Передача электроэнергии на расстояние без проводов

Схема передачи энергии от электростанции до потребителя

Главная электростанция (1) вырабатывает напряжение порядка 10-12 кВ. Затем оно повышается с помощью трансформатора (2) до более высокого уровня: 35, 110, 220, 400, 500 или 1150 кВ. После по кабельной или воздушной линии (3) энергия передаётся на расстояния от единиц до тысяч километров и попадает на понижающую подстанцию. На ней также установлен трансформатор (4), который преобразует сотни киловольт снова в 10-12 тысяч вольт. Далее следует ещё один каскад понижения до 380/220 В (5). Это напряжение является конечным и раздаётся по потребителям (6), т.е. жилым домам, больницам и т.д.

Транспортировка электрической энергии

Магнетизм

Это фундаментальная сила природы, которая провоцирует определенные типы материала притягивать или отталкивать друг друга. Единственными постоянными магнитами считаются полюса Земли. Ток потока в контуре генерирует магнитные поля, которые отличаются от осциллирующих магнитных полей скоростью и временем, потребным для генерации переменного тока (AC). Силы, которые при этом появляются, изображает схема ниже.

Так появляется магнетизм

Электромагнетизм – это взаимозависимость переменных электрических и магнитных полей.

Способы передачи электроэнергии

Наиболее распространены два способа передачи электроэнергии: с помощью воздушных и кабельных линий. Они отличаются между собой по дальности и среде, в которой находится проводник.

Воздушные линии – это, упрощённо, медные или алюминиевые проводники, подвешенные через изоляторы на металлические или железобетонные опоры. При таком методе возможна передача электричества на большие расстояния и между разными государствами.

Кабельная линия – прокладка проводов под землёй. Отдельные токоведущие жилы расположены, как правило, в резиновой или ПВХ изоляции. Если напряжение высокое, то имеется и броня из металлической ленты. Также она служит в качестве экрана для защиты от помех. Встречается преимущественно в пределах города или предприятия.

Прокладка кабелей

Дополнительная информация. Применяя кабельные линии, возможно транспортировать электроэнергию по дну водоёмов и даже морей. Это позволяет поставлять электричество на острова. Применение ЛЭП таких возможностей не подразумевает.

Особенности технологии

Теперь пришло время рассмотреть все особенности этой популярной технологии:

Беспроводное питание проводится на основе электромагнитной индукции. Сейчас активно ведутся работы по масштабированию этой технологии, но здесь проявляется вред для здоровья.
Технологии, которые обеспечивают передачу электроэнергии с помощью ультразвука, лазера и микроволнового излучения также найдут свое применение.
Орбитальные спутники имеют громоздкие батареи и аккумуляторы. Однако возможно, что в скором времени им начнут передавать электроэнергию с помощью лазера или СВЧ.
Сейчас все крупнейшие производители телекоммуникационного оборудования начали объединяться между собой. Поэтому начался активный выпуск мобильных телефонов с функцией беспроводной зарядки. Единым стандартом на данный момент является технология Qi.

Беспроводная зарядка с технологией Qi

Технология беспроводной передачи электроэнергии

Беспроводная передача электрической энергии (WPT) позволяет подавать питание через воздушный зазор без необходимости использования электрических проводов. Беспроводная передача электроэнергии может обеспечить питание от источника переменного тока для совместимых аккумуляторов или устройств без физических разъемов и проводов. Беспроводная передача электрической энергии может обеспечить заряд мобильных телефонов и планшетных компьютеров, беспилотных летательных аппаратов, автомобилей и прочего транспортного оборудования. Она может даже сделать возможной беспроводную передачу в космосе электроэнергии, полученной от солнечных панелей.

Беспроводная передача электрической энергии начала свое быстрое развитие в области бытовой электроники, заменяя проводные зарядные устройства. На выставке CES 2017 будет показано множество устройств, использующих беспроводную передачу электроэнергии.

Однако концепция передачи электрической энергии бес проводов возникла примерно в 1890-х годах. Никола Тесла в своей лаборатории в Колорадо Спрингс мог без проводов зажечь электрическую лампочку, используя электродинамическую индукцию (используемой в резонансном трансформаторе).

Изображение из патента Теслы на «устройство для передачи электрической энергии», 1907 год

Были зажжены три лампочки, размещенные на расстоянии 60 футов (18 метров) от источника питания, и демонстрация была задокументирована. У Теслы были большие планы, он надеялся, что его башня Ворденклиф, расположенная на Лонг-Айленд, будет без проводов передавать электрическую энергию через Атлантический океан. Этого никогда не произошло из-за различных проблем, в том числе, и с финансированием и сроками.

Беспроводная передача электрической энергии использует поля, создаваемые заряженными частицами, для переноса энергии через воздушный зазор между передатчиками и приемниками. Воздушный зазор закорачивается с помощью преобразования электрической энергии в форму, которая может передаваться по воздуху. Электрическая энергия преобразуется в переменное поле, передается по воздуху, и затем с помощью приемника преобразуется в пригодный для использования электрический ток. В зависимости от мощности и расстояния, электрическая энергия может эффективно передаваться через электрическое поле, магнитное поле или электромагнитные волны, такие как радиоволны, СВЧ излучение или даже свет.

В следующей таблице перечислены различные технологии беспроводной передачи электрической энергии, а также формы передачи энергии.

Технологии беспроводной передачи электрической энергии (WPT)
Технология	Переносчик электрической энергии	Что позволяет передавать электрическую энергию
Индуктивная связь	Магнитные поля	Витки провода
Резонансная индуктивная связь	Магнитные поля	Колебательные контуры
Емкостная связь	Электрические поля	Пары проводящих пластин
Магнитодинамическая связь	Магнитные поля	Вращение постоянных магнитов
СВЧ излучение	Волны СВЧ	Фазированные ряды параболических антенн
Оптическое излучение	Видимый свет / инфракрасное излучение / ультрафиолетовое излучение	Лазеры, фотоэлементы

Реальные проекты в наши дни

За все последние годы, согласно вышеприведенным технологиям, ученые пытались и пытаются реализовать всего два проекта.

Первый из них начинался очень обнадеживающе. В 2000-х годах на о.Реюньон, возникла потребность в постоянной передаче 10кВт мощности на расстояние в 1км.

Горный рельеф и местная растительность, не позволяли проложить там ни воздушные линии электропередач, ни кабельные.

Все перемещения на острове в эту точку осуществлялось исключительно на вертолетах.

Для решения проблемы в одну команду были собраны лучшие умы из разных стран. В том числе и ранее упоминавшиеся в статье, наши ученые из МГУ В.Ванке и В.Савин.

Однако в момент, когда должны были приступать к практической реализации и строительству передатчиков и приемников энергии, проект заморозили и остановили. А с началом кризиса в 2008 году и вовсе забросили.

На самом деле это очень обидно, так как теоретическая работа там была проделана колоссальная и достойная реализации.

Второй проект, выглядит более безумным чем первый. Однако на него выделяются реальные средства. Сама идея была высказана еще в 1968г физиком из США П.Глэйзером.

Он предложил на тот момент не совсем нормальную идею — вывести на геостационарную орбиту в 36000 км над землей огромный спутник. На нем расположить солнечные панели, которые будут собирать бесплатную энергию солнца.

Затем все это должно преобразовываться в пучок СВЧ волн и передаваться на землю.

Этакая «звезда смерти» в наших земных реалиях.

На земле пучок нужно поймать гигантскими антеннами и преобразовать в электричество.

Насколько огромны должны быть эти антенны? Представьте, что если спутник будет в диаметре 1км, то на земле приемник должен быть в 5 раз больше — 5км (размер Садового кольца).

Но размеры это всего лишь малая часть проблем. После всех расчетов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы электричество мощностью в 5ГВт. При достижении земли оставалось бы всего 2ГВт. К примеру Красноярская ГЭС дает 6ГВт.

Поэтому его идею рассмотрели, посчитали и отложили в сторонку, так как все изначально упиралось в цену. Стоимость космического проекта в те времена вылезла за 1трлн.$.

Но наука к счастью не стоит на месте. Технологии совершенствуются и дешевеют. Сейчас разработку такой солнечной космической станции уже ведут несколько стран. Хотя в начале двадцатого века для беспроводной передачи электроэнергии хватало всего одного гениального человека.

Общая цена проекта упала от изначальной до 25млрд.$. Остается вопрос — увидим ли мы в ближайшее время его реализацию?

К сожалению никто вам четкого ответа не даст. Ставки делают только на вторую половину нынешнего столетия. Поэтому пока давайте довольствоваться беспроводными зарядками для смартфонов и надеяться что ученым удастся повысить их КПД. Ну или в конце концов на Земле родится второй Никола Тесла.

Как работает рассматриваемая система

Основы беспроводной мощности включают раздачу энергии от передатчика к приемнику через колебательное магнитное поле. Для достижения этого постоянный ток, подаваемый источником питания, преобразуется в высокочастотный переменный. С помощью специально разработанной электроники, встроенной в передатчик. Переменный ток активирует катушку медного провода в раздатчике, которая генерирует магнитное поле. Когда вторая (приемная) обмотка размещается в непосредственной близости. Магнитное поле может вызывать переменный ток в принимающей катушке. Электроника в первом устройстве затем преобразует переменный обратно в постоянный, который становится потребляемой мощностью.

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 закон Фарадея 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:

Дж. Боше в 1894 году, зажигал порох, передав электроэнергию на расстояние без проводов. Это он сделал на демонстрации в Калькутте.
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.
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.

Кто изобрел электричество

Изобретение электричества в 19 веке стало возможным благодаря открытиям целой плеяды великих ученых. В 1752 году Бен Франклин провел свой эксперимент с воздушным змеем, ключом и штормом. Это просто доказало, что молния и крошечные электрические искры — это одно и то же.

Эксперимент Бена Франклина

Итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил, что определенные химические реакции могут производить электричество, а в 1800 году он создал гальванический элемент, раннюю электрическую батарею, вырабатывающую постоянный электроток. Он также выполнил первую передачу тока на расстояние, связав положительно и отрицательно заряженные разъемы и создав между ними напряжение. Поэтому многие историки считают, что 1800 — это год изобретения электричества.

В 1831 году электричество стало возможно использовать в технике, когда Майкл Фарадей создал электродинамо, решившее на практике проблему генерирования постоянного электротока. Довольно простое изобретение с использованием магнита, перемещавшегося внутри катушки из медного провода, создавал небольшой ток, протекающий через провод. Оно помогло американцу Томасу Эдисону и британскому ученому Джозефу Свону, каждому в отдельности, примерно в одно время в 1878 году изобрести лампу накаливания. Сами лампочки для освещения были изобретены другими исследователями, но лампа накаливания была первым практичным устройством, дававшем свет в течение нескольких часов подряд.

Русский ученый и инженер А. Н. Лодыгин

В 1800-х и в начале 1900-х годов, сербско-американский инженер, изобретатель и мастер электротехники Никола Тесла стал одним из авторов зарождения коммерческого электричества. Он работал совместно с Эдисоном, сделал много революционных разработок в области электромагнетизма и хорошо известен своей работой с двигателями переменного тока и многофазной системой распределения энергии.

Обратите внимание! Русский ученый и инженер А. Н. Лодыгин изобрел и запатентовал в 1874 г. лампу освещения, где функцию нити накаливания выполнял угольный стержень, размещенный в вакуумной среде сосуда, изготовленного из стекла

Это были первые лампочки освещения в России. Только через 16 лет в 1890-х гг. он применил нить из тугоплавкого металла — вольфрама.

Однозначно нельзя заявить в каком году появился свет. Несмотря на то, что многие историки считают что лампочка была изобретена американцем Эдисоном, тем не менее первая лампа с платиновой нитью накаливания в вакуумном стеклянном сосуде была изобретена в 1840 изобретателем из Англии Де ла Рю.

Дополнительная информация. Российскому ученому П. Н. Яблочкову россияне были благодарны за возникновение электродуговой лампы и хотя ресурс ее работы не превышал 4 часов, осветительный прибор широко использовался на территории Зимнего дворца почти 5 лет.

Электродуговая лампа П.Н.Яблочкова

Пропускная способность линий электропередач

Напряжение в конце линии неизбежно ниже, чем в её начале. Вольтаж теряется на сопротивлении проводов ЛЭП. Именно эта разница напряжений уходит впустую на обогрев вселенной.

Такая проблема приводит к тому, что невозможно создать линию электропередач бесконечной длины и передать по ней неограниченную мощность. Поэтому введено понятие – пропускная способность ЛЭП. Данная характеристика в первую очередь зависит от длины линии, металла, из которого сделаны её провода и их сечения. Потери в меди менее ощутимы, чем у алюминия. Пропускная способность линии тем выше, чем толще её провода.

Принцип работы

Если рассмотреть беспроводное электричество более детально, тогда можно понять, что оно предоставляет возможность передавать электрическую энергию на расстояния. Многие сравнивают подобную технологию с радио или сотовой связью. Принцип работы достаточно простой, и он основывается на наличии в системе двух катушек.

Передача электроэнергии на расстояние осуществляется с помощью приемника и передатчика

Теперь пришло время более детально ознакомиться с принципом работы:

В системе присутствует передатчик и приемник, которые способны генерировать переменное магнитное поле.
Магнитное поле позволяет создать напряжение в катушке приемника.
При направлении электрического тока через провод вокруг кабеля может образоваться круговое магнитное поле.
На мотке проволоки, куда не поступает электрический ток напрямую начнет поступать электрический ток от первой катушки через магнитное поле, что обеспечит индуктивную связь.

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:

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.
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.

Примеры транспортировки энергии по воздуху

Рассмотренная выше проблема может быть решена путем выбора альтернативного варианта распределения энергии, который мог бы обеспечить гораздо более высокую эффективность, низкую стоимость передачи и избежать хищения энергии. Передача энергии микроволновым излучением является одной из перспективных технологий и может стать достойной альтернативой.

Беспроводной передачей энергии занимался еще Никола Тесла, который показал, что он действительно “отец беспроводной связи”. Никола Тесла первым задумал идею беспроводной передачи энергии и еще в 1891 году продемонстрировал “передачу электрической энергии без проводов”, которая зависела от электропроводности.
В 1893 году Тесла продемонстрировал освещение вакуумных ламп без использования проводов для передачи электроэнергии на Всемирной Колумбийской экспозиции в Чикаго. Башня Уорденклиффа была спроектирована и построена Теслой главным образом для беспроводной передачи электроэнергии, а не телеграфии.

В 1904 году дирижабль с двигателем 0,1 лошадиной силы приводился в движение путем передачи мощности через пространство с расстояния не менее 30 метров.
В 1961 году была опубликована первая статья, предлагающая микроволновую энергию для передачи энергии, а в 1964 году продемонстрирована модель вертолета с микроволновым питанием, которая получала всю мощность, необходимую для полета от микроволнового луча на частоте 2,45 ГГц из диапазона частот 2,4-2,5 ГГц, который зарезервирован для промышленных, научных и медицинских приложений.
Эксперименты по передаче энергии микроволновым излучением без проводов в диапазоне десятков киловатт были проведены в Калифорнии в 1975 году и на острове Реюньон (Индийский океан) в 1997 году.
Аналогичным образом, первый в мире самолет без топлива, работающий на микроволновой энергии с земли, был зарегистрирован в 1987 году в Канаде.
В 2003 году Центр летных исследований НАСА продемонстрировал модель самолета с лазерным питанием в помещении.
В 2004 году Япония предложила беспроводную зарядку электромобилей с помощью микроволновой передачи энергии. Новая компания представила технологию беспроводной передачи энергии на выставке потребительской электроники 2007 года.
Исследовательская группа физиков также продемонстрировала беспроводное питание лампочки мощностью 60 Вт с эффективностью 40% на расстоянии 2 м с использованием двух катушек диаметром 60 см.
Сейчас уже серийно выпускается беспроводная зарядка для смартфонов и других устройств.
Электромобиль Тесла и другие современные авто уже имеет встроенную беспроводную зарядку для смартфонов и не горами зарядка самого электромобиля.

Концепция беспроводной передачи энергии микроволновым излучением поясняется функциональной блок-схемой. На передающей стороне источник питания преобразует энергию в микроволны которые контролируются электронными управляемыми схемами. Передающая антенна излучает мощность равномерно через свободное пространство к антенне. На приемной стороне антенна принимает передаваемую мощность и преобразует микроволновую мощность в мощность постоянного тока. Передача осуществляется на частоте 2,45 ГГц или 5,8 ГГц. Другие варианты частот – 8,5 ГГц, 10 ГГц и 35 ГГц.

Самая высокая эффективность около 90% достигнута на частоте 2.45 ГГц.

Классификация линий электропередач

Существует множество разновидностей ЛЭП. Каждый из видов заточен под свои определённые нужды и задачи. В соответствии с этим, ПУЭ регламентирует следующую классификацию воздушных линий электропередач.

По классу напряжению ЛЭП бывают: