Энергетика

Резонансные системы распределения электрической энергии

РЕЗОНАНСНЫЕ СИСТЕМЫ

Современные системы передачи электрической энергии используют двух- и трехпроводные линии, в которых  электрическая энергия передается  от генератора к приемнику бегущими волнами тока, напряжения и электромагнитного поля. Основные потери обусловлены джоулевыми потерями  на сопротивлении проводов от протекания активного тока проводимости по замкнутому контуру от генератора к приемнику и обратно.

В настоящее время существует  эффективный способ снижения потерь, по крайней мере, в магистральных  межсистемных линиях электропередачи. Это резонансные волноводные системы передачи электрической энергии на повышенной  частоте 1—100 кГц, которые не используют активный ток проводимости в замкнутой цепи. В волноводной однопроводниковой линии нет замкнутого  контура, нет бегущих волн тока и напряжения, а есть стоячие (стационарные) волны реактивного емкостного тока и напряжения со сдвигом фаз 90°. За счет настройки резонансных режимов, выбора частоты  тока в зависимости от длины линии можно создать режим пучности  напряжения и узла тока (например,  для полуволновой линии). При этом из-за отсутствия активного тока, сдвига фаз, равного 90о, между стоячими волнами реактивного тока и напряжения и наличия узла тока в линии нет необходимости в создании  режима высокотемпературной сверхпроводимости. Джоулевы потери  становятся незначительными в связи с отсутствием замкнутых активных токов проводимости и небольшими  величинами незамкнутого емкостного тока вблизи узлов стационарных волн тока в линии.

Для сомневающихся в существовании  незамкнутых электрических токов приводим высказывания выдающегося  ученого в области электротехники и электроэнергетики.

«В 1893 г. я показал, что нет необходимости  использовать два проводника для передачи электрической энергии... Передача энергии через одиночный проводник без возврата была обоснована практически», — Н. Тесла в 1927 г.

«Эффективность передачи может быть 96 или 97 процентов и практически  нет потерь… Когда нет приемника, нет нигде потребления энергии», — Н. Тесла, в 1905г.

«Мои эксперименты показали, что на поддержание электрических колебаний по всей планете потребуются  несколько лошадиных сил», — Н. Тесла в 1905 г.

Н. Тесла ответил и на вопрос, который часто задают нам: почему электроэнергетика  не восприняла его идеи? «Мой проект сдерживался законами природы. Мир не был готов к нему. Он слишком обогнал время. Но те же самые законы восторжествуют в конце и осуществят его с великим триумфом», — Н. Тесла в 1919 г.

ОСНОВЫ РЕЗОНАНСНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

Изменяется механизм передачи  электрической энергии. В обычных  двух-трехпроводных линиях при включении генератора в линии возникают бегущие волны тока, которые должны достигнуть нагрузки и вернуться к генератору.

В резонансной однопроводниковой волноводной линии при наличии стационарных волн незамкнутого электрического тока энергия присутствует в любой точке линии (рис. 1 и 2).

Разомкнутая линия длиной n = 0, 1, 2, 3… имеет у зажимов генератора пучность тока и узел напряжения, а при длине — пучность напряжения и узел тока. В обоих случаях линия эквивалентна резонансному колебательному контуру.

Если линия работает в режиме стоячих волн, то ее входное сопротивление  имеет реактивный характер.  Если в линии имеются потери, то некоторая бегущая волна от генератора  компенсирует эти потери. При наличии бегущих и стоячих волн в линии ее входное сопротивление содержит активную и реактивную составляющие.

Стоячие волны в разомкнутой линии  получаются в результате сложения  падающей и отраженной волн, имеющих одинаковую амплитуду (рис. 3). Фаза напряжения и тока во всех сечениях линии одинакова, а между током и напряжением существует сдвиг по фазе на 90° во времени  и пространстве. В сечениях линии с пучностями напряжения наблюдаются узлы тока, а при узлах напряжения — пучности тока. Средняя мощность, отдаваемая генератором в разомкнутую линию без потерь или в линию, замкнутую на реактивное сопротивление, равна нулю.

Из выступления Н.Теслы по случаю получения награды имени Томаса Эдисона на заседании американского  института инженеров-электриков 18 мая 1917 г.: «Что касается передачи  энергии через пространство, это проект, который я давно считаю абсолютно успешным. Годы назад я мог передавать энергию без проводов  на любое расстояние без ограничений,  которые накладывались физическими размерами Земли. В моей системе нет различий, каково расстояние. Эффективность передачи может быть 96 или 97 процентов, и практически нет потерь, кроме таких, которые неизбежны для работы машины. Когда нет приемника, нет нигде потребления энергии...

Когда нет приемников, станция потребляет только несколько лошадиных сил, необходимых для поддержания электромагнитных колебаний, она работает в режиме холостого хода, как станция Эдисона, когда лампы и моторы выключены...»

В экспериментальной резонансной  однопроводниковой системе передачи электрической энергии, установленной в экспериментальном зале ВИЭСХ, передавалась электрическая мощность 20 кВт при напряжении 6,8 кВ на расстояние 6 м по медному проводнику диаметром 80 мкм при комнатной температуре. При этом эффективная плотность тока в проводнике составила 600 А/мм2, а эффективная плотность мощности — 4 МВт/мм2.

Такие плотности тока и мощности в реальных системах передачи энергии вряд ли будут достигнуты, но если уменьшить эти величины в 10 раз, получается эффективная плотность тока в линии передачи, которая превышает  параметры существующих систем в 50 раз.

Преимущества резонансного метода  передачи электрической энергии:
• энергия передается с помощью реактивного емкостного тока в резонансном режиме, ее несанкционированное  использование затруднено;
• содержание алюминия и меди в проводах может быть снижено в 10 раз;
• стальные провода с медным покрытием 0,1 мм не имеет смысла воровать, чтобы сдать в металлолом;
• потери электроэнергии в однопроводной линии малы, и ее можно  передавать на большие расстояния;
• в однопроводном кабеле невозможны  короткие замыкания, и он не может быть причиной пожара.

Преимущества кабельных линий по сравнению с высоковольтными:
• пониженное магнитное поле;
• нет необходимости в техническом обслуживании;
• бесшумность;
• значительная безопасность (из-за обрыва проводов);
• высокая надежность;
• нет влияния погодных условий;
• не нарушается естественный природный ландшафт;
• снижение на 10% потерь при передаче  энергии из-за отсутствия короны и токов утечки;
• нет полосы отчуждения.

Из других применений резонансной  электроэнергетики, основанной  на незамкнутых токах, следует выделить беспроводной офис, бесконтактный  высокочастотный электротранспорт, создание местных энергетических систем с использованием  возобновляемых источников энергии, соединение офшорных морских ВЭС с береговыми подстанциями,  электроснабжение потребителей на островах и в зонах вечной мерзлоты, пожаробезопасные однопроводниковые системы уличного освещения и освещения зданий, домов престарелых, музеев, больниц и пожароопасных производств.

ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ
БЕСТОПЛИВНЫЙ АВТОМОБИЛЬ БУДУЩЕГО


Разработка ориентирована на современные приоритеты развития городского транспортного хозяйства: энергосбережение, экономия моторного  топлива, снижение вредных выбросов и шума, автоматизация вождения и т.д.

Макетный образец электромобиля  с электроснабжением от однопроводниковой кабельной линии, проложенной в дорожном покрытии, приведен на рис. 5.

Основные характеристики:
• отсутствие двигателя внутреннего сгорания и топливных баков;
• не имеет химических аккумуляторов;
• отсутствие топливных элементов, системы накопления и хранения водорода;
• неограниченная дальность пробега;
• возможность полной автоматизации вождения на автострадах.

Используется бесконтактная резонансная  система электроснабжения  с однопроводниковой линией электропередачи, работающей на повышенной частоте.

ДЕЙСТВУЮЩИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ


Разработанная резонансная система  электрического освещения (РСЭО) предназначена для питания светильников уличного освещения  по однопроводниковой линии (рис. 6). Экспериментальный образец  установки РСЭО содержит источник питания, преобразователь частоты, высоковольтный резонансный трансформатор, соединенный однопроводниковой линией со светильниками с газоразрядными лампами низкого давления.

Резонансная электрическая система  освещения зданий предназначена  для освещения жилых и бытовых помещений (рис. 7) с электропитанием  по одному проводу в резонансном режиме.

Резонансная электрическая система  питания уличного освещения предназначена для питания удаленных  от системы стационарного электроснабжения уличных фонарей, прожекторов, светофоров, рекламных  щитов по однопроводниковой воздушной или кабельной линии в резонансном режиме.

В настоящее время ГНУ Всероссийский  научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства предлагает для освещения зданий солнечную энергетическую установку СЭУ-900, в состав которой входят:
• солнечные фотоэлектрические модули общей мощностью 900 Вт — 172 тыс. руб.;
• солнечное зарядное устройство СЗУ-1700 ВА для контроля заряда  аккумуляторной батареи — 4200 руб.;
• инвертор 1700-24/220 В со стабилизатором напряжения — 16 тыс. 800 руб.;
• аккумуляторная батарея 2х12 В, 200 А-ч — 27 тыс. руб.

Всего с НДС — 259 тыс. 600 руб. (7211 евро).

Дальнейшее развитие СЭУ-900 заключается в замене солнечного фотоэлектрического модуля на солнечный  фотоэлектрический с концентратором  мощностью 900 Вт с уменьшением площади солнечных элементов в 3 раза, замене АБ на суперконденсаторы такой же емкости с удвоенным ресурсом и двухпроводной  линии на пожаробезопасную однопроводную резонансную линию электроснабжения.

Все компоненты СЭУ-900, за исключением  АБ и суперконденсаторов, разработаны и изготавливаются на экспериментальном производстве ГНУ ВИЭСХ.

За 20 лет исследований ученые ГНУ ВИЭСХ получили более 20 патентов  на технологии и оборудование резонансной электроэнергетики, результаты исследований опубликованы в книге «Резонансные методы передачи и применения электрической энергии», 3-е изд., 2008 г., ГНУ ВИЭСХ, 350 стр.

Сегодня резонансная электроэнергетика  нуждается в поддержке государства для реализации пилотных  и демонстрационных проектов и ждет нового Моргана, банкира, который 100 лет назад финансировал работы Николы Теслы.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно