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

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам и устройствам для передачи электрической энергии.
Известен способ и устройство для передачи электроэнергии по замкнутой цепи, состоящей из двух или более проводов, трансформаторных подстанций и линий электропередачи (Электропередачи переменного и постоянного тока. Электротехнический справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с.337-352).
Недостатками известного способа являются потери в линиях, составляющие от 5% до 20% в зависимости от длины ЛЭП, и высокая стоимость оборудования. При этом цепь, соединяющая источник энергии и нагрузку, обязательно должна быть замкнутым контуром.
Известен способ питания электротехнических устройств с использованием генератора переменного напряжения, подключаемого к потребителю, в котором напряжение генератора подают на низковольтную обмотку высокочастотного трансформатора, а один из выводов высоковольтной обмотки соединяют с одной из входных клемм электротехнического устройства, при этом изменением частоты генератора добиваются установления резонансных колебаний в образованной электрической цепи.
Устройство, реализующее данный способ, представляет собой источник переменного напряжения с регулируемой частотой, высокочастотный трансформатор, один вывод высоковольтной секции которого изолирован, а второй предназначен для подачи энергии потребителю (патент РФ №2108649, 1998, Авраменко С.В. Способ питания электротехнических устройств и устройство для его осуществления).
Недостатком известного способа является необходимость использования для передачи электроэнергии линии из опор, изоляторов, проводов или кабеля, что увеличивает стоимость передачи электроэнергии.
Другим недостатком является невозможность прямого использования этого способа и устройства для непосредственного питания движущихся электрических транспортных средств: автомобилей, тракторов.
Известен способ передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного генератора и двух, понижающего и повышающего, высокочастотных трансформаторов Тесла, передачи высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему трансформатору Тесла, понижения потенциала его высоковольтного вывода и передачи энергии нагрузке (патент РФ №2255406, 2003, Стребков Д.С., Авраменко С.В., Некрасов А.И. Способ и устройство для передачи электрической энергии).
Недостатком известного способа является необходимость для передачи энергии подключения передающего высокочастотного трансформатора Тесла к двум электрически потенциально различным носителям энергии (однопроводниковая линия и земля), либо к одной, электрически изолированной от земли и находящейся под высоким электрическим потенциалом однопроводниковой линии, что требует использования опор, изоляторов, проводов.
Известен способ и устройство для передачи электрической энергии без металлических проводов с использованием в качестве проводящего канала транспортных трубопроводов с перемещаемым по ним жидким или газообразным веществами. В этом случае между источником и приемником электрической энергии формируют в электроизоляционной оболочке электропроводящий канал из вещества в жидкой, твердой или газообразной фазе. В проводящем канале генерируют электромагнитные колебания электрического поля, при этом за счет резонансных колебаний создают в канале пучности напряжений, а энергию электрического поля канала преобразуют в активную энергию для потребителя (Патент РФ №2172546, 2000. Стребков Д.С., Авраменко СВ. Способ и устройство для передачи электрической энергии).
Недостатком всех известных способов и устройств является невозможность их использования для передачи электрической энергии в водной среде.
Недостатками известных способов для передачи электрической энергии являются также малая величина передаваемой мощности, большие потери и низкий КПД передачи электрической энергии.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа и устройства для передачи электрической энергии в водной среде с использованием изолированных трубопроводов, снижение затрат на передачу электроэнергии за счет исключения опор, проводов, изоляторов, кабелей, а также повышение КПД передачи электрической энергии.
Технический результат достигается тем, что в способе передачи электрической энергии между источником и потребителем энергии с использованием в качестве проводящего канала трубопровода с жидким веществом путем формирования в электроизоляционной оболочке трубопровода электропроводящего канала из вещества в жидкой фазе и создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного преобразователя, повышающего резонансного трансформатора Тесла, электропроводящего канала из электроизолированного трубопровода с жидким веществом, понижающего резонансного трансформатора Тесла, передачи электрической энергии вдоль проводящего канала к понижающему резонансному трансформатору Тесла, понижения потенциала высоковольтных колебаний и передачи энергии через инвертор к нагрузке, электрическую энергию передают по трубопроводу, установленному в водной среде, электроизолированную оболочку трубопровода с внутренним встроенным экраном заполняют водой с повышенным содержанием соли, опускают трубопровод в водную среду и соединяют начало и конец проводящего канала изолированными кабелями с высоковольтными выводами повышающего и понижающего трансформатора Тесла.
В варианте способа передачи электрической энергии электропроводящий канал между повышающим и понижающим резонансными трансформаторами Тесла создают путем погружения электроизолированного трубопровода в водную среду с одновременным заполнением трубопровода водой с повышенным содержанием соли.
В варианте способа передачи электрической энергии оболочку трубопровода проводящего канала выполняют из электроизолированного материала с нулевой плавучестью и с плотностью, равной плотности водной среды.
В варианте способа передачи электрической энергии в качестве водной среды используют моря и океаны Земли, а в качестве воды с повышенным содержанием соли используют морскую воду водной среды.
В варианте способа передачи электрической энергии в качестве водной среды используют пресноводные реки и водоемы Земли.
В варианте способа передачи электрической энергии преобразователь частоты и повышающий резонансный трансформатор Тесла устанавливают на берегу, а понижающий резонансный трансформатор Тесла с электрической нагрузкой устанавливают на дне водной среды.
В другом варианте способа передачи электрической энергии преобразователь частоты и повышающий резонансный трансформатор Тесла и понижающий резонансный трансформатор Тесла с электрической нагрузкой устанавливают на различных водных (подводных)) стационарных или неподвижных устройствах.
Еще в одном варианте способа передачи электрической энергии преобразователь частоты с повышающим резонансным трансформатором Тесла и понижающий резонансный трансформатор Тесла с электрической нагрузкой размещают на противоположных берегах водной среды.
В варианте способа передачи электрической энергии преобразователь частоты с повышающим резонансным трансформатором Тесла и понижающий резонансный трансформатор Тесла с электрической нагрузкой размещают на расстоянии друг от друга на одном берегу водной среды.
В варианте способа передачи электрической энергии преобразователь частоты с резонансным повышающим трансформатором размещают на берегу водной среды, а резонансный понижающий трансформатор с электрической нагрузкой на естественном или искусственном острове в указанной водной среде.
В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем источники и приемники электрической энергии с проводящими каналами между ними в виде трубопроводов, заполненных веществом в жидкой фазе, каждый источник электрической энергии соединен с проводящим каналом через повышающий высокочастотный резонансный трансформатор Тесла, а каждый приемник с противоположной стороны проводящего канала соединен с ним через понижающий высокочастотный резонансный трансформатор Тесла, электроизолированные трубопроводы с внутренним встроенным экраном установлены в водной среде, заполнены водой с повышенным содержанием соли и соединены изолированными кабелями с высоковольтными выводами повышающего и понижающего трансформаторов Тесла.
В варианте устройства для передачи электрической энергии электропроводящий канал между повышающим и понижающим резонансными трансформаторами Тесла выполнен из части водной среды, в которую погружены электроизолированные трубопроводы со встроенным экраном.
В варианте устройства для передачи электрической энергии оболочка трубопровода проводящего канала выполнена из электроизолированного материала с нулевой плавучестью и с плотностью, равной плотности водной среды.
В другом варианте устройства для передачи электрической энергии в качестве водной среды использованы моря и океаны Земли, а в качестве воды проводящего канала с повышенным содержанием соли использована морская вода водной среды.
Еще в одном варианте устройства для передачи электрической энергии в качестве водной среды использованы пресноводные реки и водоемы Земли, а в качестве воды проводящего канала использована пресная вода с повышенным содержанием соли.
В варианте устройства для передачи электрической энергии преобразователь частоты и повышающий резонансный трансформатор Тесла установлены на берегу, а понижающий резонансный трансформатор Тесла с электрической нагрузкой расположен на дне водной среды.
В варианте устройства для передачи электрической энергии преобразователь частоты и повышающий резонансный трансформатор Тесла и понижающий резонансный трансформатор Тесла с электрической нагрузкой установлены на различных водных (подводных) стационарных или неподвижных устройствах.
В варианте устройства для передачи электрической энергии преобразователь частоты с повышающим резонансным трансформатором Тесла и понижающий резонансный трансформатор Тесла с электрической нагрузкой установлены на противоположных берегах водной среды.
В варианте устройства для передачи электрической энергии преобразователь частоты с повышающим резонансным трансформатором Тесла и понижающий резонансный трансформатор Тесла с электрической нагрузкой размещены на расстоянии друг от друга на одном берегу водной среды.
В варианте устройства для передачи электрической энергии преобразователь частоты с резонансным повышающим трансформатором установлены на берегу водной среды, а резонансный понижающий трансформатор с электрической нагрузкой на естественном или искусственном острове в указанной водной среде.
Изобретение иллюстрируется фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, где на фиг.1 представлена схема способа и устройства для передачи электрической энергии от источника энергии на берегу моря или океана на стационарный подводный аппарат - потребитель энергии, на фиг.2 - схема способа и устройства для передачи электрической энергии от источника энергии на берегу на буровую платформу, на фиг.3 - схема способа и устройства для передачи электрической энергии от источника энергии на надводном корабле на подводный аппарат - потребитель энергии, на фиг.4 - схема способа и устройства для передачи электрической энергии от источника энергии на подводном аппарате на другой подводный и надводный аппараты - потребители энергии.
На фиг.1 высокочастотный источник энергии 1 соединен через резонансную емкость 2 с низковольтной обмоткой 3 повышающего резонансного трансформатора Тесла 4. Низкопотенциальный вывод 5 высоковольтной обмотки 6 заземлен. Источник энергии 1 с резонансной емкостью 2 и повышающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла 4 размещен в контейнере 7 на берегу 9 моря 8. Высокопотенциальный вывод 10 высоковольтной обмотки 6 трансформатора Тесла 4 соединен электроизолированным кабелем 11 с проводящим каналом 12 трубопровода 13 из электроизоляционного материала с внутренним встроенным экраном 14. Оболочка трубопровода выполнена из двух слоев стеклопластика или полиэтилена, между которыми встроен экранирующий слой из меди, алюминия или стали. Трубопровод 13 заполнен морской водой и установлен на дне моря 8 между источником энергии 1 и подводным объектом 15 - потребителем электрической энергии. На концах трубопровода 13 установлены электроизолированные вводы 16 и 17 для подвода и отвода электрической энергии. Электрическую энергию от источника энергии 1 подают с берега моря через проводящий канал 12 с морской водой на подводный аппарат 15. На подводном аппарате 15 внутри корпуса 16 установлен высокочастотный понижающий резонансный трансформатор Тесла 18. Высокопотенциальный вывод 19 высоковольтной обмотки 20 соединен электроизолированным кабелем 21 с противоположным концом электроизолированного трубопровода 13, заполненного морской водой. Низкопотенциальный вывод 22 высоковольтной обмотки 20 соединен с помощью кабеля 23 с корпусом 24 подводного аппарата 15. Низковольтная обмотка 25 понижающего высокочастотного резонансного трансформатора Тесла 18 соединена через емкость 26 и инвертор 27 с электрической нагрузкой 28. В качестве электрической нагрузки 28 используют электрические системы подводного аппарата и накопители энергии (на фиг.1 не показаны).
На фиг.2 электрическую энергию от источника энергии 1 на берегу 9 моря 8 передают через проводящий канал 12 с морской водой на понижающий высокочастотный резонансный трансформатор 29 с резонансной емкостью 30 и инвертором 31, который размещен в контейнере 32 на буровой платформе 33 в море 8. Устройство на фиг.2 позволяет передавать электрическую энергию на любые стационарные объекты в море: острова, корабли, стоящие на рейде вдали от берега и др.
На фиг.3 контейнер 32 с высокочастотным источником электрической энергии 1, емкостью 2 и повышающим трансформатором Тесла 4 установлен на надводном корабле 34. Электрическую энергию от источника 1 на надводном корабле 34 передают через проводящий канал 35 в электроизолированном трубопроводе 36 с морской водой на резонансный понижающий трансформатор 36 с резонансной емкостью 37, инвертором 38, который установлен на подводном аппарате 39 аналогично фиг.1. Трубопровод 36 выполнен из электроизоляционного материала с нулевой плавучестью, а оболочка трубопровода 36 со встроенным экраном 40 имеет плотность, близкую к плотности морской воды. В результате масса трубопровода 36 с проводящим каналом 35 снижается, что дает возможность передавать электрическую энергию на глубоководные аппараты с глубиной погружения до 10 км и более. При этом сохраняется возможность вертикального перемещения глубоководного аппарата за счет изменения длины трубопровода 36 и в небольших пределах возможность горизонтального перемещения глубоководного аппарата.
На фиг.4 высокочастотный источник 1 электрической энергии, повышающий высокочастотный резонансный трансформатор Тесла 4 с резонансной емкостью 2 установлены на подводном объекте 41. Электрическую энергию от источника энергии 1 передают через проводящий канал 42 в электроизолированном трубопроводе 43 с морской водой на резонансные понижающие высокочастотные трансформаторы 44 с резонансной емкостью 45, которые установлены на подводном аппарате 46 аналогично фиг.1 и на надводном аппарате 47 аналогично фиг.2.
Способ и устройство для передачи электрической энергии реализуются следующим образом.
1
1
2
2
При подаче электрической энергии от высокочастотного источника 1 (фиг.1) на низковольтную обмотку 3 в последовательном контуре, состоящем из низковольтной обмотки 3 с индуктивностью L и емкости 2 величиной С возникают электромагнитные колебания с резонансной частотой . Для понижающего высокочастотного резонансного трансформатора Тесла 18 на подводном объекте 15 индуктивность L низковольтной обмотки 25 и емкость C выбирают таким образом, что выполняется условие:
Передаваемая мощность и дальность передачи электрической энергии увеличивается с увеличением диаметра проводящего канала 12 с морской водой.
0
0
2
2
Электромагнитные колебания с частотой f усиливают по напряжению в резонансном трансформаторе Тесла 4 и распространяют по проводящему каналу 12 с морской водой, образуя стационарные волны в проводящем канале с длиной волны , где C - скорость распространения электромагнитной волны в проводящем канале 12. Понижающий высокочастотный резонансный трансформатор Тесла 18 воспринимает электромагнитные колебания с резонансной частотой f, усиливает их по току в контуре LC и передает через инвертор 27 в электрическую нагрузку 28.
При использовании устройства и способа передачи электрической энергии в пресных водоемах проводящий канал 12 формируют путем заполнения трубопровода 13 водой с повышенным содержанием соли на уровне морской воды. Способ и устройство может быть использовано для передачи электрической энергии на острова, буровые платформы, стоянки кораблей на рейде, глубоководные аппараты, населенные пункты, расположенные вдоль морского побережья и русла рек, а также для передачи энергии между энергосистемами через водные пространства.
Примеры выполнения способа и устройства для передачи электрической энергии.
0
Пример 1. На берегу 9 моря 8 (фиг.1) установлен контейнер 7, содержащий источник энергии 1, выполненный в виде дизельной электростанции максимальной мощностью 150 кВт с преобразователем частоты 50 Гц/1 кГц (на фиг.1 не показаны), который через резонансную емкость 2 подключен к высокочастотному резонансному повышающему трансформатору Тесла 4, у которого последовательный резонансный контур низковольтной обмотки 3 настроен на резонансную частоту f=1 кГц. Понижающий высокочастотный резонансный трансформатор Тесла 18 с резонансной частотой 1 кГц установлен на подводном аппарате 15 на расстоянии 10 км от берега 9 в морской среде 8 на глубине 100 м. Напряжение в проводящем канале 12 составляет 110 кВ, диаметр проводящего канала 20 см. Напряжение на выходе высокочастотного трансформатора 18400 В, электрическая мощность на нагрузке 28100 кВт, которая используется для зарядки аккумулятора электрической энергии (на фиг.1 не показан) и для питания силовой установки подводного аппарата 15.
0
0
Пример 2. Контейнер с высокочастотным источником энергии 1 с резонансной частотой f=5 кГц, резонансной емкостью 2 и повышающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла 4 установлен на борту надводного корабля 34 (фиг.3). Максимальная электрическая мощность источника энергии 7500 кВт, резонансная частота f=5 кГц, напряжение в проводящем канале 35220 кВ, диаметр проводящего канала 0,5 м. Понижающий резонансный высокочастотный трансформатор Тесла 36 с резонансной частотой 5 кГц установлен на подводном глубоководном аппарате 39 на глубине 5 км. Напряжение на выходе понижающего трансформатора Тесла 36400 В, электрическая мощность на нагрузке 400 кВт.
Способ и устройство передачи электрической энергии в морской среде при использовании стационарных волн тока и напряжения характеризуется низкими потерями из-за отсутствия активного тока в проводящем канале и низкой стоимостью проводящего канала из морской воды по сравнению со стоимостью подводных электрических кабелей, цена которых составляет 3-5 млн. долл./км.