Методы передачи электроэнергии на расстояние

Результат повышения энергоэффективности при массовом внедрении

Снижение себестоимости киловатт/часа за счет снижения  уровня невосполнимых потерь энергии в проводах

Уникальность идеи

Всем известно, что для прохождения электрического тока по проводам должен иметься замкнутый контур из двух проводов, по которым протекает ток. Или отдельный провод и заземление.

Теоретически передача энергии по одному проводу невозможна. Однако, при передаче электроэнергии по методу Авраменко, ток протекает не по проводнику, а по его поверхности.

В результате мощность передаваемой энергии никак не зависит от материала и толщины проводов. Она может быть очень малой, при этом проводники не нагреваются.

При поверхностной передаче электроэнергии, толщина провода не имеет значения. А это значит, что проводник может иметь малую толщину. Так же не имеет значение материал, из которого сделан провод.

Его не обязательно делать медным, он может быть из стали или другого токопроводящего материала. По сути, проводник служит указателем, куда нужно передать энергию. Но это все по заявлениям разработчиков. На самом деле эта теория не имеет научного объяснения.

Но если представить, что это возможно, то перед мировой энергетикой открываются новые возможности:

  • Нет необходимости в громоздких опорах электропередач. Снижение капитальных затрат.
  • Отпадает необходимость использовать такое количество проводов. А это колоссальная экономия.
  • Отсутствие потерь в линиях электропередач. Увеличение пропускной способности.
  • Сведение до минимума аварийных ситуаций на линии. Отсутствие короткого замыкания и сокращение обрывов проводов.

Все это приведет к снижению эксплуатационных затрат. И как следствие уменьшению стоимости электричества конечному потребителю.

Параметры

Главными конструктивными параметрами воздушной линии является длина пролета со стрелой проводного провеса, расстоянием от проводника до поверхности земли, покрытием пересекаемых дорожных линий и другим инженерным сооружением.

Передача электроэнергии на расстояние

Длина в промежуточном пролете — промежуток вдоль токовой линии, образующийся между несколькими смежными опорами. Длина пролета зависит от того, какой тип опор с маркой, проводным сечением и климатическим районным условием используется.

Стрела проводного провеса — промежуток по вертикальной линии между линией, который соединяет крепежные проводные точки на несколько опор смежного типа и низшую провесную точку в пролете. Провес зависит от длины пролета.

Габарит воздушной линии электропередач — наименьший промежуток расстояния по вертикали от проводника до земли, озера, связи, шоссейной или железной дороги. Его регламентируют правила установки электропередач. Он зависит от того, какое имеется напряжение в сети.

Обратите внимание! Чтобы обеспечить нормальную работу и безопасное обслуживание воздушной линии, нужно при установке соответствовать установленным нормам. Так проводное расстояние должно быть не меньше шести метров в поселке до земли по вертикали. Расстояние от верха до низа может быть меньше на 3,5 метров или же на 1 метр. Промежуток по горизонтали от проводника до балкона, террасы, здания и глухих окон не меньше метра. Стоит указать, что электропередачи не проводятся над сооружениями.

Параметры электропередачи

Существующие меры поощрения, принуждения, стимулирования для внедрения предлагаемой технологии (метода) и необходимость их совершенствования

 На начальном этапе, как и всякой новой технологии, требуется определенная организационная поддержка.

Представляется целесообразным обеспечить,  прежде всего, информационную поддержку в СМИ (газеты, телевидение, Интернет) с  наглядной демонстрацией экономических преимуществ предлагаемой технологии по сравнению с традиционной трехфазной системой  электроснабжения, особенно для удаленных от основных ЛЭП объектов (фермерских хозяйств, строительных площадок. телекоммуникационного оборудования, деревень и др.)

Принцип передачи

Передается электроэнергия благодаря возникновению и передачи тока. Он, в свою очередь, образуется благодаря напряжению. Мощность — это произведение показателя напряжения на электроток. Поэтому при увеличении напряжения, необходимо уменьшение передаваемого тока и уменьшения проводного сечения, которое нужно, чтобы передавать данную мощность и удешевить линию.

Принцип передачи

Способы электропередачи на дальние расстояния

Осуществление передачи электрической энергии можно сделать при помощи прямой передачи и преобразования электричества в другую энергию. В первом случае электричество идет по проводниковым элементам, а именно проводу или токопроводящей среде. В воздушной или кабельной линии используется данный метод электропередачи.

Обратите внимание! Благодаря преобразованию энергии в другую энергию открывается беспроводной способ снабжения потребителей. Из-за этого пользователи могут отказаться от электрической передачи и избавиться от монтажа и обслуживания.

Стоит также указать, что передается электроэнергия благодаря индуктивной, резонансной индуктивной, емкостной, магнитодинамической связи, свч-излучению и оптическому излучению. При этом переносчиком всех этих способов является магнитное и электрическое поле, а также видимый свет с инфракрасным излучением и ультрафиолетовым излучением.

Способы электропередачи

Мифы и реальность

В специальной литературе и на просторах интернета ведутся оживленные дискуссии, возможна ли однопроводная передача электричества к потребителю. Мнения разделились на два противоположных лагеря.

Разберемся, где мифы и реальность. Изобретение Тесла доказывает возможность передачи электричества по одному проводнику. Однако, достоверных данных, подтверждающих это, нет. Поэтому вокруг изобретения существуют многочисленные догадки и слухи.

Опыты нашего соотечественника доказывают, что однопроводная передача энергии возможна. При этом Авраменко не только доказал такую возможность, он создал установку, которая позволяет передавать электричество по одному проводу.

Свое изобретение он открыл случайно, когда снимал нейлоновую рубашку возле выключенной настольной лампы. После случайного касания рубашкой лампы, она начала светиться.

Длительные эксперименты позволили изобрести «вилку Авраменко». Она представляет собой два диода и конденсатор. Как показано на схеме:

Схема вилки Авраменко

С ее помощью удавалось по одному проводу заряжать конденсатор, который питает нагрузку. В данном случае лампочку. Изначально применялся разрядник, в котором появлялись искры.

Частота разряда зависела от номинала конденсатора. На основании своего изобретения, Авраменко собирает схему и демонстрирует передачу электричества по одному проводу.

На рисунке снизу представлена схема однопроводной передачи электроэнергии:

Схема передачи энергии по одному проводу

Она состоит из генератора частотой 8 кГц, катушки, провода. Причем в опытах применялся не медный, а вольфрамовый провод. Во время опыта он не нагревался и не светился. Приемным элементом выступала «вилка Авраменко», к которой подсоединена нагрузка.

В этом случае электричество передается не по проводнику, а по поверхности провода. Поэтому он может быть очень тонким. Ограничение заключается в механической прочности. Он должен выдерживать атмосферные осадки и порывы ветра.

При такой подаче напряжения, провода не нагреваются. А это значит, что потери на большие расстояния будут незначительными. А поражение электрическим током человека, если он прикоснется к оголенному проводу, исключено. Т.к. в проводе отсутствует ток.

Кроме того, проводились опыты с перегоревшими лампами накаливания. При включении в сеть они загорались.

Использование схемы Авраменко позволяет исключить потери на нагрев проводов, что составляет 10-15%. При передаче электроэнергии традиционным способом, плотность тока составляет всего 6-7 А/мм2, а передача энергии по однопроводной линии позволяет увеличить этот показатель до 428 А/мм2 и это при мощности 10 кВт.

По схеме Авраменко были созданы многочисленные схемы с применением трансформатора. Например, как показано на рисунке снизу:

Схема

Схема 2

Где генератор ВЧ собран на транзисторе. Это открытие должно было перевернуть всю электро индустрию. Несмотря на высокий КПД установки и очевидные выгоды, этого не произошло.

Кроме этого Авраменко доказал, что для однопроводной передачи напряжения, совершенно не обязательно применять металлические провода. В качестве волновода можно использовать луч лазера, оптоволокно, электронные лучи, трубопроводы и т.д.

Т.е. для передачи энергии можно использовать любую изолированную токопроводящую среду. А это в свою очередь дает возможность изобрести многочисленные машины, где применяется этот эффект. Но это будущее.

Способы передачи электроэнергии

Осуществить передачу электроэнергии можно двумя способами:

  • Методом прямой передачи.
  • Преобразуя электричество в другой вид энергии.

В первом случае электроэнергия передается по проводникам, в качестве которых выступает провод или токопроводящая среда. В воздушных и кабельных ЛЭП применяется именно этот метод передачи. Преобразование электричества в другой вид энергии открывает перспективы беспроводного снабжения потребителей. Это позволит отказаться от линий электропередач и, соответственно, от расходов, связанных с их монтажом и обслуживанием. Ниже представлены перспективные беспроводные технологии, над совершенствованием которых ведутся работы.

Технологии беспроводной передачи электричестваТехнологии беспроводной передачи электричества

К сожалению, на текущий момент возможности транспортировки электричества беспроводным способом сильно ограничены, поэтому об эффективной альтернативе методу прямой передачи говорить пока рано. Исследовательские работы в этом направлении позволяют надеяться, что в ближайшее время решение будет найдено.

Схема передачи электроэнергии от электростанции до потребителя

Ниже на рисунке представлены типовые схемы, из которых первые две относятся к разомкнутому виду, остальные — к замкнутому. Разница между ними заключается в том, что разомкнутые конфигурации не являются резервированными, то есть, не имеют резервных линий, которые можно задействовать при критическом увеличении электрической нагрузки.

Пример наиболее распространенных конфигураций ЛЭППример наиболее распространенных конфигураций ЛЭП

Обозначения:

  1. Радиальная схема, на одном конце линии находится электростанция производящая энергию, на втором — потребитель или распределительное устройство.
  2. Магистральный вариант радиальной схемы, отличие от предыдущего варианта заключается в наличии отводов между начальным и конечным пунктами передачи.
  3. Магистральная схема с питанием на обоих концах ЛЭП.
  4. Кольцевой тип конфигурации.
  5. Магистраль с резервной линией (двойная магистраль).
  6. Сложнозамкнутый вариант конфигурации. Подобные схемы применяются при подключении ответственных потребителей.

Теперь рассмотрим более подробно радиальную схему для передачи вырабатываемой электроэнергии по ЛЕП переменного и постоянного тока.

Схемы передачи электроэнергии к потребителям при использовании ЛЭП с переменным (А) и постоянным (В) токомРис. 6. Схемы передачи электроэнергии к потребителям при использовании ЛЭП с переменным (А) и постоянным (В) током

Обозначения:

  1. Генератор, где вырабатывается я электроэнергия с синусоидальной характеристикой.
  2. Подстанция с повышающим трехфазным трансформатором.
  3. Подстанция с трансформатором, понижающим напряжение трехфазного переменного тока.
  4. Отвод для передачи электироэнергии распределительному устройству.
  5. Выпрямитель, то есть устройство преобразующее трехфазный переменный ток в постоянный.
  6. Инверторный блок, его задача сформировать из постоянного напряжение синусоидальное.

Как видно из схемы (А), с источника энергии электричество подается на повышающий трансформатор, затем при помощи воздушных линий электропередач производится транспортировка электроэнергии на значительные расстояния. В конечной точке линия подключается к понижающему трансформатору и от него идет к распределителю.

Метод передачи электроэнергии в виде постоянного тока ( В на рис.6) от предыдущей схемы отличается наличием двух преобразовательных блоков (5 и 6).

Закрывая тему раздела, для наглядности приведем упрощенный вариант схемы городской сети.

Наглядный пример структурной схемы электроснабженияНаглядный пример структурной схемы электроснабжения

Обозначения:

  1. Электростанция, где электроэнергия производится.
  2. Подстанция, повышающая напряжение, чтобы обеспечить высокую эффективность передачи электроэнергии на значительные расстояния.
  3. ЛЭП с высоким напряжением (35,0-750,0 кВ).
  4. Подстанция с понижающими функциями (на выходе 6,0-10,0 кВ).
  5. Пункт распределения электроэнергии.
  6. Питающие кабельные линии.
  7. Центральная подстанция на промышленном объекте, служит для понижения напряжения до 0,40 кВ.
  8. Радиальные или магистральные кабельные линии.
  9. Вводный щит в цеховом помещении.
  10. Районная распределительная подстанция.
  11. Кабельная радиальная или магистральная линия.
  12. Подстанция, понижающая напряжение до 0,40 кВ.
  13. Вводный щит жилого дома, для подключения внутренней электрической сети.

Передача электроэнергии на дальние расстояния

Основная проблема, связанная с такой задачей – рост потерь с увеличением протяженности ЛЭП. Как уже упоминалось выше, для снижения энергозатрат на передачу электричества уменьшают силу тока путем увеличения напряжения. К сожалению, такой вариант решения порождает новые проблемы, одна из которых коронные разряды.

С точки зрения экономической целесообразности потери в ВЛ не должны превышать 10%. Ниже представлена таблица, в которой приводится максимальная протяженность линий, отвечающих условиям рентабельности.

Таблица 1. Максимальная протяженность ЛЭП с учетом рентабельности (не более 10% потерь)

Напряжение ВЛ (кВ) Протяженность (км)
0,40 1,0
10,0 25,0
35,0 100,0
110,0 300,0
220,0 700,0
500,0 2300,0
1150,0* 4500,0*

* — на текущий момент ультравысоковольтная ВЛ переведена на работу с напряжением в половину от номинального (500,0 кВ).

Перечень пилотных проектов

заказчик

наименование работы

Передаваемая мощность

   ООО «Сургутгазпром»

 Разработка комплекта оборудования для передачи электрической энергии по однопроводной линии станции катодной защиты и водозаборных сооружений

20 кВт

Молодежное движение «НАШИ»

Форум «Селигер 2006»

 Разработка комплекта резонансного оборудования для уличного освещения длиной 120 м

 Разработка комплекта резонансного оборудования для уличного освещения с питанием от солнечной батареи

0,21 кВт

0,033 кВт

Молодежное движение «НАШИ»

Форум «Селигер 2007»

 Разработка комплекта резонансного оборудования для уличного освещения длиной 200 м

 Разработка комплекта резонансного оборудования для уличного освещения с питанием от солнечной батареи

0,165 кВт

0,027 кВт

ГУП ППЗ «Птичное»

 Разработка комплекта оборудования для светодиодного освещения птицеводческих помещений с резонансной системой электропитания

0,08 кВт

Научно –  производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н. А. Пилюгина»

 Разработка системы резонансного электропитания питания узлов автоматики ракеты-носителя

1,0 кВт

ЗАО «СевЕвродрайв»

 Разработка модели беспроводного электроснабжения электромобиля

0.1 кВт

Департамент науки и промышленной политики города Москвы

Разработка и внедрение системы уличного  светодиодного освещения на основе однопроводной резонансной системы передачи электроэнергии.

Работа находится в стадии реализации(разработана конструкторская и техническая документация на систему).В 2011 г.планируется внедрить систему на территории г.Москвы.

5 кВт

ОАО «Газпром»

Разработка технологических и нормативно-технических основ применения резонансной однопроводной системы передачи электроэнергии для электроснабжения оборудования систем  электрохимической защиты трубопроводов»

 (п.34.Плана научных исследований Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина для ОАО “Газпром” на 2010-2013 годы, утвержденного Председателем Правления ОАО «Газпром» А.Б. Миллером от 08.12.2010 г. за № 01-126.).

Договор находится в стадии подписания

5кВт

Все работы были успешно выполнены и приняты заказчиком.

Беспроводная передача

Передать и распределить ток по потребителям без использования проводов, это реалии наших дней. Об этом способе впервые задумался и воплотил его в жизнь Никола Тесла. На сегодняшний день ведутся разработки в этом направлении. Основных способов всего 3.

Катушки

Катушки

Катушками индуктивности является свернутый в спираль изолированный провод. Метод передачи тока состоит из 2 катушек, расположенных рядом друг с другом. Если подать электрический ток на одну из катушек, на второй появится магнитное возбуждение такого же напряжения. Любые изменения напряжения на катушке передатчике, изменятся на катушке приемнике. Подобный способ очень прост и имеет шансы на существование. Но есть и свои недостатки:

  • нет возможности подать высокое напряжение и принять его, тем самым невозможно обеспечить напряжением несколько потребителей одновременно;
  • невозможно передать электричество на большое расстояние;
  • коэффициент полезного действия (КПД) подобного способа — всего 40 %.

На данный момент актуальны способы простого использования катушек, как источника и получателя энергии. Этим способом заряжают электрические самокаты и велосипеды. Есть проекты электромобилей без аккумулятора, но на встроенной катушке. Предлагается использовать дорожное покрытие в качестве источника, а машину в качестве приемника. Но себестоимость прокладки подобных дорог очень высокая.

Лазер

Лазер

Передача электричества посредством лазера, представляет собой источник, преобразующий энергию электричества в лазерный луч. Луч фокусируется на приемник, который его преобразует обратно в электричество. Компания Laser Motive смогла передать при помощи лазера 0.5 Кв электрического тока, на расстояние в 1 км. При этом потеря напряжения и мощности составила 95 %. Причиной потери стала атмосфера Земли. Луч многократно сужается при взаимодействии с воздухом. Также проблемой может стать обычное преломление луча случайными предметами. Подобный способ, без потери мощности, может быть актуальным только в космическом пространстве.

Микроволновая передача

Микроволновая передача

Основой для передачи электроэнергии путем микроволн, стала способность 12 см волн, частотой в 2.45 ГГц, быть незаметными для атмосферы Земли. Подобная особенность могла бы сократить до минимума потерю при передаче. Для подобного способа нужны передатчик и приемник. Люди давно создали передатчик и преобразователь электрической энергии в микроволновую. Это изобретение называется магнетрон. Он стоит в каждой микроволновой печи и является очень безопасным. Вот с изобретением приемника и преобразователя микроволн обратно в электричество возникли проблемы.

В 60-х годах прошлого века, американцы изобрели ректенну. Иными словами, приемник микроволн. С помощью изобретения удалось передать 30 кВт электрического тока на расстояние в 1.5 км. При этом коэффициент потерь составил всего 18 %. На большее установка была не способна по причине использования полупроводниковых деталей в устройстве приемника. Для приема и передачи большей мощности энергии, при использовании ректенны, пришлось бы создать огромную принимающую панель. Это бы увеличило затрачиваемую энергию, частоту и длину волн, а значит и процент сопутствующей потери. Высокое излучение могло бы убить все живое в радиусе нескольких десятков метров.

ректенна

В СССР был изобретен циклотронный преобразователь микроволн в электричество. Он представлял собой 40 см трубку и был полностью собран на лампах. КПД устройства равнялось 85 %. Но для этого способа основным минусом является способ сборки на лампах. Устройства на подобных деталях могут вернуть человечество в мир огромных телефонов, компьютеров величиной с комнату. О миниатюрных электрических приборах можно забыть.

циклотронный преобразователь микроволн

Передачу микроволн можно было организовать из космоса. Подобный проект предполагал собирать энергию солнца при помощи спутника и перенаправлять на приемник, расположенный на поверхности Земли. Но для этого придется построить спутник диаметром в километр и приемник диаметром в 5 километров. О полетах в зоне действия системы можно полностью забыть.

Главной проблемой при передаче электричества беспроводным способом, является расстояние и атмосферные преломления. Стоит также учитывать мощности. Общая потребляемая мощность всех электрических приборов в квартире, равняется 30–40 кВт. Для обеспечения электричеством одной квартиры, пришлось бы строить гигантские сооружения.

На сегодняшний день единственным способом передачи энергии большой мощности, является проводной. Он не требует прямого и обратного преобразования электрической энергии. Достаточно только подать высокое напряжение в начале и существенно занизить его в конце. Этот способ имеет ряд недостатков, но остается актуальным долгие годы.

Постоянный ток в качестве альтернативы

В качестве альтернативы электропередачи переменного тока на большое расстояние можно рассматривать ВЛ с постоянным напряжением. Такие ЛЭП обладают следующими преимуществами:

  • Протяженность ВЛ не влияет на мощность, при этом ее максимальное значение существенно выше, чем у ЛЭП с переменным напряжением. То есть при увеличении потребления электроэнергии (до определенного предела) можно обойтись без модернизации.
  • Статическую устойчивость можно не принимать во внимание.
  • Нет необходимости синхронизировать по частоте связанные энергосистемы.
  • Можно организовать передачу электроэнергии по двухпроводной или однопроводной линии, что существенно упрощает конструкцию.
  • Меньшее влияние электромагнитных волн на средства связи.
  • Практически отсутствует генерация реактивной мощности.

Несмотря на перечисленные способности ЛЭП постоянного тока, такие линии не получили широкого распространения. В первую очередь это связано с высокой стоимостью оборудования, необходимого для преобразования синусоидального напряжения в постоянное. Генераторы постоянного тока практически не применяются, за исключением электростанций на солнечных батареях.

С инверсией (процесс  полностью противоположный выпрямлению) также не все просто, необходимо допиться качественных синусоидальных характеристик, что существенно увеличивает стоимость оборудования. Помимо этого следует учитывать проблемы с организацией отбора мощности и низкую рентабельность при протяженности ВЛ менее 1000-1500 км.

Кратко о свехпроводимости.

Сопротивление проводов можно существенно снизить, охладив их до сверхнизких температур. Это позволило бы вывести эффективность передачи электроэнергии на качественно новый уровень и увеличить протяженность линий для использования электроэнергии на большом удалении от места ее производства. К сожалению, доступные на сегодняшний день технологии не могут позволить использования сверхпроводимости для этих целей ввиду экономической нецелесообразности.

Лазерный способ

С помощью линии электропередач передать энергию можно на приличное расстояние. Однако из-за наличия атмосферы, которая хорошо потребляет лазерную энергию, необходимо устанавливать подобное оборудование в космосе.

Лазерная передача энергии

Наличие и достаточность производственных базы и специалистов в России для массового внедрения технологии

В России имеется вся необходимая производственная мощность для  массового внедрения технологии

Для эксплуатации внедряемой технологии необходимы специально подготовленные специалисты с допуском для работы на электрооборудовании свыше 1000 В.

 Работоспособность работы системы в штатном режиме смогут обеспечить специалисты со среднетехническим  образованием. Для развития производства необходимо привлечение специалистов с высшим профессиональным образованием в области электротехники и радиотехники.

Список использованной литературы

  • Герасименко А.А. Федин И.Т. «Передача и распределение электрической энергии» 2008
  • Веникова В.А. «Электрические системы. Режимы работы электрических систем и сетей» 1998
  • Дубинский, Г. Н. «Наладка устройств электроснабжения напряжением выше 1000В»  2014
  • А. Куско, М. Томпсон «Сети электроснабжения. Методы и средства обеспечения качества энергии» 2012

Микроволны

Микроволны — специальные линии, имеющие длину в 12 сантиметров и частоту в 2,45 гигагерц, которые прозрачны для атмосферы. Вне зависимости от погоды, потеря энергии будет равна 5%. Вначале необходимо преобразование электротока в микроволны, потом их обнаруживание и возвращение в первое состояние. Первая проблема была решена благодаря постановке магнетрона, а вторая — благодаря ректенны или специальной антенны.

Микроволновая передача энергии

Схемы

На данный момент есть одноцепная, двухцепная или многоцепная схема электропередач. Одна из таких представлена на схеме ниже и может быть использована для обеспечения электроэнергией целого поселка или производственной станции. Другие схемы можно отыскать в гостах.

Схема электропередачи

В целом, электропередача энергии, благодаря которой функционирует вся домашняя и производственная сеть вместе с оборудованием, происходит катушками, лазером и микроволнами. Также есть способы перенаправления потока на дальние расстояния. Зависит это от длины проводов, стрелы их провеса, расстояния от земли и других факторов.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...