Способ и устройство для передачи электрической энергии

Изобретение относится к электротехнике, к передаче электрической энергии без специально предназначенных для этого электросетей. Технический результат заключается в повышении эффективности передачи электрической энергии и в экономии материалов электропроводов. Положительный результат достигается за счет использования в качестве направляющего канала для потока энергии вместо электрических проводов имеющихся металлических труб, установленных для иных целей, например для прокачки жидкостей или газов. Перенос электроэнергии осуществляется путем возбуждения резонансных колебаний магнитного потока в стенке трубы. При этом магнитный поток на резонансных частотах, лежащих в области (0,3÷300) кГц, возбуждается в двух встречных, азимутально сориентированных по отношению к оси трубы, направлениях. Возбуждение производится системой катушек индуктивности передающего устройства, питаемого генератором электрической энергии на резонансной частоте системы. Вокруг встречно направленных магнитных потоков внутри и снаружи трубы возникает переменное во времени вихревое электрическое поле. Наличие переменных магнитного и электрического полей описанной пространственной конфигурации порождает поток энергии вдоль трубы. Принимающая система конструктивно идентична передающей, в силу чего, оказываясь в потоке энергии, генерирует на выходных клеммах эдс, которая может быть использована для питания электроприемников или для получения механической или тепловой энергии. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам и устройствам для передачи электрической энергии.

Известен способ и устройство для передачи электроэнергии по замкнутой цепи, состоящей из двух или более проводов, трансформаторных подстанций и линий электропередачи (Электропередачи переменного и постоянного тока. Электротехнический справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с.337-352).

Недостатками известного способа являются потери в линиях, составляющие от 5% до 20% в зависимости от длины ЛЭП, и высокая стоимость оборудования. При этом цепь, соединяющая источник энергии и нагрузку, обязательно должна быть замкнутым контуром.

Известен способ питания электротехнических устройств с использованием генератора переменного напряжения, подключаемого к потребителю, в котором напряжение генератора подают на низковольтную обмотку высокочастотного трансформатора, а один из выводов высоковольтной обмотки соединяют с одной из входных клемм электротехнического устройства, при этом изменением частоты генератора добиваются установления резонансных колебаний в образованной электрической цепи.

Устройство, реализующее данный способ, представляет собой источник переменного напряжения с регулируемой частотой, высокочастотный трансформатор, один вывод высоковольтной секции которого изолирован, а второй предназначен для подачи энергии потребителю (патент РФ №2108649, 1998, Авраменко С.В. Способ питания электротехнических устройств и устройство для его осуществления).

Недостатком известного способа является необходимость использования для передачи электроэнергии линии из опор, изоляторов, проводов или кабеля, что увеличивает стоимость передачи электроэнергии.

Другим недостатком является невозможность прямого использования этого способа и устройства для непосредственного питания движущихся электрических транспортных средств: автомобилей, тракторов.

Известен способ передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного генератора и двух, понижающего и повышающего, высокочастотных трансформаторов Тесла, передачи высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему трансформатору Тесла, понижения потенциала его высоковольтного вывода и передачи энергии нагрузке (патент РФ №2255406, 2003, Стребков Д.С., Авраменко С.В., Некрасов А.И. Способ и устройство для передачи электрической энергии).

Недостатком известного способа является необходимость для передачи энергии подключения передающего высокочастотного трансформатора Тесла к двум электрически потенциально различным носителям энергии (однопроводниковая линия и земля), либо к одной, электрически изолированной от земли и находящейся под высоким электрическим потенциалом однопроводниковой линии, что требует использования опор, изоляторов, проводов.

Известен способ и устройство для передачи электрической энергии без металлических проводов с использованием в качестве проводящего канала транспортных трубопроводов с перемещаемым по ним жидким или газообразным веществами. В этом случае, между источником и приемником электрической энергии формируют в электроизоляционной оболочке электропроводящий канал из вещества в жидкой, твердой или газообразной фазе. В проводящем канале генерируют электромагнитные колебания электрического поля между веществом в электроизоляционной оболочке и веществом, окружающим оболочку, при этом за счет резонансных колебаний создают в канале пучности напряжений, а энергию электрического поля канала преобразуют в активную энергию для потребителя (Патент РФ №2172546, 2000. Огребков Д.С., Авраменко С.В. Способ и устройство для передачи электрической энергии).

Недостатком известного способа является необходимость формирования изолированного от окружающей среды проводящего канала, а также применения электрически высокопрочного материала для создания электроизолирующей оболочки проводящего канала, т.к. интенсивность передачи электроэнергии прямо пропорциональна квадрату напряжения в пучности напряжения, возбуждаемой в проводящем канале.

Известны способы и устройства для обеспечения дистанционной передачи телеметрических данных при бурильных работах, использующие электрические и магнитные поля в окружающей среде, образуемые цилиндрическими, либо тороидальными катушками, расположенными на колоннах (Пат. США 6,445,307 В1, 03.09.2002. Drill string telemetry; Пат. США 4,725,837, 16.02.1988. Toroidal coupled telemetry apparatus). Мощности переносящих информацию полей оказывается достаточно при высококачественной передаче информации в проводящей среде (ЕР 0699822 А2, 06.03.1996. A well data telemetry system).

Недостатками известных способов для передачи электрической энергии являются малая величина передаваемой мощности, большие потери и низкий кпд передачи электрической энергии.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа и устройства для передачи электрической энергии с использованием неизолированных трубопроводов в качестве металлических проводников, снижение затрат на передачу электроэнергии за счет исключения таких элементов ЛЭП, как провода, изоляторы, кабели, а также повышение кпд передачи электрической энергии.

Положительный результат достигается тем, что в способе передачи между источником и приемником электрической энергии создают электропроводящий канал в стальной или чугунной трубе путем размещения на ней передающей и принимающей резонансных электромагнитных систем, при помощи передающей резонансной системы возбуждают в стенке трубы в диапазоне 0,3÷300 кГц резонансные колебания магнитного потока, в двух встречных, ортогонально сориентированных по отношению к оси трубы направлениях, индуцируют в стенке трубы и на ее поверхности вихревое электрическое поле, передают вдоль трубы электромагнитную энергию, принимают ее в принимающей резонансной электромагнитной системе и получают эдс, которую используют для питания электропотребителей, или преобразуют в механическую или тепловую энергию любым известным способом.

В варианте способа передачи электрической энергии электропроводящий канал создают в стальной или чугунной изолированной или вращающейся трубе, при этом передающую и принимающую катушки резонансной электромагнитной системы устанавливают на слой изоляции или на расстоянии от трубы, обеспечивающем ее вращение и прохождение по стенке трубы потока электромагнитной энергии, необходимого для передачи заданной мощности.

В другом варианте способа передачи электрической энергии электропроводящий канал создают в стальной или чугунной изолированной или вращающейся трубе, при этом передающую и принимающую катушки резонансной электромагнитной системы устанавливают внутри трубы или в пазах соединительной муфты между двумя участками трубы совместно с электроприемником при установке очередной секции монтируемой бурильной колонны, обсадной трубы или нитки трубопровода.

Устройство для передачи электрической энергии содержит электропроводящую стальную или чугунную трубу с размещенными на ней передающей и принимающей резонансными электромагнитными системами, при этом передающая электромагнитная система соединена с источником электрической энергии через генератор тока повышенной частоты в диапазоне (0,3÷300) кГц, а принимающая энергию вихревого электрического поля резонансная электромагнитная система соединена через инвертор тока с приемником электрической энергии.

В варианте передачи электрической энергии устройство содержит электропроводящую металлическую трубу с размещенными внутри трубы передающей и принимающей резонансными электромагнитными системами.

В другом варианте устройство содержит электропроводящую металлическую трубу с размещенными на поверхности и внутри трубы передающей и принимающей резонансными электромагнитными системами.

Сущность изобретения иллюстрируется на фиг.1-7.

На фиг.1 представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа. Устройство содержит источник питания 1, соединенный с генератором тока повышенной частоты 2, к которому подключена передающая резонансная система возбуждения 3, состоящая из двух противоположно размещенных на трубе 8 катушек возбуждения 4, которые благодаря возбуждаемым магнитным потокам 5 создают в стенках трубы 8 переменное во времени вихревое электрическое поле 6. В результате взаимодействия магнитного 5 и электрического 6 полей возникает поток электромагнитной энергии 7, который передается вдоль трубы 8 к приемной системе 9, с катушками возбуждения 10, где в преобразователе 11 осуществляется обратное преобразование энергии электрического поля в электроэнергию требуемого стандарта для питания нагрузки 12.

На фиг.2 и фиг.3 схематично представлены магнитное 5 и электрическое 6 поля в катушках и стенках трубы передающей резонансной системы, поясняющие предлагаемый способ.

На фиг.2 представлено поперечное сечение трубы 8 с расположенными на ней катушками 4 системы возбуждения 3, силовыми линиями магнитного потока 5 и вихревого электрического поля 6 и линиями потока электромагнитной энергии 7, передающими энергию вдоль трубы 8.

На фиг.3 представлено продольное сечение трубы 8 с катушками 4 системы возбуждения и расположенными на этом участке трубы линиями магнитного потока 5, вихревого электрического поля 6 и линиями потока электромагнитной энергии 7, передающими энергию вдоль трубы 8, к приемнику, поясняющими электромагнитное взаимодействие полей.

Способ передачи электроэнергии осуществляется следующим образом.

Электрическую энергию от источника 1 подают на генератор тока повышенной частоты 2, который обеспечивает питанием током повышенной частоты (0,3÷300) кГц передающую резонансную систему 3, состоящую из двух катушек возбуждения 4, создают благодаря встречно направленным магнитным потоком 5 переменное во времени вихревое электрическое поле 6, получают поток электромагнитной энергии 7, передают ее вдоль трубы 8, принимают на другом участке трубопровода 8 приемной системой 9, состоящей из двух принимающих катушек 10, осуществляют обратное преобразование энергии электромагнитного поля в электроэнергию требуемого стандарта в преобразователе 11 и подают к нагрузке 12.

Возбуждение производится передающей резонансной системой 3 с катушками 4, питаемыми генератором 2 электрической энергией на резонансной частоте системы. Вокруг магнитного потока внутри и снаружи трубы возникает переменное во времени вихревое электрическое поле Наличие переменных магнитного и ортогонального к нему электрического полей порождает поток электромагнитной энергии вдоль трубы. Плотность потока электромагнитной энергии определяется вектором Умова-Пойнтинга

Принимающая резонансная система конструктивно идентична передающей системе, в силу чего, оказываясь в потоке электромагнитной энергии, генерирует на выходных клеммах эдс, которую преобразовывают и используют для питания электроприборов, получения механической или тепловой энергии.

На фиг.4 представлена схема размещения катушки на трубе 8.

На фиг.5 показана схема способа и устройства для передачи электроэнергии вдоль стальной или чугунной трубы, которая может перемещаться вдоль оси или вращаться вокруг своей оси. В этом случае катушки 4 передающей резонансной системы возбуждения 3 и катушки 10 принимающей системы 9 закреплены на некотором расстоянии, обеспечивающем вращение трубы и прохождение магнитного потока, необходимого для передачи мощности.

Генератор тока повышенной частоты 2 в зависимости от передаваемой мощности может быть выполнен либо в виде маломощного генератора, либо в виде мощного генератора с согласующим трансформатором, например в виде трансформатора Тесла.

На фиг.6 представлен участок трубопровода с передающими 4 и принимающими 10 катушками, установленными внутри трубы 8. Обратный преобразователь 11 выполняет функцию инвертора для получения напряжения постоянного или переменного тока, необходимого для питания нагрузки 12.

На фиг.7 представлен участок трубопровода с передающими 4 и принимающими 10 катушками, установленными на внешней и внутренней поверхностях трубы 8.

Электромагнитные системы для приема передаваемой энергии устанавливают по длине трубы на участках с максимальным значением амплитуды электромагнитной волны, в том числе на трубу, имеющую любое изоляционное или защитное покрытие.

Передаваемая электрическая мощность линии передачи электрической энергии по стальной трубе с необходимым числом принимающих нагрузку устройств и расстояние передачи зависят от мощности передающего источника энергии 1, частоты тока и коэффициента затухания электромагнитных колебаний.

В качестве проводящих энергию труб могут быть использованы стальные или чугунные трубы водопроводов, газопроводов или нефтепроводов, а также другие трубопроводы с изоляционным или защитным покрытием или без таковых, которые в силу технологической или иной необходимости находятся в земле или на ее поверхности, в обычной или морской воде или в других средах. В качестве передающих труб могут быть использованы также бурильные полые штанги, соединенные во вращающуюся колонну-жгут или обсадные трубы артезианских скважин.

На вращающейся или перемещающейся в любой среде трубе передающую или принимающую электромагнитную систему устанавливают в специальных пазах соединительной муфты совместно с электроприемником - датчиком или прибором заподлицо с трубой и защищают от механических, температурных и других воздействий окружающей среды.

Способ и устройство могут быть в первую очередь использованы для питания устройств электрохимической защиты магистральных газопроводов, датчиков бурильных колонн и других устройств контроля и передачи телеметрической и другой информации в трубопроводных системах.

1. Способ передачи электрической энергии, включающий передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии, отличающийся тем, что между источником и приемником электрической энергии создают электропроводящий канал в стальной или чугунной трубе путем размещения на ней передающей и принимающей резонансных электромагнитных систем, при помощи передающей резонансной системы возбуждают в стенке трубы в диапазоне 0,3÷300 кГц резонансные колебания магнитного потока, в двух встречных, ортогонально сориентированных по отношению к оси трубы направлениях, индуцируют в стенке трубы и на ее поверхности вихревое электрическое поле, передают вдоль трубы электромагнитную энергию, принимают ее в принимающей резонансной электромагнитной системе и получают э.д.с., которую используют для питания электропотребителей, или преобразуют в механическую или тепловую энергию любым известным способом.

2. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что электропроводящий канал создают в стальной или чугунной изолированной или вращающейся трубе, при этом передающую и принимающую катушки резонансной электромагнитной системы устанавливают на слой изоляции или на расстоянии от трубы, обеспечивающем ее вращение и прохождение по стенке трубы потока электромагнитной энергии, необходимого для передачи заданной мощности.

3. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что электропроводящий канал создают по стальной, или чугунной изолированной, или вращающейся трубе, при этом передающую и принимающую катушки резонансной электромагнитной системы устанавливают внутри трубы или в пазах соединительной муфты между двумя участками трубы совместно с электроприемником при установке очередной секции монтируемой бурильной колонны, обсадной трубы или нитки трубопровода.

4. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что электропроводящий канал создают в стальной, или чугунной изолированной, или вращающейся трубе, при этом передающую и принимающую обмотки резонансной электромагнитной системы выполняют двухсекционными и устанавливают ортогонально первую секцию внутри, а вторую секцию снаружи трубы.

5. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что между источником и приемником электрической энергии создают электропроводящий канал в стальной или чугунной вращающейся трубе, размещая на ней передающую и принимающую энергию электромагнитного поля электромагнитные резонансные системы.

6. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что между источником и приемником электрической энергии создают электропроводящий канал в стальной или чугунной трубе, размещая внутри трубы передающую и принимающую энергию электромагнитные системы.

7. Способ передачи электрической энергии по п.2, отличающийся тем, что между источником и приемником электрической энергии создают электропроводящий канал в стальной или чугунной вращающейся трубе, размещая внутри трубы передающую и принимающие энергию вихревого электрического поля электромагнитные системы.

8. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что между источником и приемником электрической энергии создают электропроводящий канал в стальной или чугунной трубе, размещая на поверхности и внутри трубы передающую и принимающие энергию вихревого электрического поля электромагнитные системы.

9. Способ передачи электрической энергии по п.2, отличающийся тем, что между источником и приемником электрической энергии создают электропроводящий канал в стальной или чугунной вращающейся трубе, размещая на поверхности и внутри трубы передающую и принимающие энергию вихревого электрического поля электромагнитные системы.

10. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее источник и приемник электрической энергии с линией электропередачи, отличающееся тем, что устройство содержит электропроводящую стальную или чугунную трубу с размещенными на ней передающей и принимающей резонансными электромагнитными системами, при этом передающая электромагнитная система соединена с источником электрической энергии через генератор тока повышенной частоты в диапазоне (0,3÷300) кГц, а принимающая энергию вихревого электрического поля резонансная электромагнитная система соединена через инвертор тока с приемником электрической энергии.

11. Устройство для передачи электрической энергии по п.10, отличающееся тем, что устройство содержит электропроводящую металлическую трубу с размещенными внутри трубы передающей и принимающей резонансными электромагнитными системами.

12. Устройство для передачи электрической энергии по п.10, отличающееся тем, что устройство содержит электропроводящую металлическую трубу с размещенными на поверхности и внутри трубы передающей и принимающей резонансными электромагнитными системами.

13. Устройство для передачи электрической энергии по п.10, отличающееся тем, что устройство содержит электропроводящую металлическую трубу с устройством вращения с размещенными на ее поверхности передающей и принимающей резонансными электромагнитными системами.

14. Устройство для передачи электрической энергии по п.10, отличающееся тем, что устройство содержит вращающуюся электропроводящую металлическую трубу с устройством вращения с размещенными внутри трубы передающей и принимающей резонансными электромагнитными системами.

15. Устройство для передачи электрической энергии по п.10, отличающееся тем, что устройство содержит вращающуюся электропроводящую трубу с устройством вращения с размещенными снаружи и внутри трубы передающими и принимающими резонансными электромагнитными системами.