Применение и перспективы беспроводной передачи электричества

Высокое напряжение как способ уменьшения потерь

Реальность такова, что передача электроэнергии на большие расстояния неизбежно сопровождается её потерями. Существенная часть электричества, проходя путь от генератора на электростанции до розетки бытового потребителя, превращается в тепло и расходуется на обогрев атмосферы. Однако это не снижает затрат за производство электроэнергии, поэтому конечному пользователю всё же приходится оплачивать и эти нецелевые расходы.

Уменьшить ненужные потери, соответственно, траты, позволяют следующие способы:

1. применение высокотемпературных сверхпроводников;
2. увеличение сечения кабелей и проводов ЛЭП;
3. повышение напряжения в линиях передачи.

За первым способом будущее. Однако сегодня он технически неосуществим. От второго отказались на первых парах развития электроэнергетики, ведь он экономически нецелесообразен из-за лишних расходов на утолщение проводников. Применение высокого напряжения оказалось наиболее удачным методом, поэтому он используется по всему миру уже порядка ста лет.

Плюсы и минусы

Конечно, у этого изобретения есть свои преимущества перед проводными методиками, и недостатки. Предлагаем их рассмотреть.

К достоинствам относятся:

1. Полное отсутствие проводов;
2. Не нужны источники питания;
3. Необходимость батареи упраздняется;
4. Более эффективно передается энергия;
5. Значительно меньше нужно технического обслуживания.

К недостаткам же можно отнести следующее:

• Расстояние ограничено;
• магнитные поля не так уж и безопасны для человека;
• беспроводная передача электричества, с помощью микроволн или прочих теорий практически неосуществима в домашних условиях и своими руками;
• высокая стоимость монтажа.

Заглавие лекции – «О токе, или явлениях динамического электричества» L
-127.

Моя схема ОПЭ следующая: 1 – ноутбук; 2 – УНЧ, 3 – повышающий трансформатор (ноутбук, УНЧ и повышающий трансформатор играют роль генератора тока нужного мне характера, т.е. высокочастотного и высоковольтного); 4 – нагрузка в виде понижающего трансформатора и диодного моста на низковольтной обмотке, с подключенным к ней двигателем постоянного тока; 5 – изолированная проводящая пластина.

Теперь подробнее рассмотрим детали схемы. На самом деле в это схеме есть два нюанса

Первый – это повышающий трансформатор, обратите внимание на схему подключения. Один конец вторичной обмотки подсоединяется к одному из выводов первичной, и, желательно, заземляется

Это делается для обеспечения безопасности, а так же для повышения эффективности вторичной обмотки. Далее, к первичной обмотке параллельно подсоединен конденсатор, образовывая параллельный колебательный контур. Емкость конденсатора рассчитывается по известным формулам, в зависимости от индуктивности первичной обмотки и используемой частоты. Это делается для повышения силы тока в первичной обмотке, и, соответственно, для усиления эффекта. С подбором емкости конденсатора, возможно, возникнет проблема, так как индуктивность первичной обмотки в процессе ее работы меньше, чем в отключенном состоянии, и эта разница зависит от нагрузки на вторичной обмотке. Я решил этот вопрос просто: рассчитал конденсатор на индуктивность меньшую на 10%-15% от измеренной величины, при заданной частоте. И даже после этого пришлось немного регулировать частоту генератора, для настройки максимального резонанса. Нюанс второй – настроить резонанс во вторичной цепи. Индуктивность вторичной цепи складывается из индуктивности вторичной обмотки повышающего трансформатора и первичной обмотки понижающего трансформатора. Индуктивность первичной обмотки понижающего трансформатора так же, будет немного меньше измеренной, так как зависит от нагрузки на вторичной обмотке. Далее, необходимо подобрать емкость проводящей изолированной пластины. Делается это просто, измеряем площадь пластины и по формулам рассчитываем емкость, для данной частоты и индуктивности. Пластину нужно разместить на расстоянии от окружающих предметов, в противном случае ее емкость будет больше расчетной. Чем выше частота и больше индуктивность цепи, тем меньше емкость требуется, а значит и площадь пластины. При достаточно высокой частоте может хватить и собственной емкости цепи, в таком случае пластина не нужна. Мой тестовый стенд позволял работать мотору мощность 10Вт на полную мощность, зажигать лампы накаливания, и, конечно же, перегоревшие лампы дневного света. На мой взгляд, ОПЭ имеет два основных плюса. Первый – расходуется меньше материалов на проводники. Второй – за счет повышенной частоты и высокого напряжения по проводнику проходит, относительно не большой ток, провод почти не греется, что благоприятно сказывается на сопротивлении. Изучив данный материал, очень надеюсь, что у вас возник вопрос: «А что, в таком случае, мешает использовать Землю, в качестве проводника?». Отвечу – ничего!

А можно и намного проще:

Или так:

На роликах представлена очень примитивная схема, с помощью которой демонстрируется передача электроэнергии по одному проводу.На самом деле, передавать элетроэнергию посредством одного провода на данный момент не имеет практического смысла, на мой взгляд. Эта информация размещена здесь лишь для того, что бы показать возможность передачи энергии и сигналов через Землю.

Как работает беспроводное электричество: индукция

Несмотря на то, что технология активно развивалась в последние десятилетия, один из самых популярных способов беспроводной передачи электроэнергии мало чем отличается от того, который использовал Фарадей. Одна резонансная медная катушка подключена к источнику питания, другая действует как приемник.

Видео работы беспроводного электричества с использованием двух катушек наглядно демонстрирует как простоту технологии, так и ее главную проблему — малый радиус действия. Кроме того, с его помощью невозможно передать большое количество энергии (катушки расплавятся), несмотря на то, что КПД составляет около 40% (об этом Тесла писал в 1899 году).

Однако нельзя сказать, что магнитная индукция не нашла своего применения. Сегодня технология активно используется для производства беспроводных зарядных устройств. Apple в 2017 году представила свои беспроводные зарядные устройства как нечто революционное, хотя этому новому продукту на самом деле более 100 лет.

Беспроводное электричество: популярные технологии

Помимо индукции, на которую производители электромобилей и гаджетов делают основные ставки, известны еще 3 метода: лазер, микроволновка, ультразвук. Ученые убеждены, что каждое из этих направлений может развиваться в будущем.

Лазер. Энергия передается путем преобразования ее в луч, который направляется на фотоэлемент в приемнике. Таким образом может передаваться большое количество энергии, но эти самолеты разрушаются в атмосфере Земли, из-за чего большая часть (около 60%) энергии рассеивается. Но в безвоздушных пространствах технология вполне жизнеспособна. Вот почему компании, занимающиеся исследованием космоса, продолжают изучать лазерные технологии: в 2009 году НАСА даже провело конкурс с призовым фондом в 900 000 долларов для лазера WPT. Первое место занял Laser Motive: на 1 км и 0,5 кВт непрерывной передаваемой мощности. Несмотря на то, что, конечно, мишени достигли лишь 10% энергии, эксперимент был признан успешным.

СВЧ. Теоретически передачу энергии радиоволн можно сделать направленной, используя полупроводники или лампы (циклотронные преобразователи энергии). Полупроводники сейчас активно используются во всем мире, но когда дело доходит до передачи большого количества энергии, необходимо использовать больше полупроводников. Это не только увеличивает стоимость проекта, но и появляется переизлучение, т.е находиться рядом с такими панелями небезопасно. Но полупроводниковые системы показали высокий КПД — более 80%. Это было продемонстрировано Уильямом Барауном в 1975 году, передав 30 кВт на расстояние более 1 км. Создателями циклотронного преобразователя энергии являются советские ученые Владимир Савин и Владимир Ванке, хотя его КПД не превышает 70-80%, надежность достаточно высока.

Ультразвук. Технология была представлена ​​в 2011 году на выставке All Things Digital (D9). Студенты из Пенсильванского университета использовали ультразвуковой передатчик и приемник (преобразование захваченного электричества). Дальность действия составляет примерно 10 метров. Недостатки: между «узлами» должна быть прямая видимость, низкий КПД. Однако передаваемые ультразвуковые частоты не влияют на людей или животных.

Принципы передачи электричества

До последнего времени наиболее оптимальной и популярной считалась магнитно-резонансная система CMRS. Ее создали еще в 2007 году. Благодаря этой технологии специалистам удавалось передавать электричество на расстояние в 2.1 метр. Однако ее не удавалось запустить в массовое производство, так как частота передачи была слишком высокой, а катушки имели сложную конфигурацию и были больших размеров.

Электроэнергия без проводов позволяет заряжать мобильный телефон

Сравнительно недавно ученые из Южной Кореи создали новый передатчик, который позволяет передавать электричество на расстояние в 5 метров. Система не имеет никаких недостатков и при необходимости ее можно будет установить в стены квартиры.

В результате проведения этого эксперимента на частоте в 20 кГц специалистам удалось передать:

• 209 Вт на 5 метров;
• 471 Вт на 4 метра;
• 1403 Вт на 3 метра.

Благодаря беспроводному излучению можно будет запитать большие ЖК телевизоры, которые требуют всего 40 Вт на расстоянии в 5 метров. Сейчас существуют и другие технологии, которые позволяют передавать электроэнергию без проводов. К ним можно отнести:

1. Лазерное излучение. Дальность действия достаточно большая. Однако необходима прямая видимость между приемником и передатчиком. Компания Lockheed Martin уже испытала беспилотный летательный аппарат Stalker, который питается от лазерного луча и способен оставаться в воздухе до 48 часов.
2. Микроволновое излучение. Этот вид позволяет обеспечивать большую дальность действия, но стоимость оборудования достаточно высока. В качестве передатчика электроэнергии будет использоваться радиоантенна, которая создает микроволновое излучение. А приемнике устанавливают ректенну, которая преобразует электрический ток в принимаемое микроволновое излучение.

При увеличении расстояния передачи значительно увеличивается стоимость и габариты оборудования. В свою очередь микроволновое излучение может приносить вред для окружающей среды. Тут вы можете прочесть про роботов в сфере энергетики.

Беспроводные способы передачи электроэнергии

Энергия может распространяться через рассматриваемую сеть практически к любому неметаллическому материалу, включая, но не ограничиваясь этим. Это твердые вещества, такие как дерево, пластик, текстиль, стекло и кирпич, а также газы и жидкости. Когда металлический или электропроводящий материал (например, углеродное волокно) помещается в непосредственной близости от электромагнитного поля, объект поглощает из него энергию и, следовательно, нагревается. Это, в свою очередь, влияет на эффективность системы. Вот как работает индукционное приготовление пищи, например, неэффективная передача энергии от варочной панели создает тепло для приготовления пищи.

Чтобы создать систему беспроводной передачи электроэнергии, необходимо вернуться к истокам рассматриваемой темы. Или, точнее, успешный ученый и изобретатель Никола Тесла, который создал и запатентовал генератор, способный принимать энергию без различных материалистических проводников. Итак, для реализации беспроводной системы необходимо собрать все важные элементы и детали, в результате будет реализована небольшая катушка Тесла. Это устройство, которое создает в окружающем воздухе электрическое поле высокого напряжения. В то же время есть небольшая входная мощность, обеспечивающая беспроводную передачу энергии на расстояние.

Одним из важнейших способов передачи энергии является индуктивная связь. В основном используется для ближнего боя. Он отличается тем, что при протекании тока по одному проводу на концах другого индуцируется напряжение. Передача энергии происходит за счет взаимности между двумя материалами. Типичный пример — трансформатор. Идея микроволновой передачи энергии была разработана Уильямом Брауном. Вся концепция включает преобразование мощности переменного тока в мощность РЧ и передачу ее в космос, а также повторное использование мощности переменного тока для приемника. В этой системе напряжение генерируется с помощью источников микроволновой энергии. Как клистрон. И эта мощность передается на передающую антенну через волновод, защищающий от отраженной мощности. А также тюнер, который согласовывает импеданс микроволнового источника с другими элементами. Приемная часть состоит из антенны. Он принимает микроволновую мощность, импеданс и схему согласования фильтра. Эта приемная антенна вместе с выпрямительным устройством может быть диполем. Соответствует выходному сигналу аналогичному звуковому сигналу выпрямительного блока. Приемный блок также состоит из аналогичной секции, состоящей из диодов, которые используются для преобразования сигнала в предупреждение постоянного тока. Эта система передачи использует частоты в диапазоне от 2 ГГц до 6 ГГц.

Беспроводная передача электричества с помощью камара Бровина, который реализовал генератор, использующий аналогичные магнитные колебания. Суть в том, что это устройство работало благодаря трем транзисторам.

Использование лазерного луча для передачи энергии в виде световой энергии, которая преобразуется в электрическую энергию на принимающей стороне. Сам материал питается напрямую от таких источников, как солнце или любой электрический генератор. И, как результат, он реализует сфокусированный свет высокой интенсивности. Размер и форма луча определяются комплектом оптики. И этот проходящий лазерный свет принимается фотоэлектрическими элементами, которые преобразуют его в электрические сигналы. Обычно для передачи используются оптоволоконные кабели. Как и в случае с базовой солнечной энергетической системой, приемник, используемый в лазерном распространении, представляет собой серию фотоэлектрических элементов или солнечную панель. В свою очередь, они могут преобразовывать непоследовательный монохроматический свет в электричество.

Второй резонансный контур LC 2

Контур LC 2 состоит из катушки L2, имеющей отношение витков приблизительно 100: 1 относительно катушки L1, и конденсатора C2. Конденсатор C2 подключается к катушке L2 через землю.

Катушка L2 обычно представляет собой провод, намотанный изолирующей эмалью на трубку из непроводящего материала, такого как керамика, стекло или пластик. Катушка L1, хотя и не показана на схеме, намотана на катушку L2.

Конденсатор С2, как и все конденсаторы, состоит из двух металлических пластин. В катушках Тесла одна из пластин C2 обычно имеет форму сферического или тороидального купола и соединена последовательно с катушкой L2.

Другая плата C2 — это ближайшая среда, например металлический пьедестал, выполненный в виде сферы и соединенный с землей, чтобы замкнуть цепь с другим концом L2, также подключенным к земле.

Основные технологические процессы в электроэнергетике

Нормативы потребления электроэнергии на человека без счетчика

Производство электроэнергии в России базируется на трёх китах энергетической системы. Это атомная, тепловая и гидроэнергетика.

Три вида генерирования электричества

Электростанция	Топливо	Генерация
ТЭС	Уголь, мазут	Получение пара от сгорания топлива, который движет турбины генераторов
ГЭС	Потенциальная энергия потока воды	Движение турбин под напором воды
АЭС	Урановые сердечники	Получение пара от тепла ядерной реакции. Энергия пара движет генераторные паротурбины

Ультразвуковой способ

Студентами Пенсильванского университета (США) на недавней выставке в 2011 году был продемонстрирован способ передачи электротока с помощью ультразвука. Передатчик генерировал акустические волны в ультразвуковом диапазоне, приёмник преобразовывал их в электрический ток. В качестве носителя энергии ультразвук был выбран не случайно. Его воздействие на организм человека абсолютно безвредно.

Несовершенство этого способа заключается в том, что КПД передачи очень низкий, нужны прямая видимость между абонентами и ограниченность расстояния (7-10 метров).

Метод электромагнитной индукции

Работа обыкновенного трансформатора даёт представление о том, как осуществляется передача электричества без проводов методом электромагнитной индукции. В процессе участвуют две катушки. Магнитное поле, возбуждаемое протекающим током по виткам первичной обмотки, индуцирует электрический поток во вторичной обмотке трансформатора.

Примерами использования эффекта электромагнитной индукции могут быть зарядные устройства смартфонов и электрические зубные щётки. Недостатком такого способа передачи энергии является непременная близость катушек. Даже при небольшом увеличении промежутка между обмотками большая часть энергии начинает распыляться в пространстве.

Один из видов электромагнитной индукции – это использование резонанса. Суть способа заключается в том, что приёмник и передатчик функционируют в одном частотном диапазоне. Передающее и приёмное устройства представляют собой соленоид с одним слоем витков. Генерирующий прибор оснащён конденсаторной схемой, с помощью которой он настраивается на частоту приёмника.

Демонстрация метода электромагнитной индукции

Электростатическая индукция

В основе метода заложен принцип прохождения энергии через тело диэлектрика. Способ называют ёмкостной связью. Генератор создаёт в ёмкости электрическое поле, которое возбуждает разницу потенциалов между двумя электродами потребителя.

Никола Тесла для демонстрации беспроводной лампы освещения использовал именно метод электростатической индукции. Лампа получала питание от переменного электрического поля высокой частоты. Она светилась ровно, независимо от её перемещения в пространстве комнаты.

Микроволновое излучение

Специалисты космотехники разработали способ передачи электроэнергии от орбитальных солнечных батарей на космические корабли с помощью радиосигнала микроволнового диапазона. Проблема этого метода состоит в том, что для приёма и передачи пучкового излучения требуются антенны с очень большой диафрагмой.

Учёные НАСА в 1978 году пришли к выводу, что для передачи микроволнового луча частотой 2,45 ГГц излучающая антенна должна иметь диаметр отражающей поверхности 1 км. Приёмная ректенна должна быть диаметром 10 км. Уменьшить эти размеры возможно путём использования сверхкоротких волн. Однако сигналы такого диапазона быстро поглощаются атмосферой или блокируются дождевыми осадками.

Обратите внимание! Безопасная плотность мощности излучаемой энергии равняется 1 мВт/см2. Этой норме отвечает антенна диаметром 10 км с передающей мощностью потенциала 750 МВт

Электропроводность Земли

Существует теория использования недр и океанов Земли для беспроводной передачи энергии. Электропроводимость гидросферы, залежей металлических руд может быть использована для передачи низкочастотного переменного тока. Электростатическая индукция диэлектрических тел может возникать в огромных залежах кварцевого песка и тому подобных минералов.

Передача электрического тока возможна также через воздушное пространство методом электростатической индукции. Никола Тесла в своё время выдвинул предположение, что в будущем появятся технологии, которые для передачи электроэнергии будут использовать землю, океанические воды и атмосферу планеты.

Всемирная беспроводная система

Впервые о Всемирной беспроводной системе передачи электроэнергии стало известно от великого учёного Теслы. В 1904 году он заявил, что создание ВБС, используя высокую электрическую проводимость плазмы и Земли, вполне осуществимо.

За беспроводной передачей энергии будущее

Сейчас многие компании занимаются разработкой и исследованием методов передачи энергии по воздуху. Это приоритетная технология, которая обладает большим потенциалом. Со временем этот метод будет использоваться как в повседневной жизни, так и в военной сфере. В случае успеха можно будет полностью отказаться от проводов и емких аккумуляторов. Все электрические устройства можно будет сделать более компактными.

Начнется использование разных сложных устройств, о которых сейчас можно только мечтать. Заметно ускорится и освоение человеком космоса.

Беспроводная передача электроэнергии позволит без потерь использовать каждый киловатт энергии. Особенно это показательно на примере ветряных электростанций. Нередко такие станции вырабатывают энергию с излишком, а перебросить ее на расстояние нет возможности, так как ресурсов не хватает. Новая технология позволит решить эту проблему.

Резонанс и взаимная индукция

Когда энергия, подаваемая в LC-контуры, происходит с той же частотой, что и собственная частота колебаний контура, тогда передача энергии является оптимальной, обеспечивая максимальное усиление тока контура. Это общее для всех колебательных систем явление известно как резонанс.

Цепи LC1 и LC2 имеют магнитную связь, другое явление, называемое взаимной индукцией.

Для оптимальной передачи энергии от цепи LC1 к LC2 и наоборот, собственные частоты колебаний обеих цепей должны совпадать, а также должны совпадать с частотой источника высокого напряжения.

Это достигается регулировкой значений емкости и индуктивности в обеих цепях так, чтобы частоты колебаний совпадали с частотой источника:

Когда это происходит, мощность от источника эффективно передается в цепь LC1 и от LC1 к LC2. В каждом цикле колебаний электрическая и магнитная энергия, накопленная в каждом контуре, увеличивается.

Когда электрическое напряжение на C2 достаточно высокое, энергия высвобождается в виде молнии за счет разряда C2 на землю.

Основные составные части электрической сети

Электроэнергетической сетью (Рис. 5) называется совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории.

Рисунок 5 — Электрическая сеть, и электроустановки для передачи и распределения электрической энергии

Все встречающиеся на практике схемы представляют собой сочетания отдельных элементов — фидеров, магистралей и ответвлений.

Электрические сети, в свою очередь, подразделяются на магистральные электрические сети и распределительные электрические сети.

К магистральным сетям относятся все высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), к распределительным – ЛЭП мощностью ниже 110 кВ. Виды электрических сетей представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 — Виды электрических сетей

Сети связаны между собой трансформаторными и распределительными подстанциями. Для обеспечения установленных требований, энергосистемы оборудуют специальными диспетчерскими пунктами, оснащёнными средствами контроля, управления, связи и специальными схемами расположения электростанций, линий передач и понижающих подстанций.

Электрические сети делятся по:

• напряжению;
• степени подвижности;
• назначению;
• роду тока и числу проводов;
• схеме электрических соединений:

а) разомкнутые (нерезервированные). Схемы разомкнутых сетей представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 — Схемы разомкнутых сетей: а — радиальные (нагрузка только на конце линии); б — магистральные (нагрузка присоединена к линии в разных местах)

б) замкнутые (резервированные) (Рис. 8).

Рисунок 8 — Схемы замкнутых сетей: а — сеть с двухсторонним питанием; б — кольцевая сеть; в — двойная магистральная линия; г сложнозамкнутая сеть (для питания ответственных потребителей по двум и более направлениям)

Магистральные схемы электроснабжения применяются в следующих случаях:

• а) когда нагрузка имеет сосредоточенный характер, но отдельные узлы ее оказываются расположенными в одном и том же направлении по отношению к подстанции и на сравнительно незначительных расстояниях друг от друга, причем абсолютные величины нагрузок отдельных узлов недостаточны для рационального применения радиальной схемы;
• б) когда нагрузка имеет распределенный характер с той или иной степенью равномерности.

По конструкции: электропроводки (силовые и осветительные), токопроводы — для передачи электроэнергии в больших количествах на небольшие расстояния, воздушные линии — для передачи электроэнергии на большие расстояния, кабельные линии — для передачи электроэнергии на далекие расстояния в случаях, когда сооружение ВЛ невозможно.

Наибольшее распространение для местных распределительных сетей получили радиальные, магистральные, смешанные (радиальномагистральные) и петлевые схемы.

При радиальной схеме электроснабжения каждая линия является как бы лучом, соединяющим узел сети (подстанцию, распределительный пункт) с единственным потребителем.

При магистральной схеме электроснабжения одна линия — магистраль — обслуживает, как указано, несколько распределительных пунктов или приемников, присоединенных к ней в различных ее точках.

Смешанные схемы распределительных местных сетей применяются при различном расположении потребителей относительно ЦП и сочетаются принципы построения как радиальной, так и магистральных схем.

К электрическим сетям предъявляются следующие требования: надежность, живучесть и экономичность.

Надежность — основное техническое требование, под которым понимается свойство сети выполнять свое назначение в пределах заданного времени и условий работы, обеспечивая электроприемники электроэнергией в необходимом количестве и надлежащего качества.

Живучесть электрической сети — это свойство выполнять свое назначение в условиях разрушающих воздействий в том числе и в боевой обстановке при воздействиях средств поражения противника.

Экономичность — это минимум затрат на сооружение и эксплуатацию сети при условии выполнения требований надежности и живучести.

Эффективность рассматриваемой передачи энергии

Общая эффективность беспроводной системы питания является самым важным фактором в определении ее производительности. Результативность системы измеряет количество мощности, передаваемой между источником питания (то есть, настенной розеткой) и принимающим устройством. Это, в свою очередь, определяет такие аспекты как скорость зарядки и дальность распространения.

Системы беспроводной связи различаются в зависимости от их уровня эффективности, основанного на таких факторах, как конфигурация и дизайн катушки, расстояние передачи. Менее результативное устройство будет генерировать больше выбросов и приведет к меньшей мощности, проходящей через приемное устройство. Как правило, беспроводные технологии передачи электроэнергии для таких устройств как смартфоны, могут достигать 70% производительности.