Тонны электропроводов на свалку, или История создания технологии резонансной передачи энергии Евгений Балабас

Тонны электропроводов на свалку, или История создания технологии резонансной передачи энергии

Евгений Балабас

Опубликовано 19 марта 2013

Можно ли совершить революцию в электроэнергетике, где уже десятки лет не меняются принципиальные, основополагающие технологии? Если обратиться к наследию знаменитого Николы Теслы, то можно, уверены российские учёные!

Несмотря на постоянные заверения учёных о развитии беспроводных технологий передачи энергии, даже самые «британские» из них не заикаются и даже не фантазируют о перспективах беспроводной передачи СКОЛЬ-ЛИБО ЗНАЧИТЕЛЬНЫХ объёмов электричества. Поэтому «беспроводка» даже на самом пике своего развития видится лишь технологией для комфорта, применимой в слаботочных портативных и домашних устройствах, а каких-то серьёзных переворотов в энергетической отрасли от неё ждать не приходится. А изменения эти были бы ох как желательны!

Первой в истории полноценной линией электропередачи считается 170-километровая линия с мощностью 220 кВт между немецкими городами Лауфен и Франкфурт, открытая в 1891 году. И с тех пор по всей планете зарыты в землю и подвешены на столбах и опорах миллионы тонн дорогостоящих цветных металлов – меди и алюминия. И эта масса в тоннах и в денежном эквиваленте продолжает непрерывно расти за счёт развития энергосетей и их модификации, без каких-либо принципиальных изменений с того самого 1891 года, поскольку ничего нового в проводной передаче энергии от источника к потребителю учёные до сих пор породить не сумели…

Впрочем, почему не сумели? Сумели. Вот только мало кто об этом знает, а консервативность электроэнергетической отрасли столь высока, что революционная технология, как нередко и случается, может, толком не родившись, сгинуть в безвестности… Об этом «Компьютерре» рассказали в одном из многочисленных московских НИИ с неблагозвучным названием «ВИЭСХ».

- Вокруг работ Теслы упорно поддерживается флёр загадочности. «Тайны, которые он унёс с собой в могилу», «секретные архивы, похищенные некими спецслужбами» и хранимые невесть где по сей день, и т.п.… Но если отбросить все эти фантазии и опираться на то, что существует по факту и подтверждено, ничего интересного для жёлтой прессы в наследии Теслы не окажется! – рассказывает «Компьютерре» Дмитрий Семёнович Стребков, руководитель ВИЭСХ – Всероссийского исследовательского института электрификации сельского хозяйства.

- Честно говоря, популярность Николы Теслы слишком велика у разного рода мистиков, «любителей непознанного», а также литераторов и кинорежиссёров. Поэтому сегодня многие люди искренне удивляются, услышав, что этот великий учёный радикально изменил ход развития электротехники и электроэнергетики, изобретя многое из того, чем мы пользуемся и по сей день.

«А мы думали, что он занимался лишь гигантскими молниями, тунгусскими метеоритами и растворяющимися в воздухе кораблями», — удивляются обыватели, приводя в пример желтогазетные шаблоны, совершенно бездоказательно приписанные гениальному сербу. И поэтому приходится признать, что разработанные в наши дни технологии, базирующиеся на открытиях Теслы, подсознательно вызывают некий скепсис, вызывая в голове перво-наперво мысли о фокусах и мистификациях… Это явно не идёт на пользу изобретениям и их разработчикам – ну хоть вымарывай из описаний упоминание о Тесле, право слово…!

- «Последователей Теслы» сегодня в мире очень много. Но большинство из них занимаются или визуальными шоу-эффектами с генераторами молний, или чисто теоретическими изысканиями, поисками утраченных рукописей и т.д. Поэтому когда наш институт со своей разработкой был приглашён в Сербию на празднования 150-летия их знаменитого земляка, мы оказались фактически единственными, кто получил награду за ПРАКТИЧЕСКУЮ реализацию элементов его наследия!

На основе работ Теслы мы реализовали и отработали практическую технологию однопроводной резонансной линии передачи энергии. Она имеет колоссальные преимущества перед тем, что используется сегодня, поскольку позволяет передавать электрические мощности по единственному проводу, толщина которого зависит только от его механической прочности! То есть, говоря по-простому, «волоска» толщиной 0,1 мм достаточно, чтобы гнать по нему десятки и сотни киловатт электроэнергии! Сейчас же для этого применяются кабеля, вес меди в которых достигает 1,5-2 тонн на километр, и даже больше. А сколько таких километров идёт между населёнными пунктами, вдоль железных дорог, по улицам городов – страшно подумать!

- Для простоты понимания начну с традиционных технологий. Обычная линия электропередачи (подземная или надземная, неважно) в классическом понимании и самом простом варианте – это два (в случае двухфазной линии) провода от источника к потребителю. Толщина этих проводов имеет прямую зависимость от нагрузки и потребляемого ею тока – для 2-3 сотен ватт домашней люстры достаточно проводов с сечением 0,75 квадратных миллиметра, для нагрузки в несколько киловатт уже требуются провода по 2,5 кв. мм и более. Для разводки провода, допустим, по дачному посёлку толщина кабелей и проводов уже сопоставима, примитивно выражаясь, с толщиной пальца взрослого человека. Вес и стоимость проводов пропорционально растёт, а также растут омические потери энергии в них.- Что же представляет собой резонансная линия электропередачи с технической точки зрения?

Такое ещё сойдет при разводке проводов «на последней миле», но если бы провода на ЛЭП от электростанций к городам соответствовали потребляемому городами току, то были бы они толщиной со ствол столетнего дуба, что совершенно неприемлемо. Поэтому для того, чтобы передать одну и ту же мощность по более тонким проводам, используют повышенное напряжение – тысячи вольт. При неизменной мощности напряжение растёт, а ток падает: закон Ома. Меньше ток – тоньше нужен провод. Но даже и в этом случае сечение проводов на ЛЭП огромно, вес и стоимость их грандиозны.

Что предлагаем мы: на передающей стороне трансформировать электрический ток в высокочастотный (условно высокочастотный – на деле частота не превышает 50 кГц), подать его на колебательный контур, настроенный на эту частоту, и соединить контур с аналогичным на принимающей стороне. Соединить проводом, но — одним-единственным и очень тонким по сравнению с тем, что использовался бы в классической линии передачи. В резонансном режиме в линии достигается напряжение до 100 тысяч вольт, но токи ничтожны, поэтому потери на нагрев проводника в линии минимальны и соответственно не требуется значительное сечение и масса провода. Провод годится любой, фактически даже самый тонкий волосок!

- Содержание алюминия и меди в проводах может быть радикально снижено за счёт снижения их толщины в десятки раз; - Потери электроэнергии в однопроводной линии крайне малы по сравнению с традиционной линией; - Большинство линий электропередач можно будет сделать подземными вместо воздушных, исключив обрывы от погодной стихии, типа ураганов или ледяных дождей, а также огромные затраты на их строительство.Главные достоинства системы:

- В однопроводном кабеле невозможны короткие замыкания, этот кабель не может быть причиной пожара; - Если сделать линию электропередачи в виде стального провода (для прочности), который будет покрыт тончайшим слоем меди (для электропроводности), то такие линии совершенно непривлекательны для расхитителей цветного металла; - Несанкционированное подключение к однопроводным линиям и кража электроэнергии почти нереальны.Помимо этого существует немало побочных преимуществ:

— Мы достаточно долго изучали и обкатывали эту технологию, чтобы гарантировать её легкую повторяемость и надёжность. Вот по такому проводу мы у себя в лаборатории передавали мощность в 20 киловатт! Нагрузкой служил стенд из десятков 200- и 500-ваттных ламп накаливания.- Многие революционные технологии, доходя до практической реализации, демонстрировали свою несостоятельность – из-за дороговизны, сложности, высоких требований к наладке, затрудняющих массовое тиражирование, и т.д. Что в этом смысле собой представляет беспроводная резонансная передача?

После этого под землёй на территории института была проложена линия длиной 1,2 километра, подтвердившая отсутствие зависимости эффективности от расстояния.

Сейчас мы реализовали несколько практических экспериментальных систем однопроводной передачи энергии – например, в паре сельскохозяйственных комплексов в Подмосковье, где была сделана система освещения на «однопроводке», которая представляла собой экранированный коаксиальный провод, проверенный по всем нормам СанПиН на отсутствие превышения магнитных и электрических полей.

Ещё один интересный практический эксперимент – передача энергии для оборудования электрохимической катодной защиты газопроводов, который мы осуществили совместно с Газпромом. Дело в том, что на всех газо- и нефтепроводах обязательно через каждый 10 километров стоят станции катодной защиты, чуть с бОльшим интервалом – автоматика, задвижки и т.д. Для питания этого оборудования вдоль трубы пускают трёхфазную ЛЭП, которая представляет собой головную боль для нефтяников и газовиков, поскольку на большом протяжении она проходит по ненаселённым районам, сильно подвержена стихиям и труднодоступна для ремонта. Мы взяли один из фазных проводов этой ЛЭП и использовали его как однопроводную линию на отдельном участке, продемонстрировав эффективность и огромную экономию меди, поскольку стандартно там идут 3 провода сечением по 70 «квадратов». Потом на этом же участке мы пустили ту же энергию по 1-миллиметровому проводу в коаксиальной оболочке, да ещё и с ничтожными потерями около 2 процентов. То есть толстенные медные и алюминиевые кабели оказались не нужны, а если тонкий провод закопать в землю, то и проблемы с защищённостью электроснабжения газопровода исчезают в принципе! Ещё один подобный эксперимент мы планируем совместно с Транснефтью.

- Сегодня технологии развиваются достаточно быстро, и как только появляется что-то новое, имеющее принципиально лучшие свойства, оно быстро вытесняет прежнее. Ну или как минимум внедряется наравне с ним, если новое, скажем, хотя и лучше, но существенно дороже. Почему же однопроводные линии не распространены повсеместно, при всех их достоинствах?

- Для начала внедрения таких линий требуется огромный комплект документов – сертификаты, надзорные акты, протоколы Роспотребнадзора, межведомственных испытаний и т.д. Но чтобы их получить, нужна реально действующая линия, на постройку которой у института средств нет. А то, что мы уже сделали в качестве наглядных экспериментов, хотя и демонстрирует эффективность, но для целей сертификации не годится по ряду причин… При этом, несмотря на то что у производителей энергии и у электросетевых компаний имеются огромные средства на разного рода инновации, основополагающие технологии этими инновациями, как правило, не затрагиваются. Энергетика — крайне консервативная область, в ней изменения происходят за десятки лет, поскольку сфера эта очень финансовоёмкая и слишком много вкладывается в определённые технические решения и их реализацию…

К оглавлению