Передача электроэнергии: существующие способы и разработки

К истокам появления

В 1893 году в Чикаго прошла выставка. Это была демонстрация беспроводного освещения, где все питалось от люминесцентных ламп. Эта работа принадлежала Николе Тесле.

Теперь вы тоже можете повторить эксперимент — просто встаньте с люминесцентной лампой под высоковольтной линией. И тогда это было больше похоже на сеанс магии, поэтому изобретатель обрел такую ​​популярность.

Сегодня не все ученые согласятся с тем, что именно Тесле пришла в голову идея создания беспроводного электричества. Они считают, что его работа — это доработка уже существующей идеи. Например, за 73 года до выставки Андре Ампер записал закон, согласно которому при приложении электрического тока создается магнитное поле.

Одиннадцать лет спустя Майкл Фарадей открыл закон индукции. Был проведен эксперимент, который показал, что магнитное поле, возникающее в одном проводнике, индуцирует ток в другом проводнике.

В 1864 году произошло объединение всех теорий. Работа принадлежит Джеймсу Максвеллу. Он придумал уравнение, описывающее электромагнитное поле, а также связь с электрическими зарядами и токами в вакууме.

Двадцать семь лет спустя Тесла модернизировал волновой передатчик, который чуть раньше изобрел Герц. Он запатентовал его как устройство радиочастотного питания.

Высокое напряжение, как способ уменьшения потерь

Несмотря на то, что во внутренних сетях большинства потребителей, как правило, 220/380 В, электроэнергия передается им по сети высокого напряжения и снижается на трансформаторных подстанциях. Для такого рабочего устройства есть веские причины, дело в том, что наибольшая доля потерь приходится на нагрев проводов.

Потери мощности описываются следующей формулой: Q = I2 * Rl ,

где I — сила тока, проходящего по линии, RL — ее сопротивление.

Исходя из вышеприведенной формулы, можно сделать вывод, что снизить затраты можно за счет снижения сопротивления в ЛЭП или снижения силы тока. В первом случае придется увеличить сечение провода, это недопустимо, так как приведет к значительному удорожанию ЛЭП.

При выборе второго варианта приходится повышать напряжение, то есть введение высоковольтных линий приводит к снижению потерь мощности.

Принцип работы

Беспроводное электричество — это буквально передача электричества на расстояние без использования проводов. Чаще эту технологию сравнивают с передачей информационных данных, например с помощью Wi-Fi, мобильного телефона. Сейчас разрабатываются специальные методы, позволяющие усовершенствовать процесс и сделать его плавным, без перерывов.

В основе этой технологии лежат магнетизм и электромагнетизм, а также простые принципы работы. Речь идет о наличии системы, состоящей из двух катушек — передатчика и приемника. Благодаря их совместной работе регенерируется переменное магнитное поле, а затем возникает непостоянный ток.

Напряжение в приемной катушке используется, например, для зарядки аккумулятора или питания смартфона. Электрический ток, проходящий по проводу вокруг кабеля, создает круговое поле. Тот виток провода, который остался без тока, получает электрический ток от первого витка. Это обеспечивает индуктивную связь.

Как происходит передача?

Если рассматривать последние разработки американских и корейских исследователей, то ведущая роль в них принадлежит магнитно-резонансным системам CMRS и DCRS. Технология исследователей из Южной Кореи более совершенна.

Они были способны передавать электрическую энергию на пять метров. За счет работы с компактными дипольными катушками ДКРС появилась возможность запитать каждого потребителя в помещении средних размеров без использования проводов.

Конечно, современное оборудование не столь совершенно, так как есть ограничение на длину пути электричества по воздуху. Но мировые ученые работают над этим. Уже сегодня можно увидеть, как в повседневную жизнь приходят новые достижения.

Технологии

Речь идет о наиболее перспективных направлениях, связанных с разработкой новых способов и способа транспортировки электроэнергии без контакта с веществом.

Ультразвуковой способ

Технология была продемонстрирована десять лет назад. Студенты из Пенсильванского университета использовали ультразвуковой передатчик и приемник для демонстрации своего эксперимента. Дальность действия достигала десяти метров.

Передаваемые частоты не оказывали никакого воздействия на людей или животных. Но были и минусы: низкий КПД и отсутствие прямой видимости между «узлами».

Электромагнитная индукция

Чтобы понять принцип работы, вспомните, как работает обычный трансформатор. Имеются две катушки и ток, идущий от первичной обмотки к вторичной.

У этого метода есть недостаток. Находится рядом с катушками. Другими словами, в космос уходит много энергии.

Метод электростатической индукции

Суть прохождения энергии через тело диэлектрика. Метод называется «Емкостная связь». За счет работы генератора возникает электрическое поле, которое возбуждает разность потенциалов. Последнее происходит между двумя электродами.

Микроволновое излучение

Ценник на такое оборудование довольно высок. Но работа не отстает — она ​​имеет большой размах. Передатчик представляет собой радиоантенну. Он отлично справляется с созданием микроволнового излучения. Приемник снабжен выпрямителем, преобразующим последний в электрический ток. Благодаря этой технологии приемник можно разместить на большом расстоянии от передатчика.

Лазерный метод

Энергия передается путем преобразования ее в луч. Последний идет на фотоэлемент приемника. Это позволяет передавать большой объем. Но есть нюанс — планы срываются на атмосферу и пропадает энергия. Конечно не все, но процентов шестьдесят точно. Эту технологию можно использовать и в безвоздушных помещениях.

Электропроводность Земли

Гидросфера и залежи металлических руд используются для передачи электроэнергии на низких частотах. Источником залежи могут стать крупные залежи кварцевого песка.

Всемирная беспроводная система

Метод возник в 1904 году. Тесла заявил, что создание такой системы с использованием повышенной электропроводности плазмы и земли вполне возможно.

Способы передачи электроэнергии

Электроэнергия, или переменный ток, передается от источника к потребителю по проводам или подземным кабельным линиям. Эти методы актуальны уже много лет. Это связано с тем, что не существует технологии, способной передавать электроэнергию на большие расстояния с минимальными потерями и при этом сохранять полную мощность.

И метод должен быть еще максимально надежным и дешевым.

Принцип работы и объяснение схемы:

1. В начале цепи находится генератор, вырабатывающий электричество.
2. От генератора напряжение подается на трехфазный трансформатор для увеличения мощности. От него электричество поступает по ЛЭП (ЛЭП).
3. После линии электропередач напряжение поступает на трехфазный понижающий трансформатор.
4. От трансформатора напряжение поступает к потребителю, со значительным занижением.

Для постоянного тока предусмотрен выпрямительный блок, который расположен после повышающего трансформатора. После прохождения по линии электропередач постоянный ток должен сначала дойти до устройства для преобразования постоянного тока в переменный и только потом до понижающего трансформатора.

Воздушные и кабельные линии

Расход электроэнергии на воздушные и кабельные линии имеет определенную закономерность. В начале расположения находится источник энергии, а именно силовая установка. Электростанция подает перенапряжение в распределительную линию, на конце которой стоит понижающий трансформатор.

Самым большим недостатком такой схемы как раз и является необходимость подачи слишком большого количества электроэнергии. Это связано с потерей доли напряжения на расстоянии. Способы такой передачи 2.

Воздушные линии представляют собой сеть высоковольтных проводов, подвешенных к столбам или опорам. Этот метод очень распространен и эффективен. Но он также имеет ряд недостатков:

• большие затраты труда и материалов на этапе доставки новым потребителям на дальние расстояния;
• потеря значительной доли мощности на каждый километр;
• требование выдачи большой мощности в начале (от силовой установки);
• повреждение магнитным полем человека;
• высокая вероятность повреждений и разрушений от стихийных бедствий;
• большие трудности при прокладке линий электропередач в труднопроходимых районах.

Воздушные линии снабжают потребителя переменным током. По дальности и мощности они делятся на следующие категории:

1. Воздушные линии напряжением до 1 кВ считаются низковольтными. Они являются окончанием схемы передачи потребителю.
2. Линии напряжением от 1 до 35 кВ считаются средними.
3. Высоковольтными линиями считаются ВЭЛ напряжением 110-220 кВ. Эти линии являются началом цепи передачи напряжения.
4. ВЭЛ напряжением 330–750 кВ относятся к категории сверхвысокого напряжения.
5. К сверхвысокому напряжению относятся ВЭЛ напряжением выше 750 кВ.

Чем выше напряжение, тем большее расстояние оно должно пройти от источника до потребителя.

Кабельные линии работают по аналогичному принципу. Они также имеют переменный ток. Но такие линии проводят под землей или под водой. Основными недостатками такого переноса являются:

1. Большие трудности и затраты при укладке. Кабельные линии прокладывают в местах, где невозможно или опасно прокладывать воздушные линии.
2. Также наблюдается падение напряжения с расстоянием.
3. Существует риск механического повреждения или растяжения кабеля.
4. В случае повреждения, особенно в воде, существует риск ступенчатого напряжения.
5. Найти и устранить повреждение очень сложно.

В настоящее время существует 2 схемы передачи электроэнергии от источника к потребителю по воздушным или кабельным линиям:

1. разомкнутая цепь. Эта передаточная диаграмма представляет источник напряжения и потребитель в виде прямой линии. Недостатком такой компоновки является отсутствие резерва на случай повреждения секции.
2. Замкнутая цепь (более надежная). В ней источник и все потребители заключены в кольцо или сложную цепь. При повреждении части провода подача питания не прекращается.

Подобные схемы также делятся на категории

Существует 3 типа разомкнутой цепи:

1. Радиальная схема подключения, где на одном конце находится блок питания, а на другом конце потребитель энергии.
2. Основная схема аналогична радиальной, но имеет дополнительные отводы на потребление.
3. Расположение основного источника, при котором между двумя источниками находится потребитель.

Также существует 3 типа замкнутых контуров:

1. Кольцевая схема с одним источником и потребителем.
2. Основная цепь с резервным источником.
3. Сложная замкнутая схема подключения специальных потребителей.

Все эти схемы связаны с передачей постоянного тока потребителю. Передача и распределение электроэнергии аналогичным образом осуществляется одинаково для российских и зарубежных сетей.

Читайте также: Автоматический и ручной переключатель фаз: назначение, выбор, подключение и настройка

Постоянный ток

Другим способом передачи электрического тока потребителю является постоянный ток. Такой ток выпрямляется. Он содержится в аккумуляторах, аккумуляторах, зарядных устройствах. Такая электроэнергия до сих пор поставляется потребителям в некоторых странах, но в очень небольших количествах.

Он производится солнечными панелями. Постоянный ток может подаваться по существующим линиям электропередач и кабелям заземления. Преимущества такого трансфера заключаются в следующем:

1. Потеря мощности с расстоянием отсутствует. Нет необходимости повышать напряжение на электростанции.
2. Статическая стабильность не влияет на передачу и распределение.
3. Нет необходимости настраивать частотную синхронизацию.
4. Напряжение может передаваться только по одной линии с контактным проводом.
5. Отсутствие влияния электромагнитного излучения.
6. Минимальная реактивная мощность.

Постоянный ток для потребителя не только подается из-за огромных затрат на оборудование для электростанций.

Проводимость электрического тока и процент завышения в начале передачи во многом зависят от сопротивления самой линии передачи. Можно уменьшить сопротивление — и, следовательно, нагрузку — путем охлаждения до сверхнизкой температуры. Это поможет увеличить расстояние передачи энергии и значительно снизить потери.

На сегодняшний день не существует технологии снижения температуры ЛЭП. Эта технология чрезвычайно дорогая и требует серьезных изменений в конструкции. Однако в районах Крайнего Севера этот метод работает достаточно хорошо и сильно занижает процент передачи электроэнергии и потерь из-за расстояния.

Беспроводная передача

передача и распределение электроэнергии потребителям без использования проводов – реальность сегодняшнего дня. Этот метод впервые придумал и воплотил в жизнь Никола Тесла. В настоящее время ведутся разработки в этом направлении. Есть только 3 основных способа.

Катушки

Катушки индуктивности представляют собой изолированные провода, намотанные в спираль. Метод передачи тока состоит из 2 катушек, расположенных рядом друг с другом. Если на одну из катушек подать электрический ток, то на другой появится магнитное возбуждение того же напряжения.

Любое изменение напряжения на катушке передатчика изменится на катушке приемника. Этот метод очень прост и имеет шанс на существование. Но есть и недостатки:

• нет возможности подать высокое напряжение и получить его, поэтому нельзя обеспечить напряжением несколько потребителей одновременно;
• невозможно передать электричество на большое расстояние;
• коэффициент полезного действия (КПД) для этого метода составляет всего 40 %.

В настоящее время актуальны способы использования катушек в качестве источника и приемника энергии. Таким образом заряжаются электрические скутеры и велосипеды. Есть проекты электромобилей без аккумулятора, но со встроенной катушкой.

В качестве источника предлагается использовать дорожное покрытие, а в качестве приемника – автомобиль. Но затраты на строительство таких дорог очень высоки.

Лазер

Передача электричества через лазер представляет собой источник, преобразующий энергию электричества в лазерный луч. Луч фокусируется на приемнике, который преобразует его обратно в электричество. Laser Motive смог передать электрический ток 0,5 кВ с помощью лазера на расстояние 1 км.

При этом потери напряжения и мощности составили 95%. Причиной пропажи стала атмосфера Земли. Пучок многократно сужается при взаимодействии с воздухом. Также проблемой может стать обычное преломление луча случайными объектами. Подобный метод без потери мощности может быть актуален только в космосе.

Микроволновая передача

В основе передачи электричества микроволнами лежит способность 12-сантиметровых волн с частотой 2,45 ГГц быть невидимыми для атмосферы Земли. Такая функция может минимизировать потери при передаче. Этот метод требует передатчика и приемника. Люди давно создали передатчик и преобразователь электрической энергии в микроволновую энергию.

Это изобретение называется магнетрон. Он есть во всех микроволновых печах и очень безопасен. Но с изобретением приемника и преобразователя микроволн обратно в электричество возникли проблемы.

В 60-х годах прошлого века ректенну изобрели американцы. Другими словами, микроволновый приемник. С помощью изобретения удалось передать 30 кВт электрического тока на расстояние 1,5 км. При этом коэффициент убыточности составил всего 18%. На большее установка не была способна из-за использования полупроводниковых деталей в ствольной коробке.

Чтобы принимать и передавать больше энергии с помощью выпрямителя, необходимо создать огромную приемную панель. Это увеличит потребление энергии, частоту и длину волны и, следовательно, процент связанных потерь. Высокая радиация может убить все живое в радиусе десятков метров.

В СССР был изобретен циклотронный преобразователь микроволн в электричество. Это была 40-сантиметровая трубка, уже закрепленная на лампах. КПД устройства составил 85%. Но для этого метода самым большим недостатком является способ крепления на светильники.

Устройства на основе таких деталей могли бы вернуть человечество в мир огромных телефонов, компьютеров размером с комнату. Вы можете забыть об электрических миниатюрных приборах.

Передачу микроволн можно организовать из космоса. Аналогичный проект предусматривал сбор солнечной энергии с помощью спутника и перенаправление ее на приемник, расположенный на поверхности Земли.

Но для этого необходимо построить спутник диаметром в один километр и приемник диаметром в 5 километров. Вы можете совершенно забыть о полетах в зоне действия системы.

Основная проблема беспроводной передачи энергии — расстояние и атмосферное преломление. Также стоит учитывать мощность. Суммарная потребляемая мощность всех электроприборов в квартире составляет 30–40 кВт. Чтобы обеспечить электричеством одну квартиру, приходилось строить гигантские сооружения.

На сегодняшний день единственным способом передачи энергии большой мощности является провод. Не требует прямого и обратного преобразования электрической энергии. Достаточно использовать высокое напряжение в начале и значительно снизить его в конце. Этот метод имеет ряд недостатков, но остается актуальным на протяжении многих лет.