ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ НА РАССТОЯНИЕ: ВЗГЛЯД ИЗ ПРОШЛОГО В БУДУЩЕЕ

Современный мир невозможно представить без электричества– все сферы деятельности, начиная от удовлетворения бытовых потребностей человека в еде, одежде и жилье, до крупных промышленных производств и даже освоения космических просторов, являются постоянными потребителями электрической энергии. Можно смело утверждать, что весь процесс технического прогресса построен на преобразовании одного вида энергии в другой и, несомненно, что самый распространённый вид такой энергии –электромагнитная.

Первое описание магнетизма, как физического явления, относится к V веку до н.э.- периоду существования Древней Греции, и связано с именем в греческого учёного Фалеса Милетского, проводившего опыты с кусочками янтаря, притягивавшими кусочки ткани после натирания.

В течение следующего тысячелетия последовала череда открытий в области электромагнетизма: «Лейденская банка», источник постоянного тока Вольта, генератор тока Фарадея… Но, как это часто бывает с научными открытиями, опережающими уровень развития техники своего времени, все эти изобретения носили больше исследовательский, да и откровенно развлекательный характер, и сколько-нибудь значимой практической пользы не имели.

Эра практического применения электричества наступила лишь во второй половине 19 века, когда был изобретён телеграф. Источником электрической энергии во всех проектах того времени служили гальванические элементы, что серьёзно ограничивало практическое использование данных разработок. Лишь постройка в 1843 году электрической машины, получившей название генератора Эмиля Штерера, позволила сделать шаг вперёд в данном направлении. И тут уже на первое место вышел вопрос не только производства электроэнергии (хотя и до сегодняшнего дня работы в этом направлении ведутся достаточно интенсивно), но и вопрос её передачи от источника к потребителю с целью её полезного использования. Кстати, первая в истории линия электропередачи была построена в 1891 году: её длина составляла 170 км.

Схема «электростанция- линия электропередачи- потребитель электроэнергии», даже на рубеже 21 века, по-прежнему является самой распространённой. Передача электроэнергии на большие расстояния- процесс достаточно дорогостоящий, требующий больших вложений как на этапе строительства линий, так и на поддержание их работоспособного состояния, так как все параметры передаваемой электроэнергии (частота тока, напряжение, мощность) должны находится в строгих пределах, и поэтому самой главной задачей при передаче электроэнергии по проводам является снижение потерь, связанных с нагревом проводников. Снизить данные потери мощности можно двумя способами: либо уменьшив сопротивление проводника, либо понизив силу тока. В первом случае, потребуется увеличивать сечение проводника, что увеличит объёмы используемых материалов и приведёт к существенному удорожанию линии электропередачи; во втором случае понадобится увеличить напряжение. В настоящее время преимущество в использовании имеет второй способ: используются линии высокого (110,0-220,0 кВ), сверхвысокого (330,0-750,0 кВ) и ультравысокого (более 750-ти кВ) напряжений.

Возможен ещё вариант передачи постоянного тока, при этом отсутствует генерация реактивной мощности и длина линий слабо влияет на передаваемую мощность, но вот стоимость оборудования для данного проекта... Высокая стоимость оборудования делает сомнительным экономическую целесообразность использования метода в промышленных масштабах.

Новый этап развития технологии передачи электроэнергии по проводам берёт начало с 1911 года, когда голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес (1853-1926г.г.) открыл явление сверхпроводимости: измеряя сопротивление замороженного ртутного кольца, он обнаружил, что при охлаждении кольца до температуры 4,2К сопротивление его внезапно, резким скачком падает практически до нуля. Первые сверхпроводники типа НТСП (обычные или низкотемпературные сверхпроводники) могли работать только при очень низких температурах, примерно 4—5°К или минус 269—268°С. Такое охлаждение очень сложно и дорого в виду использования гелия и поэтому не получило массового применения в промышленности.

Очередной прорыв в данной области наступил в 1986 году с открытием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), способных работать при температуре жидкого азота (77°К или -196°С). В настоящий момент используются проводники на основе ВТСП-технологий 2-го поколения на основе иттриевых керамик, в которых плотность передаваемого тока в разы выше, чем в сверхпроводниках 1-го поколения, что улучшает их конкурентоспособность по сравнению с обычными кабелями и проводами.

В настоящий момент работы по улучшению эффективности передачи электроэнергии ведутся не только в традиционных направлениях: одно из таких перспективных направлений- беспроводная передача электроэнергии, при которой нет необходимости строить протяжённые и дорогие линии электропередач. Беспроводная передача энергии- это способ транспортировки без использования проводников, соединяющих электростанцию с потребителем. Одним из первых учёных, который заинтересовался изучением данного вопроса, был Никола Тесла. Изготовленное им в 1899 году устройство позволяло генерировать миллионы вольт электричества и создавать пучки молний длиной до 40 метров, передавая их по воздуху.

Первоначально для передачи энергии на расстояние учёные пытались использовать принцип радиоволн, применяемый при передаче сигналов азбукой Морзе: но опыты показали, что способ передачи в КВ-диапазоне применим лишь для передачи небольших мощностей и не может быть использован в промышленных масштабах.

О возможности передачи энергии микроволновым излучением заговорили в 1945 году, когда советский учёный Семён Тетельбаум опубликовал статью, в которой впервые рассматривал эффективность микроволновой линии для беспроводной передачи электроэнергии, а уже в 1976 году изобретатель Вильям Браун осуществил передачу СВЧ-пучком мощности в 30 кВт на расстояние в 1,6 км с КПД, превышающим 80% [1]. Суть метода состоит в следующем: система преобразует мощность постоянного тока в микроволны и передает это СВЧ- излучение на цель, где эта энергия преобразуется из СВЧ- излучения обратно в ток. Микроволновое излучение (СВЧ-излучение) — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазоны радиоволн (длина волны от 1 м — частота 300 МГц до 1 мм — 300 ГГц). Наиболее часто используемые частоты составляют 2,45 ГГц; 5,8 ГГц; 8,5 ГГц; 10 ГГц и 35 ГГц.

На сегодняшний день разработки способов беспроводной передачи энергии, кроме вышеописанного, ведутся ещё по двум направлениям: передача энергии посредством оптического (лазерного) излучения и передача энергии методом электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 году. Он опытным путем установил, что при изменении магнитного поля внутри замкнутого проводящего контура в нем возникает электрический ток, который назвали индукционным током.

Индукционный метод беспроводной передачи энергии уже давно и успешно применяется в трансформаторах, обмотки которых электрически не связаны между собой. Главным недостатком подобного метода является необходимость нахождения «передатчика» и «приёмника» электроэнергии на максимально малом расстоянии друг от друга. Несмотря на это, он применим для зарядки мобильных устройств и средств передвижения на электрической тяге: электроскутеров и электромобилей. КПД таких устройств значительно ниже, чем КПД трансформатора, и составляет 40–50 %.

В настоящий момент, по моему мнению, наиболее перспективным для развития является передача энергии лазерным излучением.

Лазер- это устройство, использующее квантово-механический эффект вынужденного (стимулированного) излучения для создания когерентного потока света. Когерентность- это согласованность колебаний электромагнитного поля. Пространственная когерентность позволяет фокусировать лазерное излучение в небольшой области, а также обеспечивает возможность коллимации, то есть поддержания узости луча при распространении на большие расстояния. Благодаря этому же свойству можно создавать чрезвычайно короткие лазерные импульсы. В результате становится достижимой высокая плотность энергии излучения, которая сохраняется при движении луча на большие расстояния. Свойства лазера позволяют создать намного более компактные источники и приемники, а невидимость излучения делает его незаметным для человека.

7 октября 2016 года, Ракетно-космическая корпорации (РКК) "Энергия" объявила об успешно проведенном эксперименте по беспроводной передаче энергии на расстоянии 1,5 километра: при мощности лазера в 5 ватт аккумулятор ёмкостью 2000 mАh зарядился за 8 часов.

Преимущества лазеров над СВЧ-системами следующие [2]:

- КПД преобразования электроэнергии в инфракрасный лазерный сигнал в полупроводниковых ИК лазерах доходит до   80%;

- на 5 порядков меньшая расходимость лазерного луча (10-6 радиана) по сравнению с СВЧ -сигналом;

- реальные достижения в миниатюризации элементной базы (по световоду диаметром 250 микрон передаётся световая мощность 50 кВт);

- ресурс более 100000 часов;

Все эти преимущества, если вести речь о массовой передаче больших мощностей энергии на расстояние, делают весьма привлекательными дальнейшие разработки в плане перспективного развития беспроводной электроэнергетики в обозримом будущем, а применение технологии в промышленных масштабах, позволит сделать её менее затратной и доступной.

Как мы видим, способов передачи энергии на расстояние, альтернативных ныне существующим, не так уж и мало. Не исключено, что уже в самом ближайшем будущем те способы, что совсем недавно казались невероятными и больше походили на сюжет для фантастического фильма, станут такими же обыденными и повседневными, как и само электричество.

Список литературы:

1. Ларионов, Д. В. Беспроводная передача энергии / Д. В. Ларионов. // Молодой ученый. — 2018. — № 44 (230). — С. 39-41.
2. Кернер Д. и др. Возможный вклад солнечной космической энергетики в обеспечение национальной безопасности – критический анализ/ IAC-10.C3.1.4 61-й Международный астронавтический конгресс, Прага, Чехия, 2010
3. Журнал «Электроника. Наука. Технологии», статья «СВЧ-электроника – перспективы в космической энергетике», В.Ванке, 2007г.
4. Журнал «Популярная механика», статья «Луч жизни», (№12, Декабрь 2016).