Методы передачи электроэнергии на расстояние

Преимущества и недостатки беспроводной передачи энергии

Беспроводная передача энергии представляет собой инновационный и удобный способ обеспечения устройств электроэнергией, однако она также имеет свои преимущества и недостатки:

Преимущества:

• Удобство и гибкость: Беспроводная передача энергии позволяет заряжать устройства без необходимости подключения кабелей и разъемов. Это удобно для зарядки портативных устройств, таких как смартфоны и ноутбуки.
• Мобильность: Передача энергии по воздуху или через радиоволны позволяет создавать беспроводные зарядные станции и системы, которые могут быть установлены в любом месте, что особенно полезно в общественных местах, кафе и транспорте.
• Устойчивость к износу: Отсутствие физических соединений и разъемов уменьшает износ и повреждения, связанные с постоянным подключением и отключением устройств.
• Экологическая устойчивость: Беспроводная передача энергии может снизить потребление батарей и аккумуляторов, что сокращает количество отходов и способствует экологической устойчивости.
• Применение в медицине: Технология беспроводной передачи энергии используется в медицинских устройствах, таких как импланты и мониторинговые системы, обеспечивая постоянное питание без необходимости хирургической замены батарей.

Недостатки:

• Потери эффективности: В процессе беспроводной передачи энергии часть энергии теряется из-за различных физических факторов, таких как расстояние и помехи, что может снизить эффективность передачи.
• Ограниченное расстояние: Многие методы беспроводной передачи энергии имеют ограниченное рабочее расстояние, и устройства должны быть близко к источнику энергии для зарядки.
• Потребление энергии и безопасность: Некоторые методы, такие как микроволновая передача, могут потреблять дополнительную энергию и представлять опасность для здоровья при неправильном использовании.
• Высокие затраты на разработку: Внедрение беспроводных систем передачи энергии требует значительных затрат на исследования и разработку, что может сказаться на стоимости продуктов.
• Нормативные ограничения: Существуют нормативные ограничения и правила, регулирующие беспроводную передачу энергии, особенно в части безопасности и радиочастотных интерференций.

В целом, беспроводная передача энергии имеет огромный потенциал для удобства и эффективности, но также требует внимания к техническим и аспектам безопасности для максимальной пользы и минимизации недостатков.

Беспроводная передача энергии.

Раздел 3: Передача переменного тока

Основная задача передачи переменного тока — минимизировать потери энергии в процессе передачи и оптимизировать структуру и параметры сети. Использование переменного тока позволяет снизить потери тока, что особенно актуально при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Передача переменного тока осуществляется через систему высоковольтных линий электропередачи. Основными компонентами такой системы являются электростанция, генераторы, система трансформаторов, линии электропередачи и подстанции для распределения энергии на конечные потребители.

Трансформаторы играют ключевую роль в процессе передачи переменного тока. Они позволяют изменить напряжение электроэнергии, что позволяет эффективно передавать и распределять электрическую энергию различным потребителям по всей территории.

Преимущества передачи переменного тока	Недостатки передачи переменного тока
• Удобство использования и распределения электроэнергии	• Потери энергии в процессе передачи
• Возможность передачи энергии на большие расстояния	• Необходимость использования трансформаторов
• Минимизация потерь тока	• Ограничения по пропускной способности линий электропередачи

В целом, передача переменного тока является одной из основных технологий электроэнергетики, позволяющей обеспечить эффективную и надежную передачу электроэнергии по всей территории.

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.

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.

История развития

Передача электроэнергии на расстояние без проводов рука об руку развивается с прогрессом в области радиопередачи, потому что принцип действия в этих явлениях во многом схож, если не сказать одинаков. Большая часть изобретений основывается на методе электромагнитной индукции, а также электростатического поля.

В 1820 году А.М. Ампер открыл закон взаимодействия токов, который заключался, в том, что если по двум близко расположенным проводникам ток течет в одном направлении, то они притягиваются друг к другу, а если в разных, то отталкиваются.

М. Фарадей в 1831 году установил в процессе проведения экспериментов, что переменное (меняющееся по величине и направлении во времени) магнитное поле, порождаемое протеканием электрического тока, наводит (индуцирует) токи в близлежащих проводниках. Т.е. происходит передача электроэнергии без проводов. Подробно мы рассматривали в статье ранее.

Ну а Дж. К. Максвелл еще через 33 года, в 1864 году перевел экспериментальные данные Фарадея в математический вид, собственно уравнения Максвелла являются основополагающими в электродинамике. Они описывают, как связаны электрический ток и электромагнитное поле.

Существование электромагнитных волн подтвердил в 1888 Г. Герц, в ходе своих экспериментов с искровым передатчиком с прерывателем на катушке Румкорфа. Таким образом производились ЭМ волны с частотой до пол гигагерца. Стоит отметить, что эти волны могли быть приняты несколькими приемниками, но те должны быть настроены в резонанс с передатчиком. Радиус действия установки был в районе 3-х метров. Когда в передатчике возникала искра, такие же возникали и на приемниках. Фактически это и есть первые опыты по передачи электроэнергии без проводов.

Глубокие исследования вел известный ученый Никола Тесла. Он в 1891 году изучал переменный ток высокого напряжения и частоты. В результате чего были сделаны выводы:

Для каждой конкретной цели нужно настраивать установку на соответствующую частоту и напряжение. При этом высокая частота не является обязательным условием. Лучшие результаты удалось добиться при частоте 15-20 кГц и напряжении передатчика 20кВ. Чтобы получить ток высокой частоты и напряжения использовался колебательный разряд конденсатора. Таким образом, можно передавать как электроэнергию, так и производить свет.

Ученный на своих выступлениях и лекциях демонстрировал свечение ламп (вакуумных трубок) под воздействием высокочастотного электростатического поля. Собственно основными заключениями Теслы было то, что даже в случае использования резонансных систем много энергии с помощью электромагнитной волны передать не получится.

Параллельно целый ряд ученных до 1897 года занимались подобными исследованиями: Джагдиш Боше в Индии, Александр Попов в России и Гульельмо Маркони в Италии.

Каждый из них внес свой вклад в развитие беспроводной передачи электроэнергии:

1. Дж. Боше в 1894 году, зажигал порох, передав электроэнергию на расстояние без проводов. Это он сделал на демонстрации в Калькутте.
2. А. Попов в 25 апреля (7 мая) 1895 года с помощью азбуки Морзе передал первое сообщение. В России до сих пор этот день, 7 мая, является Днём Радио.
3. В 1896 году Г. Маркони в Великобритании также передал радиосигнал (азбука Морзе) на расстояние в 1,5 км, позже на 3 км на Солсберийской равнине.

Стоит отметить, что работы Тесла, недооценённые в свое время и потерянные на века, превосходили по параметрам и возможностям работы его современников. В тоже время, а именно в 1896 году его аппараты передавали сигнал на большие расстояния (48 км), к сожалению это было небольшим количеством электроэнергии.

И к 1899 году Тесла приходит к выводу:

Несостоятельность метода индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха.

Эти выводу приведут к другим исследованиям, в 1900 году ему удалось запитать лампу от катушки, вынесенной в поле, а в 1903 году была запущена башня Вондерклифф на Лонг-Айленде. Она состояла из трансформатора с заземленной вторичной обмоткой, а на её вершине стоял медный сферический купол. С её помощью получилось зажечь 200 50-ватных ламп. При этом передатчик находился за 40 км от неё. К сожалению, эти исследования были прерваны, финансирование было прекращено, а бесплатная передача электроэнергии без проводов была экономически не выгодной бизнесменам. Башню разрушили в 1917 году.

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.

Раздел 4: Использование трансформаторов

Основной принцип работы трансформатора основан на электромагнитной индукции. Внутри трансформатора есть две обмотки, которые называются первичной и вторичной. Когда переменный ток проходит через первичную обмотку, создается магнитное поле, которое индуцирует электрический ток во вторичной обмотке. Изменяя число витков в обмотках, можно изменять отношение напряжений и тока, передаваемых через трансформатор.

Трансформаторы могут быть использованы для повышения или понижения напряжения электроэнергии. Повышение напряжения происходит с использованием трансформатора с большим количеством витков во вторичной обмотке, чем в первичной. Понижение напряжения достигается с использованием трансформатора с меньшим количеством витков во вторичной обмотке, чем в первичной.

Использование трансформаторов позволяет обеспечить эффективную передачу электроэнергии на большие расстояния. Высокое напряжение в линиях передачи уменьшает потери энергии и позволяет доставить электричество в удаленные районы. Также трансформаторы широко применяются в электронике и промышленности для поддержания стабильного напряжения в сети и для преобразования энергии.

• Трансформаторы имеют высокую эффективность и надежность.
• Они могут быть разного размера и мощности в зависимости от конкретных требований.
• Трансформаторы также могут осуществлять гальваническую изоляцию между двумя электрическими цепями, что обеспечивает безопасность.
• В современных системах передачи электроэнергии также применяются специальные типы трансформаторов, такие как автотрансформаторы и реакторы, которые выполняют дополнительные функции, такие как регулировка напряжения и снижение нагрузки на линии передачи.

Способы передачи электроэнергии

Электричество или переменный ток передается от источника к потребителю по кабелям или подземным кабельным линиям. Эти методы используются уже много лет. Причина в том, что не существует технологии, позволяющей передавать электроэнергию на большие расстояния с минимальными потерями при полной мощности. И он должен быть максимально надежным и дешевым.

Схема для передачи переменного или постоянного напряжения выглядит следующим образом:

Принцип работы и объяснение схемы:

1. В начале схемы находится генератор, вырабатывающий электричество.
2. От генератора напряжение подается на трехфазный трансформатор, для повышения мощности. От него электричество течет по ЛЭП (линия электропередачи).
3. После ЛЭП напряжение попадает на трехфазный понижающий трансформатор.
4. От трансформатора напряжение подается потребителю, с существенным занижением.

Для постоянного тока после повышающего трансформатора имеется выпрямительное устройство. После прохождения постоянного тока по воздушной линии он должен сначала попасть в устройство преобразования постоянного тока в переменный и только потом в понижающий трансформатор.

Воздушные и кабельные линии

Потребляемая мощность воздушных и кабельных линий представляет собой определенную схему. В начале цепи находится источник энергии, т.е. электростанция. Электростанция подает перенапряжение на распределительную линию, на конце которой находится понижающий трансформатор. Основным недостатком такой системы является то, что она должна обеспечивать высокую мощность. Это связано с потерей части напряжения на определенном расстоянии. Существует 2 метода такого типа передачи.

Воздушные линии представляют собой сеть высоковольтных кабелей, подвешенных к столбам или опорам. Этот метод очень распространен и эффективен. Однако у него есть и некоторые недостатки:

• большие затраты в рабочей силе и материале на стадии поставки новым потребителям на большое расстояние;
• потеря значительной доли мощности с каждым километром;
• требование подачи большой мощности в начале (от электростанции);
• вред магнитного поля для человека;
• большая вероятность повреждения и разрушения от природных катаклизмов;
• большие трудности для монтажа ЛЭП в трудных, непроходимых регионах.

По воздушным линиям переменный ток передается потребителю. По дальности действия и мощности их можно разделить на следующие категории:

1. Воздушные линии напряжением до 1 кВ считаются низковольтными. Они являются окончанием схемы передачи к потребителю.
2. Линии с напряжением от 1 до 35 кВ считаются средними.
3. Высоковольтными линиями считаются ВЭЛ с напряжением 110-220 кВ. Эти линии являются началом схемы передачи напряжения.
4. К сверхвысоковольтным относятся ВЭЛ напряжением 330–750 кВ.
5. К ультра высоковольтным относятся ВЭЛ напряжением, превышающим 750 кВ.

Чем выше подаваемое напряжение, тем больше расстояние, которое необходимо преодолеть от источника до потребителя.

Принципы работы электрических сетей

Электрические сети – это комплексное соединение электроэнергетических установок, проводов и оборудования для передачи и распределения электроэнергии от производителей к потребителям. Работа электрических сетей основана на нескольких основных принципах.

1. Принцип единой системы

Основой работы электрических сетей является создание единой системы электроснабжения, которая объединяет производителей, потребителей и промежуточные элементы передачи и распределения электроэнергии. Принцип единой системы позволяет обеспечить устойчивое и надежное функционирование электрических сетей в широком регионе и обеспечить энергетическую безопасность.

2. Принцип трехфазности

Большинство электрических сетей работает по принципу трехфазной системы, основной элемент которой – трехфазный синусоидальный ток. Причина выбора трехфазной системы заключается в ее эффективности и экономичности. В трехфазных системах можно передавать больше мощности на одинаковом сечении проводов по сравнению с однофазными системами.

3. Принцип перенапряжения и удаления энергии

Принцип перенапряжения предполагает передачу электроэнергии от производителей с высоким уровнем напряжения к потребителям с более низким напряжением. Это позволяет эффективно использовать энергию и сократить потери в сети. Принцип удаления энергии заключается в том, что электроэнергия передается от центральных электростанций к региональным, городским и местным потребителям.

4. Принцип взаимозаменяемости

Принцип взаимозаменяемости заключается в том, что система должна быть организована таким образом, чтобы независимо от места подачи электроэнергии и точки потребления, она могла работать без остановки и была способна компенсировать возможные аварии и отключения в различных участках сети.

5. Принцип безопасности

Основной принцип работы электрических сетей – это обеспечение безопасности как для персонала, так и для оборудования и потребителей. Это достигается через применение надежных систем защиты, грамотной эксплуатации и регулярного технического обслуживания.

6. Принцип эффективности

Главной целью работы электрических сетей является обеспечение эффективной передачи и распределения электроэнергии. Для этого применяются различные технологии, методы и технические решения, направленные на снижение потерь электроэнергии, повышение эффективности используемых ресурсов и оптимизацию работы системы.

7. Принцип экономической целесообразности

Работа электрических сетей должна быть экономически целесообразной. Это означает, что затраты на строительство, эксплуатацию и обслуживание сети должны быть оправданы и соответствовать уровню потребности в электроэнергии. Принцип экономической целесообразности предполагает оптимизацию затрат и технических решений для достижения наилучших экономических показателей.

Таким образом, основные принципы работы электрических сетей обеспечивают эффективную и надежную передачу и распределение электроэнергии, а также обеспечивают безопасность и экономичность системы.