Передача электроэнергии от электростанции к потребителю. Передача электричества

Передача электроэнергии от электростанции к потребителю

От непосредственных источников генерации к потребителю электрическая энергия проходит множество технологических пунктов. При этом и сами ее носители в виде линий с проводниками имеют существенное значение в данной инфраструктуре. Они во многом и формируют многоуровневую и сложную систему передачи электроэнергии, где потребитель является завершающим звеном.

Откуда берется электроэнергия?

На первом этапе общего процесса энергообеспечения происходит генерация, то есть выработка электричества. Для этого используются специальные станции, которые производят энергию из других ее источников. В качестве последних может использоваться тепло, вода, солнечный свет, ветер и даже земля. В каждом случае применяются станции-генераторы, преобразующие природную или искусственно выработанную энергию в электричество. Это могут быть и традиционные атомные или тепловые электростанции, и ветряные мельницы с солнечными батареями. Для передачи электроэнергии большей части потребителей применяются всего три вида станций: АЭС, ТЭС и ГЭС. Соответственно, атомные, тепловые и гидрологические установки. На них генерируется порядка 75–85% энергии во всем мире, хотя в силу экономических и особенно экологических факторов нарастает тенденция к сокращению данного показателя. Так или иначе, именно эти основные электростанции производят энергию для дальнейшей ее передачи потребителю.

Сети для передачи электрической энергии

Транспортировку выработанной энергии осуществляет сетевая инфраструктура, представляющая собой совокупность разного рода электроустановок. Базовая структура передачи электроэнергии потребителям включает трансформаторы, преобразователи и подстанции. Но ведущее место в ней занимают линии электропередач, которые непосредственно связывают электростанции, промежуточные установки и потребителей. При этом и сети могут различаться между собой – в частности, по назначению:

Общественные сети. Снабжают бытовые, промышленные, сельскохозяйственные и транспортные объекты.

Сетевые коммуникации для автономного энергообеспечения. Обеспечивают питание автономных и мобильных объектов, к которым относятся самолеты, суда, энергонезависимые станции и т. п.
Сети для энергоснабжения объектов, выполняющих отдельные технологические операции. На том же производственном объекте помимо основного снабжения электричеством может предусматриваться линия для поддержания работоспособности конкретного оборудования, конвейера, инженерной установки и т. д.
Контактные линии энергоснабжения. Сети, предназначенные для доставки электроэнергии напрямую движущимся транспортным средствам. Это касается трамваев, локомотивов, троллейбусов и др.

Классификация сетей передачи электроэнергии по размеру

К наиболее крупным относятся магистральные сети, связывающие источники генерации энергии с центрами потребления в масштабах стран и регионов. Такие коммуникации характеризуются высокими показателями мощности (в размере гигаватт) и напряжения. На следующем уровне находятся региональные сети, которые представляют собой ответвления от магистральных линий и, в свою очередь, сами имеют отхождения более мелкого формата. По таким каналам осуществляется передача и распределение электроэнергии городам, районам, крупным транспортным узлам и удаленным месторождениям. Хотя и сети такого калибра могут похвастаться высокими мощностными показателями, главное, их преимущество заключается не в объемном снабжении энергетическими ресурсами, а в дальности транспортировки.

На следующем уровне идут районные и внутренние сети. Они же по большей части и выполняют функции распределения энергии между конкретными потребителями. Районные каналы питаются прямо от региональных, обслуживая городские квартальные зоны и поселковые сети. Что касается внутренних сетей, то они распределяют энергию в пределах квартала, села, завода и более мелких объектов.

Подстанции в сетях электроснабжения

Между отдельными отрезками линий транспортировки электроэнергии устанавливаются трансформаторы в формате подстанций. Их основная задача заключается в повышении напряжения на фоне снижения силы тока. А также существуют и понижающие установки, сокращающие показатель выходного напряжения в условиях наращивания силы тока. Необходимость такой регуляции параметров электроэнергии на пути к потребителю обуславливается потребностью в компенсации потерь на активном сопротивлении. Дело в том, что передача электроэнергии осуществляется по проводам с оптимальной площадью сечения, которая определяется исключительно отсутствием коронного разряда и силой тока. Невозможность контроля других параметров и приводит к потребности в дополнительном регулирующем оборудовании в виде того же трансформатора. Но есть и еще одна причина, по которой должно повышаться напряжение за счет подстанции. Чем выше этот показатель, тем дальше, может быть, расстояние передачи энергии с сохранением высокого мощностного потенциала.

Особенности цифровых трансформаторов

Современная разновидность подстанций, допускает возможность цифрового управления. Так, стандартный трансформатор этого типа предусматривает включение следующих компонентов:

Оперативно-диспетчерский пункт. Рабочий персонал через специальный терминал, подключенный по удаленной (иногда беспроводной) связи, контролирует работу станции в утяжеленных и нормальных режимах. Могут применяться вспомогательные устройства автоматики, а скорость передачи команд варьируется от нескольких минут до часов.

Противоаварийный блок управления. Данный модуль включается в работу при сильных возмущениях на линии. К примеру, если передача электроэнергии от электростанции к потребителю происходит в условиях переходных электромеханических процессов (при внезапном отключении собственного питания, генератора, сбросе значительной нагрузки и т. д.).
Релейная защита. Как правило, автоматический модуль с независимым источником энергоснабжения, в перечень задач которого входит локальное управление энергосистемой за счет быстрого обнаружения и отделения неисправных частей сети.

Вспомогательные электроустановки на линиях электропередачи

Подстанция кроме трансформаторного блока предусматривает наличие разъединителей, отделителей, измерительных и прочих дополняющих устройств. Они не относятся прямо к управляющему комплексу и работают по умолчанию. Каждая из этих установок предназначена для выполнения определенных задач:

Разъединитель выполняет размыкание/включение силовой цепи, если на силовых проводах отсутствует нагрузка.
Отделитель автоматически отключает трансформатор от сети на время, которое потребуется для аварийного режима эксплуатации подстанции. В отличие от управляющего модуля, в данном случае перевод на аварийную фазу работы производится механически.

Измерительные устройства определяют вектора напряжений и токов, при которых осуществляется передача электроэнергии от источника к потребителю в конкретный момент времени. Это тоже автоматические средства, поддерживающие и учет метрологических погрешностей.

Проблемы при передаче электрической энергии

При организации и эксплуатации сетей электроснабжения возникает немало сложностей, носящих технический и экономический характер. Например, важнейшей проблемой такого рода считаются уже упомянутые потери мощности тока из-за сопротивления в проводниках. Данный фактор компенсируется трансформаторным оборудованием, но и оно, в свою очередь, нуждается в обслуживании. Техническое поддержание сетевой инфраструктуры, по которой осуществляется передача электроэнергии на расстояние, в принципе затратно. Оно требует и материальных, и организационных ресурсных расходов, что в итоге отражается и на повышении тарифов для потребителей энергии. С другой стороны, новейшее оборудование, материалы для проводников и оптимизация процессов управления все же позволяет сокращать часть эксплуатационных расходов.

Кто является потребителем электроэнергии?

В немалой степени требования к энергоснабжению определяются самим потребителем. А в этом качестве могут выступать производственные предприятия, коммунально-бытовые организации, транспортные компании, владельцы загородных коттеджей, жители многоквартирных городских домов и т. д. Принципиальным признаком различия между разными группами потребителей можно назвать мощность его линии снабжения. По этому критерию все каналы передачи электроэнергии потребителям разных групп можно разделить на три вида:

До 5 МВт.
От 5 до 75 МВт.
От 75 до 1 тыс. МВт.

Заключение

Разумеется, вышеописанная энергоснабжающая инфраструктура будет неполной без непосредственного организатора процессов распределения энергетического ресурса. В качестве снабжающей компании выступают участники оптового энергетического рынка, имеющие соответствующую провайдерскую лицензию. Договор на услуги по передаче электроэнергии заключается с энергосбытовой организацией или иным поставщиком, который гарантирует снабжение в указанный расчетный период. При этом задачи техобслуживания и эксплуатации сетевой инфраструктуры, которая обеспечивает конкретный объект потребителя в рамках договора, могут находиться в ведомстве совсем другой сторонней организации. Это же касается и самого источника генерации энергии.

fb.ru

Получение, потребление, передача электроэнергии. Передача показаний электроэнергии :: SYL.ru

Развитость современного государства во многом зависит от эффективности производства и управления энергетическими ресурсами. Благодаря возможности обеспечения передачи на большие расстояния электричество стало наиболее распространенным видом энергии. Среди отличий данного энергоресурса выделяется и его способность к генерации. Кроме того, передача электроэнергии может осуществляться на высокой скорости, что упрощает технологические решения для организации сетей ее распределения и потребления. В конечном итоге этой энергией снабжается транспорт, дома, обеспечивается городская инфраструктура и т. д.

Получение

Лишь немногие обыватели задумываются о том, как электричество, на котором работают окружающие их приборы и оборудование, вырабатывается. Возможно, многих удивит, но энергии как объекта материи не существует – она является не более чем силой, сообщаемой одними предметами другим. В природе подобные процессы происходят сплошь и рядом. Наблюдая такие явления, человек стал разрабатывать способы целенаправленной выработки и направления энергии для определенных нужд. На данный момент передача и распределение электроэнергии действуют как необходимый компонент хозяйственной и промышленной деятельности любого государства. Однако на первом этапе все же остается ее производство, в котором участвуют различные виды электростанций.

Тепловые электростанции

Это один из старейших и наиболее распространенных генераторов электроэнергии. Такие станции преобразуют тепловую энергию, которая формируется путем выделения в процессе сжигания топлива органического происхождения. Но перед тем как перейти в состояние электричества, химическая топливная энергия преобразуется в механическую. В качестве топливного сырья применяется торф, уголь, мазут и т. д. В зависимости от того, какая передача электроэнергии требуется в конкретном районе или регионе, могут использоваться два вида станций. В частности, конденсационные комплексы предназначены исключительно для производства электроэнергии, а ТЭЦы (теплоэлектроцентрали) помимо электричества также осуществляют выработку тепловой энергии, которой чаще снабжаются промышленные предприятия.

Гидроэлектростанции

Такие станции представляют собой комплекс в виде строений и оборудования, за счет которых происходит преобразование энергии воды в электричество.

Гидроэлектростанции включают в себя цепь технических конструкций, которые обеспечивают оптимальную концентрацию водяных потоков и создают достаточный по силе напор. В непосредственном преобразовании энергии потока воды участвует энергетическое оборудование. Как правило, получение и передача электроэнергии на гидроэлектростанциях происходят в результате концентрации механической силы в водопадах на эксплуатируемых участках плотин. В машинном отделе станции работают гидроагрегаты, автоматические системы для контроля и управления, а также центральный пост диспетчерского управления.

Атомные электростанции

В атомных электростанциях происходит преобразование ядерной энергии. В качестве основного генератора выступает реактор, из которого выделяется тепло в процессе деления ядер тяжелых элементов. Это осуществляется по цепной реакции, в результате которой происходит выработка, а затем и передача электроэнергии с ее распределением. По сравнению с традиционными тепловыми станциями атомные реакторы функционируют не на органическом топливе, а на ядерной энергии, получаемой от плутония, урана и других элементов. Примечательно, что мировые запасы ядерных ресурсов в виде упомянутых тяжелых элементов превышают природные объемы нефти, угля, торфа и других представителей органического топлива. Это делает атомную энергетику весьма перспективной, хотя с точки зрения экологической безопасности такое соотношение трудно назвать благоприятным.

Передача электроэнергии по сетям

Для обеспечения передачи энергии используются электрические сети. Данная инфраструктура представляет собой комплекс электроустановок, реализующих трансляцию и распределение энергоресурса от вырабатывающей его станции до конечного потребителя. В зависимости от назначения передача электроэнергии может выполняться по разным сетям. В частности, выделяются следующие разновидности:

Сети с общим назначением. Как правило, обеспечивают бытовые, транспортные, промышленные и сельскохозяйственные нужды.
Контактные сети. Их можно выделить в отдельную группу, которая обслуживает транспортные средства, питающиеся энергией в процессе движения. Это могут быть локомотивы, трамваи, поезда и др.
Электросети для снабжения технологических объектов. В данном случае передача электроэнергии на расстояние позволяет обслуживать удаленные производственные объекты, а также различные инженерные коммуникации.
Сети для автономного снабжения. Питают энергией автономные и мобильные единицы, среди которых - те же станции, самолеты, суда, космические аппараты и т. д.

Линии электропередач

Электрические сети, в свою очередь, формируются линиями электропередач (ЛЭП), которые бывают двух типов: переменного и постоянного тока.

Наиболее распространены ЛЭП переменного тока благодаря существенному преимуществу. Дело в том, что передача и потребление электроэнергии за счет понижающего трансформатора возможны на любом участке такой линии. Но есть и недостатки у ЛЭП переменного тока – к примеру, индуктивное сопротивление, которое ухудшает качество трансляции электроэнергии. Таким образом, на пути к потребителям не исключается снижение напряжения в линии.

Главное достоинство ЛЭП постоянного тока заключается как раз в отсутствии индуктивного сопротивления. Помимо этого, в проводах таких линий используется меньше металла, что способствует снижению радиопомех. В линиях постоянного тока передача и распределение электроэнергии осуществляются с меньшей нагрузкой на энергосистемы, не требуя четкой синхронности. Этим достигается и долговечность ЛЭП, и экономичность в их содержании.

Энергосбыт и потребление

Завершающей стадией в процессе обслуживания электроэнергии является ее сбыт и потребление. Так же как и все продукты на рынке, энергоресурсы продаются, но в данном случае схемы реализации сложнее. Расчеты осуществляются после того как была осуществлена передача показаний электроэнергии за ее эксплуатацию в жилом помещении, офисе или производственном объекте. Сбытом энергии занимаются специальные организации, выполняющие поставки произведенной электрической энергии.

При этом существует две разновидности сбыта. В первом случае его называют энерготрейдингом, предполагающим покупку ресурса на оптовом рынке у непосредственного производителя. Далее посредник организует работу с сетевыми компаниями, которые занимаются продажами рознично. На этом этапе вновь производится передача данных за электроэнергию от конечных потребителей с последующими расчетами. Во втором варианте реализуется схема, при которой производитель изначально предлагает свои услуги на розничном рынке.

Показания за электроэнергию

Тарифы на данный ресурс могут меняться в зависимости от разных факторов. Однако способы расчета, как правило, одни и те же. Сетевые компании или представители вырабатывающего энергию предприятия снимают показания приборов учета, после чего предъявляют потребителям счета. Но чаще всего передача показаний электроэнергии производится самими пользователями. Данные отправляются в офисы организаций, высылаются через онлайн-сервисы или диктуются по телефону. В каждой компании-поставщике также предусматриваются меры по взысканию задолженностей.

Важно отметить, что начисление сумм платежей может предусматривать учет планового и фактического потребления. После того как была осуществлена передача данных за электроэнергию, представители компании составляют выписку, выставляют счет и собирают платежи.

Заключение

Технико-научный прогресс демонстрирует, что мировой энергетический потенциал является ключевым фактором развития промышленности и производства, вместе с этим повышая эффективность транспортной инфраструктуры. Но для рядовых пользователей выработка и передача электроэнергии на расстояние, прежде всего, обеспечивает личный комфорт существования. За право пользоваться энергией люди готовы оплачивать немалые суммы по тарифам. Это говорит о полезности и спросе на электричество не только среди крупных промышленных предприятий, но и у простых обывателей, жизнь которых уже не обходится без электроприборов.

www.syl.ru

Беспроводная передача электричества — Википедия

Беспроводное зарядное устройство для мобильного телефона стандарта Qi

Беспроводна́я переда́ча электри́чества — способ передачи электрической энергии без использования токопроводящих элементов в электрической цепи. К 2011 году имели место успешные опыты с передачей энергии мощностью порядка десятков киловатт в микроволновом диапазоне с КПД около 40 % — в 1975 в Goldstone, Калифорния и в 1997 в Grand Bassin на острове Реюньон (дальность порядка километра, исследования в области энергоснабжения посёлка без прокладки кабельной электросети). Технологические принципы такой передачи включают в себя индукционный (на малых расстояниях и относительно малых мощностях), резонансный (используется в бесконтактных смарт-картах и чипах RFID) и направленный электромагнитный для относительно больших расстояний и мощностей (в диапазоне от ультрафиолета до СВЧ).

История беспроводной передачи энергии[править]

1820: Андре Мари Ампер открыл закон (после названный в честь открывателя законом Ампера), показывающий, что электрический ток производит магнитное поле.
1831: Майкл Фарадей открыл закон индукции, важный базовый закон электромагнетизма.
1864: Джеймс Максвелл систематизировал все предыдущие наблюдения, эксперименты и уравнения по электричеству, магнетизму и оптике в последовательную теорию и строгое математическое описание поведения электромагнитного поля.
1888: Генрих Герц подтвердил существование электромагнитного поля. «Аппарат для генерации электромагнитного поля» Герца был СВЧ или УВЧ искровой передатчик «радиоволн».
1891: Никола Тесла улучшил передатчик волн Герца радиочастотного энергоснабжения в своём патенте No. 454,622, «Система электрического освещения».
1893: Никола Тесла демонстрирует беспроводное освещение люминесцентными лампами в проекте для Колумбовской всемирной выставки в Чикаго[1].
1894: Никола Тесла зажигает без проводов фосфорную лампу накаливания в лаборатории на Пятой авеню, а позже в лаборатории на Хаустон-стрит в Нью-Йорке, с помощью «электродинамической индукции», то есть посредством беспроводной резонансной взаимоиндукции[2][3][4].
1894: Джагдиш Чандра Боше дистанционно воспламеняет порох и ударяет в колокол с использованием электромагнитных волн, показывая, что сигналы связи можно посылать без проводов[5][6].
1895: А. С. Попов продемонстрировал изобретённый им радиоприёмник на заседании физического отделения Русского физико-химического общества 25 апреля (7 мая) 1895 года
1895: Боше передаёт сигнал на расстояние около одной мили[5][6].
1896: Гульельмо Маркони подает заявку на изобретение радио 2 июня 1896 года.
1896: Тесла передаёт сигнал на расстояние около 48 километров[7].
1897: Гульельмо Маркони передает текстовое сообщение азбукой Морзе на расстояние около 6 км, используя для этого радиопередатчик.
1897: Тесла регистрирует первый из своих патентов по применению беспроводной передачи.
1899: В Колорадо Спрингс Тесла пишет: «Несостоятельность метода индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха»[8].
1900: Гульельмо Маркони не смог получить патент на изобретение радио в Соединённых Штатах.
1901: Маркони передаёт сигнал через Атлантический океан, используя аппарат Тесла.
1902: Тесла против Реджинальда Фессендена: конфликт американского патента No. 21,701 «Система передачи сигналов (беспроводная). Избирательное включение ламп накаливания, электронные логические элементы в целом»[9].
1904: На Всемирной выставке в Сент-Луисе предлагается премия за успешную попытку управления двигателем дирижабля мощностью 0,1 л.с. (75 Вт) от энергии, передаваемой дистанционно на расстояние менее 100 футов (30 м)[10].
1917: Разрушена Башня Ворденклиф, построенная Никола Тесла для проведения опытов по беспроводной передаче больших мощностей.
1926: Синтаро Уда и Хидэцугу Яги публикуют первую статью «о регулируемом направленном канале связи с высоким усилением»[11], хорошо известном как «антенна Яги-Уда» или антенна «волновой канал».
1961: Уильям Браун публикует статью по исследованию возможности передачи энергии посредством микроволн[12][13].
1964: Уильям Браун и Уолтер Кроникт демонстрируют на канале CBS News модель вертолета, получающего всю необходимую ему энергию от микроволнового луча.
1968: Питер Глейзер предлагает беспроводную передачу солнечной энергии из космоса с помощью технологии «Энергетический луч»[14][15]. Это считается первым описанием орбитальной энергетической системы.
1973: Первая в мире пассивная система RFID продемонстрирована в Лос-Аламосской Национальной лаборатории[16].
1975: Комплекс дальней космической связи Голдстоун проводит эксперименты по передаче мощности в десятки киловатт[17][18][19].

2007: Исследовательская группа под руководством профессора Марина Солячича из Массачусетского технологического института передала беспроводным способом на расстояние 2 м мощность, достаточную для свечения лампочки 60 вт, с к. п. д. 40 %, с помощью двух катушек диаметром 60 см.[20]
2008: Фирма Bombardier предлагает новый продукт для беспроводной передачи PRIMOVE, мощная система для применения в трамваях и двигателях малотоннажной железной дороги[21].
2008: Корпорация Intel воспроизводит опыты Никола Тесла 1894 года и группы Джона Брауна 1988 года по беспроводной передаче энергии для свечения ламп накаливания с к. п. д. 75 %[22].
2009: Консорциум заинтересованных компаний, названный Wireless Power Consortium, разработал стандарт беспроводного питания Qi[23][24] для малых токов, который начал применяться в портативной технике.
2009: Представлен промышленный фонарь, способный безопасно работать и перезаряжаться бесконтактным способом в атмосфере, насыщенной огнеопасным газом. Это изделие было разработано норвежской компанией Wireless Power & Communication[25].
2009: Haier Group представила первый в мире полностью беспроводной LCD-телевизор, основанный на исследованиях профессора Марина Солячича по беспроводной передаче энергии и беспроводном домашнем цифровом интерфейсе (WHDI).[26][27]
2011: Wireless Power Consortium приступил к расширению спецификаций стандарта Qi для средних токов.
2012: Начал работу частный петербургский музей «Гранд Макет Россия», в котором миниатюрные модели автомобилей получают электропитание беспроводным способом через модель дорожного полотна.
2015: Учёные из Вашингтонского университета выяснили, что электричество можно передавать посредством технологии Wi-Fi[28].

Ультразвуковой способ[править]

Изобретение студентов университета Пенсильвании. Впервые широкой публике установка была представлена на выставке The All Things Digital (D9) в 2011 году. Как и в других способах беспроводной передачи чего-либо, используется приёмник и передатчик. Передатчик излучает ультразвук, приёмник, в свою очередь, преобразует слышимое в электричество. На момент презентации расстояние передачи достигает 7-10 метров, необходима прямая видимость приёмника и передатчика. Из известных характеристик — передаваемое напряжение достигает 8 вольт, однако не сообщается получаемая сила тока. Используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Также нет сведений и об отрицательном воздействии на животных.

Метод электромагнитной индукции[править]

Техника беспроводной передачи методом электромагнитной индукции использует ближнее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны. Энергия ближнего поля сама по себе не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Кроме того, как правило, имеют место и резистивные потери. Благодаря электродинамической индукции, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создает переменное магнитное поле, которое действует на вторичную обмотку, индуцируя в ней электрический ток. Для достижения высокой эффективности взаимодействие должно быть достаточно тесным. По мере удаления вторичной обмотки от первичной, все большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. Даже на относительно небольших расстояниях индуктивная связь становится крайне неэффективной, расходуя большую часть передаваемой энергии впустую.

Электрический трансформатор является простейшим устройством для беспроводной передачи энергии. Первичная и вторичная обмотки трансформатора прямо не связаны. Передача энергии осуществляется посредством процесса, известного как взаимная индукция. Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения. Бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щеток являются примерами использования принципа электродинамической индукции. Индукционные плиты также используют этот метод. Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приёмник должен находиться в непосредственной близости к передатчику для того, чтобы эффективно с ним взаимодействовать.

Использование резонанса несколько увеличивает дальность передачи. При резонансной индукции передатчик и приёмник настроены на одну частоту. Производительность может быть улучшена ещё больше путем изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Импульсная передача энергии происходит в течение нескольких циклов. Таким образом, значительная мощность может быть передана между двумя взаимно настроенными LC-цепями с относительно невысоким коэффициентом связи. Передающая и приёмная катушки, как правило, представляют собой однослойные соленоиды или плоскую спираль с набором конденсаторов, которые позволяют настроить принимающий элемент на частоту передатчика.

Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка аккумуляторных батарей портативных устройств, таких, как портативные компьютеры и сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили. Техника локализованной зарядки использует выбор соответствующей передающей катушки в структуре массива многослойных обмоток. Резонанс используется как в панели беспроводной зарядки (передающем контуре), так и в модуле приёмника (встроенного в нагрузку) для обеспечения максимальной эффективности передачи энергии. Такая техника передачи подходит универсальным беспроводным зарядным панелям для подзарядки портативной электроники, такой, например, как мобильные телефоны. Техника принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi.

Резонансная электродинамическая индукция также используется для питания устройств, не имеющих аккумуляторных батарей, таких, как RFID-метки и бесконтактные смарт-карты, а также для передачи электрической энергии от первичного индуктора винтовому резонатору трансформатора Теслы, также являющемуся беспроводным передатчиком электрической энергии.

Электростатическая индукция[править]

Электростатическая или ёмкостная связь представляет собой прохождение электроэнергии через диэлектрик. На практике это градиент электрического поля или дифференциальная ёмкость между двумя или более изолированными клеммами, пластинами, электродами, или узлами, возвышающимися над проводящей поверхностью. Электрическое поле создается за счет заряда пластин переменным током высокой частоты и высокого потенциала. Ёмкость между двумя электродами и питаемым устройством образует разницу потенциалов.

Электрическая энергия, передаваемая с помощью электростатической индукции, может быть использована в приёмном устройстве, например, таком, как беспроводные лампы. Тесла продемонстрировал беспроводное питание ламп освещения энергией, передаваемой переменным электрическим полем.

«Вместо того чтобы полагаться на электродинамическую индукцию для питания лампы на расстоянии, идеальным способом освещения зала или комнаты будет создание таких условий, при которых осветительный прибор можно было бы переносить и размещать в любом месте, и он работал, независимо от того, где он находится, и без проводного подключения. Я сумел продемонстрировать это, создав в помещении мощное переменное электрическое поле высокой частоты. Для этой цели я прикрепил изолированную металлическую пластину к потолку и подключил её к одной клемме индукционной катушки, другая клемма была заземлена. В другом случае я подключал две пластины, каждую к разным концам индукционной катушки, тщательно подобрав их размеры. Газоразрядная лампа может перемещаться в любое место помещения между металлическими пластинами или даже на некоторое расстояние за ними, излучая при этом свет без перерыва».

Принцип электростатической индукции применим к методу беспроводной передачи. «В случаях, когда требуется передача небольшого количества энергии, необходимость в расположении электродов на возвышении снижается, особенно в случае токов высокой частоты, когда достаточное количество энергии может быть получено терминалом путем электростатической индукции из верхних слоев воздуха, создаваемой передающим терминалом».

Микроволновое излучение[править]

Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной, значительно увеличив расстояние эффективной передачи энергии путем уменьшения длины волны электромагнитного излучения, как правило, до микроволнового диапазона. Для обратного преобразования микроволновой энергии в электричество может быть использована ректенна, эффективность преобразования энергии которой превышает 95 %. Данный способ был предложен для передачи энергии с орбитальных солнечных электростанций на Землю и питания космических кораблей, покидающих земную орбиту.

Сложностью в создании энергетического микроволнового луча является то, что для использования его в космических программах из-за дифракции, ограничивающей направленность антенны, необходима диафрагма большого размера. Например, согласно исследованию НАСА 1978 года, для микроволнового луча частотой 2,45 ГГц понадобится передающая антенна диаметром в 1 км, а приёмной ректенны диаметром в 10 км. Эти размеры могут быть снижены путем использования более коротких длин волн, однако короткие волны могут поглощаться атмосферой, а также блокироваться дождем или каплями воды. Из-за «проклятия узкого пучка» невозможно сузить луч, объединяя пучки от нескольких меньших спутников без пропорциональной потери в мощности. Для применения на земле антенна диаметром 10 км позволит достичь значительного уровня мощности при сохранении низкой плотности пучка, что важно по соображениям безопасности для человека и окружающей среды. Безопасный для человека уровень плотности мощности составляет 1 мВт/кв. см, что на площади круга диаметром 10 км соответствует мощности в 750 МВт. Этот уровень соответствует мощности современных электростанций.

После Второй мировой войны, когда началось развитие мощных СВЧ-излучателей, известных под названием магнетрон, идея использования микроволн для передачи энергии также была исследована.

В 1964 году был продемонстрирован миниатюрный вертолет, к которому энергия передавалась с помощью СВЧ-излучения.

Японский исследователь Хидэцугу Яги также исследовал беспроводную передачу энергии с помощью созданной им направленной антенной решетки.

В феврале 1926 года им была опубликована работа об устройстве, известном сейчас как антенна Яги. Хотя она оказалась неэффективной для передачи энергии, сегодня её широко используют в радиовещании и беспроводных телекоммуникациях из-за её превосходных рабочих характеристик.

Беспроводная передача энергии высокой мощности с использованием микроволн подтверждена экспериментально. Опыты по передаче десятков киловатт электроэнергии проводились в Голдстоуне, штат Калифорния, в 1975 году и в 1997 году в Гранд Бассине на острове Реюнион. В ходе экспериментов достигнута передача энергии на расстояние порядка одного километра.

Экспериментами по беспроводной передаче энергии с помощью СВЧ-излучения занимался также академик П. Л. Капица.

Лазерный метод[править]

В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к видимой области спектра (от 10 мкм до 10 нм), энергию можно передать путем её преобразования в луч лазера, который затем может быть направлен на фотоэлемент приёмника.

Лазерная передача энергии по сравнению с другими методами беспроводной передачи обладает рядом преимуществ:

Монохроматическая световая волна, обладающая малым углом расходимости, позволяет узкому пучку эффективно передавать энергию на большие расстояния.
Компактный размер твердотельного лазера — фотоэлектрического полупроводникового диода — удобен для небольших изделий.
Лазер не создает радиочастотных помех для существующих средств связи, таких, как Wi-Fi и сотовые телефоны.
Контроль доступа, так как только приёмники, освещенные лазерным лучом, получают электроэнергию.

У данного метода есть и ряд недостатков:

Преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, которым является свет, неэффективно. Преобразование света обратно в электричество также неэффективно, так как КПД фотоэлементов достигает 40-50 %, хотя эффективность преобразования монохроматического света значительно выше, чем эффективность солнечных панелей.
Потери в атмосфере.
Как и при микроволновой передаче, этот метод требует прямой видимости между передатчиком и приёмником.

Технология передачи мощности с помощью лазера ранее, в основном, исследовалась при разработке новых систем вооружений и в аэрокосмической промышленности, а в настоящее время разрабатывается для коммерческой и потребительской электроники в маломощных устройствах. Системы беспроводной передачи энергии с применением в потребительских целях должны удовлетворять требованиям лазерной безопасности стандарта IEC 60825. Для лучшего понимания лазерных систем следует принимать во внимание то, что распространение лазерного луча гораздо в меньшей степени зависит от дифракционных ограничений, как пространственное и спектральное согласования характеристик лазеров позволяют увеличить рабочую мощность и дистанцию, как длина волны влияет на фокусировку.

Драйденский Летно-исследовательского центр НАСА продемонстрировал полет легкого беспилотного самолета-модели, питаемого лазерным лучом. Это доказало возможность периодической подзарядки посредством лазерной системы без необходимости приземления летательного аппарата.

Кроме того, Litehouse DEV (подразделение НАСА) совместно с Университетом штата Мэриленд разрабатывает лазерную систему питания небольших БПЛА, безопасную для глаз.

С 2006 года компания PowerBeam, изобретшая лазерную технологию, безопасную для глаз, также разрабатывает готовые для коммерческого применения узлы для различных потребительских и промышленных электронных устройств.

В 2009 году в соревновании НАСА по передаче энергии лазером первое место и приз в $900 тыс. получила компания LaserMotive, продемонстрировав собственную разработку, способную действовать на расстоянии в один километр. Лазер победителя смог передать мощность в 500 Вт на расстояние в 1 км с 10 % КПД.

Электропроводность[править]

Однопроводная электрическая система SWER (Single Wire with Earth Return) основывается на токе земли и одном изолированном проводе. В аварийных случаях высоковольтные линии постоянного тока могут работать в режиме SWER. Замена изолированного провода на атмосферную обратную связь для передачи мощного высокочастотного переменного тока стала одним из методов беспроводной передачи электроэнергии. Кроме того, исследовалась возможность беспроводной передачи электроэнергии только через землю.

Низкочастотный переменный ток может быть передан с низкими потерями по земле, поскольку общее сопротивление земли значительно меньше, чем 1 Ом[29]. Электрическая индукция возникает преимущественно из-за электропроводимости океанов, металлических рудных тел и подобных подземных структур. Электрическая индукция также вызывается электростатической индукцией диэлектрических областей, таких, как залежи кварцевого песка и прочих непроводящих минералов[30][31].

Переменный ток может передаваться через слои атмосферы, имеющие атмосферное давление менее 135 мм рт. ст[32]. Ток протекает посредством электростатической индукции через нижние слои атмосферы примерно в 2-3 милях над уровнем моря[33] и благодаря потоку ионов, то есть электрической проводимости через ионизированную область, расположенную на высоте выше 5 км. Интенсивные вертикальные пучки ультрафиолетового излучения могут быть использованы для ионизации атмосферных газов непосредственно над двумя возвышенными терминалами, приводя к образованию плазменных высоковольтных линий электропередач, ведущих прямо к проводящим слоям атмосферы. В результате между двумя возвышенными терминалами образуется поток электрического тока, проходящий до тропосферы, через неё и обратно на другой терминал. Электропроводность через слои атмосферы становится возможной благодаря ёмкостному плазменному разряду в ионизированной атмосфере[34][35][36][37].

Никола Тесла обнаружил, что электроэнергия может передаваться и через землю, и через атмосферу. В ходе своих исследований он добился возгорания лампы на умеренных расстояниях и зафиксировал передачу электроэнергии на больших дистанциях. Башня Ворденклиф задумывалась как коммерческий проект по трансатлантической беспроводной телефонии и стала реальной демонстрацией возможности беспроводной передачи электроэнергии в глобальном масштабе. Установка не была завершена из-за недостаточного финансирования[38].

Земля является естественным проводником и образует один проводящий контур. Обратный контур реализуется через верхние слои тропосферы и нижние слои стратосферы на высоте около 4.5 миль (7.2 км)[39].

Глобальная система передачи электроэнергии без проводов, так называемая „Всемирная беспроводная система“, основанная на высокой электропроводности плазмы и высокой электропроводности земли, была предложена Николой Тесла в начале 1904 года и вполне могла стать причиной Тунгусского метеорита, возникшего в результате „короткого замыкания“ между заряженной атмосферой и землей[40][41].

Всемирная беспроводная система[править]

Ранние эксперименты известного сербского изобретателя Никола Теслы касались распространения обычных радиоволн, то есть волн Герца, электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве.

В 1919 году Никола Тесла писал: «Считается, что я начал работу над беспроводной передачей в 1893 году, но на самом деле два предыдущих года я проводил исследования и конструировал аппаратуру. Для меня было ясно с самого начала, что успеха можно достичь благодаря ряду радикальных решений. Высокочастотные генераторы и электрические осцилляторы должны были быть созданы в первую очередь. Их энергию необходимо было преобразовать в эффективных передатчиках и принять на расстоянии надлежащими приёмниками. Такая система была бы эффективна в случае исключения любого постороннего вмешательства и обеспечения её полной эксклюзивности. Со временем, однако, я осознал, что для эффективной работы устройств такого рода они должны разрабатываться с учетом физических свойств нашей планеты».

Одним из условий создания всемирной беспроводной системы является строительство резонансных приёмников. Заземленный винтовой резонатор катушки Теслы и расположенный на возвышении терминал могут быть использованы в качестве таковых. Тесла лично неоднократно демонстрировал беспроводную передачу электрической энергии от передающей к приёмной катушке Теслы. Это стало частью его беспроводной системы передачи (патент США № 1119732, Аппарат для передачи электрической энергии, 18 января 1902 г.). Тесла предложил установить более тридцати приёмо-передающих станций по всему миру. В этой системе приёмная катушка действует как понижающий трансформатор с высоким выходным током. Параметры передающей катушки тождественны приёмной.

Целью мировой беспроводной системы Теслы являлось совмещение передачи энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которое бы позволило избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало объединению электрических генераторов в глобальном масштабе.

↑ «Electricity at the Columbian Exposition», by John Patrick Barrett. 1894, pp. 168—169 (англ.)
↑ Experiments with Alternating Currents of Very High Frequency and Their Application to Methods of Artificial Illumination, AIEE, Columbia College, N.Y., May 20, 1891 (англ.)
↑ Experiments with Alternate Currents of High Potential and High Frequency, IEE Address, London, February 1892 (англ.)
↑ On Light and Other High Frequency Phenomena, Franklin Institute, Philadelphia, February 1893 and National Electric Light Association, St. Louis, March 1893 (англ.)
↑ 5,05,1 The Work of Jagdish Chandra Bose: 100 years of mm-wave research (англ.)
↑ 6,06,1 Jagadish Chandra Bose (англ.)
↑ Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power, pp. 26-29. (англ.)
↑ June 5, 1899, Nikola Tesla Colorado Spring Notes 1899—1900, Nolit, 1978 (англ.)
↑ Nikola Tesla: Guided Weapons & Computer Technology (англ.)
↑ The Electrician (London), 1904 (англ.)
↑ Scanning the Past: A History of Electrical Engineering from the Past, Hidetsugu Yagi
↑ A survey of the elements of power Transmission by microwave beam, in 1961 IRE Int. Conf. Rec., vol.9, part 3, pp.93-105 (англ.)
↑ IEEE Microwave Theory and Techniques, Bill Brown’s Distinguished Career (англ.)
↑ Power from the Sun: Its Future, Science Vol. 162, pp. 957—961 (1968)
↑ Solar Power Satellite patent (англ.)
↑ History of RFID (англ.)
↑ Space Solar Energy Initiative (англ.)
↑ Wireless Power Transmission for Solar Power Satellite (SPS) (Second Draft by N. Shinohara), Space Solar Power Workshop, Georgia Institute of Technology (англ.)
↑ W. C. Brown: The History of Power Transmission by Radio Waves: Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on September, 1984, v. 32 (9), pp. 1230—1242 (англ.)
↑ Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances (англ.). Science (7 June 2007). Проверено 6 сентября 2010. Архивировано из первоисточника 29 февраля 2012., Заработал новый способ беспроводной передачи электричества (рус.). MEMBRANA.RU (8 июня 2007). Проверено 6 сентября 2010. Архивировано из первоисточника 29 февраля 2012.
↑ Bombardier PRIMOVE Technology
↑ Intel imagines wireless power for your laptop (англ.)
↑ wireless electricity specification nearing completion
↑ Global Qi Standard Powers Up Wireless Charging — HONG KONG, Sept. 2 /PRNewswire/
↑ TX40 and CX40, Ex approved Torch and Charger (англ.)
↑ Haier’s wireless HDTV lacks wires, svelte profile (video) (англ.), Беспроводное электричество поразило своих создателей (рус.). MEMBRANA.RU (16 февраля 2010). Проверено 6 сентября 2010. Архивировано из первоисточника 26 февраля 2012.
↑ Eric Giler demos wireless electricity | Video on TED.com
↑ Wi-Fi роутер превратили в источник беспроводного электропитания
↑ "Nikola Tesla and the Diameter of the Earth: A Discussion of One of the Many Modes of Operation of the Wardenclyffe Tower, " K. L. Corum and J. F. Corum, Ph.D. 1996
↑ William Beaty, Yahoo Wireless Energy Transmission Tech Group Message #787, reprinted in WIRELESS TRANSMISSION THEORY.
↑ Wait, James R., The Ancient and Modern History of EM Ground-Wave Propagation, " IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 40, No. 5, October 1998.
↑ SYSTEM OF TRANSMISSION OF ELECTRICAL ENERGY, Sept. 2, 1897, U.S. Patent No. 645,576, Mar. 20, 1900.

↑ Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power

I have to say here that when I filed the applications of September 2, 1897, for the transmission of energy in which this method was disclosed, it was already clear to me that I did not need to have terminals at such high elevation, but I never have, above my signature, announced anything that I did not prove first. That is the reason why no statement of mine was ever contradicted, and I do not think it will be, because whenever I publish something I go through it first by experiment, then from experiment I calculate, and when I have the theory and practice meet I announce the results.

At that time I was absolutely sure that I could put up a commercial plant, if I could do nothing else but what I had done in my laboratory on Houston Street; but I had already calculated and found that I did not need great heights to apply this method. My patent says that I break down the atmosphere "at or near" the terminal. If my conducting atmosphere is 2 or 3 miles above the plant, I consider this very near the terminal as compared to the distance of my receiving terminal, which may be across the Pacific. That is simply an expression....

↑ Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power

... I saw that I would be able to transmit power provided I could construct a certain apparatus -- and I have, as I will show you later. I have constructed and patented a form of apparatus which, with a moderate elevation of a few hundred feet, can break the air stratum down. You will then see something like an aurora borealis across the sky, and the energy will go to the distant place.

That is very simple. An apparatus which permits displacing a certain quantity of electricity in the terminal – we shall say so many units -- will produce an electric potential at a distance of 5 miles, and the fall of electric potential per centimeter will be equal to the quantity of electricity divided by the square of the distance.

Now, I have satisfied myself that I can construct plants in which I may produce, per kilometer of the atmosphere, electric differences of potential of something like 50,000 or 60,000 volts, and at 50,000 or 60,000 volts that atmosphere must break down and will become conductive.

So that, when I had explained this principle to Lord Kelvin, he became absolutely convinced that I could do it; but Helmholtz was convinced from the very beginning that I could do it. It took argumentation, however, and demonstration by experiments, to convince Lord Kelvin.

↑ Rauscher, Elizabeth A., Electromagnetic Phenomena in Complex Geometries and Nonlinear Phenomena, Non-Hertzian Waves and Magnetic Monopoles, Tesla Book Company.
↑ APPARATUS FOR TRANSMISSION OF ELECTRICAL ENERGY, September 2, 1897, U.S. Patent No. 649,621, May 15, 1900
↑ Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power, pp. 126, 127.

↑ "The Future of the Wireless Art, " Wireless Telegraphy and Telephony, Walter W. Massie & Charles R. Underhill, 1908, pp. 67-71

It is intended to give practical demonstrations of these principles with the plant illustrated. As soon as completed, it will be possible for a business man in New York to dictate instructions, and have them instantly appear in type at his office in London or elsewhere. He will be able to call up, from his desk, and talk to any telephone subscriber on the globe, without any change whatever in the existing equipment. An inexpensive instrument, not bigger than a watch, will enable its bearer to hear anywhere, on sea or land, music or song, the speech of a political leader, the address of an eminent man of science, or the sermon of an eloquent clergyman, delivered in some other place, however distant. In the same manner any picture, character, drawing, or print can be transferred from one to another place. Millions of such instruments can be operated from but one plant of this kind. More important than all of this, however, will be the transmission of power, without wires, which will be shown on a scale large enough to carry conviction.

↑ Tesla, Nikola, Systems of Transmission of Electrical Energy, Sept. 2, 1897, U.S. Patent No. 645,576, Mar. 20, 1900.
↑ The Transmission of Electrical Energy Without Wires," Electrical World, March 5, 1904. 21st Century Books (5 марта 1904). Проверено 4 июня 2009. Архивировано из первоисточника 29 февраля 2012..»

↑ Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power, pp. 128—130.

"The earth is 4,000 miles radius. Around this conducting earth is an atmosphere. The earth is a conductor; the atmosphere above is a conductor, only there is a little stratum between the conducting atmosphere and the conducting earth which is insulating.... Now, you realize right away that if you set up differences of potential at one point, say, you will create in the media corresponding fluctuations of potential. But, since the distance from the earth's surface to the conducting atmosphere is minute, as compared with the distance of the receiver at 4,000 miles, say, you can readily see that the energy cannot travel along this curve and get there, but will be immediately transformed into conduction currents, and these currents will travel like currents over a wire with a return. The energy will be recovered in the circuit, not by a beam that passes along this curve and is reflected and absorbed... but it will travel by conduction and will be recovered in this way

wp.wiki-wiki.ru

Электрическая передача - это... Что такое Электрическая передача?

Запрос «Электропередача» перенаправляется сюда; Об одноимённом населённом пункте см. Электрогорск.

Электри́ческая переда́ча (электри́ческая трансми́ссия) обеспечивает передачу тягового усилия от первичного двигателя к движителю или исполнительному органу, используя электрически соединённые электрогенератор и электродвигатель.

Электрические передачи бывают двух видов: «непрозрачные» (постоянного тока или с промежуточным звеном постоянного тока) и «прозрачные» (переменного тока). В «непрозрачных» передачах частота вращения на выходе никак не связана с частотой вращения первичного двигателя; это обеспечивает удобство трогания с места и изменения направления движения, а также полное использование мощности двигателя в широком диапазоне скоростей. «Непрозрачные» передачи широко применяются на тепловозах, карьерных самосвалах, теплоэлектробусах, тяжёлых тракторах и вездеходах, а также ледоколах.

«Непрозрачная» передача включает генератор постоянного тока или синхронный генератор с выпрямительной установкой; полученный постоянный (или выпрямленный) ток поступает либо напрямую к двигателям постоянного тока, либо через инверторы к асинхронным двигателям.

«Прозрачная» электрическая передача включает синхронный генератор и синхронные или асинхронные двигатели, включенные напрямую; в этом случае электрическая передача лишь заменяет понижающий редуктор и обеспечивает реверсирование. Она проще и легче «непрозрачной» передачи; использовалась на некоторых океанских лайнерах.

Преимущества и недостатки

Электрическая передача обеспечивает удобное изменение частоты и направления вращения на выходе, плавное трогание с места, а также распределение мощности на несколько ведущих колёс/осей; генераторная установка может быть расположена в любом месте транспортного средства независимо от расположения тяговых электродвигателей.

В то же время, все компоненты электрической предачи имеют большой вес, а для их изготовления расходуется большое количество цветных металлов.

Применения

dal.academic.ru

Беспроводная передача электричества — Machinepedia

Беспроводная передача электричества — способ передачи электрической энергии без использования токопроводящих элементов в электрической цепи.

К 2011 году имели место успешные опыты с передачей энергии мощностью порядка десятков киловатт в микроволновом диапазоне с КПД около 40 % — в 1975 в Goldstone, Калифорния и в 1997 в Grand Bassin на острове Реюньон (дальность порядка километра, исследования в области энергоснабжения посёлка без прокладки кабельной электросети). Технологические принципы такой передачи включают в себя индукционный (на малых расстояниях и относительно малых мощностях), резонансный (используется в бесконтактных смарт-картах и чипах RFID) и направленный электромагнитный для относительно больших расстояний и мощностей (в диапазоне от ультрафиолета до микроволн).

Ультразвуковой метод

Метод электромагнитной индукции

Метод, основанный на электромагнитной индукции

Электрический трансформатор является простейшим устройством для беспроводной передачи энергии. Первичная и вторичная обмотки трансформатора прямо не связаны. Передача энергии осуществляется посредством процесса, известного как взаимная индукция. Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения. Бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щеток являются примерами использования принципа электродинамической индукции. Индукционные плиты также используют этот метод. Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приемник должен находиться в непосредственной близости к передатчику для того, чтобы эффективно с ним взаимодействовать.

Использование резонанса несколько увеличивает дальность передачи. При резонансной индукции передатчик и приемник настроены на одну частоту. Производительность может быть улучшена ещё больше путем изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Импульсная передача энергии происходит в течение нескольких циклов. Таким образом, значительная мощность может быть передана между двумя взаимно настроенными LC-цепями с относительно невысоким коэффициентом связи. Передающая и приемная катушки, как правило, представляют собой однослойные соленоиды или плоскую спираль с набором конденсаторов, которые позволяют настроить принимающий элемент на частоту передатчика.

Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка аккумуляторных батарей портативных устройств, таких как портативные компьютеры и сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили. Техника локализованной зарядки использует выбор соответствующей передающей катушки в структуре массива многослойных обмоток. Резонанс используется как в панели беспроводной зарядки (передающем контуре), так и в модуле приемника (встроенного в нагрузку) для обеспечения максимальной эффективности передачи энергии. Такая техника передачи подходит универсальным беспроводным зарядным панелям для подзарядки портативной электроники, такой, например, как мобильные телефоны. Техника принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi.

Резонансная электродинамическая индукция также используется для питания устройств, не имеющих аккумуляторных батарей, таких как RFID-метки и бесконтактные смарт-карты, а также для передачи электрической энергии от первичного индуктора винтовому резонатору трансформатора Теслы, также являющимся беспроводным передатчиком электрической энергии.

Электростатическая индукция

Электростатическая или емкостная связь представляет собой прохождение электроэнергии через диэлектрик. На практике это градиент электрического поля или дифференциальная емкость между двумя или более изолированными клеммами, пластинами, электродами, или узлами, возвышающимися над проводящей поверхностью. Электрическое поле создается за счет заряда пластин переменным током высокой частоты и высокого потенциала. Емкость между двумя электродами и питаемым устройством образует разницу потенциалов.

Электрическая энергия, передаваемая с помощью электростатической индукции, может быть использована в приемном устройстве, например, таком как беспроводные лампы. Тесла продемонстрировал беспроводное питание ламп освещения энергией, передаваемой переменным электрическим полем.

«Вместо того чтобы полагаться на электродинамическую индукцию для питания лампы на расстоянии, идеальным способом освещения зала или комнаты будет создание таких условий, при которых осветительный прибор можно было бы переносить и размещать в любом месте, и он работал, независимо от того, где он находится, и без проводного подключения. Я сумел продемонстрировать это, создав в помещении мощное переменное электрическое поле высокой частоты. Для этой цели я прикрепил изолированную металлическую пластину к потолку и подключил ее к одной клемме индукционной катушки, другая клемма была заземлена. В другом случае я подключал две пластины, каждую к разным концам индукционной катушки, тщательно подобрав их размеры. Газоразрядная лампа может перемещаться в любое место помещения между металлическими пластинами или даже на некоторое расстояние за ними, излучая при этом свет без перерыва».

Принцип электростатической индукции применим к методу беспроводной передачи. «В случаях, когда требуется передача небольшого количества энергии, необходимость в расположении электродов на возвышении снижается, особенно, в случае токов высокой частоты, когда достаточное количество энергии может быть получено терминалом путем электростатической индукции из верхних слоев воздуха, создаваемой передающим терминалом».

Микроволновое излучение

Сложностью в создании энергетического микроволнового луча является то, что для использования его в космических программах из-за дифракции, ограничивающей направленность антенны, необходима диафрагма большого размера. Например, согласно исследованию НАСА 1978 года, для микроволнового луча частотой 2,45 ГГц понадобится передающая антенна диаметром в 1 км, а приемной ректенны диаметром в 10 км. Эти размеры могут быть снижены путем использования более коротких длин волн, однако короткие волны могут поглощаться атмосферой, а также блокироваться дождем или каплями воды. Из-за «проклятия узкого пучка», невозможно сузить луч, объединяя пучки от нескольких меньших спутников без пропорциональной потери в мощности. Для применения на земле антенна диаметром 10 км позволит достичь значительного уровня мощности при сохранении низкой плотности пучка, что важно по соображениям безопасности для человека и окружающей среды. Безопасный для человека уровень плотности мощности составляет 1 мВт/кв. см, что на площади круга диаметром 10 км соответствует мощности в 750 МВт. Этот уровень соответствует мощности современных электростанций.

В феврале 1926 года им была опубликована работа об устройстве, известном сейчас как антенна Яги. Хотя она оказалась неэффективной для передачи энергии, сегодня ее широко используют в радиовещании и беспроводных телекоммуникациях из-за ее превосходных рабочих характеристик.

Лазерный метод

В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к видимой области спектра (от 10 мкм до 10 нм), энергию можно передать путем ее преобразования в луч лазера, который затем может быть направлен на фотоэлемент приемника.

Монохроматическая световая волна, обладающая малым углом расходимости, позволяет узкому пучку эффективно передавать энергию на большие расстояния.
Компактный размер твердотельного лазера — фотоэлектрического полупроводникового диода удобен для небольших изделий.
Лазер не создает радиочастотных помех для существующих средств связи, таких как Wi-Fi и сотовые телефоны.
Контроль доступа, так как только приемники, освещенные лазерным лучом, получают электроэнергию.

У данного метода есть и ряд недостатков:

Преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, которым является свет, неэффективно. Преобразование света обратно в электричество также неэффективно, так как КПД фотоэлементов достигает 40-50 %%, хотя эффективность преобразования монохроматического света значительно выше, чем эффективность солнечных панелей.
Потери в атмосфере.
Как и при микроволновой передаче, этот метод требует прямой видимости между передатчиком и приемником.

Технология передачи мощности с помощью лазера ранее, в основном, исследовалась при разработке новых систем вооружений и в аэрокосмической промышленности, а в настоящее время разрабатывается для коммерческой и потребительской электроники в маломощных устройствах. Системы беспроводной передачи энергии с применением в потребительских целях должны удовлетворять требованиям лазерной безопасности стандарта IEC 60825. Для лучшего понимания лазерных систем следует принимать во внимание то, что распространение лазерного луча гораздо в меньшей степени зависит от дифракционных ограничений, как пространственное и спектральное согласование характеристик лазеров позволяет увеличить рабочую мощность и дистанцию, как длина волны влияет на фокусировку.

Однопроводная система

Однопроводная электрическая система SWER (Single Wire with Earth Return) основывается на токе земли и одном изолированном проводе. В аварийных случаях высоковольтные линии постоянного тока могут работать в режиме SWER. Замена изолированного провода на атмосферную обратную связь для передачи мощного высокочастотного переменного тока стала одним из методов беспроводной передачи электроэнергии. Кроме того исследовалась возможность беспроводной передачи электроэнергии только через землю.

Низкочастотный переменный ток может быть передан с низкими потерями по земле, поскольку общее сопротивление земли значительно меньше, чем 1 Ом. Электрическая индукция происходит преимущественно из-за электрической проводимости океанов, металлических рудных тел и подобных подземных структур. Электрическая индукция также вызывается электростатической индукцией диэлектрических областей, таких как залежи кварцевого песка и прочих непроводящих минералов.

Переменный ток может передаваться через слои атмосферы, имеющие атмосферное давление менее 135 мм рт. ст. Ток протекает посредством электростатической индукции через нижние слои атмосферы примерно в 2-3 милях над уровнем моря и благодаря потоку ионов, то есть, электрической проводимости через ионизированную область, расположенную на высоте выше 5 км. Интенсивные вертикальные пучки ультрафиолетового излучения могут быть использованы для ионизации атмосферных газов непосредственно над двумя возвышенными терминалами, приводя к образованию плазменных высоковольтных линий электропередач, ведущих прямо к проводящим слоям атмосферы. В результате между двумя возвышенными терминалами образуется поток электрического тока, проходящий до тропосферы, через нее и обратно на другой терминал. Электропроводность через слои атмосферы становится возможной благодаря емкостному плазменному разряду в ионизированной атмосфере.

Никола Тесла обнаружил, что электроэнергия может передаваться и через землю, и через атмосферу. В ходе своих исследований он добился возгорания лампы на умеренных расстояниях и зафиксировал передачу электроэнергии на больших дистанциях. Башня Ворденклиф задумывался как коммерческий проект по трансатлантической беспроводной телефонии и стал реальной демонстрацией возможности беспроводной передачи электроэнергии в глобальном масштабе. Установка не была завершена из-за недостаточного финансирования.

Глобальная система передачи электроэнергии без проводов, так называемая "Всемирная беспроводная система", основанная на высокой электропроводности плазмы и высокой электропроводности земли, была предложена Николой Тесла в начале 1904 года и вполне могла стать причиной Тунгусского метеорита, возникшего в результате "короткого замыкания" между заряженной атмосферой и землей.

Всемирная беспроводная система

Всемирная беспроводная система Никола Теслы

В 1919 году Никола Тесла писал: «Считается, что я начал работу над беспроводной передачей в 1893 году, но на самом деле два предыдущих года я проводил исследования и конструировал аппаратуру. Для меня было ясно с самого начала, что успех можно достичь благодаря ряду радикальных решений. Высокочастотные генераторы и электрические осцилляторы должны были быть созданы в первую очередь. Их энергию необходимо было преобразовать в эффективных передатчиках и принять на расстоянии надлежащими приемниками. Такая система была бы эффективна в случае исключения любого постороннего вмешательства и обеспечения ее полной эксклюзивности. Со временем, однако, я осознал, что для эффективной работы устройств такого рода они должны разрабатываться с учетом физических свойств нашей планеты».

Одним из условий создания всемирной беспроводной системы является строительство резонансных приемников. Заземленный винтовой резонатор катушки Теслы и расположенный на возвышении терминал могут быть использованы в качестве таковых. Тесла лично неоднократно демонстрировал беспроводную передачу электрической энергии от передающей к приемной катушке Теслы. Это стало частью его беспроводной системы передачи (патент США № 1119732, Аппарат для передачи электрической энергии, 18 января 1902 г.). Тесла предложил установить более тридцати приемо-передающих станций по всему миру. В этой системе приемная катушка действует как понижающий трансформатор с высоким выходным током. Параметры передающей катушки тождественны приемной.

Целью мировой беспроводной системы Теслы являлось совмещение передачи энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которое бы позволило избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействие объединению электрических генерирующих станций в глобальном масштабе.

machinepedia.org

Способы Передачи Электричества - Легкое дело

Передача Тока Электрического. Способы Передачи Электричества.

Тема — Передача Тока Электрического. Основные способы Передачи Электричества.

Для начала следует Вам напомнить, что под понятием электричество, мы подразумеваем некую способность определённого тела или предмета перераспределять имеющиеся в нём электрические заряды. То есть, при взаимодействии с чем-либо на предмете появляется избыток или недостаток электрических зарядов (с отрицательным или положительным значением). А электрическим током, мы, естественно, называем передвижение этих самых заряженных частиц (электронов или ионов). В настоящей теме я хочу рассказать о том, каким образом из одного места (пункта А), транспортировать электрическую энергию в другое (пункт Б) и какие способы для этого бывают.

Давайте поделим условно все способы передачи тока на 2 основных вида: прямой и по средствам преобразования. К прямому способу мы отнесем такой тип электрической передачи, при котором электрические заряженные частицы транспортируются путём их обычного перемещения в какой либо среде (к примеру, медный провод либо раствор электролита). В обычном проводе, при подключении источника электропитания, по средствам прямого движения свободных электронов создаётся электрический ток в виде упорядоченного потока этих самых электронов внутри кристаллической решётки металла.

В жидких и газообразных средах передача электричества прямым способом работает иначе. То есть, происходит перемещение электрически заряженных ионов в самом растворе или газе. Это происходит из-за того, что у газов и жидкостей кристаллическая решетка отсутствует (которая удерживает атомы на своем месте). По этой причине заряженные ионы вполне способны к самостоятельному передвижению. Иными словами говоря, в прямом способе передача электрического тока осуществляется обычным передвижением самих заряженных частиц.

Теперь что касается косвенного способа передачи электричества на расстояние. И так, что подразумевается под косвенным способом? Под ним понимается передача электрической энергии при помощи определённых преобразований в другие разновидности энергий (излучение, магнитное поле, температура, механическое движение и т.д.). Для уточнения давайте рассмотрим следующий пример. Вспомним, как происходит передача тока и электроэнергии в целом, от электростанции в наши дома? Электростанции, как правило, делают на весьма удалённых расстояниях от конечных потребителей. Тепловые электростанции располагают неподалёку от угольных шахт. Атомные электростанции удалены в целях безопасности. Гидроэлектростанции ставят вблизи рек на более подходящих участках.

Так вот, гидроэлектростанция работает на реке, вода вращает лопасти и вал электрогенератора. Механическая энергия воды преобразовывается в электрическую энергию, которая далее идет по электрическим проводам. На электростанции находятся силовые повышающие трансформаторы. Их основная задача, это повысить до высокого значения напряжения с целью наиболее экономной и эффективной передачи электричества на удалённые расстояния. И опять же, во всех электрических трансформаторах идёт в начале преобразование электроэнергии в электромагнитную, а после, опять в электрическую, но с более высоким напряжением на выходе трансформатора (но с меньшим током).

Далее, преодолев длинный путь и придя к городу, высоковольтные линии идут на электрические подстанции. На них происходит понижение и распределение электрической энергии. В процессе этого, обратно, повторяется преобразование по средствам трансформатора и магнитного поля. После электроподстанций электроэнергия приходит к Вам в дом. Опять трансформируется (электричество » магнитное поле » электричество), по сколько больше половины всех электроприборов и устройств не применяют питание 220 или 380 В, а снижают данное сетевое напряжение до нужной величины при помощи, всё того же, силового трансформатора, что находится внутри. И в результате, что выходит? Изначально было механическая энергия воды, а в итоге тепло, свет, музыка в доме и движение электрических станков на производстве и т.д.

И напоследок хотелось сказать следующее. Вокруг каждого из нас постоянно движется энергия. Либо это ветер на улице, текущая вода в реке, световой поток, идущий от солнца, которое светит и греет (кстати, солнце является главным источником энергии для земли). Любое движение, это энергия различного вида. И при необходимости один вид энергии можно легко преобразовать в другой её вид, что и делается в технической сфере.

Узнал что-то Новое?Поставь Свой Плюс»

http://electrikpro.ru

legkoe-delo.ru

Передача электроэнергии Википедия

Передача электрической энергии — технология передачи энергии от мест генерирования к местам потребления. Передача электроэнергии осуществляется посредством электрических сетей, в состав которых входят преобразователи, линии электропередачи и распределительные устройства.

История[ | код]

Возможность передачи электроэнергии на расстояние впервые обнаружил Стивен Грей в 1720-е годы. В опытах Грея заряд передавался по шёлковому проводу на расстояние до 800 футов[1]

До конца XIX века электричество использовалось только поблизости от мест генерации. Это, в свою очередь, ограничивало степень использования доступных ресурсов, так как большие мощности для местного производства не требовались. С изобретением электрического освещения необходимость передачи электричества на большие расстояния стало актуальной проблемой, так как освещение требовалось в первую очередь в крупных городах, удалённых от источников энергии[2].

В 1873 году Фонтен впервые продемонстрировал генератор и двигатель постоянного тока, связанные проводом длиной 2 км. В 1874 году Ф. А. Пироцкий осуществил передачу электроэнергии мощностью 6 л. с. на расстояние 1 км, а в 1876 году повторил опыт, используя в качестве проводника рельсы Сестрорецкой железной дороги длиной 3,5 км. В конце 1870-х — начале 1880-х Д. А. Лачинов показал, что потери энергии при передаче имеют обратную зависимость от напряжения, а П. Н. Яблочков и И. Ф. Усагин создали первые трансформаторы, что позволило Усагину на Всероссийской выставке в Москве в 1882 году продемонстрировать первую высоковольтную систему передачи электроэнергии, включавшую повышающий и понижающий трансформаторы и линию электропередачи. В том же году на Мюнхенской выставке опыт передачи постоянного электрического тока напряжением до 2000 В на расстояние 60 км продемонстрировал Марсель Депре, при этом потери составили 78 %[2].

Прорывом в передаче электроэнергии на большие расстояния стал опыт М. О. Доливо-Добровольского на международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 году, в ходе которого энергия от установки на реке Неккар в городе Лауффен была передана во Франкфурт по трёхфазной линии на 175 км. Энергия передавалась при напряжении 15200 В, преобразование осуществлялось с помощью трёхфазных трансформаторов. КПД линии достигал 80,9 %, а передаваемая мощность — более 100 л. с., использованных для работы электрического двигателя и освещения. Опыт способствовал внедрению трёхфазного переменного тока и высоковольтных систем передачи. К 1910 году в США появились первые линии 110 кВ, в 1923 — 220 кВ, в то же время началось внедрение высоковольтных линий в Европе[2].

Передачи энергии на постоянном токе, в первую очередь, по системе Тюри, имела некоторое распространение в начале XX века, в частности, функционировали линия в Батуми протяжённость 10 км и линия Мутье-Лион протяжённостью 180 км, но в конце концов они были демонтированы и заменены линиями переменного тока[2].

Схема передачи[ | код]

В настоящее время применяются схемы передачи, в которые входят[3]:

Схемы делятся на блочные, связанные и полусвязанные[4]

Классификация[ | код]

По типу линии электропередач[5]:

магистральные;
межсистемные.

По промежуточному отбору мощности[5]:

прямые;
с промежуточным отбором;
с промежуточной генерацией.

В линиях с промежуточным отбором и генерацией обычно предусматриваются дополнительные понижающие и повышающие трансформаторы для обеспечения нужд промежуточных потребителей электроэнергии и генерации.

По числу линий: одно-, двух- и трёхцепные[6].

Дальность передачи[ | код]

Основным параметрами системы передачи энергии является пропускная способность

ru-wiki.ru