Передача электроэнергии: существующие способы и разработки

Электричество – это свойство магнитного поля преобразовываться в другие виды энергии. Эти виды энергии могут быть: механической, химической, паровой, лазерной. Количество потребителей и источников потребления постоянно растет. Поэтому вопрос о том, как передавать электроэнергию на большие расстояния с сохранением энергии и ее распределением, остается открытым. В статье будут описаны основные и актуальные способы передачи, а также современные разработки в области беспроводных технологий.

Способы передачи электроэнергии

Электричество или переменный ток передается от источника к потребителю по подземным проводам или кабельным линиям. Эти методы актуальны уже много лет. Это связано с тем, что не существует технологии, позволяющей передавать электроэнергию на большие расстояния с минимальными потерями при сохранении полной мощности. Причем способ должен быть максимально надежным и экономичным.

Схема передачи переменного электрического напряжения или постоянного электрического напряжения следующая:

Принцип работы и объяснение схемы:

1. В начале схемы стоит генератор, вырабатывающий электричество.
2. От генератора напряжение поступает на трехфазный трансформатор для увеличения мощности. От него электричество течет по ЛЭП (ЛЭП).
3. После ЛЭП напряжение поступает на трехфазный понижающий трансформатор.
4. От трансформатора к потребителю поступает напряжение со значительным занижением.

Для постоянного тока есть выпрямительное устройство, которое находится после повышающего трансформатора. После пересечения линии электропередачи постоянный ток сначала должен поступить на преобразователь постоянного тока в переменный, а затем – на понижающий трансформатор.

Воздушные и кабельные линии

Потребление электроэнергии от воздушных линий электропередач и кабелей – это определенная закономерность. В начале схемы находится источник питания, а именно силовая установка. Панель управления подает повышенное напряжение в распределительную линию, на конце которой находится трансформатор. Главный недостаток такой схемы – это как раз необходимость обеспечения слишком большой мощности. Это связано с потерей части напряжения на расстоянии. Способы такой передачи 2.

Воздушные линии – это сеть высоковольтных кабелей, подвешенных на опорах или столбах. Этот метод очень распространен и эффективен. Но у него также есть ряд недостатков:

• требование обеспечения высокой мощности в начале (от электростанции);
• потеря значительного количества мощности на каждом километре;
• повреждение магнитного поля человеку;
• большие трудности при прокладке ЛЭП в сложных и непрактичных регионах.
• высокие затраты на рабочую силу и материалы для новых клиентов, находящихся на дальнем расстоянии;
• высокая вероятность повреждений и разрушений от стихийных бедствий;

Воздушные линии снабжают потребителей переменным током. По дальности и мощности они делятся на следующие категории:

1. Воздушные линии напряжением до 1 кВ считаются низковольтными. Они являются концом схемы передачи потребителю.
2. Линии напряжением от 1 до 35 кВ считаются средними.
3. К высоковольтным линиям относятся ВЭЛ напряжением 110-220 кВ. Эти линии являются началом цепи передачи напряжения.
4. ВЭЛ на напряжение 330-750 кВ относятся к очень высоковольтным.
5. К сверхвысокому напряжению относятся ЗНВ с напряжением более 750 кВ.

Чем больше приложенное напряжение, тем большее расстояние оно должно преодолевать от источника до потребителя.

Кабельные линии работают по аналогичному принципу. Они также проводят переменный электрический ток. Но такие линии проводят под землей или под водой. Основными недостатками такого трансфера являются:

1. Большие сложности и затраты на этапе установки. Кабельные линии прокладывают в местах, где прокладка ВЛ невозможна или опасна.
2. Также уменьшается соотношение напряжения к расстоянию.
3. Существует опасность механического повреждения или растяжения кабеля.
4. В случае повреждения существует опасность натяжения ступеней, особенно в воде.
5. повреждения очень сложно найти и отремонтировать.

В настоящее время существуют 2 схемы передачи электроэнергии от источника к потребителю по воздушным или кабельным линиям:

1. Разомкнутая цепь. Эта схема передачи представляет источник напряжения и потребителя в виде прямой линии. Недостатком такой схемы является отсутствие резервной линии на случай выхода из строя какого-либо участка.
2. Замкнутая схема (надежнее). В нем источник и все потребители заключены в сложное кольцо или цепь. Если участок линии поврежден, подача электричества не будет прервана.

Подобные схемы тоже классифицируются.

Диаграммы дисплея:

Обрыв цепи бывает 3-х видов:

1. Схема радиального подключения, при которой на одном конце находится источник питания, а на другом – энергопотребитель.
2. Схема магистрали аналогична радиальной, но содержит дополнительные отводы для потребления.
3. Схема магистрального электроснабжения, при которой между двумя источниками находится потребитель.

Замкнутый контур также бывает 3-х видов:

1. Схема с одним источником и стоком.
2. Линейная цепь с резервным источником.
3. Сложная замкнутая схема для подключения особых потребителей.

Все эти схемы касаются передачи постоянного тока потребителю. Таким образом, передача и распределение электроэнергии одинаковы для российских и зарубежных сетей.

ОБЪЯВЛЕНИЕ

Второй способ передачи электрического тока потребителю – постоянный ток. Этот ток выпрямляется. Он содержится в аккумуляторных батареях, аккумуляторах, зарядных устройствах. Этот ток по-прежнему поставляется потребителям в некоторых странах, но в очень небольших количествах. Он генерируется солнечными батареями. Постоянный ток может подаваться через существующие линии электропередач и подземные кабели. Преимущества такого перевода заключаются в следующем:

1. С расстоянием нет потери мощности. Переоценивать напряжение в силовой установке не нужно.
2. Статическая стабильность не влияет на передачу и распределение.
3. Частотную синхронизацию настраивать не нужно.
4. Напряжение может передаваться только по одной линии с помощью контактного провода.
5. Нет влияния электромагнитного излучения.
6. Минимальная реактивная мощность.

Постоянный ток не подается потребителю только из-за огромной стоимости оборудования для электростанций.

Проводимость электрического тока и процент завышения в начале передачи во многом зависят от сопротивления самой ЛЭП. Снижение сопротивления и, следовательно, нагрузки может быть достигнуто охлаждением до сверхнизкой температуры. Это поможет увеличить расстояние для передачи электроэнергии и значительно снизить потери. Сегодня не существует технологий, позволяющих снизить температуру в ЛЭП. Эта технология чрезвычайно дорога и требует серьезных изменений конструкции. Но в регионах Крайнего Севера этот метод хорошо работает и сильно занижает процент потерь при передаче электроэнергии и дальности.

Беспроводная передача

Передача и распределение электроэнергии потребителям без использования проводов – это реалии наших дней. Этот метод был впервые придуман и реализован Никола Тесла. На сегодняшний день разработки в этом направлении продолжаются. Есть всего 3 основных способа.

Катушки

Катушки представляют собой намотанные изолированные провода. Текущий метод передачи состоит из 2 катушек, расположенных рядом друг с другом. Если подать электрический ток на одну из катушек, на второй появится магнитное возбуждение с таким же напряжением. Любое изменение напряжения на катушке передатчика изменится и на катушке приемника. Этот метод очень прост и имеет шанс на существование. Но есть и минусы:

• невозможно передать электричество на большое расстояние;
• нет возможности подать высокое напряжение и принять его, поэтому нельзя одновременно подавать напряжение на несколько потребителей;
• коэффициент полезного действия (КПД) этого метода составляет всего 40 %.

В настоящее время актуальны методы простого использования катушек в качестве источника и приемника энергии. Таким образом заряжаются электросамокаты и велосипеды. Есть конструкции электромобилей без аккумулятора, но со встроенной катушкой. Предлагается использовать дорожное покрытие в качестве источника, а автомобиль – в качестве приемника. Но стоимость строительства таких дорог очень высока.

Лазерный

Передача электричества с помощью лазера – это источник, преобразующий электрическую энергию в лазерный луч. Луч фокусируется на приемнике, который снова преобразует его в электричество. Laser Motive мог передавать электрический ток 0,5 кВ с помощью лазера на расстояние 1 км. При этом потери напряжения и мощности составили 95%. Ущерб был нанесен атмосферой Земли. Луч многократно сжимается при взаимодействии с воздухом. Кроме того, обычное преломление луча случайными объектами может стать проблемой. Такой способ без потери мощности может быть актуален только в космосе.

СВЧ-передача

Основой для передачи электричества через микроволны является способность волн 12 см на частоте 2,45 ГГц быть невидимыми для атмосферы Земли. Подобная функция может минимизировать потери при передаче. Для этого метода требуются передатчик и приемник. Люди давно создали передатчик и преобразователь электрической энергии в микроволновке. Это изобретение называется магнетроном. Он есть в каждой микроволновой печи и очень безопасен. Проблемы возникли с изобретением приемника и преобразователя микроволнового излучения в электричество.

В 60-х годах прошлого века американцы изобрели ректенну. Другими словами, микроволновый приемник. С помощью изобретения можно было передавать 30 кВт электрического тока на расстояние 1,5 км. При этом коэффициент потерь составил всего 18%. Больше установка не могла сделать из-за использования в приемном устройстве полупроводниковых деталей. Для приема и передачи большей мощности при использовании ректенны необходимо создать огромную приемную панель. Это увеличит расход энергии, частоту и длину волны и, следовательно, соответствующий процент потерь. Высокая радиация могла убить все живое в радиусе нескольких десятков метров.

В СССР был изобретен циклотронный преобразователь микроволн в электричество. Это была 40-сантиметровая трубка, полностью собранная на лампах. КПД устройства составил 85%. Но для этого метода основным недостатком является метод сборки на светильниках. Устройства, основанные на таких деталях, могут вернуть человечество в мир огромных телефонов, компьютеров размером с комнату. О миниатюрной технике можно забыть.

Микроволновую передачу можно организовать из космоса. Подобный проект должен был собрать солнечную энергию с помощью спутника и перенаправить ее на приемник, расположенный на поверхности Земли. Но для этого нужно будет построить спутник диаметром один километр и приемник диаметром 5 километров. Вы можете полностью забыть о рейсах в зоне действия системы.

Основная проблема беспроводной передачи электроэнергии – это расстояние и атмосферное преломление. Также стоит учесть потенцию. Суммарное энергопотребление всей бытовой техники в квартире 30-40 кВт. Чтобы обеспечить квартиру электричеством, нужно было построить гигантские сооружения.

На сегодняшний день единственный способ передачи энергии большой мощности – проводной. Не требует прямого и обратного преобразования электрической энергии. Достаточно вначале приложить высокое напряжение, а в конце его значительно занизить. Этот метод имеет ряд недостатков, но остается актуальным в течение многих лет.

Похожие видео