Пристрій передачі електроенергії без проводів

Пристрій для передачі електроенергії без проводів, що містить антену передавача електроенергії з генератором електроенергії та антену приймача електроенергії з опором навантаження, який відрізняється тим, що антени передавача і приймача електроенергії виконані котушками індуктивності в формі півпсевдосфер і мають гвинтову намотку, при цьому антена передавача з'єднана послідовно із генератором електроенергії і заземленням, а антена приймача з'єднана послідовно із опором навантаження і заземленням . (19) (21) a200709441 (22) 20.08.2007 (24) 26.01.2009 (46) 26.01.2009, Бюл.№ 2, 2009 р. (72) КРЮК ВІТАЛІЙ ГРИГОРОВИЧ, UA, ЯЦИШИН ВІТАЛІЙ АНАТОЛІЄВИЧ, U A, БЕЛЬДІЙ МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ, U A (73) КРЮК ВІТАЛІЙ ГРИГОРОВИЧ, UA, ЯЦИШИН ВІТАЛІЙ АНАТОЛІЄВИЧ, U A, БЕЛЬДІЙ МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ, U A (56) UA 78002 C2, 15.02.2007 UA 72497 C2, 15.03.2005 UA 79626 C2, 10.07.2007 3 85476 електроенергії і заземленням, а антена приймача із опором навантаження і заземленням. На Фіг.2 схематично зображено винахід - пристрій передачі електроенергії без проводів (ППЕЕ); Фіг.3-7 ілюструють опис роботи ППЕЕ. Фіг.3 ілюструє псевдосферу із паралелями і меридіанами, а Фіг.4 -утворюючу криву - трактрису; на Фіг.5 зображено штучні і природні електромагнітні поля, які взаємодіють в ППЕЕ; Фіг.6 ілюстр ує напруги і струми в ППЕЕ, а на Фіг.7 схематично зображено установку, на якій експериментально здійснено передачу електроенергії без проводів із ККД » 1. ППЕЕ Фіг.2 містить передавач, антена 1 якого є котушкою індуктивності в формі півпсевдосфери і з'єднана послідовно із генератором електроенергії 2, та приймач, антена 3 якого є також котушкою індуктивності в формі півпсевдосфери і з'єднана послідовно із опором навантаження 4; генератор електроенергії 2 і опір навантаження 4 з'єднані із заземленням 5. Розглянемо роботу ППЕЕ. Форма антен ППЕЕ - півпсевдосфери є половинами псевдосфери Фіг.3, яка, в свою чергу, є тілом кручення трактриси навколо асимптоти Х'Х Фіг.4. Трактриса - це геометричне місце точок, які залишає за собою один із кінців відрізка а, якщо його другий кінець рухається по прямій Х'Х. АО = а - висота трактриси (j0 = 90°); М - точка дотику до трактриси відрізка МР = а (j 0 < 90°) [3, стор.822]. Суттєво, що псевдосфера, будучи безкінечно видовженою вздовж асимптоти Х'Х тілом, має кінечну площу поверхні (Sn) рівну площі поверхні сфери (Sc) з радіусом r = а і кінечний об'єм (Vn) æ1 ö ç Vc ÷ рівний половині об'єму цієї сфери è 2 ø , тобто (1) Sn = Sc = 4pa2 = 4pr 2 1 2 1æ4 ö (2) Vn = Vc = pa 3 = ç p r3 ÷ 2 3 2 è3 ø [3, стор.827]. Відомо, що потужність випромінювання електромагнітної енергії (Р) через замкнену поверхню за одиницю часу визначається формулою r r r rr r P = ò W dS = ò EH dS (3) S S , r rr де W = EH - вектор об'ємної щільності (густини) потоку електромагнітної енергії - вектор Поr йнтінга; dS - елемент площі S замкненої поверхні [4, стор.101]. Враховуючи, що H E= 120 p , де 120p = 377Ом - хвилевий опір вільного простору, і що для сфери [ ] ë û ò dS = 4pr 2 E= 30P r [4, стор.102]. Формула (4) є базовою в розрахунках напруженості електричного поля Е в практиці радіозв'язку при заданих величинах Р і r. З оглядом на рівність (1) формула (4) є чинною для поверхні як у формі сфери, так і у формі псевдосфери. Але з'являються нові можливості тоді, коли, відповідно із теоремою Остроградського-Гауса, залежність (3) пов'язується із об'ємами (2), тобто (4) ò P= S= S c = Sn rr rr rr [EH]dS = ò di n[EH]dV = 2 ò din[EH]dVn ¹ 0,, =0 Vc Vn (5) де залежність (5) розглядається в двох варіантах: 1) складові залежності (5) не рівні нулю, при цьому вони характеризують енергетично відкриту систему (наслідком якої є результат (4)); 2) складові залежності (5) рівні нулю, при цьому складова, яка пов'язана із об'ємами псевдосфери, може характеризувати енергетично закриту (ізольовану) систему, процеси в якій визначаються рівністю rr rr ò din EH dVn 1 S = - ò din EH dVn 1 S (6) 2 2 Vn Vn , де індексом 1/2S зазначені половини площі S=Sc = Sn , яка обіймає два об'єми Vn в межах об'єму Vc відповідно із (1) і (2) (Фіг.5а). Рівність (6) описує вн утрішній, резонансний баланс електромагнітної енергії в закритій системі із об'ємом Vc, в якій назустріч один одному рухаються два потоки електромагнітної енергії [5]. Саме в такій системі можливі рівність КЕН = 1 між падаючим і відбитим потоками електромагнітної енергії. Але, згідно з винаходом, Фіг.2, передаюча і приймальна антени є півпсевдосфери, а не псевдосфери. Тому, в рівності (6) числові коефіцієнти слід розділити на два, тобто [ ] 1 2 [ ] [ ] [ ] rr rr 1 din EH dVn 1 S ¹ - ò di n E H dVn 1 S 2 4 4 Vn Vn , ò (7) де знак нерівності ¹ свідчить, що система передавач-приймач при цьому стала енергетично відкритою і, як наслідок, в такій системі КЕН ¹ 1. Цей факт спонукає на виявлення, пошуки електромагнітного посередника, який би енергетично замкнув простір між передачею і приймальною антенами ППЕЕ. Таким беззаперечним посередником слугують електричне і магнітне поля Землі, які існують між передаючою і приймальною антенами ППЕЕ. На Фіг.5б схематично зображено ці поля-посередники, де зазначені також об'єми і площі поверхні псевдосфер в співвідношенні із об'ємом і площею сфери навколо Землі. Враховуючи роботу [6], в динаміці електричне і магнітне поля Землі представляються (аналогічно (6)) рівністю r r r r di n E Å HÅ dVn Å 1 = - din EÅ H Å dVn Å 1 (8) SÅ SÅ ò [ VnÅ S на основі (3) одержують 4 ] 2 ò [ Vn Å ] 2 Для наступного кроку маємо зважити на два фактори: 1. Відомо, що об'ємне диференціювання величин описує стан їх в точці (в мікрооб'ємі) простору 5 85476 [7, стор.541]. Це стосується і дивергенції (витоку) електромагнітної енергії від складових нерівності (7), яка супроводжується вихрями (rot, роторами) електричного і магнітного полів, тобто rr r r r r (9) di n EH = H rot E - E rot H . 1 4 ë û = Рівність (9) описує стан електромагнітних хвиль (квантів) довжиною від рентгенівських і інфрачервоних (від мікрохвиль), які здатні іонізувати молекули і атоми довкілля і, як наслідок, проявляти дію електричного (і магнітного) поля Землі [5], до наддовгих (до мегахвиль). Це стосується і складових рівняння (8), які описують стан електромагнітних хвиль (квантів), зв'язаних із Землею. 2. Беззаперечно, що, за любих обставин, передаюча і приймальна антени ППЕЕ знаходяться на одній стороні Землі. Перший фактор стверджує взаємозв'язок між складовими нерівності (7) і рівності (8), другий взаємозв'язок складових нерівності (7) може бути тільки із одною складовою рівності (8), яка при цьому розділяється на дві частини між складовими нерівності (7). В підсумку, враховуючи зазначені два фактора, на основі (7) і (8) маємо рівність rr r r 1 1 din E H dVn 1 S din E Å HÅ dVnÅ 1 S = 2 2 4 4 Å Vn VnÅ (10) r r rr 1 1 = din E Å HÅ dVnÅ 1 S din E H dVn 1 S , 2 4 Å 2 4 ò [ ] ò [ ò [ ] Vn яка, оскільки згідно із (2) маємо 1 1 Vn = Vc 2 4 , приводиться до вигляду = 1 4 ò [ V 1 4 ò [ ] rr din EH dVс Vn ] r r din E Å H Å dVc Å 1 SÅ 4 rr Vn 1 4 1 1 S4 4 ò [ що ілюструється на Фіг.6. В резонансній системі, яка описується залежністю (12) втрати енергії надзвичайно малі; тому P ККД = н » 1 Рг , що підтверджується експериментом. На Фіг.7 схематично зображено установку по передачі електроенергії без проводів. Антени 1 і 3 ідентичні; вони мають такі дані: а=10см, х1=а ==10см (Фіг.4), кількість витків 375 дроту ПЭЛШО-0,23. Кожна з цих антен, як показали вимірювання, має індуктивність L » 11мГн і резонує на частоті f = 600кГц (l = 500м); розрахована на основі формули 1 f= 2p LC власна ("паразитна") ємність склала величину С = 5пФ. Відстань між антенами 1 і 3 має величину l = 1,8м (величина l розраховується); вольтметри ] 1 4 r r din E Å H Å dVcÅ Vc Å ò [ ] r r din E Å H Å dVс Å Vn Å ò [ ] V rr 1 din EH dVc 4 cÅ с 1 S4 ò din [E r Vn Å 1 S 4 Å ( ë û) ] Pг = U г I г ® ò din [EH]dV r Å HÅ ]dVс Å 14S ò [ ] rr 1 di n EH dVc 4 Vc Å = (11) 1 4 , S Рівність (10) і її еквівалент - (11) описують закриту в енергетичному відношенні систему, оскільки ліві і праві частини їх є, згідно із (1) і (2), половинами об'ємів сфери, які обмежені половинами площ сфери. Цим стверджується, що між половинами такої системи існує електромагнітний зв'язок із коефіцієнтом КЕН = 1 і можлива передача енергії із ККД » 1. Дійсно, в цій закритій системі існують штучно rr r r створені din EH і природні din E ÅH Å потоки електромагнітної енергії, які, на перерізі лівої і правої частин рівності (11), знаходяться в резонансній рівновазі. Причому, ця резонансна рівновага не порушиться і тоді, коли в ліву частину рівності (11) ввести джерело енергії, а із правої - цю енергію вивести (утилізувати). Саме ці функції і виконує ППЕЕ, яким від генератора 2 через антену 1 ввоrr диться енергія di n[EH ] в енергетично закриту систему (11), а через антену 3 на опорі навантаження 4 ця енергія виводиться; при цьому, енергія r r rr di n[E ÅH Å ] є лише переносником енергії di n[EH ] . За одиницю часу енергія від генератора 2 визначається потужністю Рг = UгIг, а на опорі навантаження 4 - потужністю Pн = Uн Iн, які доповнюють рівняння (11) до вигляду ò [ ] Vn Å 6 ( ë 1 SÅ 4 û) = (12) 1 S 4 ® Pн = U н I н , c V1 і V2 фіксують напруги на виході генератора 2 (Uг) і на опорі навантаження 4 (Uг); перемикач П1 дозволяє включати генератор 2 або до антени 1, або до еквівалентного опору Re, а перемикач П2 дозволяє включати до антени 3 або опір навантаження 4, або, з метою візуальної демонстрації, чотири лампи розжарення Н1-Н4 по 26В 0,12А (потужність Р = 4×26×0,12 = 12,48Вт). Виміри показали, що генератор 2 навантажується однаково і в режимі передачі електроенергії без проводів (перемикачі П1 і П2 в положенні Фіг.7), і в режимі роботи на еквівалентний опір Re (перемикач П1 в положенні включення Re). Оскільки Re = Rн = 1000Ом, то це свідчить прорівність струмів Іг = І н = І е і напруг Uг = Uн = Uе = 100В. 7 В підсумку результати експерименту свідчать про рівність потужностей U2 U 2 100 2 Pг = Uг Iг = e = Pн = UнIн = н = = 10Вт Re R н 1000 і, як наслідок, про величину P 10Вт KKD = н » =1 Pг 10Вт . 85476 Таким чином, на відміну від відомого ППЕЕ [1], працездатність (промислова спроможність) запропонованого ППЕЕ доведена експериментально. Література 1. Крюк В.Г., Яцишин В.А., Бельдій М.М. "Пристрій передачі електроенергії через вільний простір", Бюл. №2, 2007. 8 2. Мейнке X., Гундлах Ф.В. "Радиоте хнический справочник", том 1, М-Л, Тосэнергоиздат", 1961. 3. Выгодский М.Я. "Справочник по высшей математике" М. "Наука", 1963. 4. Катушев A.M., Голубева Н.С. "Основы радиоэлектроники", М. "Энергия", 1969. 5. Сивухин Д.В. "Общий курс физики", том III, M. "Наука", 1977. 6. Крюк В.Г. "Естественная система единиц на базе единиц естественного времени", Киев, "ХаГар", 2001. 7. Бронштейн Н.Н., Семендяев К.А. "Справочник по математике", М. "На ука", 1964. 9 Комп’ютерна в ерстка Л.Литв иненко 85476 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601