This page has been robot translated, sorry for typos if any. Original content here.

Передача електричної енергії без металевих проводів

У роботах Н.Тесла [3] і російських вчених [4-10] був запропонований метод передачі активної потужності за допомогою реактивного ємнісного струму з використанням резонансних властивостей однопровідною лінії (ОЕС), виготовленої з металевого провідника. Мета цієї роботи - дослідження можливості використання неметалевих провідних середовищ для передачі електричної енергії.

Відомі методи передачі електричної енергії засновані на передачі активної потужності за допомогою струмів провідності в замкнутому ланцюзі. Електромагнітна енергія поширюється уздовж ліній електропередач (ЛЕП) у вигляді біжучих хвиль електромагнітного поля або поля зарядів [I]. Провід лінії, виготовлені з алюмінію або міді, є провідними каналами (направляючими), уздовж яких рухається потік електромагнітної енергії від генератора до приймача енергії і назад до генератора.

Максимальна передана потужність трифазних ЛЕП обмежується втратами на опорі лінії, максимальною напругою, яке визначається електричною міцністю ізоляції і електромагнітної стійкістю лінії. Сучасний підхід до забезпечення електромагнітної стійкості полягає в жорсткому регулюванні параметрів лінії за допомогою швидкодіючих шунтових реакторів і послідовної ємнісний компенсації з метою виключення перетоків реактивної потужності і придушення резонансних властивостей лінії [2].

Методика. Для проведення експериментів використовували однопровідну енергетичну систему (ОЕС), електрична схема якої показана на Рис. а, б.

Електрична схема однопроводной енергетичної системи з неметалічних проводять каналом

· ОЕС з симетричним розташуванням трансформаторів Тесла.

· ОЕС з діод-конденсаторним блоком в кінці провідного каналу.

ОЕС складається з високочастотного генератора I з регульованою напругою 28 В потужністю I кВт, передає 2 і приймального 3 трансформатора Тесла з проводять каналом 4 між ними, випрямляча 5, електричного навантаження 7 у вигляді ламп розжарювання або електродвигуна напругою 220 В, I кВт. Високовольтна обмотка трансформатора Тесла виконана у вигляді циліндричної обмотки на ферритовом осерді діаметром 50-100 мм і містить 4000-6000 витків. Внутрішній кінець високовольтної обмотки підключений до провідного каналу, а зовнішній кінець залишається вільним. Харчування трансформатора Тесла здійснюють за допомогою низьковольтної обмотки з 40-60 витків.

При подачі електроенергії від високочастотного генератора на обмотку харчування, на вільному кінці високовольтної обмотки формується нульовий потенціал, а на провідному каналі напруга з частотою 1-25Кгц, відповідній частоті генератора. Крім того, трансформатор Тесла, як спіральна антена генерує електромагнітні хвилі з довжиною хвилі 5-10 см, що відповідає довжині витка високовольтної обмотки. У ланцюзі харчування трансформатора Тесла формують режим резонансу струмів, а в ланцюзі приймальної і передавальної високовольтних обмоток і провідного каналу формують режим резонансу напруг з частотою, рівній частоті генератора 1.

Як провідного каналу використовували такі матеріали: трубку з поліетилену діаметром 10 мм і довжиною 1,5 м, заповнену водопровідної або морською водою; пластиковий лоток з землею розмірами шару землі 150 х 10 х 400 мм; плівку двоокису олова-окису індію (IT0) на склі товщиною 0,3 мкм опором 300 0м; графітову нитка діаметром 0,1 мм, довжиною 500 мм з опором 100 Ом. Для порівняння використовували також сталеву і мідний дріт діаметром 0,1 мм, довжиною 5 м.

Напруга на провідному каналі змінювалося в межах 1-10 кВ, частота генератора від I до 25 кГц. Напруга, струм і потужність вимірювалися на виході ОЕС і на навантаженні стандартними електровимірювальними приладами.

Результати та обговорення. Заміна провідного каналу з металевого провідника на канал з неметалічних провідних матеріалів не викликала зменшення переданої потужності ОЕС і нагрівання матеріалу провідних каналів, послідовне з'єднання яких також не приводило до зменшення переданої потужності.

Розрив ланцюга в провідному каналі з води шляхом створення повітряного проміжку приводив до виникнення дугового розряду реактивного ємнісного струму, однак цей розряд не викликав підвищення температури води при переданої потужності 300 Вт при напрузі 4,5 кВ протягом I годину, що підтверджує відсутність втрат енергії в провідному каналі. Збільшення температури води не приводило до зниження переданої потужності. Відзначено зменшення РН води від нейтрального значення до 4.

Збільшення концентрації морської солі у воді до рівня 5-7 г / л не збільшувати передану потужність в порівнянні з водопровідною водою. Однак заміна водопровідної води на деонізованную воду опором 16МОм призводило до зниження переданої потужності на 100%.

Таким чином, експериментально показано, що провідні канали з неметалічних матеріалів в ОЕС в резонансному режимі мають квазісверхпроводящіе властивості. Можливим поясненням цього ефекту є відсутність активного струму провідності в каналі і домінуюча роль в передачі енергії струмів зміщення, для яких закон Джоуля-Ленца не виконується [11]. У ланцюзі харчування трансформатора Тесла ток - практично реактивний, і в умовах резонансу діючі значення індуктивних і ємнісних струмів рівні, а їх вектори протилежні по фазі. Струм високочастотного перетворювача витрачається на втрати в проводах ланцюга харчування і осерді трансформатора Тесла, які складають менше 2% і на створення реактивного струму в провідному каналі.

У режимі резонансу напруг, діючі значення напруг на індуктивності високовольтних обмоток і провідного каналу, міжвиткової ємності обмоток і ємності провідного каналу рівні при протилежних фазах, а втрати від проходження ємнісного зарядного струму через активний опір провідного каналу мізерно малі. Втрати на корону і витоку струмів можуть бути знижені за рахунок ізоляції провідного каналу. У цьому випадку активний струм і магнітне поле лінії дорівнюють нулю, а електричне поле лінії має максимальне значення.

Як і в звичайних ЛЕП, максимальна передана потужність обмежена зарядної потужністю лінії. Кут між векторами напруги на початку та в кінці лінії дорівнює нулю. Добротність ОЕС при частоті 5 кГц в 100 разів вище звичайних ЛЕП при частоті 50 Гц, що в умовах резонансу призводить до значного збільшення напруги і переданої потужності уздовж провідного каналу.

У звичайних ЛЕП напруга уздовж ЛЕП змінюється незначно, а кут між векторами напруг на початку і в кінці ЛЕП становить величину, пропорційну хвильової довжині лінії.

На основі проведених досліджень запропоновані методи і пристрої [12] для передачі електричної енергії по електроізольовані від землі пластиковим водоводах, іригаційним каналах, ізольованим трубопроводах для транспортування газу, нафти, гарячої та холодної води, оптоволоконному кабелю з провідної плівкою на поверхні, з вуглецевого композиційного кабелю , по електроізольовані ділянці земної та водної поверхні, включаючи ділянки шосе, для передачі енергії електрифікована стаціонарним і мобільним агрегатів.

Сформовано вимоги до електробезпеки і обмеження використання питної та гарячої води з трубопроводів, що знаходяться під електричною напругою. Ці вимоги і обмеження зводяться до заземлення ділянок трубопроводів, розташованих на відстані від генератора, що дорівнює цілому числу півхвиль, де напруга ОЕС дорівнює нулю. Для бічних відводів від головного трубопроводу заземляются ділянки трубопроводу, розташовані на відстані від трубопроводу, рівному непарному числу чвертей довжини хвилі. Для частоти 5 кГц одна четверта довжини хвилі дорівнює 15000 м.

Н. Тесла заземлюючих по одному висновку високовольтних обмоток трансформаторів Тесла на приймальному і передавальному кінці ОЕС і вважав це необхідною умовою для передачі енергії вздовж Землі. Результати наших досліджень показують, що наявність металевого замкнутого провідника і ліній струму в Землі від приймача до генератора не є обов'язковою умовою для передачі електричної енергії на низькій частоті 1-25 кГц.

При такій частоті вона може передаватися від генератора до приймача при наявності однопровідною направляючої системи по неметалічних проводить каналу, так само як електромагнітна енергія передається по лазерному променю або СВЧ-пучку, але з більш високим ККД через малі втрат на поглинання і випромінювання енергії.

При цьому один з висновків високовольтної обмотки у генератора енергії буде мати нульовий потенціал і залишатися вільним, а симетричний висновок високовольтної обмотки на приймальному кінці повинен приєднуватися до природної ємності 6 (Рис. А), яка може представляти корпус аеростата або рама трактора. У наших дослідах ми використовували сейф в якості природної ємності.

В іншому методі передачі до провідного каналу на стороні приймача використовувався діод-конденсаторний блок 8 відомої схеми подвоєння напруги (Рис. Б). На конденсаторі 8 електрична енергія через електронний ключ 9 передається на навантаження 7. В даному випадку повна довжина провідного каналу 4 і обмотки трансформатора Тесла 2 у генератора повинна дорівнювати непарному числу чвертей довжин хвиль. Проводить неметаллический канал, наприклад, оптико-волоконний або углепластіковий кабель може використовуватися для передачі електричної енергії не тільки уздовж Землі, а й перпендикулярно Землі, наприклад, на аеростат-ретранслятор, або куля-зонд.

Провідний канал ОЕС можна отримати також шляхом іонізації іонів повітря лазерним променем [13]. Неодимовий лазер з подвоєнням частоти з енергією в імпульсі один джоуль здатний створити концентрацію іонів в повітрі 10 в 15 см в -3степ., Достатню для ініціації стриммеров і передачі електричної енергії по проводить каналу. Потенціал іонізації, час життя іонів та збуджених станів молекул, коефіцієнт багатофотонного поглинання визначають граничну довжину провідного каналу в атмосфері 300 км і його хвильовий опір 200-400Ом. Необхідна напруга ОЕС становить від 0,5MB до 15MB в залежності від довжини каналу.

За межами атмосфери в якості провідного каналу нами запропоновано використовувати релятивістські пучки електронів високих енергій, які на відміну від лазерних пучків не володіють расходимостью. При цьому в якості природної ємності 6 може бути використана, наприклад, Місяць або штучне провідне тіло, на якому встановлений приймач енергії, а генератор енергії може бути на Землі або її супутнику. Дальність передачі електричної енергії визначається довжиною сформованого провідного каналу, а повна довжина провідного каналу з урахуванням довжини високовольтних обмоток двох трансформаторів Тесла на початку і в кінці повинна дорівнювати цілому числу півхвиль.

Електрична енергія, що передається по проводить каналу, в десятки і сотні тисяч разів може перевищувати енергію генераторів електронних і лазерних пучків, які грають роль спрямовуючої системи (проводів звичайних ЛЕП), уздовж яких відбувається передача електричної енергії.

Для передачі енергії з Космосу на Землю і назад запропоновано використовувати в якості провідних каналів зустрічні і пересічні електронні та лазерні пучки з провідними проміжними тілами, а на висотах, до 30 км композиційні углеродосодержащие і волоконно-оптичні кабелі. Для створення об'єднаної енергетичної системи Землі як проводить сферичного каналу запропоновано використовувати однопровідну енергетичну систему і проводять шари в іоносфері Землі [14].

Таким чином, для передачі електричної енергії при частоті 1-25 кГц і вище в резонансному режимі може використовуватися одно провідна канал з наступних неметалічних провідних середовищ: води, вологої землі, вуглепластика, окисних плівок, іонізованих повітряних каналів в атмосфері, створених лазерними променями, які проводять верств в іоносфері, а також пучків релятивістських електронів за межами атмосфери. Зазначені неметалеві провідні канали в резонансному режимі мають мізерно малі втрати на опорі в порівнянні з металевими провідниками, використовуваними у відомих нерезонансних методах передачі енергії за допомогою активних струмів провідності в замкнутому ланцюзі.

Електрична енергія в резонансному режимі може передаватися з малими втратами від генератора до приймача, уздовж однопровідного каналу з неметалічних провідних матеріалів на частоті 1-25 кГц і вище на будь-яку відстань і в будь-якому напрямку щодо Землі. Передана потужність обмежена, як і в звичайних ЛЕП, зарядної потужністю лінії і може досягати при великій напрузі в імпульсному і безперервному рішення величини від 10 Вт до 10 в 9 степ. Пн.

Автор статті: Стребков Д.С. Академік РосСельХозАакадеміі, Директор Всеросійського науково-дослідного інституту електрифікації сільського господарства, 109456, Москва, 1-й Вешневскій ін., 2, тел. 171-19-20, energy@viesh.msk.su

Література.

1. Калашников AM, Степуки Я.В. Основи радіотехніки і радіолокації. Коливальні системи. М: Міністерство оборони СРСР 1965, - С.127-158.
2. Alexandrov GN, Smolovic SV, Flexible lines for electric energy transmission over long distances. V Symposium "Electrical Engineering-2010", October 12-22, 1999, Moscow Region Р., 35-42.
3. Tesla N. Apparatus for transmission of electrical energy. US Pat № 349621, 15.05.1900.
4. Авраменко С.В. Спосіб харчування електротехнічних пристроїв і пристрій для його здійснення. Пат. РФ № 2I0649 від II.04.1995. Опубл. 10.04.1998. Бюлл. № 10.
5. Д.С.Стребков, С.В. Авраменко, А.І. Некрасов. Пристрій для електропостачання мобільного електричного агрегату. Пат. РФ № 2158206 від 15.04.1999. Опубл. 27.10.2000. Бюлл. № 30.
6. Д.С. Стребков, С.В. Авраменко, А.І. Некрасов. Спосіб харчування електротранспорту засобів і пристрій для його здійснення. Пат. РФ № 2136515 від 26.08.1998. Опубл. 10.09.1999. Бюл. № 25.
7. Д.С. Стребков, С.В. Авраменко, А.І. Некрасов. Однотроллейная система електропостачання мобільних електроагрегатів. Матер. межд. науково-техн. конф. по автоматизації з-х виробництва. Мінськ 6-8 червня 2000 року, - С. 65-66.
8. Д.С. Стребков, С.В. Авраменко, А.І. Некрасов. Дослідження однопровідною системи передачі електричної енергії. Міжн. конф. Екологія та с.-г. Техніка. - Санкт-Петербург, 2000., - С. 50-55.
9. DS Strebkov, SV Avramenko, AI Nekrasov Single-wire electric system for renewable-based electric grid. Third European Solar Congress "Eurosun 2000", June 19-22, 2000., Copenhagen, Denmark Р., 10.
10. DS Strebkov, SV Avramenko, AI Nekrasov. SWEPS - a novel electric power transmission technology. Planetary Association for Clean Energy Newsletter, 2001. - vol.11, - 3, -Р.7-11.
11. Тамм И.Е .. Основи теорії електрічества.- М. Наука, 1976. - С. 133, 397-400.
12. Стребков Д.С, Авраменко С.В., Некрасов А.І. Спосіб і пристрій для передачі електричної енергії. Пат.РФ №2172546 від 24.01.2000. Опубл. 20.08.2001. Бюлл. № 23.
13. Стребков Д.С., Авраменко С.В, Некрасов А.І. Спосіб і пристрій для передачі електричної енергії. Пат. PФ № 2143775 від 25.03.1999. Опубл. 27.12.1999. Бюлл. № 36.
14. Стребков Д.С., Авраменко С.В, Некрасов А.І. Спосіб і пристрій передачі електричної енергії. Пат. РФ № 2161850 від 14.07.1999. Опубл. 10.01.2001. Бюлл. № 1