RU2115239C1

RU2115239C1 - Method for electric power transmission at high frequency

Info

Publication number: RU2115239C1
Application number: RU95113310/09A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Архипов
Original assignee: Кооператив "Прометей"; Архипов Александр Николаевич
Priority date: 1995-08-01
Filing date: 1995-08-01
Publication date: 1998-07-10

Abstract

FIELD: wireless power transmission for various power supply and communication systems. SUBSTANCE: power is transmitted by means of transmitter 1, receiver 2, coupling capacitors 3 and 4. Important component of transmitter is oscillatory system 5 whose energy is conveyed to spherical feeder line one of whose conductors is entire surface of the globe 6 and other one is highly ionized layer of atmosphere 7. Coupling capacitors 3 and 4 are physically designed as spherical feeds; use may be also made of other three-dimensional bodies with developed surfaces, such as disks, icosahedrons, dodecahedrons, and the like. EFFECT: eliminated power loss and dependence on weather conditions, reduced noise, provision for wireless transmission of electric energy to any moving object within terrestrial atmosphere, simplified design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к техническим средствам для передачи электроэнергии без проводов и может быть использовано в различных системах электроснабжения и связи. The invention relates to means for transmitting electricity without wires and can be used in various power supply and communication systems.

Для оценки новизны и изобретательского уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения. To assess the novelty and inventive step of the claimed solution, we consider a number of well-known technical means of a similar purpose.

Известен способ передачи электромагнитной энергии в целях радиосвязи при помощи катушечной антенны, согласно которому тороидальную катушку располагают в непосредственной близости от поверхности земли параллельно последней, чтобы за счет наведенных при этом в земле радиальных токов усилить излучающее действие тороидальной катушки как эквивалента вертикального вибратора (см. авт. св. N 68890, H 01 G 1/36). A known method of transmitting electromagnetic energy for radio communication using a coil antenna, according to which a toroidal coil is placed in close proximity to the earth’s surface parallel to the latter, so that due to the radial currents induced in the earth, enhance the radiating effect of the toroidal coil as an equivalent to a vertical vibrator (see. St. N 68890, H 01 G 1/36).

Данный аналог не в состоянии решить поставленную нами задачу, так как передача электроэнергии в нем происходит посредством электромагнитной волны, распространяющейся в свободном пространстве, в природном волноводном канале либо (и в основном) над поверхностью одного естественного проводника, что в любом случае позволяет в точке приема выделить ничтожную часть от всей излучаемой мощности. This analogue is not able to solve our task, since the transmission of electricity in it occurs through an electromagnetic wave propagating in free space, in a natural waveguide channel or (and mainly) above the surface of one natural conductor, which in any case allows at the receiving point Allocate a negligible part of all radiated power.

Известен способ передачи электроэнергии на высокой частоте, включающий генерирование высокочастотных колебаний и передачу их через согласующие устройства по линии электропередачи к приемнику, использующий для удешевления системы индуктивную связь, средства для реализации которой включают стационарные приемник и передатчик, несколько передвижных приемопередатчиков, линии приема и передачи, в разрывы которых включены усилительные узлы, каждый из которых содержит согласующие блоки и усилители [1]. A known method of transmitting electricity at a high frequency, including generating high-frequency oscillations and transmitting them through matching devices over a power line to a receiver, uses inductive communication to reduce the cost of the system, the means for implementing which include a stationary receiver and transmitter, several mobile transceivers, transmission and reception lines, in the gaps of which amplification nodes are included, each of which contains matching blocks and amplifiers [1].

В данном случае предложено схемное решение, позволяющее осуществить беспроводную передачу электроэнергии в основном в целях связи с подвижными объектами, внутри шахты и вдоль проводной линии. In this case, a circuit solution is proposed that allows for the wireless transmission of electricity mainly for communication with mobile objects, inside the mine and along the wire line.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения. By the greatest number of similar features and achieved by using the result, this technical solution is selected as a prototype of the claimed invention.

Недостатками прототипа, не позволяющими достичь поставленной нами цели, является то, что проблема надежности такой передачи на значительные расстояния в данном способе не решена, так как радиосвязь осуществляется в непосредственной близости от антенны, отчего потери в пространстве невелики, но велики потери в линии связи - телефонном кабеле, проложенном по длине шахты, что требует наличия вдоль линии усилителей и т.п. The disadvantages of the prototype, which does not allow us to achieve our goal, is that the reliability problem of such transmission over considerable distances is not solved in this method, since radio communication is carried out in the immediate vicinity of the antenna, which is why the loss in space is small, but the losses in the communication line are large - a telephone cable laid along the length of the shaft, which requires amplifiers along the line, etc.

Задачей изобретения является обеспечение возможности надежной передачи электроэнергии без потерь независимо от расстояния и без искусственных проводников. The objective of the invention is to enable reliable transmission of electricity without loss, regardless of distance and without artificial conductors.

Сущность заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата. The essence of the claimed invention is expressed in the following set of essential features, sufficient to achieve the above technical result.

Согласно изобретению, в способе передачи электроэнергии на высокой частоте, включающем генерирование высокочастотных колебаний и передачу их через согласующие устройства в линию электропередачи и в приемник, в качестве линии электропередачи используют сферическую фидерную линию, центральным проводником которой является вся поверхность земного шара, а наружным проводником - атмосферный слой с повышенной электронной концентрацией, при этом согласующие устройства снабжены конденсаторами связи, выполненными в виде установленных над поверхностью земли облучателей с развитой поверхностью, например сферической. According to the invention, in a method for transmitting electricity at a high frequency, including generating high-frequency oscillations and transmitting them through matching devices to a power line and a receiver, a spherical feeder line is used as the power line, the central conductor of which is the entire surface of the globe, and the outer conductor is atmospheric layer with increased electronic concentration, while matching devices are equipped with coupling capacitors made in the form of installed above Land surface irradiator with a developed surface, for example spherical.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны. This is the totality of essential features that provides a technical result in all cases to which the requested amount of legal protection applies.

Заявленное техническое решение является новым, так как характеризуется наличием новой совокупности признаков, отсутствующей во всех известных нам объектах техники аналогичного назначения. The claimed technical solution is new, as it is characterized by the presence of a new set of features that is absent in all objects of equipment of a similar purpose known to us.

Непосредственный технический результат, который может быть получен при реализации заявленной совокупности признаков, заключается в том, что при соответствующей настройке электроэнергия приходит к получателю по объективно существующей сферической фидерной линии независимо ни от каких внешних факторов и практически без потерь. The immediate technical result that can be obtained by implementing the claimed combination of features is that, with the appropriate settings, the electric power arrives at the recipient through an objectively existing spherical feeder line, regardless of any external factors and with virtually no loss.

Данный технический результат не является следствием известных свойств, проявляемых рядом порознь известных из других объектов техники признаков, таких как согласующие устройства, конденсаторы связи, а является свойством только всей заявленной в первом пункте формулы совокупности признаков, в т. ч. таких полностью новых признаков, как использование облучателей для настройки и включения в работу сферической фидерной линии. This technical result is not a consequence of the known properties, manifested separately by a number of signs well-known from other objects of technology, such as matching devices, coupling capacitors, but is a property of only the totality of characteristics declared in the first paragraph of the formula, including such completely new signs, how to use irradiators to set up and turn on a spherical feeder line.

Получение упомянутого технического результата обеспечивает появление у объекта изобретения в целом ряде новых полезных свойств, а именно обеспечивается возможность доставки электроэнергии без проводов в любые точки земного шара без потерь и помех существующими средствами радиосвязи. The receipt of the aforementioned technical result provides the appearance of an object of the invention in a number of new useful properties, namely, it is possible to deliver electric power without wires to any point of the globe without loss and interference with existing radio communications.

Указанное позволяет признать заявленное техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень". Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен график зависимости степени ионизации атмосферы от высоты, на фиг. 2 - схематическое изображение сферической фидерной линии и один из возможных способов ее подключения к приемнику и передатчику через конденсатор связи. This allows you to recognize the claimed technical solution meets the criterion of "inventive step". The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 is a graph of atmospheric ionization degree versus altitude; FIG. 2 is a schematic illustration of a spherical feeder line and one of the possible ways to connect it to the receiver and transmitter through a coupling capacitor.

Электропередача осуществляется с помощью передатчика 1, приемника 2, конденсаторов связи 3 и 4. Обязательным элементом передатчика является колебательная система 5, энергия из которой передается в сферическую фидерную линию, одним проводником которой является вся поверхность земного шара 6, а другим - слой атмосферы 7 с повышенной степенью ионизации. Power transmission is carried out using a transmitter 1, receiver 2, coupling capacitors 3 and 4. A mandatory element of the transmitter is an oscillatory system 5, the energy from which is transmitted to a spherical feeder line, one conductor of which is the entire surface of the globe 6, and the other is the atmosphere layer 7 s increased degree of ionization.

Конденсаторы связи 3 и 4 конструктивно выполнены в виде шаровых облучателей, но возможно использование и других объемных тел с развитыми поверхностями, например диск, икосаэдр, додекаэдр и др. Coupling capacitors 3 and 4 are structurally made in the form of spherical irradiators, but other volumetric bodies with developed surfaces can also be used, for example, a disk, an icosahedron, a dodecahedron, etc.

Способ реализуют следующим образом. Облучатели 3 и 4 поднимают над поверхностью земли на расстояние большее, чем радиус шара, так как на такой высоте соблюдается равенство емкостей: собственная емкость шара, емкость "шар-земля" и емкость "шар - слой атмосферы 7" практически равны и не зависят от расстояния до наружного проводника. Это свойство шара позволяет реализовать связь со сферической линией (подключение к линии), а, следовательно, и передачу энергии по сферической фидерной линии. The method is implemented as follows. Irradiators 3 and 4 lift above the earth’s surface a distance greater than the radius of the ball, since at this height the equality of capacities is observed: the ball’s own capacitance, the ball-earth capacity and the ball-atmosphere-7 capacity are practically equal and independent of distance to the outer conductor. This property of the ball allows one to realize a connection with a spherical line (connection to the line), and, consequently, energy transfer along a spherical feeder line.

Емкость шара постоянна, а поэтому она не может быть использована для согласования сопротивлений, как это часто делается в обычных радиопередатчиках. Для этого может быть использована индуктивная связь с промежуточным контуром. Емкость шара в этом случае является также емкостью контура. Ввиду крайне малого волнового сопротивления сферической фидерной линии связь между контурами будет очень слабой (для наиболее полной передачи колебательной мощности передатчика), а т.к. линия из двух сферических поверхностей размером с планету не поддается точному расчету, то в реальном передатчике должна быть предусмотрена подстройка связи при смене частоты. Такие регулировки в аппаратуре связи - обычное дело. Приемник 2 соединен со сферической фидерной линией связи также посредством облучателя 4 в виде шара. Нагрузка подключается непосредственно к контуру. Коэффициент связи с нагрузкой зависит, как обычно, от данных контура, величины сопротивления нагрузки и линии. The capacity of the ball is constant, and therefore it cannot be used to match the resistances, as is often done in conventional radio transmitters. An inductive coupling with an intermediate circuit can be used for this. The capacity of the ball in this case is also the capacity of the circuit. Due to the extremely small wave impedance of the spherical feeder line, the connection between the circuits will be very weak (for the most complete transmission of the vibrational power of the transmitter), since Since a line of two spherical surfaces the size of a planet cannot be accurately calculated, then in a real transmitter, communication adjustment should be provided when changing the frequency. Such adjustments in communication equipment are commonplace. The receiver 2 is connected to the spherical feeder communication line also through the irradiator 4 in the form of a ball. The load is connected directly to the circuit. The coupling coefficient with the load depends, as usual, on the circuit data, the load resistance and the line.

Сферическая фидерная линия связи обладает уникальным свойством ее волновое сопротивление составляет доли ома, с учетом того, что шар, обладая емкостью, практически не является индуктивностью. Такая линия будет передавать энергию практически без потерь. Лучшим случаем будет такой, при котором без нагрузки устанавливается чистая стоячая волна, а с подключенным потребителем - чистая бегущая волна. Это достигается выбором частоты - на всей длине линии должно уложиться целое число полуволн. A spherical feeder communication line has a unique property: its wave impedance is a fraction of an ohm, given the fact that a ball, having a capacity, is practically not an inductance. Such a line will transmit energy with virtually no loss. The best case is one in which a pure standing wave is established without load, and a pure traveling wave with a connected consumer. This is achieved by the choice of frequency - an integer number of half-waves should fit along the entire length of the line.

На практике качество линии будет зависеть от волнового сопротивления, омических потерь, паразитного излучения и потерь в диэлектрике, но это помешает ей выполнять свою функцию передачи энергии, т.к. хотя ее проводники обладают сравнительно большим удельным сопротивлением, воздух является лучшим диэлектриком, отношение диаметров проводников приближается к единице, а сферическая форма линии определяет безындукционность линии и волновое сопротивление в доли ома. Неоднородность слоев атмосферы для сферической фидерной линии также не имеет практического значения, т.к., во-первых, между облучателем и проводником отсутствует магнитная составляющая, а емкость "шар - слой" не меняется с изменением расстояния до слоя, а во-вторых, связь с использованием этих проводников как волновода - реальность, а требования к поверхности и форме фидерной линии не столь жестки, как для волновода. In practice, the quality of the line will depend on the wave resistance, ohmic losses, spurious radiation and losses in the dielectric, but this will prevent it from fulfilling its function of energy transfer, since although its conductors have a relatively high resistivity, air is the best dielectric, the ratio of the diameters of the conductors approaches unity, and the spherical shape of the line determines the inductance of the line and the wave resistance in a fraction of ohms. The inhomogeneity of atmospheric layers for a spherical feeder line also has no practical value, because, firstly, there is no magnetic component between the irradiator and the conductor, and the “ball-layer” capacitance does not change with the distance to the layer, and secondly, the connection with the use of these conductors as a waveguide is a reality, and the requirements for the surface and the shape of the feeder line are not as stringent as for a waveguide.

Проводимость воздуха увеличивается с высотой и на высоте 6 км поле практически отсутствует, тогда как на высоте 3 км наблюдается наибольшая кривизна этой гиперболической зависимости. Это значит, что при относительно низких частотах условия эффективности облучателя и условия эффективности сферической фидерной линии наименее противоречивы именно в низших слоях атмосферы. При увеличении частоты удельная проводимость слоя будет играть большую роль, так что на практике возможны две линии - ионосферная и "нижняя", выбор которых происходит автоматически, т.к. емкость шара не зависит от высоты. На промежуточных частотах возможны две настройки: при уменьшении связи шар перестает работать как короткий штырь с емкостью на конце и становится емкостью связи сначала с ионосферной, а затем с "нижней" линией, т.к. "нижней" линии меньше, чем у ионосферной. Расчеты контуров связи, омических потерь в линии входных сопротивлений и сопротивлений связи ничем не отличаются от обычных в технике связи расчетов. Air conductivity increases with height and at a height of 6 km the field is practically absent, while at a height of 3 km the greatest curvature of this hyperbolic dependence is observed. This means that at relatively low frequencies, the conditions for the irradiator efficiency and the conditions for the efficiency of the spherical feeder line are the least contradictory in the lower layers of the atmosphere. As the frequency increases, the conductivity of the layer will play a large role, so in practice two lines are possible - the ionospheric and the lower, which are selected automatically, because ball capacity does not depend on height. At intermediate frequencies, two settings are possible: when the connection decreases, the ball ceases to work like a short pin with a capacitance at the end and becomes the communication capacitance, first with the ionosphere, and then with the "bottom" line, because the "bottom" line is less than that of the ionosphere. Calculations of communication loops, ohmic losses in the line of input resistances and communication resistances are no different from the usual calculations in communication technology.

Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает следующие преимущества. Using the claimed solution in comparison with all known means of a similar purpose provides the following advantages.

1. В линии практически отсутствуют потери, при этом КПД передачи не зависит от времени года, суток, метеоусловий, расстояния. 1. There are practically no losses in the line, while the transmission efficiency does not depend on the time of the year, day, weather conditions, or distance.

2. Не создается помех средствам обычной радиосвязи. 2. No interference to conventional radio communications.

3. Соблюдаются санитарные нормы на облучение при мощностях до сотен тысяч мегаватт в одной точке, т.к. энергия распределяется в линии очень больших размеров. 3. Sanitary standards for radiation are observed at capacities of up to hundreds of thousands of megawatts at one point, because energy is distributed in lines of very large sizes.

4. Обеспечивается возможность передачи энергии без проводов на любой движущийся объект в пределах земной атмосферы и земных расстояний. 4. It is possible to transfer energy without wires to any moving object within the Earth’s atmosphere and Earth distances.

5. Упрощается аппаратура, отпадает необходимость в использовании сверхмощных передатчиков, химикатов и т.п. 5. The equipment is simplified, there is no need to use heavy-duty transmitters, chemicals, etc.

Claims

A method of transmitting electricity at a high frequency, including generating high-frequency oscillations and transmitting them through matching devices to a power line and a receiver, characterized in that a spherical feeder line is used as the power line, the central conductor of which is the entire surface of the globe, and the outer conductor is atmospheric layer with increased electron concentration, while matching devices are equipped with coupling capacitors, made in the form of installed above ited earth irradiators with a developed surface, for example spherical.