ES2842524T3

ES2842524T3 - Suministro inalámbrico de energía a distancia para aparatos voladores no tripulados

Info

Publication number: ES2842524T3
Application number: ES13824092T
Authority: ES
Inventors: Manfred Hiebl; Hans Pongratz
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2033-12-02
Also published as: IL239186A0; DE102012023719B4; WO2014086330A2; WO2014086330A3; RU2015123289A; DE102012023719A1; EP2929615B1; US9837859B2; US20150311755A1; CN105009406A; EP2929615A2

Abstract

Sistema para la transmisión inalámbrica de energía a distancia, que presenta una unidad emisora (110) y un aparato volador, en donde la unidad emisora presenta: un haz de fibras láser (112) con una pluralidad de fibras láser, en donde cada una de las fibras láser está realizada para irradiar un rayo láser; una óptica de posicionamiento (114) para el ajuste de una orientación de radiación del rayo láser reunido en haz; una lente de campo (116); una lente primaria (118), en donde la pluralidad de fibras láser está realizada para irradiar en cada caso un rayo láser que atraviesa la óptica de posicionamiento, la lente de campo y la lente primaria, de modo que se irradia de forma reunida en haz el rayo láser irradiado por la unidad emisora; en donde la unidad emisora presenta, además: una óptica de nivelación del campo de imagen y de corrección (150A, 150B), la cual está dispuesta entre la lente de campo y la óptica de posicionamiento; en donde el aparato volador (300) presenta una unidad receptora (120), la cual está realizada para recibir el rayo láser reunido en haz que fue emitido por la unidad emisora; en donde la unidad receptora presenta una unidad de absorción de la energía de radiación (122), la cual está realizada para absorber el rayo láser reunido en haz irradiado por la unidad emisora y transformarlo en energía eléctrica; en donde la energía eléctrica está prevista para el suministro con energía eléctrica de una propulsión del aparato volador; en donde la unidad emisora (110) y el aparato volador está unidos entre sí a través de un tramo de transmisión de datos; en donde el aparato volador está realizado para emitir a la unidad emisora (110) una posición del aparato volador a través del tramo de transmisión de datos; en donde la unidad de emisión (110) puede ser orientada a la posición del aparato volador según ángulos de un sistema de GPS-INS; en donde la unidad de recepción presenta una retrorreflector (129), el cual está realizado para reflejar un rayo de posicionamiento (140) en dirección a la unidad emisora, con el fin de posibilitar con ello un seguimiento de la unidad emisora (110) en el receptor.

Description

DESCRIPCIÓN

Suministro inalámbrico de energía a distancia para aparatos voladores no tripulados

Campo de la invención

La invención se refiere a un dispositivo para el suministro inalámbrico de energía eléctrica a distancia de pequeños aparatos voladores no tripulados, en particular a distancias de hasta aproximadamente 10 km, partiendo de una estación terrestre estacionaria o móvil o de una estación en vuelo utilizando láseres de alta potencia. En particular, la invención se refiere a una unidad emisora para la transmisión inalámbrica de energía mediante un rayo láser reunido en haz, así como a un aparato volador con una unidad receptora para recibir el rayo láser reunido en haz emitido por la unidad emisora.

Antecedentes técnicos de la invención

Aviones pequeños propulsados eléctricamente, no tripulados, con pesos típicos de aprox. 10 kg o bien inferiores se emplean en el intervalo de altitud inferior de aproximadamente 5 km a 10 km de altitud de vuelo para la vigilancia y el reconocimiento. En el caso de emplear aviones pequeños de este tipo puede pretenderse, por ejemplo, maximizar el tiempo de empleo o bien el tiempo de vuelo y conferir a los aparatos voladores una velocidad y estabilidad que les permita maniobrar libremente en una gran parte del tiempo de vuelo o bien tiempo de servicio frente a vientos y turbulencias reinantes en la atmósfera y también en el caso de lluvia. Para ello, los aparatos voladores deben presentar una resistencia mecánica suficiente, una carga por unidad de ala suficientemente elevada y una potencia propulsora lo suficientemente elevada. Estos requisitos pueden conducir a que aumente el peso de los aparatos voladores, a saber, de manera que una energía obtenida a partir de fuentes de energía regenerativas a bordo del aparato volador no sea eventualmente suficiente como para propulsar de manera ininterrumpida, es decir, mantener en el aire a un aparato volador de este tipo a lo largo de un espacio de tiempo de, por ejemplo, varios días. La provisión de acumuladores de energía en forma de baterías puede oponerse, bajo determinadas circunstancias, a este objetivo, dado que cualquier tipo de acumulador de energía conlleva una magnitud determinada de peso propio, de modo que con ello podría aumentarse adicionalmente el peso total del aparato volador, lo cual puede aumentar de nuevo la demanda de energía.

En el documento DE 102011 010679 A1 se describe una estructura y un mando de un aparato volador no tripulado. En este caso, el suministro de energía de una propulsión del aparato volador tiene lugar mediante acumuladores de energía que se encuentran a bordo.

El documento US 5.260.639 describe un procedimiento y un sistema para transmitir energía a un vehículo lunar. En este caso, se proporcionan tres satélites en una órbita en torno a la luna, los cuales transmiten, desde una distancia entre aproximadamente 1.800 km y 3.100 km, energía mediante un rayo láser al vehículo lunar sobre la superficie de la luna.

El documento EP 1566902 A1 describe un dispositivo para el suministro con energía de una unidad móvil mediante un rayo láser. La unidad móvil presenta un reflector, el cual refleja de vuelta al emisor una parte de la energía del láser, de modo que a partir de la parte reflectada del rayo láser se pueden obtener informaciones con el fin de orientar el emisor a la unidad móvil.

El documento “Active Beam position stabilization of pulsed lasers for long-distance ion profile diagnostics at the Spallation Neutron Source (SNS)”, Robert A. Hardin et al. Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge Tennessee 37831 EE.UU., 2011, describe un rayo láser para la vigilancia de perfiles de haces iónicos. En este caso, se describe un sistema de estabilización de rayos láser con una plataforma especular piezopropulsada.

El documento US 2003/0206350 A1 describe un sistema para realizar una corrección de desviación de un rayo con energía electromagnética. El sistema presenta un elemento óptico apoyado para la recepción y corrección del rayo.

Sumario de la invención

Como misión de la invención puede considerarse aumentar el tiempo de servicio máximo de medios de transporte. La invención se refiere a un sistema para la transmisión inalámbrica de energía a distancia de acuerdo con las características de la reivindicación 1. Perfeccionamientos de la invención resultan de las reivindicaciones dependientes y de la siguiente descripción.

De acuerdo con un primer aspecto, se indica una unidad emisora para la transmisión inalámbrica de energía mediante un rayo láser reunido en haz, presentando la unidad emisora un haz de fibras láser con una pluralidad de fibras láser, en donde cada una de las fibras láser está realizada para irradiar un rayo láser, una óptica de posicionamiento para el ajuste de una orientación de radiación del rayo láser reunido en haz, una lente colimadora y una lente primaria. En este caso, la pluralidad de fibras láser está realizada para irradiar un rayo láser que atraviesa la óptica de posicionamiento, la lente colimadora y la lente primaria, de modo que se irradia de forma reunida en haz el rayo láser irradiado por la unidad emisora.

En una forma de realización, la unidad emisora puede estar realizada particularmente de modo que cada uno de los rayos láser atraviese la óptica de posicionamiento, la lente colimadora y la lente primaria, en este orden.

Mediante esta estructura de la unidad emisora y mediante esta disposición de la óptica de posicionamiento, la lente colimadora y la lente primaria se posibilita la provisión de un rayo láser reunido en haz, en donde el rayo láser reunido en haz irradia en una distancia de, por ejemplo, hasta 10 km, una superficie mínima de una unidad receptora o bien incide sobre una extensión mínima de esta superficie receptora. En otras palabras, por lo tanto, precisamente la estructura indicada de la unidad emisora posibilita que el rayo láser reunido en haz proporcionado por la unidad emisora posibilite una elevada densidad de energía por unidad de superficie irradiada, incluso a grandes distancias de varios kilómetros, por ejemplo 10 km.

En una forma de realización, el haz de fibras láser puede presentar, por ejemplo, siete fibras láser, siendo conducido los rayos láser de todas las fibras láser mediante una lente de campo común que está dispuesta en la proximidad de la apertura de las fibras láser y proyecta toda la luz que sale de las fibras láser sobre la lente primaria y, de esta forma, son reunidas mediante la lente de campo y la lente primaria para formar un rayo láser reunido en haz único, que es proyectado de manera nítidamente enfocado a gran distancia sobre el receptor del láser.

De acuerdo con una forma de realización, la unidad emisora presenta al menos una suspensión cardán basculable en torno a dos ejes ortogonales entre sí para el alojamiento de al menos un elemento del grupo de elementos ópticos consistente en el haz de fibras láser, la óptica de posicionamiento, la lente de campo y la lente primaria. Sobre el marco cardán puede estar dispuesta una unidad de estabilización de la línea visual consistente en un sistema GPS sustentado por un giroscopio lasérico y servopropulsores para los dos ejes cardán, que realiza la orientación correcta de la línea visual sobre el receptor a bajas frecuencias de movimiento inferiores a 10 Hz. La estabilización precisa de la línea visual frente a interferencias de alta frecuencia de hasta 100 Hz con una amplitud muy pequeña de mili- a micro-radianes se determina mediante una placa de vidrio gruesa basculable con piezopropulsión directamente delante de la óptica de nivelación del campo de imagen, la cual, mediante una cámara montada coaxialmente, que puede proporcionar hasta 500 imágenes por segundo y que persigue un retrorreflector en el receptor de láser y que mediante una unidad de control correspondiente reajusta la placa de vidrio de modo que la línea visual siempre está orientada exactamente sobre el retrorreflector con una precisión de al menos 50 microrradianes.

La suspensión cardán estabilizada y la estabilización precisa posibilitan un posicionamiento y una orientación precisos de la unidad emisora, así como del rayo láser reunido en haz que es necesario en virtud del amplio tramo de transmisión del rayo láser reunido en haz.

De acuerdo con una forma de realización adicional, la unidad emisora presenta una óptica de nivelación del campo de imagen, la cual está dispuesta entre la lente del campo y la óptica primaria y, mediante una corrección óptica mejor, posibilita una mancha focal más pequeña en el receptor y, con ello, un receptor más pequeño y más ligero. La óptica de nivelación del campo de imagen y de corrección posibilita la provisión de un rayo láser enfocado y reunido en haz homogéneo en el receptor con diámetro limitado en la difracción y reduce o elimina con ello pérdidas de energía al reducir las pérdidas por dispersión mediante rayos láser dispersados o desviados.

De acuerdo con otra forma de realización, la unidad emisora presenta una pluralidad de espejos de desviación y al menos un grupo de lentes para prolongar la distancia focal en la segunda trayectoria de los rayos, los cuales, en caso de necesidad, pueden ser girados hacia dentro en la trayectoria de los rayos, que están dispuestos con la óptica de nivelación del campo de imagen entre la lente del campo y la lente primaria de modo que la unidad emisora presenta, en caso necesario, una trayectoria plegada de los rayos con una distancia focal prolongada. Mediante el empleo de espejos de desviación y la provisión de una distancia focal prolongada puede alcanzarse y tenerse en cuenta una distancia de transmisión modificada para la energía a transmitir.

De acuerdo con una forma de realización adicional, la unidad emisora presenta una unidad de vigilancia, la cual está realizada para vigilar una zona de vigilancia que se encuentra delante de la unidad emisora en dirección a la orientación de irradiación del rayo láser reunido en haz, estando realizada la unidad de vigilancia para interrumpir la emisión del rayo láser reunido en haz mediante la unidad emisora cuando un objeto penetra en la zona de vigilancia. En el caso de la unidad de vigilancia se trata, por consiguiente, de un mecanismo o bien de un dispositivo que puede aumentar la seguridad de servicio de una unidad emisora, tal como se describe antes y en lo que sigue. En particular, la unidad de vigilancia puede estar realizada para detectar la penetración de aparatos voladores o, por ejemplo, aves en la zona de vigilancia.

De acuerdo con otra forma de realización, la unidad de vigilancia presenta una unidad de vigilancia de corto alcance y una unidad de vigilancia de amplio alcance.

La unidad de vigilancia de corto alcance y la unidad de vigilancia de amplio alcance se diferencian en este caso en la configuración de sus dispositivos de detección que en cada caso pueden estar adaptados a las distancias asignadas a los mismos.

De acuerdo con otro aspecto, se indica un medio de transporte con una unidad receptora para recibir un rayo láser reunido en haz, el cual fue transmitido por una unidad emisora tal como se describe arriba y en lo que sigue. La unidad receptora presenta una unidad de captación de la energía de radiación, la cual está realizada para recibir el rayo láser reunido en haz irradiado por la unidad emisora y transformarlo en energía eléctrica, estando prevista la energía eléctrica para el suministro de un accionamiento del medio de transporte con energía eléctrica.

Con ello, se le puede posibilitar al medio de transporte alcanzar un tiempo de funcionamiento o bien tiempo de servicio que no dependa de la presencia de energía almacenada a bordo, dado que la energía requerida para la propulsión se obtiene de la unidad receptora a partir del rayo láser reunido en haz irradiado mediante la unidad emisora.

De acuerdo con una forma de realización, la unidad de recepción presenta una retrorreflector, el cual está realizado para reflejar de vuelta una pequeña parte de la energía láser del emisor desde el receptor como rayo de posicionamiento en dirección a la unidad emisora, estando realizado el rayo de posicionamiento de modo que realice, con ayuda de la unidad de estabilización precisa, una orientación muy exacta de la unidad emisora en dirección a la unidad receptora, de modo que el rayo láser reunido en haz es irradiado a una superficie receptora predeterminada de la unidad receptora.

En otras palabras, el reflector sirve para una orientación o bien un seguimiento de la unidad emisora a lo largo de la línea de movimiento del medio de transporte, de modo que el rayo láser de alta potencia irradiado por la unidad emisora siempre incida sobre la superficie receptora de la unidad receptora. Para ello, la unidad emisora está realizada para irradiar una parte del rayo de alta potencia al retrorreflector incorporado en el centro del receptor, en donde mediante la reflexión del rayo de posicionamiento se posibilita mediante el reflector un seguimiento o bien una orientación de la unidad emisora sobre el receptor.

De acuerdo con una forma de realización adicional, la superficie receptora está suspendida de forma circular y cardánica para la recepción del rayo láser reunido en haz y, de esta forma, siempre puede ser orientada al emisor y presenta un diámetro de cómo máximo 0,5 m que puede ser seguido por un aparato volador pequeño todavía bien en una cubierta revestida de forma aerodinámica.

En una forma de realización, el diámetro de la superficie receptora puede ser de 0,5 m. En otra forma de realización, el diámetro es menor que 0,5 m.

Con ello, se posibilita la provisión de una unidad receptora de pequeñas dimensiones, de modo que la unidad receptora puede ser utilizada en relación con un medio de transporte de pequeñas dimensiones y, en particular, un avión pequeño. Precisamente el uso de una pequeña superficie receptora, por ejemplo de la dimensión dada, requiere una orientación muy exacta de la unidad receptora y de la unidad emisora, de modo que el rayo láser reunido en haz irradiado por la unidad emisora se enfoca primeramente con exactitud al receptor como una imagen real y, en segundo lugar, puede ser orientada con alta exactitud al dispositivo receptor.

De acuerdo con otra forma de realización, el medio de transporte presenta una carcasa transparente en forma de línea aerodinámica para el alojamiento de la unidad receptora, estando suspendida de forma cardánica la unidad receptora en la carcasa.

De manera análoga a la unidad emisora, la suspensión cardánica de la unidad receptora en la carcasa posibilita una buena estabilización y orientación de la unidad receptora para la recepción del rayo láser reunido en haz.

En el caso de la unidad receptora puede tratarse de un generador solar, estando éste dispuesto en una carcasa, la cual está dispuesta en forma de una cubierta protectora cerrada en forma de gota con un perfil laminar sobre su superficie externa y consistente en una película transparente.

Cuando el generador solar puede ser orientado siempre perpendicularmente a la línea visual, es decir, a la línea de unión entre la unidad emisora y la unidad receptora, pueden utilizarse células solares de tres capas con una óptica de concentrador que tienen un grado de acción dos veces tan elevado como células solares de una capa normales. De acuerdo con otra forma de realización, la carcasa puede ser solicitada para la estabilización con una sobrepresión en comparación con una presión atmosférica que reina fuera de la carcasa.

Esto posibilita que la carcasa conserve, en el caso de un grosor de pared muy bajo y un peso pequeño, una forma predeterminada, de modo que un rayo láser reunido en haz que atraviesa la pared de la carcasa no sea desviado de un modo imprevisible e indeseado.

De acuerdo con otra forma de realización, el medio de transporte presenta una batería recargable, la cual está realizada para ser cargada mediante la energía recibida por la unidad receptora, estando realizada la batería para proporcionar energía eléctrica para el suministro de la propulsión del medio de transporte cuando la energía proporcionada por la unidad receptora del láser rebase por debajo un valor predeterminado.

De acuerdo con una forma de realización adicional, el medio de transporte está dotado en su cara superior con células solares, las cuales, en el caso de una irradiación solar suficiente, pueden proporcionar una parte esencial de la energía de funcionamiento y pueden proporcionar a lo largo del día incluso además energía para el almacenamiento en las baterías. La realización con una propulsión híbrida mediante energía solar y energía láser desde el suelo con almacenamiento intermedio en las baterías proporciona un medio de transporte particularmente eficiente y flexible, utilizable prácticamente de manera ilimitada en el tiempo, el cual puede realizar con el componente de energía solar y la almacenamiento en las baterías también largas excursiones fuera del alcance del suministro de energía láser de hasta 100 km durante la noche y de hasta 300 km durante el día.

Con ello, la batería recargable puede utilizarse, en particular, para puentear intervalos de tiempo en los que una transmisión de energía mediante el rayo láser, por ejemplo en virtud del tiempo o en virtud de una separación de la línea visual óptica entre la unidad emisora y la unidad receptora es influenciada negativamente y tampoco está a disposición energía solar alguna.

De acuerdo con otra forma de realización, el medio de transporte esta realizado como aparato volador y, en particular, como aparato volador no tripulado.

De acuerdo con otro aspecto, se indica un sistema para la transmisión inalámbrica de energía a distancia mediante un láser de alta potencia, presentando el sistema una unidad emisora y una unidad receptora, en cada caso tal como se describe arriba y en lo que sigue.

En este caso, la unidad emisora puede estar asociada a un dispositivo estacionario, y la unidad receptora a un dispositivo móvil, siendo transmitida la energía del dispositivo estacionario al dispositivo móvil.

El sistema puede presentar una pluralidad de dispositivos estacionarios con en cada caso una o varias unidades emisoras, pudiendo estar realizado el dispositivo móvil para recibir energía en cada caso del dispositivo estacionario locamente situado más próximo. Si en el caso del dispositivo móvil se trata de un aparato volador no tripulado, entonces su ruta de vuelo puede ser predeterminada o, por ejemplo, realizada desde una estación terrestre. En este caso, el aparato volador no tripulado y todas las estaciones terrestres pueden estar unidos entre sí con tramos de transmisión de datos, por ejemplo para transmitir la posición y los datos de vuelo del aparato volador no tripulado. En otras palabras, la emisión orientada con alta exactitud de la energía mediante un rayo láser reunido en haz a través de una unidad emisora por medio de un telescopio reflector de amplia distancia focal con un dispositivo colimador y una asociación de varios láseres de diodo de alta potencia en cascada con desenclavamiento de la radiación láser en el colimador común mediante fibras conductoras de la luz en el plano de la imagen del telescopio reflector y mediante la representación del plano de la imagen de los extremos de las fibras láser sobre el generador solar receptor del aparato volador en, p. ej., una distancia de 5 a 10 km a la unidad emisora. El número de los láseres de diodos de alta potencia puede variar en función de la cantidad de energía requerida. En una forma de realización se proporcionan siete láseres de diodos de alta potencia en cascada junto con una potencia de la luz de 4,2 kilovatios, cuya radiación láser es desenclavada con fibras conductoras de la luz con un grosor de 200 micrómetros en el colimador.

Con el fin de posibilitar una orientación exacta de la unidad emisora a elevadas distancias, la línea visual de la lente primaria debe ser estabilizada de forma muy exacta, por ejemplo a 50 microrradianes. En el caso de la lente primaria puede tratarse, por ejemplo, de un telescopio reflector. La estabilización del telescopio reflector sucede en la primera etapa mediante el apoyo del montaje del telescopio reflector sobre una plataforma aislada a vibraciones y estabilizada en ángulo. El sistema de ejes del telescopio reflector hace bascular en la segunda etapa al telescopio reflector en torno a dos ejes según ángulos de un sistema de GPS-INS que está dispuesto sobre la plataforma y orienta la línea visual del telescopio al reflector en la unidad receptora, lo cual puede tener lugar, por ejemplo, con ayuda de un mecanismo de guía que persigue al reflector. Además, pequeñas interferencias de la línea visual de alta frecuencia que no son capaces de regular el sistema de ejes en virtud de la cadencia del telescopio reflector, pueden ser reguladas mediante una unidad de estabilización precisa en la trayectoria del rayo láser, de modo que la línea visual permanece orientada sobre el reflector con una precisión de 50 microrradianes.

El generador solar receptor de la unidad receptora está incorporado en un sistema de ejes estabilizado en ángulo y basculable en dos ejes, que puede orientar el generador solar a un grado con precisión sobre la unidad emisora. El generador solar puede estar constituido a base de un mosaico de células solares, por ejemplo con un diámetro de 0,5 m. El generador solar puede presentar también un diámetro mayor o un diámetro menor, pudiendo orientarse el diámetro o bien las dimensiones del generador solar a la demanda energética y a las dimensiones del aparato volador. Las células solares pueden ser células solares de InGaP-InGaAs-Ge de triple unión, con una lente colectora antepuesta como concentrador en un factor de, p. ej., 100 con refrigeración integrada de las células solares.

Los diodos láser pueden emitir, por ejemplo, en una longitud de onda de emisión de 0,976 micrómetros, y la longitud de onda de recepción de la capa de células solares de Ge puede estar ajustada justo allí de manera que también la célula solar de Ge tiene allí su máximo grado de aprovechamiento de cuánticos y un elevado grado de acción, de modo que todo el sistema alcanza, para la transmisión inalámbrica de energía mediante un rayo láser reunido en haz, un grado de acción global elevado. Además, en el caso de esta longitud de onda está presente una buena ventana atmosférica, la cual, en el caso de una distancia de transmisión de 5 km, presenta una transmisión de hasta 60%.

La carcasa para la unidad receptora puede estar realizada de modo que el generador solar receptor puede estar incorporado en una carcasa en forma de gota con un perfil laminar sobre su superficie externa, por ejemplo la carcasa consistente en la película MYLAR transparente que puede estar estabilizada mediante la presión interna y que puede estar incorporada en la cara inferior del aparato volador no tripulado. Con ello, la carcasa posibilita una visión completa sin impedimentos, es decir, una conexión visual óptica sin impedimentos de la unidad receptora a la unidad emisora.

La unidad emisora y la unidad receptora, tal como se describe arriba y en lo que sigue, posibilitan de una manera particularmente ventajosa suministrar a pequeños aparatos voladores no tripulados de, por ejemplo, 5 a 25 kg de peso a bajas altitudes de vuelo de 5 km a 10 km durante el día y durante la noche, de modo que la energía disponible para la propulsión del pequeño aparato volador no representa parámetro limitante alguno para el tiempo de vuelo o bien el tiempo de servicio del pequeño aparato volador.

La unidad emisora y la unidad receptora proporcionan suficiente energía como para tener reservas para mal tiempo y un funcionamiento de sensores de carga útil del aparato volador y poder cargar baterías recargables que se encuentran a bordo del aparato volador. Con ello, el aparato volador puede ser insensible frente a interferencias y asimismo puede volar durante un tiempo limitado asimismo en una zona de vuelo por fuera del alcance de la unidad emisora o bien en sectores sombreados. El suministro de energía del aparato volador se complementa durante el día, en el caso de una irradiación solar suficiente, mediante células solares sobre la cara superior del aparato volador. Con ello, el aparato volador puede moverse durante el día también muy por fuera del alcance del emisor de láser.

Mediante el uso de láseres de diodos de alta potencia en cascada acoplados con fibras con la unidad emisora descrita arriba y en lo que sigue, la energía de rayos láser puede ser reunida en haz en un rayo muy estrecho con, por ejemplo, un ángulo de apertura de 0,1 mili-radianes sobre un receptor con, por ejemplo, un diámetro de 0,5 m, por ejemplo en una distancia de 5 km y, mediante la disposición de un dispositivo de seguimiento, puede ser orientado con una óptica de corrección en la trayectoria de los rayos del telescopio y de un reflector por debajo del generador solar receptor de hasta 0,01 mili-radianes con exactitud al generador solar receptor. Con ello, puede utilizarse, por ejemplo, un generador solar receptor más pequeño y ligero y fácilmente incorporable para un avión pequeño no tripulado.

Mediante la orientación en ángulo recto o bien perpendicular del generador solar receptor rastreable al rayo láser reunido en haz puede maximizarse la potencia transmitida por el rayo láser reunido en haz.

En lo que sigue se describen ejemplos de realización de la invención con alusión a las figuras.

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 muestra una unidad transmisora de energía con una unidad emisora de acuerdo con un ejemplo de realización de la invención.

La Figura 2 muestra una unidad transmisora de energía con una unidad emisora de acuerdo con un ejemplo de realización adicional de la invención.

La Figura 3 muestra una unidad transmisora de energía con una unidad emisora de acuerdo con un ejemplo de realización adicional de la invención.

La Figura 4 muestra un aparato volador de acuerdo con un ejemplo de realización adicional de la invención.

Descripción detallada de ejemplos de realización

Las representaciones en las figuras son esquemáticas y no están dibujadas a escala. Si en la siguiente descripción de las figuras se utilizan los mismos símbolos de referencia, estos se refieren a elementos iguales o similares.

La Figura 1 muestra un dispositivo transmisor de energía 100 con una unidad emisora 110 y una unidad receptora 120. La unidad emisora presenta un haz de fibras láser 112, una óptica de posicionamiento 114, una lente colimadora 116 y una lente telescópica 118, estando suspendidos estos elementos de forma cardánica mediante la suspensión 111.

La óptica de posicionamiento 114, la lente colimadora 116 y la lente telescópica 118 pueden estar reunidas constructivamente en forma de un telescopio 113.

La unidad emisora 110 está realizada para irradiar un rayo láser 130 reunido en haz en dirección a la unidad receptora 120. Además, la unidad emisora está realizada para irradiar un rayo de posicionamiento 140 en dirección a la unidad receptora 120, siendo reflejado el rayo de posicionamiento en forma del rayo de respuesta 141 por la unidad receptora, y sirve para la orientación y el seguimiento de la unidad emisora en dirección a la unidad receptora.

La unidad receptora presenta una unidad de absorción de la energía de radiación 122 en forma de un generador solar, el cual dispone de una superficie receptora 123 sobre la cual incide el rayo láser 130 reunido en haz. El generador solar 122 está realizado para transformar en energía eléctrica el rayo láser reunido en haz que incide sobre la superficie receptora 123.

La unidad receptora presenta un reflector 129, el cual está realizado para reflejar el rayo de posicionamiento 140 en forma del rayo de respuesta 141 en dirección a la unidad emisora.

El generador solar 122 y el reflector 129 están suspendidos de forma cardánica mediante la suspensión 121.

La unidad receptora 120 está dispuesta en la carcasa 128. La carcasa 128 se compone preferiblemente de una película transparente que está solicitada con una presión interna.

La Figura 2 muestra un dispositivo transmisor de energía 100 con una unidad transmisora 110 y una unidad receptora 120 equiparable a la representación en la Figura 1. La unidad emisora 110 mostrada en la Figura 2 presenta una unidad de vigilancia de corto alcance 170 y una unidad de vigilancia de amplio alcance 180, que en cada caso están realizadas para vigilar una zona de vigilancia 175 o bien 185 que se encuentra en una zona de transmisión del rayo láser 130 reunido en haz entre la unidad emisora 110 y la unidad receptora 120. Tal como se desprende claramente de la Figura 2, las zonas de vigilancia 175 y 185 se entrecruzan de modo que todo el espacio que se encuentra entre la unidad emisora y la unidad receptora y que está previsto para la transmisión del rayo láser reunido en haz es detectado por al menos una de las unidades de vigilancia 170 y 180.

La Figura 3 muestra un dispositivo de transmisión de energía 100 con una unidad emisora 110 y una unidad receptora 120. La unidad emisora 110 presenta un haz de fibras láser 112, una óptica de posicionamiento 114, una lente colimadora 116, una lente telescópica 118 y un espejo primario 119. Entre la lente colimadora y la óptica de posicionamiento está dispuesta una óptica del campo plano 150A, 150B. En este caso, las ópticas de campo plano 150A, 150B representan ajustes de distancia focal alternativos de la óptica de la unidad emisora. Si se requiere una distancia focal mayor, entonces en la óptica de la unidad emisora 110 se colocan espejos de desviación 155A, 155B, 155C, 155D, desviando los espejos de desviación los rayos láser del haz de fibras láser 112 a través de la óptica del campo plano 150B.

La lente colimadora o bien la óptica de colimación sirve para la representación de las fibras láser sobre el espejo primario y la óptica del campo plano puede impedir que se forme una mancha focal en el rayo láser.

La lente colimadora puede presentar, por ejemplo, una distancia focal de 24 mm y un diámetro de 5 a 8 mm, en particular de 6,8 mm. La lente primaria puede presentar, en un ejemplo de realización, un diámetro de 305 mm y una distancia focal de 6 m (para una distancia de 5 km entre la unidad receptora y la unidad emisora) y de 12 m (para una distancia de 10 km entre la unidad receptora y la unidad emisora). En el caso de la óptica de posicionamiento se trata de un dispositivo para la irradiación y orientación de rayos ópticos y, en particular, rayos láser.

La Figura 4 muestra un aparato volador 300 que es propulsado por dos propulsores 305. En el caso del aparato volador puede tratarse, en particular, de un aparato volador pequeño no tripulado para fines de reconocimiento. Para el suministro de energía de las unidades propulsoras 305, el aparato volador 300 presenta una unidad receptora 120 tal como se describe arriba y en lo que sigue, una batería 310 recargable y tres células solares 320A, 320B y 320C. La unidad receptora 120 está realizada para recibir energía de la unidad emisora 110 mediante un rayo láser reunido en haz, estando dispuesta la unidad emisora 110 en una estación terrestre 350.

El aparato volador 300 combina, con ello, varias fuentes de suministro de energía en forma de una unidad receptora tal como se describe arriba y en lo que sigue, una batería recargable que se encuentra a bordo y células solares, en donde tanto la unidad receptora como las células solares pueden estar realizadas para aportar energía a la batería recargable, de modo que el aparato volador puede ser propulsado en el caso de una avería o de una perturbación del suministro de energía a través de la unidad receptora o a través de las células solares mediante la energía procedente de la batería recargable.

Junto al funcionamiento de las unidades propulsoras 305, la unidad receptora, la batería recargable y las células solares pueden proporcionar energía para una electrónica que se encuentra a bordo del aparato volador.

El aparato volador puede ser un avión pequeño no tripulado con una envergadura de las alas de 3 a 6 m y, en particular, de 4,5 m, una superficie de las alas de aprox. 1,0 m2 y un peso de 8 kg, lo cual corresponde a una carga por unidad de superficie de 8 kg por m2. El aparato volador puede estar realizado para ser propulsado a una velocidad de vuelo entre 40 y 70 km/h y, en particular, de 60 km/h. Para la propulsión del aparato volador pueden requerirse con ello, en un ejemplo de realización, hasta 200 vatios de energía eléctrica, estando realizada la unidad emisora para la emisión o bien estando realizada la unidad receptora para la recepción de un rayo láser, el cual irradia al generador solar para generar esta energía eléctrica requerida.

En otro ejemplo de realización, el generador solar de la unidad receptora puede estar realizado para recibir hasta 2100 vatios de potencia óptica y proporcionar, de manera correspondiente al grado de acción, hasta 580 vatios de potencia eléctrica. Estos datos de potencia pueden referirse a una distancia de aprox. 5 km entre la unidad transmisora y la unidad receptora, de modo que para el aparato volador se posibilite un radio de operación o bien de vuelo mayor.

Lista de símbolos de referencia

100 dispositivo transmisor de energía

110 unidad emisora

111 suspensión

112 haz de fibras láser

113 telescopio

114 óptica de posicionamiento

116 lente de campo

118 lente telescópica

119 espejo primario

120 unidad receptora

121 suspensión

122 unidad de absorción de energía de radiación

123 superficie receptora

128 carcasa

129 retrorreflector

130 rayo láser

140 rayo de posicionamiento

141 rayo de respuesta

150A óptica de nivelación del campo de imagen y de corrección

150B óptica de nivelación del campo de imagen y de corrección

155A espejo de desviación

155B espejo de desviación

155C espejo de desviación

155D espejo de desviación

170 unidad de vigilancia de corto alcance

175 zona de vigilancia

180 unidad de vigilancia de amplio alcance

185 zona de vigilancia

300 aparato volador

305 propulsión

batería

A célula solar B célula solar C célula solar estación terrestre

Claims

REIVINDICACIONES

1. Sistema para la transmisión inalámbrica de energía a distancia, que presenta una unidad emisora (110) y un aparato volador,

en donde la unidad emisora presenta:

un haz de fibras láser (112) con una pluralidad de fibras láser, en donde cada una de las fibras láser está realizada para irradiar un rayo láser;

una óptica de posicionamiento (114) para el ajuste de una orientación de radiación del rayo láser reunido en haz; una lente de campo (116);

una lente primaria (118),

en donde la pluralidad de fibras láser está realizada para irradiar en cada caso un rayo láser que atraviesa la óptica de posicionamiento, la lente de campo y la lente primaria, de modo que se irradia de forma reunida en haz el rayo láser irradiado por la unidad emisora;

en donde la unidad emisora presenta, además:

una óptica de nivelación del campo de imagen y de corrección (150A, 150B), la cual está dispuesta entre la lente de campo y la óptica de posicionamiento;

en donde el aparato volador (300) presenta una unidad receptora (120), la cual está realizada para recibir el rayo láser reunido en haz que fue emitido por la unidad emisora;

en donde la unidad receptora presenta una unidad de absorción de la energía de radiación (122), la cual está realizada para absorber el rayo láser reunido en haz irradiado por la unidad emisora y transformarlo en energía eléctrica;

en donde la energía eléctrica está prevista para el suministro con energía eléctrica de una propulsión del aparato volador;

en donde la unidad emisora (110) y el aparato volador está unidos entre sí a través de un tramo de transmisión de datos;

en donde el aparato volador está realizado para emitir a la unidad emisora (110) una posición del aparato volador a través del tramo de transmisión de datos;

en donde la unidad de emisión (110) puede ser orientada a la posición del aparato volador según ángulos de un sistema de GPS-INS;

en donde la unidad de recepción presenta una retrorreflector (129), el cual está realizado para reflejar un rayo de posicionamiento (140) en dirección a la unidad emisora, con el fin de posibilitar con ello un seguimiento de la unidad emisora (110) en el receptor.

2. Sistema según la reivindicación 1,

en donde la superficie receptora es circular y presenta un diámetro de 0,5 m.

3. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 2,

que presenta una carcasa (128) transparente para el alojamiento de la unidad receptora,

en donde la unidad receptora está suspendida de forma cardánica en la carcasa.

4. Sistema según la reivindicación 3,

en donde la carcasa transparente puede ser solicitada para la estabilización con una sobrepresión en comparación con una presión atmosférica que reina fuera de la carcasa.

5. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 4,

en donde el aparato volador presenta una batería (310) recargable, la cual está realizada para ser cargada mediante la energía recibida por la unidad receptora;

en donde la batería está realizada para proporcionar energía eléctrica para el suministro de la propulsión del aparato volador cuando la energía proporcionada por la unidad receptora rebase por debajo un valor predeterminado.

6. Sistema según una de las reivindicaciones 1 a 5,

que presenta, además, un generador solar en la cara superior (320A, 320B, 320C), el cual está realizado para generar, mediante la energía recibida de la radiación solar, electricidad para el funcionamiento y el almacenamiento en la batería.