ-свечения в качестве источника света делает возможными тонкие структуры типа покрытий, в которых УФ-свет равномерно распределяется по поверхности. Дополнительные элементы оптической конструкции будут гарантировать, чтобы свет выходил более или менее равномерно по всему слою покрытия. Испускающий УФ-свет слой будет снижать вероятность прикрепления микроорганизмов к корпусу или даже предотвращать его. В экспериментальной установке мы добились многообещающих результатов, касающихся сохранения поверхности свободной от биообрастания в течение продолжительного периода времени. Два элемента располагали в морской воде и держали в ней в течение четырех недель. Один облучали УФ-светом; другой не облучали УФ-светом. Через четыре недели первый элемент содержал обрастание только на пятне, в которое не попадал УФ-свет; сам элемент был свободен от обрастания. Последний элемент был полностью покрыт обрастанием.