Пристрій перетворення нвч енергії в змінний струм промислової частоти

Пристрій перетворення НВЧ енергії в змінний струм промислової частоти, що містить напівпровідниковий елемент, встановлений у відрізку хвилеводу, та фільтруючі пристрої , який відрізняється тим, що як напівпровідниковий елемент ви використана напівпровідникова структура у вигляді круглої або квазіквадратної в поперечному перерізі пластини з однорідно легованого матеріалу з негативною диференціальною провідністю з металізованими контактними поверхнями - електродами, зверненими до широких стінок відрізка хвилеводу, виконаного прямокутним, при цьому один з електродів через введений блокувальний дросель підключений до джерела постійної напруги, другий - до коливального контуру, резонансна частота якого відповідає одній з промислових частот, при цьому електрофізичні параметри напівпровідникового матеріалу, геометричні розміри напівпровідникової пластини і частота перетворюваного НВЧ сигналу зв'язані співвідношеннями: 92531 (21) a200815171 (22) 29.12.2008 (24) 10.11.2010 (46) 10.11.2010, Бюл.№ 21, 2010 р. (72) ДЗЕНЗЕРСЬКИЙ ВІКТОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, СОКОЛОВСЬКИЙ ІВАН ІВАНОВИЧ, БРОВКІН ЮРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, КРАВЧЕНКО ОЛЕКСАНДР ВАСИЛЬОВИЧ, ПЛАКСІН СЕРГІЙ ВІКТОРОВИЧ, ПОГОРІЛА ЛЮБОВ МИХАЙЛІВНА (73) ІНСТИТУТ ТРАНСПОРТНИХ СИСТЕМ І ТЕХНОЛОГІЙ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ "ТРАНСМАГ" (56) UA 8493 U; 15.08.2005 SU 1566437 A1; 23.05.1990 SU 1363378 A1; 30.12.1987 SU 1427445 A1; 30.09.1988 SU 1628133 A1; 15.02.1991 SU 1195407 A; 30.11.1985 RU 2119691 C1; 27.09.1998 US 2008283109 A1; 20.11.2008 2 (11) 1 Винахід відноситься до енергетики, переважно до космічної електроенергетики, і може бути використаний при побудові інфраструктури сонячних електростанцій, а саме - в системах бездротової передачі енергії на великі відстані. Актуальність такої задачі обумовлена тим, що основні викопні енергетичні запаси планети - нафта і газ - через 15-20 років будуть вичерпані, видо буток вугілля вже сьогодні є нерентабельним, і людство зіткнулося з жорсткою необхідністю ефективного використовування відновлюваних джерел енергії, перш за все сонячної енергії, і в технологічно розвинених країнах, у тому числі і в Україні, проводяться інтенсивні дослідження в цьому напрямку. 3 Проте недостатньо висока середньорічна енергія сонячної радіації на території України (розташованої між 45 і 52 градусами північної широти), оцінювана всього в 4 кіловат-години на квадратний метр поверхні, і істотна сезонна нерівномірність інтенсивності світлової енергії, що досягає поверхні Землі (максимальні значення - від 1000 ватів на квадратний метр в літні місяці до 250 ватів на квадратний метр в зимові місяці), а також звуження спектрального складу досягаючого земної поверхні сонячного випромінювання через фільтруючі властивості забрудненої атмосфери істотно утрудняють використовування сонячного випромінювання, перетворюваного в постійний струм фотоелектричними перетворювачами, встановленими на поверхні Землі. Тому висунута ще в 50-60-х роках [Капица П.Л. Электроника больших мощностей. М.: Изд-во АН СССР, 1962г., а також більш ранні патенти США №№685.956, 787.412, 1119732 і др.] і модифікована в подальший період [пат. США №5.068.669 (1991p.) №5.218.374 (1993p.) №5.293.176 (1994p.); Известия Академии наук, серия Энергетика, М., 2004, с. 3-25; http://www.h-cosmos.ru/papers /kl001.htm] концепція орбітальної сонячної електроенергетики, яка включає перетворення сонячної енергії в постійний струм і потім за допомогою відповідних радіотехнічних пристроїв (переважно магнетронів), що також розташовуються на орбітальній платформі, - в НВЧ енергію, яку у вигляді сфокусованого радіопроменя транспортують на Землю для подальшого перетворення в постійний струм, дозволяє розв'язати проблему ефективного використовування сонячного випромінювання. Упровадження такої технології актуальне вже сьогодні зважаючи на необхідність покриття все зростаючого дефіциту енергії - за рахунок отримання великих (мега- і гігаватних) значень потужності, переважно за рахунок використовування сонячної радіації. При цьому невирішеною є задача перетворення НВЧ енергії високої густини потужності безпосередньо в струм промислової частоти. Відомий електронний НВЧ перетворювач, в якому використовується явище циклотронного резонансу електронів, саме - НВЧ випромінювання, взаємодіючи з потоком носіїв заряду електронної гармати, забезпечує циклотронне обертання електронів, і в області циліндрового електроду, по осі якого проходить електронний потік на шляху до бар'єрного електроду і потім до колектора, відбувається перетворення обертальної енергії електронів в енергію їх поступального руху. Потужність постійного електричного струму виділяється на резисторі (навантаженню), розташованому в ланцюзі, що сполучає колектор з катодом електронної гармати [Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. 1978, Т.ХХІ №10, с.96-100]. Очевидна складність такого способу перетворення НВЧ енергії і пристрою, що його реалізовує: подовжнє магнітне поле, що вимагається для здійснення циклотронного резонансу, повинне мати вельми складну конфігурацію; система живлення фокусуючих електродів, циліндрового електроду з прискорюючим потенціалом і бар'єрного електроду 92531 4 достатньо складна; складним по конструкції і в настройці є і вузол введення НВЧ енергії в електронний потік. Наявність в пристрої катода, що підігрівається, з могутньою емісією електронів різко знижує ресурс роботи перетворювача. Крім того, оскільки на резисторі навантаження виділяється енергія постійного струму, який має обмежені області використовування, то виникає потреба в додатковому перетворювачі постійного струму в змінний, що ускладнює і здорожує систему перетворення в цілому і приводить до зниження коефіцієнта корисної дії. Частково подолати вказані недоліки вдається при використовуванні вакуумних випрямних діодів [СВЧ-энергетика /Под ред. Э. Окресса. М.: Мир, 1971, ТЛ, с.407; IEEE-MTT-Intern. Microwave Symp., 1976, P.142-144]. Хоча по величині оброблюваного НВЧ сигналу одиничний вакуумний діод поступається конвертору, що працює на ефекті циклотронного резонансу, можливість послідовнопаралельного з'єднання великої кількості діодів в матрицю дозволяє частково спростити і здешевити конструювання наземної приймально-випрямної системи - ректени (від англ. rectify - випрямляти і antenna). Проте проблема невисокої довговічності ламп, що пов'язана з погіршенням в процесі експлуатації параметрів катода, і неминучим виникненням механічних коливань великорозмірних анода і катода, накладає серйозні обмеження на вживання цих приладів. І в цілому - вказані технічні рішення по перетворенню НВЧ енергії в живлячі напруги з використанням вакуумних приладів лежать поза магістральними шляхами розвитку сучасної технічної електроніки, яка базується на використовуванні різноманітних фізичних ефектів в напівпровідниках. Найближчим по технічній суті і по результату, що досягається, до винаходу, що заявляється (прототипом), є напівпровідниковий перетворювач НВЧ енергії в енергію постійного струму, що використовується як окремий елемент ректени і містить напівпровідниковий елемент у вигляді діода з бар'єром Шоттки, встановлений у відрізку хвилеводу і підключений через фільтруючі пристрої до джерела змінної напруги і резистора, який є опором навантаження [Тези доповідей X Всесоюзної наукової конференції, 20-23 вересня 1983p., Мінськ, с.252-253 - доповідь «Аналітичний аналіз напівпровідникового випрямляча ректени»]. Пристрій-прототип нескладний конструктивно, легко вписується в конструкцію ректени, проте можливість його функціонування тільки при малих рівнях вхідної НВЧ потужності, так що навіть незначне наднормативне збільшення потужності або величини опору навантаження приводить до збільшення втрат НВЧ сигналу і, відповідно, до зниження коефіцієнта корисної дії, а також до виникнення пробою бар'єру через збільшення зворотної напруги на бар'єрі, що знижує надійність функціонування випрямляча. Крім того, необхідність комутації великої кількості модулів, що входять до складу ректени, через низьку питому потужність (одиниці ватів) і низьку вихідну питому напругу (1...4 В) істотно знижує надійність функціонування 5 всієї приймально-випрямної системи навіть при незначних перевантаженнях унаслідок лавинного пробою, а необхідність перетворення постійного струму в змінний струм введенням додаткового інвертування напруги ускладнює конструкцію і знижує коефіцієнт корисної дії системи. В основу винаходу, що пропонується, поставлена задача підвищення надійності і коефіцієнта корисної дії при одночасному спрощенні конструкції. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої перетворення НВЧ енергії в змінний струм, що містить напівпровідниковий елемент, встановлений у відрізку хвилеводу і підключений через фільтруючі пристрої до джерела змінної напруги, відповідно до винаходу в якості напівпровідникового елементу використана напівпровідникова структура, переважно у вигляді круглої або квазіквадратної в поперечному перетині пластини з однорідно легованого матеріалу з негативною диференціальною провідністю, яка забезпечена металізованими контактними поверхнями - електродами, зверненими до широких стінок відрізка прямокутного хвилеводу, при цьому один з електродів через введений блокувальний дросель підключений до джерела постійної напруги, другий до коливального контуру, резонансна частота якого відповідає одній з промислових частот, при цьому електрофізичні параметри напівпровідникового матеріалу, геометричні розміри напівпровідникової пластини і частота перетворюваного НВЧ сигналу зв'язані співвідношеннями: n0L 15... 4,5 105 см 2 , , n0 2,1... 9,5 105 c см3 , L 5... 20 мм , f1 2 , 0,2... 0,6 Ом см , де n0 - концентрація носіїв заряду (електронів) в матеріалі пластини, L - розмір напівпровідникової пластини в напрямі, співпадаючому з напрямом струму (відстань між електродами), ρ - питомий опір напівпровідникового матеріалу, f1 і f2 - частоти НВЧ сигналу, рівні 2450МГц і 5800МГц. Розміщення напівпровідникової структури переважне у вигляді круглої або квазіквадратної пластини таким чином, що контактні поверхні лежать в площині широких стінок прямокутного хвилеводу, електрична компонента в якому для основної моди H10 лежить в площині поперечного перетину і паралельна вузьким стінкам хвилеводу, забезпечує колінеарність полів - постійного і надвисокочастотного, ефективний контролюючий вплив НВЧ поля на характер формування електричної доменної нестійкості в об'ємі напівпровідника, у тому числі дає можливість забезпечити режим, при якому реактивна складова провідності напівпровідникової структури мінімальна і при якому забезпечується необхідне узгодження напівпровідникової структури з хвилеводною лінією – останнє важливо з погляду отримання високих значень коефіцієнта корисної дії пристрою. Блокувальний дросель, що зв'язує блок постійної напруги з напівпровідниковою структурою, служить для запобігання попадання розвинутого в 92531 6 коливальному контурі струму промислової частоти в блок постійної напруги. Виконання умови по величині добутку концентрації носіїв заряду (електронів) напівпровідникового матеріалу n0 на довжину напівпровідникової структури L забезпечує реалізацію механізму міждолинного перенесення електронів - механізму, що приводить до утворення в об'ємі напівпровідника негативної диференціальної провідності при напруженості поля 2...7кВ/см і виникнення електричної доменної нестійкості, що забезпечує появу зовнішньої (на клемах) негативної провідності напівпровідникової структури. Вказаний інтервал подовжнього геометричного розміру напівпровідникової структури відповідає реальним значенням густини НВЧ потужності, що поступає в ректену, і, відповідно, напруженості надвисокочастотного електричного поля, що розвивається в хвилеводній лінії, при реально досяжних значеннях потужності НВЧ випромінювання, яке поступає з орбітальних фото-НВЧенергоустановок або транспортується між наземними пунктами генерації НВЧ потужності і її споживачами. Інтервал величини питомого опору ρ напівпровідникового матеріалу пластини, що зв'язує концентрацію і рухливість носіїв заряду, визначений для всіх відомих до теперішнього часу напівпровідникових матеріалів групи (арсенід галію, фосфід індію, телурид кадмію і т.д.), технологія виробництва яких достатньо добре освоєна і в яких може бути реалізовано міждолинне перенесення електронів і негативна диференціальна провідність). Співвідношення між концентрацією електронів в напівпровідниковому матеріалі і частотами перетворюваного НВЧ сигналу припускає використовування двох частот випромінювання - 2450Мгц і 5800Мгц, виділених Міжнародною комісією по електрозв'язку для використовування в технологічних виробництвах і які використовуються розробниками сонячних космічних електростанцій, зважаючи на значну радіопрозорість атмосфери для цих частот випромінювання [IEEE Microwave Mag., 2002, No 1, p.36-42; журн. Технологія і конструювання в електронній апаратурі, 2007 №6, с.12-15]. Перераховані конструктивні особливості пристрою і вказані взаємозв'язки електрофізичних і геометричних параметрів об'ємної напівпровідникової структури та параметрів перетворюваного НВЧ сигналу, що одержані в ретельно проведених теоретичних і експериментальних дослідженнях, націлені на те, щоб забезпечити виникнення зовнішньої (на клемах напівпровідникової структури) негативної провідності і виникнення автоколивань в підключеному до напівпровідникової структури коливальному контурі, власні частоти якого відповідають загальноприйнятим значенням частот промислових мереж: 50, 60 і 400Гц, при цьому форма коливань повинна бути максимально наближена до синусоїдальної. На Фіг.1 приведена електрична схема пристрою перетворення НВЧ енергіїв змінний струм промислової частоти, на Фіг.2 приведено графічну побудову, що ілюструє механізм виникнення зовнішньої негативної провідності, на Фіг.3 приведені 7 92531 осцилограми коливань, що виникають в низькочастотному коливальному контурі, де 1 - джерело постійної напруги, 2 - блокувальний дросель, 3 відрізок прямокутного хвилеводу, 4 - рухомий короткозамикаючий поршень, 5 - фільтр нижніх частот, 6 - напівпровідникова структура, 7 - коливальний контур; U, І - напруга на напівпровідниковій структурі і струм через неї, Імакс - максимальне значення струму, Імин - мінімальне значення струму, Um - амплітуда надвисокочастотної напруги, що розвивається в хвилеводі за рахунок поступаючої НВЧ потужності, Uкр - критичне значення напруги на напівпровідниковій структурі, перевищен I так що питома провідність 1 2 2 n U0 Um cos t d t 0 I n , U0 Um cos t що є функцією постійної («підпираючої») напруги U0 і надвисокочастотної напруги Umcosωt, є негативною при великих амплітудах надвисокочастотної напруги, і напівпровідникова структура володіє зовнішнім (на клемах) негативним опором, причому негативним є як статичний, так і диференціальний опір. Тому, якщо до напівпровідникової структури, володіючої зовнішньою негативною провідністю, підключити коливальний контур, на ньому можна одержати напругу на резонансній частоті контуру, у тому числі на промислових частотах. Проведені дослідження експериментальних зразків перетворювача, в яких джерелами НВЧ сигналу частотою 2450Мгц служили магнетрони типа UA М-1, що випускаються вітчизняною електронною промисловістю - Державним підприємством «Генератор» ВО «Октава»; напівпровідникові структури виготовлялися з монокристалічного арсеніду галію фірми Monsanto (США) з ретельно вимірюваними параметрами - концентрації і рухливості електронів; металеві контактні поверхні (електроди) до структур виготовлялися плазмоконденсатним методом [журн. Прилади і техніка експерименту, 1972, №3, с.243-245, авт. Погорілий В.А. і др.]; рухомий короткозамикаючий поршень, що служить для узгодження напівпровідникової структури з хвилеводною лінією і забезпечення високої фіксуючої здатності пристрою, виготовлявся за технологією, представленою в а. с. СРСР №1427445, бюл. №36, 1988, авт. Соколовський І.І. і ін., в цілому підтвердили основні положення, що задекларовані у винаході. На Фіг.3 представлені осцилограми напруг, що розвинулися в коливальному контурі на частоті 50Гц (верхня осцилограма) і на частоті 60Гц (нижня осцилограма), при цьому при конструюванні контуру останній був оптимізований по величині власної добротності на частоті 50Гц, а його функціонування на частоті 60Гц (американський стандарт) забезпечувалося регулюванням величини індуктивності цього ж контуру. Як видно, форма коливань на обох частотах максимально наближена до синусоїдальної і може 8 ня якого приводить до падіння струму при зростанні напруги, так що вольтамперна характеристика (ВАХ) напівпровідникової структури має вид спотвореної букви N (N-образна ВАХ) і до виникнення негативної диференціальної провідності, ω кругова частота, t - час. Як неважко показати, середнє значення густиI ни струму , що протікає через напівпровідникову структуру за рахунок прикладеного до неї постійного і надвисокочастотного напруг може бути визначено з інтегрального рівняння: U0 2 2 0 I d t, U U cos t m бути поліпшена за рахунок підвищення добротності контуру, і сучасні технології отримання матеріалів з високотемпературною надпровідністю дозволяють задовольнити цій умові. Оскільки негативна диференціальна провідність для найбільш освоєного промисловістю матеріалу - арсеніду галію (в Україні виробництво матеріалу освоєно АТЗТ «Чисті метали» м. Світловодськ Кіровоградської області) охоплює діапазон електричних полів до 30кВ/см, то для напівпровідникової структури з подовжнім розміром 10мм, встановленої у відрізку хвилеводу зниженого перетину (з поперечними розмірами 90x22,5мм2 на частоті 2450Мгц) при забезпеченні надійного тепловідводу від напівпровідникової структури можливе перетворення НВЧ сигналу потужністю до 500кВт при коефіцієнті корисної дії 80-90%. Навіть якщо для забезпечення надійного функціонування пристрою шляхом запобігання електричних пробоїв в напівпровідниковій структурі при неоднорідному розподілі електричного поля вхідну НВЧ потужність обмежити 100кВт, то і в цьому випадку матрицю з декількох сотень послідовнопаралельно з'єднаних випрямуючих діодів з бар'єром Шоттки по пристрою-прототипу в практичних реалізаціях ректени можливо замінити одним модулем-перетворювачем по винаходу, що заявляється. Можливе паралельне з'єднання модулівперетворювачів, причому щоб уникнути перевідбитку НВЧ потужності від неповністю злагодженої з хвилеводною лінією напівпровідникової структури, перетворювач може бути побудований по мостовій схемі, а частина НВЧ потужності, що не бере участь в перетворенні в струм промислової частоти, в мостовій схемі може бути перетворена безпосередньо в тепло, що забезпечує, таким чином, повне використовування НВЧ потужності, що поступає з орбітальної фото-НВЧ-енергоустановки. Розроблений перетворювач НВЧ потужності в струм промислової частоти, як і космічна фотоНВЧ-енергетика в цілому, має величезний потенціал розвитку: використовуючи інтенсивний потік сонячного випромінювання, існуючий на геостаціонарній орбіті (більше 1,4кВт/м2) з високим змістом ділянок спектру, ефективно перетворюваних в електрику, вдається передавати одержану енергію 9 на поверхню Землі безперервно - незалежно від часу доби і погодних умов. За рахунок нахилу екваторіальної площини до площини екліптики під кутом 23,5° космічна платформа на геостаціонарної орбіті з відповідним чином розміщеними фотоелектричними перетворювачами постійно освітлена потоком сонячної радіації і лише в невеликі періоди часу (поблизу днів весняного і осіннього рівнодення, що складають менше 1% від загальної тривалості року і ці дні можуть бути легко передбачені) космічна платформа потрапляє в тінь Землі. В Україні освоєно серійне виробництво фотоелектричних перетворювачів (НВО «Квазар», Київ), працездатних в умовах відкритого космосу, магнетронів – важливого компоненту космічних і фото-НВЧ-енергоустановок - з вихідною потужністю 6 кВт (типу UA М-3, ВО «Октава», Київ), когере 92531 10 нтність випромінювання яких дозволяє формувати високоінтенсивні пучки НВЧ випромінювання від множини таких джерел за технологією фазованих антенних решіток і точно направляти їх на Землю. Україна має ракетно-космічну галузь з технологіями розгортання в космосі великогабаритних об'єктів, і хоча комерційні проекти вимагають створення ракетоносіїв нового типу, в даний час з використанням існуючих засобів доставки вантажів на геостаціонарні орбіти можна накопичити значний технологічний досвід і підготувати основу для формування комерційних фотоелектричних енергетичних систем. Розроблений перетворювач НВЧ енергії в струм технічної частоти може виявитися корисним на всіх стадіях становлення сонячної космічної енергетики. 11 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 92531 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601