УСТРОЙСТВО НАГРУЗКИ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭНЕРГИЕЙ НАГРУЗКИ
LOAD DEVICE AND POWER SUPPLY DEVICE FOR POWERING LOAD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к устройству нагрузки для использования в устройстве электропитания и для обеспечения его расположения на первом внешнем электрически проводящем элементе. Настоящее изобретение дополнительно относится к устройству электропитания для питания энергией нагрузки такого устройства нагрузки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
WO 2009/153715 A2 раскрывает светоизлучающее устройство, содержащее первый общий электрод, структурированный проводящий слой, образующий набор электродных контактных площадок, электрически изолированных друг от друга, диэлектрический слой, вставленный между слоем первого общего электрода и структурированным проводящим слоем, второй общий электрод, и множество светоизлучающих элементов. Каждый светоизлучающий элемент электрически присоединен между одной из электродных контактных площадок и вторым общим электродом, чтобы он был соединен последовательно с конденсатором, содержащим одну из электродных контактных площадок, диэлектрический слой, и первый общий электрод. При приложении переменного напряжения между первым и вторым общими электродами, светоизлучающие элементы будут питаться энергией через емкостную связь, также обеспечивающую ограничение тока. Во время работы светоизлучающего устройства, отказ, обусловленный коротким замыканием, в одном светоизлучающем элементе, будет влиять только на светоизлучающие элементы, соединенные с тем же самым конденсатором. Дополнительно, ток короткого замыкания будет ограничен этим конденсатором.
В некоторых сценариях применения такое светоизлучающее устройство, в частности, способ питания энергией светоизлучающего устройства (или, в общем, нагрузки) имеет недостатки, например, вследствие электрического соединения между слоем общего электрода и источником переменного напряжения. Такие сценарии применения включают в себя, например, системы для противодействия обрастанию поверхности (например, корпуса судна), в то время как упомянутая поверхность по меньшей мере частично погружена в жидкую среду (например, морскую воду), в которых ультрафиолетовый (UV) свет излучается источниками света, установленными некоторым образом на внешней поверхности корпуса судна для противодействия биообрастанию корпуса судна.
WO 2014/060921 A1 раскрывает светодиодный (LED) блок, выполненный с возможностью излучения света при соединении с источником электропитания переменного тока, содержащий первый и второй контакт светодиодного блока, по меньшей мере одну пару диодов, присоединенных встречно-параллельно между контактами светодиодного блока, причем по меньшей мере один из диодов является светоизлучающим диодом. Первый контакт светодиодного блока является съемно соединяемым с первым контактом источника питания и выполнен с возможностью образования первой емкостной связи вместе с первым термином источника питания, и второй контакт светодиодного блока является съемно соединяемым со вторым контактом источника питания и выполнен с возможностью образования второй емкостной связи вместе со вторым контактом источника питания. Посредством обеспечения электрических соединений, которые являются менее чувствительными к температурно-зависимой деградации, срок службы светодиодного блока может быть увеличен.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенного устройства нагрузки и улучшенного устройства электропитания для питания энергией нагрузки, которые могут быть использованы в конкретных сценариях применения при более неблагоприятных условиях окружающей среды с малыми потерями производительности или даже без потерь производительности, и без риска получения повреждения, например, вследствие подвергания воздействию окружающей среды, например, подвергания воздействию морской воды.
В первом аспекте настоящего изобретения представлено устройство нагрузки для использования в устройстве электропитания и для расположения на первом внешнем электрически проводящем элементе и соединения с источником питания переменного тока, содержащее
- нагрузку, содержащую источник света и/или датчик и/или электронную схему и имеющую первый контакт нагрузки и второй контакт нагрузки для питания энергией от источника питания переменного тока.
- первый электрод, электрически соединенный с первым контактом нагрузки, и
- диэлектрический слой,
причем первый электрод и диэлектрический слой выполнены с возможностью образования, в сочетании с первым внешним электрически проводящим элементом, представляющим внешнюю поверхность морского сооружения, конденсатора для емкостной передачи электроэнергии между первым электродом и первым внешним элементом,
причем каждый из конденсатора и второго контакта нагрузки выполнен с возможностью передачи электроэнергии через воду для образования электрического пути через воду между источником питания переменного тока и конденсатором, и/или второй контакт нагрузки выполнен с возможностью передачи электроэнергии через воду для образования электрического пути через воду между источником питания переменного тока и вторым контактом нагрузки, и
причем первый контакт нагрузки электрически изолирован от второго контакта нагрузки.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлено устройство электропитания, содержащее
- источник питания переменного тока и
- устройство нагрузки, раскрытое здесь.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленное устройство электропитания имеет подобные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, что и заявленное устройство нагрузки, в частности, определенные в зависимых пунктах формулы изобретения и раскрытые здесь.
Настоящее изобретение основано на идеи, состоящей в модификации и оптимизации использования емкостной передачи энергии для применения в проблематичной влажной среде, в частности, проводящей и неблагоприятной окружающей среде морской воды. Дополнительно, электрическая схема устройства нагрузки и устройства электропитания была адаптирована для обеспечения робастности к умеренным и сильным ударным воздействиям, а также к поверхностным режущим повреждениям на различных уровнях, например, в отношении UV-C-светодиодов (в качестве нагрузок), приводящим к одному или нескольким обрывам цепи или коротким замыканиям. Это обеспечивается посредством использования первого внешнего электрически проводящего элемента, который образует конденсатор вместе с первым электродом и диэлектрическим слоем, для емкостной передачи электроэнергии между первым электродом и первым внешним элементом. Электроэнергия может быть, таким образом, обеспечена источником питания переменного тока, чей первый контакт переменного тока электрически соединен с первым внешним элементом, что обеспечивает четко определенный потенциал напряжения на первом внешнем элементе при использовании устройства электропитания.
Дополнительно, вода используется для передачи электроэнергии между источником питания переменного тока и либо конденсатором и вторым контактом нагрузки, либо вторым контактом нагрузки, т.е. электрический путь образуется через воду. Таким образом, можно избежать гальванических соединений, и вместо них эффективно используется вода, что также делает установку устройств нагрузки на морское сооружение, например, корпус судна, более простой и дешевой, например, если устройства нагрузки выполнены в виде наклеек или пластин.
Согласно устройству, раскрытому в WO 2009/153715 A2, жесткий носитель используется для несения электронных компонентов, таких как, например, светодиоды. Недостаток этого носителя состоит в том, что он является сгибаемым только до некоторой степени, однако даже тогда будет трудно наложить такие носители на трехмерные криволинейные поверхности, такие как поверхности корпуса судна. Кроме того, хотя такие носители могут быть выполнены сегментируемыми для обеспечения большей гибкости, свобода размещения таких носителей является ограниченной. Для этой цели, носитель предпочтительно разрывают или разрезают на отдельные подносители, в результате чего разрывается общий контакт электропитания. Напротив, согласно настоящему раскрытию выбрано наклейкоподобное устройство, например, размещенное на носителе, чтобы i) справиться с оконтуренными поверхностями и ii) обеспечить полную свободу размещения (с частичным перекрытием), с обеспечением при этом общего контакта подвода энергии посредством использования общего жидкого проводника, такого как вода или морская вода. Кроме того, желательно, чтобы работали только погруженные нагрузки, например, для обеспечения безопасности и энергетической эффективности. Поскольку уровень воды вдоль корпуса сам адаптируется к изменяющимся скоростям хода судна, погодным условиям на море и условиям размещения грузов на судне, ясно, что общий контакт электропитания мгновенно адаптируется без необходимости в управлении электронными средствами.
В одном варианте осуществления, первый внешний электрически проводящий элемент выбирают из группы электрически проводящих элементов, содержащей воду, в частности, морскую воду, объект окружающей среды, в частности, часть сооружения или транспортного средства, и инфраструктурный объект. Таким образом, окружающая среда нагрузки может быть, в общем, использована в различных применениях. Например, первый внешний элемент может быть корпусом судна, на котором установлено множество устройств нагрузки (каждое из которых, например, содержит один или несколько UV-светодиодов) для противодействия биообрастанию. Таким образом, корпус судна может быть предпочтительно использован в качестве одного электрода первого конденсатора, и, таким образом, предотвращается обеспечение гальванических соединений между первым контактом переменного тока источника питания переменного тока и первым контактом нагрузки (одним или несколькими UV-светодиодами), т.е. корпус судна не нужно просверливать для обеспечения таких гальванических соединений, что обеспечивает лучшую конструкцию и меньшее ухудшение корпуса судна.
Предпочтительно, первый внешний электрически проводящий элемент является морским сооружением, второй контакт нагрузки имеет электрическое соединение с водой для образования электрического пути через воду между источником питания переменного тока и вторым контактом нагрузки, и источник питания переменного тока прикреплен к морскому сооружению, и источник питания переменного тока имеет электрическое соединение с водой для завершения электрического пути через воду между источником питания переменного тока и вторым контактом нагрузки. Таким образом, вода эффективно используется в качестве проводника электрического тока.
В других вариантах осуществления, первый внешний элемент является корпусом судна или электродом, встроенным в непроводящее морское сооружение или соединенным с ним.
Второй контакт нагрузки и источник питания переменного тока могут иметь емкостное электрическое соединение с водой или резистивное электрическое соединение с водой. Резистивным является прямое электрическое соединение между вторым электрическим контактом генератора переменного тока (сторона вывода энергии) и морской водой, посредством погруженного в воду электрода. Поскольку морская вода является довольно агрессивной, эти электроды являются очень дорогостоящими и часто состоят из MMOTi (титан, покрытый смесью оксидов металлов) или PtTi (титан, покрытый платиной). Поскольку системы ICAF (противодействие биообрастанию посредством наложенного тока) или ICCP (катодная защита с наложенным током) уже развертывают такие электроды, генератор переменного тока, используемый в раскрытой системе, может совместно использовать этот электрод, т.е. электрод обеспечивается «бесплатно». В случае емкостного электрического соединения, агрессивное воздействие морской воды на погруженный в воду электрод устраняют посредством непроницаемого для воды и соли диэлектрического покрытия. Таким образом, могут быть использованы более дешевые материалы электродов, что является возможным, поскольку генератор переменного тока используется для питания энергией емкостных связанных нагрузок.
Соответственно, в другом аспекте настоящего изобретения представлена система, причем упомянутая система содержит устройство нагрузки, раскрытое выше, систему катодной защиты с наложенным током (impressed current cathodic protection - ICCP) и блок управления для управления упомянутым устройством нагрузки и упомянутой ICPP-системой таким образом, чтобы они работали в сочетании. Такая ICPP-система обычно прикладывает постоянный потенциал прямо к морской воде с использованием погруженного в воду электрода из специального материала (резистивное соединение с морской водой). Ее цель состоит в обеспечении катодной защиты поврежденных и неокрашенных областей морского сооружения.
В практической реализации предложенного устройства нагрузки первый внешним электрически проводящим элементом является вода, и конденсатор выполнен с возможностью передачи электроэнергии через воду для образования электрического пути через воду между источником питания переменного тока и конденсатором.
Согласно другому варианту осуществления, устройство нагрузки дополнительно содержит электрически проводящий элемент управления током, расположенный во втором внешнем элементе и/или прикрепленный к нагрузке, для уменьшения сопротивления в проводящем пути устройства нагрузки. Этот элемент управления током дополнительно поддерживает путь тока между источником питания переменного тока, например, его вторым контактом переменного тока, и нагрузкой, например, вторым контактом нагрузки. Он управляет током между этими элементами. Он предпочтительно не находится в гальваническом контакте с источником питания переменного тока и нагрузкой, но выполнен с возможностью быть расположенным в упомянутой воде и/или быть прикрепленным к устройству нагрузки.
В конкретных применениях устройство электропитания содержит множество нагрузок, чьи первые контакты нагрузок соединены параллельно с общим первым электродом или отдельными первыми электродами, и чьи вторые контакты нагрузок соединены параллельно с общим вторым электродом, отдельными вторыми электродами или вторым внешним элементом. Таким образом, различные возможности существуют для соединения нагрузок вместе. Предпочтительно, несколько нагрузок совместно используют общий источник питания переменного тока для уменьшения числа соединений между источником питания переменного тока и нагрузками.
Для использования в реализации, направленной на противодействие биообрастанию, где первый внешний элемент может быть корпусом судна, нагрузка предпочтительно содержит источник света, в частности, светодиод или UV-светодиод (например, UV-C-светодиод).
Дополнительно, нагрузка может содержать схему диодную мостовую схему, причем источник света присоединен между средними точками диодной мостовой схемы. Нагрузка может, таким образом, считаться подразделенной на множественные поднагрузки посредством развертывания, например, четырех недорогих диодов Шоттки в качестве мостовой схемы Грэтца (или схемы Грэтца), в результате чего обеспечивается локальный источник питания постоянного тока (например, обслуживающий один или несколько источников света). Этот локальный источник питания постоянного тока может быть также использован для управления другой чувствительной к полярности электроникой или любой другой электронной схемой, которой требуется электропитание постоянного тока, например, датчиком контроля обрастания и интегральной схемой (схемами) контроллера в применении для противодействия биообрастанию.
В другом варианте осуществления, нагрузка содержит первый светодиод и второй светодиод, соединенные встречно-параллельно друг с другом. Это дополнительно улучшает управление светодиодами посредством источника питания переменного тока (например, генератора). Однако вследствие более высокой стоимости одного UV-C-светодиода по сравнению со стоимостью четырех диодов Шоттки, мостовая схема Грэтца является более эффективной по стоимости для обеспечения электропитания в течение полного цикла переменного тока.
Согласно одному аспекту, настоящее изобретение направлено на морское сооружение, такое как судно или катер или корабль, имеющее внешнюю поверхность, содержащую устройство нагрузки, раскрытое здесь, причем устройство нагрузки прикреплено к упомянутой внешней поверхности. Морское сооружение может содержать источник энергии для обеспечения энергии для питания нагрузки устройства нагрузки. Упомянутый источник энергии может быть генератором, двигателем, аккумуляторной батареей, химическим реактором (для генерирования энергии посредством химической реакции некоторого вещества, например, с водой) или, в общем, источником любого типа, который способен обеспечить достаточную электроэнергию для питания энергией нагрузки устройства нагрузки. Упомянутый источник энергии может быть соединен с источником питания переменного тока, или может содержать его, или может представлять собой источник питания переменного тока.
В дополнительном аспекте настоящее изобретение относится к способу для установки устройства нагрузки, раскрытого здесь, на внешнюю поверхность морского сооружения, например, корпуса судна.
В еще одном дополнительном аспекте настоящее изобретение относится к использованию устройства нагрузки, раскрытого здесь, для установки на внешней поверхности морского сооружения, в частности, для противодействия биообрастанию внешней поверхности, например, корпуса судна.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны из вариантов осуществления, описанных ниже, и будут разъяснены со ссылкой на них. В нижеследующих чертежах
Фиг. 1 показывает принципиальную схему первого варианта осуществления устройства электропитания согласно настоящему изобретению,
Фиг. 2 показывает принципиальную схему первого варианта осуществления устройства электропитания в сценарии применения для противодействия биообрастанию,
Фиг. 3 показывает разрез вида сбоку первого варианта осуществления устройства нагрузки согласно настоящему изобретению,
Фиг. 4 показывает принципиальную схему второго варианта осуществления устройства электропитания согласно настоящему изобретению,
Фиг. 5 показывает принципиальную схему второго варианта осуществления устройства электропитания в сценарии применения для противодействия биообрастанию,
Фиг. 6 показывает принципиальную схему третьего варианта осуществления устройства электропитания согласно настоящему изобретению,
Фиг. 7 показывает принципиальную схему третьего варианта осуществления устройства электропитания в сценарии применения для противодействия биообрастанию,
Фиг. 8 показывает принципиальную схему четвертого варианта осуществления устройства электропитания согласно настоящему изобретению в сценарии применения для противодействия биообрастанию,
Фиг. 9 показывает принципиальную схему пятого варианта осуществления устройства электропитания согласно настоящему изобретению в сценарии применения для противодействия биообрастанию,
Фиг. 10 показывает принципиальную схему шестого варианта осуществления устройства электропитания согласно настоящему изобретению,
Фиг. 11 показывает принципиальную схему шестого варианта осуществления устройства электропитания в сценарии применения для противодействия биообрастанию,
Фиг. 12 показывает схемы локально разрезанного сегментированного второго электрода и поврежденного сегментированного второго электрода,
Фиг. 13 показывает вид сбоку и вид сверху практической реализации устройства электропитания согласно настоящему изобретению в сценарии применения для противодействия биообрастанию,
Фиг. 14 показывает вид сбоку другой практической реализации устройства электропитания согласно настоящему изобретению в сценарии применения для противодействия биообрастанию, и
Фиг. 15 показывает примеры сочетания ленты активных UV-C-светодиодов и дополнительного пассивного UV-C-световода, выполненного в виде рулона, плитки, или ленты.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее настоящее изобретение будет объяснено со ссылкой на сценарий применения, в котором оно используется для питания энергией источников UV (ультрафиолетового) света (в частности, светодиодов), которые могут быть установлены на внешней поверхности корпуса судна для противодействия биообрастанию. Соответственно, перед объяснением подробностей различных вариантов осуществления раскрытого объекта изобретения, будет обсуждаться общая идея и известные подходы для противодействия биообрастанию в таком сценарии применения.
WO 2014/188347 A1 раскрывает способ противодействия биообрастанию поверхности, в то время как упомянутая поверхность по меньшей мере частично погружена в жидкую среду. Раскрытый способ содержит этап обеспечения противодействующего биообрастанию света, этап распределения по меньшей мере части этого света через оптическую среду, содержащую силикон и/или (плавленый) кварц UV-класса, и этап излучения противодействующего биообрастанию света из оптической среды и из поверхности. Такие решения для противодействия биообрастанию основаны на UV-C-облучении для предотвращения (исходного) образования колоний микро- и макро-организмов, например, на корпусе судна. Проблема с био-пленками состоит в том, что когда их толщина увеличивается с течением времени вследствие роста организмов, их поверхность становится шероховатой. Следовательно, сопротивление среды увеличивается, и двигателю требуется потреблять больше топлива для поддержания крейсерской скорости судна, и, таким образом, эксплуатационные затраты увеличиваются. Другим результатом биообрастания может быть уменьшение охлаждающей способности трубчатого радиатора или уменьшение пропускной способности впускных фильтров и труб для соленой воды. Таким образом, увеличиваются затраты на техническое обслуживание.
Возможным решением для противодействия биообрастанию корпуса судна может быть покрытие внешней части корпуса пластинами из, например, прозрачных для UV-C-света материалов, имеющих встроенный UV-C-светодиод (UV-C-светодиоды). Эти пластины, или, в общем, любые нагрузки или устройство нагрузки (т.е. элементы или устройства, потребляющие электроэнергию) расположены ниже ватерлинии. Это так, поскольку погруженные поверхности являются преимущественно чувствительными к биообрастанию и, следовательно, ответственными за увеличение сопротивления среды. Следовательно, электроэнергию необходимо доставлять к нагрузкам ниже ватерлинии.
Сочетание электричества, воды и неблагоприятных и тяжелых условий мореплавания представляет собой реальную проблему. Это так, поскольку (морская) вода является хорошим проводником электрического тока и, следовательно, могут легко возникать короткие замыкания. Кроме того, вода разлагается под действием электрического тока. В случае морской воды, она разлагается под действием постоянного тока на газообразный хлор и газообразный водород. Под действием переменного тока, оба газа образуются попеременно на каждом электроде. Дополнительная проблема с образующимися газами состоит в том, что хлор может усиливать уже существующую естественную коррозию стального корпуса судна и ускоряет деградацию других материалов, в том числе UV-C-светодиодов, в отсутствие герметичного уплотнения. Газообразный водород, с другой стороны, может вызывать повышение хрупкости стали, что в конце концов приводит к образованию серьезных трещин в объеме стали.
Для противодействия естественной коррозии стального корпуса большую часть судов покрывают или окрашивают и дополнительно часто снабжают пассивными или активными системами катодной защиты, так что корпус судна остается защищенным от естественной коррозии, когда защитное покрытие или краска локально повреждается. Пассивные системы используют расходуемые аноды из цинка, алюминия или железа, которые растворяются электро-химическим путем с течением времени, тогда как активные системы возбуждают постоянный электрический ток с использованием анодов, изготовленных из MMO-Ti (титана, покрытого смесью оксидов металлов) или Pt/Ti (титана, покрытого платиной). Для активных систем, возбуждающих постоянный электрический ток в морской воде, требуется тщательный контроль, поскольку слишком большие токи могут локально растворять корпус с повышенными скоростями. Понятно, что решения для противодействия биообрастанию не должны приводить к неисправности системы катодной защиты. Следовательно, корпус судна должен действовать как контакт заземления, защитные токи должны быть постоянными токами, и морская вода может служить в качестве среды с высокой удельной электропроводностью, замыкающей электрическую цепь.
Кроме того, корпуса судов (серьезно) повреждаются в течение срока службы, например, вследствие естественного износа, непреднамеренных столкновений со сплавной древесиной или другими плавающими близко или вплотную к поверхности объектами, или они могут страдать от более управляемых ударных воздействий вследствие столкновений с другими судами, такими как буксиры или суда, проходящие рядом. Таким образом, весьма вероятно, что и нагрузки для противодействия биообрастанию будут повреждаться в течение срока службы, также как и линии электропитания. Кроме того, как нагрузки, так и линии питания могут быть серьезно повреждены или даже разрезаны, причем обрывы цепей будут смачиваться проводящей морской водой. Следовательно, вследствие нанесенного внешнего повреждения могут происходить нежелательные электрохимические реакции. По этой причине, источники питания постоянного тока не должны использоваться в качестве основного источника питания для питания энергией нагрузок.
Однако, для управления UV-C-светодиодами, постоянные токи являются, в общем, предпочтительными. Следовательно, в пределах нагрузки для противодействия биообрастанию, требуются средства и способы, которые могут генерировать локальные постоянные токи при подаче электропитания переменного тока. Более предпочтительно, чтобы источник питания постоянного тока был изолирован от стального корпуса (предпочтительно, служащего в качестве контакта заземления). Таким образом, хотя электрохимические реакции могут происходить при подвергании воздействию контактов электропитания постоянного тока, электрохимические реакции будут ограничены зоной подвергания воздействию. Кроме того, интенсивность электрохимических реакций будет зависеть от величины постоянного тока, который может протекать локально, и от площади поверхности подвергаемых воздействию электродов. Следовательно, также существует потребность в ограничении постоянного тока вблизи значения, требуемого для UV-C-светодиодов (обычно десятки миллиампер для малых светодиодов), и в ограничении площади поверхности подвергаемых воздействию локальных контактов электропитания постоянного тока.
Следовательно, на практике существенная площадь решения для противодействия биообрастанию может быть повреждена в течение срока службы. В теории, повреждение может содержать локальное повреждение одного или нескольких UV-C-светодиодов в одной или нескольких нагрузках, или даже большая часть нагрузки может исчезнуть. Соответственно, (бесшовные) плиточные нагрузки предложены в одном варианте осуществления. В пределах плитки может быть обеспечено некоторое подразделение UV-C-светодиодов и источника питания, поскольку один неисправный светодиод (или, в общем, нагрузка) не должен приводить к неработоспособности из-за повреждения оставшейся функциональной части плитки. Таким образом, отказы светодиодов могут приводить либо обрыву цепи, либо к короткому замыканию, и поскольку UV-C-светодиоды являются довольно дорогими, рекомендуется избегать цепочек последовательных светодиодов.
Очевидно, что плиточные нагрузки также все же потребуют некоторого электропитания, либо проводного, либо беспроводного. В условиях ожидаемых проблем, связанных с трудностью обеспечения проводных соединений и неблагоприятными и тяжелыми условиями мореплавания, решения беспроводного электропитания являются предпочтительными и предлагаются в настоящем изобретении. Однако, поскольку как морская вода, так и стальной корпус являются хорошими проводниками электрического тока, потери при передаче электроэнергии в индуктивных системах, а также в (радиочастотных (RF)) беспроводных решениях могут быть довольно большими. Кроме того, они могут быть довольно объемными. Соответственно, привлекательное решение для обеспечения электропитания использует емкостную связь переменного тока.
Общепринятые емкостные (беспроводные) системы передачи энергии используют один или два (длинных) провода питания, возбуждаемые генератором переменного тока. Когда провода питания покрыты диэлектрической пленкой, принимающий элемент, имеющий два приемных электрода, может быть размещен сверху где угодно вдоль проводов, и электроэнергия будет передаваться. Кроме того, в известном устройстве электропитания для питания энергией нагрузки, передаваемая энергия может быть ограничена реактивным сопротивлением. Система функционирует вследствие хороших изоляционных свойств атмосферного воздуха. Таким образом, высоковольтные электрические поля могут быть установлены между двумя пассивными электродами заземления принимающего элемента. Однако, когда окружающая среда становится проводящей, как в случае морской воды, передача энергии также облегчается где угодно вдоль двух проводов посредством хорошо проводящей окружающей среды. Следовательно, становится очень сложно передать какую-либо энергию вообще к заданному принимающему элементу.
Согласно настоящему изобретению использование емкостной передачи энергии было модифицировано и оптимизировано для применения, например, в устройствах электропитания для передачи электроэнергии к источникам света, установленным на части корпуса судна, которая обычно находится под водой, т.е. во влажной, проводящей и неблагоприятной окружающей среде. Кроме того, электрическая схема была адаптирована для обеспечения робастности к умеренным и сильным ударным воздействиям, а также к поверхностным режущим повреждениям на различных уровнях, например, в отношении UV-C-светодиодов, приводящим к одному или нескольким обрывам цепи или коротким замыканиям.
Фиг. 1 показывает принципиальную схему первого варианта осуществления устройства 100 электропитания согласно настоящему изобретению для питания энергией нагрузки 2. Устройство 100 электропитания содержит первый вариант осуществления устройства 300 нагрузки согласно настоящему изобретению. Устройство 300 нагрузки содержит нагрузку 2, имеющую первый контакт 2а нагрузки и второй контакт 2b нагрузки, первый электрод 3 (также называемый далее активным электродом), электрически соединенный с нагрузкой 2, и диэлектрический слой 4. Нагрузка 2, первый электрод 3 и диэлектрический слой 4 образуют структуру, которая выполнена с возможностью быть расположенной на первом внешнем электрически проводящем элементе 5. Кроме того, первый электрод 3 и диэлектрический слой 4 выполнены с возможностью образования, в сочетании с первым внешним электрически проводящим элементом 5, конденсатора 6 для емкостной передачи электроэнергии между первым электродом 3 и первым внешним элементом 5. Нагрузка 2 дополнительно соединена со вторым электродом 7, электрически изолированным от первого электрода 3.
В этом контексте, следует отметить, что нагрузка 2, первый электрод 3 и диэлектрический слой 4 предпочтительно образуют некоторую структуру. Следует понимать, что эта структура может быть образована не только из этих элементов, и что дополнительные элементы могут быть обеспечены для образования этой структуры. В некоторых вариантах осуществления, эти элементы сами выполнены с возможностью образования структуры (например, нагрузка и диэлектрический слой первого электрода могут быть встроены в диэлектрический материал диэлектрического слоя, в результате чего образуется структура). В других вариантах осуществления, один или несколько дополнительных элементов (например, носитель, подложка, слой связующего вещества, и т.д.) обеспечивают для образования структуры вместе с этими тремя элементами.
Устройство 100 электропитания дополнительно содержит источник 1 питания переменного тока (например, генератор), имеющий первый контакт 1а переменного тока и второй контакт 1b переменного тока. Первый контакт 1а переменного тока выполнен с возможностью быть электрически соединенным с первым внешним элементом 5, т.е. после установки и при эксплуатации первый контакт 1а переменного тока и первый внешний элемент 5 электрически соединены. Второй контакт 1b переменного тока и второй контакт 2b нагрузки электрически соединены со вторым электродом 7 (также далее называемым пассивным электродом). Соответственно, электроэнергия может быть передана через конденсатор 6 от источника 1 питания переменного тока к нагрузке. В качестве первого внешнего элемента 5 могут быть использованы элементы, доступные в среде или инфраструктуре, например, корпус транспортного средства, электрически проводящее напольное покрытие или настенное покрытие, часть сооружения, и т.д.
Фиг. 2 показывает схему первого варианта осуществления устройства 200 электропитания и устройства 400 нагрузки в сценарии применения для противодействия биообрастанию. В этом варианте осуществления, нагрузка 2 является UV-C-светодиодом, и первый внешний элемент 50 является корпусом судна, который является (по меньшей мере частично) электрически проводящим (т.е. весь корпус судна, только внутренняя поверхность, только внешняя поверхность или только некоторые области корпуса судна могут быть выполнены с возможностью быть проводящими или выполнены из проводящего материала, например, металла). Источник 1 питания переменного тока обычно расположен на борту судна. Первый контакт 1а переменного тока контактирует с проводящей поверхностью корпуса 5 судна, и второй контакт 1b переменного тока соединен соединительным проводом 1с через корпус 5 судна со вторым электродом 7. Светодиод 20, диэлектрический слой 4 и первый электрод 3 (необязательно, также второй электрод 7) предпочтительно несет носитель 80, который расположен на первом внешнем электрически проводящем элементе (5, 50).
Устройство 400 нагрузки выполнено таким образом, что электрические компоненты защищены от воды 10 (в частности, морской воды). Некоторые из таких устройств нагрузки могут быть присоединены параллельно источнику 1 питания переменного тока, т.е. вторые электроды (которые могут быть отдельными электродами или общим большим вторым электродом) множественных устройств нагрузки могут быть соединены с одним и тем же источником 1 питания переменного тока и одним и тем же соединительным проводом 1с. Таким образом, число источников питания переменного тока и соединительных проводов может сохраняться малым, даже если число устройств нагрузки является большим.
Фиг. 3 показывает разрез вида сбоку варианта осуществления устройства 400 нагрузки. Носитель 80 может быть тонкой пластиной, листом или подложкой, изготовленной, например, из материала (предпочтительно, отвечающего описанным выше требованиям), стойкого к среде, в которой он используется. Предпочтительно, носитель 80 является гибким, чтобы его можно было расположить на разных элементах 5, например, на криволинейных поверхностях, таких как корпус судна. Диэлектрический слой 4 обеспечен поверх носителя 80, и нагрузка 2 встроена в диэлектрический слой 4. Дополнительно, обеспечен первый электрод 3, встроенный диэлектрический слой 4. Электрический контакт 2b нагрузки может быть встроен в диэлектрический слой 4, расположен поверх него, или даже может выдаваться из него. Второй электрод 7 обеспечен поверх диэлектрического слоя 4.
Для обеспечения возможности простого расположения устройства на первом внешнем электрически проводящем элементе 5, например, корпусе 50 судна, связующий материал 90 может быть обеспечен на одной поверхности 81 носителя 80. Связующий материал 90 может быть дополнительно покрыт съемной пленкой 91 для защиты связующего материала 81 перед наложением носителя 80 на элемент 5.
Вместо связующих веществ, которые имеют химическую основу для фиксации, может быть использован расплав (термопластичный материал, твердый в холодном состоянии, который после нагревания, например, паром, становится текучей средой локально в течение короткого времени и обеспечивает соединение) или механическое закрепление (микрокрючки двух материалов, которые сцепляются при соединении) или их комбинация.
Дополнительно, размер и/или форма носителя 80 могут быть обеспечены таким образом, чтобы они соответствовали форме и/или размеру области наложения. Например, устройство нагрузки может быть выполнено в виде разновидности плитки или наклейки, которая выполнена с возможностью соответствовать форме и/или размеру элемента 5, или таким образом, чтобы несколько таких наклеек или плиток могли быть объединены (размещены смежно друг другу) для легкого покрытия требуемой области элемента 5.
Предпочтительно, поверхность 82 носителя 80 и/или внешняя поверхность 92 устройства нагрузки, противоположная поверхности 81 носителя, покрытой связующим материалом, покрыта связующим материалом 93, в частности, для приема световода или размывающей поверхности на одной из поверхностей.
Носитель 80 может дополнительно содержать указатель 94 для установки устройства нагрузки, в частности, для указания положения установки и/или направления установки и/или возможности перекрытия. Такой указатель может быть просто пунктирной линией или линией отрезания или любым графическим знаком, который показывает, как и где можно наложить носитель на элемент 5.
Множественные устройства нагрузки могут быть обеспечены в виде рулона таким образом, чтобы отдельные устройства нагрузки могли при необходимости браться из упомянутого рулона и накладываться, или чтобы целая последовательность устройств нагрузки могла использоваться и накладываться одновременно.
Фиг. 4 показывает принципиальную схему второго варианта осуществления устройства 101 электропитания, включающего в себя второй вариант осуществления устройства 301 нагрузки согласно настоящему изобретению, и фиг. 5 показывает принципиальную схему упомянутого второго варианта осуществления устройства 201 электропитания, включающего в себя второй вариант осуществления устройства 401 нагрузки, в сценарии применения для противодействия биообрастанию. В отличие от первого варианта осуществления, второй вариант осуществления не использует второй электрод, но второй контакт 1b переменного тока и второй контакт 2b нагрузки электрически соединены со вторым внешним электрически проводящим элементом 11, изолированным от первого внешнего элемента 5, в частности, проводами 1d и 2d. В сценарии применения, показанном на фиг. 5, второй внешний элемент 11 предпочтительно является водой 10, в частности, морской водой, через которую замыкается путь тока между вторым контактом 1b переменного тока и вторым контактом 2b нагрузки, что обеспечивает преимущество, состоящее в том, что не требуется никакого дополнительного проводного электрода 7, как в первом варианте осуществления. Провода 1d и 2d необходимо только погрузить в воду 10. Устройство 301/401 нагрузки предпочтительно выполнено модульным способом. Подобно первому варианту осуществления, устройство 301/401 нагрузки предпочтительно содержит носитель (не показан на фиг. 4 и 5). Поскольку ток передается через воду вместо проводных соединений, это обеспечит легкость установки, уменьшение стоимости и гибкость. Дополнительно, модульность также обеспечивает свободу размещения.
Фиг. 6 показывает принципиальную схему третьего варианта осуществления устройства 102 электропитания, включающего в себя третий вариант осуществления устройства 302 нагрузки, согласно настоящему изобретению, и фиг. 7 показывает принципиальную схему третьего варианта осуществления устройства 202 электропитания, включающего в себя третий вариант осуществления устройства 402 нагрузки в сценарии применения для противодействия биообрастанию. В отличие от второго варианта осуществления, третий вариант осуществления дополнительно содержит электрически проводящий элемент 12 управления током, расположенный во втором внешнем элементе 11 и/или прикрепленный между вторым контактом 1b переменного тока и вторым контактом 2b нагрузки, причем между ними нет гальванического контакта. Этот элемент 12 управления током может быть, например, дополнительным электродом (например, пластиной или проводом), расположенным в воде 10 для уменьшения полного сопротивления пути тока между вторым контактом 1b переменного тока и вторым контактом 2b нагрузки. Снова, устройство 302 нагрузки предпочтительно выполнено модульным способом. Элемент 12 управления может быть также расположен поверх модульного блока наклеек в виде провода или контура, или может быть даже удлинением провода 2d. Таким образом, расстояние между смежными контурами заполнено локальными мостиками морской воды (цепочка чередующихся элементов управления и мостиков морской воды).
Дополнительно, для провода 1d может быть использована (часто уже существующая) линия электропитания постоянного тока. Такая линия электропитания постоянного тока обычно расположена во втором внешнем элементе или закреплена в нем, т.е. погружена в воду, для уменьшения или предотвращения естественной коррозии корпуса судна. Эта линия 1d электропитания постоянного тока может быть, таким образом, повторно использована и электрически соединена со вторым контактом 1b переменного тока для возбуждения переменного тока дополнительно к постоянному току. Это устраняет потребность в дополнительных проводах и в дополнительных отверстиях в корпусе судна.
Фиг. 8 показывает принципиальную схему четвертого варианта осуществления устройства 203 электропитания, включающего в себя четвертый вариант осуществления устройства 403 нагрузки, согласно настоящему изобретению в сценарии применения для противодействия биообрастанию. В отличие от первого варианта осуществления, нагрузка 2 содержит два встречно-параллельно соединенных светодиода 20a, 20b, присоединенных между первым электродом 3 и вторым электродом 7. Это обеспечивает то, что они поочередно излучают свет в течение соответствующего полупериода волны переменного тока.
Фиг. 9 показывает принципиальную схему пятого варианта осуществления устройства 204 электропитания, включающего в себя четвертый вариант осуществления устройства 404 нагрузки, согласно настоящему изобретению в сценарии применения для противодействия биообрастанию. В этом варианте осуществления, нагрузка 2 содержит диодную мостовую схему 23 (также называемую мостовой схемой Грэтца или схемой Грэтца) из четырех диодов Шоттки и светодиод 24, присоединенный между средними точками 23a, 23b диодной мостовой схемы. Диодная мостовая схема 23 служит в качестве выпрямителя для выпрямления подаваемого переменного тока таким образом, чтобы светодиод 24 излучал в течение обоих полупериодов переменного тока.
Фиг. 10 показывает принципиальную схему шестого варианта осуществления устройства 105 электропитания, включающего в себя множество устройств 305a, 305b, 305c нагрузки, согласно настоящему изобретению, и фиг. 11 показывает принципиальную схему шестого варианта осуществления устройства 205 электропитания в сценарии применения для противодействия биообрастанию, содержащего множество устройств 405a, 405b, 405c нагрузки. Таким образом, нагрузка 2 содержит множество нагрузок 25a, 25b, 25c (также называемых поднагрузками), чьи первые контакты нагрузок соединены параллельно с общим первым электродом (не показан) или отдельными первыми электродами 3a, 3b, 3c, и чьи вторые контакты нагрузок соединены параллельно с общим вторым электродом 7 (как показано на фиг. 11), отдельными вторыми электродами 7a, 7b, 7c (т.е. с сегментированным вторым электродом, как показано на фиг. 10) или вторым внешним элементом (не показан). Каждая из нагрузок 25a, 25b, 25c может быть, таким образом, выполнена, как показано на любой из фиг. 1-9.
В отличие от общепринятых решений, нагрузки 25a, 25b, 25c соединены напрямую параллельно источнику 1 питания переменного тока и оканчиваются пассивным электродом заземления (т.е. вторым электродом (электродами) 7 или 7a, 7b, 7c), вместо использования двух активных электродов передачи между источником 1 питания переменного тока и нагрузкой 2. Также в этой конфигурации локальный ток ограничен реактивным сопротивлением посредством площади поверхности пассивного электрода, и, следовательно, локальным постоянным током, который может протекать через, например, короткое замыкание (светодиод).
поднагрузки
генератора
эфф
эфф
эфф
Для электродов с малым удельным сопротивлением, действующее значение I переменного тока описывается выражением I=U*2*π*f*C, где U является действующим значением напряжения (генератора) и f является частотой возбуждения. Значение локальной емкости C зависит от локальной площади сегментированного пассивного электрода 3 (или 3a, 3b, 3c), локальной толщины диэлектрического слоя 4 (или 4a, 4b, 4c) между электродом 3 (или 3a, 3b, 3c) и общим электродом 5 и его диэлектрической проницаемости. Поскольку ток I зависит от прикладываемого напряжения U возбуждения, следует понимать, что пропускная способность по мощности Р, даже если устройство электропитания является очень эффективным, ограничена реактивным сопротивлением, что задается выражением P=U*I. Таким образом, для передачи большой мощности, требуется высокое напряжении и/или большая емкость. Из соображений безопасности ясно, что большая емкость является предпочтительной. Поскольку корпуса судов обеспечивают большую площадь поверхности, и UV-C-светодиоды являются маломощными, это может быть использовано согласно требуемому сценарию применения. Следовательно, также с точки зрения мощности светодиодов предпочтительно использовать множество локальных источников питания (постоянного тока), питаемых от единственной линии электропитания (переменного тока).
Предпочтительно, диэлектрический материал может быть использован для встраивания светодиодов в прозрачную для UV-C-излучения, непроницаемую для воды и соли оболочку, т.е. все элементы могут быть размещены в корпусе и могут быть, альтернативно или дополнительно, встроены в диэлектрический материал, который может быть тем же самым материалом, что и материал, используемый для диэлектрического слоя 4. Подходящим для встраивания материалом, который хорошо пропускает UV-C-излучение, является силикон. Дополнительно, поскольку площадь локального пассивного электрода (второго электрода 7) и локальная толщина диэлектрического материала являются параметрами проекта, даже светодиоды и другие электронные схемы, требующие разных токов и/или уровней напряжения, могут все же быть соединены с одним и тем же генератором. Предпочтительно, использование единственной линии возбуждения уменьшает проблему, связанную с трудностью обеспечения проводных соединений, поскольку любой провод может быть соединен с любым другим проводом. Это облегчает установку, в частности, в отрасли мореплавания.
Из формулы, приведенной выше, можно вывести, что площадь пассивного электрода может быть минимизирована при использовании более высоких частот возбуждения, в результате чего можно ограничить площадь/объем уязвимой электроники. Для протекания больших действующих значений токов поднагрузок (т.е. тока через одну из множества нагрузок 25a, 25b, 25c, как, например, показано на фиг. 10 и 11), однако, площадь поверхности пассивного электрода должна все же иметь некоторый размер. К счастью, неважно, будет ли область обрезанной из-за повреждения, или нет, поскольку вырез почти не уменьшит ее площадь поверхности. Это показано на фиг. 12А, показывающей схему локально разрезанного сегментированного второго электрода 7b, используемого в одном варианте осуществления устройства электропитания, причем вырезы 70 почти не оказывают никакого влияния на эффективную площадь пассивного электрода.
Только если площадь поверхности пассивного электрода уменьшится, как показано на фиг. 12В, показывающей схему поврежденных сегментированных вторых электродов 7b, 7c, световой выход светодиодов в поднагрузках 25b, 25c уменьшится, что является нежелательным. Следовательно, для существенного повреждения площади пассивного электрода, этой площади должен быть нанесен значительный ущерб. При использовании резисторов распределения нагрузки, часть потерь площади может быть скомпенсирована ближайшими соседями, причем значение R определяет, насколько и в какой степени (функциональные, разомкнутые или замкнутые накоротко) соседи могут компенсировать понесенные потери площади.
Чтобы справиться с повреждением пассивного электрода, могут быть использованы резисторы 26a, 26b распределения нагрузки, соединенные с одним или несколькими смежными пассивными подэлектродами 7a, 7b, 7c параллельно, как также показано на фиг. 12В. Одно преимущество резисторов 26a, 26b распределения нагрузки состоит в том, что в случае отсутствия повреждений не будет значительных различий между смежными подэлектродами 7a, 7b, 7c, следовательно, не будет почти никакого рассеяния мощности в резисторах 26a, 26b распределения нагрузки. Когда имеется повреждение, часть тока поврежденных светодиодов может быть перенесена на соседние подэлектроды 7a, 7b, 7c. Возможные доли распределения зависят от величины резистора 26a, 26b распределения нагрузки. При малой величине резистора 26a, 26b распределения нагрузки, допустимо отсутствие существенной доли площади пассивного электрода. Однако, если один или несколько соседей также создают короткое замыкание, то может протекать слишком большой ток короткого замыкания. Когда величина резистора 26a, 26b распределения нагрузки является слишком большой, невозможна почти никакая компенсация отсутствующего электрода. Соответственно, по оценкам, объективная способность распределения нагрузки, равная 10-40%, является приемлемым значением. В случае тока UV-C-светодиода, равного 20мА, величины резисторов распределения нагрузки, равные около 1-4кОм являются приемлемыми, но их величина не ограничена этим диапазоном.
Как описано выше, если площадь локального активного электрода (т.е. первого электрода) выполнена с возможностью допускать максимальный ток со значением, равным или близким к максимальному току UV-C-светодиода, то допустимо, чтобы поднагрузки создавали короткое замыкание без значительного влияния на их функциональных соседей (с использованием или без использования резистора распределения нагрузки). Следовательно, в случае, когда как положительный, так и отрицательный контакт локального источника питания постоянного тока подвергаются внешнему воздействию после повреждения, величина тока электрохимических реакций также ограничивается, тогда как его местоположение ограничено областью повреждения. Поскольку подвергаемые воздействию контакты будут растворяться с течением времени, интенсивность электрохимических реакций будет также уменьшаться с течением времени, пока не остановится полностью вследствие растворения материала.
Удовлетворительные результаты могут быть, например, получены для частот возбуждения от 0,1 до 100 МГц. Электрохимические реакции переменного тока имеют место, и будет образовываться коррозия, например, когда провод 1b питания будет разрезан. Таким образом, требуется контроль повреждений. Здесь существует другое преимущество высокой частоты генератора (>~20кГц). Если провод 1b питания (провод электропитания подает электропитание переменного тока и, следовательно, индуцирует электрохимические реакции переменного тока; внутри нагрузки переменный ток преобразуется в постоянный ток, и имеют место электрохимические реакции постоянного тока, но только локально) подвергается воздействию морской воды, провод питания и корпус судна будут действовать поочередно как анод и катод. Для высоких частот это безразлично, однако, для обоих электродов побочные продукты электрохимических реакций будут доступны на каждом электроде в стехиометрических количествах для симметричного возбуждающего напряжения. Более важно, что вследствие образования кинетики газовых пузырьков, пузырьки все еще будут малоразмерными перед изменением полярности. Следовательно, будет иметь место самовоспламенение и, таким образом, самоуничтожение. Этот процесс генерирует тепло, но количество свободных побочных продуктов сильно уменьшается.
Другое преимущество предлагаемого решения состоит в том, что замыкание электрического тока обеспечивается посредством площади пассивного электрода последовательно либо с хорошо проводящей морской водой ниже ватерлинии, либо с непроводящим воздухом выше ватерлинии. Следовательно, нагрузки выше ватерлинии саморегулируются. Кроме удельной электропроводности, также диэлектрические проницаемости выше и ниже ватерлинии являются разными, причем это снова приводит к эффекту, действующему в правильном направлении. Нагрузки выше ватерлинии могут быть, таким образом, выполнены с возможностью регулироваться пассивно, в зависимости от степени связи с корпусом судна и окружающей морской водой/ воздухом, в результате чего экономится энергия и в то же время уменьшается интенсивность UV-C-света, излучаемого в окружающую среду выше ватерлинии. Если потребуется, светодиоды могут даже выключиться полностью при развертывании схемы активного детектирования. Разные варианты осуществления описывают разные средства и способы для обеспечения этого (например, использование разных толщин диэлектрических материалов, разных материалов, двухуровневых пассивных электродов, обходного отверстия к корпусу, которое может быть или не быть влажным, и т.д.).
Согласно одному аспекту настоящего изобретения, все нагрузки соединены последовательно с генератором (источником питания переменного тока), выведенным на пассивное заземление. Преимущество этой схемы состоит в том, что весь ток, протекающий от пассивного электрода к заземлению, также протекает через сумму поднагрузок. Эффективность передачи энергии этой схемы определяется соотношением энергии, потребляемой всеми поднагрузками, и энергии, которая рассеивается (последовательно с нагрузками) окружающей средой у пассивного электрода заземления. Когда окружающая среда является хорошо проводящей (низкое последовательное удельное сопротивление), что имеет место в случае морской воды и корпуса судна, потери энергии являются низкими. Это так, поскольку корпус судна является толстым, имеет большую площадь поверхности и изготовлен из хорошо проводящей электрический ток стали, тогда как резистивные потери морской воды являются малыми вследствие ее довольно высокой удельной электропроводности. Фактически, корпус судна плавает в бесконечном, жидком массиве трехмерных (3D) резисторов. Кроме того, все резистивные пути к заземлению расположены параллельно, что обеспечивает очень малое эффективное сопротивление. Прежде всего, это сопротивление является самоадаптирующимся в том отношении, что морская вода следует за контурами корпуса судна либо в движении, либо в неподвижном положении, а также в том отношении, что она адаптируется к различиям в положении ватерлинии вследствие изменений в нагрузке (груз/ балластная вода или и то, и другое). Таким образом, при любых обстоятельствах эффективность предлагаемого устройства электропитания является высокой и оптимальной.
При условии ожидаемых низких вкладов в потери от корпуса судна и морской воды, диэлектрические характеристики диэлектрического слоя, находящегося поверх сегментированных пассивных электродов являются, следовательно, наиболее важными. Потери, связанные с этим слоем, могут быть очень низкими, например, при использовании силикона. Использование силикона является, кроме того, предпочтительным, поскольку он прозрачен для UV-C-света и блокирует воду и соли.
Другой аспект настоящего изобретения относится к возможному разрезанию общей линии электропитания (т.е. провода 1b питания) и последующему подверганию ее воздействию морской воды. Хотя такое разрезание будет приводить к тому, что нагрузки, присоединенные ниже по электрической цепи, станут неработоспособными, величина энергии, сбрасываемой в морскую воду, и время, в течение которого такой сброс будет иметь место, могут быть минимизированы. Это может быть обеспечено на основе оптимизации ее физических размеров, а также скорости ее эрозии при подвергании воздействию. Общую линию электропитания, таким образом, предпочтительно выполняют в виде тонкой и широкой ленты, вместо выполнения ее в виде толстого круглого провода. Дополнительно, могут быть использованы пластичные материалы, такие как золото, серебро, медь, алюминий, которые могут быть легко разрезаны и разорваны. Из этих материалов, алюминий является наиболее предпочтительным материалом, поскольку алюминий будет также растворяться как в кислотных, так и в щелочных средах. Таким образом, когда будут происходить электрохимические реакции, алюминий будет растворяться значительно быстрее, чем большинство других материалов, в то время как он все же является хорошим проводником электрического тока. Дополнительно, газообразный хлор и ионы хлора ускоряют растворение алюминия уже по своей природе. Следовательно, площадь поверхности или поперечное сечение подвергаемой воздействию ленты будет быстро уменьшаться, в результате чего будет быстро уменьшаться величина энергии, сбрасываемой в окружающую морскую воду.
Кроме того, алюминий имеет низкую точку плавления, что позволяет встроить одну или несколько плавких перемычек (предохранителей) в саму линию электропитания. Предпочтительно, алюминий также является хорошим отражателем для UV-C-света. Таким образом, как линию электропитания, так и пассивные электроды предпочтительно выполняют из (листового) алюминия. Кроме того, алюминий допускает соединения (проводов) электронных компонентов без использования припоя, и он может соединяться лазерной сваркой. Следовательно, возможно полное встраивание всех электронных компонентов в UV-C-светодиодную ленту, также с обеспечением пассивных сегментированных электродов. Дополнительно, светодиодные ленты могут быть легко сцеплены с криволинейными и оконтуренными поверхностями и могут иметь большие длины. Светодиодная лента или светодиодная наклейка может быть, следовательно, использована в одном варианте осуществления. Кроме того, толщиной носителя наклейки можно легко управлять на больших площадях и длинах, и, следовательно, емкость по отношению к корпусу может быть установлена с малыми усилиями (площадь электродов 3 и 7, структурированных прямо поверх носителя).
Если используется светодиодная лента или светодиодная наклейка, имеющая только единственный провод электропитания, оставшаяся часть плитки для противодействия биообрастанию (т.е. оставшаяся часть устройства электропитания) может содержать «пассивный» плиточный элемент, содержащий только UV-C-световод, оптически соединенный со светодиодной лентой. Он может быть защелкой поверх плитки (световод проходит поверх светодиодной ленты), или может быть пластиной из светонаправляющего материала, заполняющей зазор между смежными светодиодными лентами, или может содержать множество меньших плиток, заполняющих пространство между светодиодными лентами. Преимущество состоит в том, что световоды могут быть разрезаны в размер для заполнения зазора без повреждения светодиодных лент. Оптическая связь между светонаправляющими элементами и светодиодными лентами может быть обеспечена через воздух, (морскую) воду или силикон.
В общем, соединительный провод 1c может быть прямо (гальванически) соединен со вторым электродом 7 или может оканчиваться в воде таким образом, чтобы соединение между соединительным проводом 1c и вторым электродом 7 было обеспечено через воду, что особенно полезно в случае использования наклейкоподобного решения устройства нагрузки. Эти разные решения могут быть указаны пунктирной линией между концом соединительного провода 3 и вторым электродом 7 (в частности, на фиг. 8 и 9). Кроме того, второй электрод 7 предпочтительно прямо соединен с нагрузкой 2, т.е. обычно не существует (длинного) соединения между контактом 2b нагрузки и вторым электродом 7.
Далее будут описаны дополнительные варианты осуществления.
Фиг. 13 показывает вид сбоку (фиг. 13А) и вид сверху (фиг. 13В) практической реализации устройства 106 электропитания согласно настоящему изобретению в сценарии применения для противодействия биообрастанию, которая подобна шестому варианту осуществления, показанному на фиг. 10 и 11. В этом варианте осуществления, обеспечен единственный, тонкий и широкий проводящий провод 3 электропитания (представляющий первый электрод), расположенный поверх одной или нескольких диэлектрических (связующих) подложек 49 (причем часть их представляет диэлектрический слой 4), причем единственный провод 3 питания (соединенный с контактом 1b переменного тока напрямую или посредством внешнего элемента 11 (морской воды)) предпочтительно выполнен из листового алюминия, и на него высоковольтным генератором переменного тока (не показан) подается модулированное напряжение. Единственный провод 3 питания гальванически соединен с множеством нагрузок 25a, 25b, 25c, соединенных параллельно, включающих в себя, например, локальные источники питания постоянного тока, выполненные в виде мостовой схемы 23 Грэтца, и светодиоды 24, как показано на фиг. 9 или 12. Каждая нагрузка 25a, 25b, 25c выведена на токоограничивающий пассивный электрод 7a, 7b, 7c заземления.
Через мостовую схему 23 Грэтца каждой нагрузки 25a, 25b, 25c могут быть присоединены один или несколько электронных компонентов, таких как (UV-C) светодиоды, интегральные схемы (IC) и/или другие электронные схемы и модули. Предпочтительно, весь блок окружен прозрачной для UV-C-света, непроницаемой для воды и соли оболочкой 41, например, изготовленной из силикона.
Провод 3 питания (представляющий первый электрод) может быть снабжен одной или несколькими встроенными плавкими вставками 26 (например, выполненными из листового алюминия) и водонепроницаемым, изолированным креплением провода электропитания. Плавкая вставка обеспечивает безопасность в случае повреждения провода. Это показано на фиг. 14, показывающей вид сверху другой практической реализации устройства 107 электропитания согласно настоящему изобретению в сценарии применения для противодействия биообрастанию.
В другом варианте осуществления, области 7a, 7b, 7c пассивного электрода могут быть также выполнены из листового алюминия. Кроме того, области пассивного электрода могут быть выполнены таким образом, чтобы могли быть получены множественные значения емкости, в зависимости от электрических и диэлектрических характеристик окружающей среды. Например, могут быть использованы разные толщины диэлектрика на верхней и нижней стороне пассивного электрода, или два разных диэлектрических материала (например, один материал хорошо прилипает, а другой материал имеет лучшую прозрачность в ультрафиолетовой части спектра), или локально утонченный диэлектрический материал, находящийся сверху, в виде отверстия, которое может смачиваться морской водой. Другим примером является пассивный электрод, разделенный на две или более соединенных подчастей, причем одна или несколько частей подняты по уровню по сравнению с другой частью, близкой к подложке носителя. Кроме того, могут быть использованы возможности, обратные возможностям, описанным выше. Еще один другой вариант осуществления может содержать надувной или отклоняющийся пассивный электрод или полость, находящуюся ниже или выше пассивного электрода, что позволяет настраивать локальную высоту и/или диэлектрический материал. Это были только примеры возможностей, которые могут быть использованы для настройки индивидуальных вкладов верхней и нижней половины пассивного электрода заземления с целью автоматического регулирования локальных светодиодов в зависимости от диэлектрических и электрических характеристик окружающей среды.
В еще одном другом варианте осуществления, светодиодная лента 25a, 25b может быть оптически расширяемой посредством дополнительного световода, например, выполненного в виде рулона 27а, плитки 27b или отформованного любым другим образом, расширяемого, но пассивного UV-C-световода, как показано на фиг. 15. Такие плитки могут быть повреждены и/или утеряны при ударе и могут легко заменяться при необходимости.
В некоторых или даже во всех объясненных выше вариантах осуществления, согласно настоящему изобретению, по меньшей мере один из конденсатора 6 и второго контакта 2b нагрузки выполнен с возможностью передачи электроэнергии через воду 10, 11 для образования электрического пути через воду 10, 11 между источником 1 питания переменного тока и соответствующим одним из конденсатора и второго контакта 2b нагрузки. Кроме того, первый контакт 2а нагрузки электрически изолирован от второго контакта 2b нагрузки. Таким образом, объясненные выше варианты осуществления могут быть применимы в равной мере, но с модификацией электрического пути.
Следовательно, в некоторых вариантах осуществления не существует гальванического соединения между вторым контактом 1b переменного тока и вторым контактом нагрузки, но электрический путь может быть образован через воду 10, 11, причем может быть образовано резистивное или емкостной соединение. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления не существует гальванического соединения между первым контактом 1а переменного тока и первым внешним электрически проводящим элементом 5, 50, например, корпусом судна или морским сооружением.
Другие применения, отличные от использования на внешней поверхности корпуса судна, включают в себя сооружения, находящиеся под водой, такие как пирс, сваи моста или ветроэлектростанция, и т.д.
В то время как настоящее изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в приведенном выше описании, такую иллюстрацию и описание следует считать иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; настоящее изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Другие варианты раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы специалистами в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения, после изучения чертежей, настоящего раскрытия и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а форма единственного числа не исключает множественного числа. Единственный элемент или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Тот факт, что некоторые меры приведены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с преимуществом.
Никакие ссылочные знаки в формуле изобретения не следует толковать как ограничение объема формулы изобретения.
Далее следует перечень дополнительных вариантов осуществления и аспектов:
C1. Морское сооружение, содержащее:
- поверхность (50) и
- нагрузку (2, 20, 21, 22, 25), имеющую первый контакт (2а) нагрузки и второй контакт (2b) нагрузки, для питания энергией от источника (1) питания переменного тока, причем упомянутый источник (1) питания переменного тока имеет первый контакт (1а) переменного тока, электрически соединяемый с поверхностью (50), и второй контакт (1b) переменного тока,
- первый электрод (3), электрически соединенный с первым контактом (2а) нагрузки, и
- диэлектрический слой (4),
причем первый электрод (3) и диэлектрический слой (4) выполнены с возможностью образования, в сочетании с поверхностью (50), конденсатора (6) для емкостной передачи электроэнергии между первым электродом (3) и поверхностью (50),
причем второй контакт (1b) переменного тока и второй контакт (2b) нагрузки выполнены с возможностью быть электрически соединенными со вторым внешним электрически проводящим элементом (10, 11), изолированным от поверхности (50), и
причем первый контакт (2а) нагрузки электрически изолирован от второго контакта (2b) нагрузки.
C2. Морское сооружение, определенное в варианте С1 осуществления,
в котором поверхность (50) является внешней поверхностью.
C3. Морское сооружение, определенное в варианте С2 осуществления,
в котором поверхность (50) является по меньшей мере частью корпуса судна.
C4. Морское сооружение, определенное в варианте С1 осуществления,
дополнительно содержащее источник (1) питания переменного тока для питания энергией упомянутой нагрузки.
C5. Морское сооружение, определенное в варианте С1 осуществления,
дополнительно содержащее носитель (80), несущий нагрузку (2), первый электрод (3) и диэлектрический слой (4) и выполненный с возможностью быть расположенным на корпусе (50) судна.
C6. Морское сооружение, определенное в варианте С1 осуществления,
дополнительно содержащее второй электрод (7), электрически соединенный с нагрузкой (2) и выполненный с возможностью быть электрически соединенным с источником (1) питания переменного тока.
C7. Морское сооружение, определенное в варианте С1 осуществления,
в котором нагрузка (2) выполнена с возможностью быть электрически соединенной со вторым внешним электрически проводящим элементом (10, 11), который является водой, в частности, морской водой.
C8. Морское сооружение, определенное в варианте С1 осуществления,
дополнительно содержащее электрически проводящий элемент (12) управления током, расположенный во втором внешнем элементе (10, 11) и/или прикрепленный к контакту (2) нагрузки.
C9. Морское сооружение, определенное в варианте С1 осуществления,
дополнительно содержащее линию (1d) электропитания постоянного тока, расположенную во втором внешнем элементе (10) или закрепленную в нем.
C10. Морское сооружение, определенное в варианте С1 осуществления,
дополнительно содержащее корпус (8), вмещающий нагрузку (2, 20, 21, 22), первый электрод (3) и диэлектрический слой (4).
C11. Морское сооружение, определенное в варианте С1 осуществления,
содержащее множество нагрузок (25a, 25b, 25c), чьи первые контакты нагрузок соединены параллельно с общим первым электродом (3) или отдельными первыми электродами (3a, 3b, 3c), и чьи вторые контакты нагрузок соединены параллельно с общим вторым электродом (7), отдельными вторыми электродами (7a, 7b, 7c) или вторым внешним элементом (10, 11).
C12. Морское сооружение, определенное в варианте С1 осуществления,
в котором нагрузка (20, 21, 22) содержит источник света, в частности, светодиод или UV-светодиод.
C13. Морское сооружение, определенное в варианте С12 осуществления,
в котором нагрузка (22) содержит диодную мостовую схему (23), причем источник (24) света присоединен между средними точками (23a, 23b) диодной мостовой схемы (23).
C14. Морское сооружение, определенное в варианте С1 осуществления,
в котором нагрузка (21) содержит первый светодиод (21a) и второй светодиод (21b), соединенные встречно-параллельно друг с другом.
C15. Морское сооружение, определенное в варианте С5 осуществления,
в котором корпус (50) судна покрыт множеством носителей (80), и в котором обеспечено множество источников (1) питания переменного тока, каждый из которых выполнен с возможностью питания энергией нагрузок двух или более носителей (3).
B1. Устройство нагрузки для использования в устройстве электропитания и для расположения на первом внешнем электрически проводящем элементе (5, 50), причем упомянутое устройство нагрузки содержит:
- нагрузку (2),
- первый электрод (3), электрически соединенный с нагрузкой (2), и
- диэлектрический слой (4)
причем нагрузка (2), первый электрод (3), диэлектрический слой (4) образуют структуру, которая выполнена с возможностью быть расположенной на первом внешнем электрически проводящем элементе (5, 50),
причем первый электрод (3) и диэлектрический слой (4) выполнены с возможностью образования, в сочетании с первым внешним электрически проводящим элементом (5, 50), конденсатора (6) для емкостной передачи электроэнергии между первым электродом (3) и первым внешним элементом (5, 50), и
причем нагрузка (2) соединена со вторым электродом (7), электрически изолированным от первого электрода (3), или выполнена с возможностью быть электрически соединенной со вторым внешним электрически проводящим элементом (10, 11), электрически изолированным от первого электрода (3).
B2. Устройство нагрузки, определенное в варианте B1 осуществления,
дополнительно содержащее носитель (80), несущий нагрузку (2), первый электрод (3) и диэлектрический слой (4), и выполненный с возможностью быть расположенным на первом внешнем электрически проводящем элементе (5, 50).
B3. Устройство нагрузки, определенное в варианте B2 осуществления,
в котором носитель (80) обеспечен в виде листа, причем по меньшей мере одна поверхность (81) носителя покрыта связующим материалом (90).
B4. Устройство нагрузки, определенное в варианте B3 осуществления,
дополнительно содержащее пленку (91), съемно прикрепленную к поверхности (81), покрытой связующим материалом (90).
B5. Устройство нагрузки, определенное в варианте B2 осуществления,
в котором размер и/или форма носителя (80) выполнены таким образом, чтобы они соответствовали форме и/или размеру области наложения.
B6. Устройство нагрузки, определенное в варианте B3 осуществления,
в котором поверхность (82) носителя (80) и/или внешняя поверхность (92) устройства нагрузки, противоположная поверхности (81) носителя, покрытой связующим материалом (90), покрыта связующим материалом (93), в частности, для приема световода или размывающей поверхности на одной из поверхностей.
B7. Устройство нагрузки, определенное в варианте B2 осуществления,
в котором носитель (80) изготовлен из гибкого материала.
B8. Устройство нагрузки, определенное в варианте B2 осуществления,
в котором носитель (80) содержит указатель (94) для установки устройства нагрузки, в частности, для указания положения установки и/или направления установки и/или возможности перекрытия, и/или указатель (94), указывающий на то, где следует разрезать носитель (80).
B9. Устройство нагрузки, определенное в варианте B1 осуществления,
дополнительно содержащее второй электрод (7), электрически соединенный с нагрузкой (2) и выполненный с возможностью быть электрически соединенным с источником (1) питания переменного тока.
B10. Устройство нагрузки, определенное в варианте B1 осуществления,
дополнительно содержащее электрически проводящий элемент (12) управления током, расположенный во втором внешнем элементе (10, 11) и/или прикрепленный к нагрузке (2).
B11. Устройство нагрузки, определенное в варианте B1 осуществления,
дополнительно содержащее линию (1d) электропитания постоянного тока, расположенную во втором внешнем элементе (10) или закрепленную в нем.
B12. Устройство нагрузки, определенное в варианте B1 осуществления,
в котором нагрузка (20, 21, 22) содержит источник света, в частности, светодиод или UV-светодиод.
B13. Устройство электропитания для питания энергией нагрузки, причем упомянутое устройство электропитания содержит:
- источник (1) питания переменного тока и
- устройство нагрузки, определенное в любом из вариантов 1-12 осуществления.
B14. Морское сооружение, имеющее внешнюю поверхность, содержащую устройство нагрузки, определенное в любом из вариантов 1-12 осуществления, причем устройство нагрузки прикреплено к упомянутой внешней поверхности.
B15. Способ возбуждения устройства нагрузки, определенной в любом из вариантов В1-В12 осуществления, посредством обеспечения переменного напряжения между первым внешним элементом (5, 50) и либо вторым электродом (7), либо вторым внешним электрически проводящим элементом (10, 11).
B16. Способ установки устройства нагрузки, определенного в любом из вариантов 1-12 осуществления, на внешней поверхности морского сооружения.
B17. Использование устройства нагрузки, определенного в любом из вариантов 1-12 осуществления, для установки на внешней поверхности морского сооружения, в частности, для противодействия биообрастанию внешней поверхности.