Способы передачи электрической энергии на большие расстояния

Когда компания Apple представила свое первое беспроводное зарядное устройство для сотовых телефонов и гаджетов, многие посчитали это революцией и огромным скачком вперед в беспроводных способах передачи энергии.
Но были ли они первопроходцами или еще до них, кому-то удавалось проделать нечто похожее, правда без должного маркетинга и пиара? Оказывается были, притом очень давно и изобретателей таких было множество.

Так еще в далеком 1893г прославленный Никола Тесла, продемонстрировал изумленной публике свечение люминесцентных ламп. При том, что все они были без проводов.

Сейчас такой фокус может повторить любой школьник, выйдя в чистое поле и встав с лампой дневного света под линию высокого напряжения от 220кв и выше.

Чуть попозже, Тесла уже сумел зажечь таким же беспроводным способом фосфорную лампочку накаливания.

В России в 1895г А.Попов показал в работе первый в мире радиоприемник. А ведь по большому счету это тоже является беспроводной передачей энергии.

Самый главный вопрос и одновременно проблема всей технологии беспроводных зарядок и подобных методов заключается в двух моментах:

как далеко можно передать электроэнергию таким способом

и какое количество

Для начала давайте разберемся, какую мощность имеют приборы и бытовая техника нас окружающие. Например для телефона, смартчасов или планшета требуется максимум 10-12Вт.

У ноутбука запросы уже побольше — 60-80Вт. Это можно сравнить со средней лампочкой накаливания. А вот бытовая техника, особенно кухонная, кушает уже несколько тысяч ватт.

Поэтому очень важно не экономить с количеством розеток на кухне.

Так какие же методы и способы для передачи эл.энергии без применения кабелей или любых других проводников, придумало человечество за все эти годы. И самое главное, почему они до сих пор не внедрены столь активно в нашу жизнь, как того хотелось бы.

Взять ту же самую кухонную технику. Давайте разбираться подробнее.

Высокое напряжение как способ уменьшения потерь

Реальность такова, что передача электроэнергии на большие расстояния неизбежно сопровождается её потерями. Существенная часть электричества, проходя путь от генератора на электростанции до розетки бытового потребителя, превращается в тепло и расходуется на обогрев атмосферы. Однако это не снижает затрат за производство электроэнергии, поэтому конечному пользователю всё же приходится оплачивать и эти нецелевые расходы.

Уменьшить ненужные потери, соответственно, траты, позволяют следующие способы:

применение высокотемпературных сверхпроводников;
увеличение сечения кабелей и проводов ЛЭП;
повышение напряжения в линиях передачи.

За первым способом будущее. Однако сегодня он технически неосуществим. От второго отказались на первых парах развития электроэнергетики, ведь он экономически нецелесообразен из-за лишних расходов на утолщение проводников. Применение высокого напряжения оказалось наиболее удачным методом, поэтому он используется по всему миру уже порядка ста лет.

Ð¢ÐµÐ¿Ð»Ð¾Ð²ÑÐµ ÑÐ»ÐµÐºÑÑÐ¾ÑÑÐ°Ð½ÑÐ¸Ð¸

Классификация линий электропередач

Беспроводная передача электроэнергии

Существует множество разновидностей ЛЭП. Каждый из видов заточен под свои определённые нужды и задачи. В соответствии с этим, ПУЭ регламентирует следующую классификацию воздушных линий электропередач.

По классу напряжению ЛЭП бывают:

низковольтные, до 1 кВ;
высоковольтные, свыше 1 кВ.

По назначению:

Межсистемные линии с напряжением от 500 кВ и выше;
Магистральные, 220-500 кВ;
Распределительные, 110-220 кВ;
Линии 35 кВ для питания сельхоз потребителей;
ЛЭП 1-20 кВ, используемые в пределах одного населённого пункта.

Род электрического тока в ЛЭП подразделяются на:

переменный (практически все линии);
постоянный ток (встречается редко, в основном 3,3 кВ контактной сети железной дороги).

Ð¡ÐµÑÐ¸ Ñ Ð¾Ð±ÑÐ¸Ð¼ Ð½Ð°Ð·Ð½Ð°ÑÐµÐ½Ð¸ÐµÐ¼. ÐÐ°Ðº Ð¿ÑÐ°Ð²Ð¸Ð»Ð¾, Ð¾Ð±ÐµÑÐ¿ÐµÑÐ¸Ð²Ð°ÑÑ Ð±ÑÑÐ¾Ð²ÑÐµ, ÑÑÐ°Ð½ÑÐ¿Ð¾ÑÑÐ½ÑÐµ, Ð¿ÑÐ¾Ð¼ÑÑÐ»ÐµÐ½Ð½ÑÐµ Ð¸ ÑÐµÐ»ÑÑÐºÐ¾ÑÐ¾Ð·ÑÐ¹ÑÑÐ²ÐµÐ½Ð½ÑÐµ Ð½ÑÐ¶Ð´Ñ.
ÐÐ¾Ð½ÑÐ°ÐºÑÐ½ÑÐµ ÑÐµÑÐ¸. ÐÑ Ð¼Ð¾Ð¶Ð½Ð¾ Ð²ÑÐ´ÐµÐ»Ð¸ÑÑ Ð² Ð¾ÑÐ´ÐµÐ»ÑÐ½ÑÑ Ð³ÑÑÐ¿Ð¿Ñ, ÐºÐ¾ÑÐ¾ÑÐ°Ñ Ð¾Ð±ÑÐ»ÑÐ¶Ð¸Ð²Ð°ÐµÑ ÑÑÐ°Ð½ÑÐ¿Ð¾ÑÑÐ½ÑÐµ ÑÑÐµÐ´ÑÑÐ²Ð°, Ð¿Ð¸ÑÐ°ÑÑÐ¸ÐµÑÑ ÑÐ½ÐµÑÐ³Ð¸ÐµÐ¹ Ð² Ð¿ÑÐ¾ÑÐµÑÑÐµ Ð´Ð²Ð¸Ð¶ÐµÐ½Ð¸Ñ. ÐÑÐ¾ Ð¼Ð¾Ð³ÑÑ Ð±ÑÑÑ Ð»Ð¾ÐºÐ¾Ð¼Ð¾ÑÐ¸Ð²Ñ, ÑÑÐ°Ð¼Ð²Ð°Ð¸, Ð¿Ð¾ÐµÐ·Ð´Ð° Ð¸ Ð´Ñ.
ÐÐ»ÐµÐºÑÑÐ¾ÑÐµÑÐ¸ Ð´Ð»Ñ ÑÐ½Ð°Ð±Ð¶ÐµÐ½Ð¸Ñ ÑÐµÑÐ½Ð¾Ð»Ð¾Ð³Ð¸ÑÐµÑÐºÐ¸Ñ Ð¾Ð±ÑÐµÐºÑÐ¾Ð². Ð Ð´Ð°Ð½Ð½Ð¾Ð¼ ÑÐ»ÑÑÐ°Ðµ Ð¿ÐµÑÐµÐ´Ð°ÑÐ° ÑÐ»ÐµÐºÑÑÐ¾ÑÐ½ÐµÑÐ³Ð¸Ð¸ Ð½Ð° ÑÐ°ÑÑÑÐ¾ÑÐ½Ð¸Ðµ Ð¿Ð¾Ð·Ð²Ð¾Ð»ÑÐµÑ Ð¾Ð±ÑÐ»ÑÐ¶Ð¸Ð²Ð°ÑÑ ÑÐ´Ð°Ð»ÐµÐ½Ð½ÑÐµ Ð¿ÑÐ¾Ð¸Ð·Ð²Ð¾Ð´ÑÑÐ²ÐµÐ½Ð½ÑÐµ Ð¾Ð±ÑÐµÐºÑÑ, Ð° ÑÐ°ÐºÐ¶Ðµ ÑÐ°Ð·Ð»Ð¸ÑÐ½ÑÐµ Ð¸Ð½Ð¶ÐµÐ½ÐµÑÐ½ÑÐµ ÐºÐ¾Ð¼Ð¼ÑÐ½Ð¸ÐºÐ°ÑÐ¸Ð¸.
Ð¡ÐµÑÐ¸ Ð´Ð»Ñ Ð°Ð²ÑÐ¾Ð½Ð¾Ð¼Ð½Ð¾Ð³Ð¾ ÑÐ½Ð°Ð±Ð¶ÐµÐ½Ð¸Ñ. ÐÐ¸ÑÐ°ÑÑ ÑÐ½ÐµÑÐ³Ð¸ÐµÐ¹ Ð°Ð²ÑÐ¾Ð½Ð¾Ð¼Ð½ÑÐµ Ð¸ Ð¼Ð¾Ð±Ð¸Ð»ÑÐ½ÑÐµ ÐµÐ´Ð¸Ð½Ð¸ÑÑ, ÑÑÐµÐ´Ð¸ ÐºÐ¾ÑÐ¾ÑÑÑ — ÑÐµ Ð¶Ðµ ÑÑÐ°Ð½ÑÐ¸Ð¸, ÑÐ°Ð¼Ð¾Ð»ÐµÑÑ, ÑÑÐ´Ð°, ÐºÐ¾ÑÐ¼Ð¸ÑÐµÑÐºÐ¸Ðµ Ð°Ð¿Ð¿Ð°ÑÐ°ÑÑ Ð¸ Ñ. Ð´.

Способы передачи электроэнергии

Определение качества электроэнергии анализаторами

Наиболее распространены два способа передачи электроэнергии: с помощью воздушных и кабельных линий. Они отличаются между собой по дальности и среде, в которой находится проводник.

Воздушные линии – это, упрощённо, медные или алюминиевые проводники, подвешенные через изоляторы на металлические или железобетонные опоры. При таком методе возможна передача электричества на большие расстояния и между разными государствами.

Кабельная линия – прокладка проводов под землёй. Отдельные токоведущие жилы расположены, как правило, в резиновой или ПВХ изоляции. Если напряжение высокое, то имеется и броня из металлической ленты. Также она служит в качестве экрана для защиты от помех. Встречается преимущественно в пределах города или предприятия.

Прокладка кабелей

Дополнительная информация. Применяя кабельные линии, возможно транспортировать электроэнергию по дну водоёмов и даже морей. Это позволяет поставлять электричество на острова. Применение ЛЭП таких возможностей не подразумевает.

ÐÐ½ÐµÑÐ³Ð¾ÑÐ±ÑÑ Ð¸ Ð¿Ð¾ÑÑÐµÐ±Ð»ÐµÐ½Ð¸Ðµ

Схема передачи энергии от электростанции до потребителя

Потребление электроэнергии бытовыми приборами

Главная электростанция (1) вырабатывает напряжение порядка 10-12 кВ. Затем оно повышается с помощью трансформатора (2) до более высокого уровня: 35, 110, 220, 400, 500 или 1150 кВ. После по кабельной или воздушной линии (3) энергия передаётся на расстояния от единиц до тысяч километров и попадает на понижающую подстанцию. На ней также установлен трансформатор (4), который преобразует сотни киловольт снова в 10-12 тысяч вольт. Далее следует ещё один каскад понижения до 380/220 В (5). Это напряжение является конечным и раздаётся по потребителям (6), т.е. жилым домам, больницам и т.д.

Транспортировка электрической энергии

Список использованной литературы

Веников В. А., Дальние электропередачи, М.– Л., 1960; Совалов С. А., Режимы электропередач 400–500 кв. ЕЭС, М., 1967; Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи : учебник / Л.А. Бессонов. — 10-е изд. — М. : Гардарики, 2002. Электротехника: Учебно-методический комплекс. /И. М. Коголь, Г. П. Дубовицкий, В. Н. Бородянко, В. С. Гун, Н. В. Клиначёв, В. В. Крымский, А. Я. Эргард, В. А. Яковлев; Под редакцией Н. В. Клиначёва. — Челябинск, 2006-2008. Электрические системы, т. 3 – Передача энергии переменным и постоянным током высокого напряжения, М., 1972. Яворский Б. М., Детлаф А. А., Справочник по физике для инженеров и студентов вузов, М.: Наука, — 2-е изд., — 1964, — 848с. Автомобильный справочник BOSCH. Перевод с англ. Первое русское издание. – М.: За рулем, 2002. – 896 с. Доцент кафедры МСА Кузнецов М.И., Краткий конспект лекций по курсу «Электромеханические системы». – Пермь, 2001. Богданов К.Ю., Физика. 11 класс. Учебник. — М.: Просвещение, 2010. — 208 с. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н., Физика. 11 класс. Учебник.19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 399 с. Электрические сети, оборудование, документация, инструкции Практическая электроника Электротехника Школа для электрика Физический портал для школьников Мозговой штурм трансформатора Электротехнический портал для студентов ВУЗов и инженеров

Извините, ничего не найдено.

Трансформаторные подстанции

Для преобразования напряжения одной величины в другую служат трансформаторные подстанции. Они представляют собой огороженный забором объект, имеющий на своей территории трансформатор. Внутри него располагаются первичная и вторичная обмотки (катушки). Их электромагнитное взаимодействие позволяет с большим КПД преобразовывать энергию. На подстанцию заходят воздушные линии или кабеля с одним напряжением, а выходят с другим, как правило, более низким.

Понижающий трансформатор

Там же располагаются всевозможные системы контроля и учёта электроэнергии и распределительное устройство (РУ). Оно предназначено для связи с другими объектами энергосистемы и является неотъемлемой частью трансформаторной подстанции. РУ позволяет отключить отдельного потребителя по стороне низкого напряжения, не обесточивая при этом всех остальных.

Пропускная способность линий электропередач

Напряжение в конце линии неизбежно ниже, чем в её начале. Вольтаж теряется на сопротивлении проводов ЛЭП. Именно эта разница напряжений уходит впустую на обогрев вселенной.

Такая проблема приводит к тому, что невозможно создать линию электропередач бесконечной длины и передать по ней неограниченную мощность. Поэтому введено понятие – пропускная способность ЛЭП. Данная характеристика в первую очередь зависит от длины линии, металла, из которого сделаны её провода и их сечения. Потери в меди менее ощутимы, чем у алюминия. Пропускная способность линии тем выше, чем толще её провода.

Микроволны

Микроволны — специальные линии, имеющие длину в 12 сантиметров и частоту в 2,45 гигагерц, которые прозрачны для атмосферы. Вне зависимости от погоды, потеря энергии будет равна 5%. Вначале необходимо преобразование электротока в микроволны, потом их обнаруживание и возвращение в первое состояние. Первая проблема была решена благодаря постановке магнетрона, а вторая — благодаря ректенны или специальной антенны.

Вам это будет интересно Особенности светильника ДРЛ 250

Микроволновая передача энергии

Потери электроэнергии

Причины потерь при передаче электрической энергии на расстояние кроются в строении вещества. Электрический ток – это направленное движение по проводнику свободных носителей зарядов. В случае с ЛЭП и кабелями их роль играют электроны. Эти частицы, проходя по сечению провода, неизбежно сталкиваются с окружающими их атомами меди или алюминия и сообщают им часть своей кинетической энергии. Микрочастицы металла за счёт этого удара становятся подвижнее, что и воспринимается органами чувств человека как повышение температуры.

Количество теплоты Q, выделенной в проводнике за время t и потерянной впустую, вычисляется по закону Джоуля – Ленца. Оно пропорционально квадрату протекающего в проводе тока I и его сопротивлению R:

Q = I2Rt.

Дополнительная информация. Потери электричества имеются и в трансформаторе. К самым большим из них относятся затраты энергии на создание вихревых токов в сердечнике и нагрев обмоток.

Отрасли промышленности электроэнергетики

Список промышленных источников производства электрической энергии состоит из 4 отраслей энергетики:

атомная;
тепловая;
гидроэнергетика;
альтернативная.

Атомная энергетика

Эта отрасль энергодобычи является на сегодня самым эффективным способом получения электричества за счёт ядерной реакции. Для этого используют очищенный уран. Сердцем станции является атомный реактор.

Схема работы ядерного реактора

Источниками тепла являются ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы). Они представляют собой тонкие длинные циркониевые трубки, в которых помещены урановые таблетки. Их объединяют в группы – ТВС (тепловыделяющая сборка). Ими загружают корпус реактора, в теле которого размещены трубы с водой. Во время ядерного распада урана происходит выделение тепла, которое нагревает воду в первичном контуре до 3200.

Пар поступает на лопасти турбин, которые вращают генераторы переменного тока. Электричество через трансформаторы попадает в общую энергетическую систему.

Обратите внимание! Помня о трагедии Чернобыля, учёные всего мира совершенствуют систему безопасности работы АЭС. Последние разработки в атомной энергетике обеспечивают практически 100% безвредность атомных электростанций

Вид на АЭС

Тепловая энергетика

Тепловые электростанции работают по принципу сжигания природного топлива: угля, газа и мазута. Вода, проходящая по трубопроводам через котлы, превращается в пар и в дальнейшем подаётся на лопасти генераторных турбин.

Дополнительная информация. За 4 года эксплуатации одной группы ТВЭЛов вырабатывается такое количество электроэнергии, для получения которого ТЭС потребуется сжечь 730 цистерн природного газа, 600 вагонов угля или 900 нефтеналивных железнодорожных танкеров.

Помимо этого, тепловые электростанции сильно ухудшают экологическую обстановку в районах месторасположения. Продукты горения топлива сильно загрязняют атмосферу. Лишь только станции, работающие на газотурбинных установках, отвечают требованиям экологической чистоты.

Гидроэнергетика

Примерами эффективного применения гидроэнергетики являются Асуанская, Саяно-Шушенская ГЭС и др. Самые экологичные электростанции, использующие кинетическую энергию движения воды, не производят никаких вредных выбросов в окружающую природу. Однако массовое возведение гидросооружений ограничено совокупностью обстоятельств. Это наличие определённой величины природного водного потока, особенностью рельефа местности и многое другое.

ГЭС

Альтернативная энергетика

Научно-техническая революция не замирает ни на минуту. Каждый день приносит новшества в получение электрического тока. Пытливые умы постоянно заняты поисками новых технологий выработки электроэнергии, которые выступают в роли альтернативы традиционным способам получения электричества.

Следует упомянуть ветровые генераторы, приливные морские станции и солнечные батареи. Наряду с этим, появились устройства, вырабатывающие электроток, используя тепло разложения бытовых отходов, продуктов жизнедеятельности крупного рогатого скота. Есть такие устройства, которые используют температурную разницу различных слоёв грунта, щелочную и кислотную среду почвы на разных уровнях. Альтернативные источники электроэнергии объединяет одно – это несопоставимость выработанного количества энергии с объёмами электричества, которые получают традиционными способами (АЭС, ТЭС и ГЭС).

Передача электричества на дальние расстояния

Если передача электрической энергии осуществляется на дистанции в сотни километров, то используют воздушные линии. Их строительство обходится существенно дешевле, в сравнении с кабельными, укладываемыми под землю. ЛЭП способны объединять в общую сеть соседние страны. Помимо этого, они проще в эксплуатации, ведь провода находятся под открытым небом. Этот фактор упрощает осмотр технического состояния линии и позволяет заблаговременно спрогнозировать её неисправности.

Возведение ЛЭП 750 000 вольт

Постоянный ток в качестве альтернативы

Большинство из используемых сегодня в мире линий электропередач работает на переменном токе. Однако имеются исключения. В некоторых случаях применение постоянного тока оказывается более эффективным:

отпадает необходимость в синхронизации генераторов, работающих в разных энергосистемах;
сводятся к нулю потери на ёмкостное и индуктивное сопротивления кабеля;
снижается стоимость линии, т.к. для передачи постоянного тока достаточно всего 2 проводников;
возможность использования на уже построенных ЛЭП переменного тока, т.е. не нужно возводить новые магистрали;
снижение электромагнитного излучения, возникающего при смене направления тока.

Дополнительная информация. Большинство домашних электроприборов может работать от постоянного тока. К ним относятся лампочки, интернет роутеры, дрели, обогреватели и многое другое. Переменный ток необходим только для некоторых видов двигателей, которые в быту встречаются крайне редко.

Умение передавать электрический ток на огромные расстояния послужило решающим фактором для развития всего человечества. Однако индустрия не стоит на месте, поэтому сейчас учёные работают над тем, чтобы сделать транспортировку энергии ещё эффективнее и дешевле.

V. ГОЭЛРО

История

ГОЭЛРО (Государственная комиссия по электрификации России) – орган, созданный 21 февраля 1920 года для разработки проекта электрификации России после Октябрьской революции 1917 года.

К работам комиссии было привлечено свыше 200 деятелей науки и техники. Возглавлял комиссию Г.М. Кржижановский. ЦК Коммунистической партии и лично В. И. Ленин повседневно направляли работу комиссии ГОЭЛРО, определяли основные принципиальные положения плана электрификации страны.

К концу 1920 комиссия проделала огромную работу и подготовила «План электрификации РСФСР» – том в 650 страниц текста с картами и схемами электрификации районов. План ГОЭЛРО, рассчитанный на 10-15 лет, реализовал ленинские идеи электрификации всей страны и создания крупной индустрии. В области электроэнергетического хозяйства план состоял из программы, рассчитанной на восстановление и реконструкцию довоенной электроэнергетики, строительство 30 районных электрических станций, сооружение мощных районных тепловых электростанций. Электростанции намечалось оборудовать крупными для того времени котлами и турбинами. Одной из основных идей плана являлось широкое использование огромных гидроэнергоресурсов страны. Предусматривались коренная реконструкция на базе электрификации всех отраслей народного хозяйства страны и преимущественно рост тяжёлой промышленности, рациональное размещение промышленности по всей территории страны. Осуществление плана ГОЭЛРО началось в трудных условиях Гражданской войны и хозяйственной разрухи.

С 1947 СССР занимал 1-е место в Европе и 2-е в мире по производству электроэнергии.

План ГОЭЛРО сыграл в жизни нашей страны огромную роль: без него не удалось бы вывести СССР в столь короткие сроки в число самых развитых в промышленном отношении стран мира. Реализация этого плана сформировала всю отечественную экономику и до сих пор в значительной мере ее определяет.

Составление и выполнение плана ГОЭЛРО стали возможным и исключительно благодаря сочетанию многих объективных и субъективных факторов: немалого промышленно-экономического потенциала дореволюционной России, высокого уровня российской научно-технической школы, сосредоточения в одних руках всей экономической и политической власти, ее силы и воли, а также традиционного соборно-общинного менталитета народа и его послушно-доверительного отношения к верховным правителям. План ГОЭЛРО и его реализация доказали высокую эффективность системы государственного планирования в условиях жестко централизованной власти и предопределили развитие этой системы на долгие десятилетия.

Результаты

К концу 1935 программа электростроительства была в несколько раз перевыполнена.

Вместо 30 было построено 40 районных электростанций, на которых вместе с другими крупными промышленными станциями было введено 6914 тыс. кВт мощностей (из них районных 4540 тыс. кВт – почти в три раза больше, чем по плану ГОЭЛРО). В 1935 г. среди районных электростанций было 13 электроцентралей по 100 тыс. кВт.

До революции мощность самой крупной электростанции России (1-й Московской) составляла всего 75 тыс. кВт; не было ни одной крупной ГЭС. К началу 1935 г. общая установленная мощность гидроэлектростанций достигла почти 700 тыс. кВт. Были построены крупнейшая в то время в мире Днепровская ГЭС, Свирская 3-я, Волховская и др. В высшей точке своего развития Единая энергосистема СССР по многим показателям превосходила энергосистемы развитых стран Европы и Америки.

Электричество было практически неизвестно в деревнях до революции. Большие землевладельцы устанавливали небольшие электростанции, но число их было мало.

Электроэнергия стала применяться в сельском хозяйстве: в мельницах, кормовых резцах, зерноочистительных машинах, на лесопилках; в промышленности, а позже – в быту.