ОБ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ОСНОВАННОЙ НА НЕЗАМКНУТЫХ ТОКАХ


The Presentation inside:

Slide 0

ОБ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ОСНОВАННОЙ НА НЕЗАМКНУТЫХ ТОКАХ Д.С. Стребков, академик РАСХН Всероссийский научно – исследовательский институт электрификации сельского хозяйства E-mail: [email protected], Fax: (+7 495) 170-51-01 Ашхабад 24 – 25 февраля, 2010 г.. Международная конференция ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ТУРКМЕНИСТАНЕ


Slide 1

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.


Slide 2

Существует другой, вероятно, более эффективный способ снижения потерь: разработать регулируемые резонансные волноводные системы передачи электрической энергии на повышенной частоте 1-100 кГц, которые не используют активный ток проводимости в замкнутой цепи.


Slide 3

В волноводной однопроводниковой линии нет замкнутого контура, нет бегущих волн тока и напряжения, а есть стоячие (стационарные) волны реактивного емкостного тока и напряжения со сдвигом фаз 90о. 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). высокотемпературной проводимости, а джоулевы потери становятся незначительными в связи с отсутствием замкнутых активных токов проводимости в линии и незначительными величинами незамкнутого При этом из-за отсутствия активного тока, сдвига фаз между стоячими волнами реактивного тока и напряжения 90о и наличия узла тока в линии отпадает необходимость и потребность в создании в такой линии режима емкостного тока вблизи узлов стационарных волн тока в линии.


Slide 4

Изменяется и механизм передачи электрической энергии. В обычных двух-трехпроводных линиях при включении генератора в линии возникают бегущие волны тока, которые должны достигнуть нагрузки и вернуться к генератору. В резонансной однопроводниковой волноводной линии при наличии стационарных волн незамкнутого электрического тока электрическая энергия присутствует в любой точке линии.


Slide 5

Разомкнутая линия длиной n = 0, 1, 2, 3… имеет у зажимов генератора пучность тока и узел напряжения, а при длине пучность напряжения и узел тока. В обоих случаях линия эквивалентна резонансному колебательному контуру. Если линия работает в режиме стоячих волн, то ее входное сопротивление имеет реактивный характер. Если в линии имеются потери, то некоторая бегущая волна от генератора компенсирует эти потери. При наличии бегущих и стоячих волн в линии ее входное сопротивление содержит активную и реактивную составляющие. ВИЭСХ


Slide 6

Стоячие волны в разомкнутой линии получаются в результате сложения падающей и отраженной волн, имеющих одинаковую амплитуду. Фаза напряжения и тока во всех сечениях линии одинакова, а между током и напряжением существует сдвиг по фазе на 900 во времени и в пространстве. В сечениях линии с пучностями напряжения наблюдаются узлы тока, а при узлах напряжения наблюдаются пучности тока. Средняя мощность, отдаваемая генератором в разомкнутую линию без потерь или в линию, замкнутую на реактивное сопротивление, равна нулю. ВИЭСХ


Slide 7

Стоячие волны напряжения и тока в разомкнутой линии. ВИЭСХ


Slide 8

(а) Электрическая схема, (б) Распределение токов и напряжений в четвертьволновой однопроводниковой резонансной линии, разомкнутой со стороны нагрузки (или с нагрузкой в виде ёмкости) Г- генератор, С – ёмкость резонансного контура, D1 и D2 – диодный блок, СH - ёмкость нагрузки, К- электронный ключ, RH – сопротивление нагрузки


Slide 9

Распределение токов и напряжений в однопроводниковой линии, замкнутой с двух сторон на землю а) электрическая схема (Г- высокочастотный генератор, RH - сопротивление нагрузки, С – ёмкость резонансного контура) б) распределение стоячих волн тока и напряжения вдоль однопроводниковой линии в) распределение токов и напряжений в полуволновой однопроводниковой линии VIESH


Slide 10

Направление вектора Умова-Пойнтинга в случае работы линии в режиме стоячих волн. I, H – волны тока и напряженности магнитного поля V, E – волны напряжения и напряженности электрического поля ВИЭСХ


Slide 11

Впервые передачу электроэнергии по однопроводниковой линии на повышенной частоте предложил и осуществил Н.Тесла более 100 лет назад. 10 июля 2006 года мировое электротехническое сообщество отметило 150 летие со дня рождения Н.Тесла.


Slide 12

Из высказываний 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 г. 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. «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. ВИЭСХ


Slide 13

Три главные проблемы современной электроэнергетики создание сверхдальних линий передач с низкими потерями без использования технологии сверхпроводимости; увеличение пропускной способности линий; замена воздушных линий на кабельные однопроводниковые волноводные линии и снижение сечения токонесущей жилы кабеля в 20-50 раз.


Slide 14

Основы резонансной электроэнергетики Для протекания тока не обязательно иметь замкнутую цепь из двух проводников между генератором и нагрузкой. Ток может протекать по однопроводной линии, так же, как вода по трубе из верхнего бассейна перетекает в нижний, или как теплота от горячего конца теплопроводящего бруска движется к холодному концу. Впервые В. Томсон указал на аналогию между теплопроводностью и электростатикой, а Д. Максвелл на аналогию между гидродинамикой и электродинамикой. В однослойной катушке с проводом фазовая скорость движения электромагнитной волны вдоль оси катушки может быть в сотни раз меньше, чем в воздушной линии электропередачи или скорости света в свободном пространстве. Ток изменяется по длине линии в разных витках катушки и в разных частях однопроводниковой линии и может иметь любые локальные значения, в том числе и равные нулю. Более того, в разных участках однопроводной цепи ток может быть направлен в противоположные стороны.


Slide 15

В экспериментальной резонансной однопроводниковой 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.


Slide 16

При увеличении напряжения до 1 МВ эффективная плотность мощности возрастет до величины, превышающей 40000 МВт/мм2. Такие плотности тока и мощности в реальных системах передачи энергии вряд ли будут достигнуты, но если мы даже уменьшим эти величины в 10 раз, мы получим эффективную плотность тока в линии передачи, которая превышает параметры существующих систем в 50 раз.


Slide 17

Резонансная система передачи электрической энергии Резонансная система передачи электрической энергии состоит из двух резонансных высокочастотных трансформаторов Тесла 2 и 4, соединенных однопроводниковой высоковольтной линией 3. 1 2 3 4 5


Slide 18

1 2 3 4 5 6 1. Электрический генератор, 50 Гц (1-100 кГц) 2. Преобразователь частоты 50 Гц/1-100 кГц (отсутствует, если генератор имеет частоту 1-100 кГц) 3. Повышающий высокочастотный трансформатор 0,4 кВ/ 10-50 кВ , 1-100Гц 4. Однопроводная линия 10 – 500 кВ 5. Понижающий высокочастотный трансформатор 10 – 500 кВ/0,4 кВ, 1-100 кГц 6. Инвертор 1-10 кГц/50 Гц ВИЭСХ Однопроводная резонансная система электроснабжения Разрабатывается в двух вариантах Воздушная линия или Кабельная подземная линия


Slide 19

Преобразователь частоты и резонансный контур передающего высокочастотного трансформатора ВИЭСХ


Slide 20

Резонансный контур понижающего высокочастотного трансформатора ВИЭСХ


Slide 21

Выходной преобразователь частоты для резонансной системы питания электроустановок Мощность преобразователя – 30 кВт Входное напряжение – 500 В Выходное напряжение – 380 В Частота входного напряжения 0–20кГц Частота выходного напряжения–50 Гц Число фаз на выходе 3


Slide 22

Испытания резонансной энергетической системы 20 кВт с однопроводниковой кабельной линией 1,2 км в лаборатории ВИЭСХ ВИЭСХ


Slide 23

Результаты испытаний резонансной системы передачи электрической мощностью 20 кВт ВИЭСХ


Slide 24

На основании теоретических исследований с исполь-зованием компьютерного моделирования разработаны, изготовлены и испытаны высокочастотные трансформаторы для нового поколения резонансных систем, позволяющие получить напряжение до 1 млн. В


Slide 25

Преимущества резонансного метода Электрическая энергия передается с помощью реактивного емкостного тока в резонансном режиме. Несанкционированное использование энергии затруднено; 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 Воздушные трехфазные линии передачи электроэнергии могут быть заменены на кабельные однопроводные линии; Экранирование кабелей снижает до безопасных значений электрические и магнитные поля вокруг кабельной линии; В однопроводном кабеле невозможны короткие замыкания и однопроводный кабель не может быть причиной пожара ВИЭСХ


Slide 26

Бесконтактный метод передачи электроэнергии основан на физическом принципе, который до настоящего времени не использовался при передаче электрической энергии. В предлагаемом бесконтактном троллее вместо явления электромагнитной индукции и передачи электроэнергии через воздушный трансформатор используется явление электростатической индукции с передачей электроэнергии через воздушный конденсатор.


Slide 27

Резонансная беспроводная система передачи электрической энергии на мобильные объекты Обеспечивает: - КПД использованной мощности 90%; - КПД ДВС – 35%; - возможность полностью программировать технологические процессы; - повышение энергетической безопасности передачи; - исключение аварий на линии, связанных с погодными явлениями; - получение 70% экономию цветных металлов Предназначена для питания мобильных объектов электрической энергией в резонансном режиме. Трактор на электрической тяге с бесконтактной системой питания для сельскохозяйственных работ Бесконтактной системой питания расположенной в междурельсовом пространстве Водно-моторный транспорт с получением электрической энергии через воду Дорожная бесконтактная система питания расположенной под автомобилем в дорожном покрытии


Slide 28

Преимущества бесконтактного метода передачи электроэнергии Освобождение от опор, тросов, проводов и троллеев; Возможность электропитания электрических тракторов, комбайнов, грузовых и легковых автомашин, внутрискладского транспорта; Однопроводниковая линия выполняется изолированной и она безопасна в отличие от голого контактного провода при троллейном способе электропитания; Высокая надежность по сравнению с троллейным способом электропитания благодаря отсутствию износа и искрения при бесконтактном методе передачи электро-энергии.


Slide 29

Использование электрического бесконтактного привода открывает перспективы большой экономии топлива и создания беспилотных, управляемых компьютером со спутниковой навигацией роботов-автоматов для электроснабжения любых наземных транспортных средств: электробусов, электропогрузчиков на складах, троллейбусов, трамваев, железнодорожного и шахтного электротранспорта, инвалидных колясов и т.д. Таким образом, могут быть решены три современные проблемы крупных городов – энергосбережение, снижение вредных выбросов и шума, автоматизация вождения


Slide 30

Блок-схема однопроводниковой системы освещения Разработанная резонансная система электрического освещения (РСЭО) предназначена для питания светильников уличного освещения по однопроводниковой линии. Экспериментальный образец установки РСЭО содержит источник питания, преобразователь частоты, высоковольтный резонансный трансформатор, соединенный однопроводниковой линией со светильниками с газоразрядными лампами низкого давления


Slide 31

Резонансная электрическая система освещения зданий Предназначена для освещения жилых и бытовых помещений с электропитанием по одному проводу в резонансном режиме Обеспечивает: - снижение капитальных затрат на электроснабжение на 36%; - уменьшение потерь в линии при передаче электроэнергии; - повышение энергетической безопасности передачи; - исключение аварий на линии, связанных с погодными явлениями; - получение 60% экономию цветных металлов; Применение : - освещение больших помещений, интерьеров подземных и наземных сооружений, вокзалов, выставочных павильонов, вагонов. - освещение жилых, спортивных, промышленных, железнодорожных и сельскохозяйственных объектов.


Slide 32

Резонансная электрическая система питания уличного освещения Предназначена для питания удаленных от системы стационарного электроснабжения уличных фонарей, прожекторов, светофоров, рекламных щитов по однопроводниковой воздушной или кабельной линии в резонансном режиме. Обеспечивает: - снижение капитальных затрат на электроснабжение на 30%; - уменьшение потерь в линии при передаче электроэнергии; - повышение энергетической безопасности передачи; - высвобождение земель от воздушных линий; - исключение аварий на линии, связанных с погодными явлениями; - получение 50% экономию цветных металлов; Система уличного освещения на озере Селигер 2007


Slide 33

Работа резонансной системы уличного освещения в ночное время Техническая характеристика: - мощность до 0,5 кВт; - напряжение в кабельной линии 1,35 кВ; - частота 5 кГц; - длина кабельной линии до 1 км.


Slide 34


Slide 35

Электроснабжение светодиодов по однопроводной линии


Slide 36

Освещенные шоссе Бельгии - это национальный символ. Уличные фонари, управляемые на дополнительной энергии. Но теперь, крошечное королевство испытывает солнечный бум - возможно ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСТВО станет новым национальным символом


Slide 37

Диплом выставки двойного назначения за разработку пожаробезопасной системы освещения. На 6 международном симпозиуме, посвященном 150-летию Н. Тесла в Белграде в октябре 2006 г. Правительство Сербии наградило ВИЭСХ за вклад в практическую реализацию технологий Н. Тесла по передаче электрической энергии.


Slide 38

Правительство Республики Сербия и комитет по празднованию 150-летнего юбилея Никола Тесла наградили академика РАСХН Стребкова Д. C. и Всероссийский научно-исследовательский институт (ВИЭСХ) в благодарность за реализацию технологии Н.Тесла по передаче электрической энергии


Slide 39

По теме проведены научные исследования, разработаны экспериментальные образцы и поданы заявки на патенты. По результатам исследований опубликовано третье издание книги «Резонансные методы передачи и применения электрической энергии»


×

HTML:





Ссылка: