История развития
Развитие дистанционной беспроводной передачи электроэнергии связано с достижениями радиотехники, поскольку оба процесса имеют одинаковую природу. Изобретения в обеих областях связаны с исследованием метода электромагнитной индукции и ее влияния на генерацию электрического тока.
Утром 1820 года Ампер открыл закон взаимодействия токов, который заключался в том, что если ток течет в одном направлении по двум близко расположенным проводникам, то они притягиваются друг к другу, а если в разных — отталкиваются.
М. Фарадей в 1831 году установил в процессе проведения экспериментов, что переменное магнитное поле (которое со временем меняет размер и направление), создаваемое протеканием электрического тока, индуцирует (индуцирует) токи в соседних проводниках. У тех есть беспроводная передача электроэнергии. Мы подробно рассмотрели закон Фарадея в предыдущей статье.
Итак, Дж. К. Максвелл через 33 года, в 1864 году, перевел экспериментальные данные Фарадея в математическую форму, те же уравнения Максвелла являются фундаментальными в электродинамике. Они описывают, как связаны электрический ток и электромагнитное поле.
Существование электромагнитных волн было подтверждено в 1888 г. Г. Герцем в ходе его экспериментов с искровым излучателем с переключателем на катушке Румкорфа. Таким образом создавались электромагнитные волны с частотой до половины гигагерца. Стоит отметить, что эти волны могли быть приняты несколькими приемниками, но они должны быть настроены в резонанс с передатчиком. Дальность действия завода была порядка 3 метров. Когда в передатчике возникла искра, такая же искра возникла в приемниках. Фактически, это первые эксперименты по беспроводной передаче электроэнергии.
Известный ученый Никола Тесла провел обширные исследования. Он изучал переменный ток высокого напряжения и частоты в 1891 году. В результате были сделаны следующие выводы:
Для каждой конкретной цели установка должна быть настроена на соответствующую частоту и напряжение. В этом случае высокая частота не является обязательным условием. Наилучшие результаты были получены при частоте 15-20 кГц и напряжении передатчика 20 кВ. Колебательный разряд конденсатора использовался для получения тока высокой частоты и напряжения. Таким образом, можно передавать как электричество, так и производить свет.
Во время своих выступлений и лекций ученый демонстрировал свечение ламп (электронных ламп) под действием высокочастотного электростатического поля. Фактически, основные выводы Теслы заключались в том, что даже в случае использования резонансных систем невозможно передать много энергии с помощью электромагнитной волны.
Параллельно подобными исследованиями до 1897 года занимались ряд ученых: Джагдиш Боче в Индии, Александр Попов в России и Гульельмо Маркони в Италии.
Каждый из них внес свой вклад в развитие беспроводной передачи энергии:
- Дж. Бош в 1894 году зажег порох, передавая электричество на расстояние без проводов. Он сделал это во время демонстрации в Калькутте.
- А. Попов 25 апреля (7 мая) 1895 г с помощью азбуки Морзе передал первое сообщение. В России сегодня, 7 мая, по-прежнему День радио.
- В 1896 г. Г. Маркони в Великобритании также передал радиосигнал (азбука Морзе) на расстояние 1,5 км, а затем и 3 км над равниной Солсбери.
Стоит отметить, что работы Теслы, недооцененные в свое время и утерянные на века, по параметрам и мощности превзошли работы его современников. В то же время, именно в 1896 году его устройства передавали сигнал на большие расстояния (48 км), но, к сожалению, это было небольшое количество электричества.
И в 1899 году Тесла пришел к выводу:
Несостоятельность индукционного метода кажется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха.
Этот вывод приведет к другим исследованиям: в 1900 году ему удалось запитать лампу от катушки, проведенной в полевых условиях, а в 1903 году была запущена башня Вандерклифф на Лонг-Айленде. Он состоял из трансформатора с заземленной вторичной обмоткой и сферического медного купола наверху. С его помощью оказалось, что зажгли 200 ламп по 50 ватт. При этом передатчик находился в 40 км от него. К сожалению, эти исследования были остановлены, финансирование приостановлено, а бесплатная беспроводная передача электроэнергии оказалась экономически невыгодной для деловых людей. Башня была разрушена в 1917 году.
Беспроводная передача электроэнергии, первые опыты
В 1888 году Генрих Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом. Его искровой передатчик с прерывателем на основе катушки Румкорфа мог производить электромагнитные волны частотой до 0,5 гигагерц. Которые могли быть приняты несколькими приемниками, настроенными в резонанс с передатчиком.
Генрих Герц и его творение
Приемники могли располагаться на расстоянии до 3 метров, и при возникновении искры в передатчике, искры возникали и в приемниках. Так были проведены первые опыты по беспроводной передаче электрической энергии с помощью электромагнитных волн.
В 1891 году Никола Тесла, занимаясь исследованием переменных токов высокого напряжения и высокой частоты, приходит к выводу, что крайне важно для конкретных целей подбирать как длину волны, так и рабочее напряжение передатчика, и совсем не обязательно делать частоту слишком высокой. Ученый отмечает, что нижняя граница частот и напряжений, при которых ему на тот момент удалось добиться наилучших результатов, — от 15000 до 20000 колебаний в секунду при потенциале от 20000 вольт. Советуем изучить Преобразователь частоты
Советуем изучить Преобразователь частоты
Никола Тесла
Тесла получал ток высокой частоты и высокого напряжения, применяя колебательный разряд конденсатора. Он заметил, что данный вид электрического передатчика пригоден как для производства света, так и для передачи электроэнергии для производства света.
В период с 1891 по 1894 годы ученый многократно демонстрирует беспроводную передачу, и свечение вакуумных трубок в высокочастотном электростатическом поле. При этом отмечая, что энергия электростатического поля поглощается лампой, преобразуясь в свет. А энергия электромагнитного поля, используемая для электромагнитной индукции с целью получения аналогичного результата, в основном отражается, и лишь малая ее доля преобразуется в свет. Даже применяя резонанс при передаче с помощью электромагнитной волны, значительного количества электрической энергии передать не удастся, утверждал ученый. Его целью в этот период работы была передача именно большого количества электрической энергии беспроводным способом.
Вплоть до 1897 года, параллельно с работой Тесла, исследования электромагнитных волн ведут: Джагдиш Боше в Индии, Александр Попов в России, и Гульельмо Маркони в Италии.
Вслед за публичными лекциями Тесла, Джагдиш Боше выступает в ноябре 1894 года в Калькутте с демонстрацией беспроводной передачи электричества, там он зажигает порох, передав электрическую энергию на расстояние.
После Боше, а именно 25 апреля 1895 года, Александр Попов, используя азбуку Морзе, передал первое радиосообщение, и эта дата (7 мая по новому стилю) отмечается теперь ежегодно в России как «День Радио».
В 1896 году Маркони, приехав в Великобританию, продемонстрировал свой аппарат, передав с помощью азбуки Морзе сигнал на расстояние 1,5 километра с крыши здания почтамта в Лондоне на другое здание. После этого он усовершенствовал свое изобретение и сумел передать сигнал по Солсберийской равнине уже на расстояние 3 километра.
Схема передачи энергии от электростанции до потребителя
Потребление электроэнергии бытовыми приборами
Главная электростанция (1) вырабатывает напряжение порядка 10-12 кВ. Затем оно повышается с помощью трансформатора (2) до более высокого уровня: 35, 110, 220, 400, 500 или 1150 кВ. После по кабельной или воздушной линии (3) энергия передаётся на расстояния от единиц до тысяч километров и попадает на понижающую подстанцию. На ней также установлен трансформатор (4), который преобразует сотни киловольт снова в 10-12 тысяч вольт. Далее следует ещё один каскад понижения до 380/220 В (5). Это напряжение является конечным и раздаётся по потребителям (6), т.е. жилым домам, больницам и т.д.
Транспортировка электрической энергии
Передача энергии через катушки
Самый легко реализуемый способ — использование катушек индуктивности.
Здесь принцип очень простой. Берутся 2 катушки и размещаются недалеко друг от друга. На одну из них подается питание. Другая играет роль приемника.
Когда в источнике питания регулируется или изменяется сила тока, на второй катушке магнитный поток автоматически также изменяется. Как гласят законы физики, при этом будет возникать ЭДС и она будет напрямую зависеть от скорости изменения этого потока.
Казалось бы все просто. Но недостатки портят всю радужную картинку. Минусов три:
маленькая мощность
Данным способом вы не передадите большие объемы и не сможете подключить мощные приборы. А попытаетесь это сделать, то просто поплавите все обмотки.
небольшое расстояние
Даже не задумывайтесь здесь о передаче электричества на десятки или сотни метров. Такой способ имеет ограниченное действие.
Чтобы физически понять, насколько все плохо, возьмите два магнита и прикиньте, как далеко их нужно развести, чтобы они перестали притягиваться или отталкиваться друг от друга. Вот примерно такая же эффективность и у катушек.
Можно конечно исхитриться и добиться того, чтобы эти два элемента всегда были близко друг от друга. Например электромобиль и специальная подзаряжающая дорога.
Но в какие суммы выльется строительство таких магистралей.
малый КПД
Еще одна проблема это низкий КПД. Он не превышает 40%. Получается, что таким способом передать много эл.энергии на большие расстояния вы не сможете.
Тот же Н.Тесла указал на это еще в 1899г. Позже он перешел на эксперименты с атмосферным электричеством, рассчитывая в нем найти разгадку и решение проблемы.
Однако какими бы не казались бесполезными все эти штуки, с их помощью до сих пор можно устраивать красивые светомузыкальные представления.
Или подзаряжать технику гораздо большую чем телефоны. Например электрические велосипеды.
Трансформатор. Передача Электроэнергии
Трансформатор
— это устройство для повышения или понижения переменного напряжения. Простейший трансформатор состоит из двух обмоток, одна из которых называетсяпервичной , а другая —вторичной . Обмотки трансформатора расположены на общем сердечнике из электротехнической стали; обычно он изготовляется наборным из листов для уменьшения потерь на вихревые токи.
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Когда на первичную обмотку подается переменное напряжение, возникающий в результате этого переменный магнитный поток возбуждает во вторичной обмотке (катушке) переменное напряжение той же частоты. Однако напряжение на обмотках будет различным в зависимости от числа витков в каждой из них.
Согласно закону Фарадея, ЭДС индукции на вторичной обмотке равна
1;
11
Разделив эти выражения одно на другое, получим:
Это уравнение трансформатора, показывающее, как напряжение на вторичной обмотке связано с напряжением на первичной обмотке. Если n2>n1; то трансформатор повышающий, если n2l, то — понижающий.
Из закона сохранения энергии следует, что выходная мощность трансформатора не может превышать его входную мощность.
Грамотно сконструированный трансформатор может иметь КПД порядка 99%; столь низки потери энергии в нем. Таким образом, выходная мощность трансформатора практически равна входной, и, поскольку мощность равна р = IU, имеем:
Трансформатор может работать только на переменном токе.
Трансформаторы играют важную роль в передаче энергии на расстояние. Электростанции часто располагаются далеко от промышленных городов, гидроэлектростанции строятся на больших реках, для атомных электростанций требуется большое количество охлаждающей воды, тепловые электростанции тоже часто строят вдали от городов, чтобы уменьшить загрязнение воздуха.
В любом случае электроэнергию часто приходится передавать на большие расстояния, и в линиях электропередачи всегда неизбежны потери энергии.
Потери энергии можно уменьшить, если использовать в линиях электропередачи высокое напряжение.
Чем выше напряжение, тем меньше сила тока, и тем меньшая доля мощности теряется в линии электропередачи.
Рассмотрим следующую задачу: поселок потребляет электрическую мощность в среднем 120 кВт от электростанции, расположенной в 10 км. Полное сопротивление линии электропередачи равно 0,40 Ом. Следует определить потери мощности при напряжении на линии: а) 240 В; б) 24 000 В.
Решение
а) Если передать мощность 120 кВт при напряжении 240 В, то сила тока в линии составит
Потери мощности в линии достигнут
Свыше 80% общей мощности будет теряться в линии выделяться в виде тепла. то] б) При U = 24 000 В,
Потери мощности составят:
Меньше 1% общей мощности будет теряться в линии, если энергию передавать высоким напряжением.
Технология
Принцип индуктивной связи Два устройства, взаимно индуктивно-связанные или имеющие магнитную связь, выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода, производится посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивностью. Индуктивная связь является предпочтительной из-за её способности работать без проводов, а также устойчивости к ударам.
Резонансная индуктивная связь является сочетанием индуктивной связи и резонанса. Используя понятие резонанса можно заставить два объекта работать зависимо от сигналов друг друга.
Концепция резонанса индуктивной связи
Как видно из схемы выше, резонанс обеспечивает индуктивность катушки. Конденсатор подключен параллельно к обмотке. Энергия будет перемещаться назад и вперед между магнитным полем, окружающим катушку и электрическим полем вокруг конденсатора. Здесь потери на излучение будет минимальными.
Существует также концепция беспроводной ионизированной связи.
Она тоже воплотима в жизнь, но здесь необходимо приложить немного больше усилий. Эта техника уже существует в природе, но вряд ли есть целесообразность ее реализации, поскольку она нуждается в высоком магнитном поле, от 2,11 М /м . Её разработал гениальный ученый Ричард Волрас, разработчик вихревого генератора, который посылает и передает энергию тепла на огромные расстояния, в частности при помощи специальных коллекторов. Самой простой пример такой связи – это молния.
Маршрут транспортировки электричества
Итак, как мы уже сказали, начальной точкой является электрическая станция, которая, собственно, и генерирует электроэнергию. На сегодняшний день основными видами электростанций являются гидро- (ГЭС), тепло- (ТЭС) и атомные (АЭС). Помимо этого бывают солнечные, ветровые и геотермальные эл. станции.
Далее от источника электричество передается к потребителям, которые могут находиться на дальних расстояниях. Чтобы осуществить передачу электроэнергии, нужно повысить напряжение с помощью повышающих трансформаторов (напряжение могут повысить вплоть до 1150 кВ, в зависимости от расстояния).
Почему электроэнергия передается при повышенном напряжении? Все очень просто. Вспомним формулу электрической мощности – P=UI, тогда если передавать энергию к потребителю, то чем выше напряжение на линии электропередач – тем меньше ток в проводах, при той же потребляемой мощности. Благодаря этому можно строить ЛЭП с большим напряжением, уменьшив сечение проводов, по сравнению с ЛЭП с низшим напряжением. Значит и сократятся расходы на строительство – чем тоньше провода, тем они дешевле.
Соответственно от станции электричество передается на повышающий трансформатор (при необходимости), а после этого с помощью ЛЭП осуществляется передача электроэнергии на ЦРП (центрально распределительные подстанции). Последние, в свою очередь, находятся в городах или в близком расстоянии от них. На ЦРП происходит понижение напряжения до 220 или же 110 кВ, откуда электроэнергия передается к подстанциям.
Далее напряжение еще раз понижают (уже до 6-10 кВ) и происходит распределение электрической энергии по трансформаторным пунктам, именуемым также ТП. К трансформаторным пунктам электричество может передаваться не по ЛЭП, а подземной кабельной линией, т.к. в городских условиях это будет более целесообразно. Дело в том, что стоимость полосы отчуждения в городах достаточно высокая и более выгодно будет прокопать траншею и заложить кабель в ней, нежели занимать место на поверхности.
От трансформаторных пунктов электроэнергия передается к многоэтажным домам, постройкам частного сектора, гаражному кооперативу и т.д
Обращаем ваше внимание на то, что на ТП напряжение еще раз понижается, уже до привычных нам 0,4 кВ (сеть 380 вольт)
Если кратко рассмотреть маршрут передачи электроэнергии от источника к потребителям, то он выглядит следующим образом: электростанция (к примеру, 10 кВ) – повышающая трансформаторная подстанция (от 110 до 1150 кв) – ЛЭП – понижающая трансформаторная подстанция – ТП (10-0,4 кВ) – жилые дома.
Вот таким способом электричество передается по проводам в наш дом. Как вы видите, схема передачи и распределения электроэнергии к потребителям не слишком сложная, все зависит от того, насколько большое расстояние.
Наглядно увидеть, как электрическая энергия поступает в города и доходит до жилого сектора, вы можете на картинке ниже:
Более подробно об этом вопросе рассказывают эксперты:
Как электричество поступает от источника к потребителю
Основные технологические процессы в электроэнергетике
Нормативы потребления электроэнергии на человека без счетчика
Производство электроэнергии в России базируется на трёх китах энергетической системы. Это атомная, тепловая и гидроэнергетика.
Три вида генерирования электричества
| Электростанция | Топливо | Генерация |
| ТЭС | Уголь, мазут | Получение пара от сгорания топлива, который движет турбины генераторов |
| ГЭС | Потенциальная энергия потока воды | Движение турбин под напором воды |
| АЭС | Урановые сердечники | Получение пара от тепла ядерной реакции. Энергия пара движет генераторные паротурбины |
Ультразвуковой способ
Студентами Пенсильванского университета (США) на недавней выставке в 2011 году был продемонстрирован способ передачи электротока с помощью ультразвука. Передатчик генерировал акустические волны в ультразвуковом диапазоне, приёмник преобразовывал их в электрический ток. В качестве носителя энергии ультразвук был выбран не случайно. Его воздействие на организм человека абсолютно безвредно.
Несовершенство этого способа заключается в том, что КПД передачи очень низкий, нужны прямая видимость между абонентами и ограниченность расстояния (7-10 метров).
Метод электромагнитной индукции
Работа обыкновенного трансформатора даёт представление о том, как осуществляется передача электричества без проводов методом электромагнитной индукции. В процессе участвуют две катушки. Магнитное поле, возбуждаемое протекающим током по виткам первичной обмотки, индуцирует электрический поток во вторичной обмотке трансформатора.
Примерами использования эффекта электромагнитной индукции могут быть зарядные устройства смартфонов и электрические зубные щётки. Недостатком такого способа передачи энергии является непременная близость катушек. Даже при небольшом увеличении промежутка между обмотками большая часть энергии начинает распыляться в пространстве.
Один из видов электромагнитной индукции – это использование резонанса. Суть способа заключается в том, что приёмник и передатчик функционируют в одном частотном диапазоне. Передающее и приёмное устройства представляют собой соленоид с одним слоем витков. Генерирующий прибор оснащён конденсаторной схемой, с помощью которой он настраивается на частоту приёмника.
Демонстрация метода электромагнитной индукции
Электростатическая индукция
В основе метода заложен принцип прохождения энергии через тело диэлектрика. Способ называют ёмкостной связью. Генератор создаёт в ёмкости электрическое поле, которое возбуждает разницу потенциалов между двумя электродами потребителя.
Никола Тесла для демонстрации беспроводной лампы освещения использовал именно метод электростатической индукции. Лампа получала питание от переменного электрического поля высокой частоты. Она светилась ровно, независимо от её перемещения в пространстве комнаты.
Микроволновое излучение
Специалисты космотехники разработали способ передачи электроэнергии от орбитальных солнечных батарей на космические корабли с помощью радиосигнала микроволнового диапазона. Проблема этого метода состоит в том, что для приёма и передачи пучкового излучения требуются антенны с очень большой диафрагмой.
Учёные НАСА в 1978 году пришли к выводу, что для передачи микроволнового луча частотой 2,45 ГГц излучающая антенна должна иметь диаметр отражающей поверхности 1 км. Приёмная ректенна должна быть диаметром 10 км. Уменьшить эти размеры возможно путём использования сверхкоротких волн. Однако сигналы такого диапазона быстро поглощаются атмосферой или блокируются дождевыми осадками.
Обратите внимание! Безопасная плотность мощности излучаемой энергии равняется 1 мВт/см2. Этой норме отвечает антенна диаметром 10 км с передающей мощностью потенциала 750 МВт
Электропроводность Земли
Существует теория использования недр и океанов Земли для беспроводной передачи энергии. Электропроводимость гидросферы, залежей металлических руд может быть использована для передачи низкочастотного переменного тока. Электростатическая индукция диэлектрических тел может возникать в огромных залежах кварцевого песка и тому подобных минералов.
Передача электрического тока возможна также через воздушное пространство методом электростатической индукции. Никола Тесла в своё время выдвинул предположение, что в будущем появятся технологии, которые для передачи электроэнергии будут использовать землю, океанические воды и атмосферу планеты.
Всемирная беспроводная система
Впервые о Всемирной беспроводной системе передачи электроэнергии стало известно от великого учёного Теслы. В 1904 году он заявил, что создание ВБС, используя высокую электрическую проводимость плазмы и Земли, вполне осуществимо.
Параметры
Главными конструктивными параметрами воздушной линии является длина пролета со стрелой проводного провеса, расстоянием от проводника до поверхности земли, покрытием пересекаемых дорожных линий и другим инженерным сооружением.
Передача электроэнергии на расстояние
Длина в промежуточном пролете — промежуток вдоль токовой линии, образующийся между несколькими смежными опорами. Длина пролета зависит от того, какой тип опор с маркой, проводным сечением и климатическим районным условием используется.
Стрела проводного провеса — промежуток по вертикальной линии между линией, который соединяет крепежные проводные точки на несколько опор смежного типа и низшую провесную точку в пролете. Провес зависит от длины пролета.
Габарит воздушной линии электропередач — наименьший промежуток расстояния по вертикали от проводника до земли, озера, связи, шоссейной или железной дороги. Его регламентируют правила установки электропередач. Он зависит от того, какое имеется напряжение в сети.
Обратите внимание! Чтобы обеспечить нормальную работу и безопасное обслуживание воздушной линии, нужно при установке соответствовать установленным нормам. Так проводное расстояние должно быть не меньше шести метров в поселке до земли по вертикали
Расстояние от верха до низа может быть меньше на 3,5 метров или же на 1 метр. Промежуток по горизонтали от проводника до балкона, террасы, здания и глухих окон не меньше метра. Стоит указать, что электропередачи не проводятся над сооружениями.
Параметры электропередачи
Заключение
Качер Бровина – оригинальный вариант генератора электромагнитных колебаний. В своей работе я доказал, что в домашних условиях можно изготовить действующую модель качера, а также рассмотрел возможности еѐ практического применения. Хочу отметить, что моя работа в этом направлении не закончена. В перспективе я хочу сделать качер Бровина с аудиомодуляцией. Для этого нужно немного усложнить схему, добавив два резистора и транзистор. (рис. 9) Тем самым мы сможем по цепи питания качера проигрывать музыку. На практике это выглядит красиво и интересно.
Рис. 9
В результате проведѐнных в данной работе исследований, можно сделать вывод о том, что качер Бровина, является простым в изготовлении и настройке прибором. С помощью которого можно продемонстрировать множество красивых и эффектных экспериментов. Во время работы катушки мы наблюдали два типа разрядов.
Анализируя все выше сказанное можно говорить о том, что Качер Бровина может быть с успехом использован в альтернативной энергетике, например, в устройствах получения бесплатной электроэнергии с использованием постоянных магнитов.
В заключение необходимо подчеркнуть следующее: создание новых технологий на основе описанного физического явления может дать России весьма существенные преимущества по отношению к другим странам. Поскольку, проведя в ближайшее время все необходимые исследования этого физического явления и разработав широкую гамму новых устройств и изделий, функционирующих на его основе и предназначенных для широкого практического применения в различных областях и сферах человеческой деятельности, Россия может осуществить новый качественный скачок в своем дальнейшем технологическом развитии. Внедрение российских ноу-хау кардинально изменит всю инфраструктуру энергетики и социума в целом – когда неожиданно откроется и экспериментально подтвердится новый способ получения энергии.
