CC BY
205
УДК 621.31
исследование беспроводной резонансной системы передачи электроэнергии
Д.С. СТРЕБКОВ, доктор технических наук, академик РАН, директор
М.В. МОИСЕЕВ, аспирант
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства
1-й Вешняковский проезд, 2, Москва, 109456, Россия
E-mail: moiseev@viesh.ru
Резюме. В статье описывается резонансная система беспроводной передачи электроэнергии с частотой 0,5-50 кгц, содержащая приемный модуль, передающий модуль и систему для создания беспроводной линии резонансной передачи электрической энергии. Она основана на передаче электроэнергии по одно-проводной линии, разработанной в ВИЭСХ. Система работает в режиме стоячей волны, который характеризуется сдвигом по фазе между током и напряжением во времени и пространстве, что позволяет использовать провод маленького сечения или проводящий канал в атмосфере. Проводящий канал формируютдва импульсных полупроводниковых лазера, блок сведения лучей и оптика. Частоты лазеров разнесены на частоту Фраунгоферовых линий (Av = v1- v2) резонансного поглощения биений, составляющими атмосферы, имеющими достаточно малое процентное содержание в атмосфере, по сравнению с общим количеством частиц, что позволяет снизить затраты на ионизацию канала. Избирательная ионизация позволяет исключить блокирование передачи лазерного излучения с частотами v1 и v2 при 100%-ной ионизации таких составляющих. Рассмотрены несколько типов лазеров применявшихся ранее: С02-лазер, рентгеновский лазер, неодимовый лазер. Приведены два способа и устройства для передачи электрической энергии на транспортные средства, движущиеся по произвольной или заданной траектории, отличающиеся тем, что в первом варианте формирователь проводящего канала установлен со стороны источника питания, во втором - непосредственно на движущемся объекте, в качестве приемника выступает V-образнаяантенна, на которую направлены формирователи со всех движущихся объектов. Ключевые слова: беспроводная передача электроэнергии, резонансная электрическая система, проводящий канал Для цитирования: Стребков Д.С., Моисеев М.В. Исследование беспроводной резонансной системы передачи электроэнергии // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т.29. №8. С. 66-68.
Система беспроводной резонансной передачи энергии основана на разработанной в ВИЭСХ системе резонансной передачи электроэнергии по однопроводной линии, которая работает в режиме стоячей волны тока и напряжения. Как известно, режим стоячей волны характеризуется сдвигом по фазе между током и напряжением на 90ово времени и пространстве, что позволяет использовать провод малого сечения 0,1-10 мм2.
Цель нашего исследования рассмотреть возможность замены передающего провода на проводящий канал, ионизированный в атмосфере с помощью лазерного луча.
Условия, материалы и методы. Использование лазерного луча вместо передающего провода позволит избавиться от затрат на проводник, возведение опор, использования изоляторов, обслуживание. Кроме того, лазерный луч не привязан к местности, его можно использовать для передачи энергии на электротранспорт. В то же время необходимо оценить затраты на создание и поддержание проводящего канала в атмосфере.
Система для беспроводного электропитания удаленных потребителей электрической энергии (рис. 1) содержит передающий (1) и приемный (2) модули, соединенные между собой проводящим каналом (3) в атмосфере для резонансной передачи электрической энергии. Линия (3) включает токосъемные электроды (4, 5), установленные соосно на передающем (1) и приемном модуле (2) соответственно, а также лазерный ионизатор (6) атмосферного воздуха, установленный на передающем модуле соосно с электродом (4). Токосъемные электроды (4, 5) выполнены тугоплавкими из вольфрама или графита, токосъемный электрод (4) выполнен таким образом, чтобы не мешать прохождению лазерного луча и одновременно контактировать с ним. Ионизатор (6) содержит, как минимум, два импульсных полупроводниковых лазера (7, 8), блок сведения лучей лазеров (9) и оптическую линзу (10), установленную соосно с токосъемным электродом (4).
Лазеры выполнены полупроводниковыми с частотами v1 и v2 в полосе частот прозрачности атмосферы (уменьшенным поглощением лазерного излучения). Для снижения энергетических затрат на ионизацию атмосферного канала разность частот (Ьи = V1-v2) лазеров выбрана равной или кратной частоте Фраунгоферовых линий резонансного поглощения энергии биений Еб, составляющими атмосферы, имеющими достаточно малое (п(уд = 107^108 см-3) процентное содержание в атмосфере (например, оксид углерода), по сравнению с общим количеством частиц (п/д = 1019^1021 см-3), содержащихся в 1 см3 в приземных слоях атмосферы.
Е6 = ЬЬ/, (1)
где h = 6,62517 10-34Джсек - постоянная Планка.
Рис. 1. Схема беспроводной резонансной системы передачи электроэнергии.
Результаты и обсуждение. Ранее были рассмотрены системы с использованием СО2-лазера с длиной волны 10,6 мкм мощностью 1 кВт, а также неодимового лазера с удвоением частоты с длиной волны 0,53 мкм и электрической мощностью 0,5 кВт. Их недостатки заключаются в повышенных потерях электрической энергии на формирование токопроводящего канала, что сопровождается снижением коэффициента полезного действия (КПД) электропитания удаленных потребителей.
Это связано с тем, что длина волны 10,6 мкм инфракрасного СО2 и 0,53 мкм неодимового лазера, используемые преимущественно в радиолокации и оптической связи выбраны из условия попадания в окна прозрачности атмосферы. Кроме того, при их применении эффект электрической ионизации воздушной среды «световой пробой» возможен в ограниченном объеме (в точке фокусировки) только путем создания высокой (109 Вт/см2) плотности мощности электромагнитного излучения (ЭМИ) и его электрического поля в точке фокусировки (Епр~30 кВ/см).
При этом в результате «светового пробоя», приводящего к сплошной ионизации практически всех составляющих частиц атмосферного воздуха в приземных слоях атмосферы, в точке фокуса создается плазма с плотностью (п/д ~ 1019-1021 см-3). Это блокирует дальнейшее распространение лазерного излучения и препятствует образованию токопроводящего канала в атмосфере достаточной длинны для электропитания удаленных потребителей энергии.
Использование рентгеновского лазера для формирования токопроводящего канала в атмосфере также проблематично из-за его высокой ионизирующей способности и быстрого расхода энергии Еи на создание протяженных каналов с плотностью плазмы п2уд ~ 1019-1021 см-3[2]. Учитывая малую длину свободного пробега рентгеновского излучения в атмосфере (единицы - десятки метров), а также низкий КПД (не более 1%) преобразования электрической энергии в электромагнитную в рентгеновском диапазоне ЭМИ, использование рентгеновского лазера для передачи электрической энергии так же проблематично.
Исключить блокирование передачи лазерных излучений с частотами v1 и v2 при 100%-ной ионизации таких составляющих позволяет избирательная ионизация. При этом в случае плотности п)уа = 107-108 см-3 зарядов в луче создаются условия для электрического пробоя с увеличенным электрическим КПД - 70-80%. Указанная (п™ = 107-108 см-3) плотность зарядов в лазерном луче сравнима с плотностью зарядов в «стримере» (потенциальной волны) в атмосфере, распространяющейся со скоростью распространения зарядов ^3-105 км/с, которая значительно выше скорости распространения «стримера» (1 км/с). Поскольку скорость распространения лазерного ионизирующего излучения сравнима со скоростью света, то общее время электрического пробоя воздуха в лазерном луче будет определяться не временем = D/Ve, V= 1 км/с) прохождения потенциальной волны Е между электродами, а временем D/ V; V = 3-105 км/с) распространения лазерного излучения. Это связано с тем, что скорость и энергия электрического пробоя воздуха существенно зависят от начальной плотности «затравочных» (пзтр) зарядов в атмосфере. Так, при нормальных атмосферных условиях (пзтр= 1-3 см-3) требуемая напряженность электрического поля для электрического пробоя воздушной среды Е = 32 кВ/см,
Таким образом, в подобной системе происходит избирательная резонансная фотоионизация частиц и образование плазмы с плотностью п1уд = 107-108 см-3. При передаче энергии в резонансном режиме по проводящему каналу происходит дополнительная ионизация канала передачи.
Период Т следования импульсов лазера выбирается из условия (2):
Т = К-— = К-2п4ПС,
(2)
где ?рез - резонансная частота трансформаторов Тесла, кгц; К - коэффициент синхронизации, К>>1
При этом период Т импульсов должен быть больше, чем время релаксации плазмы. В связи со временем релаксации и большой частотой работы резонансной системы (0,5^50 кгц), генератор системы должен работать в режиме ударного возбуждения [1].
Предложенную систему можно использовать для дистанционного беспроводного электропитания стационарных и подвижных потребителей электрической энергии. При этом КПД беспроводной передачи по лазерному лучу в зависимости от погодных условий и расстояния (0,1-1 км) до потребителя может составлять порядка 30-50%.
Рассмотрим вариант применения системы для дистанционного беспроводного электроснабжения электротранспорта. На рис. 2 приемник 9 проводящего канала 5 с помощью высоковольтных изоляторов 8 установлен на крыше транспортного средства 11, например, трактора. В качестве электрического приёмника 10 служит система электропривода управления трактором 11, которая соединена с приемником 9 через диодно-конденсаторный блок 13.
а при пзтр= 107-108 см-3 -
Епр = 20 кВ/см.
Рис. 2. Схема способа и устройства для передачи электрической энергии на транспортное средство, движущееся по произвольной траектории.
Источник электропитания 1,генератор излучения 2, электроизолирующий экран 7 и формирователь 4 канала установлены на некотором расстоянии от транспортного средства 11 и имеют общую систему слежения 12 за транспортным средством 11. Система слежения 12 обеспечивает соединение проводящего канала 5 с приемником 9 при произвольном перемещении транспортного средства 11. В общем случае стационарный источник энергии может иметь несколько генераторов излучения 2, формирующих несколько проводящих каналов 5 для электроснабжения нескольких транспортных средств 11 одновременно.
металлический V-образный ленточный приемник 4. В общем случае по дороге 6 может передвигаться несколько транспортных средств 7, каждое в которых соединено проводящим каналом с металлическим ленточным приемником 4.
Так как высота установки V-образного ленточного приемника одинакова по длине дороги и повторяет ее профиль, то для автомобиля, двигающегося в одном ряду, ориентация генератора излучения на ленточный приемник остается постоянной и не требует корректировки. При переходе в другой ряд осуществляют фиксированное изменение угла наклона генератора и при дальнейшем сохранении рядности ориентация генератора остается постоянной.
Устройство передачи электрической энергии в транспортное средство, движущееся по произвольной траектории, содержит дополнительно систему слежения за транспортным средством, включающую оптический лазерный локатор или радиолокатор для определения координат и исполнительное устройство в виде поворотной платформы, на которой установлены генератор излучения, формирователь проводящего канала и электроизоляционный экран. В качестве транспортного средства используют электромобиль с электрическим приводом, движущийся по дороге [3].
выводы. Избирательная резонансная фотоионизация и образование плазмы с плотностью п1уд = 107^108 см-3 создают условия для электрического пробоя с увеличенным электрическим КПД на уровне 70-80%. При этом КПД беспроводной передачи в зависимости от погодных условий и расстояния (0,1-1 км) до потребителя может составлять порядка 30-50%.
Решена проблема сплошной ионизации токопро-водящего канала (п2уд ~ 1019-1021 см-3) в результате «светового пробоя» и блокировки дальнейшего распространения лазерного излучения.
Предложены две системы для дистанционного беспроводного электропитания стационарных и подвижных потребителей электрической энергии.
Литература.
1. Патент РФ №2013115058/07, 04.04.2013. Стребков Д.С., Звонов А.А., Моисеев М.В. Система для беспроводного электропитания удаленных потребителей электрической энергии по лазерному лучу // Патент России № 2548571.
2. Патент РФ №2183376, 03.07.2000 Стребков Д.С., Авраменко С.В., Некрасов А.И.Способ и устройство для передачи электрической энергии (варианты). // Патент России № 2183376.
3. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.:ГНУ ВИЭСХ, 2013. 584 с.
RESEARCH OF wIRELESS RESONANCE SYSTEM OF POwER TRANSMISSION
D.S. Strebkov, M.V. Moiseev
All-Russian Scientific-Research Institute for Electrification of Agriculture, 1st Veshnyakovsky proezd, 2, Moscow, 109456, Russia Summary. This article presents resonance system of wireless power transmission which operates at frequencies between 0.5 and 50 kHz and contains receiving and transmitting modules and a system to creation of wireless line for resonance transmission of electric energy. The system is based on a single-line resonance power transmission method developed in Russian Research Institute of Electrification of Agriculture. The system works in standing wave mode, which is characterized by a phase shift between current and voltage in time and space. This feature enables the use of wires with small cross-sections and even conductive channels in the atmosphere. A conductive channel is formed by two pulsed semiconductor lasers, a beam convergence assembly and optical lens. The laser frequencies are spaced in accordance with Fraunhofer lines of resonant absorption of beating by atmosphere components with small percentage of the atmosphere's composition, in comparison with the total number of particles, that facilitates to minimize the expenses on the channel ionization. Selective ionization enables the exclusion of blockages of laser radiation with frequencies v1 and v2 when the components are fully ionized. A number of laser types used previously are also analyzed in this paper: the CO2 laser, the X-ray laser and the neodymium laser. It is presents two methods and devices for electrical energy transfer to vehicles moving either along an arbitrary or a prescribed path. In the former case the channel generator is positioned beside the power source, while in the latter-directly on the moving object. In the second instance, a V-shaped antenna is used as a receiver at which all the generators from the moving objects are directed.
Keywords: wireless power transmission, resonance electrical system, conducting channel.
Author Details: D.S. Strebkov, Dr.Sc. (Eng.), Academician of rAs, Director; M.V. Moiseev, Post-graduate Student (e-mail: moiseev@ viesh.ru)
For citation: Strebkov D.S., Moiseev M.V. Research of wireless resonance system of power transmission. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2015. V.29. No 8. pp. 66-68 (In Russ)
Для передачи электрической энергии в импульсном режиме в виде одиночных импульсов или чередующихся пакетов электрических импульсов устройство на рис. 2 оборудовано синхронизатором 14 для подачи на формирователь 4 проводящего канала 5 одновременно импульсов от генератора 2 и электрических импульсов от высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла 3.
Кроме того, возможен вариант системы, в которой проводящий канал формируется не со стороны генератора, а непосредственно на движущемся объекте (рис. 3).
рис. 3. Схема способа и устройства для передачи электрической энергии на транспортное средство, движущемся по заданной траектории.
При этом стационарный источник электрической энергии 1 через высоковольтный высокочастотный трансформатор Тесла 2 соединен кабелем 3 с металлическим ленточным V-образным приемником 4, установленным на изоляторах 5 вдоль дороги 6 перемещения транспортного средства 7, например электрического автомобиля. Генератор излучения, формирователь проводящего канала и электроизолирующий экран установлены на транспортном средстве 7 и имеют устройство ориентации 8 на
