專利名稱：用于從帶電粒子束中直接提取能量的電路的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及電路，并且更具體地涉及便于從作為受控的聚變反應的結果的帶電粒子中提取能量并且根據需要以整功率因數、超前功率因數或滯后功率因數將所述能量發送到電網的電路。
背景技術：
受控的聚變發電將使充裕而清潔的能源成為可能。此項課題在美國及世界引起了重要的研究工作。所報導的方法典型地基于將聚變能量轉換為熱能，然后轉換為電能。在發明名稱為“以場反轉構造的受控聚變和直接能量轉換(Controlled fusion in a field reversed configuration and direct energy conversion) ”白勺美國專禾U No· 6，611，106 (' 106專利)(以引用的方式將其并入本文)所描述的可替換方法中，可通過利用四極(quadropole)逆回旋力口速轉換器(ICC: inverse cyclotron converter)使帶電粒子減速而將帶電粒子束以動量形式所攜帶的受控聚變能量直接轉換成電力。這樣，預期可得到更高的能量轉化率。所需要的關鍵技術是從ICC中提取能量并將其注入公用電網 (utility grid)ο因此，所期望的是提供一種被用于使等離子粒子減速、從該減速效應中提取能量、 將該等離子能量直接轉換為電能并且將該電力發送到電網的功率電子電路。
發明內容
本文所描述的聚變能量提取電路(FEEC)裝置的示例性實施例僅代表所述FEEC裝置的許多可能的實現的幾個例子，而絕不是意圖限制本說明書的主題。在一個實施例中，所述FEEC裝置優選地包括并網雙向轉換器組件和諧振轉換器組件。所述雙向轉換器組件可以為了不同的目的而實現超前相位、滯后相位或整功率因數并網轉換器。所述諧振轉換器優選地包括逆回旋加速轉換器(ICC)、電感器以及多個電路開關， 所述多個電路開關形成將直流電壓斬波(chop)為脈沖波形的電橋。所述ICC優選地被構造為具有起電容器作用的兩個或更多個擋板(Plate)或者四極擋板，其與電感器共同起諧振回路的作用。所述擋板優選地是伸長的，這些擋板的弓形橫截面形成伸長的環形圓筒腔室，并且在所述擋板之間形成軸向延伸的伸長間隙。在所述FEEC裝置的啟動期間，能量從所述公用電網經由所述并網雙向轉換器組件流向所述諧振轉換器。這建立了諧振并且激發了跨所述擋板之間的間隙所形成的四極電場。在發電或能量提取期間，來自例如聚變過程的帶電粒子束的帶電粒子隨著粒子束穿過所述ICC而被所述四極電場減速。同樣在發電期間，所述ICC的四極擋板將以鏡像電流的形式收集損失的能量。然后，所述鏡像電流將經由所述諧振轉換器和所述并網雙向轉換器組件流向所述公用電網。所述并網轉換器在啟動時間期間起交流/直流整流器的作用，而在發電期間起直
4流/交流并網逆變器的作用。在這兩種情況下，所述并網轉換器將根據需要以整功率因數、 超前功率因數或滯后功率因數進行操作，從而提供有功功率和無功功率(VAR)。為了實現電場激發和能量提取，優選的是精確地控制所述諧振轉換器的諧振頻率和電壓。所述頻率在這種情況下被固定在稍高于所述諧振回路的諧振頻率處，而同時可以通過切換圖形調制和反饋調節來實現電壓控制。兩種調制方法，即相移調制(PSM)和脈沖寬度調制(PWM)均能提供電壓控制。通過將所感測到的諧振電壓與基準進行比較來實現反饋調節，而同時其誤差被用于調制所述諧振轉換器中的開關的相位或脈沖寬度。通過這種調制，按照操作模式的自動雙向能量流動得以保證。在FEEC裝置的可替換實施例中，諧振導體(resonant conductor)可以實現串聯連接的多個鐵氧體電感器以優化所述FEEC裝置的操作。串聯連接的諧振電感器相對于單個諧振電感器而言具有若干優點。通過將所感測到的諧振電壓與基準進行比較來實現反饋調節，而同時其誤差被用于調制所述諧振轉換器中的多個開關的相位或脈沖寬度。在另一示例性實施例中，諧振轉換器的反饋控制環路可以被利用以便于自動雙向功率流。所述反饋控制環路由諧振電壓感測電路、誤差補償器以及PWM或PSM脈沖發生器組成。經過考察下述附圖和詳細說明之后，本發明的其他系統、方法、特征以及優點對于本領域的技術人員而言將顯而易見或將變得明顯。目的在于所有這樣的附加的系統、方法、 特征以及優點都涵蓋在本說明書之內、處于本發明的范圍內并且通過所附權利要求而受到保護。如在上文中所提及的，目的還在于本發明不限于示例性實施例的細節。
通過研究附圖可部分地探明包括制造、結構以及操作在內的本發明的細節，在所述附圖中相同的參考標號指代相同的部分。圖中的組件不一定按比例繪制，而是著重于示出本發明的原理。此外，所有示意旨在傳達概念，其中相對的尺寸、形狀以及其他具體特征可示意性地而非照字面或精確地示出。圖1是聚變能量提取電路(FEEC)的示意圖。
圖2是具有等效的鏡像電流源的諧振轉換器電路的示意圖。
圖3是示出并聯諧振回路的波特圖的曲線圖。
圖4是示出脈沖寬度調制方法示意的曲線圖。
圖5是示出脈沖寬度調制發生機制的曲線圖。
圖6是提供相移調制示意的曲線圖。
圖7是相移調制發生電路的示意圖。
圖8是聚變能量提取電路的反饋環路的示意圖。
圖9是諧振電壓感測電路的示意圖。
圖10是描繪響應于所注入的粒子的功率流的動態波形的仿真結果的曲線圖。
圖11是描繪電容器(模擬所述四重擋板)處的諧振電壓的實驗結果的曲線圖。
具體實施方式
本文所描述的系統和方法針對直接聚變能量提取。圖1是描繪聚變能量提取電路(FEEC)裝置100的優選實施例的框圖。FEEC裝置 100由并網雙向轉換器組件110和諧振轉換器120組成。在圖1中的FEEC裝置100的優選實施例中，雙向轉換器組件Iio實現三相并網轉換器112。然而，應理解的是雙向轉換器組件110可以為了不同的目的而實現不同因數的相位的并網轉換器。例如，可以為了更低功率的應用而實現單相并網轉換器(未示出)。在FEEC裝置100的優選實施例中，諧振轉換器120包括逆回旋加速轉換器 (ICC) 122和多個開關S1-S4。在’ 106專利(以引用的方式將其并入本文)中更加詳細地描述了 ICC 122，其優選地被構造為具有多個擋板124，所述多個擋板在這個實例中以四極構造被示出。ICC 122的四極擋板IM被用作電容器，并且與電感器L共同形成諧振回路 130，將在下文中對此進行更加詳細的描述。擋板IM優選地是伸長的，這些擋板的弓形橫截面形成伸長的環形圓筒腔室，并且在所述擋板之間形成軸向延伸的伸長間隙。當向所述擋板施加電流時，跨擋板之間的間隙形成多極電場。在裝置啟動期間，能量從公用電網114經由并網雙向轉換器組件110流向諧振轉換器120，從而建立諧振并且激發諧振轉換器120的四極電場。在發電/能量提取期間，來自舉例來說諸如聚變過程的帶電粒子束穿過ICC 122并且被跨ICC 122的擋板IM之間的間隙所形成的四極電場減速。同樣在發電/提取期間，四極擋板122將以鏡像電流is的形式收集損失的能量。然后，鏡像電流is將經由諧振轉換器120和并網雙向轉換器組件110 流向電網114。并網轉換器110在啟動時間期間起交流/直流整流器的作用，而在發電時間期間起直流/交流并網逆變器的作用。在這兩種情況下，并網轉換器110將根據需要以整功率因數、超前功率因數或滯后功率因數操作，從而提供有功功率和無功功率(VAR)。為了使諧振轉換器120實現電場激發和能量提取，優選的是精確地控制諧振頻率和電壓。頻率在這種情況下被固定在稍高于諧振回路130的諧振頻率處以確保零電壓軟切換，而同時可以通過切換圖形調制和反饋調節來實現電壓控制。下面檢驗兩種調制方法，即相移調制(PSM)和脈沖寬度調制(PWM)。這兩種調制方法均能完成電壓控制的任務；然而， PSM方法為動態策略(maneuver)產生更寬的操作范圍。通過將所感測到的諧振電壓與基準進行比較來實現反饋調節，而同時其誤差被用于調制諧振轉換器120中的開關S1-S4的相位或脈沖寬度。通過這種調制，按照操作模式的自動雙向能量流動得以保證。圖2是描繪諧振轉換器120的示例性實施例的示意圖，其中直流電壓vd。由并網雙向轉換器110提供(在圖1中也示出了 Vde)。這里，諧振轉換器120包括多個開關Si、S2、 S3以及S4。開關S1、S2、S3以及S4形成電橋，該電橋以切換頻率fs將直流電壓vd。斬波成跨AB的脈沖波形vAB，所述切換頻率仁遠高于電網114的頻率。電容器C代表ICC 122的四極擋板124。如在上文中所指出的，電容器C和電感器L形成諧振回路130。僅vAB的基頻將通過諧振回路130，在該諧振回路130中其獲得增益H(s)，并且將跨四極擋板122呈現為正弦波形vs。電流源is代表當帶電粒子被減速時經校正的鏡像電流，而電阻R。代表來自帶電粒子的熱量和輻射損失。諧振回路的增益H(S)為
權利要求
1.一種能量提取電路，所述電路包括 并網雙向轉換器；以及諧振轉換器，其包括多極逆回旋加速轉換器、電感器以及多個電路開關，所述多極逆回旋加速轉換器包括兩個或更多個伸長擋板，所述擋板的弓形橫截面形成伸長的環形圓筒腔室，并且在所述兩個或更多個擋板之間形成軸向延伸的伸長間隙，其中所述兩個或更多個擋板起與所述電感器諧振的電容器的作用，其中所述多個電路開關被構造為形成將直流電壓斬波為脈沖波形的電橋。
2.根據權利要求1所述的電路，其中所述并網雙向轉換器被構造為與電網交流電壓對接。
3.根據權利要求2所述的電路，其中所述并網雙向轉換器被控制為實現雙向功率和無功功率流。
4.根據權利要求3所述的電路，其中所述諧振轉換器根據H橋或半橋諧振轉換器來構造。
5.根據權利要求3所述的電路，其中所述諧振轉換器由反饋控制環路進行調節，所述反饋控制環路具有諧振電壓感測電路、補償器、調制發生器以及與所述諧振轉換器的接口。
6.根據權利要求5所述的電路，其中所述調制發生器是脈沖寬度調制發生器。
7.根據權利要求5所述的電路，其中所述調制發生器是相移調制發生器。
8.根據權利要求5所述的電路，其中所述調制發生器調節所述諧振轉換器的諧振電壓。
9.一種能量提取電路，所述電路包括并網雙向轉換器和諧振轉換器。
10.根據權利要求9所述的電路，其中所述諧振轉換器包括四極逆回旋加速轉換器，其中四極擋板被構造為起與電感器諧振的電容器的作用。
11.根據權利要求10所述的電路，其中所述并網轉換器被構造為在操作的啟動模式期間起交流/直流整流器的作用，而在操作的發電模式期間起直流/交流并網逆變器的作用。
12.根據權利要求11所述的電路，其中所述并網轉換器被構造為以整功率因數、超前相位或滯后相位中的至少一個進行操作。
13.一種用于在包括諧振轉換器和并網雙向轉換器的系統中從帶電粒子中提取能量的方法，所述方法包括下述步驟接收從公用電網到所述包括諧振轉換器和并網雙向轉換器的系統的能量，其中所述諧振轉換器包括多極逆回旋加速轉換器、電感器以及多個電路開關，所述多極逆回旋加速轉換器包括兩個或更多個伸長擋板，所述擋板的弓形橫截面形成伸長的環形圓筒腔室，并且在所述兩個或更多個擋板之間形成軸向延伸的伸長間隙，其中所述兩個或更多個擋板起與所述電感器諧振的電容器的作用，其中所述多個電路開關被構造為形成將直流電壓斬波為脈沖波形的電橋；建立所述多極逆回旋加速轉換器的諧振；以及跨所述兩個或更多個擋板的間隙激發多極電場。
14.根據權利要求13所述的方法，其還包括下述步驟 在所述諧振轉換器中接收帶電粒子；使所述帶電粒子減速以從所述帶電粒子的動能中提取電能；以及由所述兩個或更多個伸長擋板以鏡像電流的形式從使所述帶電粒子減速中收集損失的能量。
15.根據權利要求14所述的方法，其還包括下述步驟 使鏡像電流流過所述諧振轉換器；以及使鏡像電流經由所述并網轉換器流回所述公用電網。
16.根據權利要求14所述的方法，其還包括將所提取的電能送回所述公用電網的步
全文摘要
本文提供了一種具有并網雙向轉換器和諧振轉換器的聚變能量提取電路(FEEC)裝置。所述諧振轉換器可包括帶有兩個或更多個擋板或者四重擋板的逆回旋加速轉換器和多個電路開關。所述雙向轉換器可包括三相并網轉換器。所述FEEC裝置能夠使等離子粒子束減速，由此從該減速中提取能量，將所提取的能量轉換為電能，并且將所述電能發送到電網。
文檔編號H02J3/38GK102265498SQ200980128404
公開日2011年11月30日 申請日期2009年6月29日 優先權日2008年6月27日
發明者韋塞爾 F., 斯梅德利 K., 鄭仁和, 顧明穎 申請人:加州大學評議會