Jaké způsoby přenosu energie na dálku existují?

Elektřina je vlastnost magnetického pole, která se přeměňuje na jiné formy energie. Takové druhy energie mohou být: mechanická, chemická, pára, laser. Počet spotřebitelů a zdrojů spotřeby neustále roste. Proto zůstává otevřená otázka, jak přenášet elektřinu na velké vzdálenosti při zachování energie a její distribuce. Článek popíše hlavní a současné způsoby přenosu a také moderní vývoj v oblasti bezdrátových technologií.

Způsoby přenosu elektřiny

Elektřina nebo střídavý proud se přenáší ze zdroje ke spotřebiteli pomocí drátů nebo podzemních kabelových vedení. Tyto metody jsou relevantní již mnoho let. Je to dáno tím, že neexistuje technologie schopná přenášet elektřinu na velkou vzdálenost s minimálními ztrátami při zachování plného výkonu. A metoda stále musí být co nejspolehlivější a nejlevnější.

Schéma přenosu pro střídavé elektrické napětí nebo stejnosměrné elektrické napětí je následující:

Princip činnosti a vysvětlení obvodu:

1. Na začátku okruhu je generátor, který vyrábí elektřinu.
2. Z generátoru je napětí přiváděno do třífázového transformátoru pro zvýšení výkonu. Z ní proudí elektřina elektrickým přenosovým vedením (elektrickým vedením).
3. Po elektrickém vedení napětí vstupuje do třífázového snižovacího transformátoru.
4. Z transformátoru je napětí přiváděno ke spotřebiteli s výrazným podhodnocením.

Pro stejnosměrný proud je zde usměrňovací zařízení, které je umístěno za zvyšovacím transformátorem. Po průchodu elektrickým vedením se stejnosměrný proud musí nejprve dostat do zařízení pro přeměnu stejnosměrného proudu na střídavý a teprve poté do snižovacího transformátoru.

Vzduchové a kabelové vedení

Spotřeba elektrické energie nadzemním přenosovým vedením a kabelovým vedením je určitým vzorem. Na začátku schématu je zdroj energie, konkrétně elektrárna. Elektrárna dodává přepětí do rozvodu, na jehož konci je snižovací transformátor. Hlavní nevýhodou takového schématu je právě potřeba dodávat příliš mnoho energie. To je způsobeno ztrátou podílu napětí na dálku. Způsoby takového převodu 2.

Nadzemní vedení je síť vysokonapěťových drátů zavěšených na sloupech nebo podpěrách. Tato metoda je velmi běžná a účinná. Má to ale také řadu nevýhod:

• vysoké náklady na práci a materiál ve fázi dodávky novým spotřebitelům na velkou vzdálenost;
• ztráta významného podílu výkonu s každým kilometrem;
• požadavek na dodávku vysokého výkonu na začátku (z elektrárny);
• poškození magnetického pole pro člověka;
• vysoká pravděpodobnost poškození a zničení přírodními katastrofami;
• velké potíže při instalaci elektrického vedení v obtížných, neprůjezdných oblastech.

Nadzemní vedení zásobuje spotřebitele střídavým proudem. Podle dosahu a výkonu jsou rozděleny do následujících kategorií:

1. Nadzemní vedení s napětím do 1 kV se považuje za nízkonapěťové. Jsou koncem schématu přenosu ke spotřebiteli.
2. Za střední jsou považována vedení s napětím od 1 do 35 kV.
3. Vedení vysokého napětí jsou považována za VEL s napětím 110-220 kV. Tyto linky jsou začátkem obvodu pro přenos napětí.
4. VEL s napětím 330–750 kV jsou klasifikovány jako ultravysokonapěťové.
5. Mezi ultravysokonapěťové patří VEL s napětím přesahujícím 750 kV.

Čím vyšší je přiložené napětí, tím větší vzdálenost musí překonat od zdroje ke spotřebiteli.

Na podobném principu fungují kabelová vedení. Vedou také střídavý proud. Ale takové čáry jsou nakresleny pod zemí nebo pod vodou. Hlavní nevýhody takového převodu jsou:

1. Velké potíže a náklady při pokládce. Kabelová vedení se pokládají v místech, kde je nemožné nebo nebezpečné pokládat venkovní vedení.
2. Dochází také ke ztrátě napětí se vzdáleností.
3. Hrozí mechanické poškození nebo natažení kabelu.
4. Při poškození, zejména ve vodě, hrozí nebezpečí skokového napětí.
5. Je velmi obtížné najít a opravit poškození.

V současné době existují 2 schémata pro přenos elektřiny ze zdroje ke spotřebiteli prostřednictvím nadzemních nebo kabelových vedení:

1. Otevřený obvod. Toto přenosové schéma představuje zdroj napětí a spotřebitele jako přímku. Nevýhodou takového schématu je nedostatek záložní linky v případě poškození jakéhokoli úseku.
2. Uzavřený okruh (spolehlivější). V něm jsou zdroj a všechny spotřebiče uzavřeny do kruhu nebo složitého obvodu. Pokud dojde k poškození některého úseku vedení, dodávka elektřiny se nezastaví.

Podobná schémata jsou také rozdělena do kategorií.

Schémata ve vizuálním zobrazení:

Existují 3 typy otevřeného okruhu:

1. Radiální schéma zapojení, ve kterém je na jednom konci napájecí zařízení a na druhém konci spotřebitel energie.
2. Hlavní okruh je podobný radiálnímu, ale má přídavné odbočky pro odběr.
3. Schéma hlavního zásobování, ve kterém je jeden spotřebitel mezi dvěma zdroji.

Existují také 3 typy uzavřeného okruhu:

1. Kruhový obvod s jedním zdrojem a spotřebičem.
2. Hlavní okruh se záložním zdrojem.
3. Komplexní uzavřený okruh pro připojení speciálních spotřebičů.

Všechna tato schémata se týkají přenosu stejnosměrného proudu ke spotřebiteli. Přenos a distribuce elektřiny podobným způsobem je stejná pro ruské i zahraniční sítě.

Druhým způsobem přenosu elektrického proudu ke spotřebiteli je stejnosměrný proud. Takový proud je usměrněn. Nachází se v bateriích, bateriích, nabíječkách. Takový proud je stále dodáván spotřebitelům v některých zemích, ale ve velmi malých množstvích. Vyrábí se pomocí solárních panelů. Stejnosměrný proud lze dodávat přes stávající elektrické vedení a podzemní kabely. Výhody takového převodu jsou následující:

1. Se vzdáleností nedochází ke ztrátě výkonu. Není třeba zvyšovat napětí v elektrárně.
2. Statická stabilita nemá žádný vliv na přenos a distribuci.
3. Není nutné upravovat synchronizaci frekvence.
4. Napětí lze přenášet pouze v jedné lince s jedním trolejovým drátem.
5. Žádný vliv elektromagnetického záření.
6. Minimální jalový výkon.

Stejnosměrný proud pro spotřebitele není dodáván pouze kvůli obrovským nákladům na zařízení pro elektrárny.

Vodivost elektrického proudu a procento nadhodnocení na začátku přenosu do značné míry závisí na odporu samotného přenosového vedení. Snížit odpor – a tím i zátěž – je možné ochlazením na ultranízkou teplotu. To by pomohlo zvýšit vzdálenost pro přenos energie a výrazně snížit ztráty. Dnes neexistuje žádná technologie pro snížení teploty elektrického vedení. Tato technologie je extrémně drahá a vyžaduje velké změny v designu. Ale v regionech Dálného severu tato metoda funguje docela dobře a značně podceňuje procento přenosu energie a ztrát kvůli vzdálenosti.

Bezdrátový přenos

Přenos a distribuce proudu ke spotřebitelům bez použití drátů je realitou našich dnů. Tuto metodu poprvé promyslel a uvedl do života Nikola Tesla. V současné době probíhá vývoj v tomto směru. Existují pouze 3 hlavní způsoby.

Cívky

Induktory jsou izolované dráty stočené do spirály. Způsob přenosu proudu se skládá ze 2 cívek umístěných vedle sebe. Přivede-li se na jednu z cívek elektrický proud, objeví se na druhé magnetické buzení stejného napětí. Jakákoli změna napětí na cívce vysílače se změní na cívce přijímače. Tato metoda je velmi jednoduchá a má šanci na existenci. Ale jsou tu i nevýhody:

• není možné přivádět a přijímat vysoké napětí, proto není možné napájet několik spotřebičů současně;
• je nemožné přenášet elektřinu na velkou vzdálenost;
• koeficient výkonu (COP) této metody je pouze 40 %.

V tuto chvíli jsou relevantní způsoby, jak jednoduše použít cívky jako zdroj a příjemce energie. Tímto způsobem se nabíjejí elektrokoloběžky a jízdní kola. Existují projekty elektromobilů bez baterie, ale s vestavěnou cívkou. Jako zdroj se navrhuje použít povrch vozovky a jako přijímač auto. Ale náklady na pokládku takových silnic jsou velmi vysoké.

Laser

Přenos elektřiny laserem je zdroj, který přeměňuje energii elektřiny na laserový paprsek. Paprsek je zaměřen na přijímač, který jej přemění zpět na elektřinu. Laser Motive byl schopen přenést 0.5 kV elektrického proudu pomocí laseru na vzdálenost 1 km. V tomto případě byla ztráta napětí a výkonu 95 %. Příčinou ztráty byla zemská atmosféra. Paprsek se při interakci se vzduchem mnohokrát zužuje. Problémem se také může stát obvyklý lom paprsku náhodnými předměty. Podobná metoda bez ztráty výkonu může být relevantní pouze ve vesmíru.

mikrovlnný přenos

Základem pro přenos elektřiny mikrovlnami byla schopnost 12 cm vln o frekvenci 2.45 GHz být neviditelnými pro zemskou atmosféru. Taková funkce by mohla minimalizovat ztráty přenosu. Tato metoda vyžaduje vysílač a přijímač. Lidé již dávno vytvořili vysílač a převaděč elektrické energie na mikrovlnnou energii. Tento vynález se nazývá magnetron. Je v každé mikrovlnné troubě a je velmi bezpečný. Ale s vynálezem přijímače a konvertoru mikrovln zpět na elektřinu nastaly problémy.

V 60. letech minulého století vynalezli Američané rectennu. Jinými slovy, mikrovlnný přijímač. Pomocí vynálezu bylo možné přenést 30 kW elektrického proudu na vzdálenost 1.5 km. Přitom ztrátový faktor činil pouze 18 %. Instalace nebyla schopna více kvůli použití polovodičových částí v přijímacím zařízení. Pro příjem a vysílání více energie pomocí rectenna by musel být vytvořen obrovský přijímací panel. To by zvýšilo vynaloženou energii, frekvenci a vlnovou délku, a tím i procento souvisejících ztrát. Vysoká radiace by mohla zabít veškerý život v okruhu několika desítek metrů.

Cyklotronový konvertor mikrovln na elektřinu byl vynalezen v SSSR. Byla to trubice o průměru 40 cm a byla kompletně sestavena na lampy. Účinnost zařízení byla 85 %. Ale u této metody je hlavní nevýhodou způsob montáže na lampy. Zařízení založená na takových detailech mohou vrátit lidstvo do světa obrovských telefonů, počítačů velikosti místnosti. Na miniaturní elektrospotřebiče můžete zapomenout.

Přenos mikrovln by se dal zařídit z vesmíru. Podobný projekt zahrnoval sběr sluneční energie pomocí satelitu a její přesměrování do přijímače umístěného na povrchu Země. K tomu je ale potřeba postavit satelit o průměru jeden kilometr a přijímač o průměru 5 kilometrů. Na létání v oblasti pokrytí systémem můžete úplně zapomenout.

Hlavním problémem bezdrátového přenosu elektřiny je vzdálenost a atmosférický lom. Za úvahu stojí i výkon. Celkový příkon všech elektrospotřebičů v bytě je 30–40 kW. Pro zajištění elektřiny do jednoho bytu by musely být postaveny gigantické stavby.

K dnešnímu dni je jediným způsobem přenosu vysoce výkonné energie drát. Nevyžaduje přímou a zpětnou přeměnu elektrické energie. Na začátku stačí použít vysoké napětí a na konci ho výrazně snížit. Tato metoda má řadu nevýhod, ale zůstává relevantní po mnoho let.

Elektřina se nyní stala nejpohodlnějším typem zdroje energie. Jeho zvláštností je, že po vyrobení musí být okamžitě doručen spotřebiteli a okamžitě použit. Důležitou otázkou v moderní energetice je proto otázka přenosu elektřiny na vzdálenosti. Podívejme se krátce na toto téma v objemu dostatečném pro školní zprávu.

Výroba a přenos elektřiny

Z kurzu fyziky v 8. ročníku víme, že elektřina je uspořádaný pohyb nabitých částic ve vodiči, při kterém náboje konají užitečnou práci. Výroba elektřiny spočívá ve vytváření elektrického pole ve vodičích pomocí vnějších sil (obvykle mechanické povahy). Vlivem tohoto pole se náboje začnou pohybovat a při zátěži se uvolňuje energie vnějších sil ve formě mechanického pohybu nebo tepla.

Podniky vyrábějící elektřinu (elektrárny) se nacházejí v blízkosti zdrojů energetických zdrojů, obvykle daleko od podniků, které elektřinu spotřebovávají. Výrobci a spotřebitelé elektřiny jsou proto propojeni vodiči (elektrickým vedením) do jediné energetické sítě.

Rýže. 1. Elektrárna.

Snížení ztrát při přenosu elektřiny

Nejdůležitějším problémem při přenosu elektřiny na dálku je přítomnost ztrát. Každý skutečný vodič má nějaký aktivní odpor. A v souladu s Joule-Lenzovým zákonem se při aktivním odporu uvolňuje energie ve formě tepla.

Nahraďte aktuální hodnotu ve vzorci Joule-Lenzova zákona poměrem výkonu zátěže k napětí. Dostaneme:

• $Q$ je ztráta tepla ve vedení;
• $I$ je proud v řádku;
• $R$ je aktivní odpor vedení;
• $P$ — výkon zátěže;
• $U$ — síťové napětí;
• $t$ je čas.

Z tohoto vzorce můžete vidět způsoby, jak snížit ztráty.

Nejprve můžete snížit odpor elektrického vedení. V tomto směru je však málo příležitostí. Zvětšení průřezu vodičů nebo snížení jejich měrného odporu vede k neodůvodněnému zvýšení nákladů na celé vedení. Kromě toho se vodiče s velkým průřezem obtížně instalují.

Výhodnější způsob, jak snížit ztráty, je zvýšit napětí.

Jakmile je elektřina přímo přijata, je odeslána do zvyšovacího transformátoru, který zvyšuje napětí ve vedení. V této podobě se elektřina přenáší na velké vzdálenosti.

S rostoucím napětím rostou požadavky na kvalitu izolace vodičů a svou roli hrají i otázky bezpečnosti. Proto je elektřina po dodání spotřebitelům opět převedena na formu nižšího napětí pomocí redukčního transformátoru.

Hodnota napětí v různých bodech přenosové soustavy je kompromisem mezi protichůdnými provozními podmínkami. K přímé výrobě elektřiny dochází při napětí řádově 10–20 kV. Pro přenos napětí stoupá na stovky kilovoltů, při tomto napětí dochází k přenosu do průmyslových center. Tam napětí opět klesá: velké skupiny spotřebitelů jsou napájeny napětím 35 kV, většina podniků je zásobována 6–12 kV a přímo spotřebitelům – 380/220 V.

Rýže. 2. Přenos elektřiny.

Další metodou snižování ztrát elektřiny je vytvoření jednotného státního energetického systému za účelem vyhlazení špičkových zátěží. Navíc to také umožňuje nepřerušenou dodávku elektřiny, a to i přes plánované údržbové práce a nehody v určitých oblastech.

Rýže. 3. Jednotný energetický systém

co jsme se naučili?

Elektřina se vyrábí a spotřebovává na různých místech, proto je problematika přenosu a distribuce elektřiny beze ztrát jednou z nejdůležitějších v elektroenergetice. Hlavním směrem snižování ztrát je zvýšení napětí v síti. Pro přenos na velkou vzdálenost se napětí pomocí transformátorů zvyšuje na stovky kilovoltů a v odběrných místech se opět snižuje na provozní hodnoty.