RU2310964C1 - Electrical energy transmission method and device - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering; electrical energy transmission.

SUBSTANCE: proposed method used for electrical energy transmission beyond Earth atmosphere in vacuum between space vehicles or planets from Earth to space bodies and vice versa, from space to Earth, as well as from one point on Earth to another through atmosphere and space dispensing with relativistic beam accelerators and lasers includes generation of high-frequency electromagnetic waves and their transmission over conductive channel between electrical energy sources and receivers. High-voltage electromagnetic waves are generated in high-frequency resonance-tuned transformer, amplified in voltage to (0.5-100) x 10⁶ V in quarter-wave resonance-tuned line that has spiral waveguide and natural capacitor at line end by supplying electromagnetic waves from high-voltage resonance-tuned transformer to spiral waveguide input at frequency f₀ = 1-1000 kHz synchronized with voltage-wave motion time period T_k from spiral waveguide input to natural capacitor and reflected wave return to spiral waveguide input. Electrical energy is stored in natural capacitor. Conductive channel is organized by emission of streamers and production of electromagnetic radiation flow from end of needle-type conductive channel generator at resonant frequency f₀ = 1 - 1000 kHz and voltage V = (0.5-100) x 10⁶ V by connecting natural capacitor thereto.

EFFECT: enhanced effectiveness of, and reduced loss in, electrical energy transmission.

10 cl, 1 dwg

Description

Translated fromRussian

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

Известен способ и устройство для передачи электрической энергии, включающий передачу электрической энергии от источника к приемнику электрической энергии таким образом, что между источником и приемником электрической энергии формируют проводящий канал методом фотоионизации и ударной ионизации с помощью генератора излучения. Указанный проводящий канал электрически изолируют от генератора излучения с помощью прозрачного для излучения электроизоляционного экрана, соединяют проводящий канал с источником электрической энергии через повышающий 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 кулоновых сил перемещение электрических зарядов вдоль проводящего канала. Проводящий канал формируют как со стороны источника энергии, так и со стороны приемника энергии.A known method and device for transmitting electrical energy, comprising transmitting electrical energy from a source to an electric energy receiver in such a way that a conductive channel is formed between the source and the electric energy receiver by photoionization and impact ionization using a radiation generator. The specified conductive channel is electrically isolated from the radiation generator using an electrically insulating shield transparent to radiation, the conductive channel is connected to an electric energy source through a Tesla high-frequency transformer and to an electric energy receiver through a Tesla high-frequency transformer or a diode-capacitor unit, increase the channel’s electrical conductivity by forming surface charge and increase the electric field strength and carry out under Procedure Coulomb forces moving electrical charges along the conducting channel. The conductive channel is formed both from the side of the energy source and from the side of the energy receiver.

Электрическую энергию передают по проводящему каналу в импульсном или непрерывном режиме путем синхронной подачи на формирователь проводящего канала одновременно импульсов от генератора излучения и электрических импульсов от высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла.Electric energy is transmitted through the conducting channel in a pulsed or continuous mode by simultaneously supplying simultaneously pulses from the radiation generator and electric pulses from the Tesla high-voltage transformer to the shaper of the conducting channel.

Известное устройство для передачи электрической энергии содержит генератор излучения на основе оптического или рентгеновского лазера для формирования проводящего канала между источником и приемником электрической энергии, установленный соосно с генератором 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, а с противоположной стороны проводящего канала установлен приемник проводящего канала, изолированный от корпуса приемника электрической энергии. Указанный приемник электрической энергии соединен с приемником канала через понижающий высокочастотный трансформатор Тесла или диодно-конденсаторный блок.A known device for transmitting electrical energy contains a radiation generator based on an optical or X-ray laser for forming a conductive channel between the source and the receiver of electric energy, a shaper of the conductive channel and an electrically insulating screen transparent to the radiation of the generator located between the shaper of the conductive channel and the generator mounted coaxially with the radiation generator radiation. The source of electrical energy is connected to the shaper of the conductive channel through a Tesla high-voltage high-frequency transformer, and on the opposite side of the conductive channel there is a receiver of the conductive channel isolated from the housing of the electric energy receiver. The specified receiver of electrical energy is connected to the receiver of the channel through a step-down high-frequency transformer Tesla or a diode-capacitor block.

Устройство для передачи электрической энергии может быть выполнено в виде энергетической разветвленной системы, состоящей из множества источников и приемников электрической энергии, соединенных между собой проводящими каналами, имеющими одинаковую частоту и напряжение в точках соединения. Каждый источник электрической энергии снабжен генератором излучения, электроизолирующим экраном, формирователем и приемником проводящего канала. Каждый формирователь проводящего канала соединен с источником электрической энергии с помощью высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла, а каждый генератор излучения соединен или с источником электрической энергии, или с приемником через понижающий высокочастотный трансформатор Тесла или диодно-конденсаторный блок (патент РФ 2143775 от 25.03.99 г., БИ №36, 1999 г.).A device for transmitting electrical energy can be made in the form of a branched energy system, consisting of many sources and receivers of electrical energy, interconnected by conductive channels having the same frequency and voltage at the connection points. Each source of electrical energy is equipped with a radiation generator, an electrically insulating screen, a shaper and a receiver of the conductive channel. Each shaper of the conductive channel is connected to an electric energy source using a Tesla high-voltage high-frequency transformer, and each radiation generator is connected either to an electric energy source or to a receiver through a Tesla high-frequency transformer or a diode-capacitor block (RF patent 2143775 of 03.25.99 g. , BI No. 36, 1999).

Недостатком известного способа и устройства является необходимость использования газоразрядного проводящего канала и поддержания концентрации ионизированного воздуха в канале в определенных пределах, так как при малой концентрации ионов лазерный воздушный канал обладает малой проводимостью, недостаточной для передачи электрической энергии, а при большой концентрации ионов воздушный канал становится непрозрачным для лазерного излучения.A disadvantage of the known method and device is the necessity of using a gas-discharge conducting channel and maintaining the concentration of ionized air in the channel within certain limits, since at a low concentration of ions the laser air channel has a low conductivity, insufficient for the transfer of electrical energy, and at a high concentration of ions the air channel becomes opaque for laser radiation.

Другим недостатком известного способа и устройства является то, что его невозможно использовать в вакууме за пределами земной атмосферы.Another disadvantage of the known method and device is that it cannot be used in vacuum outside the earth's atmosphere.

Известен способ передачи электрической энергии с помощью релятивистских пучков электронов высоких энергий (Б.Э.Мейерович. Канал сильного тока. М.: Фима, 1999, стр.355-357). Недостатком известного способа передачи электрической энергии являются большие потери энергии на рассеивание при столкновении электронов с молекулами в газовой среде, что ограничивает длину распространения и мощность электронного потока в атмосфере.A known method of transmitting electrical energy using relativistic beams of high-energy electrons (B.E. Meyerovich. Channel of high current. M: Fima, 1999, pp. 355-357). A disadvantage of the known method of transferring electrical energy is the large energy loss due to dissipation in the collision of electrons with molecules in a gas medium, which limits the propagation length and power of the electron flow in the atmosphere.

Другим недостатком является необходимость преобразования электронного потока у потребителя в электрическую энергию с заданными параметрами, так как поток электронов представляет собой источник тока. Отбор энергии от пучка электронов производят за счет торможения электронов в электрическом поле конденсатора и увеличения заряда конденсатора. В магнитном поле энергия пучка электронов преобразуется в синхротронное излучение. При облучении твердой мишени энергия пучка электронов превратится в теплоту, которую можно преобразовать в электрическую энергию с помощью известных термодинамических циклов преобразования энергии.Another disadvantage is the need to convert the electronic flow from the consumer into electrical energy with specified parameters, since the electron flow is a current source. The selection of energy from the electron beam is carried out by braking electrons in the electric field of the capacitor and increasing the charge of the capacitor. In a magnetic field, the energy of an electron beam is converted to synchrotron radiation. When a solid target is irradiated, the energy of the electron beam will turn into heat, which can be converted into electrical energy using the well-known thermodynamic cycles of energy conversion.

Известен способ передачи электрической энергии, включающий генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии, в котором проводящий канал формируют с помощью ускорителя в виде релятивистского пучка электронов, на который подают высокое напряжение с частотой 0,3-300,0 кГц - от спиральной антенны бегущей волны. Для увеличения радиационной безопасности проводящий канал формируют в виде двух пересекающихся пучков, один из которых формируют в атмосфере с помощью лазера, а второй формируют в разреженной среде и за пределами атмосферы в виде релятивистского пучка электронов.A known method of transmitting electrical energy, including the generation of high-frequency electromagnetic waves and transmitting them through a conductive channel between a source and a receiver of electrical energy, in which the conductive channel is formed using an accelerator in the form of a relativistic electron beam, which is supplied with a high voltage with a frequency of 0.3-300 , 0 kHz - from a spiral antenna of a traveling wave. To increase radiation safety, the conducting channel is formed in the form of two intersecting beams, one of which is formed in the atmosphere using a laser, and the second is formed in a rarefied medium and outside the atmosphere in the form of a relativistic electron beam.

Пучки в проводящем канале могут быть направлены соосно встречно друг другу, пучок релятивистских электронов направляют преимущественно из оптически менее плотной среды в сторону оптически более плотной среды, а лазерное излучение преимущественно из оптической более плотной среды в сторону оптической менее плотной среды. Формирование проводящего канала также осуществляют путем передачи вдоль оси канала соосного релятивистского пучка электронов и лазерного пучка и подачи на проводящий канал высокого напряжения от высокочастотного трансформатора Тесла или путем передачи вдоль оси канала двух параллельных пучков лазерного излучения и релятивистских электронов, расстояние между которыми не превышает поперечного размера, меньшего по диаметру пучка.The beams in the conducting channel can be directed coaxially opposite each other, the beam of relativistic electrons is directed mainly from an optically less dense medium towards an optically denser medium, and laser radiation is predominantly from an optical denser medium towards an optical less dense medium. The formation of the conducting channel is also carried out by transmitting a coaxial relativistic electron beam and a laser beam along the channel axis and supplying a high voltage from the Tesla high-frequency transformer to the conducting channel or by transmitting two parallel beams of laser radiation and relativistic electrons along the channel axis, the distance between which does not exceed the transverse dimension smaller in diameter of the beam.

Для передачи электрической энергии по линии, отличной от прямой, проводящий канал содержит проводящее тело, которое облучают с одной или нескольких сторон с помощью релятивистских пучков электронов и лазерных пучков, соединенных с высоковольтными трансформаторами Тесла. Для создания глобальной системы энергоснабжения Земли в качестве проводящего тела используют проводящие слои в ионосфере Земли, которые соединяют проводящими каналами на основе релятивистских электронных пучков с источниками и приемниками электрической энергии.To transfer electrical energy through a line other than a straight line, the conductive channel contains a conductive body that is irradiated from one or more sides using relativistic electron beams and laser beams connected to Tesla high voltage transformers. To create the Earth’s global energy supply system, conducting layers in the Earth’s ionosphere are used as a conducting body, which are connected by conducting channels based on relativistic electron beams to sources and receivers of electrical energy.

Устройство для передачи электрической энергии, содержащее высоковольтные высокочастотные трансформаторы Тесла, установленные у приемника и у источника энергии, содержит ускоритель релятивистских пучков электронов, выходное отверстие ускорителя соединено с высоковольтной обмоткой трансформатора Тесла, а ось ускорителя ориентирована на проводящий изолированный экран, который соединен с высоковольтной обмоткой другого трансформатора Тесла, а высоковольтная обмотка трансформаторов Тесла выполнена в виде многослойной спиральной антенны, ось которой совпадает с осью электронного пучка релятивистского ускорителя электронов.A device for transmitting electric energy containing high-voltage high-frequency Tesla transformers installed at the receiver and at the energy source contains an accelerator of relativistic electron beams, the outlet of the accelerator is connected to the high-voltage winding of the Tesla transformer, and the axis of the accelerator is oriented to a conductive insulated screen that is connected to the high-voltage winding another Tesla transformer, and the high-voltage winding of Tesla transformers is made in the form of a multilayer spiral ant the axis of which coincides with the axis of the electron beam of the relativistic electron accelerator.

Недостатком известного способа и устройств является необходимость использования дополнительных устройств ускорителя релятивистских пучков электронов или лазера для создания проводящего канала. Все указанные способы преобразования электрической энергии электронного пучка характеризуются низким кпд.A disadvantage of the known method and devices is the need to use additional devices of the accelerator of relativistic electron beams or a laser to create a conductive channel. All these methods of converting the electric energy of an electron beam are characterized by low efficiency.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности и снижение потерь при передаче электрической энергии, а также обеспечение возможности передачи электрической энергии в вакууме за пределами земной атмосферы между космическими аппаратами или планетами, а также с Земли на космические тела и обратно из космического пространства на Землю, а также из одного пункта Земли на другой пункт Земли через атмосферу и космическое пространство без использования таких дополнительных устройств как ускорители релятивистских пучков электронов и лазеров.The objective of the invention is to increase the efficiency and reduce losses in the transmission of electric energy, as well as providing the possibility of transmitting electric energy in vacuum outside the earth's atmosphere between spacecraft or planets, as well as from Earth to space bodies and back from outer space to Earth, and from one point of the Earth to another point of the Earth through the atmosphere and outer space without the use of such additional devices as accelerators of relativistic beams electrons and lasers.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в способе передачи электрической энергии, включающем генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии, высокочастотные электромагнитные колебания, генерированные в высокочастотном резонансном трансформаторе, усиливают по напряжению до 0,5-100 миллионов вольт в четвертьволновой резонансной линии, состоящей из спирального волновода и естественной емкости на конце линии, путем подачи на вход спирального волновода электромагнитных колебаний от высокочастотного резонансного трансформатора с частотой f₀=1-1000 кГц, синхронизированной с периодом времени Т_к движения волны напряжения от входа спирального резонатора до естественной емкости, и возврата отраженной волны по входу в спиральный резонатор

, где Н - длина четвертьволновой линии, u - скорость движения электромагнитной волны вдоль оси резонатора, накапливают электрическую энергию в естественной емкости, а проводящий канал формируют путем эмиссии стриммеров и создания потока электромагнитного излучения с конца игольчатого формирователя проводящего канала на резонансной частоте f₀=1-1000 кГц при напряжении V=0,5-100 миллионов вольт путем соединения естественной емкости четвертьволновой линии с игольчатым проводящим формирователем канала.The above result is achieved in that in a method for transmitting electrical energy, including generating high-frequency electromagnetic waves and transmitting them through a conductive channel between a source and a receiver of electric energy, high-frequency electromagnetic waves generated in a high-frequency resonant transformer, amplify the voltage up to 0.5-100 million volts in a quarter-wave resonance line, consisting of a spiral waveguide and a natural capacitance at the end of the line, by supplying an input of the waveguide of electromagnetic waves from a high-frequency resonant transformer with a frequency f₀ = 1-1000 kHz, synchronized with a period of time T_{to the} movement of the voltage wave from the input of the spiral resonator to the natural capacitance, and the return of the reflected wave at the entrance to the spiral resonator

where H is the length of the quarter-wave line, u is the speed of the electromagnetic wave along the axis of the resonator, electric energy is accumulated in the natural capacitance, and the conductive channel is formed by emission of streamers and the creation of a stream of electromagnetic radiation from the end of the needle shaper of the conductive channel at the resonant frequency f₀ = 1 -1000 kHz at a voltage of V = 0.5-100 million volts by connecting the natural capacitance of a quarter-wave line with a needle-shaped conductor channel former.

В одном из вариантов способа естественную емкость выполняют в виде сферы из проводящего материала.In one embodiment of the method, the natural capacitance is made in the form of a sphere of conductive material.

В другом варианте способа естественную емкость выполняют в виде тороида из проводящего материала.In another embodiment of the method, the natural capacitance is made in the form of a toroid from a conductive material.

Еще в одном варианте способа естественную емкость выполняют в виде сферического купола, а игольчатый проводящий канал выполняют в виде шпиля с заостренным концом, который соединяют с куполом.In another embodiment of the method, the natural capacity is made in the form of a spherical dome, and the needle-shaped conductive channel is made in the form of a spire with a pointed end, which is connected to the dome.

Устройство для передачи электрической энергии, содержащее источник электрической энергии, преобразователь частоты и передающий и приемный резонансные высокочастотные трансформаторы с резонансной частотой f₀, установленные у источника и приемника энергии, и проводящий канал между ними, передающий трансформатор с частотой f₀=1-1000 кГц соединен с дополнительной четвертьволновой линией, выполненной из спирального волновода с длиной

, где u - скорость распространения электромагнитной волны вдоль оси резонатора, и естественной емкости на конце линии с напряжением 0,5-500 MB, емкость соединена с игольчатым проводящим формирователем проводящего канала, который ориентирован на приемник нагрузки у потребителя.A device for transmitting electrical energy, containing a source of electrical energy, a frequency converter and a transmitter and receiver resonant high-frequency transformers with a resonant frequency f₀ installed at the source and receiver of energy, and a conductive channel between them, a transmitting transformer with a frequency f₀ = 1-1000 kHz connected to an additional quarter-wave line made of a spiral waveguide with a length

where u is the propagation velocity of the electromagnetic wave along the axis of the resonator, and the natural capacitance at the end of the line with a voltage of 0.5-500 MB, the capacitance is connected to a needle-shaped conductive shaper of the conductive channel, which is oriented to the load receiver of the consumer.

В одном из вариантов устройства для передачи электрической энергии естественная емкость выполнена в виде сферы диаметром 0,5-50 м.In one embodiment of the device for transmitting electrical energy, the natural capacity is made in the form of a sphere with a diameter of 0.5-50 m.

В другом варианте устройства естественная емкость выполнена в виде тороида диаметром 0,5-50 м.In another embodiment of the device, the natural capacity is made in the form of a toroid with a diameter of 0.5-50 m.

Еще в одном варианте устройства естественная емкость объединена в одном корпусе с игольчатым формирователем канала и выполнена в виде купола с заостренным шпилем.In another embodiment of the device, the natural capacity is combined in one housing with a needle channel former and is made in the form of a dome with a pointed spire.

В варианте устройства дополнительная четвертьволновая линия со спиральным резонатором и естественной емкостью заключена в изолирующий герметичный корпус и заполнена изолирующим газом, например элегазом.In an embodiment of the device, an additional quarter-wave line with a spiral resonator and a natural capacitance is enclosed in an insulated sealed enclosure and filled with an insulating gas, such as SF6 gas.

В варианте устройства дополнительная четвертьволновая линия со спиральным резонатором и естественной емкостью заключена в изолирующий корпус и заполнена изолирующей жидкостью например силиконовым маслом.In an embodiment of the device, an additional quarter-wave line with a spiral resonator and a natural capacitance is enclosed in an insulating casing and filled with an insulating liquid, for example, silicone oil.

Сущность предлагаемого способа и устройства для передачи электрической энергии поясняется на фиг.1, где представлена общая схема способа и устройства для передачи электрической энергии с использованием четвертьволновой резонансной линии для усиления потенциала в линии и формирования проводящего канала.The essence of the proposed method and device for transmitting electrical energy is illustrated in figure 1, which shows a General diagram of a method and device for transmitting electrical energy using a quarter-wave resonance line to enhance the potential in the line and the formation of the conductive channel.

На фиг.1 электрическая энергия от трехфазного источника 1 с частотой 50-400 Гц поступает на преобразователь частоты 2 и затем с частотой 1-500 кГц поступает через конденсаторы 3 на высокочастотный резонансный трансформатор 4 с обмотками L₁ и L₂. Один вывод высоковольтной обмотки L₂ заземлен или присоединен к естественной емкости, а второй вывод обмотки L₂ присоединен к четвертьволновой резонансной линии, состоящей из спирального волновода 5 L₃ и сферической емкости 6, которая соединена с игольчатым формирователем 7 проводящего канала 8. У потребителя в конце проводящего канала 8 установлен приемник 9, который соединен с высоковольтной обмоткой 10 высокочастотного резонансного трансформатора 12. Низковольтная обмотка 13 трансформатора 12 через емкость 14 соединена с преобразователем частоты 15 и нагрузкой 16.In Fig. 1, electric energy from a three-phase source 1 with a frequency of 50-400 Hz is supplied to a frequency converter 2 and then with a frequency of 1-500 kHz it is supplied through capacitors 3 to a high-frequency resonant transformer 4 with windings L₁ and L₂ . One terminal of the high-voltage winding L_{2 is} grounded or connected to a natural capacitance, and the second terminal of the winding L_{2 is} connected to a quarter-wave resonance line consisting of a spiral waveguide 5 L₃ and a spherical capacitor 6, which is connected to a needle shaper 7 of the conducting channel 8. At the consumer at the end of the conducting channel 8, a receiver 9 is installed, which is connected to the high-voltage winding 10 of the high-frequency resonant transformer 12. The low-voltage winding 13 of the transformer 12 is connected through a capacitor 14 to the converter astot 15 and load 16.

Способ передачи электрической энергии реализуется следующим образом. Трехфазный источник электрической энергии 1 (фиг.1) создает на выходе преобразователя частоты 2 высокочастотные колебания с резонансной частотой

, где L₁ - индуктивность первичной обмотки трансформатора 4, а С₁ - полная суммарная емкость двух конденсаторов 5 в контуре L₁C₁.The method of transmitting electrical energy is implemented as follows. Three-phase source of electrical energy 1 (figure 1) creates at the output of the frequency converter 2 high-frequency oscillations with a resonant frequency

where L₁ is the inductance of the primary winding of transformer 4, and C₁ is the total total capacitance of two capacitors 5 in the circuit L₁ C₁ .

Резонансная частота f₂ в обмотке L₂ равна резонансной частоте f₃ в волноводе L₃, f₂=f₃=f₁.The resonant frequency f₂ in the winding L₂ is equal to the resonant frequency f₃ in the waveguide L₃ , f₂ = f₃ = f₁ .

Если произвести настройку каждого в отдельности контура L₁ и L₂ на одинаковую частоту f₀, то при совместной работе резонансная частота f₀ из-за наличия взаимной индукции обмоток L₁ и L₂ будет отличаться от f₀, f₀<f₁, f₀<f₂.If you configure each individual circuit L₁ and L₂ to the same frequency f₀ , then when working together, the resonant frequency f₀ due to the mutual induction of the windings L₁ and L₂ will differ from f₀ , f₀ <f₁ , f₀ <f₂ .

Разница в частотах Δf=f₁-f₀=f₂-f₀ приведет к появлению биений и будет тем больше, чем больше коэффициент магнитной связи обмоток и коэффициент взаимной индукции.The difference in frequencies Δf = f₁ -f₀ = f₂ -f₀ will lead to the appearance of beats and will be the greater, the greater the coefficient of magnetic coupling of the windings and the coefficient of mutual induction.

При наличии колебаний в контуре L₁C₁ электромагнитная энергия передается во вторичную обмотку L₂. Из цепи L₁C₁ электромагнитная энергия передается в спиральный резонатор 5 на частоте f₀ при напряжении V₂=nV₁, где n - коэффициент трансформации трансформатора 4, и токе

.In the presence of oscillations in the circuit L₁ C_1, electromagnetic energy is transmitted to the secondary winding L₂ . From the circuit L₁ C_1, electromagnetic energy is transmitted to the spiral resonator 5 at a frequency f₀ at a voltage of V₂ = nV₁ , where n is the transformation coefficient of the transformer 4, and the current

.

Особенностью четвертьволновой линии является ее способность работать в режиме накачки электромагнитной энергии с последующим освобождением запасенной энергии в короткий промежуток времени. По существу резонансный волновод 5 представляет аналог лазера, работающего в диапазоне низких частот 1-1000 кГц при максимально возможной запасенной мощности и мощности импульсного разряда более 10¹⁰ Вт и импульсном напряжении более 50 MB.A feature of the quarter-wave line is its ability to operate in the pumping mode of electromagnetic energy with the subsequent release of the stored energy in a short period of time. Essentially, the resonant waveguide 5 is an analog of a laser operating in the low frequency range of 1-1000 kHz at the maximum possible stored power and power of a pulse discharge of more than 10¹⁰ W and a pulse voltage of more than 50 MB.

Накачка электромагнитной энергии в волноводе 5 производится от резонансного трансформатора 4 следующим образом. При подаче напряжения от трансформатора 2 падающая волна поступает на вход четвертьволновой линии и отражается обратно от ее разомкнутого конца без изменения фазы волны. Отраженная волна достигает начала волновода 5, замкнутого на L₂, и повторно отражается с изменением фазы волны на 180°. Волна напряжения проходит дважды через четвертьволновую линию 5 (туда и обратно), ее фаза изменяется при движении также на 180° и поэтому ее фаза совпадает с фазой волны, поступающей от источника энергии L₂. В результате амплитуда волны напряжения удваивается через каждые два отражения от конца и начала четвертьволновой линии. Возникает стоячая волна в виде одной четверти синусоидальной волны с началом синусоиды в начале четвертьволновой линии с напряжением V_мин. и максимальным напряжением V_макс. в конце линии.The pumping of electromagnetic energy in the waveguide 5 is made from the resonant transformer 4 as follows. When applying voltage from the transformer 2, the incident wave enters the input of the quarter-wave line and is reflected back from its open end without changing the phase of the wave. The reflected wave reaches the beginning of the waveguide 5, which is closed on L₂ , and is repeatedly reflected with a change in the phase of the wave by 180 °. The voltage wave passes twice through the quarter-wave line 5 (there and back), its phase changes during movement also by 180 ° and therefore its phase coincides with the phase of the wave coming from the energy source L₂ . As a result, the amplitude of the voltage wave doubles every two reflections from the end and beginning of the quarter-wave line. There is a standing wave in the form of one quarter of a sinusoidal wave with the beginning of a sinusoid at the beginning of a quarter-wave line with a voltage of V_min. and maximum voltage V_max. at the end of the line.

Увеличение напряжения на выходе линии 5 определяется не добротностью Q контура, как в обычной разомкнутой линии, а величиной æ, обратной произведению коэффициента затухания волны на длину волновода 5, т.е. æ обратно пропорциональна потерям энергии в волноводе æ=

The increase in voltage at the output of line 5 is determined not by the Q factor of the circuit, as in a conventional open line, but by the value æ inverse to the product of the attenuation coefficient of the wave by the length of waveguide 5, i.e. æ is inversely proportional to the energy loss in the waveguide æ =

Когерентность обеспечивается за счет синхронизации частоты f₀ со скоростью и распространения волны напряжения в волноводе и его длины Н.Coherence is ensured by synchronizing the frequency f₀ with the speed and propagation of the voltage wave in the waveguide and its length N.

Накачка происходит по аналогии с лазером в режиме модулированной добротности, когда добавленная энергия поступает когерентно через промежуток времени Т_к, равный прохождению волны от начала до конца четвертьволновой линии и обратно.Pumping occurs by analogy with a Q-switched laser, when the added energy arrives coherently after a time interval T_k equal to the wave propagation from the beginning to the end of the quarter-wave line and back.

Пример выполнения способа и устройства передачи электрической энергии.An example of the method and device for transmitting electrical energy.

Электрический генератор 1 на фиг.1 имеет электрическую мощность 60 кВА, выходное напряжение V=6 кВ, частоту 50 Гц. Преобразователь частоты 2 имеет на выходе напряжение V₁=6 кВ, частоту 100 кГц.The electric generator 1 in FIG. 1 has an electric power of 60 kVA, an output voltage of V = 6 kV, a frequency of 50 Hz. The frequency converter 2 has an output voltage of V₁ = 6 kV, a frequency of 100 kHz.

Резонансный трансформатор 4 имеет диметр D₁=1,2 м, высоту H₁=2 м. Первичная обмотка состоит из 6 секций, каждая из секций выполнена из медного проводника сечением 35 мм², секции соединены параллельно. Количество витков N₁=25. Индуктивность первичной обмотки L₁=50 мкГн. Полная емкость в первичной обмотке С₁=0,1 мкФ.Resonant transformer 4 has a diameter D₁ = 1.2 m, height H₁ = 2 m. The primary winding consists of 6 sections, each of the sections is made of a copper conductor with a cross section of 35 mm² , the sections are connected in parallel. The number of turns N₁ = 25. Primary Inductance L₁ = 50 μH. The total capacitance in the primary winding is C₁ = 0.1 μF.

Вторичная обмотка состоит из N₂=600 витков, намотанных плотно друг к другу из двух параллельно соединенных проводов диаметром d=1,2·10^-3 м, сечением S=50 мм². Индуктивность вторичной обмотки L₂=12 мГн.The secondary winding consists of N₂ = 600 turns, wound tightly to each other from two parallel-connected wires with a diameter of d = 1.2 · 10^-3 m, section S = 50 mm² . Inductance of the secondary winding L₂ = 12 mH.

Коэффициент трансформации

Transformation ratio

Энергия заряженного конденсатора Q=¹/₂CV². Подставляя С₁=0,1 мкФ, V=6 кВ, получим Q=1,8 Дж.The energy of the charged capacitor Q =_^1/2 CV^2. Substituting C₁ = 0.1 μF, V = 6 kV, we obtain Q = 1.8 J.

Ток разряда конденсатора равен I₁=800 А.The discharge current of the capacitor is I₁ = 800 A.

Резонансная частота в первичной цепи

Resonance frequency in the primary circuit

Подставляя С₁=0,1 мкФ, L₁=25 мкГн, f₁=100 кГц.Substituting C₁ = 0.1 μF, L₁ = 25 μH, f₁ = 100 kHz.

Длина волны

Wavelength

Напряжение на индуктивности L₁ (первичная обмотка резонансного трансформатора):Inductance voltage L₁ (primary winding of a resonant transformer):

Подставляя I=800 А, f₀=100 кГц, L=85 мкГн, получаем V_L1=12560 В.Substituting I = 800 A, f₀ = 100 kHz, L = 85 μH, we obtain V_L1 = 12560 V.

Напряжение на L₂ (вторичная обмотка резонансного трансформатора):Voltage at L₂ (secondary winding of a resonant transformer):

Параметры четвертьволновой резонансной линии: диаметр спирального волновода D=1 м, длина спирального волновода 1,5 м, диаметр провода 1,25 мм, число витков - 80, резонансная частота 100 кГц, время прохождения волны до конца четвертьволновой линии и обратно

емкость сферического конденсатора 100 пФ, коэффициент усиления напряжения в четвертьволновой линии æ=31,9. Напряжение на конденсаторе 6 12·10⁶ В. Время, необходимое для усиления потенциала на емкости 6 с 3,76·10⁵ В до 12·10⁶ В, при отсутствии потерь в линии составит τ=Т_к·æ=5·10^-6 с·31,9=159 мксек.The parameters of the quarter-wave resonance line: the diameter of the spiral waveguide D = 1 m, the length of the spiral waveguide 1.5 m, the wire diameter 1.25 mm, the number of turns - 80, the resonant frequency of 100 kHz, the wave propagation time to the end of the quarter-wave line and back

the capacitance of the spherical capacitor is 100 pF, the voltage gain in the quarter-wave line is æ = 31.9. The voltage across the capacitor is 6 12 · 10⁶ V. The time required to strengthen the potential at the capacitance 6 from 3.76 · 10⁵ V to 12 · 10⁶ V, in the absence of losses in the line, will be τ = Т_к · æ = 5 · 10^-6 s31.9 = 159 μs.

Напряжение V_макс на емкости 6 определяется потерями в четвертьволновой резонансной линии и электрической прочностью изоляции и превышает напряжение на выходе резонансного трансформатора L₂ в 10-300 раз и может достигать величины 100 миллионов вольт.The voltage V_max on the capacitance 6 is determined by the losses in the quarter-wave resonance line and the electric strength of the insulation and exceeds the voltage at the output of the resonant transformer L_{2 by} 10-300 times and can reach 100 million volts.

При резонансной частоте и высоком напряжении на емкости 6 на выходе игольчатого формирователя 7 в атмосфере начинается эмиссия стриммеров, которая формирует проводящий канал 8 от емкости 6 к приемнику излучения 9. За пределами атмосферы проводящий канал формируется путем эмиссии электронов с заостренного конца игольчатого формирователя проводящего канала, и электрическая энергия передается в виде пучка электромагнитного излучения с частотой f₀. Электрическая энергия от источника энергии 1, которая накоплена в емкости 6, поступает по проводящему каналу 8 на приемник 9 и далее на вход высоковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора 12. Низковольтная обмотка 13 трансформатора 12 с помощью емкости 14 настраивается на резонансную частоту волны, которая сформирована в резонаторе 5. В проводящем канале 8 возникают стоячие волны тока и напряжения. Ток последовательного резонансного контура с емкостью 14 поступает на преобразователь частоты 15 и затем в нагрузку 16. Параметры понижающего резонансного трансформатора 12 выбираются аналогично параметрам трансформатора 11.At a resonant frequency and high voltage at the capacitor 6 at the output of the needle shaper 7 in the atmosphere, the emission of streamers begins, which forms a conductive channel 8 from the capacitor 6 to the radiation receiver 9. Outside the atmosphere, the conductive channel is formed by electron emission from the pointed end of the needle shaper of the conductive channel, and electrical energy is transmitted in the form of a beam of electromagnetic radiation with a frequency f₀ . The electric energy from the energy source 1, which is stored in the capacitor 6, is supplied through the conducting channel 8 to the receiver 9 and then to the input of the high-voltage winding of the step-down high-frequency transformer 12. The low-voltage winding 13 of the transformer 12 is tuned to the resonant frequency of the wave, which is formed in resonator 5. In the conductive channel 8 there are standing waves of current and voltage. The current of the series resonant circuit with a capacity of 14 is supplied to the frequency converter 15 and then to the load 16. The parameters of the step-down resonant transformer 12 are selected similarly to the parameters of the transformer 11.

Длина проводящего канала 8 для передачи энергии в атмосфере Земли составляет 150-500 км, за пределами атмосферы Земли - 500-500000 км.The length of the conducting channel 8 for energy transfer in the Earth’s atmosphere is 150-500 km, outside the Earth’s atmosphere - 500-500000 km.

Claims (10)

Translated fromRussian

1. Способ передачи электрической энергии, включающий генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии, отличающийся тем, что высокочастотные электромагнитные колебания, генерированные в высокочастотном резонансном трансформаторе, усиливают по напряжению до 0,5-100 миллионов вольт в четвертьволновой резонансной линии, состоящей из спирального волновода и естественной емкости на конце линии путем подачи на вход четвертьволновой линии электромагнитных колебаний от высокочастотного резонансного трансформатора с частотой f₀=1-1000 кГц, синхронизированной с периодом времени Т₀ движения волны напряжения от входа спирального волновода до естественной емкости и возврата отраженной волны по входу в спиральный волновод

, где Н - длина четвертьволновой линии, u - скорость движения электромагнитной волны вдоль оси волновода, накапливают электрическую энергию в естественной емкости, а проводящий канал формируют путем эмиссии стримеров и создания потока электромагнитного излучения с конца игольчатого формирователя проводящего канала на резонансной частоте f₀=1-1000 кГц при напряжении 0,5-100 миллионов вольт путем соединения естественной емкости четвертьволновой линии с игольчатым проводящим формирователем канала.1. A method of transmitting electrical energy, including the generation of high-frequency electromagnetic waves and transmitting them through a conductive channel between the source and the receiver of electric energy, characterized in that the high-frequency electromagnetic waves generated in the high-frequency resonant transformer, amplify the voltage up to 0.5-100 million volts in a quarter-wave resonance line consisting of a spiral waveguide and a natural capacitance at the end of the line by supplying an input of a quarter-wave line to the omagnitnyh fluctuations from the high frequency transformer resonant frequency f₀ = 1-1000 kHz synchronized with the time period T₀ of the stress wave motion from the input waveguide to the natural spiral capacitance and return the reflected wave at the entrance of the spiral waveguide

where H is the length of the quarter-wave line, u is the speed of the electromagnetic wave along the axis of the waveguide, accumulate electrical energy in a natural capacitance, and the conductive channel is formed by emission of streamers and the creation of a stream of electromagnetic radiation from the end of the needle shaper of the conductive channel at the resonant frequency f₀ = 1 -1000 kHz at a voltage of 0.5-100 million volts by connecting the natural capacity of the quarter-wave line with a needle-shaped conductive channel former.2. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что естественную емкость выполняют в виде сферы из проводящего материала.2. The method of transmitting electrical energy according to claim 1, characterized in that the natural capacity is made in the form of a sphere of conductive material.3. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что естественную емкость выполняют в виде тороида из проводящего материала.3. The method of transmitting electrical energy according to claim 1, characterized in that the natural capacitance is made in the form of a toroid from a conductive material.4. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что естественную емкость выполняют в виде сферического купола, а игольчатый проводящий канал выполняют в виде шпиля с заостренным концом, который соединяют с куполом.4. The method of transmitting electrical energy according to claim 1, characterized in that the natural capacitance is made in the form of a spherical dome, and the needle-shaped conductive channel is made in the form of a spire with a pointed end, which is connected to the dome.5. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее источник электрической энергии, преобразователь частоты и передающий и приемный резонансные высокочастотные трансформаторы с резонансной частотой f₀, установленные у источника и приемника энергии, и проводящий канал между ними, отличающееся тем, что передающий трансформатор с частотой f₀=1-1000 кГц соединен с четвертьволновой резонансной линией, выполненной из спирального волновода с длиной

, где u - скорость распространения электромагнитной волны вдоль оси волновода, и естественной емкости на конце линии с напряжением 0,5-100 MB, емкость соединена с игольчатым проводящим формирователем проводящего канала, который ориентирован на приемник нагрузки, у потребителя.5. A device for transmitting electrical energy, containing a source of electrical energy, a frequency converter and a transmitter and receiver resonant high-frequency transformers with a resonant frequency f₀ installed at the source and receiver of energy, and a conductive channel between them, characterized in that the transmitting transformer with a frequency f₀ = 1-1000 kHz is connected to a quarter-wave resonance line made of a spiral waveguide with a length

where u is the propagation velocity of the electromagnetic wave along the axis of the waveguide, and the natural capacitance at the end of the line with a voltage of 0.5-100 MB, the capacitance is connected to a consumer conductive needle shaper of the conductive channel, which is oriented to the load receiver.6. Устройство для передачи электрической энергии по п.5, отличающееся тем, что естественная емкость выполнена в виде сферы диаметром 0,5-50 м.6. A device for transmitting electrical energy according to claim 5, characterized in that the natural capacity is made in the form of a sphere with a diameter of 0.5-50 m7. Устройство для передачи электрической энергии по п.5, отличающееся тем, что естественная емкость выполнена в виде тороида диаметром 0,5-50 м.7. A device for transmitting electrical energy according to claim 5, characterized in that the natural capacity is made in the form of a toroid with a diameter of 0.5-50 m8. Устройство для передачи электрической энергии по п.5, отличающееся тем, что естественная емкость объединена в одном корпусе с игольчатым формирователем канала и выполнена в виде купола с заостренным шпилем.8. The device for transmitting electrical energy according to claim 5, characterized in that the natural capacity is combined in one housing with a needle channel former and made in the form of a dome with a pointed spire.9. Устройство для передачи электрической энергии по любому из пп.5, 6, 7 и 8, отличающееся тем, что дополнительная четвертьволновая линия со спиральным волноводом и естественной емкостью заключена в изолирующий герметичный корпус и заполнена изолирующим газом, например элегазом.9. A device for transmitting electrical energy according to any one of paragraphs.5, 6, 7 and 8, characterized in that the additional quarter-wave line with a spiral waveguide and a natural capacitance is enclosed in an insulated sealed enclosure and filled with an insulating gas, such as SF6 gas.10. Устройство для передачи электрической энергии по любому из пп.5, 6, 7 и 8, отличающееся тем, что дополнительная четвертьволновая линия со спиральным волноводом и естественной емкостью заключена в изолирующий корпус и заполнена изолирующей жидкостью, например силиконовым маслом.10. Device for transmitting electrical energy according to any one of paragraphs.5, 6, 7 and 8, characterized in that the additional quarter-wave line with a spiral waveguide and a natural capacitance is enclosed in an insulating casing and filled with an insulating liquid, such as silicone oil.