RU2713208C1 - Apparatus and method of transmitting electrical power - Google Patents

Apparatus and method of transmitting electrical power Download PDF

Info

Publication number
RU2713208C1
RU2713208C1 RU2019119270A RU2019119270A RU2713208C1 RU 2713208 C1 RU2713208 C1 RU 2713208C1 RU 2019119270 A RU2019119270 A RU 2019119270A RU 2019119270 A RU2019119270 A RU 2019119270A RU 2713208 C1 RU2713208 C1 RU 2713208C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
photodetector
monochromatic radiation
radiation
cylindrical
conical reflector
Prior art date
Application number
RU2019119270A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Семенович Стребков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
Priority to RU2019119270A priority Critical patent/RU2713208C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2713208C1 publication Critical patent/RU2713208C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/30—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using light, e.g. lasers

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, in particular to the electric energy transmission device and method. In the electric power transmission device, the photodetector is in form of a cylinder on the base of which on the side opposite to the input of monochromatic radiation there is a cone reflector, base diameter of which is equal to the diameter of the cylindrical photodetector, the vertex of which is located on the axis of the cylindrical photodetector on the side of the monochromatic radiation input, plane of diode n-p-p(p-n-n) of structures and contacts are perpendicular to surface of cylindrical photodetector and are parallel to symmetry axis of conical reflector, and height of cylindrical photodetector and diameter of conical reflector base are related by ratio h = D/2(ctgα-ctg2α), where h is height of cylindrical photodetector; D is diameter of conical reflector base; 2α is angle at conical reflector vertex; α is angle between generatrix and axis of conical reflector. Technical result is achieved by the fact that in method of electric power transmission monochromatic radiation with average flow density of 1.0–10 W/cmdirected to conical reflector, conical reflector is oriented with the apex of the cone oppositely along the flow axis of monochromatic radiation, reflecting axisymmetric monochromatic radiation at angle of 80–100° to the direction of monochromatic radiation on the cylindrical photodetector, monochromatic radiation is directed parallel to the contact plane and n-p-p(p-n-n) of diode structures of switched photoconverters of cylindrical photodetector and converting energy of monochromatic radiation into electric energy.EFFECT: technical result consists in providing the same illumination of all photoconverters and reduction of internal resistance and switching losses in the photodetector of laser radiation.2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройству и способу передачи электрической энергии. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular, to a device and method for transmitting electrical energy.

Известен способ передачи электрической энергии, отличающееся тем, что между источником и приемником электрической энергии формируют проводящий канал методом фотоионизации и ударной ионизации с помощью генератора излучения, например, на основе оптического лазера, указанный проводящий канал электрически изолируют то генератора излучения с помощью прозрачного для излучения электроизоляционного экрана, соединяют проводящий канал с источником электрической энергии через высоковольтный высокочастотный трансформатор Тесла и с приемником электрической энергии через понижающий высокочастотный трансформатор Тесла или диодно-конденсаторный блок, увеличивают электрическую проводимость канала путем формирования поверхностного заряда и увеличения напряженности электрического поля и осуществляют под действием кулоновских сил перемещение электрических зарядов вдоль проводящего канала.A known method of transmitting electrical energy, characterized in that between the source and the receiver of electrical energy form a conductive channel by photoionization and impact ionization using a radiation generator, for example, based on an optical laser, said conductive channel electrically isolate the radiation generator using an electrically insulating transparent radiation screen, connect the conductive channel to a source of electrical energy through a high-voltage high-frequency transformer Tesla and with the receiver ohm of electric energy through a Tesla step-down high-frequency transformer or a diode-capacitor block, increase the channel electrical conductivity by forming a surface charge and increasing the electric field strength and carry out the movement of electric charges along the conducting channel under the influence of Coulomb forces.

Устройство, реализующее данный способ передачи электрической энергии, содержит генератор излучения, например, на основе оптического или рентгеновского лазера, для формирования проводящего канала между источником и приемником электрической энергии, и установленный соосно генератору излучения формирователь проводящего канала и электроизолирующий экран, прозрачный для излучения генератора, размещенный между формирователем проводящего канала и генератором излучения, источник электрической энергии соединен с формирователем проводящего канала через высоковольтный высокочастотный трансформатор Тесла, с противоположной стороны проводящего канала установлен приемник проводящего канала, изолированный от корпуса приемника электрической энергии, указанный приемник электрической энергии соединен с приемником проводящего канала через понижающий высокочастотный трансформатор Тесла или диодно-конденсаторный блок. (Пат. РФ № 2143775, опубл. 27.12.1999. Заявка № 991054 от 25.03.1999)A device that implements this method of transmitting electrical energy comprises a radiation generator, for example, based on an optical or X-ray laser, for forming a conductive channel between the source and the receiver of electrical energy, and a conductive channel former and an electrically insulating screen transparent to the radiation of the generator installed coaxially with the radiation generator, located between the shaper of the conductive channel and the radiation generator, the source of electrical energy is connected to the shaper by conducting Channel through high voltage high frequency transformer Tesla, on the opposite side of the conductive channel of the conducting channel receiver installed insulated from the housing of the receiver of electrical energy said electric power receiver connected to a receiver of the conducting channel through a step-down high frequency transformer Tesla or diode-capacitor unit. (Pat. RF № 2143775, publ. 12/27/1999. Application No. 991054 of 03/25/1999)

Недостатком известного способа и устройства является невозможность его использование за пределами атмосферы Земли для передачи электрической энергии на космические аппараты.A disadvantage of the known method and device is the impossibility of using it outside the Earth’s atmosphere to transmit electrical energy to spacecraft.

Известен способ и устройство для передачи электрической энергии с использованием лазера и преобразователя лазерного излучения в электрическую с помощью фотопреобразователей. (Беспроводная передача электричества. https://ru.wikipedia.org/w/index.php)A known method and device for transmitting electrical energy using a laser and a laser to laser converter into electrical radiation using photoconverters. (Wireless transmission of electricity. Https://ru.wikipedia.org/w/index.php)

Недостатком известного способа и устройства является небольшая мощность 500 Вт и малое расстояние 1 км передачи электрической энергии.The disadvantage of this method and device is the small power of 500 W and a small distance of 1 km of transmission of electrical energy.

Другим недостатком является низкий КПД передачи электроэнергии 10% из-за неравномерного распределения энергии в пучке лазера и коммутационных потерь при неравномерном освещении фотоприёмника излучения.Another disadvantage is the low power transmission efficiency of 10% due to the uneven distribution of energy in the laser beam and switching losses with uneven illumination of the radiation photodetector.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства и способа передачи электрической энергии большой мощности и с высоким КПД.The objective of the invention is to provide a device and method for transmitting electrical energy of high power and high efficiency.

Технический результат заключается в обеспечении одинаковой освещённости всех фотопреобразователей и в снижении внутреннего сопротивления и коммутационных потерь в фотоприёмнике лазерного излучения.The technical result consists in ensuring the same illumination of all photoconverters and in reducing the internal resistance and switching losses in the laser photodetector.

В результате передаваемая электрическая мощность увеличивается до 10-100 кВт при КПД до 40% для фотоприёмников из кремния.As a result, the transmitted electric power increases to 10-100 kW with an efficiency of up to 40% for silicon photodetectors.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для передачи электрической энергии, содержащем генератор монохроматического излучения и фотоприёмник на основе скоммутированных фотопреобразователей с диодными n+-p-p+ (p+-n-n+) структурами и контактами, согласно изобретению, фотоприёмник выполнен в виде цилиндра, на основании которого со стороны, противоположной входу монохроматического излучения, установлен конусный отражатель, диаметр основания которого равен диаметру цилиндрического фотоприёмника, вершина которого расположена на оси цилиндрического фотоприёмника со стороны входа монохроматического излучения, плоскости диодных n+-p-p+ (p+-n-n+) структур и контактов перпендикулярны поверхности цилиндрического фотоприёмника и параллельны оси симметрии конусного отражателя, а высота цилиндрического фотоприёмника и диаметр основания конусного отражателя связаны соотношениемThe technical result is achieved by the fact that in the device for transmitting electric energy containing a monochromatic radiation generator and a photodetector based on commutated photoconverters with diode n + -pp + (p + -nn + ) structures and contacts, according to the invention, the photodetector is made in the form of a cylinder, based on which, from the side opposite to the input of monochromatic radiation, a conical reflector is installed, the diameter of the base of which is equal to the diameter of a cylindrical photodetector, the top of which is located on the axis of the cylindrical photodetector from the input side of monochromatic radiation, the plane of the diode n + -pp + (p + -nn + ) structures and contacts are perpendicular to the surface of the cylindrical photodetector and parallel to the axis of symmetry of the cone reflector, and the height of the cylindrical photodetector and the diameter of the base of the cone reflector are related by

h =

Figure 00000001
(ctgα – ctg2α),h =
Figure 00000001
(ctgα - ctg2α),

где h – высота цилиндрического фотоприёмника;where h is the height of the cylindrical photodetector;

D – диаметр основания конусного отражателя;D is the diameter of the base of the conical reflector;

2α – угол при вершине конусного отражателя;2α is the angle at the apex of the conical reflector;

α – угол между образующей и осью конусного отражателя.α is the angle between the generatrix and the axis of the conical reflector.

Технический результат достигается также тем, что в способе передачи электрической энергии путем генерации монохроматического излучения в лазере, передачи энергии излучения по лазерному лучу и преобразования монохроматического излучения в электрическую энергию в фотоприёмнике на основе скоммутированных фотопреобразователей с диодными n+-p-p+ (p+-n-n+) структурами и контактами, согласно изобретению, монохроматическое излучение со средней плотностью потока 1,0-10 Вт/см2 направляют на конусный отражатель, конусный отражатель ориентируют вершиной конуса встречно по оси потока монохроматического излучения, отражают осесимметрично монохроматическое излучение под углом 80-100º к направлению монохроматического излучения на цилиндрический фотоприёмник, направляют монохроматическое излучение параллельно плоскости контактов и n+-p-p+ (p+-n-n+) диодных структур скоммутированных фотопреобразователей цилиндрического фотоприёмника и преобразуют энергию монохроматического излучения в электрическую энергию.The technical result is also achieved by the fact that in the method of transmitting electrical energy by generating monochromatic radiation in a laser, transmitting radiation energy through a laser beam and converting monochromatic radiation into electrical energy in a photodetector based on commutated photoconverters with diodes n + -pp + (p + -nn +) and contact structures according to the invention, monochromatic radiation at an average flux density of 1.0-10 watt / cm 2 is directed to cone reflector cone reflector oriented ve bus counter cone of monochromatic radiation flux axis symmetrically reflect monochromatic radiation at an angle to the direction 80-100º monochromatic radiation on the cylindrical photodetector, monochromatic radiation is directed parallel to the contact plane and n + -pp + (p + -nn +) diode structures of switched cylindrical photoconverters photodetector and convert the energy of monochromatic radiation into electrical energy.

Устройство и способ передачи электрической энергии показаны на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6.The device and method for transmitting electrical energy are shown in figures 1, 2, 3, 4, 5, 6.

На фиг. 1 показана схема устройства и способа передачи электрической энергии на движущиеся объекты.In FIG. 1 shows a diagram of a device and method for transmitting electrical energy to moving objects.

На фиг. 2 показана схема устройства для приёма и преобразования лазерного излучения в электрическую энергию (продольное сечение).In FIG. 2 shows a diagram of a device for receiving and converting laser radiation into electrical energy (longitudinal section).

На фиг. 3 показана схема фотоприёмника (поперечное сечение).In FIG. 3 shows a diagram of a photodetector (cross section).

На фиг. 4 показаны оптическая схема и ход лучей в фотоприёмнике при равенстве высоты фотоприёмника и конусного отражателя.In FIG. Figure 4 shows the optical scheme and the path of the rays in the photodetector with equal height of the photodetector and conical reflector.

На фиг. 5 показан ход лучей в фотоприёмнике, высота которого меньше высоты конусного отражателя.In FIG. 5 shows the path of the rays in the photodetector, whose height is less than the height of the conical reflector.

На фиг. 6 показан ход лучей в фотоприёмнике, высота которого больше высоты конусного отражателя.In FIG. 6 shows the path of the rays in the photodetector, whose height is greater than the height of the conical reflector.

Устройство для передачи электрической энергии на фиг. 1 содержит генератор монохроматического излучения 1 и фотоприёмник 2 на основе скоммутированных фотопреобразователей 3 с диодными n+-p-p+ (p+-n-n+) структурами 4 и контактами 5 (фиг. 2, 3). Фотоприёмник 2 выполнен в виде цилиндра 6, на основании 7 которого со стороны 8, противоположной входу монохроматического излучения 9, установлен конусный отражатель 10, диаметр D основания которого равен диаметру цилиндрического фотоприёмника 2. Вершина 11 конусного отражателя 10 расположена на оси 12 цилиндрического фотоприёмника 2 со стороны входа 13 монохроматического излучения 9. Плоскости 14 диодных n+-p-p+ (p+-n-n+) структур 4 и контактов 5 на фиг. 2 и 3 перпендикулярны боковой поверхности 15 цилиндрического фотоприёмника 2 и параллельны оси 16 симметрии конусного отражателя 10. Высота цилиндрического фотоприёмника 2 и диаметр основания конусного отражателя 10 связаны соотношениемThe device for transmitting electrical energy in FIG. 1 contains a monochromatic radiation generator 1 and a photodetector 2 based on commutated photoconverters 3 with diode n + -pp + (p + -nn + ) structures 4 and contacts 5 (Fig. 2, 3). The photodetector 2 is made in the form of a cylinder 6, on the base 7 of which, from the side 8 opposite to the input of monochromatic radiation 9, a conical reflector 10 is installed, the diameter D of the base of which is equal to the diameter of the cylindrical photodetector 2. The top 11 of the conical reflector 10 is located on the axis 12 of the cylindrical photodetector 2 with the input side 13 of the monochromatic radiation 9. The planes 14 of the diode n + -pp + (p + -nn + ) structures 4 and contacts 5 in FIG. 2 and 3 are perpendicular to the side surface 15 of the cylindrical photodetector 2 and parallel to the axis of symmetry 16 of the conical reflector 10. The height of the cylindrical photodetector 2 and the diameter of the base of the conical reflector 10 are related by the relation

h =

Figure 00000001
(ctgα – ctg2α),h =
Figure 00000001
(ctgα - ctg2α),

где h – высота цилиндрического фотоприёмника 2;where h is the height of the cylindrical photodetector 2;

D – диаметр основания конусного отражателя 10;D is the diameter of the base of the conical reflector 10;

2α – угол при вершине конусного отражателя 10;2α is the angle at the apex of the conical reflector 10;

α – угол между образующей и осью 16 конусного отражателя 10.α is the angle between the generatrix and the axis 16 of the conical reflector 10.

Генератор монохроматического излучения 1 имеет систему слежения 17 за фотоприёмником 2, установленного на движущемся объекте 18. Система слежения обеспечивает попадание монохроматического излучения 9 на вход 13фотоприёмника 2 при произвольном перемещении движущегося объекта 18. The monochromatic radiation generator 1 has a tracking system 17 for the photodetector 2 mounted on the moving object 18. The tracking system ensures that the monochromatic radiation 9 is incident on the input 13 of the photodetector 2 during arbitrary movement of the moving object 18.

Способ передачи электрической энергии реализуется следующим образом. Генератор 1 преобразует электрическую энергию от источника питания 19 в монохроматическое излучение 9. Монохроматическое излучение со средней плотностью потока 1,0-10 Вт/см2 направляют на конусный отражатель 10, конусный отражатель 10 ориентируют вершиной конуса встречно по оси потока монохроматического излучения 9, отражают осесимметрично монохроматическое излучение 9 под углом 80-100º к направлению оси 20 монохроматического излучения9 на цилиндрический фотоприёмник 2, направляют отражённое монохроматическое излучение параллельно плоскости 14 контактов 5 и n+-p-p+ (p+-n-n+) диодных структур4 скоммутированных фотопреобразователей3 цилиндрического фотоприёмника 2 и преобразуют энергию отражённого от конусного зеркального отражателя монохроматического лазерного излучения в электрическую энергию.The method of transmitting electrical energy is implemented as follows. The generator 1 converts the electrical energy from the power source 19 into monochromatic radiation 9. Monochromatic radiation with an average flux density of 1.0-10 W / cm 2 is directed to a conical reflector 10, the conical reflector 10 is oriented with the apex of the cone in the opposite direction to the flow axis of monochromatic radiation 9, reflect axisymmetrically monochromatic radiation 9 at an angle of 80-100º to the direction of the axis 20 of monochromatic radiation 9 to a cylindrical photodetector 2, direct the reflected monochromatic radiation parallel to the plane 14 contacts 5 and n + -pp + (p + -nn + ) diode structures 4 of the switched photo converters 3 of the cylindrical photodetector 2 and convert the energy of the monochromatic laser radiation reflected from the conical mirror reflector into electrical energy.

Электрическую энергию передают в систему электроснабжения 21 движущегося объекта 18 для питания электрической аппаратуры и электрических движителей. Скоммутированные фотопреобразователи 3 изолируют от системы охлаждения 22 фотоприёмника 2 с помощью теплопроводящей керамики 23, выполненной, например, из AlN (фиг. 2, 3).Electric energy is transmitted to the power supply system 21 of the moving object 18 to power electrical equipment and electric propulsion devices. The connected photoconverters 3 are isolated from the cooling system 22 of the photodetector 2 using heat-conducting ceramics 23 made, for example, of AlN (Fig. 2, 3).

Распределение плотности потока излучения в поперечном сечении при потоках монохроматического лазерного излучения описывается кривой нормального распределения ГауссаThe distribution of the radiation flux density in the cross section for monochromatic laser radiation fluxes is described by the normal Gaussian distribution curve

E(r) = Emax

Figure 00000002
,E (r) = E max
Figure 00000002
,

где Emax - максимальная плотность потока излучения на оси 20 лазерного луча;where E max - the maximum density of the radiation flux on the axis 20 of the laser beam;

r - расстояние от оси 20;r is the distance from the axis 20;

С - постоянная, зависящая от параметров генератора монохроматического лазерного излучения.C is a constant depending on the parameters of the monochromatic laser radiation generator.

Для получения заданных параметров системы электроснабжения по напряжению в фотоприёмнике 2 используется последовательная коммутация фотопреобразователей 3(фиг. 2, 3). В этом случае при неравномерном освещении ток фотоприёмника определяется током наименее освещённого фотопреобразователя, что снижает КПД преобразования энергии излучения в электрическую энергию.To obtain the specified parameters of the power supply system for voltage in the photodetector 2, serial switching of the photoconverters 3 is used (Fig. 2, 3). In this case, with uneven illumination, the current of the photodetector is determined by the current of the least illuminated photoconverter, which reduces the efficiency of conversion of radiation energy into electrical energy.

Предлагаемое устройство и способ передачи электрической энергии обеспечивают одинаковую плотность излучения всех скоммутированных фотопреобразователей3 в фотоприёмнике 2 как при постоянном, так и при импульсном освещении фотоприёмника 2 со средней плотностью потока излучения 1,0-10 Вт/см2.The proposed device and method of transmitting electrical energy provide the same radiation density of all switched photoconverters 3 in the photodetector 2 both with constant and pulsed illumination of the photodetector 2 with an average radiation flux density of 1.0-10 W / cm 2 .

Направление отражённого от зеркального конусного отражателя 10 потока монохроматического излучения параллельно плоскости 14 контактов 5 и плоскости n+-p-p+ (p+-n-n+) диодных структур 4 позволяет отделить друг от друга области генерации неосновных носителей заряда (электронов в р и р+ области и дырок в n и n+ области) и области переходов n+-p, p+-n, где происходит разделение и собирание носителей заряда. При этом обеспечивают ортогональность векторов фототока через p+-n и n+-p переходы и потока излучения, что приводит к снижению до нуля сопротивления растекания легированного слоя в n+ и p+ области и снижение сопротивления базовой области с n(р) типом проводимости за счёт однородной функции генерации и модуляции фотопроводимости при высокой плотности потока излучения.The direction of the monochromatic radiation flux reflected from the mirror cone reflector 10 parallel to the plane of contacts 5 and the plane of n + -pp + (p + -nn + ) diode structures 4 allows us to separate the generation regions of minority charge carriers (electrons in the p and p + regions and holes in the n and n + regions) and the transition regions n + -p, p + -n, where carriers are separated and collected. At the same time, the photocurrent vectors are orthogonal through p + -n and n + -p transitions and the radiation flux, which leads to a decrease in the spreading resistance of the doped layer in the n + and p + regions to zero and a decrease in the resistance of the base region with n (p) type of conductivity due to the uniform function of generation and modulation of photoconductivity at high radiation flux density.

На фиг. 4 показаны оптическая схема и ход лучей в фотоприёмнике 2 при α =45º, h = H.In FIG. 4 shows the optical scheme and the path of the rays in the photodetector 2 at α = 45º, h = H.

Площадь основания зеркального конусного отражателя 10The area of the base of the mirror cone reflector 10

Sосн =

Figure 00000003
.S main =
Figure 00000003
.

Площадь цилиндрического фотоприёмника 2The area of the cylindrical photodetector 2

Sфп = 2πD⋅h.S fp = 2πD⋅h.

Высота конусного отражателя 10Conical reflector height 10

H =

Figure 00000001
ctgα.H =
Figure 00000001
ctgα.

При α =45ºWhen α = 45º

h = H =

Figure 00000001
,h = h =
Figure 00000001
,

Sфп = πD2,S fp = πD 2 ,

Sфп / Sосн = 4.S fp / S DOS = 4.

На фиг. 5 α<45º, h<H.In FIG. 5 α <45º, h <H.

Обозначим n̅ - вектор нормали, перпендикулярной к боковой поверхности конусного отражателя 10 и Δ разность между высотой Н конусного отражателя и высотой h цилиндрического фотоприёмника 2:Let n̅ be the normal vector perpendicular to the side surface of the cone reflector 10 and Δ the difference between the height H of the cone reflector and the height h of the cylindrical photodetector 2:

Δ = Н – h.Δ = H - h.

Из фиг. 5 следует, чтоFrom FIG. 5 it follows that

Δ =

Figure 00000001
ctg 2α,Δ =
Figure 00000001
ctg 2α,

H =

Figure 00000001
ctgα,H =
Figure 00000001
ctgα,

h = Н–Δ =

Figure 00000001
(ctgα - ctg 2α),h = H – Δ =
Figure 00000001
(ctgα - ctg 2α),

Sфп = 2πD⋅h = πD2(ctgα - ctg 2α),S фп = 2πD⋅h = πD 2 (ctgα - ctg 2α),

Figure 00000004
= 4(ctgα - ctg 2α),
Figure 00000004
= 4 (ctgα - ctg 2α),

На фиг. 6 α > 45º, H<h. Обозначим δ разность между высотой h цилиндрического фотоприёмника 2 и высотой Н конусного отражателя 10:In FIG. 6 α> 45º, H <h. Denote by δ the difference between the height h of the cylindrical photodetector 2 and the height H of the conical reflector 10:

δ = h – Н.δ = h - N.

Из фиг. 6 следует, чтоFrom FIG. 6 it follows that

δ =

Figure 00000001
ctg(180  - 2α) = -
Figure 00000001
ctg2α.δ =
Figure 00000001
ctg (180 - 2α) = -
Figure 00000001
ctg2α.

Н = h + δ =

Figure 00000001
(ctgα - ctg 2α),H = h + δ =
Figure 00000001
(ctgα - ctg 2α),

Figure 00000004
= 4(ctgα - ctg 2α).
Figure 00000004
= 4 (ctgα - ctg 2α).

Найдем минимум функцииFind the minimum function

f(α) =

Figure 00000004
= 4(ctgα - ctg 2α)/f (α) =
Figure 00000004
= 4 (ctgα - ctg 2α) /

Figure 00000005
= 4(-
Figure 00000006
+
Figure 00000007
= 0
Figure 00000005
= 4 (-
Figure 00000006
+
Figure 00000007
= 0

Figure 00000006
(
Figure 00000008
Figure 00000006
(
Figure 00000008

1 -

Figure 00000009
= 01 -
Figure 00000009
= 0

cosα =

Figure 00000010
cosα =
Figure 00000010

α = 45º.α = 45º.

При α = 45º на фиг. 4 минимум функции f(α):At α = 45º in FIG. 4 minimum function f (α):

minf(α)│α = 45º =

Figure 00000011
minf (α) │α = 45º =
Figure 00000011

Плотность потока излучения на фотоприёмнике 2 выбирают равной Ефп= 0,25 – 2,5 Вт/см2 из условий отвода тепла от фотоприёмника 2 с помощью пассивной или активной системы охлаждения 22. Тогда плотность потока монохроматического излучения составит Ел = 4Ефп= 1-10 Вт/см2.The radiation flux density at the photodetector 2 is chosen equal to E ph = 0.25 - 2.5 W / cm 2 from the conditions of heat removal from the photodetector 2 using a passive or active cooling system 22. Then the flux density of the monochromatic radiation will be E l = 4E fp = 1-10 W / cm 2 .

Пример выполнения устройства и способа передачи электрической энергии. Плотность потока излучения равна 8 Вт/см2 = 80 кВт/м2при длине волны 915-975 нм и КПД фотоприёмника ηфп = 0,4 (фиг. 1, 2, 3, 4).An example of a device and method for transmitting electrical energy. The radiation flux density is 8 W / cm 2 = 80 kW / m 2 at a wavelength of 915-975 nm and the photodetector efficiency η fp = 0.4 (Fig. 1, 2, 3, 4).

При диаметре фотоприёмника D = 1 м; h = H = 0,5; α = 45ºWith the diameter of the photodetector D = 1 m; h = H = 0.5; α = 45º

Sосн =

Figure 00000012
м2,S main =
Figure 00000012
m 2

Sфп = 4Sосн= π, м2.S = 4S DOS pn = π, m 2.

Электрическая мощность фотоприёмникаPhotocell electric power

Рфп = Еηопт

Figure 00000013
ηфп,P fp = Eη opt
Figure 00000013
η fp

где ηопт – оптический КПД передачи излучения между генератором и фотоприёмником.where η opt is the optical efficiency of radiation transmission between the generator and the photodetector.

Принимая Е = 80 кВт/м2; ηопт = 0,9; ηфп = 0,4; Sфп = π, м2, получимTaking E = 80 kW / m 2 ; η opt = 0.9; η fp = 0.4; S fp = π, m 2 , we obtain

Figure 00000014
Figure 00000014

Для получения электрической мощности Рфп = 100 кВт площадь фотоприёмника 2 составитTo obtain electric power P fp = 100 kW, the area of the photodetector 2 will be

Figure 00000015
Figure 00000015

Sосн =

Figure 00000016
= 3,47 м2.S main =
Figure 00000016
= 3.47 m 2 .

Dфп =

Figure 00000017
= 2,1 м.D fp =
Figure 00000017
= 2.1 m.

Высота фотоприёмникаPhotodetector height

h =

Figure 00000001
= 1,05 м.h =
Figure 00000001
= 1.05 m.

Необходимая мощность потока монохроматического излучения генератора составитThe required power flow of the monochromatic radiation of the generator is

Figure 00000018
Figure 00000018

Устройство и способ передачи электрической энергии может быть использовано для беспроводного электроснабжения стационарных потребителей, беспилотных летательных аппаратов в атмосфере Земли, космических аппаратов и орбитальных станций.The device and method for transmitting electrical energy can be used for wireless power supply to stationary consumers, unmanned aerial vehicles in the Earth’s atmosphere, spacecraft and orbital stations.

При ширине диодных n+-p-p+ (p+-n-n+) структур 0,2 мм напряжение последовательно скоммутированных фотопреобразователей составит 30 В на 1 см длины окружности фотоприёмника 2. При диаметре фотоприёмника 100 см максимально возможное напряжение фотоприёмника составит Vфп = 30 π D = 9420 В.With the width of the diode n + -pp + (p + -nn + ) structures 0.2 mm, the voltage of the sequentially connected photoconverters will be 30 V per 1 cm of the circumference of the photodetector 2. At a diameter of the photodetector 100 cm, the maximum possible voltage of the photodetector will be Vpf = 30 π D = 9420 V.

Для фотоприёмника мощностью 100 кВт с диаметром фотоприёмника 2,1 м максимальное возможное напряжение составит 19782 В, что достаточно для питания электроракетных двигателей космических аппаратов.For a 100 kW photodetector with a 2.1 mm diameter photodetector, the maximum possible voltage is 19782 V, which is enough to power spacecraft's rocket engines.

Claims (7)

1. Устройство передачи электрической энергии, содержащее генератор монохроматического излучения и фотоприемник на основе скоммутированных фотопреобразователей с диодными n+-p-p+ (p+-n-n+) структурами и контактами, отличающееся тем, что фотоприемник выполнен в виде цилиндра, на основании которого со стороны, противоположной входу монохроматического излучения, установлен конусный отражатель, диаметр основания которого равен диаметру цилиндрического фотоприемника, вершина которого расположена на оси цилиндрического фотоприемника со стороны входа монохроматического излучения, плоскости диодных n+-p-p+ (p+-n-n+) структур и контактов перпендикулярны поверхности цилиндрического фотоприемника и параллельны оси симметрии конусного отражателя, а высота цилиндрического фотоприемника и диаметр основания конусного отражателя связаны соотношением1. A device for transmitting electrical energy, containing a monochromatic radiation generator and a photodetector based on switched photoconverters with diode n + -pp + (p + -nn + ) structures and contacts, characterized in that the photodetector is made in the form of a cylinder, based on which from opposite to the input of monochromatic radiation, a conical reflector is installed, the diameter of the base of which is equal to the diameter of the cylindrical photodetector, the top of which is located on the axis of the cylindrical photodetector The input monochromatic radiation, the plane of the diode n + -pp + (p + -nn + ) structures and contacts are perpendicular to the surface of the cylindrical photodetector and parallel to the axis of symmetry of the cone reflector, and the height of the cylindrical photodetector and the diameter of the base of the cone reflector are related by h =
Figure 00000019
(ctgα - ctg2α),h =
Figure 00000019
(ctgα - ctg2α), где h - высота цилиндрического фотоприемника;where h is the height of the cylindrical photodetector; D - диаметр основания конусного отражателя;D is the diameter of the base of the conical reflector; 2α - угол при вершине конусного отражателя;2α is the angle at the apex of the conical reflector; α - угол между образующей и осью конусного отражателя.α is the angle between the generatrix and the axis of the conical reflector. 2. Способ передачи электрической энергии путем генерации монохроматического излучения в лазере, передачи энергии излучения по лазерному лучу и преобразования монохроматического излучения в электрическую энергию в фотоприемнике на основе скоммутированных фотопреобразователей с диодными n+-p-p+ (p+-n-n+) структурами и контактами, отличающийся тем, что монохроматическое излучение со средней плотностью потока 1,0-10 Вт/см2 направляют на конусный отражатель, конусный отражатель ориентируют вершиной конуса встречно по оси потока монохроматического излучения, отражают осесимметрично монохроматическое излучение под углом 80-100° к направлению монохроматического излучения на цилиндрический фотоприемник, направляют монохроматическое излучение параллельно плоскости контактов и n+-p-p+ (p+-n-n+) диодных структур скоммутированных фотопреобразователей цилиндрического фотоприемника и преобразуют энергию монохроматического излучения в электрическую энергию.2. A method of transmitting electrical energy by generating monochromatic radiation in a laser, transmitting radiation energy through a laser beam and converting monochromatic radiation into electrical energy in a photodetector based on commutated photoconverters with diode n + -pp + (p + -nn + ) structures and contacts, characterized in that monochromatic radiation at an average flux density of 1.0-10 watt / cm 2 is directed to cone reflector cone reflector cone oppositely oriented apex of monochromatic flow axis whom radiation, monochromatic radiation reflects axially at the angle 80-100 ° to the direction of the monochromatic radiation onto the cylindrical photodetector monochromatic radiation is directed parallel to the contact plane and n + -pp + (p + -nn +) diode structures of switched photovoltaic cylindrical photodetector and the monochromatic energy is converted radiation into electrical energy.
RU2019119270A 2019-06-20 2019-06-20 Apparatus and method of transmitting electrical power RU2713208C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019119270A RU2713208C1 (en) 2019-06-20 2019-06-20 Apparatus and method of transmitting electrical power

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019119270A RU2713208C1 (en) 2019-06-20 2019-06-20 Apparatus and method of transmitting electrical power

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2713208C1 true RU2713208C1 (en) 2020-02-04

Family

ID=69625606

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019119270A RU2713208C1 (en) 2019-06-20 2019-06-20 Apparatus and method of transmitting electrical power

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2713208C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2740621C1 (en) * 2020-03-17 2021-01-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина" Wireless power transmission device for supplying video systems installed on mobile platforms of large production facilities

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4136058A1 (en) * 1991-10-31 1993-05-06 Siegfried O-1055 Berlin De Stargard Laser based wireless transmission of HV power - using laser rod array transmitting current matching earths ballistic properties to receiving aerial resembling lightning conductor
RU2143775C1 (en) * 1999-03-25 1999-12-27 Стребков Дмитрий Семенович Power transmission method and device
RU2499327C1 (en) * 2012-04-11 2013-11-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Concentrated electromagnetic radiation receiver/converter
CN108879924A (en) * 2018-06-12 2018-11-23 中国电子科技集团公司第十八研究所 Laser energy transmission receiver

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4136058A1 (en) * 1991-10-31 1993-05-06 Siegfried O-1055 Berlin De Stargard Laser based wireless transmission of HV power - using laser rod array transmitting current matching earths ballistic properties to receiving aerial resembling lightning conductor
RU2143775C1 (en) * 1999-03-25 1999-12-27 Стребков Дмитрий Семенович Power transmission method and device
RU2499327C1 (en) * 2012-04-11 2013-11-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Concentrated electromagnetic radiation receiver/converter
CN108879924A (en) * 2018-06-12 2018-11-23 中国电子科技集团公司第十八研究所 Laser energy transmission receiver

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2740621C1 (en) * 2020-03-17 2021-01-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина" Wireless power transmission device for supplying video systems installed on mobile platforms of large production facilities

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jin et al. Wireless laser power transmission: A review of recent progress
US8653784B2 (en) System and method for relaying energy from a space transmitter to an electronic device via an earth station
RU2143775C1 (en) Power transmission method and device
Sabarish et al. An Energy Efficient Microwave Based Wireless Solar Power Transmission System
US4042417A (en) Photovoltaic system including a lens structure
Koonen et al. Novel broadband OWC receiver with large aperture and wide field-of-view
CN103337542B (en) A kind of Laser-electrical energy converter
RU2713208C1 (en) Apparatus and method of transmitting electrical power
US20090206697A1 (en) Method for generating, transmitting and receiving power
Katsuta et al. Design and experimental characterization of optical wireless power transmission using GaAs solar cell and series-connected high-power vertical cavity surface emitting laser array
Kim et al. Experimental demonstration of underwater optical wireless power transfer using a laser diode
CN107681764A (en) Laser charging device with thermo-electric generation compensation
UY25016A1 (en) RADIANT SYSTEM IN ACCUMULATORS AND RESULTING PRODUCT
Sasaki It's always sunny in space
Zhou et al. 400 mW class high output power from LED-array optical wireless power transmission system for compact IoT
Slami et al. Manual method for measuring the external quantum efficiency for solar cells
Bogushevskaya et al. An experimental investigation of the feasibility of using silicone and gallium arsenide solar batteries on space vehicles for receiving energy of laser infrared emission
Zhou et al. Optimized LED-based optical wireless power transmission system configuration for compact IoT
Alexzander et al. Recent trends in power systems (wireless power transmission system) and supercapacitor application
RU2594953C2 (en) Laser radiation receiver-converter
CN114221712A (en) Laser wireless energy transmission system with adjustable light beam
JP2017199332A (en) Method for supplying power complementing self-supporting power supply to sensor network
Kshatri et al. A brief overview of wireless power transfer techniques
CN104716421A (en) Reconfigurable antenna in programmable control
Kognovitskii et al. Power-communicating photo-receiving device