УДК: 621.3
АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

НА ЗНАЧИТЕЛЬНЫЕ РАССТОЯНИЯ
Шпиганович А.Н., Шпиганович А.А., Шурыгин Ю.А., Медведев С.Е.
Россия, г. Липецк, ФГБОУ ВПО ЛГТУ
В статье проведен анализ способов передачи электроэнергии на значительные расстояния. Наиболее подробным образом проведены исследования беспроводных систем передачи, указаны их преимущества и недостатки.
The article analyzes the methods of electric power transmitting over long distances. Most detailed way investigated of wireless transmission systems, given their advantages and disadvantages.
В настоящее время транспортировка электроэнергии осуществляется по высоковольтным линиям электропередачи. Такой метод имеет всемирное признание и применение, не смотря на множество известных альтернативных вариантов. Традиционный способ обладает рядом недостатков, а именно: существенные экономические затраты на конструкционные материалы, монтажные и эксплуатационные работы; невозможность реализации передачи электроэнергии летательным объектам и в космическом пространстве. На сегодняшний день остается нерешенной задача осуществления и глобального использования беспроводной передачи электроэнергии. Проведение исследований по этому направлению следует считать актуальным и своевременным.

Существуют способы предусматривающие передачу электроэнергии путем транспортировки резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, включающей преобразователь частоты, повышающий и понижающий резонансные трансформаторы (или только повышающий резонансный трансформатор), однопроводную линию электропередачи. Передача электроэнергии может осуществляться над землей, а также под землей или под водой. Реализация таких идей требует сооружения однопроводных линий электропередачи, что с одной стороны имеет преимущества по сравнению с традиционным способом с точки зрения минимума экономических затрат, а с другой стороны не позволяет производить беспроводную передачу электроэнергии, что является существенным недостатком.

Известны способы передачи электрической энергии без использования специально предназначенных для этого электросетей. В качестве проводящего канала применяются транспортные трубопроводы с перемещаемым по ним жидким или газообразным веществом, что способствует снижению экономических затрат на передачу электроэнергии за счет исключения такого элемента, как линия электропередачи. Они обладают частным характером применения и не могут быть предложены в качестве конкурентоспособной альтернативы для традиционного способа транспортировки электрической энергии.

Представляют интерес способы беспроводной передачи электрической энергии, основанные на использование лазерных установок для создания токопроводящего канала посредством фотоионизации диэлектрических сред, например, воздуха. Разработанные устройства позволяют передавать по сформированному проводящему каналу электрическую энергию непосредственно, а также сконвертированную электрическую энергию, например, в виде электромагнитных волн высокой частоты. Переда электричества по ионизированному каналу имеет ряд недостатков: большие резистивные потери; малое расстояние передачи; необходимость использования высокого напряжения; насыщение наночастицами металла сформированного токопроводящего канала. Передача преобразованной электрической энергии в форме электромагнитных волн позволяет увеличить расстояние передачи. При этом фотоионизированный канал выступает в качестве направляющей распространения электромагнитных колебаний, а волны мало рассеиваются в окружающей среде. У приемника они могут быть преобразованы в электрическую энергию с требуемыми параметрами. Технический эффект этого изобретения достигается с помощью применения двух лазерных установок, размещенных на передатчике и на приемнике, и промежуточного проводящего тела, расположенного в прямой видимости от используемых объектов. Промежуточное проводящее тело должно размещаться на летательном аппарате в атмосфере, что придает такому методу некоторые преимущества. Однако в ряде случаев это неудобно и связанно с дополнительными экономическими затратами. Более рациональным выглядит вариант использования в качестве промежуточного проводящего тела слоев ионосферы, окружающих планету, что позволяет располагать передатчик и приемник в любом месте Земли. Способ беспроводной энергетически разветвленной системы решает вопрос питания электроэнергией одновременно нескольких находящихся в движении приемников, например, электромобилей. Одной установки-передатчика достаточно для питания порядка 1000 электромобилей с мощностью двигателя 60 кВт. Недостатком метода является необходимость размещения передатчика и приемников электрической энергии в зоне их прямой видимости, а также обязательное применение системы слежения за перемещением двигающихся объектов и системы наведения лазеров, что в значительной степени усложняет техническую и экономическую составляющие реализации этой системы. Для способа передачи электрической энергии посредством формирования фотоионизированного канала с помощью луча лазера можно выделить общие недостатки: необходимость поддержания достаточной мощности лазерного излучения в зависимости от концентрации ионов в канале, так как при их малой концентрации проводимость воздуха крайне мала, а при слишком большой концентрации воздушный канал становиться непрозрачным для лазерного излучения; невозможность реализации передачи электроэнергии в вакууме, в частности это касается космического пространства.

Один из методов беспроводной передачи электроэнергии основывается на транспортировке потока электронов, возникающих на околоповерхностной зоне вольфрамовой нити раскаленной до 2500 С. За счет управляемого магнитного поля, создаваемого катушками индуктивности, им придается направление, ускорение и осуществляется сжатие в узкий канал. Данный метод позволяет осуществлять передачу энергии в высоком вакууме, и может быть использован за пределами земной атмосферы. Однако применение этого метода в газовой среде, например, такой как воздух является технически неоправданным, поскольку при соударении электронов с молекулами, встречающиеся на пути их распространения, они теряют энергию и сильно рассеиваются, что ограничивает расстояние передачи, приводит к большим потерям и низкому коэффициенту полезного действия. При этом для поддержания плазмы тлеющего разряда в канал потока электронов необходимо подавать инертный газ, например аргон, что усложнят технологию.

Передача электроэнергии посредствам электромагнитных волн имеет преимущество в виде возможности передачи энергии объектам не находящихся в прямой видимости от передатчика. Известен способ, заключающийся в использовании генератора, предназначенного для получения высокочастотных электромагнитных колебаний, усилителя, модулятора и антенны. [Радиопередающие устройства, под ред. О.А. Челнокова, М.: 1982]. Электромагнитные колебания, распространяясь в окружающей среде от передающей антенны, достигают приемной антенны и возбуждают в ней гармонические электрические колебания, впоследствии поступающие в приемник. Известным недостатком предложенного способа является невозможность получения достаточно мощных электромагнитных колебаний, а также необходимость использования лучевых антенн большой протяженности.

Возможна передача электромагнитных колебаний в режиме резонанса напряжений. Необходимым условием является совпадение частоты колебаний генератора и частоты колебательного контура приемника. Использование этого эффекта, а также воздействие постоянных магнитов на уединенную вращающуюся емкость, позволяет значительно расширить границы расстояния передачи электроэнергии. Генератор электромагнитных колебаний можно выполнить из материала, представляющего собой смесь двух полупроводниковых химических элементов, образующих дипольную матрицу, а приемник электромагнитной энергии в виде нанесенной на поверхность предмета оболочки из алюминиевой фольги. Технический эффект, достигаемый при реализации предложенного варианта исполнения генератора и приемника, заключается в повышении коэффициента полезного действия передачи электроэнергии.

Для создания проводящей среды распространения радиоволн возможно использование канала, сформированного путем эмиссии стримеров с игольчатого формирователя или излучения релятивистского пучка электронов. Однако при реализации рассмотренных методов возникает опасность радиационного излучения, губительно влияющего на живые организмы. Снизить радиацию можно за счет формирования канала в виде двух пересекающихся пучков. Один из них создается за счет использования эффекта фотоионизации воздуха лучом лазера, а второй представляет релятивистский пучок электронов. Такие мероприятия не позволяют полностью ликвидировать опасность радиационного поражения близ лежащих объектов. Одним из способов передачи электромагнитных волн, является передача их по каналу, сформированному с помощью микроволнового излучения. Частота микроволнового формирователя канала много больше частоты передаваемой электромагнитной волны. Способ характеризуется более высоким коэффициентом полезного действия по сравнению с другими. Существенным его недостатком, как и при использовании фотоионизации, является то, что источник и приемник должны находиться в зоне прямой видимости. Если при передаче энергии из космического пространства на Землю передача вполне реализуема, то при передаче энергии между наземными объектами это условие трудно соблюсти.

Шпиганович Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Липецкий государственный технический университет, заведующий кафедрой электрооборудования, почтовый адрес: 398600 г.Липецк, ул.Московская, 30, email: kaf-eo@stu.lipetsk.ru, тел.: (4742) 32-80-49.

Шпиганович Алла Александровна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Липецкий государственный технический университет почтовый адрес: 398600 г.Липецк, ул.Московская, 30, email: kaf-eo@stu.lipetsk.ru, тел.: (4742) 32-80-49.

Шурыгин Юрий Анатольевич, ФГБОУ ВПО Липецкий государственный технический университет, ассистент кафедры электрооборудования, почтовый адрес: 398600 г.Липецк, ул.Московская, 30, email: shurygin_86@mail.ru, тел.: (4742) 32-80-49.

Медведев Сергей Евгеньевич, ФГБОУ ВПО Липецкий государственный технический университет, магистрант кафедры электрооборудования, почтовый адрес: 398600 г.Липецк, ул.Московская, 30, email: s.e.medvedev@mail.ru, тел.: (4742) 32-80-49.