Передача энергии на расстоянии без проводов

Формула Гибрид

Главная страница » Статьи » Энергия без проводов. Мир беспроводного электричества

• —>

Энергия без проводов. Мир беспроводного электричества

0 В конце XIX века открытие того, что при помощи электричества можно заставить светиться лампочку, вызвало взрыв исследований, целью которых было найти наилучший способ передачи электроэнергии. Во главе гонки оказался знаменитый физик и изобретатель Никола Тесла , который разработал грандиозный проект. Не в состоянии поверить в реальность создания колоссальной сети проводов, охватывающих все города, улицы, здания и комнаты, Тесла пришёл к выводу, что единственный реализуемый способ передачи — беспроводной. Он спроектировал башню высотой примерно 57 метров , которая должна была транслировать энергию на расстояние в многие километры, и даже начал строить её на Лонг-Айленде . Был проведён ряд экспериментов, но нехватка денег не позволила достроить башню. Идея с передачей энергии по воздуху рассеялась, как только оказалось, что промышленность в состоянии разработать и реализовать проводную инфраструктуру.

И вот, несколько лет назад, доцент кафедры физики Массачусетского Технологического Института (МИТ) Марин Солджачич (Marin Soljačić) был пробуждён от сладкого сна настойчивым пиканьем мобильного телефона. «Телефон не умолкал, требуя, чтобы я поставил его заряжаться», — рассказывает Солджачич. Уставший и не собиравшийся вставать, он стал мечтать о том, чтобы телефон, оказавшись дома, начинал заряжаться сам по себе.

Солджачич взялся за исследование способов передачи энергии без проводов. Он отказался от проектов передачи энергии на дальние расстояния наподобие проекта Тесла и сосредоточился на способах передачи энергии на небольшие расстояния, которые позволяли бы заряжать или даже включать портативные устройства — мобильные телефоны, карманные компьютеры, ноутбуки.

Вначале он рассматривал возможность использования радиоволн, которые столь эффективно передают информацию на расстоянии, но обнаружил, что в этом случае большая часть энергии будет рассеиваться в пространстве. Использование лазера требовало, чтобы источник энергии и подзаряжаемое устройство находились в поле зрения друг друга без каких-бы то ни было препятствий между ними. Кроме того, этот метод был чреват повреждениями для объектов, оказавшихся на линии передачи. Поэтому Солджачич стал искать способ передачи, который был бы одновременно эффективен, то есть способен передавать энергию без её рассеивания, и безопасен.

В конце концов он остановился на явлении резонансной связи, когда два настроенных на одну и ту же частоту объекта интенсивно обмениваются энергией между собой, при этом лишь слабо взаимодействуя с другими объектами. Классической иллюстрацией этого эффекта является опыт с несколькими бокалами, наполненными вином каждый до своего отличного от остальных уровня. В результате для каждого бокала существует уникальная частота звука, вызывающая вибрацию. Если певец возьмёт ноту соответствующей частоты, один из бокалов может получить такую дозу акустической энергии, что он рассыплется, при этом остальные бокалы останутся неповреждёнными.

Солджачич понял, что магнитный резонанс является многообещающим способом передачи электроэнергии. Магнитное поле свободно распространяется в пространстве и, при правильно выбранных частотах, безвредно для живых существ. Работая совместно с профессорами физики МИТ Джоном Иоаннопулосом (John Joannopoulos) и Питером Фишером (Peter Fisher) и тремя студентами, он разработал простое устройство, которое без проводов зажигало 60-ваттную электрическую лампочку.

Устройство состояло из двух настроенных в резонанс медных катушек, подвешенных с потолка на расстоянии примерно в два метра. Одна катушка подключалась к источнику переменного тока и создавала магнитное поле. Вторая катушка, настроенная на ту же частоту и подключённая к лампочке, резонируя в магнитном поле, генерировала зажигающий лампочку ток. Устройство работало даже когда между катушками помещали тонкую стенку.

Наиболее эффективное из созданных к этому моменту устройств состоит из 60-сантиметровых медных катушек и магнитного поля частотой в 10 мегагерц . Оно позволяет передавать энергию на расстояние в два метра с 50-процентной эффективностью. Проводятся исследования с серебром и другими материалами с целью уменьшить размер катушек и увеличить эффективность. Солджачич надеется достичь 70-80 процентной эффективности передачи.
В настоящее время исследуются и ряд других способов беспроводной перезарядки аккумуляторов. Такие стартапы как Powercast, Fulton Innovation, и WildCharge начали продвижение на рынок адаптеров, позволяющих беспроводную подзарядку мобильных телефонов, MP3-плейеров и других устройств дома или в машине. Но подход Солджачича отличается тем, что он позволяет обеспечить автоматическую подзарядку устройств, как только они попадают в поле действия беспроводного передатчика.

Работа группы Солджачича привлекла внимание компаний, выпускающих электронные устройства, а также автомобильной промышленности. Исследования финансировались Министерством обороны США , рассчитывавшим получить технологию беспроводной автоматической подзарядки аккумуляторов. Однако Солджачич предпочитает не распространяться относительно возможного промышленного применения своей технологии.

В сегодняшнем управляемом батареями мире есть очень много потенциальных приложений, где наша технология может использоваться», — говорит он. — «Это очень мощный метод».

Сейчас, восемь крупнейших технологических компаний объявили о создании технологического консорциума Wireless Power ConsortiumWireless Power Consortium , который должен будет выработать единый стандарт на беспроводную передачу энергии. Если такой стандарт будет принят, то можно ожидать скорого появления на рынке и первых промышленных продуктов: аккумуляторов, которые заряжаются по воздуху, подзарядных устройств, которые передают энергию на полметра-метр, и так далее.

Основателями нового альянса стали Philips, Sanyo, Texas Instruments, Logitech, National Semiconductor, Shenzhen Sang Fei Consumer Communications, ConvenientPower и Fulton Innovation.

Видео репортаж можно посмотреть перейдя по этим ссылкам:

1. Video_Wireless_electric
2. Будущее где-то рядом =)

Дрон уходит в небо: передача энергии без проводов изменит логистику

«Встречайте мир, где автономные транспортные средства доставляют клиентам 80% посылок!» — прогноз развития логистической отрасли от McKinsey выглядит почти сюжетом фантастического романа. Между тем, реальности в нем куда больше, чем может показаться на первый взгляд. Доставку заказа с помощью дрона Amazon выполнил еще в декабре прошлого года, аналогичные опыты уже провели немецкая DHL и Швейцарская почтовая служба, а в ноябре 2017 г. о запуске беспилотной доставки между китайскими островами объявила китайская Alibaba. Однако перспективы развития рынка доставки с помощью автономных беспилотников серьезно тормозит относительно короткое время полета, ограниченное, в свою очередь, зарядом аккумулятора. Принципиально изменить ситуацию на рынке готова корпорация Global Energy Transmission (GET) братьев Леонида и Сергея Плехановых, работающая над технологиями беспроводной передачи энергии: изобретатели из России в прямом смысле слова намерены заставить электричество путешествовать по воздуху, без проводов.

Фото: getcorp.com

Только физика, никакой магии

В просторном лофте неподалеку от центра Москвы под потолком жужжит и летает дрон. Когда дрон опустится, можно убедиться собственными глазами — уровень заряда батареи стал даже выше, чем до начала полета.

«Может так летать час, два, три, сколько хотите», — говорит основатель и генеральный директор GET Леонид Плеханов.

Еще недавно он трудился в международной компании, внедряя IT-решения, но последние годы все свое время посвящает разработке инновационной технологии дистанционной передачи электрической энергии. Над технологией Леонид работает вместе с братом, Сергеем Плехановым; изобретатели родились и выросли в Красноярске, окончили Московский физико-технологический институт, а сегодня живут между Россией, где у компании работает собственный инженерный центр, являющийся филиалом головной американской компании, и, собственно, Штатами. К вопросам, в чем же секрет бесконечного полета, в команде уже привыкли. Их, кстати, задавали и в прошлом году на Global Technology Symposium в Сан-Франциско, где компания Плехановых публично показала рабочий прототип.

На самом деле, никакой магии, хотя энергию для полета дрон и получает без привычных проводов и тем более не во время посадки. Все дело в специальном приемном устройстве, расположенном на беспилотнике, и передатчике — последний выполнен в форме гибкого корда (его еще называют зарядным контуром) и формирует электромагнитное поле. Приемник преобразует энергию электромагнитного поля в электрическую, сама же передача энергии осуществляется методом резонансной электродинамической индукции — все как в экспериментах Никола Тесла.

«Мы не создаем новые законы физики, не изобретаем материи. У нас классическое физическое образование», — смеется Леонид Плеханов.

Трудности перелета

Сегодня в числе инвесторов компании — фонд Draper Associates американского миллиардера Тима Дрейпера и российская инвестиционная платформа IP Fund. В 2017 г. инвесторы вложили в GET $2,5 млн (IP Fund структурировал сделку через компанию PapayaFin Ltd.). Полученные средства предполагается потратить на разработку промышленных систем беспроводной зарядки и развертывания беспроводных сетей в крупных городах по всему миру.

Вначале же в идею изобретателей реализовать планы Николы Теслы и позволить электричеству путешествовать по воздуху верили не все. Первые средства для экспериментов (1,5 млн руб.) собирали в 2014 г. на Boomstarter, затем в 2015 г. кампанию по сбору запустили на Indiegogo. Тогда планы по сбору $800 000 не сбылись, но Плехановы получили более важный итог — о стартапе узнали за границей.

«Мы создали группу в Facebook, стали много общаться с пользователями из США, Южной Америки, Испании… Восторженных почитателей Теслы в мире оказалось много», — вспоминает Леонид Плеханов.

В конце концов изобретатели познакомились с Билом Каллманом, инвестором и основателем Scail, и Тимом Дрейпером, американским венчурным капиталистом, основателем и управляющим партнером в Draper Associates, совместно с которыми и учредили в начале 2015 г. компанию в США. Впрочем, отношение к проекту в той же Кремниевой долине оставалось настороженным, в том числе из-за российского происхождения.

«Например, один из инвесторов нам сказал, что инвестирует только в компании, до которых не более часа езды на машине», — вспоминает Леонид Плеханов.

Не стоят на месте

Сегодня технология дистанционной зарядки не выглядит столь уж фантастической. Такой функционал, к примеру, реализован в мобильных устройствах от Apple и Samsung.

«Panasonic выпустил электрическую зубную щетку, которая заряжается от подставки, а Sony — телевизор. Intel успешно разрабатывает собственную технологию WREL — беспроводную резонансную передачу энергии», — напоминает управляющий партнёр QBF Зелимхан Мунаев.

Фото: getcorp.com

Продвижением разработок на основе технологий беспроводной передачи энергии занимаются многие зарубежные компании, говорит профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» НГТУ им. Р.Е. Алексеева Елена Соснина. В числе последних она называет проекты WiTricity, Powercast Corporation, Powermat Technologies, а также ведущих производителей электроники: Apple, Asus, LG Electronics, Samsung и др. Есть они и в России: так, с использованием лазерного луча энергию удалось передать на 1500 м в РКК «Энергия», проводит эксперименты по беспроводной передаче энергии и корпорация «Ростех». Над технологией работают в российских вузах, в том числе в Томском политехническом университете, Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (совместно с НИИ «Гириконд»), Нижегородском ГТУ им. Р.Е. Алексеева, где обещают показать разработки на национальной выставке «Вузпромэкспо-2017».

Другое дело, что расстояние, на которое пока удается передать электрический заряд, зачастую слишком невелико. Это проблема касается многих конкурирующих решений, говорит Леонид Плеханов. К тому же нередко разработки могут быть небезопасны. Технологию GET отличает низкий коэффициент потерь при передаче энергии, а также большое расстояние, на котором возможна дистанционная зарядка.

«Наша система позволяет заряжаться сразу большому количеству устройств, бесконтактный способ зарядки не имеет, например, погодных ограничений, а дистанция, на которой возможна подзарядка, сопоставима с размерами зарядного контура», — объясняет Леонид Плеханов.

При этом КПД переброски с передатчика на приемник дрона составляет около 80% — очень высокий показатель.

«Наша платформа находит такие высокотехнологичные проекты, в основе монетизации которых лежит транзакционная модель. Идеальный проект должен быть патентоспособным, технологичным, инфраструктурным, а также уметь получить доход от транзакционной модели. Соответствие проекта GET этим критериям внушает нам уверенность в его перспективах», — заявил СЕО IP Fund, доктор экономических наук, профессор Артем Генкин.

Поставили на дронов

«GET работает в перспективной нише. Задача удалённой зарядки/энергоснабжения небольших устройств давно стоит на повестке дня, — согласен партнер венчурного фонда FPI, акционер компании SKYF Илья Родин. — Я не совсем верю в возможность зарядки различных устройств внутри здания, там, где в зону действия могут попадать люди. Думаю, такие применения потребуют долгого тестирования и серьёзных независимых исследований. Однако создание безлюдных зон зарядки для дронов выглядит более реалистичным».

Именно на разработке решения для логистической индустрии и предпочли сосредоточиться в GET — беспроводную передачу энергии они предлагают использовать для подзарядки беспилотников, с помощью которых товар доставляется заказчику.

«С помощью беспилотников можно решить огромное число бизнес-задач, например, радикально сократить цену доставки: вместо $10 вы будете платить $2 и получать заказ через 20 минут, а не 2 часа», — рассуждает Плеханов.

«Одним из первых дроны для доставки товаров начал использовать Amazon. Сегодня технология доставки таким способом также используется и в других компаниях, например, в некоторых китайских», — согласен операционный директор СДЭК Максим Толстобров.

GET предлагает оборудовать в городах сети зарядных станций (хот-спотов), которые будут передавать энергию дронам. Менее чем за минуту дрон получит достаточно энергии, чтобы преодолеть расстояние между зарядными башнями. Дальность полета автономного доставщика будет ограничена только числом хот-спотов. На Москву или Нью-Йорк потребуется от 30 до 50 зарядных станций, говорят в GET. Сама компания видит себя в роли технологического оператора инфраструктуры, который будет предоставлять сервис беспроводной зарядки всем заинтересованным компаниям.

Безусловно, решение не самое простое с точки зрения технической реализации. Как отмечает Илья Родин, по технической сложности это сравнимо с созданием сотовых сетей; к тому же повсеместное внедрение бизнес-процессов доставки с использованием дронов потребует длительного времени.

Впрочем, инновации далеко не всегда требуют долгих сроков внедрения. В GET рассчитывают, что система беспроводной передачи энергии сможет заработать в крупных городах мира уже через два года. При этом компания строит планы по созданию беспроводной сети электропитания для беспилотных самолетов, которые смогут дистанционно подзаряжаться во время полета. В перспективе технология также может быть использована для осуществления самых разных задач, включая наблюдение, картографирование, сельскохозяйственный мониторинг и даже спасательные операции.

Автор: Ольга Блинова

Мечта Николы Теслы. В Новой Зеландии протестируют беспроводную передачу электричества

Беспроводная передача электричества (Фото: Emrod)

Новозеландский стартап заявил о разработке технологии, которая позволит передавать электричество на расстояние абсолютно без проводов. Испытания беспроводной системы могут начать в 2021 году.

Одним из первых идею о беспроводной передаче электричества публично озвучил изобретатель Никола Тесла еще конце XIX века.

На выставке в Чикаго в 1893-м Тесла показал беспроводное освещение люминесцентными лампами, а через год с помощью того же метода электродинамической индукции абсолютно без проводов зажег лампы накаливания в своих лабораториях в Нью-Йорке.

Позже эта технология стала основой для создания радио, но промышленную передачу электроэнергии на расстояние так никто и не осилил. В частности из-за того, что разработанный Томасом Эдисоном счетчик электроэнергии работал только на постоянном токе, а технология Теслы требовала использования переменного тока.

В результате, систему Эдисона поставили на конвейер, а беспроводная передача электричества осталась в сфере научных исследований и разработок. Сегодня ее используют в виде примитивных беспроводных зарядок для гаджетов или автомобилей с небольшим количеством потребления энергии.

Но на днях новозеландский стартап Emrod заявил о разработке первой беспроводной системы, которая позволит передать огромное количество электроэнергии на большое расстояние, и создать таким образом новую энергетическую инфраструктуру.

Подпишитесь, чтобы прочитать целиком

Нам необходима ваша поддержка, чтобы заниматься качественной журналистикой

Виталий Сыч, Главный редактор

Друзья, мы вводим платный доступ к части контента НВ.

Мы гарантируем , что на НВ вы не увидите продвижения интересов политиков, бизнесменов и партий. Вы также никогда не увидите тут скрытой коммерческой рекламы, которую называют джинсой.

Спасибо всем, кто читает и поддерживает нас.

Если вы нашли ошибку в тексте, выделите её мышью и нажмите Ctrl + Enter

Материалы, отмеченные значками

публикуются на правах рекламы.

Если вы нашли ошибку в тексте, выделите её мышью и нажмите Ctrl+Enter

Использование материалов сайта возможно с соблюдением Правил пользования сайтом и использования материалов сайта. Все материалы, которые размещены на этом сайте со ссылкой на агентство «Інтерфакс-Україна», не подлежат дальнейшему воспроизведению и / или распространению в любой форме, кроме как с письменного разрешения агентства «Інтерфакс-Україна». Перепечатка, копирование или воспроизведение информации, содержащей ссылку на агентство ИнА “Українські Новини”, в каком-либо виде строго запрещены, гиперссылка на логотип «Українські Новини» обязательна. Данный ресурс — для пользователей возрастом от 18 лет и старше. Материалы, в тексте (после текста) которых содержится запрет на полную републикацию (перепечатка, копирование, воспроизведение или иное использование), или материалы, доступ к которым является платным, разрешается использовать частично. Объем использования не может превышать 25% от общего объема текста. Такое частичное использование разрешается исключительно при наличии гиперссылки в конце текстовых материалов с подписью: «Полную версию читайте на nv.ua».

© 2014 — 2020, ООО «ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ДОМ «МЕДИА-ДК». Все права защищены.

Как осуществляется передача электрической энергии?

Передача электрической энергии от электрических станций до потребителей осуществляется по электрическим сетям . Электросетевое хозяйство — естественно-монопольный сектор электроэнергетики: потребитель может выбирать, у кого покупать электроэнергию (то есть энергосбытовую компанию), энергосбытовая компания может выбирать среди оптовых поставщиков (производителей электроэнергии), однако сеть, по которой поставляется электроэнергия, как правило, одна, и потребитель технически не может выбирать электросетевую компанию. С технической точки зрения, электрическая сеть представляет собой совокупность линий электропередачи (ЛЭП) и трансформаторов , находящихся на подстанциях .

Линии электропередачи представляют собой металлический проводник, по которому проходит электрический ток. В настоящее время практически повсеместно используется переменный ток. Электроснабжение в подавляющем большинстве случаев — трёхфазное , поэтому линия электропередачи, как правило, состоит из трёх фаз, каждая из которых может включать в себя несколько проводов. Конструктивно линии электропередачи делятся на воздушные и кабельные .

Воздушные ЛЭП подвешены над поверхностью земли на безопасной высоте на специальных сооружениях, называемых опорами. Как правило, провод на воздушной линии не имеет поверхностной изоляции; изоляция имеется в местах крепления к опорам. На воздушных линиях имеются системы грозозащиты . Основным достоинством воздушных линий электропередачи является их относительная дешевизна по сравнению с кабельными. Также гораздо лучше ремонтопригодность (особенно в сравнении с бесколлекторными КЛ): не требуется проводить земляные работы для замены провода, ничем не затруднён визуальный осмотр состояния линии. Однако, у воздушных ЛЭП имеется ряд недостатков:

широкая полоса отчуждения: в окрестности ЛЭП запрещено ставить какие-либо сооружения и сажать деревья; при прохождении линии через лес, деревья по всей ширине полосы отчуждения вырубаются;

незащищённость от внешнего воздействия, например, падения деревьев на линию и воровства проводов; несмотря на устройства грозозащиты, воздушные линии также страдают от ударов молнии. По причине уязвимости, на одной воздушной линии часто оборудуют две цепи: основную и резервную;

эстетическая непривлекательность; это одна из причин практически повсеместного перехода на кабельный способ электропередачи в городской черте.

Кабельные линии (КЛ) проводятся под землёй. Электрические кабели имеют различную конструкцию, однако можно выявить общие элементы. Сердцевиной кабеля являются три токопроводящие жилы (по числу фаз). Кабели имеют как внешнюю, так и междужильную изоляцию. Обычно в качестве изолятора выступает трансформаторное масло в жидком виде, или промасленная бумага. Токопроводящая сердцевина кабеля, как правило, защищается стальной бронёй. С внешней стороны кабель покрывается битумом. Бывают коллекторные и бесколлекторные кабельные линии. В первом случае кабель прокладывается в подземных бетонных каналах — коллекторах . Через определённые промежутки на линии оборудуются выходы на поверхность в виде люков — для удобства проникновения ремонтных бригад в коллектор. Бесколлекторные кабельные линии прокладываются непосредственно в грунте. Бесколлекторные линии существенно дешевле коллекторных при строительстве, однако их эксплуатация более затратна в связи с недоступностью кабеля. Главным достоинством кабельных линий электропередачи (по сравнению с воздушными) является отсутствие широкой полосы отчуждения. При условии достаточно глубокого заложения, различные сооружения (в том числе жилые) могут строиться непосредственно над коллекторной линией. В случае бесколлекторного заложения строительство возможно в непосредственной близости от линии. Кабельные линии не портят своим видом городской пейзаж, они гораздо лучше воздушных защищены от внешнего воздействия. К недостаткам кабельных линий электропередачи можно отнести высокую стоимость строительства и последующей эксплуатации: даже в случае бесколлекторной укладки сметная стоимость погонного метра кабельной линии в разы выше, чем стоимость воздушной линии того же класса напряжения . Кабельные линии менее доступны для визуального наблюдения их состояния (а в случае бесколлекторной укладки — вообще недоступны), что также является существенным эксплуатационным недостатком.

Естествознание. 11 класс

Конспект урока

Естествознание, 11 класс

Урок 12. Преобразование и передача электроэнергии

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• Какие способы передачи энергии на расстояние существуют?
• Чем обусловлены потери энергии при передаче?
• Чем выгоден каждый способ передачи электроэнергии?
• Как уменьшить потери при передаче электроэнергии?

Глоссарий по теме:

Электромагни́тная инду́кция — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении во времени магнитного поля или при движении материальной среды в магнитном поле.

Правило Ленца: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей.

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея).

Какова бы ни была причина изменения магнитного потока, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре Э.Д.С. индукции определяется формулой:

Первичной обмоткой называется та, на которую подается исходное напряжение от какого-либо источника переменного тока. Вторичная обмотка – обмотка, которая служит источником питания для потребителя. Обычно первичную обмотку обозначают индексом 1, а вторичную – индексом 2.

Трансформатор (от лат.transformare — «превращать, преобразовывать») — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Обязательная литература:

1. Александров, А. П. Атомная энергетика и научно-технический прогресс / А.П. Александров. — М.: Наука, 2015. — 272 c.
2. Арутюнян, А. А. Основы энергосбережения / А.А. Арутюнян. — М.: Энергосервис, 2016. — 600 c.
3. Демидов, В. И. Тепла Вам и света / В.И. Демидов. — М.: Лицей, 2009. — 254 c.

Дополнительные источники:

1. https://moiinstrumenty.ru/elektro/obmotka-transformatora.html
2. Якобсон, И.А. Испытания переключающих устройств силовых трансформаторов / И.А. Якобсон. — М.: Наука, 2006. — 56 c

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В современном мире трудно представить себе даже несколько минут без электричества. Многие жизненно важные приборы, а также бытовая техника потребляют электроэнергию. Проблема передачи электроэнергии на различные расстояния: от маленьких деревень до многомиллионных городов до сих пор остается актуальной. Как это осуществить с минимальными потерями и наиболее эффективно?

Развитие цивилизации и научно-технический прогресс, связанный с использованием двигателей, потребовал решения не только задач производства энергии, но также задачи передачи энергии на расстояние. С давних пор известно два способа передачи топлива для двигателей: транспортный и более экономичный – трубопроводный, применяемые до сих пор. Но самый эффективный способ – по проводам. Французский физик М. Депре построил первую линию электропередачи в 1880 г. Однако, и этот способ не позволяет избежать потерь, связанных с нагревом подводящих проводов.

При простейшем способе передачи, когда источник электроэнергии (электрогенератор) связан проводами с потребителем, процесс передачи можно изобразить схемой, приведенной на Рис. 1

Обозначая полезную потребляемую мощность (мощность на нагрузке) через Wн, а паразитную мощность, идущую на нагревание проводов через Wп, получим для них выражения:

Из этих формул видно, что отношение мощностей равно отношению сопротивлений.

Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно меньше. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из алюминия или меди и достаточно толстыми.

Уменьшить потери энергии в проводах по сравнению с энергией, которую нужно передать, можно, если уменьшить ток, текущий в проводах, по сравнению с током, который течет в приборах потребителя. Сделать это позволяет трансформатор, принцип действия которого основан на взаимопреобразовании электрического и магнитного полей. Трансформатор, история применения которого насчитывает почти полтора века, все это время служит человечеству верой и правдой. Его назначение — преобразование напряжения переменного тока. Это одно из немногих устройств, КПД которого может достигать почти 100%.

Самый простой трансформатор — это сердечник из ферромагнитного материала с большой магнитной проницаемостью (например, из электротехнической стали) и две намотанных на него обмотки (рис. 2). При пропускании через первичную обмотку переменного тока силой I₁ в сердечнике возникает меняющийся магнитный поток Ф, которым пронизывается как первичная, так и вторичная обмотка.

В каждом из витков этих обмоток находится одинаковая по численному значению ЭДС индукции. Таким образом, отношения ЭДС в обмотках и витков в них одинаковы. На холостом ходу (I₂ = 0) напряжения на обмотках практически равны ЭДС индукции в них, следовательно, для напряжений также выполняется соотношение:

N₁ и N₂ — число витков в обмотках.

Отношение U₁ / U₂ называют еще коэффициентом трансформации (k). Если U₁ U₂ — понижающим (рис 2). У первого трансформатора коэффициент трансформации больше, а у второго — меньше единицы. Поскольку КПД трансформатора близок к 100%, мощность в цепи первичной обмотки приблизительно равна мощности в цепи вторичной обмотки:

Следовательно, ток во вторичной обмотке меньше, чем ток в цепи потребителя. Так как потери на нагрев проводов в линии электропередачи пропорциональны , уменьшение тока в проводах линии электропередачи позволяет уменьшить потери энергии.

Один и тот же трансформатор, в зависимости от того к которой обмотке прикладывается, а с какой снимается напряжение, может быть как повышающим, так и понижающим.

Способы беспроводной передачи электроэнергии

Открытый Андре Мари Ампером в 1820 году закон взаимодействия электрических токов, положил начало дальнейшему развитию науки об электричестве и магнетизме. Спустя 11 лет, Майкл Фарадей экспериментально установил, что порождаемое электрическим током меняющееся магнитное поле способно индуцировать электрический ток в другом проводнике. Так был создан первый электрический трансформатор.

В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл окончательно систематизировал экспериментальные данные Фарадея, придав им форму точных математических уравнений, благодаря которым была создана основа классической электродинамики, ведь эти уравнения описывали связь электромагнитного поля с электрическими токами и зарядами, а следствием этого должно было быть существование электромагнитных волн.

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.

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. Тесла получал ток высокой частоты и высокого напряжения, применяя колебательный разряд конденсатора (смотрите — Трансформатор Тесла). 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.

Тесла в 1896 году удачно передает и принимает сигналы на расстоянии между передатчиком и приемником примерно в 48 километров. Однако значительного количества электрической энергии передать на большое расстояние пока никому из исследователей не удалось.

Экспериментируя в Колорадо-Спрингс, в 1899 году Тесла напишет: «Несостоятельность метода индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха». Это станет началом исследований ученого, направленных на передачу электроэнергии на значительные расстояния без использования проводов. В январе 1900 года Тесла сделает в своем дневнике запись об успешной передаче энергии на катушку, «вынесенную далеко в поле», от которой была запитана лампа.

А самым грандиозным успехом ученого станет запуск 15 июня 1903 года башни Ворденклифф на Лонг-Айленде, предназначенной для передачи электрической энергии на значительное расстояние в больших количествах без проводов. Заземленная вторичная обмотка резонансного трансформатора, увенчанная медным сферическим куполом, должна была возбудить заряд земли и проводящие слои воздуха, чтобы стать элементом большой резонансной цепи.

Так ученому удалось запитать 200 ламп по 50 Ватт на расстоянии около 40 километров от передатчика. Однако, исходя из экономической целесообразности, финансирование проекта было прекращено Морганом, который с самого начала вкладывал деньги в проект с целью получить беспроводную связь, а передача бесплатной энергии в промышленных масштабах на расстояние его, как бизнесмена, категорически не устраивала. В 1917 году башня, предназначенная для беспроводной передачи электрической энергии, была разрушена.

Уже намного позже, в период с 1961 по 1964 годы, эксперт в области СВЧ-электроники Вильям Браун экспериментировал в США с трактами передачи энергии СВЧ-пучком.

В 1964 году им было впервые испытано устройство (модель вертолета) способное принимать и использовать энергию СВЧ пучка в виде постоянного тока, благодаря антенной решётке, состоящей из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки. Уже к 1976 году Вильям Браун осуществил передачу СВЧ-пучком мощности в 30 кВт на расстояние в 1,6 км с КПД превышающим 80%.

В 2007 году исследовательская группа Массачусетского технологического института под руководством профессора Марина Солячича сумела передать беспроводным способом энергию на расстояние в 2 метра. Передаваемой мощности было достаточно для питания 60 ваттной лампочки.

В основе их технологии (названной WiTricity) лежит явление электромагнитного резонанса. Передатчик и приемник – это резонирующие с одинаковой частотой две медные катушки диаметром 60 см каждая. Передатчик подключен к источнику энергии, а приемник — к лампе накаливания. Контуры настроены на частоту 10 МГц. Приемник в данном случае получает только 40-45% передаваемой электроэнергии.

Примерно в тоже самое время похожую технологию беспроводной передачи электроэнергии продемонстрировала компания Intel.

В 2010 году Haier Group, китайский производитель бытовой техники, представила на всеобщее обозрение на выставке CES 2010 свой уникальный продукт — полностью беспроводной LCD телевизор, основанный на данной технологии.

Стартап из Новой Зеландии планирует передавать электроэнергию на большие расстояния без проводов

В свое время Н. Тесле удалось доказать, что для передачи электрической энергии на значительные расстояния провода нужны не всегда. Изобретатель провел в Колорадо-Спрингс эксперимент, в раках которого электрическая лампочка была зажжена с расстояния в три километра посредством электромагнитного поля.

Работающая в Новой Зеландии энергетическая компания Powerco намерена профинансировать проект одного из местных стартапов по передаче электрической энергии по воздуху на расстояние прямой видимости. Речь может идти о десятках километров.

Реализацией проекта занимается стартап Emrod. Технологию беспроводной передачи электроэнергии можно будет использовать при обесточивании линий из-за стихии. Она позволит домохозяйствам оставаться подключенными к электросетям даже при оборванных проводах. Кроме этого, технологию можно будет использовать для электрификации удаленных мест, в которых прокладка проводов не представляется возможной либо запрещена.

В рамках эксперимента электричество будет передаваться с передающей станции на приемник. Оба устройства были разработаны специалистами Emrod. В рамках первого эксперимента мощность передаваемой электроэнергии будет равна 2 кВт. Впоследствии она будет увеличена в несколько раз. По словам разработчиков, потери энергии при таком способе передачи не превышают 15%.

Похожее

Исландия может столкнуться с дефицитом электрической энергии из-за криптовалютного майнинга

В корпорации «Энергия» предложили использовать для зарядки дронов лазер