Передача электроэнергии на расстоянии

Ультразвук для передачи энергии

Любая волна переносит энергию, в том числе и звуковые волны высокой частоты. Существует три подхода к беспроводной передаче электричества:

  • передача электрической энергии через преобразование в другой вид энергии в источнике и обратное преобразование в электричество в приемном устройстве;
  • создание и использование альтернативных проводников электричества (плазменных каналов, столбов ионизированного воздуха и т. д. );
  • использование токопроводящих свойств литосферы Земли.

Метод применения ультразвука относится к первому подходу. В источнике ультразвука особого вида при подаче электропитания возникает направленный пучок звуковых волн высокой частоты. При их попадании на приемник энергия звуковых волн преобразуется в электрический ток.

Максимальное расстояние передачи электроэнергии без проводов составляет 10 метров. Результат получен в 2011 году представителями университета Пенсильвании во время презентации в рамках выставки «The All Things Digital». Этот метод не считается перспективным из-за нескольких его недостатков: низкий КПД, малое получаемое напряжение и ограничение на силу излучения ультразвука санитарными нормами.

Применение электромагнитной индукции

Хотя большинство людей даже и не подозревает об этом, этот метод используется уже очень давно, практически с самого начала использования переменного тока. Самый обычный трансформатор переменного тока является простейшим устройством беспроводной передачи электроэнергии, только расстояние передачи при этом очень маленькое.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора не соединены в одну цепь, а при протекании переменного тока в первичной обмотке возникает электроток во вторичной. Перенос энергии при этом происходит посредством электромагнитного поля. Поэтому этот метод беспроводной передачи электроэнергии использует преобразование энергии из одного вида в другой.

Уже разработаны и успешно используются в быту ряд приборов, работа которых основана на этом методе. Это и беспроводные зарядные устройства для мобильных телефонов и других гаджетов, и бытовые электроприборы с низким потреблением электроэнергии при работе (компактные камеры видеонаблюдения, всевозможные датчики и даже телевизоры с жидкокристаллическими экранами).

Многие специалисты утверждают, что электротранспорт будущего будет использовать беспроводные технологии зарядки аккумуляторов или получения электроэнергии для движения. В дороги будут вмонтированы индукционные катушки (аналоги первичной обмотки трансформатора). Они будут создавать переменное электромагнитное поле, которое при проезде транспорта над ним вызовет течение электротока во встроенной приемной катушке. Первые эксперименты уже проведены и полученные результаты вызывают сдержанный оптимизм.

Из достоинств такого способа можно отметить:

  • высокий КПД для небольших расстояний (порядка нескольких метров);
  • простота конструкции и освоенная технология применения;
  • относительная безопасность для здоровья людей.

Недостаток метода — малое расстояние, на котором передача энергии эффективна — существенно снижает область применения беспроводного электричества на основе электромагнитной индукции.

Использование различных микроволн

Этот метод также основан на преобразовании разных видов энергии. В роли переносчика энергии служат электромагнитные волны сверхвысокой частоты. Впервые этот метод описал и практически реализовал в своей установке японский физик и радиотехник Хидэцугу Яги в двадцатых годах прошлого века. Частота радиоволн для передачи электроэнергии без проводов находится в диапазоне от 2,4 до 5,8 ГГц. Уже протестирована и получила положительные отзывы экспериментальная установка, которая одновременно раздает Wi-Fi и запитывает слабомощные бытовые электроприборы.

Лазерный луч также является электромагнитным излучением, но с особым свойством — когерентностью. Оно уменьшает потери энергии при передаче и тем самым повышает КПД. Из достоинств можно отметить следующие:

  • возможность передачи на большие расстояния (десятки километров в атмосфере Земли);
  • удобство и простота установки для маломощных приборов;
  • наличие визуального контроля процесса передачи — лазерный луч виден невооруженным глазом.

Лазерный метод имеет и недостатки, а именно: сравнительно низкий КПД (45−50%), потери энергии из-за атмосферных явлений (дождь, туман, пылевые тучи) и необходимость нахождения передатчика и приемника в поле видимости.

Перспективы беспроводной передачи электричества

В близкой перспективе ожидается массовое внедрение в быт системы PoWiFi, состоящей из роутеров с функцией передачи электроэнергии на несколько десятков метров, и бытовых приборов, питание которых осуществляется за счет приема электричества из радиоволн. Такая система в данный момент активно тестируется и готовится к широкому использованию. Детали не разглашаются, но по имеющейся информации «изюминка» заключается в том, что используется синхронизация электромагнитных полей источника и приемника беспроводного электричества.

В очень отдаленной перспективе рассматривается вариант отказа от использования традиционных электростанций в глобальном масштабе — будут использоваться солнечные станции на околоземной орбите, преобразующие энергию солнечного света в электрическую. На поверхность планеты электричество предположительно передаваться будет через ионизированный воздух или плазменные каналы. А на самой земной поверхности исчезнут обычные линии электропередачи, их место займут более компактные и эффективные системы передачи электричества через литосферу.

Беспроводное электричество стало известно с 1831 года, когда Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Он экспериментально установил, что меняющееся магнитное поле, порождаемое электрическим током, может индуцировать электрический ток в ином проводнике. Проводились многочисленные опыты, благодаря чему появился первый электрический трансформатор. Однако полноценно воплотить идею передачи электричества на расстоянии в практическом применении удалось лишь Николе Тесла.

На Всемирной выставке в Чикаго в 1893-м году он показал беспроводную передачу электричества, зажигая фосфорные лампочки, которые отстояли друг от друга. Тесла продемонстрировал множество вариаций по передаче электричества без проводов, мечтая, что в будущем данная технология позволит людям передавать энергию в атмосфере на большие расстояния. Но в это время это изобретение ученого оказалось невостребованным. Лишь век спустя технологиями Николы Теслы заинтересовались компании Intel и Sony, а за тем и иные компании.

Как это работает

Беспроводное электричество в буквальном смысле представляет передачу электрической энергии без проводов. Часто эту технологию сравнивают с передачей информации, к примеру, с Wi-Fi, сотовыми телефонами и радио. Беспроводная электроэнергия – это сравнительно новая и динамично развивающаяся технология. Сегодня разрабатываются методы, как безопасно и эффективно передавать на расстоянии энергию без перебоев.

Технология основана на магнетизме и электромагнетизме и базируется на ряде простых принципов работы. В первую очередь это касается наличия в системе двух катушек.

  • Система состоит из передатчика и приемника, генерирующих вместе переменное магнитное поле непостоянного тока.
  • Это поле создает напряжение в катушке приемника, к примеру, для зарядки аккумулятора или питания мобильного устройства.
  • При направлении электрического тока через провод вокруг кабеля появляется круговое магнитное поле.
  • На мотке проволоки, куда не поступает электрический ток напрямую, начнет поступать электрический ток от первой катушки через магнитное поле, в том числе вторую катушку, обеспечивая индуктивную связь.

Принципы передачи

До последнего времени наиболее совершенной технологией передачи электроэнергии считалась магнитно-резонансная система CMRS, созданная в 2007 году в Массачусетском технологическом институте. Данная технология обеспечивала передачу тока на расстояние до 2,1 метра. Однако запустить ее в массовое производство мешали некоторые ограничения, к примеру, высокая частота передачи, большие размеры, сложная конфигурация катушек, а также высокая чувствительность к внешним помехам, в том числе к присутствию человека.

Однако ученые из Южной Кореи создали новый передатчик электроэнергии, который позволит передавать энергию до 5 метров. А все приборы в комнате будут питаться от единого хаба. Резонансная система из дипольных катушек DCRS способна работать до 5 метров. Система лишена целого ряда недостатков CMRS, в том числе применяются довольно компактные катушки размерами 10х20х300 см, их можно незаметно установить в стены квартиры.

Эксперимент позволил передать на частоте 20 кГц:

  1. 209 Вт на 5 м;
  2. 471 Вт на 4 м;
  3. 1403 Вт на 3 м.

Беспроводное электричество позволяет запитывать современные большие ЖК-телевизоры, требующих 40 Вт, на расстоянии 5 метров. Единственное из электросети будет «выкачиваться» 400 ватт, однако не будет никаких проводов. Электромагнитная индукция обеспечивает высокий КПД, но на малом расстоянии.

Существуют и иные технологии, которые позволяют передавать электроэнергию без проводов. Наиболее перспективными из них являются:

  • Лазерное излучение. Обеспечивает защищенность сетей, а также большую дальность действия. Однако требуется прямая видимость между приемником и передатчиком. Работающие установки, применяющие питание от лазерного луча, уже созданы. Lockheed Martin, американский производитель военной техники и самолетов, испытал беспилотный летательный аппарат Stalker, который питается от лазерного луча и остается в воздухе в течение 48 часов.
  • Микроволновое излучение. Обеспечивает большую дальность действия, но имеет высокую стоимость оборудования. В качестве передатчика электроэнергии применяется радиоантенна, которая создает микроволновое излучение. На устройстве-приемнике стоит ректенна, которая преобразует в электроток принимаемое микроволновое излучение.

Данная технология дает возможность существенного удаления приемника от передатчика, в том числе нет прямой нужды прямой видимости. Но с увеличением дальности пропорционально увеличивается себестоимость и размеры оборудования. В то же время микроволновое излучение большой мощности, создаваемое установкой, может наносить вред окружающей среде.

Особенности

  • Самая реалистичная из технологий — беспроводное электричество на основе электромагнитной индукции. Но существуют ограничения. Ведутся работы по масштабированию технологии, но здесь появляются вопросы безопасности для здоровья.
  • Технологии передачи электричества при помощи ультразвука, лазера и микроволнового излучения также будут развиваться и тоже найдут свои ниши.
  • Орбитальные спутники с громадными солнечными батареями нуждаются в ином подходе, потребуется прицельная передача электроэнергии. Здесь уместен лазер и СВЧ. На данный момент нет идеального решения, однако имеется много вариантов со своими плюсами и минусами.
  • В настоящее время крупнейшие производители телекоммуникационного оборудования объединились в консорциум беспроводной электромагнитной энергии с целью создания всемирного стандарта для беспроводных зарядных устройств, которые действуют по принципу электромагнитной индукции. Из крупных производителей поддержку стандарта QI на ряде своих моделей обеспечивают Sony, Samsung, Nokia, Motorola Mobility, LG Electronics, Huawei, HTC. В скором времени QI станет единым стандартом для любых подобных устройств. Благодаря этому можно будет создавать беспроводные зоны подзарядки гаджетов в кафе, на транспортных узлах и в иных общественных местах.

Применение

  • Микроволновый вертолет. Модель вертолета имела ректенну и поднималась на высоту 15 м.
  • Беспроводное электричество применяется для питания электрических зубных щеток. Зубная щетка имеет полную герметичность корпуса и не имеет разъемов, что позволяет избежать удара током.
  • Питание самолетов при помощи лазера.
  • В продаже появились системы беспроводной зарядки мобильных устройств, которые можно использовать повседневно. Они работают на базе электромагнитной индукции.
  • Универсальная зарядная площадка. Они позволяют питать энергией большую часть популярных моделей смартфонов, которые не оборудованы модулем для беспроводной зарядки, в том числе обычные телефоны. Кроме самой зарядной площадки будет нужно купить чехол-приемник для гаджета. Он соединяется со смартфоном через USB-порт и через него заряжается.
  • На текущий момент на мировом рынке продается свыше 150 устройств до 5 Ватт, которые поддерживают стандарт QI. В будущем появится оборудование средней мощности до 120 Ватт.

Перспективы

Сегодня ведутся работы над крупными проектами, которые будут использовать беспроводное электричество. Это питание электромобилей «по воздуху» и бытовые электросети:

  • Густая сеть автозарядных точек позволит уменьшить аккумуляторы и значительно снизить себестоимость электромобилей.
  • В каждой комнате будут устанавливаться источники питания, которые будут передавать электроэнергию аудио- и видеоаппаратуре, гаджетам и бытовым приборам, оборудованными соответствующими адаптерами.

Достоинства и недостатки

Беспроводное электричество имеет следующие преимущества:

  • Не требуются источники питания.
  • Полное отсутствие проводов.
  • Упразднение необходимости использования батарей.
  • Требуется меньше технического обслуживания.
  • Огромные перспективы.

К недостаткам также можно отнести:

  • Недостаточная проработанность технологий.
  • Ограниченность по расстоянию.
  • Магнитные поля не являются полностью безопасными для человека.
  • Высокая стоимость оборудования.

Источники получения энергии

Прежде чем начать процесс передачи электроэнергии потребителю, необходимо ее получить. Этим вопросом занимаются электростанции, которых существует несколько видов:

  1. Тепловые. На первом этапе ведется сжигание органического топлива. Это может быть уголь, мазут или торф. Возникающая тепловая энергия преобразуется в механическую и только потом в электрическую. В некоторых случаях выработанное тепло сразу поступает в теплоцентрали и подается на производство.
  2. Гидроэлектростанции. Такие комплексы устанавливаются в местах протекания больших рек. Построенная плотина поднимает с одной стороны уровень воды, образуя водопад. Станция представляет собой сложную техническую конструкцию. Движущийся поток вращает турбины, которые превращают его силу в электрическую составляющую.
  3. Атомные станции. Здесь основным оборудованием является реактор. В нем происходит цепная реакция распада ядер тяжелых элементов. В качестве топлива используется плутоний или уран. Получаемое ядерное тепло затем преобразуется в электрическую энергию. Это наиболее перспективное направление развития, поскольку мировые ядерные запасы значительно превышают органические залежи топлива.

Также присутствует возможность выработки электричества при помощи солнечных лучей или силы ветра. В этих местах начинается генерация энергии, которая затем продолжает свое движение к потребителю. Территория любой станции является закрытой для посторонних. По ней не разрешается ходить без пропуска.

Передача на большие расстояния

Актуальность передачи электроэнергии на расстояние обуславливается тем, что электростанции снабжены мощным оборудованием, дающим на выходе большие показатели. Потребители же ее маломощные и разбросаны на большой территории. Строительство крупнейшего терминала обходится дорого, поэтому наблюдается тенденция к концентрации мощностей. Это существенно снижает затраты. Кроме того, значение имеет место размещения. Включается ряд факторов: близость к ресурсам, стоимость транспортировки и возможность работы в единой энергетической системе.

Чтобы понять, как осуществляется передача электроэнергии на большие расстояния, следует знать, что линии электропередач бывают постоянного и переменного тока. Главная характеристика — это их пропускная способность. Потери наблюдаются в процессе нагрева проводов или дальности расстояния. Передача осуществляется по следующей схеме:

  1. Электростанция. Она является источником образования электроэнергии.
  2. Повышающий трансформатор, который обеспечивает увеличение показателей до необходимых величин.
  3. Понижающий трансформатор. Он устанавливается на распределительных станциях и понижает параметры для подачи в частный сектор.
  4. Подача энергии в жилые дома.

Линии постоянного тока

В настоящее время больше отдается предпочтение передаче электроэнергии постоянным током. Это связано с тем, что все происходящие внутри процессы не носят волновой характер. Это значительно облегчает транспортировку энергии.

К преимуществам передачи постоянного тока относится:

  • небольшая себестоимость;
  • малая величина потерь;

Среди недостатков — невозможность установки ответвлений от основной ЛЭП. Связано это с тем, что в этих местах требуется монтаж преобразователей, которые обходятся очень дорого. Кроме того, создание выключателей высокого напряжения. Технически, это вызывает большие трудности.

Поставка переменного тока

К преимуществам транспортировки переменного тока относится легкость его трансформации. Осуществляется это при помощи приборов — трансформаторов, которые не отличаются сложностью в изготовлении. Конструкция электродвигателей такого тока значительно проще. Технология позволяет формировать линии в единую энергосистему. Этому способствует возможность создания выключателей в месте строительства ответвлений.

Передача энергии на большое расстояние имеет первостепенное значение для всех структур. Не всегда энергетические комплексы находятся близко, а в электричестве нуждаются везде. Без него не обойдется ни промышленность, ни общественные заведения, ни частный сектор.

Например:
Опора линии напряжением 500 кВ имеет высоту семиэтажного дома. Высота подвеса проводов 27 м, расстояние между проводами 10,5 м, длина гирлянды изоляторов более 5 м. Высота опор для переходов через реки достигает 70 м. Рассмотрим варианты выполнения ЛЭП подробнее.
Воздушные ЛЭП
Определение.
Воздушной линией электропередачи называют устройство для передачи или распределения электроэнергии по проводам, находящимся на открытом воздухе и прикрепленным при помощи траверс (кронштейнов), изоляторов и арматуры к опорам или инженерным сооружениям.
В соответствии с «Правилами устройства электроустановок» по напряжению воздушные линии делятся на две группы: напряжением до 1000 В и напряжением свыше 1000 В. Для каждой группы линий установлены технические требования их устройства.
Воздушные ЛЭП 10 (6) кВ находят наиболее широкое применение в сельской местности и в небольших городах. Это объясняется их меньшей стоимостью по сравнению с кабельными линиями, меньшей плотностью застройки и т. д.
Для проводки воздушных линий и сетей используют различные провода и тросы. Основное требование, предъявляемое к материалу проводов воздушных линий электропередачи, — малое электрическое сопротивление. Кроме того, материал, применяемый для изготовления проводов, должен обладать достаточной механической прочностью, быть устойчивым к действию влаги и находящихся в воздухе химических веществ.

В настоящее время чаще всего используют провода из алюминия и стали, что позволяет экономить дефицитные цветные металлы (медь) и снижать стоимость проводов. Медные провода применяют на специальных линиях. Алюминий обладает малой механической прочностью, что приводит к увеличению стрелы провеса и, соответственно, к увеличению высоты опор или уменьшению длины пролета. При передаче небольших мощностей электроэнергии на короткие расстояния применение находят стальные провода.
Для изоляции проводов и крепления их к опорам линий электропередач служат линейные изоляторы, которые наряду с электрической должны также обладать и достаточной механической прочностью. В зависимости от способа крепления на опоре различают изоляторы штыревые (их крепят на крюках или штырях) и подвесные (их собирают в гирлянду и крепят к опоре специальной арматурой).
Штыревые изоляторы применяют на линиях электропередач напряжением до 35 кВ. Маркируют их буквами, обозначающими конструкцию и назначение изолятора, и числами, указывающими рабочее напряжение. На воздушных линиях 400 В используют штыревые изоляторы ТФ, ШС, ШФ. Буквы в условных обозначениях изоляторов обозначают следующее: Т — телеграфный; Ф — фарфоровый; С — стеклянный; ШС — штыревой стеклянный; ШФ — штыревой фарфоровый.
Штыревые изоляторы применяют для подвешивания сравнительно легких проводов, при этом в зависимости от условий трассы используются различные типы крепления проводов. Провод на промежуточных опорах укрепляют обычно на головке штыревых изоляторов, а на угловых и анкерных опорах— на шейке изоляторов. На угловых опорах провод располагают с наружной стороны изолятора по отношению к углу поворота линии.
Подвесные изоляторы применяют на воздушных линиях 35 кВ и выше. Они состоят из фарфоровой или стеклянной тарелки (изолирующая деталь), шапки из ковкого чугуна и стержня. Конструкция гнезда шапки и головки стержня обеспечивает сферическое шарнирное соединение изоляторов при комплектовании гирлянд. Гирлянды собирают и подвешивают к опорам и тем самым обеспечивают необходимую изоляцию проводов. Количество изоляторов в гирлянде зависит от напряжения линии и типа изоляторов.
Материалом для вязки алюминиевого провода к изолятору служит алюминиевая проволока, а для стальных проводов— мягкая стальная. При вязке проводов выполняют обычно одинарное крепление, двойное же крепление применяют в населенной местности и при повышенных нагрузках. Перед вязкой заготовляют проволоку нужной длины (не менее 300 мм).
Головную вязку выполняют двумя вязальными проволоками разной длины. Эти проволоки закрепляют на шейке изолятора, скручивая между собой. Концами более короткой проволоки обвивают провод и плотно притягивают четыре-пять раз вокруг провода. Концы другой проволоки, более длинные, накладывают на головку изолятора накрест через провод четыре-пять раз.
Для выполнения боковой вязки берут одну проволоку, кладут ее на шейку изолятора и оборачивают вокруг шейки и провода так, чтобы один ее конец прошел над проводом и загнулся сверху вниз, а второй — снизу вверх. Оба конца проволоки выводят вперед и снова оборачивают их вокруг шейки изолятора с проводом, поменяв местами относительно провода.

После этого провод плотно притягивают к шейке изолятора и обматывают концы вязальной проволоки вокруг провода с противоположных сторон изолятора шесть-восемь раз. Во избежание повреждения алюминиевых проводов место вязки иногда обматывают алюминиевой лентой. Изгибать провод на изоляторе сильным натяжением вязальной проволоки не разрешается.
Вязку проводов выполняют вручную, используя монтерские пассатижи. Особое внимание обращают при этом на плотность прилегания вязальной проволоки к проводу и на положение концов вязальной проволоки (они не должны торчать). Штыревые изоляторы крепят к опорам на стальных крюках или штырях. Крюки ввертывают непосредственно в деревянные опоры, а штыри устанавливают на металлических, железобетонных или деревянных траверсах. Для крепления изоляторов на крюках и штырях используют переходные полиэтиленовые колпачки. Разогретый колпачок плотно надвигают на штырь до упора, после этого на него навинчивают изолятор.
Провода подвешиваются на железобетонных или деревянных опорах при помощи подвесных или штыревых изоляторов. Для воздушных ЛЭП используются неизолированные провода. Исключением являются вводы в здания — изолированные провода, протягиваемые от опоры ЛЭП к изоляторам, укрепленным на крюках непосредственно на здании.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *