Научные технологии разработки беспроводных способов передачи электричества

Оглавление

Введение

. Сущность беспроводных способов передачи электричества

. Энергосберегающая технология передачи электрической энергии на большие расстояния

. Новый способ беспроводной передачи энергии

Заключение

Список литературы

Введение

Через 20 лет кабеля исчезнут, а космоэлектростанции вытеснят атомные.

Опять эти провода! Куда и что вставлять? Где взять еще один тройник и удлинитель? Как не "убиться" о многочисленные кабеля, которые тянутся по всей квартире от каждого устройства? - Наверняка такого рода мысли возникают у нас при каждой новой покупке любого электроприбора, будь то чайник, кухонный комбайн с микроволновкой или тот же компьютер. И с каждым днем число проводов в наших квартирах заметно увеличивается, а число свободных розеток сокращается.

Взять, к примеру, такую привычную для всех вещь, как телевизор. Каких-то 10 лет назад для его просмотра достаточно было воткнуть одну вилку в одну розетку, тогда как сегодня к телевизору в комплекте идет ресивер для приема каналов (для работы с кабельным телевидением либо со спутниковой тарелкой), принято докупить DVD-плейер, плюс дети подсоединяют игровую приставку - для удобства требуется вставить 4 вилки в аналогичное число розеток. И вроде бы пора остановиться с покупкой новой техники, но с витрин магазинов на нас смотрят новые приборы, призванные облегчить нам бытовые задачи, развлечь нас или просто осветить дом.

В результате сегодня сложно найти квартиру, - что европейскую, что американскую, что российскую, - в которой бы под ногами не "валялся" удлинитель, а вдоль стен не было бы проложено витка из 4-10 кабелей. По прогнозам футурологов, если объемы потребления товаров бытовой электротехники не изменятся, то уже через 10 лет человечество, в буквальном смысле этого слова, - запутается в проводах.

1. Сущность беспроводных способов передачи электричества

Проблему с электрическими проводами ученые предлагают решить кардинально - отказаться от них вовсе. Сегодня уже существуют десятки реально работающих прототипов систем беспроводной передачи электричества. Уже к 2020 году точно так же, как сегодня мы отказываемся от компьютерных сетевых кабелей в пользу Wi-Fi, мы будем менять розетки на электророутеры. И это будет только началом новой эры развития цивилизации.

Как работает беспроводное электричество

Магнитное поле проходит сквозь предметы и передает электроэнергию от источника питания к потребителю - телевизору с электроприемником (см. фото)

Принципиальная схема WiTricity. Передающая катушка (1) включена в розетку (2). Приемная (4) - соединена с потребителем. Линии магнитного поля первой катушки (голубой цвет) способны огибать относительно небольшие проводящие препятствия (3) (а дерево, ткань, стекло, бетон или человека они и вовсе не замечают), успешно переправляя энергию (желтые линии) к прибору-потребителю, который, в результате, не нуждается в проводах.

. Энергосберегающая технология передачи электрической энергии на большие расстояния

Предлагаемая технология, базируется на идеях Н.Теслы, доработана с учетом современного развития науки и техники и основана на использовании двух резонансных контуров с частотой 0,5-50 кГц и однопроводной линии между контурами с напряжением линии 1-100 кВ при работе в режиме резонанса напряжений.

Провод линии является направляющим каналом, вдоль которого движется электромагнитная энергия.

При таком способе передачи электрической энергии, омические потери в проводах крайне незначительны, что в конечном итоге позволяет обеспечить снижение себестоимости киловатт/часа.

Описание предлагаемой технологии (метода) повышения энергоэффективности, его новизна и информированность о нем

 Одной из наиболее актуальных проблем современной энергетики является обеспечение энергосбережения и снижение экономических затрат при решении задачи передачи электрической энергии на большие расстояния.

На практике для передачи электрической энергии на большие расстояния, как правило, используют трехфазные системы, для реализации которых требуется применение не менее 4 проводов, которой присуще следующие существенные недостатки:

·              большие потери электрической энергии в проводах, так называемые джоулевые потери;

·              необходимость использования промежуточных трансформаторных подстанций, компенсирующие потери энергии в проводах;

·              возникновение аварий вследствие короткого замыкания проводов, в том числе из-за опасных погодных явлений (сильный ветер, наледь на проводах и др.);

·              большой расход цветных металлов;

·              большие экономические затраты на прокладку трехфазных электрических сетей (несколько миллионов рублей на 1 км).

Отмеченные выше недостатки могут быть устранены за счет применения резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии, основанной на идеях Н.Теслы, доработанной с учетом современного развития науки и техники. В настоящее время технология резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии получили свое развитие. Предлагаемая технология основана на использовании двух резонансных контуров с частотой 0,5-50 кГц и однопроводной линии между контурами (рис.1) с напряжением линии 1-100 кВ при работе в режиме резонанса напряжений. Провод линии является направляющим каналом, вдоль которого движется электромагнитная энергия. Энергия электромагнитного поля распределена вокруг проводника линии.

Рис. 1. Электрическая схема однопроводной системы передачи электроэнергии 1 - генератор повышенной частоты; 2 - резонансный контур повышающего трансформатора; 3 - однопроводная линия; 4 - резонансный контур понижающего трансформатора; 5 - выпрямитель; 6 - преобразователь

Как показывают расчеты и проведенные эксперименты при таком способе передачи электрической энергии, потери в проводах практически отсутствуют(в сотни раз меньше, чем при традиционном способе передачи электрической энергии) и данная технология безопасна для окружающей природной среды и человека. Рис.2 наглядно иллюстрирует преимущества однопроводной резонансной системы по сравнению с традиционной трехфазной системой передачи электроэнергии. На рис.2 представлены две светодиодные линии освещения. Слева 7 метровая двухпроводная. Справа 30 метровая однопроводная. Как видно из рис.2 при применении 7 метровой двухпроводной линии имеются существенные потери в проводах - последний светодиод светит значительно тусклее, чем первый. В однопроводной резонансной 30 метровой линии передачи электрической энергии такого эффекта не наблюдается - первый и последний светодиоды светят практически с одинаковой яркостью.

Рис. 2. Преимущества однопроводной резонансной системы по сравнению с традиционной трехфазной системой передачи электроэнергии

Другим важным преимуществом однопроводной резонансной системы передачи электрической энергии является существенная экономия цветных металлов. беспроводной электричество энергия однопроводной

На рис. 3 представлены два образца линий электропередач мощностью 50 кВт. Левый образец предназначен для применения в традиционной трехфазной системе передачи электрической энергии. Правый образец для применения в однопроводной резонансной системе передачи электрической энергии. Расход цветного металла (меди) в правом образце в 20 раз меньше, чем в левом образце.

Рис. 3. Образцы проводов линий электропередач (слева для применеия в трехфазной системе предачи электроэнергии, справа - в однопроводной резонансной)

При прокладке кабельных линий электропередач преимущества однопроводной резонансной системы заключаются, прежде всего, в том, что сечение кабеля в 3-5 раз меньше сечений традиционной трехфазной системы передачи электроэнергии, а это в свою очередь позволяет:

·              значительно уменьшить радиусы поворота линий, что является весьма важным при прокладке кабелей в городских условиях;

·              значительно (до 10 раз) снизить затраты на прокладку кабелей.

Кроме того, в случае реализации однопроводной резонансной системы электропередачи отсутствует межфазное короткое замыкание и обеспечивается высокий уровень электробезопасности.

Необходимо отметить, что в настоящее время создана мощная кооперация российских научно-исследовательских и производственных организаций (ВИЭСХ, НПО "СОДИС", Научный центр аэрокосмического мониторинга "Аэрокосмос", Институт аэрокосмических технологий и мониторинга РГУ нефти и газа им.И.М.Губкина, малое инновационное предприятие губкинского университета "Энергосбережение", Московский комитет по науке и технологиям), которая успешно приступила к большой практической работе по внедрению технологии резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии в различные сферы экономики нашей страны.

К настоящему моменту времени удалось реализовать несколько проектов с использованием однопроводной резонансной системы передачи электрической энергии. К числу реализованных проектов относятся, например, следующие проекты:

. 200 метровая однопроводная линия уличного освещения на молодежном форуме "Селигер 2007" (рис. 4).

Рис. 4. Резонансная однопроводня линия уличного освещения на молодежном форуме "Селигер 2007"

2. Система электропитания узлов автоматики на ракете-носителе.

Проведенные испытания в Научно-производственном центре автоматики и приборостроения имени академика Н. А. Пилюгина Роскосмоса убедительно показали, что однопроводная резонансная система электропитания узлов автоматики ракеты-носителя уменьшает сечение кабельной линии в несколько раз, позволяя тем самым сократить массу силовых проводов, расположенных на борту ракеты-носителя на 130 кг.

Данное обстоятельство является принципиально важным для ракетно-космической отрасли, т.к. позволяет увеличить полезную нагрузку, т.е. увеличить массу полезного груза, выводимого на космическую орбиту.

В настоящее время в стадии реализации находятся ряд проектов, использующие резонансную однопроводную систему передачи электрической энергии: система светодиодного уличного освещения (гос.заказчик - Департамент науки и промышленной политики города Москвы) и система электропитания станций катодной защиты трубопроводов(заказчик - ОАО "Газпром") и др.

Рассматриваемая технология представляет большой экономический интерес для нашей страны, учитывая обширность территории России и необходимость передачи электроэнергии на большие расстояния.

По проведенным расчетам широкомасштабное внедрение предлагаемой технологии в России позволит сэкономить сотни миллиардов рублей, что является особенно важным в современных условиях.

Наиболее эффективно однопроводная резонансная система передачи электрической энергии помимо отмеченных выше областей применения может быть использована для электроснабжения удаленных от основных магистральных ЛЭП объектов: фермерских хозяйств, строительных площадок, телекоммуникационного оборудования и др.

В сочетании с технологиями, использующие возобновляемые источники энергии (солнечная энергетика, ветроэнергетика, микроГЭС), однопроводная резонансная система передачи электроэнергии может быть очень полезна и экономически выгодна для регионов России, обладающие необходимым потенциалом в области возобновляемой энергетики.

Предлагаемая технология защищена патентами, прошла комплекс необходимых испытаний, имеет Сертификат соответствия №021-66/1 (рис. 5), защищена российскими патентами и получила поддержку в Министерстве энергетики РФ (исх. № 02-0804 от 6.07.2010).

Резонансная однопроводная система передачи электрической энергии является новой энергосберегающей и ресурсосберегающей технологией, позволяющая значительно снизить экономические затраты при решении задачи передачи электрической энергии на большие расстояния по сравнению с традиционной (трехфазной)системой электропередачи.

Результат повышения энергоэффективности при массовом внедрении

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

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.)

Наличие технических и других ограничений применения технологии (метода) на различных объектах

Предлагаемая технология является новой и работает на стыке двух наук: электротехника и радиотехника и в силу этого существуют определенные барьеры между научными школами в области электротехники и радиотехники, а также административные барьеры между двумя отраслями экономики, внедряющие результаты НИОКР в области электротехники и радиотехники.

Для снятия этих барьеров необходимо создание под единым организационным началом кооперации ученых и специалистов, работающих в области электротехники и радиотехники. Такая работа уже началась.

В настоящее время отработана технология передачи электроэнергии мощностью до 100 кВт. Передача электроэнергии большей мощности требует применение электронных приборов (транзисторов, тиристоров, диодов и др.) повышенной мощности и надежности. Необходимо проведение дополнительных исследований для решения задачи энергообеспечения объектов, потребляющих электроэнергию мощностью свыше 100 кВт .

Необходимо проведение НИОКР по разработке резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии мощностью более 100 кВт с разработкой комплекта конструкторской и технической документации и опытного образца системы для последующего его тиражирования.

Перечень пилотных проектов

Все работы были успешно выполнены и приняты заказчиком.

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.

Предполагаемые способы внедрения

o     коммерческое финансирование (при окупаемости затрат);

o     конкурс на осуществление инвестиционных проектов, разработанных в результате выполнения работ по энергетическому планированию развития региона, города, поселения;

o     бюджетное финансирование для эффективных энергосберегающих проектов с большими сроками окупаемости.

. Новый способ беспроводной передачи энергии

Хотя в самом принципе нет ничего нового и, строго говоря, на нём работали ещё радио Попова и передатчик Тесла, учёные заявляют, что их способ вполне готов к практическому применению.

Дело в том, что прежние разработки были "широковещательными": они занимали значительную часть волнового диапазона, а это вело к высокому поглощению электромагнитных волн препятствиями и даже воздухом; КПД такой передачи был низким, а рассеивание высоким. Исследователи из Стэнфордского университета (США) заявляют, что им удалось добиться избирательности передачи энергии на небольших расстояниях.

Система была проверена на дистанциях до 2 м, при мощностях до 10 кВт. Такая мощность примерно соответствует потреблению едущего по шоссе автомобиля, а расстояние позволяет снабжать транспортное средство от проводников, находящихся под дорожным покрытием. Даже при наличии между элементами системы металлических пластин, имитирующих корпус автомобиля, КПД передачи электроэнергии составил, по заявлениям исследователей, 97%.

Учитывая, что предшествующие опыты в этой области ограничивались подтверждённым КПД, не превышающим 45%, речь идёт о настоящем прорыве.

Итак, если разместить под шоссе линии индуктивных катушек, подключённых к ЛЭП, то они будут возбуждать ток в генераторах едущих электромобилей и тем самым подзаряжать их аккумуляторы. Напомним, что лучшие серийные электроавто современности с трудом преодолевают 160 км без подзарядки, которая к тому же длится многие часы. Перманентная подпитка во время поездки придаст электромобилям почти неограниченную "дальнобойность", позволив им стать значительно практичнее обычных машин. Именно так! Небольшой электрокроссовер потребляет 19-20 кВт•ч на 100 км пробега (в деньгах это меньше 50 руб.), в то время как стоимость заправки для бензиновой версии той же машины не опускается ниже 200 рублей.

Технические подробности пока, увы, не ясны; технология только патентуется. Описанный исследователями принцип - классический для массового трансфера электроэнергии на расстояние. Единственное названное отличие системы - в малой дистанции передачи, которое и позволяет, видимо, добиться высокого КПД.

Сами разработчики видят ещё одно применение для такого рода систем - увеличение точности GPS-навигации. По словам Свена Бейкера, исполнительного директора Стэнфордского центра автомобильных исследований, точность GPS не превышает 10 м; система знает, в какой именно точке планеты вы находитесь, но не может точно указать, занимаете ли вы, например, свою полосу шоссе. В то время как в предложенной разработке магнитное поле индуктивных катушек, выстроенных в ряд под дорогой, будет служить точным ориентиром середины полосы движения. Это может сослужить добрую службу для систем управления автомобилем без водителя.

Как отмечает Шаньхуэй Фань, один из авторов концепции, подобные технологии могут быть применены для передачи электроэнергии на малые расстояния в жилых домах и иных закрытых помещениях, с тем чтобы избавиться от проводов, ведущих к электробытовой технике. Впрочем, учёным ещё предстоят дополнительные исследования, для того чтобы убедиться в полной безопасности такого способа для здоровья людей и животных. Кроме того, уже запланированы испытания на экспериментальной трассе.

На всякий случай напомним, что концепция массового применения электромобилей давно вызывает определённые вопросы у экспертного сообщества. Так, стоимость ввода в строй одного киловатта мощности на электростанции начинается с $1 400. Если бы столько же стоил киловатт мощности двигателя обычного автомобиля, вы платили бы за мотор "Жигулей" никак не меньше $100 тыс. Полная электрификация личного транспорта заставит развёртывать "вторую энергетику", сравнимую по стоимости с уже существующей. И это не говоря о новых ЛЭП, линиях индуктивных катушек под шоссе и прочем. Готова ли современная экономика к таким жертвам?

Заключение

В конце реферата отметим, что существует несколько способов передачи электричества без использования токопроводящих элементов в цепи. Один из наиболее распространённых - электромагнитная индукция: переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создаёт магнитное поле, которое действует на вторичную обмотку, индуцируя в ней электрический ток. При этом для достижения высокой эффективности взаимодействие должно быть достаточно тесным.

Специалистам TDK с применением проприетарной технологии удалось создать вторичную обмотку толщиной всего 0,57 мм. Это делает возможным её использование в смартфонах и других мобильных устройствах с ограниченным пространством внутри корпуса. TDK подчёркивает, что полученная обмотка имеет небольшой вес и обладает высокой долговечностью и надёжностью.

Уже начаты работы по уменьшению толщины обмотки до 0,50 мм. Ожидается, что производство таких изделий будет освоено в 2013 году.

Список литературы

1.     Барг И. Г., Валк Х. Я., Комаров Д. Т.; Под ред. Барга И. Г./Совершенствование обслуживания энергосетей 0,4-20 кВ в селдьской местности - М.: Энергия, 2010. - 240 с., ил.

2.      Резонансная система электроосвещения , журнал "Энергосовет". 6 (11) 2010 г

.        Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования. РД 153-34.0-20.527-98/Под ред. Б.Н. Неклепаева.-М.:Изд-во НЦ ЭНАС, 2000.

.        Электрические системы. Электрические сети: Учеб. для электроэнерг. спец. вузов/В.А. Веников, А.А. Глазунов, Л.А. Жуков и др.:Под ред. В.А. Веникова, В.А. Строева.-2-е изд., перераб. и доп.-М.:Высш. шк., 1998.

.        Энергосберегающая и ресурсосберегающая технология передачи электроэнергии на большие расстояния. журнал "Энергосовет", 2 (15) 2011 г