CC BY
33проблемы развития электроэнергетики на основе технологий николы тесла
Дмитрий Семёнович Стребков является действительным членом Российской академии наук (РАН) и одним из основоположников активного использования возобновляемых источников энергии. Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) и лично академик Д.С. Стребков внесли и продолжают вносить большой вклад в развитие возобновляемой энергетики в России и пользуются заслуженным авторитетом в научно-техническом энергетическом сообществе в своей стране и за рубежом.
Дмитрий Стребков,
действительный член Российской академии наук (РАН), научный руководитель Всероссийского института электрификации сельского хозяйства (ФГБНУ ВИЭСХ), Россия viesh@dol.ru
Аннотация: В статье рассказывается о принципиально новых российских технологиях создания глобальной электрической сети с применением однопроводных или беспроводных электропередач реактивного тока, основанных на идеях и опытах гениального ученого Николы Теслы. Эти технологии позволяют не только решать распространенные проблемы современной энергетики, но и создавать сверхнадежные глобальные системы электроснабжения с использованием солнечной энергии. В частности, на резонансные методы передачи и применения электрической энергии учеными института ВИЭСХ получено более 50 патентов РФ.
Ключевые слова: технологии однопроводных или беспроводных электропередач реактивного тока, Никола Тесла, глобальные системы электроснабжения, резонансные методы передачи электрической энергии, бесконтактный метод электроснабжения.
Введение
Практически вся энергия, вырабатываемая генерирующими источниками всех видов, доводится до потребителей по системам передачи и распределения (СПР), где существенная ее часть теряется по техническим и коммерческим причинам. Кроме того, получаемая потребителями энергия используется во многих случаях неэффективно из-за технологического несовершенства энергопотребляющего оборудования и отсутствия соответствующих стратегий рационального энергетического менеджмента.
Вследствие указанных причин технического, организационного и коммерческого характера во многих странах мира до 40-50% производимой первичной энергии полезно не используется. Так, в России в настоящее время неиспользуемый технический потенциал энергосбережения составляет до 420 млн. т у.т, или 45% от всего уровня потребления энергии в 2005 году111.
Суммарные инвестиции в СПР по величине в настоящее время сопоставимы с объемами инвестиций в электростанции, а затраты по эксплуатации СПР, составляя в среднем от 5 до 8 долл. на 1 МВт^ч передаваемой электроэнергии, добавляют к конечной цене энергии у потребителя от 5 до 10% соответственно при высоком и низком рабочем напряжении энергетического оборудования121.
В ENERGY BULLETIN
Таблица 1. Средние величины расходов электроэнергии на собственные нужды электростанций и ее потерь в СПР по некоторым странам мира, %.
Страны или их Расходы электроэнер- Потери электро- Расходы электро- Всего объединения гии на собственные энергии в СПР энергии на аккуму-нужды станций лирование
Индия 6,9 25,0 0,0 31,9
Мексика 5,0 16,2 0,0 21,1
Бразилия 3,4 16,6 0,0 20,0
Россия 6,9 11,8 -0,6 18,1
Китай 8,0 6,7 0,4 14,7
ЕС-27 5,3 6,7 0,4 12,5
США 4,8 6,2 0,2 11,2
Канада 3,2 7,3 0,0 10,5
Япония 3,7 4,6 0,3 8,7
Весь мир 5,3 8,8 0,2 14,3
Источник: Energy Technology Perspectives 2008 Scenarios and Perspectives to 2050/ OECD/IEA, 644 pp
Таблица 2. Технико-экономические параметры высоковольтных ЛЭП переменного и постоянного тока.
Параметры ЛЭП
переменного тока постоянного тока
Рабочее напряжение, кВ 760 1160 +600 +800
Потери в воздушных линиях, %/1000 км 8 6 3 2,5
Потери в кабельных (морских) линиях, %/100 км 60 50 0,33 0,2
Потери на подстанциях, % на подстанцию 0,2 0,2 0,7 0,6
Инвестиции в воздушные линии, млн. евро на 1000 км 400-750 1000 400-450 250-300
Инвестиции в кабельные линии, млн. евро на 1000 км 3200 5900 2500 1800
Инвестиции в подстанции, млн. евро на подстанцию 80 80 250-350 250-350
Источник: Energy Technology Perspectives 2008 Scenarios and Perspectives to 2050/ OECD/IEA, 644 pp
Кроме того, передача электроэнергии сопровождается существующими потерями, составляющими мире в среднем 8,8% от ее производимого объема, однако имеющими довольно широкий диапазон колебаний по отдельным странам (табл. 1). Суммарные потери электроэнергии в настоящее время в мире превышают объем ее производства в такой стране, как Китай (3433,4 ТВ^ч).
Передача электроэнергии от электростанций к крупным потребителям или к центрам нагрузки осуществляется по линиям электропередачи (ЛЭП) преимущественно переменного тока напряжением в диапазоне 150-750 кВ. Потери в таких ЛЭП составляют от 15% на 1000 км длины линий
напряжением 380 кВ и до 8% на 1000 км напряжением 750 кВ (табл. 2)[2].
В европейских странах около 2% ЛЭП сверх- и ультравысокого напряжения являются кабельными. Однако если технические ограничения строительству подземных кабельных ЛЭП постоянного тока благодаря инновациям постепенно устраняются, то экономические ограничения их использованию остаются: стоимость подземных кабельных ЛЭП постоянного тока по-прежнему в 5-25 раз превышает стоимость воздушных ЛЭП аналогичных параметров. Строительство подземных кабельных ЛЭП высокого напряжения переменного тока ограничивается инженерными проблемами®.
Никола Тесла - изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик. Родился и вырос в Австро-Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США, в 1891 году получил гражданство США, по национальности - серб. Широко известен благодаря своему вкладу в создание устройств, работающих на переменном токе, многофазных систем электродвигателя, позволивших совершить так называемый второй этап промышленной революции. Именем Н. Теслы названа единица измерения плотности магнитного потока (магнитной индукции). Современники-биографы считают Теслу «человеком, который изобрёл XX век» и «святым заступником» современного электричества. Ранние работы Теслы проложили путь современной элек-тротехнике, его открытия раннего периода имели инновационное значение.
Для распределительных линий электропередачи основная проблема заключается в наличии больших потерь электроэнергии вследствие более низкого их напряжения и необходимости многократной трансформации энергии при ее распределении. Основными факторами потерь являются: степень трансформации электроэнергии, плотность нагрузки потребителей, динамика ее изменения во времени, а также техническое состояние оборудования распределительных электрических сетей. Например, в Индии, где плотность нагрузки на единицу площади очень низкая и потери в распределительных ЛЭП могут достигать 30%, а в часы максимальных нагрузок составлять более 45%.[3].
Несмотря на рост капиталовложений в модернизацию российского распределительного сетевого комплекса, оборудование продолжает стареть. По данным ОАО «Россети» (бывший «Холдинг МРСК»), сегодня в полной замене нуждаются 4,7 тысячи подстанций 35-220 кВ, 11,8 тысячи трансформаторов 35-220 кВ, 73 тысячи выключателей 6-220 кВ[3]. Результаты оценки состояния распред-сетевого оборудования, проведенной в 69 субъектах Российской Федерации, показали, что 52% оборудования отработало нормативный срок, из них 7,4% отработало два нормативах срока. Для замены высоковольтных и кабельных линий 6-220 кВ необходимы инвестиции в размере 1,337 триллиона рублей, на замену подстанций 35-220 кВ -
В ENERGY BULLETIN
1,205 триллиона рублей и трансформаторных пунктов 6-20 кВ - 0,308 триллиона рублей.
В настоящее время известно о принципиально новых отечественных технологиях создания глобальной электрической сети с применением однопроводных или беспроводных электропередач реактивного тока, основанных на идеях и опытах гениального ученого Николы Теслы.
Эти технологии позволяют не только решать указанные выше проблемы, но и создавать сверхнадежные глобальные системы электроснабжения с использованием солнечной энергии141. На резонансные методы передачи и применения электрической энергии учеными ВИЭСХа получено более 50 патентов РФ[31.
Глобальная энергетическая система энергоснабжения Земли
В 1975 году Р. Букминстер Фуллер предложил соединить региональные энергосистемы в Единую энергетическую систему Земли. Эту проблему активно развивает и пропагандирует Институт глобальной энергетической сети GENI (GLOBAL ENERGY NETWORK INSTITUTE), зарегистрированный в Калифорнии, США[31.
Президент GENI Петер Мейсен участвовал в работе Международного солнечного конгресса в Москве в 1997 г. и сделал доклад в ВИЭСХ. Работы по передаче электрической энергии на большие расстояния ведут Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (бывший Сибирский Энергетический Институт), Санкт-Петербургский политехнический университет (бывший Санкт-Петербургский государственный технический университет), Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина (ФГУП ВЭИ), а также ABB, Сименс и другие компании. Разрабатывается энергосистема 10 южноамериканских стран, арабских государств, Балтийское и Черноморское энергетические кольца, линия электропередач Сибирь - Китай. Созданы объединенные энергосистемы России и стран СНГ, а также США и Канады, скандинавских и европейских стран.
Существующие технологии позволяют передавать потоки электроэнергии мощностью 10 Гигаватт на расстояние несколько тысяч километров. Используются линии электропередач постоянного или переменного тока напряжением 0,61,2 млн. В, стоимость которых превышает 1 млн.
долл. за 1 километр, а с учетом согласующих, регулирующих и преобразующих устройств составляет более 5 млн. долл/км. Потери электрической энергии в ЛЭП составляют 8-10%. Предельная передаваемая по линии электрическая мощность ограничена тремя факторами: плотностью тока 1,0-1,5 А/мм2, связанной с потерями на сопротивлении проводов, изоляционными возможностями воздуха на уровне 1,5 млн. В и электромагнитной устойчивостью линии.
На основе резонансных методов передачи энергии создаются однопроводниковые волно-водные кабельные линии, согласующие и преобразующие устройства, которые соединят генераторы и потребителей энергии в каждой стране в мировую энергетическую систему. Резонансные технологии позволяют передавать потоки электроэнергии мощностью несколько Тераватт на расстояния в десятки тысяч километров.
Исследованиями великих миграционных процессов, происходивших на Земле, занимается Международная ассоциация «Путями Великих Миграций Человечества» под руководством российского ученого Д.Б. Пюрвеева. Со времен древнего палеолита (420 тыс. лет до н.э.) началась миграция племен из Северо-восточных регионов Азии через Берингов пролив в Северную Америку. Охотники каменного века (7-10 тыс. лет до н.э.) осваивали во время сезонных миграций трассы Великого Шелкового пути, который соединил страны Европы, Ближнего и Среднего Востока с Китаем и Индией. В настоящее время идет процесс возрождения Великого Шелкового пути и транспортных артерий из Юго-Восточной Азии в Северную Азию и Европу. Д.Б. Пюрвеев с группой российских ученых предложил международный проект «Великое сокрестие континентов», в котором предлагается интеграция Евразийского и Американского континентов в 21 веке.
Будут созданы трансконтинентальные системы, объединяющие транспортные и энергетические потоки, совмещающие волноводные кабельные линии, магистральные линии связи, трассы железной дороги и автомобильной магистрали. В первую очередь это транспортная и энергетическая магистраль с Запада на Восток: Лиссабон - Владивосток и с Юга на Север: Австралия, Индонезия, Таиланд, Вьетнам - Китай -Берингов пролив - Аляска - Канада - Америка. Второй меридиональный (энергетический) поток
пройдет по Великому Шелковому пути: Индия -Афганистан - Киргизстан - Таджикистан - Узбекистан - Туркменистан - Казахстан, Север Западной Сибири. Меридиональные энергетические и транспортные потоки пересекутся в Восточной и Западной Сибири с широтной энергетической и транспортной магистралью, образуя великое со-крестие Европы и Азии.
Третья меридиональная транспортная и энергетическая линия свяжет Кейптаун с Осло через Восточную Африку, Арабские страны, Турцию, страны Черного моря, со странами Восточной Европы и Скандинавии. Четвертая меридиональная энергетическая линия соединит страны Западной Африки, Средиземноморья, Западной Европы, Англию и Ирландию. Меридиональная энергетическая линия соединит страны Южной и Северной Америки.
Будет создана также широтная энергетическая линия в экваториальной зоне от 0° до 30° северной широты, соединяющая страны Азии, Африки и Латинской Америки.
Экваториальная энергетическая линия, а также широтная энергетическая линия Лиссабон - Владивосток будет замкнута через Тихий и Атлантический океан, Северную и Центральную Америку. Сеть меридиальных и широтных энергетических линий образуют объединенную энергетическую Систему Земли.
новые энергетические технологии
В таблице 3 представлены новые энергетические технологии, определяющие развитие энерге-
тики в XXI веке и переход современной цивилизации на путь устойчивого развития.
Современные энергетические системы
Современные системы передачи электрической энергии используют двух и трехпроводные линии, в которых электрическая энергия передается от генератора к приемнику бегущими волнами тока, напряжения и электромагнитного поля. Основные потери обусловлены джоулевыми потерями на сопротивлении проводов от протекания активного тока проводимости по замкнутому контуру от генератора к приемнику и обратно. Крупные энергетические компании во многих странах мира вкладывают гигантские средства и научные ресурсы в создание технологии высокотемпературной сверхпроводимости для снижения джоулевых потерь в линии. В России имеется свыше 2 миллионов километров сетей, больше половины которых выработало свой нормативный срок. В ближайшие 15 лет их надо менять. Глава ФСК ЕЭС (Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы) Олег Бударгин заявил: «Мы ожидаем новые материалы и технологии передачи энергии на большие расстояния. Но если говорить о прорывных решениях для электросетей, то их за последние годы не было». На самом деле прорывные технологии для электрических сетей и систем существуют.
Резонансные волноводные системы
Существует другой, вероятно, более эффективный способ снижения потерь, по крайней
Таблица 3. новые энергетические технологии, определяющие развитие энергетики в XXI веке и переход современной цивилизации на путь устойчивого развития.
№ Разделы науки и техники новые энергетические технологии
1. Физика твердого тела и полупровод- Солнечная фотоэлектрическая энергетика.
никовая электроника. Электрические генераторы.
2. Единая физическая теория простран- Сверхпроводящие электромагнитные движители без отброса
ства-времени, материи и поля. массы.
3. Резонансная электротехника Н. Тесла. Евразийская и мировая энергетическая система. Бесконтактное
электроснабжение наземного и морского электротранспорта.
4. Лазерная и электронно-лучевая Беспроводные направленные методы передачи электрической
техника. энергии в атмосфере и в космическом пространстве.
5. Плазменные и электроимпульсные Водородная энергетика. Быстрый пиролиз твердых органиче-
технологии. ских отходов в газообразное и жидкое топливо.
6. Холодный ядерный синтез. Новая ядерная энергетика.
7. Трансмутация ядер. Новые методы получения материалов.
8. Новая ядерная физика. Снижение радиоактивности отходов АЭС.
9. Сверхкритическое водное окисление. Получение метана из жидких органических отходов.
В ENERGY BULLETIN
мере, в магистральных межсистемных линиях электропередач: разработать регулируемые резонансные волноводные системы передачи электрической энергии на повышенной частоте 1-100 кГц, которые не используют активный ток проводимости в замкнутой цепи. В волновод-ной однопроводниковой линии нет замкнутого контура, нет бегущих волн тока и напряжения, а есть стоячие (стационарные) волны реактивного емкостного тока и напряжения со сдвигом фаз 90°. За счет настройки резонансных режимов, выбора частоты тока в зависимости от длины линии можно создать в линии режим пучности напряжения и узла тока (например, для полуволновой линии). При этом из-за отсутствия активного тока, сдвига фаз между стоячими волнами реактивного тока и напряжения 90° и наличия узла тока в линии отпадает необходимость и потребность в создании в такой линии режима высокотемпературной сверхпроводимости, а джоулевы потери становятся незначительными в связи с отсутствием замкнутых активных токов проводимости в линии и незначительными величинами незамкнутого емкостного тока вблизи узлов стационарных волн тока в линии131.
Для сомневающихся в существовании незамкнутых электрических токов приводим высказывания двух выдающихся ученых в области электротехники и электроэнергетики.
«Исключительная трудность согласования законов электромагнетизма с существованием незамкнутых электрических токов - одна из причин среди многих, почему мы должны допустить существование токов, создаваемых изменением смещения». Д. Максвелл*.
«В 1893 году я показал, что нет необходимости использовать два проводника для передачи электрической энергии... Передача энергии через одиночный проводник без возврата была обоснована практически». Н. Тесла, 1927 г.
«Эффективность передачи может быть 96 или 97 процентов, и практически нет потерь... Когда нет приемника, нет нигде потребления энергии». Н. Тесла, 1917 г.
* Джеймс Клерк Максвелл - британский физик, математик и механик. Заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвелла), ввёл в физику понятия тока смещения и электромагнитного поля, один из основателей кинетической теории газов (прим. ред.).
«Мои эксперименты показали, что на поддержание электрических колебаний по всей планете потребуются несколько лошадиных сил». Н. Тесла, 1905 г.
Н. Тесла ответил и на вопрос, который часто задают нам: почему электроэнергетика не восприняла его идеи? «Мой проект сдерживался законами природы. Мир не был готов к нему. Он слишком обогнал время. Но те же самые законы восторжествуют в конце и осуществят его с великим триумфом». Н. Тесла, 1919 г.
Преимущества технологии н. Тесла
В отличие от ЛЭП постоянного тока с преобразовательными подстанциями на высокой стороне трансформаторов, в технологии Н. Тесла используются преобразователи частоты и инверторы на низкой стороне трансформаторов, что снижает их стоимость до уровня 100-200 дол. США за 1 кВт.
Полуволновые линии
Стационарные, или стоячие, волны являются для инженера-электрика явлением, не имеющим реального физического содержания, поскольку длина линий электропередач обычно не превышает 1000 км, а длина волны тока и напряжения при 50 Гц составляет 6000 км. Полуволновая линия длиной 1000 км может быть получена при частоте 150 Гц и даже в двух-трёх проводном классическом исполнении такая линия будет передавать значительно большую мощность, чем при частоте 50 Гц.
Классические линии
Классические линии электропередач проявляют резонансные свойства только в аварийном режиме, например, при обрыве линии у потребителя. Для понимания трудов Н. Тесла и развития его идей по резонансным электротехнологиям необходимо классический курс электротехники для инженеров-электриков дополнить специальным курсом, содержащим сведения о резонансных линиях, работающих на повышенной частоте, принципах работы одно-проводниковых и спиральных волноводов, методах расчета элементов электрических цепей с распределенными параметрами, об основных научных результатах и практических достижениях в области резонансных электрических технологий и перспективах их использования.
Таблица 4. Сравнение классических систем электроснабжения с технологией н .Тесла в области передачи электрической энергии.
№ Классические системы электроснабжения Энергетические системы н. Тесла
1 Частота переменного тока 50 Гц (Европа), 60 Гц (США), 400 Гц (авиация) Частота переменного тока 500 Гц-500 кГц
2 Используются режимы подавления резонансных свойств линий, трансформаторы с замкнутым сердечником, трехфазные и однофазные воздушные линии Используются резонансные режимы работы линии, резонансные контуры, резонансные трансформаторы с разомкнутым сердечником или без сердечника, волно-водные однопроводниковые кабельные линии, а также земной шар в качестве однопроводниковой линии
3 Потенциалы на выводах высоковольтной обмотки однофазного трансформатора равны по величине и противоположны по знаку Потенциал одного из выводов высоковольтной обмотки трансформатора Тесла равен нулю, а потенциал второго вывода имеет максимальную по модулю положительную или отрицательную величину
4 Однослойная электрическая катушка является классической индуктивностью Однослойная электрическая катушка является в различных вариантах использования замедляющей системой, линией задержки, спиральным волноводом, спиральной антенной или электрическим резонатором
5 Трансформатор содержит низковольтную и высоковольтную обмотку, которые выполнены в виде многослойных катушек с сосредоточенными параметрами, и существует классическая теория расчета обмоток трансформаторов Высоковольтный трансформатор Тесла содержит дополнительную однослойную высоковольтную обмотку, которая является электрическим резонатором с распределенными параметрами, и параметры электрического резонатора невозможно рассчитать, используя классическую теорию электрических цепей
6 Обрыв фазы в ЛЭП у потребителя является аварийным режимом Режим разомкнутой линии со стороны генератора является рабочим режимом передачи электрической энергии
7 Электрическая энергия от генератора к потребителю передается в непрерывном режиме Используется импульсный режим накачки энергии в трансформатор Тесла от передающего резонансного контура
8 Для протекания тока цепь должна быть замкнутой Ток протекает в разомкнутой цепи
9 Замкнутый ток генератора должен пройти через нагрузку и вернуться к генератору Незамкнутый ток протекает от генератора к нагрузке без возврата к генератору
10 Ток должен быть одинаковым для всех участков замкнутой цепи. Это справедливо для постоянных токов и квазистационарных переменных токов с частотой 50 Гц при длине цепи до 100 км Ток на разных участках линии может протекать в противоположные стороны и принимать любые значения от нуля до максимума
11 Электрическая энергия передается с помощью активного тока в замкнутой цепи Электрическая энергия передается с помощью реактивного емкостного тока в разомкнутой цепи
12 При передаче электрической энергии в замкнутой линии возникают бегущие волны тока и напряжения При передаче электрической энергии в разомкнутой линии возникают стоячие (стационарные) волны тока и напряжения
13 Волны тока и напряжения в линии совпадают по фазе: ф=0, соБф=1 Волны тока и напряжения в линии сдвинуты по фазе на 90°: ф=90°, соБф=0
14 Пучности и узлы волн тока и напряжения совпадают во времени и по длине линии Пучности и узлы волн тока и напряжения не совпадают во времени и расположены на разных участках линии. В момент времени, когда напряжение по всей линии равно нулю, ток в линии имеет максимальное значение и наоборот
В ENERGY BULLETIN
№ Классические системы электроснабжения Энергетические системы Н. Тесла
15 Пучности и узлы волн тока и напряжения перемещаются вдоль линии Пучности и узлы волн тока и напряжения жестко фиксированы по длине линии
16 Максимальная эффективная плотность тока в линии 1,5-3,5 А/мм2 Максимальная эффективная плотность тока в линии из медного проводника при комнатной температуре 600 А/мм2. Параметры действующей установки в ФГБНУ ВИЭСХ: диаметр проводника 80 мкм, передаваемая мощность более 20 кВт, напряжение 6,8 кВ
17 Потери при передаче электрической энергии в линии 8,5% (нормативные), 10-20% (фактические) Потери при передаче электрической энергии в линии 1-3% (экспериментальные данные Н. Тесла)
18 В режиме передачи активной мощности напряжение вдоль линии постоянно и существует угол между векторами напряжения в начале и в конце линии Угол между векторами напряжения в начале и конце линии равен нулю, а величина напряжения изменяется в широких пределах и определяется добротностью линии
19 Передаваемая активная мощность регулируется изменением угла между векторами напряжения в начале и конце линии и изменением величины напряжения Передаваемая Активная мощность регулируется изменением величины напряжения и частоты
20 При изменении частоты на 2% передаваемая мощность изменяется незначительно При изменении частоты на 2% передаваемая мощность снижается до нуля
21 Вектор Умова-Пойнтинга направлен вдоль линии от генератора к нагрузке Вектор Умова-Пойнтинга* каждые четверть волны меняет свое направление на противоположное
22 Дальность передачи энергии 2000-3000 км Дальность передачи энергии - неограниченная в пределах Земли
23 Максимальная передаваемая мощность трехфазной ЛЭП ограничена электромагнитной устойчивостью линии на уровне 6 ГВт Максимальная передаваемая мощность ограничена электрической прочностью изоляции и превышает 100 ГВт
24 Беспроводная передача энергии невозможна на частоте 50-60 Гц и экономически неприемлема на повышенной частоте Беспроводная передача энергии имеет высокий КПД и будет широко использоваться в железнодорожном, автомобильном транспорте и ракетно-космической технике
25 В ЛЭП постоянного тока используют преобразовательные подстанции на напряжение 500-750 кВ Используют преобразовательные подстанции на низкой стороне трансформатора Тесла с напряжением 0,4-10 кВ
* Вектор плотности потока энергии электромагнитного поля. Назван по имени российского и английского учёных Н.А. Умова и Дж. Пойнтинга (Ш. Роупйпд) соответственно (прим. ред.).
Таблица 5. Результаты испытаний резонансной системы передачи электрической системы мощностью 20 кВт.
Электрическая мощность на нагрузке 20,52 кВт
54 А
Напряжение 380 В
Напряжение линии 6,8 кВ
Частота линии 1 кГц
Длина линии 6 м 1,2 км
Диаметр провода линии 0,08 мм 1 мм
Максимальная эффективная плотность тока на единицу площади поперечного сечения проводника линии 600 А/мм2
Максимальная удельная электрическая мощность в однопроводниковой линии 4 МВт/мм2
Рис. 1. Передающий и приемные блоки резонансной электрической системы. Вверху: преобразователь частоты и резонансный контур передающего высокочастотного трансформатора; внизу: резонансный контур понижающего высокочастотного трансформатора.
Результаты экспериментов
В экспериментальной резонансной однопро-водниковой системе передачи электрической энергии, установленной в экспериментальном зале ВИЭСХ, мы передавали электрическую мощность 20 кВт при напряжении 6,8 кВ на расстояние 6 м по медному проводнику диаметром 80 мкм при комнатной температуре, при этом эффективная плотность тока в проводнике составила 600 А/ мм2, а эффективная плотность мощности - 4 МВт/ мм2 (табл. 5 и рис. 1, 2 и 3). Из других применений резонансной электроэнергетики, основанной на незамкнутых токах, следует выделить беспроводной офис, бесконтактный высокочастотный электротранспорт, создание местных энергетических систем с использованием возобновляемых источников энергии, соединение оффшорных морских
Рис. 2. Высокочастотные резонансные трансформаторы напряжением более 1 млн. В в лаборатории ВИЭСХ.
Рис. 3. Испытания резонансной энергетической системы 20 кВт с однопроводниковой кабельной линией 1,2 км в лаборатории ВИЭСХ.
ВЭС с береговыми подстанциями, электроснабжение потребителей на островах, пожаробезопасные однопроводниковые системы уличного освещения и освещения зданий.
Преимущества резонансного метода передачи электрической энергии
• Электрическая энергия передается с помощью реактивного емкостного тока в резонансном режиме. Несанкционированное использование энергии затруднено.
В ENERGY BULLETIN
• Содержание алюминия и меди в проводах может быть снижено в 10 раз.
• Потери электроэнергии в однопроводной линии малы, и электроэнергию можно передавать на большие расстояния.
• В однопроводном кабеле невозможны короткие замыкания, и однопроводный кабель не может быть причиной пожара.
Кабельные линии Н. Тесла
Н. Тесла опубликовал два патента на кабельные однопроводные линии, которые можно использовать для проекта единой энергосистемы России от Владивостока до Калининграда. В первом патенте предлагается использовать кабели со специальными экранами, которые снижают практически до нуля потери энергии на излучение. Диаметр токоведущей жилы кабеля составляет 1-5 мм, что обеспечивает малую электрическую емкость кабеля. Во втором патенте Н. Тесла предложил прокладывать волноводные однопроводниковые кабельные линии в зоне вечной мерзлоты для повышения прочности изоляции, а для создания зоны вечной мерзлоты вокруг кабеля использовать в качестве проводника электроизолированную металлическую трубу, по которой прокачивают газообразный или жидкий хладоагент с низкой температурой.
Сверхдлинные кабельные линии
Однопроводниковые резонансные системы открывают возможности для создания сверхдальних кабельных линий электропередач и, в перспективе, замены существующих воздушных линий на кабельные однопроводниковые линии. Тем самым будет решена одна из важнейших проблем электроэнергетики - повышение надежности электроснабжения.
Использование изолированных однопровод-никовых кабельных линий вместо земли позволит избежать экологических проблем, связанных с реализацией проекта Н. Тесла по созданию глобальной системы электроснабжения.
Преимущество кабельных линий по сравнению с высоковольтными воздушными линиями:
• нет необходимости в техническом обслуживании;
• пониженное магнитное поле;
• бесшумность;
• большая безопасность (из-за обрыва проводов);
• большая надежность;
• нет влияния погодных условий;
• не нарушается естественный природный ландшафт;
• снижение на 10% потерь при передаче энергии из-за отсутствия короны и токов утечки;
• нет полосы отчуждения.
Необходимо разработать и организовать производство однопроводниковых кабелей с диаметром медного проводника 1-3,5 мм на напряжение 100-1000 кВ, частотой 1-100 кГц.
Энергосистема Владивосток-Калининград
В настоящее время энергосистема Дальнего Востока не присоединена к Единой энергетической системе России. Одной из причин является ограничение перетоков мощности в межсистемных магистральных ЛЭП величиной 6 ГВт и расстояния передачи величиной 3000 км, которые связаны с электромагнитной устойчивостью линии и потерями электрической энергии при передаче.
Предлагаем разработать и построить межсистемную линию передачи электрической энергии от Владивостока до Калининграда с использованием технологий Н. Тесла, на которые в ВИЭСХ получено 50 патентов РФ.
Установленная мощность электростанций в России составляет 125 ГВт, годовое производство электроэнергии 1000 млрд. кВтхч. Принимаем, что производство электроэнергии в ночное время составляет 50% от дневного максимума нагрузки и что с учетом роста экономики и потребления электроэнергии в перспективе возможные перетоки мощности в широтном направлении в часы ночного минимума нагрузки составят 50 ГВт. Технико-экономические расчеты были проведены на переток мощности 10 ГВт.
Задача же создания глобальной энергетической системы в целом может быть разделена на две задачи: формирование генерирующих центров большой мощности и разработка с последующей практической реализацией технологий эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния для обеспечения перетоков энергии в глобальной системе. Возможности солнечной энергетики для решения первой из указанных задач трудно переоценить.
Океан энергии вокруг нас
По оценке нобелевского лауреата Р. Фейнма-на (Richard Feyuman) и проф. Дж. Уилера (John A. Wheeler) в вакууме, заключенном в объеме лампы накаливания, достаточно энергии, чтобы вскипятить все океаны на Земле. Цель ученых - создание генератора, способного генерировать избыточную энергию, превышающую объем энергии, полученной от источника питания151.
Основным видом воздействия на вакуум является энергомагнитное воздействие, целью которого является достижение критического уровня возбуждения вакуума. Термин «энергия физического вакуума» пришел на смену термину «энергии эфира», широко распространенному в прошлом столетии. Н. Тесла в 1891 году в своей лекции в колледже Колумбии говорил: «Мы теперь уверены, что электрические и магнитные явления относятся к эфиру..., и эффекты статического электричества - эффекты эфира в движении. Мы знаем, что он действует, как несжимаемый флюид, электромагнитная теория света ... учит нас, что электрические и эфирные явления идентичны»161.
Новые электрические машины
В ВИЭСХ разработаны схемы пяти принципиально новых, энергоэффективных, экологически чистых электрических машин и движителей, которые можно использовать для дальнейшего освоения земного и космического пространства. Получен патент и испытан принципиально новый электрический движитель с тягой 2-4 кг с вектором тяги, который контролируется электрическими параметрами. Предложены электрические движители с тягой несколько тонн и новые источники энергии для космических, воздушных, наземных и подводных транспортных систем будущего.
Бесконтактный экологически чистый электротранспорт
Электроснабжение с использованием бесконтактных троллей - инновационное направление развития электротранспорта. Работы по созданию подобных систем выполняются в США, Южной Корее, Германии, Израиле, Российской Федерации (рис. 4, 5).
Н. Тесла запатентовал бесконтактный метод электроснабжения рельсового транспорта от од-нопроводникового кабеля, проложенного в зем-
——......................il...........-———
I WPT charger | (у^)
Рис. 4. Стационарная подзарядка бортового аккумулятора.
Рис. 5. Бесконтактное электроснабжение движущегося экотранспорта.
ле. В своих письмах от 14 и 17 июля 1905 года Н. Тесла писал: «С помощью генератора стоячих волн и приемного оборудования, установленного и настроенного в сколь угодно удаленной местности, возможно передавать четкие сигналы, контролировать или приводить в действие устройства... С помощью передатчика электричество перемещается во всех направлениях в равной мере через землю и воздух, но энергия расходуется только в том месте, где она собирается и используется для выполнения работы. Хотя электрические колебания могут обнаруживаться во всей земле, как на поверхности, так и высоко в воздухе, энергия бы фактически не потреблялась. Электромагнитная
Автомобиль
источник электроснабжения
\ Воздушный промежуток ^ токосъемное устройство
однопроводниковая линия
Рис. 6. Схема энергоснабжения бесконтактного высокочастотного электротранспорта.
Рис. 8. Фрагмент физической модели демонстрационного образца электроиндукционной бесконтактной передачи (испытания: мощность нагрузки - 1 кВт; дистанция передачи - 0,1м; КПД - не менее 0,9;16 кГц; 6,5 кВ).
Рис. 7. Фрагмент физической модели демонстрационного образца электроиндукционной бесконтактной передачи (этап сборки).
Рис. 9. Макеты систем беспроводного электроснабжения транспортных средств.
энергия передатчика передается в ту точку Земли или ее атмосферы, где имеется приемник с резонансной частотой, настроенный на частоту передатчика».
В ВИЭСХ разработаны и запатентованы экспериментальные модели электромобиля и трамвая будущего без аккумулятора, который получает электроснабжение от внешней энергосистемы через воздушный промежуток от однопровод-никового кабеля, проложенного у поверхности дорожного покрытия. Разработки бесконтактной системы электроснабжения для транспорта выполняются в ВИЭСХ на базе резонансных методов передачи электроэнергии по однопроводнико-вому кабелю. Это основное отличие рассматриваемой разработки от подобных других13,71. Электроэнергия от источника к электроприемникам подается через воздушный промежуток между
днищем автомобиля и дорожным покрытием, в котором проложена однопроводниковая линия (рис. 6).
На рис. 7-11 показаны модели электроиндукционной беспроводной передачи электроэнергии.
Затраты электроэнергии при движении легкого электромобиля составят один доллар на 100 км дороги, стоимость электромобиля снизится в два раза за счет отсутствия аккумулятора и будет дешевле автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, при этом будет полностью решена проблема экологии крупных городов и автострад. Бестроллейные системы электроснабжения повысят надежность трамваев и скоростных поездов, позволят использовать на междугородних автотрассах электрические грузовые автомобили большой грузоподъемности.
У
Рис. 10. Макетные образцы электромобиля с электроснабжением от однопроводниковой кабельной линии, проложенной в дорожном покрытии.
Рис. 11. Макетный образец электрифицированной железной дороги с однопроводниковой резонансной системой электроснабжения.
Электрические тракторы и роботизированные мобильные средства в сельском хозяйстве будут получать электроэнергию от кабеля, проложенного в земле, но для этого необходимо предусмотреть специальную постоянную дорожку (колею) для левого или правого ряда колес электрифицированного мобильного средства. Электрифицированные мобильные роботы с внешним беспроводным электроснабжением обеспечат в будущем организацию сельскохозяйственного производства на принципах «Промышленные фабрики на полях» с полной автоматизацией технологических процессов.
Беспроводной морской электротранспорт
Морские пространства представляют прекрасную проводящую среду для передачи энергии и информации между установками на берегу и морскими судами резонансными методами[31.
Вот что писал по этому поводу Н. Тесла: «В ближайшем будущем мы увидим много новых при-
менений электричества, в частности на судах и на море. Мы будем иметь электрические инструменты для предупреждения столкновений, и мы даже будем способны разгонять туман электрическим воздействием и мощными проникающими лучами. Надеюсь, что в течение нескольких лет беспроводные электростанции будут установлены для освещения океанов. Проект совершенно реален и, в случае осуществления, даст вклад в обеспечение безопасности собственности и человеческих жизней на море больше, чем другие. Эта станция сможет также производить стационарные электрические волны и позволит судам получать в любое время точное местонахождение и другие ценные практические данные без обращения к существующим средствам. Они также будут использованы для посылки сигналов времени и многих других целей подобной природы».
«Новый принцип может быть также применен к подводной лодке, и, в частности, создаст наиболее совершенное средство из всех, которые изобретены, для защиты берега. Но её полные возможности будут только тогда востребованы, когда станет возможным использование определенных электрических волн, к которым земля резонансно чувствительна. Тогда будет практично посылать судно или шар, без экипажа, на расстояние в сотни миль, вести их по любой карте по желанию и освобождать их потенциальную энергию в любой желаемой точке».
Электромагнитные волны слабо поглощаются морской водой и землей и поэтому могут использоваться в системе подводной и подземной передачи информации. Ослабление электромагнитных волн в морской воде составляет:
«(/) = 0,00345-77 дБ/м
При частоте /=100 Гц затухание на глубине моря 300 м составит 90 дБ.
Наши эксперименты показывают, что по морской воде и по земле может передаваться не только электронная информация, но и электрическая энергия. Это означает, например, что подводное транспортное средство может получать энергию и информацию из воды, не поднимая в воздух никаких антенных устройств (рис. 18-22).
На рис. 12 высокочастотный источник энергии 1 соединен через емкость 2 с низковольтной обмоткой 3 повышающего резонансного тран-
В ENERGY BULLETIN
Рис. 12. Резонансная беспроводная система для передачи электрической энергии от источника энергии на берегу океана на подводный корабль.
Рис.14. Резонансная беспроводная система для передачи электрической энергии от источника энергии на надводном корабле на подводный и надводный корабли.
Рис.13. Резонансная беспроводная система для передачи электрической энергии от источника энергии на берегу на надводный корабль.
сформатора Тесла 4. Высоковольтный вывод 5 высоковольтной обмотки 6 соединен с естественной емкостью 7, выполненной в виде сферы, установленной на регулируемой высоте И, от поверхности морской среды (моря) 8 на берегу 9. Низкопотенциальный вывод 10 высоковольтной обмотки 6 трансформатора Тесла 4 соединен электроизолированным кабелем 11 с морской средой 8 с глубиной погружения кабеля И2. На конце кабеля 11 в морской среде 8 могут быть установлены широкополосные или узконаправленные антенны для передачи электрической энергии в морской среде 8 в заданном направлении. Источник энергии 1 с резонансной емкостью 2 и повышающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла 4 размещен в контейнере 12 на берегу 9 моря 8. Электрическую энергию от источника энергии 1 подают с берега моря через морскую среду на подводный корабль 13. На подводном корабле 13 внутри
корпуса 14 установлен высокочастотный понижающий резонансный трансформатор Тесла 15. Высокопотенциальный вывод 16 высоковольтной обмотки 17 соединен с естественной емкостью 18, которая установлена внутри корабля 13. Низкопотенциальный вывод 19 высоковольтной обмотки 17 соединен с помощью кабеля 20 с морской средой 11. Низковольтная обмотка 21 понижающего высокочастотного резонансного трансформатора Тесла 15 соединена через емкость 22 и инвертор 23 с электрической нагрузкой 24. В качестве электрической нагрузки 24 используют электрические схемы подводного корабля и накопители энергии (на рис. 12 не показаны).
На рис. 13 электрическую энергию от источника энергии 1 на берегу 9 моря 8 передают через морскую среду 8 на понижающий высокочастотный резонансный трансформатор 15 с емкостью 22 и инвертором, который размещен в контейнере 25 на борту надводного корабля 26. Естественная емкость 18 установлена над кораблем на регулируемой высоте И3.
На рис. 14 контейнер 12 с высокочастотным источником электрической энергии 1, емкостью 2 и повышающим трансформатором Тесла 4 установлен на надводном корабле 27. Естественная емкость 7 установлена над кораблем 27 на регулируемой высоте И4. Электрическую энергию от источника 1 на надводном корабле 27 передают через морскую среду на резонансные понижающие трансформаторы 15 с емкостью 22, инвертором и естественной емкостью 18, которые установлены на подводном корабле 28 аналогично рис. 14 и на надводном корабле 29 аналогично рис. 13.
Рис. 15. Резонансная беспроводная система для передачи электрической энергии от источника энергии на подводном корабле на подводный и надводный корабли.
Рис 16. Резонансная система для электроснабжения стационарных подводных аппаратов.
Рис. 17. Резонансная система электроснабжения буровых платформ на шельфе.
На рис. 15 высокочастотный источник 1 электрической энергии, повышающий высокочастотный резонансный трансформатор Тесла 4 с емкостью 2 и естественной емкостью 30 установлены на подводном корабле 31. Электрическую энергию от источника энергии 1 передают через морскую среду 8 на резонансные понижающие высокочастотные трансформаторы 15 с емкостью 22 и естественной емкостью 18, которые установлены на подводном корабле 28 аналогично рис. 14 и на надводном корабле 33 аналогично рис. 13.
На рис. 16 высокочастотный источник энергии
I соединен через резонансную емкость 2 с низковольтной обмоткой 3 повышающего резонансного трансформатора Тесла 4. Низкопотенциальный вывод 5 высоковольтной обмотки 6 заземлен. Источник энергии 1 с резонансной емкостью 2 и повышающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла 4 размещен в контейнере 7 на берегу 9 моря 8. Высокопотенциальный вывод 10 высоковольтной обмотки 6 трансформатора Тесла 4 соединен электроизолированным кабелем
II с проводящим каналом 12 трубопровода 13 из электроизоляционного материала с внутренним встроенным экраном 14. Оболочка трубопровода выполнена из двух слоев стеклопластика или сшитого полиэтилена, между которыми встроен экранирующий слой из меди, алюминия или стали. Трубопровод 13 заполнен морской водой и установлен на дне моря 8 между источником энергии 1 и подводным аппаратом 15 - потребителем электрической энергии. На концах трубопровода 13 установлены электроизолированные вводы 16 и 17 для подвода и отвода электрической энергии. Электрическую энергию от источника энергии 1 подают с берега моря через проводящий канал 12 с морской водой на подводный аппарат 15. На подводном аппарате 15 внутри корпуса 16 установлен высокочастотный понижающий резонансный трансформатор Тесла 18. Высокопотенциальный вывод 19 высоковольтной обмотки 20 соединен электроизолированным кабелем 21 с противоположным концом электроизолированного трубопровода 13, заполненного морской водой. Низкопотенциальный вывод 22 высоковольтной обмотки 20 соединен с помощью кабеля 23 с корпусом 24 подводного аппарата 15. Низковольтная обмотка
25 понижающего высокочастотного резонансного трансформатора Тесла 18 соединена через емкость
26 и инвертор 27 с электрической нагрузкой 28. В качестве электрической нагрузки 28 используют электрические системы подводного аппарата и накопители энергии.
На рис. 17 электрическую энергию от источника энергии 1 на берегу 9 моря 8 передают через проводящий канал 12 с морской водой на понижающий высокочастотный резонансный трансформатор 29 с резонансной емкостью 30 и инвертором 31, который размещен в контейнере 32 на буровой платформе 33 в море 8. Резонансная система на рис. 17 позволяет передавать электриче-
Рис. 18. Резонансная система передачи электрической энергии на глубоководный аппарат.
скую энергию на любые стационарные объекты в море: острова, корабли, стоящие на рейде вдали от берега, и др.
На рис. 18 контейнер с высокочастотным источником электрической энергии 1, емкостью 2 и повышающим трансформатором Тесла 4 установлен на надводном корабле 34. Электрическую энергию от источника 1 на надводном корабле 34 передают через проводящий канал 35 в электроизолированном трубопроводе 36 с морской водой на резонансный понижающий трансформатор 36 с резонансной емкостью 37, инвертором 38, который установлен на подводном аппарате 39 аналогично рис. 16. Трубопровод 36 выполнен из электроизоляционного материала с нулевой плавучестью, а оболочка трубопровода 36 со встроенным экраном 40 имеет плотность, близкую к плотности морской воды. В результате масса трубопровода 36 с проводящим каналом 35 снижается, что дает возможность передавать электрическую энергию на глубоководные аппараты с глубиной погружения до 10 км и более. При этом сохраняется возможность вертикального перемещения глубоководного аппарата за счет изменения длины трубопровода 36 и в небольших пределах возможность горизонтального перемеще-
Рис. 19. Резонансная система передачи электрической энергии между стационарными подводными и надводными потребителями энергии.
Рис. 20. Схема передачи электрической энергии на водный транспорт с использованием водного проводящего канала и испытания макета электрического речного судна в лаборатории ВИЭСХ с использованием водопроводной воды в качестве однопроводного волновода. Передающий блок имеет электрическую мощность 100 Вт, напряжение 1 кВ.
ния глубоководного аппарата.
На рис. 19 высокочастотный источник 1 электрической энергии, повышающий высокочастотный резонансный трансформатор Тесла 4 с резонансной емкостью 2 установлены на подводном аппарате 41. Электрическую энергию от источника энергии 1 передают через проводящий канал 42 в электроизолированном трубопроводе 43 с морской водой на резонансные понижающие высокочастотные трансформаторы 44 с резонансной емкостью 45, которые установлены на подводном аппарате 46 аналогично рис. 16 и на надводном аппарате 47 аналогично рис. 17.
Разработан и изготовлен действующий макетный образец катера с приводом гребного винта через редуктор от двигателя постоянного тока. Подвод электроэнергии к катеру осуществляется по изолированному от земли объему воды, на которой находится катер, т.е. вода выполняет роль однопроводной линии электропередачи.
Рис. 21. Макетный образец электрического катера (вверху); блок-схема электроснабжения в водной среде (внизу): 1 - резонансный генератор; 2, 7 - однопроводная линия; 3 - передающий электрод; 4 - вода; 5 - лоток; 6 - приемный электрод; 8 - приемный блок; 9 - электропривод; 10 - гребной винт; 11 - катер; 12 - естественная емкость.
Общий вид макетного образца катера, получающего электроэнергию через окружающую его воду, находящуюся в изолированной от земли водной среде, и блок-схема его электроснабжения в водной среде представлены на рис. 21 и 22.
На рис. 21 вывод передающего повышающего трансформатора резонансного генератора 1 соединен с электродом 3, расположенным в любой точке изолированного от земли канала с водопроводной водой, а закрепленный на корпусе катера приёмный электрод 6 соединён с высоковольтным выводом приемного понижающего трансформатора приемного блока 8, установленного также на катере. Пониженное до 12 В и выпрямленное напряжение подаётся на двигатель 9 постоянного тока, приводящего в движение гребной винт 10.
В заключение данной статьи необходимо отметить, что применение идей Н. Тесла и основанные на них научно-технические разработки не ограничиваются решением энергетических проблем и прежде всего вопросов эффективной передачи энергии на Земле. Они весьма привле-
Рис. 22. Модель водно-моторного транспортного средства с получением электрической энергии через морскую среду.
кательны для создания космических энергетических систем, которые могут быть темой отдельной статьи.
Литература:
1. Energy Technology Perspectives 2008 Scenarios and Perspectives to 2050/ OECD/IEA 644 pp
2. Федоров М.П., Окороков В.Р., Окороков Р.В. Энергетические технологии XXI столетия: тенденции развития. Часть III. Энергетические технологии транспорта, передачи и распределения электрической энергии. Академия энергетики, октябрь 2009, № 5(31), с. 28 - 33
3. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. М.: ВИЭСХ, 4-е изд. 2013, 582 стр.
4. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы 2010 г. М. Изд. ГНУ ВИЭСХ Т.3 310 стр.
5. Мазур И.И. «Энергия будущего», Издательский центр Елима, 2006, с. 530
6. Лайн Вильям. Сверхсекретные архивы Теслы. М.: Эксмо, 2010, с. 159-160
7. Юферев Л.Ю., Стребков Д.С., Рощин О.А. Экспериментальные модели резонансных систем передачи электрической энергии. М.: изд. ВИЭСХ, 2010, 207 стр.
