Передача энергии на расстоянии: новозеландский стартап испытает передачу электричества без проводов на большие расстояния

новозеландский стартап испытает передачу электричества без проводов на большие расстояния

Более ста лет назад гениальный изобретатель Никола Тесла доказал, что электричество можно передавать на большие расстояния без проводов. В ходе опытов в Колорадо-Спрингс он зажёг лампочку с помощью электромагнитного поля на удалении свыше трёх километров. Но тогда дальше экспериментов дело не пошло. Зато сегодня эти идеи могут воплотиться в жизнь благодаря новозеландскому стартапу и инвестициям второго по величине в стране поставщика электроэнергии.

Как сообщают источники, новозеландская энергетическая компания Powerco решила инвестировать в проект местного стартапа Emrod. Проект Emrod предусматривает беспроводную передачу энергии между приёмником и передатчиком на расстоянии прямой видимости, а это, на самом деле, могут быть десятки километров.

В то же время дальность передачи для этого проекта — не главное. Беспроводная передача энергии может помочь в случае ремонта сетей или аварий, что позволит потребителю оставаться подключённым даже во время обесточивания линий, а также в местах, где проведение линий электропередачи осложнено, запрещено или невозможно.

Мобильный комплекс для передачи и приёма энергии без проводов (Emrod)

Компания Emrod разработала уникальный прототип приёмника и передающей станции. К октябрю будет готов ещё один прототип. На начальном этапе будут проведены лабораторные испытания, а затем начнутся и полевые. Сначала без проводов планируется передавать ток мощностью до 2 кВт. Затем объёмы передаваемой без проводов энергии будут многократно увеличены. Заявлено, что за счёт новых радиопоглощающих материалов КПД приёмной (выпрямляющей) антенны доведён до 100  %, а КПД передающей системы приближается к 70 %.

Пример размещения установок по беспроводной передаче энергии (Emrod)

Проводные линии передачи электричества также подвержены потерям ― примерно до 15  %. Но в случае ЛЭП добавляются расходы на инфраструктуру ― обслуживание, безопасность, ремонт и другое. Тем самым беспроводная передача энергии с помощью микроволнового излучения в ряде случаев может заменить проводную. За безопасность работы системы будут отвечать лазеры с датчиками пересечения, которые будут автоматически отключать передачу энергии при попадании в зону канала передачи птиц, дронов, вертолётов или чего-то ещё. Но в целом разработчики предполагают создавать достаточно широкие в пространстве каналы передачи, чтобы плотность передаваемой энергии была не выше плотности энергии солнечного излучения в жаркий полдень на экваторе.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Электричество без проводов — Энергетика и промышленность России — № 3 (31) март 2003 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 3 (31) март 2003 года

Биография американского изобретателя, серба по происхождению, Николы Теслы достаточно известна, и мы на ней останавливаться не будем. Но сразу уточним: прежде чем продемонстрировать свой уникальный эксперимент, Тесла, сначала в 1892 году в Лондоне, а через год в Филадельфии, в присутствии специалистов продемонстрировал возможность передачи электрической энергии по одному проводу, не используя при этом заземления второго полюса источника энергии. И тогда же у него возникла идея использовать в качестве этого единственного провода… Землю!

И в этом же году на съезде ассоциации электрического освещения в Сант-Льюисе он продемонстрировал электрические лампы, горящие без подводящих проводов, и работающий без подключения к электрической сети электромотор. Эту необычную экспозицию он прокомментировал следующим образом:

«Несколько слов об идее, постоянно занимающей мои мысли и касающейся всех нас. Я имею в виду передачу сигналов, а также и энергии на любое расстояние без проводов. Мы уже знаем, что электрические колебания могут передаваться по единственному проводнику. Почему же не воспользоваться для этой цели Землей? Если мы сможем установить период колебаний электрического заряда Земли при его возмущении, связанном с действием противоположно заряженной цепи, это будет фактом чрезвычайной важности, который послужит на благо всего человечества».

Увидя столь эффектную демонстрацию, такие известные олигархи, как Дж. Вестингауз и Дж. П. Морган, вложили в это перспективное дело свыше миллиона долларов, купив у Теслы его патенты (громадные, кстати, по тем временам деньги!). На эти средства в конце 90-х годов XIX века Тесла сооружает в Колорадо-Спрингс свою уникальную лабораторию.

Подробные сведения об экспериментах в лаборатории Теслы изложены в книге его биографа Джона О’Нейла «Электрический Прометей» (в нашей стране ее перевод был опубликован в журнале «Изобретатель и рационализатор» №4-11 за 1979 год). Приведем здесь лишь краткую выдержку из нее, чтобы не ссылаться на более поздние перепечатки:

«В Колорадо-Спрингс Тесла провел первые испытания беспроводной передачи электроэнергии. Он смог питать током, извлекаемым из Земли во время работы гигантского вибратора, 200 электрических лампочек накаливания, расположенных на расстоянии 42 километров от его лаборатории. Мощность каждой составляла 50 ватт, так что суммарный расход энергии составлял 10 кВт, или 13 л.с. Тесла был убежден, что с помощью более мощного вибратора он смог бы зажечь дюжину электрических гирлянд по 200 лампочек в каждой, разбросанных по всему земному шару».

Самого же Теслу настолько вдохновили успехи этих экспериментов, что он заявил в широкой печати, что намерен осветить Всемирную промышленную выставку в Париже, которую предполагалось провести в 1903 году, энергией электростанции, расположенной на Ниагарском водопаде и переданной в Париж без проводов.

Известно по многочисленным фотографиям и описаниям очевидцев и помощников изобретателя, что представлял собой генератор энергии, передаваемой на 42 километра без проводов (правда, это чисто журналистский термин: один провод, в качестве которого выступала Земля, в этой цепи присутствует, и об этом прямо говорят и сам Тесла, и его биограф).

То, что Тесла называл вибратором, было гигантским трансформатором его системы, имевшим первичную обмотку из нескольких витков толстого провода, намотанных на ограде диаметром 25 метров, и размещенную внутри нее многовитковую однослойную вторичную обмотку на цилиндре из диэлектрика. Первичная обмотка вместе с конденсатором, индукционной катушкой и искровым промежутком образовывала колебательный контур-преобразователь частоты.

Над трансформатором, располагавшимся в центре лаборатории, возвышалась деревянная башня высотой 60 метров, увенчанная большим медным шаром. Один конец вторичной обмотки трансформатора соединялся с этим шаром, другой — заземлялся. Все устройство питалось от отдельной динамо-машины мощностью 300 л.с. В нем возбуждались электромагнитные колебания частотой 150 килогерц (длина волны 2000 метров). Рабочее напряжение в высоковольтной цепи составляло 30 000 В, а резонирующий потенциал шара достигал 100 000 000 В, порождая искусственные молнии длиной в десятки метров!

Вот как объясняет работу вибратора Теслы его биограф:

«В сущности, Тесла «накачивал» в Землю и извлекал оттуда поток электронов. Частота накачки составляла 150 кГц. Распространяясь концентрическими кругами все дальше от Колорадо-Спрингс, электрические волны сходились затем в диаметрально противоположной точке Земли. Там вздымались и опадали волны большой амплитуды в унисон с поднятыми в Колорадо. Опадая, такая волна посылала электрическое эхо обратно в Колорадо, где электрический вибратор усиливал волну, и она мчалась обратно.

Если привести всю Землю в состояние электрической вибрации, то в каждой точке ее поверхности мы будем обеспечены энергией. Ее можно будет улавливать из мечущихся между электрическими полюсами волн простыми устройствами наподобие колебательных контуров в радиоприемниках, только заземленными и снабженными небольшими антеннами высотой с сельский коттедж. Эта энергия будет обогревать дома и освещать их с помощью трубчатых ламп Теслы, не требующих проводов. Для электромоторов переменного тока понадобились бы только преобразователи частоты». Сведения об экспериментах Теслы по передаче электроэнергии без проводов вдохновили и других исследователей на работы в этой области. Сообщения об аналогичных экспериментах часто появлялись в печати в начале прошлого века. Стоит привести в связи с этим выдержку из статьи A.M. Горького «Беседы о ремесле», опубликованной в 1930 году:

«В текущем году Маркони передал по воздуху электроток из Генуи в Австралию и зажег там электрические лампы на выставке в Сиднее. Это же было сделано 27 лет тому назад у нас, в России, литератором и ученым М.М. Филипповым, который несколько лет работал над передачей электротока по воздуху и в конце концов зажег из Петербурга люстру в Царском Селе (то есть на расстоянии 27 километров. -В.П.). Тогда на этот факт не было обращено должного внимания, но Филиппова через несколько дней нашли мертвым в своей квартире, а аппараты и бумаги его конфисковала полиция».

Эксперименты Теслы произвели большое впечатление и на другого литератора — Алексея Толстого, бывшего инженером по образованию. А когда Тесла, а затем и Маркони сообщили в печати, что их аппараты принимают странные сигналы внеземного, по-видимому, марсианского происхождения, это вдохновило писателя на написание фантастического романа «Аэлита». В романе марсиане пользуются изобретением Теслы и без проводов передают энергию от расположенных на полюсах Марса электростанций в любую точку планеты. Эта энергия приводит в действие двигатели летающих судов и другие механизмы.

Однако построить свою «мировую систему» для обеспечения электроэнергией населения земного шара без использования проводов Тесле не удалось. Как только в 1900 году он начал возводить на острове Лонг-Айленд под Нью-Йорком научно-исследовательскую лабораторию-городок на 2000 сотрудников и громадную металлическую башню с гигантской медной тарелкой на верхушке, сспохватились и «проводные» электрические олигархи: ведь повсеместное внедрение системы Теслы грозило им разорением. На миллиардера Дж.П. Моргана, финансировавшего строительство, последовал жестокий нажим, в том числе и от подкупленных конкурентами правительственных чиновников.

Начались перебои с поставками оборудования, строительство застопорилось, а когда Морган под этим нажимом прекратил финансирование, и вовсе прекратилось. В начале Первой мировой войны, по наущению тех же конкурентов, правительство США распорядилось взорвать уже готовую башню под надуманным предлогом, что ее могут использовать в целях шпионажа. Ну а затем электротехника пошла привычным путем.

Долгое время никто не мог повторить эксперименты Теслы хотя бы потому, что потребовалось бы создать аналогичную по размерам и мощности установку. Но в том, что Тесле удалось найти способ передачи электрической энергии на расстояние без проводов, более ста лет назад никто не сомневался. Авторитет Теслы, имевшего рейтинг второго после Эдисона изобретателя, во всем мире был достаточно высок, а его вклад в развитие электротехники переменного тока (в пику Эдисону, ратовавшему за постоянный ток) несомненен. При его экспериментах присутствовало много специалистов, не считая прессы, и никто никогда не пытался уличить его в каких-либо фокусах или подтасовке фактов. О высоком авторитете Теслы свидетельствует и название его именем единицы напряженности магнитного поля.

Вот только вывод Теслы о том, что во время эксперимента в Колорадо-Спрингс энергия была передана на расстояние 42 километра с к.п.д., равным около 90%, слишком оптимистичен. Напомним, что общая мощность зажженных на расстоянии ламп составляла 10 кВт, или 13 л.с., в то время как мощность динамо-машины, питавшей вибратор, достигала 300 л.с. То есть можно говорить о к.п.д. всего лишь порядка 4-5%, хотя и эта цифра поразительна.

Физическое обоснование экспериментов Теслы по беспроводной передаче электроэнергии до сих пор волнует многих специалистов. Одним из них было высказано интересное предположение, что своеобразным аккумулятором энергии, возвращавшим в Землю извлеченный из нее заряд, было громадное, сильно ионизированное облако, возникающее вокруг шара на верхушке мачты установки Теслы, с которого во время ее работы били громадные искусственные молнии. Иначе говоря, был создан своеобразный пульсирующий насос, периодически менявший заряд всей Земли (кстати, не такой уж большой). Желающим подсчитать емкость Земли как конденсатора напомним, что емкость шара численно равна его радиусу в сантиметрах, а «сантиметр» емкости условно равен одной пикофараде.

И лишь спустя сто лет после знаменитой демонстрации Теслы появились сведения о первых попытках воспроизвести их на современном оборудовании. Причем пришлось начать сначала — с эксперимента Теслы по передаче электроэнергии по одному проводу. Эксперименты проводились в июле 1990 года в лаборатории Московского энергетического института. В присутствии комиссии из специалистов их проводил инженер С. Авраменко. Источником энергии был модифицированный трансформатор Теслы, к одной из клемм которого подключалась линия длиной около трех метров (опыт был лабораторный). В усложненном варианте опыта линия представляла собой тончайшую вольфрамовую проволоку диаметром 15 микрон и с громадным сопротивлением. Но по ней удалось передать мощность в 1,3 кВт для гирлянды электрических лампочек, а провод при этом оставался холодным, словно он приобрел свойства сверхпроводника.

В более раннем эксперименте 1989 года на опыты Авраменко приехали посмотреть заместитель министра энергетики и начальники главков. Удивлялись и разводили руками точно так же, как и присутствовавшие сто лет назад на демонстрации Теслы в Лондоне тамошние специалисты. Ну а к 1991 году Авраменко увеличил длину линии передачи электроэнергии по одному проводу до 160 метров.

Кстати, характерна в этом отношении история электромобилей, появившихся более ста лет назад и еще тогда по своим параметрам успешно конкурировавших с автомобилями. С современными аккумуляторами они могут успешно соревноваться с ними и сейчас, но автомобильные олигархи делают все, чтобы не выпустить этого, по всем статьям опережающего автомобиль конкурента на мировой рынок.

Передача электрической энергии на расстояние — урок. Физика, 9 класс.

Электрическая энергия имеет неоспоримые преимущества перед другими видами энергии.

• Во-первых, её легко преобразовать в другие виды энергии: вспомни работу электродвигателя, нагревательных приборов, электрическое освещение и многое другое.
• Во-вторых, это экологически чистый вид энергии: при её преобразовании в другие виды окружающая среда не загрязняется.
• В-третьих, электрическую энергию легко передать на любые расстояния.

Как известно, электроэнергию вырабатывают на электростанциях и передают потребителям на большие расстояния с помощью линий электропередачи (ЛЭП). Но при передаче электрической энергии по проводам  часть энергии тратится на нагревание проводов линий электропередачи.

 

Теплота \(Q\), выделяемая током в проводнике, определяется по формуле закона Джоуля — Ленца: Q=I2Rt.

Очевидно, чтобы уменьшить потери тепловой энергии в проводах, нужно либо уменьшать силу тока, либо уменьшать сопротивление.

Сопротивление проводника вычисляется по формуле: R=ρlS.

Объединив эти формулы, получим следующее выражение: Q=I2ρlSt.

Чтобы уменьшить сопротивление линии, используют провода, изготовленные из материала с малым удельным сопротивлением (обычно медь или алюминий), и увеличивают их поперечное сечение. Однако этот путь малоэффективен — провода должны иметь малую массу.  Поэтому возможности в решении проблем потерь электроэнергии при передаче её на большие расстояния за счёт свойств проводов весьма ограничены.

 

Обрати внимание!

Для уменьшения силы тока при сохранении мощности (\(P = IU\)) повышают напряжение, т. е. ток трансформируют.

Для этого на территории электростанции устанавливают повышающие трансформаторы. Переданная по ЛЭП электрическая энергия из-за её высокого напряжения не может быть непосредственно использована потребителями, поэтому её напряжение на местах потребления трансформируется до напряжения, на которое рассчитаны потребители.

Передача электроэнергии на большие расстояния

 

Передача новостей на большие расстояния всего пару сотен лет назад казалась чем-то из области фантастики. Время почтовых голубей, издревле использовавшихся римлянами, персами, и египтянами, прошло после изобретения телеграфной связи. С уверенностью можно сказать, что с передачей энергии на большие дистанции в те же периоды истории дела обстояли гораздо хуже. Проводники с высоким сопротивлением, низкое напряжение, серьезная коммерческая борьба за использование постоянного тока – лишь некоторые из факторов, тормозивших развитие электрических систем и сетей.

Ни для кого не секрет, что энергетику можно назвать достаточно консервативной отраслью. Если сравнивать скорость развития тепло- и электроэнергетики с прогрессом в информационных технологиях за одинаковые периоды времени, то разница чувствуется особенно резко. Окружающие нас сенсорные дисплеи с ультравысоким разрешением, искусственный интеллект, повсеместный и универсальный доступ к сети Интернет заметно развились с начала этого столетия. Однако опоры линий электропередачи (ЛЭП) до сих пор несут на себе тысячи километров сталеалюминиевыех проводов, перегрузки предотвращаются автоматическими выключателями, не сильно изменившимися за последние 70 лет. Суперпроводники, работающие при комнатной температуре, так и остались артефактами на страницах научных журналов и научно-популярной литературы. Чем же вызвана кажущаяся неповоротливость энергетики? Какие факторы на это влияют? И как вообще происходит передача электроэнергии на большие расстояния? Обо всем по порядку.

Как отмечалось выше, исторически сложилось, что изначально сторонников передачи электричества с использованием постоянного тока было больше. Такой перевес не был обусловлен точными расчетами, имела место пропаганда в СМИ и реклама. Почему же сейчас в контексте передачи электроэнергии мы слышим лишь о переменном токе?

Все начинается с электростанций. И для производителей, и для потребителей электроэнергии экономически выгодно иметь один централизованной источник энергии, а не множество разрозненных. От таких центров питания финансово целесообразно прокладывать ЛЭП к потребителям. Как известно, мощность (а в каждый момент времени по проводам передается именно мощность) равна произведению напряжения на ток. Для получения одной и той же мощности можно либо увеличить ток и снизить напряжение, либо сделать наоборот.

Случай с низким напряжением и высоким током очень неэффективный, при такой стратегии потери электроэнергии на длинных ЛЭП могут составлять 60 и более процентов. Случай с высоким напряжением и низким током гораздо более выгодный. При использовании постоянного тока увеличение уровня напряжения составляет серьезную проблему, а вот с переменным этого добиться очень просто. Трансформаторы – это электрические машины, преобразующие электрическую мощность с низкого напряжения в мощность с высоким напряжением. Чем длиннее ЛЭП, тем под более высоким напряжением находятся ее провода. Кроме того, бесчисленное количество заводов и предприятий используют электродвигатели. Двигатели постоянного тока в сравнении с двигателями переменного тока безусловно проигрывают: их КПД ниже, в них больше трущихся частей, их конструкция сложнее. Поэтому большинство электродвигателей в мире – это двигатели переменного тока.

Теперь, зная ответ на вопрос, почему победа осталась за переменным током, можно взглянуть на энергосистему с большей высоты. Различные электростанции в разных уголках планеты производят электричество. Говоря упрощенно, от электрогенераторов на станциях провода тянутся к трансформаторной подстанции (ТП), повышающей напряжение до 35, 110, 330, или 750 кВ. Провода на опорах оттуда тянутся к потребителям – в города и на заводы, где напряжение снова понижается на понижающих ТП до уровня, необходимого потребителю. Это напряжения в 0.4, 1, 10 кВ. Точка, в которой соединяются две и более ЛЭП, называется электрической подстанцией. Таким образом различные электростанции одной страны связываются в одну энергосистему, а энергосистемы разных стран – в объединенную энергосистему.

Трансформатор на подстанции

Передача энергии на большие расстояния – это всегда вопрос компромисса. Что выгоднее: строить новую электростанцию или прокладывать ЛЭП от существующих станций на огромное расстояние? Например, суммарная протяженность ЛЭП в Беларуси на начало 2019 года составляла почти 280 000 км. Где и как строить линию электропередачи? При монтаже опор огромное значение играет рельеф местности и характер грунта, а также наличие населенных пунктов, дорог и деревьев.

От потребляемой мощности зависит напряжение сети. От мощности, напряжения, и, как ни странно, погоды зависит выбор проводов, изоляторов и опор. При строительстве энергоемких предприятий надо решить: питаться от существующей подстанции или монтировать ТП в цеху? В целом при строительстве объектов решается вопрос о категории электроснабжения, то есть нужно ли прокладывать резервные линии и если да, то сколько? Отдельный и сложный вопрос представляет собой устойчивость энергосистемы, то есть ее способность функционировать, когда пропадает питание от электростанций или ЛЭП вследствие запланированного ремонта или аварии.  

Ротор турбогенератора

На данный момент принимается множество решений для модернизации энергосистем, например, привычные провода заменяют на алюминиевые с композитным тросом вместо стального. Это уменьшает провис проводов, увеличивает безопасную зону вокруг ЛЭП и их надежность. В целом же человечество еще не вышло на революционно новые методы производства и передачи электроэнергии.

Пожалуй, можно сказать, что в современном мире электроэнергетика находится на третьем месте после воздуха и воды. Миллионы километров проводов и кабелей смонтированы, огромные генераторы (диаметром до 16 метров) прочно закреплены на земной поверхности, это и объясняет вынужденную неповоротливость и стратегическую важность высоковольтной электроэнергетики.

Для обслуживания и проверки ЛЭП и электрических сетей существуют лаборатории электрофизических измерений. К таким, например, относится компания «ТМРсила-М», имеющая многолетний опыт работы в энергетике и сформированная из опытных специалистов.

 

Беспроводной способ передачи электроэнергии. Новейший кейс применения разработки компании Emrod

Пока страны думают, как снизить объемы выбросов CO2 в атмосферу, увеличивая долю ВИЭ и атомной энергии, а десятки компаний ищут идеальный накопитель электроэнергии, новозеландский стартап Emrod презентовал способ беспроводной передачи электроэнергии.

1480 просмотров

Фото с официального сайта компании Emrod

Предприниматель Грег Кушнир задумался о дешевом и надежном способе электроснабжения в обход тяжеловесной инфраструктуры электрических сетей. В ходе исследований изучил работу НАСА и Японского космического агентства, которые планировали собирать солнечную энергию с помощью спутников и транслировать на Землю. Кушнир понял, что способ бесконтактной передачи электроэнергии на расстояния существует. Единичные исследования в этой области натыкались на проблему потерь большей части энергии и прекращались.

Ученый Рэй Симпкин из Callaghan Innovation по заказу Кушнира и при финансовой поддержке государства разработал прототип устройства беспроводной передачи электроэнергии.

Устройство беспроводной передачи энергии. Из чего состоит и как работает

Устройство представляет собой выполненные из метаматериалов передающую, принимающую антенны и реле между ними. Электрическая энергия в установке, проходя через передающую антенну, преобразуется в электромагнитные волны, направляется в ретранслирующие экраны, попадает в ректенну и трансформируется обратно в электроэнергию. Дальность действия устройства ограничивается видимостью.

Фото с официального сайта компании Emrod

Потеря энергии при передаче на прототипе составляет 30%. Причем эффективность принимающей антенны из радиопоглощающих метаматериалов стремится к 100%.

Прототип разработки с октября тестируется компанией Powerco — вторым по величине поставщиком электроэнергии в Новой Зеландии. Аппарат передает ток мощностью всего 2 кВт, но создатели уверяют, что мощность, как и дальность, легко нарастить.

Для передачи энергии Emrod задействует неионизирующий промышленный, научный и медицинский диапазон частот (ISM). Существуют международные правила безопасности по использованию такой частоты и долгая история применения среди людей без ущерба здоровью.

Представители Emrod утверждают, что установка не угрожает птицам и дронам, оказавшимся на пути электромагнитных волн. Сети лазерных лучей окружают электрический путь, и, если в их периметр попадает объект, передача энергии прерывается, что не сказывается на бесперебойности электроснабжения. Снег, дождь, град, взвеси пыли не приводят к отключению устройства.

Планы компании Emrod

Разработчики не планируют вытеснять привычные электрические сети, а предлагают использовать устройство в труднодоступных районах или для быстрого возобновления электроснабжения на аварийных участках сети с помощью машин с антеннами.

Кроме того, установка таких аппаратов позволит передавать энергию станций ВИЭ в регионы с неподходящим для выработки «зеленой энергии» климатом.

15 октября компания написала на официальном сайте о возможном кейсе применения своей разработки для электроснабжении острова Стьюарт. Он расположен в 30 км от Южного острова в Новой Зеландии. 85% территории, а это 1300 квадратных километров, занимает Национальный парк Ракиура. Стьюарт почти полностью покрыт лесом, на острове живут 5 видов пингвинов, коричневая птица киви, редкий вид попугая Нестор-кака.

Фото с официального сайта компании Emrod

У национального парка с сохраненной экосистемой есть скелет в шкафу, не гармонирующий с имиджем парка. Потребности в электроэнергии острова покрываются дизельной генерацией и использованием сжиженного нефтяного газа, а годовые выбросы СО2 составляют 820 тонн. Кроме того, стоимость электроэнергии за кВт-ч на полдоллара дороже, чем на территории Новой Зеландии, питающейся от национальных электрических сетей. Люди экономят слишком дорогую энергию, поэтому потребление на человека на острове Стьюарт составляет меньше половины среднего потребления по стране.

Решением проблемы дорогостоящего и неэкологичного энергоснабжения могла бы стать прокладка подводного кабеля или использование энергии солнца и ветра на острове. Однако первый вариант требует огромных затрат, а ВИЭ не покроют потребностей в электроэнергии из-за недостаточной выработки в силу климата. Более того, установки для ВИЭ могут негативно влиять на экосистему. Солнечные панели закроют собой огромную площадь национального парка, а ветряная электростанция создаст вибрацию, к которой чувствительны птицы.

Emrod предлагает передавать энергию бесконтактно от ВИЭ с Южного острова. Компания подсчитала, что беспроводная передача электроэнергии за счет экономии на инфраструктуре снизит тариф для жителей Стьюарта с 0.6$ за кВт-ч до 0,46$ за кВт-ч. Это самый бюджетный вариант за аналогичную мощность.

Если разработка Emrod докажет жизнеспособность, то станет яркой иллюстрацией прорывных технологий, когда вдруг появляется стартап и кардинально меняет отрасль, устанавливая новые недорогие способы передачи электроэнергии.

Алексей Голиков

Создана технология беспроводной передачи энергии на большие расстояния

Новости

5 августа 2020, 10:50

Создана технология беспроводной передачи энергии на большие расстояния

Первую в мире функциональную систему беспроводной передачи энергии на большие расстояния разработали в Новой Зеландии. Уже сейчас прототип способен работать в любых погодных условиях, направляя энергию между двумя антеннами, разделенными расстоянием в несколько километров. Полевые испытания технологии, повторяющей эксперименты Николы Теслы, начнутся осенью.

Мечта о беспроводной передаче энергии далеко не нова — еще Никола Тесла когда-то доказал, что можно зажигать лампочки с помощь катушки, находящейся в паре километров от них. Правда, при этом он сжег динамо-машину на местной электростанции и погрузил весь Колорадо-Спрингс во тьму. Тесла мечтал построить повсюду вышки, которые обеспечивали бы всех беспроводной энергией. Но инвестор Джон П. Морган зарубил идею на корню одним вопросом: «А куда прикажете поставить счетчик?»

Прошло 120 лет и вот новозеландская компания Emrod убедила второго по величине поставщика энергии в стране концерн Powerco дать беспроводному электричеству шанс. Powerco поверила в технологию передачи энергии и вложила средства в Emrod.

Система состоит из передающей антенны, наборов реле и принимающей ректенны (антенны со встроенным выпрямителем, преобразующем микроволновую энергию в электричество). Для передачи используется безопасный радиодиапазон ISM, зарезервированный для промышленных, научных и медицинских целей.

В отличие от мечты Теслы, энергия передается напрямую между двумя антеннами, а лазерная система безопасности, защищающая периметр луча, тут же отключает его, если периметр пересекает птица, дрон или вертолет. Проблем с размещением счетчиков тоже быть не должно.

Система работает при любых погодных условиях — дождь, туман или пыль ей не помеха. Дистанция передачи ограничена только прямой видимостью, то есть в потенциале может быть сотни километров, а установка и эксплуатация не требуют серьезных вложений.

Пока у инженеров Emrod есть только работающий прототип, но к октябрю они планируют завершить создание устройства для инвестора и начать полевые испытания. Первые устройства будут работать с мощностью в несколько киловатт. Прототип способен передавать энергию на несколько километров, но его легко можно масштабировать. «Мы можем использовать точно такую же технологию для передачи в 100 раз больше энергии на много большее расстояние», — пообещал основатель Emrod Грег Кушнир.

Если полевые испытания технологии пройдут успешно, она сможет преобразить энергосети по всему миру. «Мы планируем использовать эту технологию для доставки электричества в отдаленные места или через районы с труднопроходимой местностью. Она также может быть использована для сохранения энергоподачи клиентам в случаях, когда мы проводим техническое обслуживание нашей существующей инфраструктуры», — рассказал о планах инженер по трансформации сети Powerco Николас Вессио.

Беспроводная передача энергии может стать ключевой технологией и для возобновляемой энергетики, которая, как правило, генерирует энергию далеко не там, где она необходима. А мощность существующих энергосетей не позволяет перебрасывать большие объемы такой энергии достаточно далеко от места генерации. Из-за этого, например, Германия, теряет часть оффшорной выработки ветропарков, так как в пиках не может перенаправить ее с севера в южные земли — не хватает ресурсов энергосети.

Ранее ЭлектроВести писали, что одной из миссий выведенного на орбиту беспилотного космоплана ВВС США X-37B будет проверка идеи физика Джерарда О’Нила о возможности передачи концентрированной солнечной энергии из космоса на Землю. Эксперимент может сыграть революционную роль в будущем всей энергетики, если окажется, что такая передача возможна и она эффективна. Добывать энергию Солнца в космосе проще, чем на Земле, и возможность ее «приземления» откроет гигантские перспективы перед новым видом ВИЭ.

Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber

Прощайте, провода! |

Будущее без проводов становится реальностью. В июне 2007 г. группа ученых под руководством профессора Марина Солячича из Массачусетского института (MIT) провела эксперимент по беспроводной передачи электрической энергии с эффективностью 45%. Ученые обещают: очень скоро для зарядки мобильных телефонов, плееров, ноутбуков и прочих переносных устройств, нуждающихся в постоянной подпитке электроэнергией, не нужно будет никаких проводов.

О том, что хорошо бы было подпитывать всевозможные приборы электроэнергией без путающихся под ногами проводов, ученые задумываются уже очень давно. Как минимум 100 лет. Именно столько времени прошло с того момента, когда данной проблемой заинтересовался гениальный американский ученый и изобретатель Никола Тесла.

ДОРОГА В БУДУЩЕЕ

          Сведений о работах Теслы в сфере беспроводной передачи энергии сохранилось очень мало. По отрывочным сведениям, дошедшим до нас, ему действительно удалось добиться в этой области выдающихся результатов.В 1899 г. в Колорадо-Спрингс он публично продемонстрировал лампы и двигатели, работающие на высокочастотном токе без проводов. Для фантастического эксперимента была построена башня высотой несколько десятков метров, которую венчала “луковка” разрядника – большая медная полусфера. При включении установки возникли искровые разряды длиной до 40 м, сопровождавшиеся громовыми раскатами, которые были слышны за 15 миль. Вокруг башни пылал огромный световой шар. За 25 миль от нее под аплодисменты наблюдателей разом загорелись 200 электрических лампочек. Электрический заряд был передан без всяких проводов!

Опыт в Колорадо-Спрингс весьма сильно впечатлил Джона Пирпонта Моргана, одного из самых богатых людей Америки. По его приглашению Тесла переехал в Нью-Йорк для работы над грандиозным проектом Wardenclyffe – созданием Всемирного центра беспроводной передачи энергии. На Лонг-Айленде строится башня высотой 57 м со стальной шахтой, углубленной в землю на 36 м. Верх башни венчает 55-тонный металлический купол диаметром 20 м. Пробный пуск невиданного сооружения состоялся в 1905 году и произвел потрясающий эффект. Как писали газеты, «Тесла зажег небо над океаном на тысячи миль».

Дальше – больше. Согласно одной из “экзотических” версий, тунгусские события 1908 года были вызваны испытанием энергетического оружия, совершенно случайно созданного Николой Теслой. И действительно, в 1907-1908 гг. Тесла уже писал о разрушительном воздействии своего передатчика энергии. В 1915 г. он прямо заявлял: «Безусловна практическая передача электрической энергии без проводов и производство разрушительного воздействия на расстоянии. Я уже конструировал беспроволочный передатчик, который делает это возможным. Опыты продвинулись так далеко, что воздействия большой разрушительной силы могут быть произведены в любую точку на земном шаре, определенную заранее, с большой точностью».

Очевидно, сам Тесла считал проблему беспроводной передачи энергии решенной. В мае 1917 г., выступая на заседании Американского института инженеров-электриков по случаю получения награды имени Томаса Эдисона, он сказал: «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. Эффективность передачи может составлять 96 или 97%, и практически нет потерь, кроме тех, которые неизбежны для работы машины».

Однако как он это делал, остается загадкой. Никаких записей об уникальных экспериментах не сохранялось. После смерти Николы Теслы повторить их не удалось. О передаче энергии без проводов просто забыли на долгие-долгие годы.

 

НОВЫЕ СТАРЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.

 

Для профессора Марина Солячича все началось с мобильного телефона, а точнее, с его неисправной батареи, постоянно нуждавшейся в подзарядке. Именно эта надоевшая проблема заставила ученого подумать о способе передачи электроэнергии без проводов. «Раньше просто не было необходимой мотивации, – охотно делится ученый. – Это только в последние годы появилась масса всевозможных портативных устройств, получающих питание от батарей и часто нуждающихся в подзарядке». Тут-то профессору Солячину и пришло в голову, что выходом может стать беспроводная передача электроэнергии.

В принципе идея эта не нова. Однако до сих пор все попытки передать электроэнергию на расстояние, без какого бы то ни было носителя, проваливались из-за низкого КПД. Большая часть передаваемой электроэнергии просто рассеивалась в окружающей среде, до конечного потребителя доходили жалкие крохи. Правда, предпринимались попытки передачи электроэнергии при помощи направленного лазерного луча. Однако в этом случае между источником энергии и приемником не должно было быть никаких физических препятствий, что, понятно, не всегда осуществимо. Профессору Солячичу удалось справиться с проблемой рассеивания электроэнергии. В основе разработанной им технологии WiTricity лежит явление электромагнитного резонанса. По мысли Солячича, для эффективной передачи энергии на расстояние необходимо заставить передатчик и приемник резонировать с одинаковой частотой.

Теоретические выкладки профессора, которые были опубликованы ещё в прошлом году, блестяще реализовали инженеры из Массачусетского технологического института (MIT). В ходе эксперимента, проведенного в июне 2007 г., им удалось заставить светиться 60-ваттную лампу накаливания, находящуюся на расстоянии более 2 м от источника энергии.

Экспериментальное устройство состояло из двух медных катушек диаметром 60 см, передатчика, подключенного к источнику энергии, и приемник с подсоединенной к нему лампой накаливания. Контуры приемника и передатчика были настроены на частоту 10 МГц. В результате воздействия электромагнитного излучения передатчика на приемник в контуре последнего возникал электрический ток, и лампа начинала светиться. Она продолжала гореть, даже когда между катушками находились деревянные или металлические предметы, а также электронные устройства. И хотя потери энергии все еще велики, приемник получает только 40-45% электроэнергии, результаты впечатляют.

Сам Марин Солячич утверждает, что технология не представляет опасности ни для людей, ни для животных. Воздействие такого «зарядника» не влияет на работоспособность кредитных карт, мобильных телефонов и других электронных устройств, чувствительных к электромагнитному полю. Профессор Солячич надеется, что в самом ближайшем будущем технология WiTricity получит самое широкое распространение, а, значит, всевозможные портативные устройства можно будет подзаряжать автоматически, без подключения к сети.

Впрочем, прежде профессору Солячичу и его коллегам из MIT предстоит существенно доработать свое изобретение. Повысить коэффициент эффективности передачи, чтобы большая часть энергии доходила до приемника. Уменьшить размеры прототипа и увеличить расстояние, на которое передается электроэнергия. В ближайшем будущем группа из MIT планирует перевести эксперимент в практическую плоскость – «запитать» от своей системы ноутбук или робот-пылесос.

Впрочем, надо сказать, что профессор Солячич не одинок. Над беспроводной технологией передачи электроэнергии работают и другие изобретатели. Так, Кит Крессин, вице-президент по маркетингу американской компании Powercast, заявил, что устройства, использующие беспроводную передачу энергии, могут появиться уже в следующем году. Разработанная в компании технология передачи энергии по радиоволнам уже прошла сертификацию. В отличие от конкурентных разработок она значительно эффективнее – способна передавать до 70% вырабатываемой энергии (традиционные системы радиопередачи энергии транслируют лишь 10%). К тому же технология позволит многим устройствам обходиться вообще без аккумуляторов, «запитываясь» непосредственно от передатчика.

 

Другая Энергия

        Максимум через 25 лет на Земле закончатся нефть и газ, и человечество столкнется с глобальным энергетическим кризисом. Пути выхода из него до конца неясны. Впрочем, директор Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства, академик РАСХН, доктор технических наук Дмитрий Стребков смотрит в будущее с оптимизмом. По его мнению, спасение придет откуда не ждали. Надо только хорошенько покопаться в архивах, вспомнить, чем же занимались ученые сто лет тому назад, и сделать ставку на… электричество.

(Интервью брала корреспондент журнала “Мир новостей” Наталия Калинина)

            – Дмитрий Семенович, чтобы обеспечить устойчивое развитие в будущем, человечеству необходимы новые энергетические технологии. Какими, по вашему мнению, они будут?

           – Эпоха дешевой энергии закончилась. Новые энергетические технологии не будут использовать ископаемое топливо, будущее – за солнечной энергией. Глобальная энергетическая система, состоящая из трех солнечных электростанций в Австралии, Африке и Северной Америке, сможет в течение миллионов лет круглосуточно обеспечивать электроэнергией, водородным топливом и теплом все районы Земли. Электростанции же, работающие на ископаемом топливе, можно будет смело переводить в разряд резервных. Уже сейчас максимальный КПД солнечных элементов, разрабатываемых в лабораториях, равен 40%, а практический срок их службы составляет 50 лет. Есть, правда, “маленькая” сложность. Для функционирования глобальной солнечной энергосистемы необходимо организовать трансконтинентальные тераваттные потоки электрической энергии к потребителю. Только в этом случае человечество сможет объединить и сконцентрировать свои энергетические ресурсы и технологии для создания достойных условий жизни для каждого конкретного человека, а также для реализации крупных научно-технических проектов на Земле и в космосе.

 

– В июне 2007 г. Ваши коллеги из Массачусетского технологического института (США) апробировали технологию WiTricity, сделавшую передачу энергии без проводов реальностью. Возможно, именно она будет положена в основу глобальной энергетической системы?

 

– Не думаю. Во-первых, у данной системы очень низкий КПД (40-45%). Во-вторых, она просто небезопасна для здоровья человека. Американцы передают электроэнергию на частоте 10 МГц, что “соответствует СВЧ-полям. Вам хочется, чтобы ваша комната превратилась в СВЧ-печь? Пионер беспроводной передачи энергии Никола Тесла, к слову сказать, умел передавать электроэнергию на частоте 1-200 кГц и с гораздо лучшими результатами (потери составляли всего 3-4%). Он вообще был гениальным ученым, предвидевшим направления, в которых будут развиваться электротехника и энергетика на сотни лет вперед. Достаточно сказать, что Никола Тесла удалось получить напряжение в 50 млн вольт простыми аппаратными средствами. Еще в начале XX в. он передавал электрическую энергию на десятки километров, используя в качестве проводящей среды Землю. Именно он изобрел асинхронный электродвигатель, многофазный ток и многое другое. Однако гениальность Теслы сыграла с его современниками дурную шутку. Большинство просто не понимало, что же написано в его трудах. К счастью, наука не стоит на месте. В настоящее время мы практически в полном объеме можем воспроизвести эксперименты Теслы по передаче энергии на большие расстояния с использованием однопроводниковых линий и проводящих сред, развить и усовершенствовать предложенную им резонансную технологию.

 

– И все-таки, согласитесь, есть здесь нечто странное. Патент на аппарат для передачи электроэнергии беспроводным методом был получен Николой Теслой ещё в 1914 г. Даже не понимая принципа его действия, можно было попытаться внедрить его в реальную жизнь?

– Проект Wardenclyffe, в котором Никола Тесла работал до конца своих дней, изначально задумывался как коммерческий. Предполагалось, что в Нью-Йорке будет создан всемирный центр беспроводной передачи энергии. Однако все работы в этом направлении были очень быстро свернуты, когда стало понятно, какую опасность представляют генераторы Теслы. Я даже не говорю об энергетическом оружии, которое он якобы создал, это неподтвержденные слухи. Но во время его экспериментов у людей светились волосы, у лошадей выскакивали искры из-под копыт, в ближайшей электростанции сгорели генераторы. Все потому, что Никола Тесла использовал в качестве однопроводниковой линии Землю. Подобный способ передачи электроэнергии оказался совершенно неприемлем из экологических соображении.

– Реально ли в таком случае создать безопасную технологию беспроводной передачи энергии на большие расстояния с такими же минимальными потерями, как у Николы Теслы?

– Более чем реально, но с использованием других технологий. Так, в нашем институте разработана совершенно безопасная резонансная технология передачи электрической энергии – по подземным электроизолированным однопроводниковым кабельным линиям. По ним можно передавать гигаваттные и тераваттные потоки электрической энергии с потерями на уровне 3-4%. Однопроводниковые резонансные системы открывают возможности для создания сверхдальних кабельных линий электропередачи и в перспективе замены существующих воздушных линий кабельными однопроводниковыми. Тем самым будет решена одна из важнейших проблем электроэнергетики – повышение надежности электроснабжения. Ещё раз хочу подчеркнуть, что все это стало возможным за счет использования старой электротехники, которая неизвестна современному поколению ученых, и забытых изобретений Николы Теслы. Проще говоря, используется другое электричество, которого нет в наших электрических розетках. Это стационарные волны, резонансные режимы, сдвиг фаз между волнами тока и напряжения 90°, законы электростатической индукции (а не электромагнитной индукции), однопроводниковые линии, повышенная частота 1-20 кГц (а не 50 Гц) и т.д.

– Из ваших слов явствует, что Никола Тесла определил развитие электроэнергетики на сотни лет вперед. Каким видится ее будущее современным ученым?

           – Развитие электроэнергетики, на мой взгляд, связано с развитием резонансных волноводных методов передачи электрической энергии. Уже в XXI в. воздушные линии электропередачи будут заменены подземными волноводными системами. Бесконтактный высокочастотный электрический транспорт будет получать электрическую энергию от однопроводниковой резонансной линии, установленной в дорожном покрытии. На сельскохозяйственных плантациях будут работать электрические машины-роботы с активными рабочими органами. Будет создана глобальная солнечная энергетическая система, производящая электроэнергию, водородное топливо и тепло для каждого человека на Земле. Жидкое топливо и газ будут вырабатываться из биомассы энергетических плантаций. Космические корабли будут стартовать с Земли на электрических ракетных двигателях, имея соотношение массы полезного груза к стартовой массе на уровне 80-90% вместо сегодняшних 5%. Резонансные методы будут использоваться для лечения человека и животных, уничтожения сорняков (вместо пестицидов), обеззараживания питьевой воды и отходов, создания новых особо чистых материалов, в первую очередь солнечного кремния. Надеюсь, будут возможными электроснабжение летательных аппаратов в космическом пространстве и передача электрической энергии на мобильные объекты на Земле безопасными беспроводными методами.

Передача энергии — обзор

Коэффициент электромеханической связи k

Иногда путают термины коэффициент электромеханической связи , коэффициент передачи энергии и эффективность . ⁴⁷ Все они связаны с коэффициентом преобразования электрической энергии в механическую, но их определения различаются. ⁴⁸

(a)

Коэффициент электромеханической связи k

[3.5] k2 = накопленная механическая энергия / входная электрическая энергия

или

[3,6] k2 = накопленная электрическая энергия / входная механическая энергия.

Рассмотрим уравнение. 3.5 при приложении электрического поля E к пьезоэлектрическому материалу. См. Рис. 3.14 (a) слева. Поскольку входная электрическая энергия равна (1/2) ε ₀ ε E ² на единицу объема, а запасенная механическая энергия на единицу объема при нулевом внешнем напряжении равна (1/2) x ² / с = (1/2) ( dE ) ² / с , k равно

3.14. Модель массовой нагрузки.

[3,7] k2 = 1 / 2dE2 / s / 1 / 2ε0εE2 = d2 / ε0ε⋅s.

(b)

Коэффициент передачи энергии λ _max

Не всю накопленную энергию можно фактически использовать, а фактическая проделанная работа зависит от механической нагрузки. При нулевой механической нагрузке или полном зажиме (без деформации) выходная работа не выполняется. Коэффициент передачи энергии определяется как

[3.8] λmax = выходная механическая энергия / входная электрическая энергияmax

или эквивалентно

[3.9] λmax = Outputelectricalenergy / inputmechanicalenergymax.

Эти коэффициенты отличаются от коэффициентов в уравнениях 3.5 и 3.6, поскольку энергия «расходуется», а не «сохраняется».

Рассмотрим случай, когда электрическое поле E приложено к пьезоэлектрическому материалу при постоянном внешнем напряжении X (<0, поскольку для внешней работы необходимо сжимающее напряжение). Это соответствует ситуации, когда на исполнительный механизм внезапно оказывается груз, как показано на рис.3.14 (а). На рис. 3.14 (b) показаны две кривые зависимости электрического поля от индуцированной деформации, соответствующие двум условиям: при массовой нагрузке и без массы. Поскольку область под областью электрического поля-деформации не является энергией, мы должны использовать области напряжения-деформации и поляризации электрического поля, чтобы найти механическую энергию и электрическую энергию, соответственно. Рисунок 3.14 (c) показывает, как рассчитать механическую энергию. Обратите внимание, что масса сжимает привод первоначально на сX ( с — податливость пьезоматериала, а X <0).Эта механическая энергия sX ² представляет собой своего рода «ссуду» привода, начисляемую из массы, которую следует вычесть позже. Эта энергия соответствует заштрихованной области на рис. 3.14 (c). При приложении ступенчатого электрического поля привод расширяется на уровень деформации dE при постоянном напряжении. Это механическая энергия, передаваемая от привода к массе, что соответствует | dEX |. Подобно выплате первоначальной «ссуды», выходная работа (от привода до массы) может быть рассчитана как разность площадей [показанных пунктирной областью на рис.3.14 (c)]

[3.10] − Xdx = −dE + sXX.

На рис. 3.14 (d) показано, как рассчитать электрическую энергию. Массовая нагрузка X генерирует «заемную» электрическую энергию, создавая P = dX [см. Заштрихованную область на рис. 3.14 (d)]. Применяя внезапное электрическое поле E, исполнительный механизм (например, конденсатор) получает электрическую энергию ε ₀ ε E ² . Таким образом, полная энергия определяется разностью площадей [показанных пунктирной областью на рис.3.14 (d)]

[3.11] ∫EdP = ε0εE + dXE.

Нам нужно выбрать правильную нагрузку, чтобы максимизировать коэффициент передачи энергии . Из условия максимума

[3.12] λ = −dE + sXX / ε0εE + dXE,

получаем

[3.13] λmax = 1 / k − 1k2−12 = 1 / k + 1k2−1−2.

См. Uchino ⁴⁷ для получения подробной информации. Обратите внимание, что

[3.14] k2 / 4 <λmax

, так что λ _max зависит от k . Для малых k , λ _max = k ² /4 и для больших k , λ _max = k ² /2.

Этот максимум не соответствует условию максимальной выходной механической энергии. Максимальная выходная энергия достигается, когда пунктирная область на рис. 3.14 (c) является максимальной, то есть когда вершина прямоугольника лежит на линии от dE по вертикальной оси до — dE / с. по горизонтальной оси. Следовательно, нагрузка должна составлять половину максимального генерирующего напряжения и механической энергии: — [ dE — с ( dE /2 с )] (- dE /2 с ) = ( dE ) ² / 4с.В этом случае, поскольку входная электрическая энергия определяется как [ ε ₀ ε E + d (- dE / 2s)] E ,

[3,15] λ = 1/22 / k2−1,

, что близко к значению λ _max , когда k мало, но когда k большое, оно имеет другое значение, чем предсказано теоретически.

(c)

КПД η

[3,16] η = Выходная механическая энергия / потребляемая электрическая энергия

или

[3.17] η = Outputelectricalenergy / потребляемая механическая энергия.

КПД отличается от коэффициентов в уравнениях 3.8 и 3.9, поскольку в знаменателе используется «потребляемая» энергия вместо «входной» энергии. В рабочем цикле (например, в цикле электрического поля) входящая электрическая энергия частично преобразуется в механическую энергию, а остальная часть энергии сохраняется как электрическая энергия (электростатическая энергия, как в конденсаторе) в исполнительном механизме. Таким образом, неэффективная электростатическая энергия может быть возвращена источнику питания, что приведет к почти 100% эффективности, если потери невелики.Типичные значения диэлектрических потерь в PZT составляют около 1–3%.

Методы тестирования производительности систем беспроводной передачи энергии на большие расстояния | EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking

Примеры испытаний и анализ лазерных систем беспроводной передачи энергии

В соответствии с условиями испытаний, приведенными в таблице 1, были протестированы как характеристики лазера, так и характеристики системы.

Эксплуатационные испытания лазеров

Выходные характеристики и эффективность преобразования лазера для различных входных мощностей показаны в таблице 2.Согласно данным в таблице, была получена зависимость между выходной мощностью полупроводникового лазера и источником питания, а также форма волны эффективности преобразования.

Таблица 2 Результаты испытаний лазерной системы беспроводной передачи энергии Рис. 5

Соотношение ввода-вывода для системы на основе полупроводникового лазера

На рис. 5 показана зависимость выходной мощности полупроводникового лазера от источника питания.Оптическая мощность лазеров линейно увеличивается с увеличением источника питания постоянного тока, а эффективность электрооптического преобразования достигает 46 \ (\% \). Внутренние потери, последовательное сопротивление и пороговый ток полупроводникового лазера снижают его эффективность фотоэлектрического преобразования. Среди них внутренние потери в основном вызваны потерями свободных носителей в ограничивающем слое и в квантовой яме; сопротивление лазерного волноводного слоя p-типа и потери свободных носителей в сильно легированном ограничивающем слое p-типа приводят к высокому последовательному сопротивлению и высоким общим потерям для этого лазера [13].

Рис. 6

Эффективность преобразования полупроводникового лазера

Как показано на рисунке 6, эффективность электрооптического преобразования полупроводникового лазера линейно увеличивается с увеличением источника питания, затем медленно увеличивается до пикового значения и, наконец, постепенно. уменьшается. Предполагая, что выходная оптическая мощность лазера равна P , мощность источника постоянного тока лазера равна \ (P_ {1} \), эффективность преобразования переменного тока в оптическую мощность равна \ (\ eta _ {1} \), а схема выпрямителя Эффективность преобразования переменного тока в постоянный составляет \ (\ eta _ {2} \), отсюда следует, что эффективность электрооптического преобразования лазера составляет \ (\ eta _ {\ text {electro-opt}} = P / P_ {1 } \), а эффективность преобразования переменного тока в оптическую мощность равна \ (\ eta _ {1} \) = \ (\ eta _ {\ text {electro-optical}} \) \ (\ times \) \ (\ eta _ {2} \).При увеличении источника питания с 73,5 до 323 Вт эффективность электрооптического преобразования лазера увеличилась с 31,5 \ (\% \) до 46 \ (\% \). Впоследствии, когда мощность источника питания увеличилась до 415 Вт, эффективность преобразования медленно снизилась до 44,6 \ (\% \). Эффективность преобразования переменного тока в оптическую мощность была снижена на 10%, а форма волны соответствовала тенденции эффективности электрооптического преобразования. Потери энергии в полупроводниковых лазерах могут происходить пятью путями: (1) джоулев нагрев, (2) утечка носителей заряда, (3) подпороговое спонтанное излучение, (4) потеря напряжения и 5) рассеяние фотонов и потеря поглощения носителей [14].По мере увеличения источника питания лазера носители инжектируются в активную область, и потери на безызлучательную рекомбинацию и потери на рассеяние фотонов также увеличиваются. Структурные параметры лазера делают их взаимно ограничивающими. Когда достигается оптимальная рабочая точка, баланс нарушается; после оптимальной рабочей точки эффективность начинает медленно снижаться [15]. Эффективность преобразования оптической мощности в переменный ток демонстрирует аналогичные тенденции. Добавление выпрямительного модуля вызывает потерю мощности, снижая эффективность на 10 \ (\% \) по сравнению с эффективностью электрооптического преобразования постоянного тока.Результаты испытаний обеспечивают хорошую основу для исследований по оптимизации высокоэффективных линейных массивов лазеров и систем беспроводной передачи энергии на основе лазеров.

Проверка производительности всей системы

Лазерный луч и пятно на панели кюветы наблюдались с помощью инфракрасного наблюдателя, а пятно, попадающее в центр датчика, было откалибровано, как показано на рис. 7.

Рис. 7

Излучающий лазерный луч и приемный конец

Измеренные данные эксперимента показаны на рис.{2} \) входная мощность переменного тока в систему составляла 579,2 Вт, источник питания постоянного тока лазера — 414,2 Вт, нагрузка стабильно могла принимать мощность постоянного тока 45,86 Вт; КПД преобразования всей системы (вход переменного тока в выход постоянного тока) достиг 7,9%.

Рис. 8

Схема системы беспроводной передачи энергии на основе лазера

Проведя эксперимент при различных уровнях входной мощности, были получены характеристики мощности лазера и тенденции эффективности преобразования энергии.Анализ этих тенденций показал, что при облучении лазером с длиной волны 808 нм выходная мощность линейно увеличивалась с входной мощностью, а затем тенденция к увеличению ослаблялась; эффективность преобразования энергии сначала увеличивалась до оптимальной точки, а затем снижалась.

Примеры тестирования и анализ систем микроволновой беспроводной передачи энергии

В соответствии с условиями тестирования, приведенными в таблице 3, был организован тестовый участок для тестирования производительности системы беспроводной микроволновой передачи энергии.Физическое устройство показано на рис. 9 и 10.

Таблица 3 Условия испытаний в микроволновой печи Рис.9

Система передачи СВЧ диапазона X

Рис.10

Выпрямительная антенна приемного конца

В таблице 4 для последовательности управления перечислены выходные характеристики и эффективность преобразования системы для различных значений входной мощности. Согласно данным таблицы, была получена зависимость между выходной мощностью постоянного тока и входной мощностью, и были построены осциллограммы преобразования микроволновой мощности, как показано на рис.11 и 12 соответственно.

Рис.11

Результаты преобразования входной-выходной мощности

Как показано на рис. 11, выходная мощность постоянного тока выпрямителя увеличивается с увеличением входной мощности системы. После того, как входная мощность достигла 4500 Вт, выходная мощность начала уменьшаться. Тенденция формы волны эффективности преобразования была аналогичной, достигая максимальной эффективности 10,4% при 4500 Вт, а затем уменьшаясь по мере дальнейшего увеличения входной мощности. Оптимальная рабочая мощность системы передачи электроэнергии определена как 4500 Вт.

КПД системы сначала линейно увеличивался, а затем снижался. Это произошло из-за того, что усилитель мощности в генераторе микроволновой энергии нелинейно реагировал на сильные сигналы, и его нелинейность возрастала с увеличением входной мощности, что, вероятно, приводило к нелинейным показателям, таким как сжатие усиления, интермодуляционные искажения и гармонические искажения. Кроме того, мощность, потребляемая усилителем мощности, составляет половину или более энергии, потребляемой системой, а рассеиваемая мощность увеличивает температуру силовой лампы и резонатора.Повышение температуры влияет на характеристики усиления, равномерность усиления и линейность усилителей мощности; таким образом, влияя на эффективность передачи системы [16].

Частичные данные, измеренные в эксперименте, показаны на рис. 12.

Рис. 12

Схема системы передачи энергии на основе микроволн

Частота передачи мощной системы микроволновой передачи составляла 10 ГГц, дальность передачи 100 м, площадь апертуры передающей антенны 2 м \ (^ {2} \), площадь приемной антенны 4 м \ (^ {2} \), входная мощность 4500 Вт.Стабильная выходная мощность постоянного тока системы составила 468 Вт, а КПД системы достиг 10,4%.

Беспроводная передача энергии в космосе: последние проекты и

Дублин, 8 декабря 2020 г. (GLOBE NEWSWIRE) — Отчет «Передача энергии с помощью лазера» был добавлен в предложение ResearchAndMarkets.com .

Распределение электроэнергии между космическими кораблями выгодно для многих миссий, поскольку оно делает космический корабль более простым, компактным и снижает массу, одновременно повышая требования к мощности для миссии.Обычные электрические кабели нельзя использовать для передачи электричества с земли в космос из-за огромных расстояний и скоростей космических аппаратов. В настоящее время единственным способом передачи энергии на большие расстояния в космосе является электромагнитное излучение.

В случае электромагнитного излучения, близкого к видимой области спектра (от десятков микрометров до десятков нанометров), мощность может передаваться путем преобразования электричества в лазерный луч, который затем направляется на фотоэлектрический элемент.Этот механизм обычно известен как «передача энергии», потому что мощность передается на приемник, который может преобразовывать ее в электрическую энергию. В приемнике применяются специальные фотоэлектрические преобразователи мощности лазера, оптимизированные для преобразования монохроматического света.

Лазеры — самые мощные и эффективные инструменты для этой цели. Несмотря на последние достижения в технологиях передачи лазерной энергии, космические приложения не освоены из-за нерешенных в настоящее время проблем. Таким образом, передача электроэнергии через космический вакуум с помощью лазера является ключевой технологией, ограничивающей освоение космоса.

Основными причинами использования этой технологии являются следующие:

• Несколько небольших космических аппаратов могут приводиться в действие одной большой орбитальной силовой установкой;
• Из-за массы, размера, экономических или других ограничений использование большой энергетической установки на космическом корабле либо невозможно, либо запрещено;
• Большая удельная масса или короткий срок службы существующих альтернативных энергетических систем космических аппаратов;
• Электроснабжение космических аппаратов в периоды пиковой мощности.

Конкретными примерами могут быть:

• Электроснабжение космических аппаратов на низких орбитах (например, на НОО), где сила атмосферного сопротивления, действующая на космический аппарат, становится значительной;
• Электроснабжение космических аппаратов в тени планеты или в дальнем космосе;
• Электроснабжение космических аппаратов;

Примером такого типа применения является межорбитальный буксир, состыкованный с контейнером с полезной нагрузкой (PLC), который заряжает его электрическую силовую установку, которую он использует для передачи PLC на GEO.Он будет получать энергию от одной или нескольких энергетических станций (ЭС), которые расположены таким образом, что хотя бы одна станция должна находиться в поле зрения буксира в любой момент времени, при этом расстояния между буксиром и ЭС должны быть минимальными. на протяжении всего полета.

Следует отметить, что транспортировка любой полезной нагрузки, например, на GEO, начинается с запуска PLC с полезной нагрузкой (и стартовым запасом энергии для межорбитального буксира) на низкую околоземную орбиту (LEO).

Преимущества технологии:

• Гибкость для различных сценариев миссий;
• Может обслуживать несколько космических кораблей;
• Может также использоваться для связи;
• Не мешает другим каналам связи радиочастотного диапазона;
• На больших расстояниях вся система передачи энергии с помощью лазера более эффективна, чем использование физических соединений, таких как кабели.

К основным недостаткам технологии можно отнести:

• Требование прямой видимости с целью;
• Атмосферное поглощение, а также поглощение и рассеяние облаками, туманом, дождем и т. Д. Вызывают потери до 100%;
• Преобразование электричества в свет ограничено. Фотоэлектрические элементы достигают КПД 40-50%. / 1, 3-4 / (Эффективность преобразования лазерного света в электричество намного выше, чем у солнечного света в электричество).
• Лазерное излучение может быть опасным.

Текущее состояние технологии описано в следующих разделах этого отчета. Эта технология также может быть упомянута как «передача энергии» и «беспроводная передача энергии».

Ключевые темы:

Введение

Раздел 1. Система передачи энергии

Раздел 2. Ключевые технологии

Раздел 3.Технические проблемы
3.1. Фокусировка
3.2. Безопасность
3.3. Ограничение массы космического корабля на орбите
3.4. Скорость передачи энергии

Раздел 4. Характеристики лазерного луча
4.1. Длина волны
4.2. Непрерывный и импульсный режимы работы
4.3. Интенсивность
4.4. Пространственная когерентность
4.5. Мощность

Раздел 5. Излучатель по последнему слову техники
5.1. Типы излучателей
5.2. Характеристики излучателя
5.3. Стоимость

Раздел 6. Ресивер по последнему слову техники
6.1. Типы приемников
6.2. Технические характеристики приемника
6.3. Стоимость

Раздел 7. Уровни передачи мощности

Раздел 8. Общая эффективность системы ИК-каналов передачи энергии
8.1. Малогабаритный самолет НАСА
8.2. EADS mini rover
8.3. Альпинист Отис
8.4. Беспилотный самолет Lockheed Martin’s Stalker
8.5. Проекты РКК «Энергия»
8.6. Сравнение эффективности

Раздел 9. Последние проекты

Раздел 10. Планируемые эксперименты на орбите

Раздел 11. Список российских научно-исследовательских организаций

Раздел 12. Резюме

Упомянутые компании

• Boeing
• EADS
• Energia Rocket and Space Corporation
• LaserMotive
• Lockheed Martin
• NASA
• Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии
• Военно-морская исследовательская лаборатория
Агентство обороны США of Kaiserslautern

Для получения дополнительной информации об этом отчете посетите https: // www.researchchandmarkets.com/r/7isk9

О ResearchAndMarkets.com
ResearchAndMarkets.com является ведущим мировым источником отчетов о международных исследованиях рынка и рыночных данных. Мы предоставляем вам последние данные о международных и региональных рынках, ключевых отраслях, ведущих компаниях, новых продуктах и ​​последних тенденциях.

Research and Markets также предлагает услуги Custom Research, обеспечивающие целенаправленное, всестороннее и индивидуальное исследование.

 
 Анализ беспроводной передачи энергии для обеспечения физической безопасности.(Технический отчет) 
  Гейер, Кристиан.  Анализ беспроводной передачи энергии для обеспечения физической безопасности. . США: Н. п., 2019.
 Интернет. DOI: 10.2172 / 1570551. 
  Гейер, Кристиан.  Анализ беспроводной передачи энергии для обеспечения физической безопасности. . Соединенные Штаты.https://doi.org/10.2172/1570551 
  Гейер, Кристиан. Вт.
 «Анализ беспроводной передачи энергии для обеспечения физической безопасности». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/1570551. https://www.osti.gov/servlets/purl/1570551. 
  @article {osti_1570551, 
 title = {Анализ беспроводной передачи энергии для обеспечения физической безопасности.}, 
 author = {Гейер, Кристиан}, 
 abstractNote = {В случаях, когда строительная инфраструктура является дорогостоящей и потенциально опасной, выгодно искать новые методы передачи и передачи электроэнергии. Целью данного отчета является изучение имеющихся в настоящее время технологий, используемых для передачи мощности без физического соединения между источником и нагрузкой; и обсудить их выполнимость, надежность, эффективность и требования безопасности для использования в полевых условиях.}, 
 doi = {10.2172 / 1570551}, 
 url = {https://www.osti.gov/biblio/1570551},
 журнал = {}, 
 номер =, 
 объем =, 
 place = {United States}, 
 год = {2019}, 
 месяц = ​​{10} 
 } 
 Беспроводная передача энергии 
 Беспроводная передача энергии
 Майкл Шу 

 9 декабря 2011 г.
 Представлено как курсовая работа для Ph340,
 Стэнфордский университет, осень 2011 г. 
  Фиг.1:  Энергия лазера, используемая для питания модели самолета.
 с солнечными батареями. Источник:
 Викимедиа
 Commons (любезно предоставлено
 НАСА).
 Введение 
 После выработки электроэнергии на любой электростанции она
необходимо транспортировать электроэнергию к местам, где она будет использоваться.
В настоящее время это достигается в основном за счет толстых линий электропередачи,
которые требуют много материала и высоких башен.Однако есть
интересная возможность передачи электроэнергии без этих
громоздкие конструкции за счет реализации беспроводной передачи энергии.
Изучаются различные методы беспроводной передачи энергии, которые могут
позволяют передавать большие объемы энергии на большие расстояния без
необходимость проводящего подключения. Дополнительно беспроводной
передача представляет возможность отправки и получения мощности
из космоса, которые могут иметь полезные приложения.
 Передача СВЧ-энергии 
 Одна из первых демонстраций беспроводной энергии
передача заключалась в использовании микроволнового излучения для питания небольшого вертолета.
в 1964 году. [1] Этот эксперимент содержал основные элементы микроволнового
передача энергии: источник электромагнитного излучения и
СВЧ-приемник с выпрямителем постоянного тока для преобразования СВЧ-энергии
в электрическую мощность постоянного тока. С тех пор были предприняты усилия по увеличению
эффективность, мощность и дальность передачи микроволн.
 Самая высокая электрическая энергия при преобразовании микроволн в постоянный ток
Достигнутая конверсия составила 84% в эксперименте 1975 года. [2] Однако больше
Практические системы с более высокой выходной мощностью имели более низкий КПД.
Команда из Японии построила систему, состоящую из набора солнечных панелей.
прикреплен к микроволновому передатчику и приемнику, который преобразует
микроволны до постоянного напряжения. Передатчик был разработан для отслеживания
приемник и автоматически направляет его микроволновый выход на
приемник.Эта система смогла достичь эффективности преобразования
более 75% при мощности 300 Вт. [2] Следующей желаемой целью будет
для достижения высокой эффективности передачи энергии на большие расстояния.
 Лазерная передача 
 Лазерный метод передачи энергии включает в себя световое излучение.
лазерный луч на фотоэлектрический приемник. Это требует умения
точно отслеживать положение приемника относительно лазера
передатчик.Преимущество лазера в том, что его монохроматичность
позволяет лучше контролировать луч на больших расстояниях, а также
возможность настройки фотоэлектрического приемника на лазерный луч. Недавний
эксперименты с использованием имеющихся в продаже лазерных источников дали
более 7,2 Вт фотоэлектрической мощности от лазерного луча мощностью 70 Вт (от
которые до ресивера доходили всего 25 Вт). Это соответствует мощности
плотность 13,6 Вт на квадратный сантиметр площади приемника, а также
КПД преобразования оптического сигнала в электрический составляет 28%, что является многообещающим
для реальных приложений, если экспериментальный результат может быть увеличен
системы.[3]
  Рис. 2:  Схема предлагаемой солнечной энергии
 спутник.
 Спутники солнечной энергии 
 Если эффективный метод беспроводной передачи энергии
, одним из возможных применений будет спутник на солнечной энергии.
[2] Эта идея состоит в том, чтобы иметь на орбите спутник с солнечными панелями.
Земля.Спутник вырабатывает электроэнергию, используя солнечную
клетки. Эта энергия преобразуется в электромагнитную волну и
передается по беспроводной сети приемникам на Земле. Тогда приемники
преобразовать переданную энергию обратно в полезную электрическую энергию.
Хотя упомянутой выше японской группе удалось достичь 75%
КПД для преобразования 300 Вт с использованием солнечных панелей и СВЧ
передачи, это довольно далеко от полезного приложения. К
продемонстрировать техническую осуществимость, исследователи сначала хотели бы
передавать киловатты мощности со спутника на низкой околоземной орбите.Кроме того, желательна целевая эффективность преобразования 80% в обоих
передатчик и приемник. [2]
 Поскольку спутник вращается над атмосферой, он
будет постоянно собирать солнечную энергию, в отличие от
фотоэлектрические системы на Земле, которым может препятствовать погода
условия. Кроме того, один спутник потенциально может обеспечить питание
во многих местах по всему миру благодаря наличию нескольких беспроводных источников питания
приемники, подключенные к спутнику.Таким образом, развитие солнечной энергетики
спутники могут стабильно обеспечивать экологически чистую энергию по всему миру.
[2]
 Заключение 
 Беспроводная передача энергии будет иметь много
интересные приложения. Некоторые приложения включают просто
питание устройств или транспортных средств от удаленного источника питания. Тем не менее
энергосистема также может быть затронута. Если расстояние, высокая эффективность
возможна беспроводная передача энергии, мы могли бы уменьшить нашу зависимость от
линии передачи для передачи энергии на большие расстояния.Более того,
беспроводная передача энергии может позволить альтернативный источник чистой
энергии, передавая солнечную энергию из космоса обратно в места, где
он нужен на земле. Дальнейшие исследования беспроводной передачи
показать, осуществимы ли некоторые из этих планов.
 © Михаил Шу. Автор дает разрешение на
копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде, с
указание на автора, только в некоммерческих целях. Все остальные
права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.
 Список литературы 
 [1] У. К. Браун, «История передачи энергии»
by Radio Waves, IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques  32 , 1230
(1984).
 [2] Х. Мацумото, «Исследования спутников на солнечной энергии»
и передача микроволновой энергии в Японии, «IEEE Microwave Magazine,  3 , №4, 36, 2002.
 [3] Д. Э. Райбл, Д. Динка и Т. Х. Найфех,
«Оптический  Оптимизация частоты высокоинтенсивной лазерной системы излучения
Использование фотоэлектрических элементов VMJ, «Космические оптические системы»
и приложения (ICSOS), 2011 г.Конф. (IEEE, 2011), стр. 232.
 Передача электроэнергии при высоком напряжении 
 От побережья к побережью электричество передается по высоковольтным линиям электропередачи, чтобы обеспечить электроэнергией наши дома. В некоторых частях сетки в США
 Штаты, электричество передается напряжением до 500 000 вольт. Потребность в высоком напряжении передачи возникает, когда необходимо передать большое количество энергии.
 на большое расстояние.
 Почему высокое напряжение 
 Основная причина того, что мощность передается при высоком напряжении, заключается в повышении эффективности.Поскольку электричество передается на большие расстояния, существуют неотъемлемые
 потери энергии в пути. Передача высокого напряжения сводит к минимуму потери мощности при перетекании электричества из одного места в другое. Как?
 Чем выше напряжение, тем меньше ток. Чем меньше ток, тем меньше потери сопротивления в проводниках. И когда сопротивление теряет
 низки, малы и потери энергии. Инженеры-электрики учитывают такие факторы, как передаваемая мощность.
 и расстояние, необходимое для передачи при определении оптимального напряжения передачи.
 Существует также экономическая выгода, связанная с передачей высокого напряжения. Более низкий ток, который сопровождает передачу высокого напряжения, снижает сопротивление
 в проводниках, поскольку электричество течет по кабелям. Это означает, что тонкие и легкие провода можно использовать для передачи на большие расстояния. Как результат,
 Опоры электропередачи не должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать вес более тяжелых проводов, которые были бы связаны с большим током. Эти соображения
 сделать передачу высокого напряжения на большие расстояния экономичным решением.
 Рынок высокого напряжения 
 В последние годы быстрорастущий рынок возобновляемых источников энергии сыграл особенно большую роль на рынке высокого напряжения. Как более возобновляемые источники локализованных
 Электроэнергетика будет запущена, спрос на передачу высокого напряжения будет продолжать расти.
 По всей территории Соединенных Штатов замена и модернизация существующей инфраструктуры передачи, а также добавление новых мощностей генерации и
 передачи являются ключевыми драйверами для рынка высокого напряжения.
 О бета-версии 
 Beta Engineering спроектировала и построила множество высоковольтных проектов по всей стране. Мы специализируемся на услугах EPC для
 подстанции с газовой изоляцией (КРУЭ),
 распределительные устройства и подстанции, ФАКТЫ и
 ЛЭП высокого напряжения. Взгляните на избранные проекты из нашего портфолио, чтобы узнать больше о решениях EPC, которые может предоставить вам бета-версия.
 потеряно в передаче: сколько электроэнергии пропадает между электростанцией и вашей вилкой? 
 Сколько энергии  теряется  в пути, когда электричество передается от электростанции к розетке в вашем доме? Этот вопрос исходит от Джима Барлоу, архитектора из Вайоминга, в рамках нашего проекта IE Questions.
 Чтобы найти ответ, нам нужно разобраться в этом шаг за шагом: сначала превратить сырье в электричество, затем переместить это электричество в ваш район и, наконец, направить это электричество через стены вашего дома в вашу розетку.
  Шаг 1. Производство электроэнергии 
 Электростанции — угольные, газовые, нефтяные или атомные — работают по тому же общему принципу. Плотный материал   сжигается для выделения тепла, которое превращает воду в пар, который вращает турбину, вырабатывающую электричество.Термодинамические пределы этого процесса («Черт возьми, эта возрастающая энтропия!») Означают, что только две трети энергии в сырье фактически попадает в сеть в виде электричества.
   Потери энергии на электростанциях: около 65%, или 22 квадриллиона БТЕ в США в 2013 году  
 Этот график показывает тепловую эффективность различных типов электростанций. Все типы станций имеют примерно одинаковую эффективность, за исключением природного газа, эффективность которого в последние годы улучшилась за счет добавления станций с комбинированным циклом.(Линия эффективности угля почти идентична ядерной энергии и поглощена фиолетовым цветом).
  Шаг 2: Передача электроэнергии — передача и распределение 
 Большинство из нас живет не рядом с электростанцией. Так что нам нужно как-то подвести электричество в наши дома. Это похоже на работу для линий электропередач.
  Трансмиссия 
 Во-первых, электричество передается по высоковольтным линиям на большие расстояния, часто на многие мили по стране.Напряжение в этих линиях может составлять сотни тысяч вольт. Не стоит связываться с этими строками.
 Почему такое напряжение? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно обратиться к физике средней школы, а именно к закону Ома. Закон Ома описывает, как связаны количество энергии в электричестве и его характеристики — напряжение, ток и сопротивление. Это сводится к следующему: потери в масштабе  квадратов  тока провода. Этот квадратный коэффициент означает, что крошечный скачок тока может вызвать большой скачок потерь.Поддержание высокого напряжения позволяет нам поддерживать низкий ток и потери на низком уровне. (Для ботаников-историков: именно поэтому AC выиграл битву течений. Спасибо, Джордж Вестингауз.)
 Jordan Wirfs-Brock / Inside Energy
 Провисание линий электропередач фактически является ограничивающим фактором в их конструкции. Инженеры должны следить за тем, чтобы они не подходили слишком близко к деревьям и зданиям.
 Когда это электричество пропадает, куда оно девается? Нагревать. Электроны, движущиеся вперед и назад, сталкиваются друг с другом, и эти столкновения нагревают линии электропередач и воздух вокруг них.
 Вы действительно можете услышать эти потери: этот треск, когда вы стоите под опорой передачи, теряется электричество. Вы также можете увидеть потери: обратите внимание, как линии электропередач провисают посередине? Отчасти это серьезность. Но остальное — электрические потери. Тепло, как и тепло от потери электричества, заставляет металлические линии электропередач расширяться. Когда они это делают, они провисают. Линии электропередач в жаркие дни становятся слабее и негерметичнее.
  Распределение 
 Высоковольтные линии электропередачи — большие, высокие, дорогие и потенциально опасные, поэтому мы используем их только тогда, когда электричество необходимо передавать на большие расстояния.На подстанциях недалеко от вашего района электричество переходит на более мелкие линии электропередач с более низким напряжением, например, на деревянных столбах. Сейчас мы говорим о десятках тысяч вольт. Затем трансформаторы (предметы в форме консервных банок, сидящие на этих столбах) еще больше понижают напряжение до 120 вольт, чтобы сделать вход в ваш дом безопасным.
 Как правило, меньшие линии электропередач означают более высокие относительные потери. Таким образом, даже несмотря на то, что по высоковольтным линиям электропередачи электричество может проходить гораздо дальше — на десятки или сотни миль, — потери низкие, около двух процентов.И хотя ваша электроэнергия может проходить несколько миль или меньше по низковольтным распределительным линиям, потери высоки, около четырех процентов.
   Потери энергии при передаче и распределении: около 6% — 2% при передаче и 4% при распределении — или 69 триллионов БТЕ в США в 2013 году  
 Jordan Wirfs-Brock
 На этом графике показан средний процент потерь электроэнергии во время передачи и распределения по штатам с 1990 по 2013 гг. самые высокие потери все густо заселены.
 Интересный факт: потери при передаче и распределении, как правило, ниже в сельских штатах, таких как Вайоминг и Северная Дакота. Почему? В менее густонаселенных штатах больше высоковольтных линий передачи с низкими потерями и меньше низковольтных распределительных линий с высокими потерями.  Изучите потери при передаче и распределении в вашем штате на нашей интерактивной графике. 
 Потери при передаче и распределении также различаются от страны к стране. В некоторых странах, например в Индии, потери достигают 30 процентов.Часто это происходит из-за похитителей электроэнергии.
  Шаг 3. Использование электричества в доме 
 Коммунальные предприятия тщательно измеряют потери от электростанции до вашего счетчика. Они должны это сделать, потому что каждый потерянный кусок съедает их прибыль. Но как только вы купили электричество и оно поступает в ваш дом, мы теряем информацию о потерях.
 Ваш дом и провода внутри ваших стен представляют собой своего рода черный ящик, и подсчитать, сколько электричества теряется — электричества, за которое вы уже заплатили, — сложно.Если вы хотите узнать, сколько электричества теряется в вашем доме, вам нужно либо оценить его, используя электрическую схему вашего дома, либо измерить его, поставив счетчики на все свои приборы. Вы помешаны на энергии, пытаясь это сделать? Сообщите нам, мы будем рады услышать от вас!
   Потеря энергии в проводке внутри ваших стен: мы не знаем! Это могло быть незначительно, а могло быть еще несколько процентов.  
  Будущее потерь при передаче и распределении 
 Сетевые инженеры работают над такими технологиями, как сверхпроводящие материалы, которые могут существенно снизить потери при передаче и распределении электроэнергии до нуля.Но на данный момент стоимость этих технологий намного выше, чем деньги, потерянные коммунальными предприятиями из-за их существующих горячих, негерметичных линий электропередач.
 Более экономичное решение для снижения потерь при передаче и распределении — это изменить способ и время использования энергии. Убытки не являются постоянной величиной. Они меняются каждое мгновение в зависимости от погоды и энергопотребления. Когда спрос высок, например, когда мы все запускаем наши кондиционеры в жаркие летние дни, убытки выше. Когда спрос невелик, например, посреди ночи, убытки меньше.Коммунальные предприятия экспериментируют со способами более равномерного распределения электроэнергии, чтобы минимизировать потери.
 Тот же принцип применим к вашему дому, который по сути является вашей личной сеткой.