Передача электроэнергии: как осуществляется передача и получение

Преимущества беспроводной передачи

В чем заключаются преимущества? Плюсы:

сокращаются расходы, связанные с поддержанием прямых соединителей (например, в традиционном промышленном скользком кольце);
большее удобство для зарядки обычных электронных устройств;
безопасная передача в приложения, которые должны оставаться герметически закрытыми;
электроника может быть полностью скрыта, что снижает риск коррозии из-за таких элементов как кислород и вода;
надежная и последовательная подача питания на вращающееся, высокомобильное промышленное оборудование;
обеспечивает надежную передачу мощности в критически важные системы во влажной, грязной и движущейся среде.

Независимо от приложения, ликвидация физического соединения обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с традиционными разъемами питания кабеля.

Этапы реализации устройства Тесла

Для начала необходимо поместить небольшой слот в верхнюю часть трубы, чтобы обернуть один конец провода вокруг

Медленно и осторожно обматывать катушку, следя за тем, чтобы не перекрывать провода и, при этом, не создавать пробелов. Этот шаг – самая сложная и утомительная часть, но потраченное время даст очень качественную и хорошую катушку

Каждые 20, или около того, поворотов помещаются кольца маскирующей ленты вокруг обмотки. Они выступают в качестве барьера. В случае, если катушка начнет распутываться. По завершении нужно обернуть плотную ленту вокруг верхней и нижней части обмотки и распылить ее 2 или 3 слоями эмали.

Затем необходимо подключить первичный и вторичный аккумулятор к батарее. После — включить транзистор и резистор. Меньшая обмотка является основной, а более длительная обмотка – вторичной. Можно дополнительно установить алюминиевую сферу сверху трубы. Кроме того, соединить открытый конец вторичной с добавленной, которая будет действовать как антенна

Необходимо создавать все с тщательной осторожностью, чтобы не дотрагиваться до вторичного устройства при включении питания

При самостоятельной реализации существует опасность возгорания. Нужно перевернуть выключатель, установить лампу накаливания рядом с беспроводным устройством передачи энергии и наслаждаться световым шоу.

Беспроводная передача электроэнергии, первые опыты

В 1888 году Генрих Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом. Его искровой передатчик с прерывателем на основе катушки Румкорфа мог производить электромагнитные волны частотой до 0,5 гигагерц. Которые могли быть приняты несколькими приемниками, настроенными в резонанс с передатчиком.

Генрих Герц и его творение

Приемники могли располагаться на расстоянии до 3 метров, и при возникновении искры в передатчике, искры возникали и в приемниках. Так были проведены первые опыты по беспроводной передаче электрической энергии с помощью электромагнитных волн.

В 1891 году Никола Тесла, занимаясь исследованием переменных токов высокого напряжения и высокой частоты, приходит к выводу, что крайне важно для конкретных целей подбирать как длину волны, так и рабочее напряжение передатчика, и совсем не обязательно делать частоту слишком высокой. Ученый отмечает, что нижняя граница частот и напряжений, при которых ему на тот момент удалось добиться наилучших результатов, — от 15000 до 20000 колебаний в секунду при потенциале от 20000 вольт

Никола Тесла

Тесла получал ток высокой частоты и высокого напряжения, применяя колебательный разряд конденсатора. Он заметил, что данный вид электрического передатчика пригоден как для производства света, так и для передачи электроэнергии для производства света.

В период с 1891 по 1894 годы ученый многократно демонстрирует беспроводную передачу, и свечение вакуумных трубок в высокочастотном электростатическом поле. При этом отмечая, что энергия электростатического поля поглощается лампой, преобразуясь в свет. А энергия электромагнитного поля, используемая для электромагнитной индукции с целью получения аналогичного результата, в основном отражается, и лишь малая ее доля преобразуется в свет. Даже применяя резонанс при передаче с помощью электромагнитной волны, значительного количества электрической энергии передать не удастся, утверждал ученый. Его целью в этот период работы была передача именно большого количества электрической энергии беспроводным способом.

Вплоть до 1897 года, параллельно с работой Тесла, исследования электромагнитных волн ведут: Джагдиш Боше в Индии, Александр Попов в России, и Гульельмо Маркони в Италии.

Вслед за публичными лекциями Тесла, Джагдиш Боше выступает в ноябре 1894 года в Калькутте с демонстрацией беспроводной передачи электричества, там он зажигает порох, передав электрическую энергию на расстояние.

После Боше, а именно 25 апреля 1895 года, Александр Попов, используя азбуку Морзе, передал первое радиосообщение, и эта дата (7 мая по новому стилю) отмечается теперь ежегодно в России как «День Радио».

В 1896 году Маркони, приехав в Великобританию, продемонстрировал свой аппарат, передав с помощью азбуки Морзе сигнал на расстояние 1,5 километра с крыши здания почтамта в Лондоне на другое здание. После этого он усовершенствовал свое изобретение и сумел передать сигнал по Солсберийской равнине уже на расстояние 3 километра.

Истоки и примеры беспроводных систем

Эта концепция, на самом деле, не является новой. Вся эта идея была разработана Николасом Тесла в 1893 году. Когда он разработал систему освещающих вакуумных ламп с использованием техники беспроводной передачи. Невозможно себе представить, чтобы мир существовал без различных источников зарядки, которые выражены в материальном виде. Чтобы стали возможными мобильные телефоны, домашние роботы, MP3-плееры, компьютер, ноутбуки и другие транспортируемые гаджеты, которые заряжались бы самостоятельно, без каких-либо дополнительных подключений, освобождая пользователей от постоянных проводов. Некоторые из этих устройств могут даже не требовать большого количества элементов. История беспроводной передачи энергии достаточно насыщена, причем, в основном, благодаря разработкам Тесла, Вольта и др. Но, сегодня это остается лишь данными в физической науке.

Основной принцип заключается в преобразовании питания переменного тока в постоянное напряжение с помощью выпрямителей и фильтров. А затем — в возращение в исходное значение на высокой частоте с использованием инверторов. Эта низковольтная с высшими колебаниями мощность переменного тока затем переходит от первичного трансформатора к вторичному. Преобразуется в постоянное напряжение с использованием выпрямителя, фильтра и регулятора. Сигнал переменного тока становится прямым благодаря звуку тока. А также использованию секции выпрямителя моста. Полученный сигнал постоянного тока проходит через обмотку обратной связи, которая действует как схема генератора. При этом заставляет транзистор его проводить в первичный преобразователь в направлении слева направо. Когда ток проходит через обмотку обратной связи, соответствующий ток протекает к первичной части трансформатора в направлении справа налево.

Таким образом работает ультразвуковой способ передачи энергии. Сигнал формируется через первичный преобразователь для обоих полупериодов оповещения переменного тока. Частота звука зависит от количественных показателей колебаний цепей генератора. Этот сигнал переменного тока появляется на вторичной обмотке трансформатора. А когда он подключен к первичному преобразователю другого объекта, напряжение переменного тока составляет 25 кГц. Появляется показание через него в понижающем трансформаторе.

Это напряжение переменного тока выравнивается с помощью мостового выпрямителя. И затем фильтруется и регулируется, чтобы получить выход 5 В для управления светодиодом. Выходное напряжение 12 В от конденсатора используется для питания двигателя вентилятора постоянного тока для его работы. Итак, с точки зрения физики, передача электроэнергии — достаточно развитая область. Однако, как показывает практика, беспроводные системы не до конца развиты и усовершенствованы.

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:

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:

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:

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.

Производство электроэнергии

Среди генераторов электроэнергии наиболее распространены электромеханические генераторы переменного тока. Они преобразуют механическую энергию вращения ротора в энергию индукционного переменного тока, возникающего благодаря явлению электромагнитной индукции.

На рис. 1 проиллюстрирована основная идея генератора переменного тока: проводящая рамка (называемая якорем) вращается в магнитном поле.

Рис.1. Схема генератора переменного тока

Магнитный поток сквозь рамку меняется со временем и порождает ЭДС индукции, которая приводит к возникновению индукционного тока в рамке. С помощью специальных приспособлений (колец и щёток) переменный ток передаётся из рамки во внешнюю цепь.

Если рамка вращается в однородном магнитном поле с постоянной угловой скоростью , то возникающий переменный ток будет синусоидальным. Покажем это.

Выберем направление вектора нормали к плоскости рамки. Вектор , таким образом, вращается вместе с рамкой. Направление обхода рамки считается положительным, если с конца вектора этот обход видится против часовой стрелки.

Напомним, что ток считается положительным, если он течёт в положительном направлении (и отрицательным в противном случае). ЭДС индукции считается положительной, если она создаёт ток в положительном направлении (и отрицательной в противном случае).

Предположим, что в начальный момент времени векторы и сонаправлены. За время рамка повернётся на угол . Магнитный поток через рамку в момент времени равен:

(1)

где — площадь рамки. Дифференцируя по времени, находим ЭДС индукции:

(2)

Если сопротивление рамки равно , то в ней возникает ток:

(3)

Как видим, ток действительно меняется по гармоническому закону, то есть является синусоидальным.

В реальных генераторах переменного тока рамка содержит не один виток, как в нашей схеме, а большое число витков. Это позволяет увеличить в раз ЭДС индукции в рамке. Почему?

Объяснить это несложно. В самом деле, магнитный поток через каждый виток площади по-прежнему определяется выражением (1), так что ЭДС индукции в одном витке согласно формуле (2) равна: . Все эти ЭДС индукции, возникающие в каждом витке, складываются друг с другом, и суммарная ЭДС в рамке окажется равной:

Сила тока в рамке:

где есть по-прежнему сопротивление рамки.

Кроме того, рамку снабжают железным (или стальным) сердечником. Железо многократно усиливает магнитное поле внутри себя, и поэтому наличие сердечника позволяет увеличить магнитный поток сквозь рамку в сотни и даже тысячи раз. Как следует из формул (2) и (3), ЭДС индукции и ток в рамке увеличатся во столько же раз.

Принципы передачи

В последних разработках учёных из США и Южной Кореи применялись магнитно-резонансные системы CMRS и DCRS. Корейская технология оказалась более совершенной. Удалось передать электроэнергию на 5 метров. Благодаря компактным дипольным катушкам DCRS, можно запитать всех потребителей в помещении средних размеров без проводов.

Несмотря на это, учёные всего мира заняты получением новых технологий, задача которых – передача энергии на расстоянии в десятки и сотни километров. Уже сегодня развиваются и претворяются в жизнь новые достижения науки в области доставки электроэнергии без проводных линий электропередач.

Маршрут транспортировки электричества

Итак, как мы уже сказали, начальной точкой является электрическая станция, которая, собственно, и генерирует электроэнергию. На сегодняшний день основными видами электростанций являются гидро- (ГЭС), тепло- (ТЭС) и атомные (АЭС). Помимо этого бывают солнечные, ветровые и геотермальные эл. станции.

Далее от источника электричество передается к потребителям, которые могут находиться на дальних расстояниях. Чтобы осуществить передачу электроэнергии, нужно повысить напряжение с помощью повышающих трансформаторов (напряжение могут повысить вплоть до 1150 кВ, в зависимости от расстояния).

Почему электроэнергия передается при повышенном напряжении? Все очень просто. Вспомним формулу электрической мощности — P=UI, тогда если передавать энергию к потребителю, то чем выше напряжение на линии электропередач — тем меньше ток в проводах, при той же потребляемой мощности. Благодаря этому можно строить ЛЭП с большим напряжением, уменьшив сечение проводов, по сравнению с ЛЭП с низшим напряжением. Значит и сократятся расходы на строительство — чем тоньше провода, тем они дешевле.

Соответственно от станции электричество передается на повышающий трансформатор (при необходимости), а после этого с помощью ЛЭП осуществляется передача электроэнергии на ЦРП (центрально распределительные подстанции). Последние, в свою очередь, находятся в городах или в близком расстоянии от них. На ЦРП происходит понижение напряжения до 220 или же 110 кВ, откуда электроэнергия передается к подстанциям.

Далее напряжение еще раз понижают (уже до 6-10 кВ) и происходит распределение электрической энергии по трансформаторным пунктам, именуемым также ТП. К трансформаторным пунктам электричество может передаваться не по ЛЭП, а подземной кабельной линией, т.к. в городских условиях это будет более целесообразно. Дело в том, что стоимость полосы отчуждения в городах достаточно высокая и более выгодно будет прокопать траншею и заложить кабель в ней, нежели занимать место на поверхности.

От трансформаторных пунктов электроэнергия передается к многоэтажным домам, постройкам частного сектора, гаражному кооперативу и т.д

Обращаем ваше внимание на то, что на ТП напряжение еще раз понижается, уже до привычных нам 0,4 кВ (сеть 380 вольт)

Если кратко рассмотреть маршрут передачи электроэнергии от источника к потребителям, то он выглядит следующим образом: электростанция (к примеру, 10 кВ) – повышающая трансформаторная подстанция (от 110 до 1150 кв) – ЛЭП – понижающая трансформаторная подстанция – ТП (10-0,4 кВ) – жилые дома.

Вот таким способом электричество передается по проводам в наш дом. Как вы видите, схема передачи и распределения электроэнергии к потребителям не слишком сложная, все зависит от того, насколько большое расстояние.

Наглядно увидеть, как электрическая энергия поступает в города и доходит до жилого сектора, вы можете на картинке ниже:

Более подробно об этом вопросе рассказывают эксперты:

Как электричество поступает от источника к потребителю

Микроволны

Неужели нет другого реально работающего способа передать электричество без проводов. Есть, и его изобрели еще до попыток и детских игр в звездные войны.

Оказывается, что специальные микроволны с длиной в 12см (частота 2,45Ггц), являются как бы прозрачными для атмосферы и она им не мешает в распространении.

Какой бы ни была плохой погода, при передаче с помощью микроволн, вы потеряете всего пять процентов! Но для этого вы сначала должны преобразовать электрический ток в микроволны, затем их поймать и опять вернуть в первоначальное состояние.

Первую проблему ученые решили очень давно. Они изобрели для этого специальное устройство и назвали его магнетрон.

Причем это было сделано настолько профессионально и безопасно, что сегодня каждый из вас у себя дома имеет такой аппарат

Зайдите на кухню и обратите внимание на свою микроволновку

У нее внутри стоит тот самый магнетрон с КПД равным 95%.

Но вот как сделать обратное преобразование? И тут было выработано два подхода:

Американский

Советский

В США еще в шестидесятых годах ученый У.Браун придумал антенну, которая и выполняла требуемую задачу. То есть преобразовывала падающее на него излучение, обратно в электрический ток.

Он даже дал ей свое название — ректенна.

После изобретения последовали опыты. И в 1975г при помощи ректенны, было передано и принято целых 30 квт мощности на расстоянии более одного километра. Потери при передаче составили всего 18%.

Спустя почти полвека, этот опыт до сих так никто и не смог превзойти. Казалось бы метод найден, так почему же эти ректенны не запустили в массы?

И тут опять всплывают недостатки. Ректенны были собраны на основе миниатюрных полупроводников. Нормальная работа для них — это передача всего нескольких ватт мощности.

А если вы захотите передать десятки или сотни квт, то готовьтесь собирать гигантские панели.

И вот тут как раз таки появляются не разрешимые сложности. Во-первых, это переизлучение.

Мало того, что вы потеряете из-за него часть энергии, так еще и приблизиться к панелям без потери своего здоровья не сможете.

Вторая головная боль — нестабильность полупроводников в панелях. Достаточно из-за малой перегрузки перегореть одному, и остальные выходят из строя лавинообразно, подобно спичкам.

В СССР все было несколько иначе. Не зря наши военные были уверены, что даже при ядерном взрыве, вся зарубежная техника сразу выйдет из строя, а советская нет. Весь секрет тут в лампах.

В МГУ два наших ученых В.Савин и В.Ванке, сконструировали так называемый циклотронный преобразователь энергии. Он имеет приличные размеры, так как собран на основе ламповой технологии.

Внешне это что-то вроде трубки длиной 40см и диаметром 15см. КПД у этого лампового агрегата чуть меньше, чем у американской полупроводниковой штуки — до 85%.

Но в отличие от полупроводниковых детекторов, циклотронный преобразователь энергии имеет ряд существенных достоинств:

надежность

большая мощность

стойкость к перегрузкам

отсутствие переизлучения

невысокая цена изготовления

После первого появления полупроводников, все резко начали отказываться от ламповых технологий. Но практические испытания говорят о том, что это зачастую неправильный подход.

Конечно, ламповые сотовые телефоны по 20кг или компьютеры, занимающие целые комнаты никому не интересны.

Но иногда только проверенные старые методы, могут нас выручить в безвыходных ситуациях.

В итоге на сегодняшний день, мы имеем три возможности передать энергию без проводов. Самый первый из рассмотренных ограничен как расстоянием, так и мощностью.

Но этого вполне хватит, чтобы зарядить батарейку смартфона, планшета или чего-то побольше. КПД хоть и маленький, но метод все же рабочий.