Передача электрической энергии посредством СВЧ электромагнитного излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Буй Хыу Чык

• Буй Хыу Чык
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Буй Хыу Чык

ОГЛАВЛЕНИЕ

СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И СПОСОБЫ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

1.1 Три способа беспроводной передачи электрической энергии

1.2 Электровакуумные и полупроводниковые приборы, применяемые в беспроводной передаче электрической энергии

Вывод по первой главе

ГЛАВА 2 ФОРМИРОВАНИЕ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ МОЩНОСТИ С ПОМОЩЬЮ МАГНЕТРОНОВ

2.1 Дифференциальное уравнение магнетрона

2.2 Синхронизация группы магнетронов

2.3 Нагрев контактного провода с помощью группы магнетронов

Выводы по второй главе

ГЛАВА 3 СВЧ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

3.1 СВЧ транзисторные генераторы

3.2 Двухтактный СВЧ транзисторный автогенератор

3.3 СВЧ генератор на диоде Ганна

Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4 ДИСТАНЦИОННАЯ БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФАР

4.1 Взаимная синхронизация множеств СВЧ полупроводниковых генераторов

4.2 Передача электрической энергии с наземного терминала на

квадрокоптер

4.3 Передача электрической энергии на отдаленные объекты

Выводы по четвертой главе

ГЛАВА 5 ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Передача электрической энергии посредством СВЧ электромагнитного излучения»

Актуальность работы: Передача электрической энергии от источников ее производства: гидро, тепловых и атомных электростанций - к объектам ее потребления в городах и других населенных пунктах - осуществляется по проводным воздушных линиям электропередачи (ЛЭП), образно выражаясь, «опутывающим» большие территории всех промышленно развитых стран. Помимо отчуждения больших территорий другим серьезным недостатком ЛЭП является обрыв проводов при сложных погодных условиях, в том числе гололеда, а также потери энергии в проводах при ее транспортировании на большие расстояния. По данной причине предложения по беспроводной передаче электрической энергии давно обсуждались в научной среде.

Возможно три способа по беспроводной передаче энергии: индукционный, лазерный и путем сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения. Наибольшими преимуществами среди них имеет способ передачи электрической энергии с помощью СВЧ излучения. Именно теоретическому обоснованию этого способа и некоторым аспектам его практического применения и посвящена настоящая диссертационная работа.

Одним из тех, кто внес наибольший вклад в становление способа беспроводной передачи энергии путем СВЧ излучения является российский ученый академик П.Л. Капица, опубликовавший в 1962 г. фундаментальный труд «Электроника больших мощностей». Приведем одну цитату из этой работы: «Мне думается, что внедрение сверхвысокочастотной электроники в большую энергетику является одним из наиболее обещающих направлений развития современной электротехники». [1]

На современном этапе развития радиоэлектроники реализовать идею акад. Капицы П.Л. о тесном взаимодействии сверхвысокочастотной электроники и электроэнергетики возможно с помощью СВЧ полупроводниковых приборов на основе арсенид галлия и нитрите галлия.

В связи с вышесказанным в диссертационной работе рассмотрены вопросы генерирования СВЧ сигнала повышенной мощности с помощью магнетронов и СВЧ транзисторов, а также формирование узкого направленного луча излучения с помощью фазированной антенной решетки (ФАР).

В работе рассмотрены три конкретных примера по беспроводной передаче электрической энергии. Два из них относятся к дистанционной зарядке аккумуляторов, в том числе расположенных на кварокоптере и труднодоступных объектах, один - к для дистанционному нагреву объекта (конкретно - проводов контактной сети железнодорожного транспорта).

Для решения поставленных задач в рамках диссертационной работы разработан комплекс компьютерных программ. На их основе проведено исследование процесса установления колебаний в нескольких типах СВЧ автогенераторов. Большое внимание в диссертации уделяется взаимной синхронизации большого множества однотипных автогенераторов, что позволяет формировать СВЧ сигнал повышенной мощности без применения специальных сумматоров.

Целью диссертационной работы является разработка научно-технических основ и способов дистанционной передачи энергии посредством СВЧ излучения.

Задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Развитие общей теории по формированию СВЧ излучения повышенной мощности с помощью магнетронов.

2. Развитие способов передачи электрической энергии с применением СВЧ полупроводниковых генераторов и ФАР.

3. Разработка дистанционных способов передачи электрической энергии на транспортные средства, в том числе на беспилотный летательный аппарат (квадрокоптер).

4. Разработка дистанционных способов передачи электрической энергии на отдаленные объекты, в том числе на маяки.

Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались:

- Численные методы решения системы нелинейных дифференциальных уравнений;

- Метод электродинамики;

- Методы компьютерного моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан способ взаимной синхронизации множеств генераторов с целью получения СВЧ сигналов повышенной мощности без применения специальных суммирующих устройств.

2. Впервые предложен и разработан способ по беспроводной передаче электрической энергии на беспилотный летательный аппарат (квадрокоптер) и на отдаленные объекты посредством СВЧ излучения, генерируемого с помощью СВЧ полупроводниковых приборов.

3. Впервые предложен и разработан способ дистанционного нагрева контактных проводов с помощью группы синхронизированных между собой магнетронов.

4. Разработан способ исследования процесса установления автоколебаний полупроводниковых автогенераторов двухтактного типа и на основе диода Ганна.

Практическая ценность.

1. В использовании комплекса разработанных компьютерных программ при инженерном проектировании СВЧ радиопередающих устройств повышенной мощности, значительно превышающей мощность отдельных СВЧ транзисторов.

2. В применении разработанного способа формирования СВЧ излучения повышенной мощности для беспроводной передачи энергии для зарядки аккумуляторов беспилотного летательного аппарата - квадрокоптера.

3. В применении разработанного способа формирования мощности СВЧ излучения повышенной мощности с помощью группы магнетронов для эффективной борьбы с гололедом проводов контактных сетей железнодорожного и трамвайного транспорта.

4. В применении разработанного способа формирования СВЧ излучения повышенной мощности для беспроводной передачи энергии на отдаленные объекты.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Целесообразность взаимной синхронизации множеств полупроводниковых генераторов при формировании мощности СВЧ излучения повышенной мощности, что позволяет повысить промышленный коэффициент полезного действия (КПД) радиопередатчика на 15-20%.

2. В беспроводной передаче электрической энергии на беспилотный летательный аппарат (квадрокоптер), что позволяет экономить время зарядки и не требует возвращение летательного аппарата на базу.

3. В беспроводной передаче электрической энергии на отдаленные объекты, что позволяет осуществлять непрерывный режим их работы в течение года.

Результаты работы внедрены:

В учебный процесс по курсу «Генерирование и формирование телекоммуникационных сигналов» на кафедре «Радиоэлектронных систем и комплексов» ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский технологический университет» (имеется акт о внедрении).

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались и получили одобрение на следующих научно-технических конференциях:

1. 3-я научно-техническая конференция студентов и аспирантов «МИРЭА -Российского технологического университета», 25 май 2018г. «Синхронизация группы магнетронов».

2. Международная научно-практическая конференция «Физико-математические и технические науки как постиндустриальный фундамент эволюции информационного общества», 25 марта 2018г., г. Самара. «Формирование шумоподобного сигнала на основании функции Вейершстрасса».

3. Международная научно-практическая конференция «Проблемы и перспективы развития экспериментальной науки», 26 декабря 2018г., г. Тюмень. «Двухтактный транзисторный автогенератор».

4. 4-ой международной конкурс учебных и научных работ студентов, магистрантов, аспирантов, докторантов «Quality Education - 2018», 20 ноября 2018г., г. Москва. «Формирование СВЧ излучения повышенной мощности», на котором представленная работа получила звание «лауреат» (Приложение 8 ) .

5. Финал международного первенства «Качество образования- 2018» 28 декабря 2018г., г. Москва. «Беспроводная передача электрической энергии», в котором работа получила 1 -ое место (Приложение 8) .

6. Международный конкурс обучающихся и педагогов профессиональных учебных заведений «Professional stars 2018/2019» 4 сессии, 07 февраля 2019г. г. Москва. «Беспроводная передача электрической энергии с наземного терминала на квадрокоптер», в котором работа получила 1-ое место. (Приложение 8)

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 5 работ, 2 из которых в изданиях Перечня ВАК, 1 работа в трудах международных НТК, 2 в других научных изданиях.

Статьи в журналах, входящих в Перечень ВАК:

1. Каганов В.И., Буй Хыу Чык. Формирование СВЧ излучения повышенной мощности //Инженерная физика.- 2018.- №6-С. 12-17.

2. Каганов В.И., Буй Хыу Чык. Беспроводная передача электрической энергии с наземного терминала на квадрокоптер //Инженерная физика.- 2019.- №1-С. 34-38.

Статьи в журналах и сборниках трудов:

1. Каганов В.И., Буй Хыу Чык, Фам Ки. Формирование шумоподобного сигнала на основании функции Вейершстрасса // Физико-математические и технические науки как постиндустриальный фундамент эволюции информационного общества: сборник статей Международной научно-практической конференции (25 марта 2018г, г. Самара).- Уфа:ОМЕГА САЙНС, 2018.- С. 33-36.

2. Буй Хыу Чык. Двухтактный транзисторный автогенератор // Проблемы и перспективы развития экспериментальной науки: сборник статей Международной научно-практической конференции (26 декабря 2018г, г. Тюмень).- Уфа:ОМЕГА САЙНС, 2018.-С. 7-10.

3. Каганов В.И., Буй Хыу Чык. Беспроводная передача электрической энергии // Восточно Европейский научный журнал.- 2018.- №40- С. 34-39.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, 8 приложений и списка литературы. Работа изложена на 106 страницах машинописного текста, иллюстрирована 42 рисунками, список литературы включает 51 наименование и 2 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Буй Хыу Чык

ГЛАВА 5 ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Алгоритмы и расчетные программы в среде Mathcad для исследования взаимной синхронизации множеств автогенераторов, процесса установления автоколебаний полупроводниковых автогенераторов двухтактного типа и на основе диода Ганна были внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «МИРЭА -Российский технологический университет» на кафедре «Радиоэлектронных систем и комплексов» и используются в курсе «Генерирование и формирование телекоммуникационных сигналов» по направлениям подготовки 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы» (программа специалиста) и 11.03.01 «Радиотехника» (программа бакалавриата).

Таким образом, полученные при выполнении диссертационной работы результаты внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский технологический университет». Соответствующий акт внедрения результатов диссертационной работы прилагается.

В диссертационной работе рассмотрены вопросы дистанционной передачи энергии посредством СВЧ излучения. В процессе проведения исследований получены следующие основные результаты:

1. Разработан компьютерный метод моделирования и анализа взаимной синхронизации множества автогенераторов с целью получения СВЧ излучения повышенной мощности.

2. Развит способы передачи электрической энергии с применением СВЧ полупроводниковых генераторов и ФАР.

3. Разработаны алгоритм и соответствующие компьютерные программы исследования процесса установления автоколебаний полупроводниковых автогенераторов двухтактного типа и на основе диода Ганна.

4. Разработаны алгоритм и соответствующие компьютерные программы анализа и моделирования процесса синхронизации множеств магнетронов с целью получения сигналов с одинаковой частотой и фазой колебаний. Рассмотрена возможность применения подобного мощного СВЧ излучения для эффективной борьбы с гололедом проводов контактных сетей железнодорожного и трамвайного транспорта.

5.Разработан способ формирования СВЧ излучения повышенной мощности для беспроводной передачи энергии для зарядки аккумуляторов беспилотного летательного аппарата - квадрокоптера.

6. Разработан способ формирования СВЧ излучения повышенной мощности для беспроводной передачи энергии на отдаленные объекты.

7. Результаты работы внедрены в учебный процесс по курсу «Генерирование и формирование телекоммуникационных сигналов» на кафедре «Радиоэлектронных систем и комплексов» ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский технологический университет».

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Буй Хыу Чык, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Капица П.Л. Электроника больших мощностей . - Успехи физических наук.. 1962г., №10, вып.2.

2. Взаимная индукция. [Электронный ресурс]: Режим доступа URL: http://www.hydromuseum.ru/ru/encyclopedia/glossary/Vzaimnaya_indukciya. Дата доступа: 20.02.2019 г.

3. Беспроводная передача энергии на большие расстояния. [Электронный ресурс]: Режим доступа URL: https://habrahabr.ru/post/219857. Дата доступа: 26.02.2019 г.

4. Беспроводное электричество. Работа и применение. Особенности. [Электронный ресурс]: Режим доступа URL: https://electrosam.ru/glavnaja/ jelektrooborudovanie/ jelektropitanie/besprovodnoe-elektrichestvo. Дата доступа: 26.02.2019 г.

5. Универсальное беспроводное зарядное для электрокаров представила WiTricity: [Электронный ресурс]: Режим доступа URL: https://ecotechnica.com.ua/ technology/2869-universalnoe-besprovodnoe-zaryadnoe-dlya-elektrokarov-predstavi-la-witricity.html. Дата доступа: 27.02.2019 г.

6. Новый стандарт беспроводной зарядки электромобилей поддерживает 11 кВт мощности: [Электронный ресурс]: Режим доступа URL: https://ecotechnica.com.ua/ technology/2950-novyj-standart-besprovodnoj-zaryadki-elektromobilej podderzhivaet-11-kvt-moshchnosti.html. Дата доступа: 27.02.2019 г.

7. Беспроводная передача электричества. [Электронный ресурс]: Режим доступа URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводная_передача_электричест-ва. Дата доступа: 26.02.2019 г.

8. Богушевская В.А. Разработка системы дистанционного энергоснабжения беспилотных летательных аппаратов. Богушевская В.А., Заяц О. В., Масляков Я.Н., и др. // Электронный журнал «Труды МАИ». 2012. — № 51. — C. 1-14.

9. Базухаир М. А. Лазерная космическая энергетика для электропитания летательных аппаратов легче воздуха // Молодой ученый.- 2014.- №8. -С. 136-142.

10. Саввин В. Л. Микроволновая передача энергии - современное состояние, проблемы и перспективы // Известия Российской академии наук. Энергетика. -2008. - №2. - С. 80-87.

11. Япония делает шаг в сторону беспроводной передачи энергии: [Электронный ресурс]: Режим доступа URL: http://www.facepla.net/the-news/5008 -япония-беспроводная-передача-энергии.Ыт! Дата доступа: 26.02.2019 г.

12. Капица Петр Леонидович Эксперимент, теория практика. Редакторы: Боровик-Романов А. С., Рубинин П. Е.-М.:Издательство «Наука»,1974.-288c.

13. Электронные приборы сверхвысоких частот. Учебник и пособие. Под ред. Шевчика В. Н., Григорьева М. А. - Саратов: Издательство Саратовского университета, 1980. - 416с.

14. Кацман Ю.А. Приборы сверхвысоких частот. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов. Том II. Учебник для вузов. - М.: «Высш. школа», 1973. - 384с.

15. Горохов В. Г. От классической радиолокации к радиолокационной системотехнике(социальный и методологический анализ истории становления и развития современной научно-технической дисциплины) I // Электронный журнал "Исследовано в России",105, 2009. -C. 1299-1346.

16. Диденко А. Н. СВЧ - энергетика: Теория и практика / А. Н. Диденко; Отв. ред. Я. Б. Данилевич. - М.: Наука, 2003. - 446 с.

17. Суходолец Л. Г. Мощные вакуумные СВЧ- приборы: учебное пособие по изучению ЭВП СВЧ. - М.: Издательство ИКАР, 2014. - 272с.

18. Готовцев А.А. Справочник металлиста в 5-ти т. Т.1 Изд. 3-е, перераб. Под ред. С.А. Чернавского, В.Ф. Рещикова. - М.: "Машиностроение". 1976. - 768с.

19. Гольцова М. Мощные GaN-трагоисторы истинно революционная технология // Электроника: наука, технология, бизнес,- 2012.-№4. - С. 86-101.

20. Кулиев М. В. Обзор современных GaN-транзисторов и направления развития // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы.-2017. - №2 .-С.18-28.

21. Вячеслав Гавриков. Мощные нитрид-галлиевые транзисторы (GaN) от EPC -конец эры кремния? // Журнал«Новости Электроники»,-2015.-№7. - С. 3-11.

22. Collins G. B. Microwave magnetrons. New York: McGraw-Hill Book Company INC, 1948. - 806р.

23. Зусмановский С.А. (ред.) Магнетроны сантиметрового диапазона. -М: Советское радио, 1950. - 421с.

24. Бычков С.И. Магнетрон. -М.: Воениздат, 1957. - 51с.

25. Иванов И., Курушин А. Синхронизация магнетронов с выводом энергии в свободное пространство. - М.:Современная электроника,2013. -№7.- С. 46-49.

26. Система борьбы с обледенением проводов контактной сети // ЖДМ. -2012. -№ 11. - С. 37-40.

27. Пат. 2356148 C1 Российская Федерация. Способ и устройство для борьбы с гололедом на линиях электропередачи // Каганов В. И., заявитель и патентообладатель Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА) - № 2008119101/09; заявл. 15.05.2008; опубл. 20.05.2009, Бюл. № 14; 13 с.: 7 ил.

28. Джексон Дж. Классическая электродинамика. -М.: Мир, 1965. - 703c.

29. Каганов В.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Компьютеризированный курс: учебное пособие. - М. ФОРУМ: ИНФРА-М, 2013. - 432с.

30. Каганов В.И. Колебания и волны в природе и технике. Компьютеризированный курс: Учебное пособие для вузов. -М.: Горячая линия-Телеком, 2008. - 336с.

31. Бочаров Л.Н., Жебряков С.К., Колесников И.Ф. Расчет электронных устройств на транзисторах. - М.: Энергия, 1978. -208с.

32. Милехин А. Г. Радиотехнические схемы на полевых транзисторах. - М.: Энергия, 1976. -144с.

33. Howes M.J., Morgan D.V. Microwave Devices. Device Circuit Interactions. -London, New York, Sydney, Toronto.1976. - 402p.

34. Каганов В.И. Радиопередающие устройства: учебник для сред.проф. образования. - М.: ИРПО: Издательский центр « Академия», 2002. - 288с.

35. Кэррол Дж. СВЧ генераторы на горячих электронах. Перевод с английского кандидатов физ.-мат. наук М.Е. Левинштейна и М.С. Шура, под редакцией канд. физ.-мат. наук Б.Л. Гельмонта. -М.: Мир, 1972. -384 с.

36. Мультикоптер. [Электронный ресурс]: Режим доступа URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Мультикоптер. Дата доступа: 25.02.2019 г.

37. Ларионов Д. В. Беспроводная передача энергии // Молодой ученый. — 2018. — №44. — С. 39-41.

38. Амитей Н., Галиндо В., Ву Ч. Теория и анализ фазированных антенных решеток. -М.: Мир, 1974. - 458с.

39. Воскресенский Д.И. Устройства СВЧ и антенны. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., и др. Учебное пособие. -М.: Радиотехника, 2006. -376с.

40. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988. - 432с.

41. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1975. - 528 с.

42. В. Данилин, Т. Жукова, Ю. Кузнецов и др. Транзистор на GaN пока самый "крепкий орешек". // Электроника: НТБ, -2005. -№4. - С. 20-29.

43. Каганов В.И. СВЧ полупроводниковые передатчики. -М.: Радио и связь, 1981. - 397с.

44. Алексеев О.В., Головков А.А., Митрофанов А.В. Генераторы высоких и сверхвысоких частот. - М: Высшая школа, 2003. - 326 с.

45. Point-to-point wireless power transportation in reunion island // 48th International Astronautical Congress, Turin, Italy, 6-10 October 1997 - IAF-97-R.4.08. J. D. Lan Sun Luk, A. Celeste, P. Romanacce, L. Chane Kuang Sang, J. C. Gatina - University of La Réunion - Faculty of Science and Technology.

46. Wireless Power Transmission. [Электронный ресурс]: Режим доступа URL: https://energypedia.info/wiki/Wireless_Power_Transmission. Дата доступа: 07.03.2019 г.

47. Каганов В.И. Радиоэлектронные системы автоматического управления. Компьютеризированный курс. -М.: Горячая линия -Телеком, 2009. - 432с.

48. Каганов В.И., Буй Хыу Чык. Формирование СВЧ излучения повышенной мощности // Инженерная физика. - 2018. -№6. - С. 12-17.

49. Каганов В.И., Буй Хыу Чык. Беспроводная передача электрической энергии с наземного терминала на квадрокоптер // Инженерная физика. - 2019. - №1. -С. 34-38.

50. Буй Хыу Чык. Двухтактный транзисторный автогенератор // Проблемы и перспективы развития экспериментальной науки: сборник статей Международной научно-практической конференции (26 декабря 2018г, г. Тюмень). - Уфа:ОМЕГА САЙНС, 2018. - С. 7-10.

51. Каганов В.И., Буй Хыу Чык. Беспроводная передача электрической энергии // Восточно Европейский научный журнал. - 2018. -№40.- С. 34-39.