История развития беспроводной передачи энергии

Подробности

Опубликовано 06.04.2016 19:59

Из длинного перечня фантастических технических идей, реализованных сегодня, только мечта о беспроводной передаче электрической энергии продолжает оставаться неприступной. Подробные описания энергетических лучей в фантастических романах дразнят инженеров своей очевидной потребностью, и при этом практической невозможностью реализации. Но ситуация постепенно меняется к лучшему.

С самого начала открытия электричества возникла проблема его передачи конечному потребителю. Развитие промышленного производства привело к резкому увеличению спроса на электроэнергию. Провода и столбы линий электрических передач стали неотъемлемым элементом пейзажей. Но только специалисты знают, сколько средств и усилий тратится на поддержание этих линий в работоспособном состоянии, и сколько энергии в них теряется.

Передача энергии лазерным излучением сталкивается с несколькими принципиальными трудностями. Первая связана с эффективностью первичного преобразования излучения Солнца в когерентное лазерное излучение. А вторая упирается в КПД передачи энергии из космоса на Землю. По первой проблеме наметился прогресс: ученые из Японии сообщили о преобразовании энергии Солнца в излучение лазера с КПД, равным 42%.

Ослабление лазерного луча, диаметр которого у поверхности Земли может составлять сотни метров. Его интенсивность зависит от погодных условий, точности наведения на приемный терминал и еще массы параметров. Пролетающие самолеты или стаи птиц, попавших в силовой луч, исказят или ослабят его мощность. Если для самолета подобный инцидент пройдет незаметно, то птицы пострадают значительно: интенсивность излучения вблизи поверхности Земли будет в десятки раз мощнее полуденного Солнца.

Второй путь передачи энергии – это радиоволны СВЧ диапазона с частотами от 2,4 до 5,8ГГц. Здесь существует атмосферное «окно», в котором ослабление энергии минимально. Но приемная часть энергии очень сложна и требует разработки современных компонент антенны. По оценкам ученых, для передачи с высоты 36000 км (геостационарная орбита) мощности 5 МВт, потребуется передающая антенна размером 1 км и приемная в поперечнике 10 км. Такие сооружения в ближайшее время для человечества не по карману. В этой ситуации прогресс начался с другой стороны. Развитие современных средств связи и мобильных вычислительных устройств потребовал частой подзарядки их аккумуляторов. В принципе, особой проблемы это не представляет, особенно когда у вас одно или два таких устройства. Но если в семье или офисе их десятки, то непрерывный поиск зарядных блоков, совместимых с изделиями, отвлекает и раздражает.

Сходные технологии лихорадочно разрабатываются и другими фирмами: компания Intel демонстрировала свою технологию WREL с КПД передачи энергии до 75%. В 2009 году фирма Sony продемонстрировала работу телевизора без сетевого подключения. Настораживает только одно обстоятельство: независимо от способа передачи и технических ухищрений, плотность энергии и напряженность поля в помещениях должна быть достаточно высокой, чтоб питать устройства мощностью несколько десятков ватт.

По признанию самих разработчиков, информации о биологическом воздействии на человека подобных систем пока нет. Учитывая недавнее появление, и разный подход к реализации устройств передачи энергии, подобные исследования еще только предстоят, а результаты появятся не скоро. А мы сможем судить об их негативном воздействии только косвенно. Что-то опять исчезнет из наших жилищ, как, например, тараканы.

Не пытаясь вникнуть в тонкости технологий передачи энергии, можно сказать, что на уровне расстояний до 10 метров уже в ближайшее время беспроводные устройства передачи энергии станут реальностью. Можно будет смотреть телевизор, использовать компьютер и заряжать мобильные устройства, не заботясь о наличии шнуров и розеток.

Но начинали мы с проблем передачи не десятков и сотен ватт, а более серьезных мощностей. К сожалению, на сегодняшний день лучшее достижение в этом направлении – это опытная передача 30 киловатт мощности на расстояние до 2 километров (1 миля). Произошло это событие в далеком 1975 году и с тех пор серьезного прогресса не достигнуто. Поэтому в ближайшие десятилетия ожидать прорыва в области беспроводной передачи энергии не стоит ожидать.

Прокладка кабеля при низких температурах

Подробности

Опубликовано 23.03.2016 15:26

Кабели любой конструкции, независимо от вида изоляции и напряжения рекомендуется прокладывать при нулевой температуре и выше. В холодный период кабели прокладывают предварительно прогрев. Нежелательно прокладывать кабель независимо от марки при температуре ниже -40 °С.
В зависимости от температуры окружающей среды, сечения и длины кабеля прогрев занимает от 1 до 3 суток, а на электромонтажные работы по прокладке кабеля отводится минимальный срок.
Для силовых кабелей в пластмассовой изоляции монтаж без подогрева возможен при температурах от 0 до -20 °С, а для кабелей с резиновой изоляцией — от -7 до -20 °С.
Если температура ниже указанной, то кабели должны предварительно прогреваться и соответствовать следующим требованиям:
- не более 1 часа от 0 до -10°С;
- не более 40 минут от -10 до -20°С;
- не более 30 минут от -20°С и ниже.
Кабель прогревают несколькими способами, например:
- в теплом помещении или специальном укрытии;
- с помощью тока (прогрев трансформатором);
- в передвижном теплом вагончике.
Прогрев трансформатором используется, если в наличии нет теплого помещения либо для ускорения процесса прокладки. Подобрав нужный ток кабель прогревается до того момента, пока температура изоляции не станет равна 40°С.
По общей технике безопасности, после прогрева концы кабеля герметично закрываются, чтобы влага не смогла попасть в теплый кабель при низкой температуре окружающей среды. Если прогрев током происходит при прокладке, необходимо установить концевую муфту или герметизировать участок между изоляциями подручными средствами. При проведении электромонтажных работ следует контролировать процесс прогрева кабеля. Замеры сопротивления изоляции мегомметром необходимо проводить перед прогревом кабеля и после его укладки.

Способы беспроводной передачи электроэнергии

Подробности

Опубликовано 30.03.2016 19:56

Открытый Андре Мари Ампером в 1820 году закон взаимодействия электрических токов, положил начало дальнейшему развитию науки об электричестве и магнетизме. Спустя 11 лет, Майкл Фарадей экспериментально установил, что порождаемое электрическим током меняющееся магнитное поле способно индуцировать электрический ток в другом проводнике. Так был создан первый электрический трансформатор.

Приемники могли располагаться на расстоянии до 3 метров, и при возникновении искры в передатчике, искры возникали и в приемниках. Так были проведены первые опыты по беспроводной передаче электрической энергии с помощью электромагнитных волн.

В период с 1891 по 1894 годы ученый Никола Тесла многократно демонстрирует беспроводную передачу, и свечение вакуумных трубок в высокочастотном электростатическом поле, при этом отмечая, что энергия электростатического поля поглощается лампой, преобразуясь в свет, а энергия электромагнитного поля, используемая для электромагнитной индукции с целью получения аналогичного результата, в основном отражается, и лишь малая ее доля преобразуется в свет.

В 1896 году Маркони, приехав в Великобританию, продемонстрировал свой аппарат, передав с помощью азбуки Морзе сигнал на расстояние 1,5 километра с крыши здания почтамта в Лондоне на другое здание. После этого он усовершенствовал свое изобретение и сумел передать сигнал по Солсберийской равнине уже на расстояние 3 километра.

Тесла в 1896 году удачно передает и принимает сигналы на расстоянии между передатчиком и приемником примерно в 48 километров. Однако значительного количества электрической энергии передать на большое расстояние пока никому из исследователей не удалось.

А самым грандиозным успехом ученого станет запуск 15 июня 1903 года башни Ворденклифф на Лонг-Айленде, предназначенной для передачи электрической энергии на значительное расстояние в больших количествах без проводов. Так ученому удалось запитать 200 ламп по 50 Ватт на расстоянии около 40 километров от передатчика. Однако, исходя из экономической целесообразности, финансирование проекта было прекращено Морганом, который с самого начала вкладывал деньги в проект с целью получить беспроводную связь, а передача бесплатной энергии в промышленных масштабах на расстояние его, как бизнесмена, категорически не устраивала. В 1917 году башня, предназначенная для беспроводной передачи электрической энергии, была разрушена.

В 1964 году им было впервые испытано устройство (модель вертолета) способное принимать и использовать энергию СВЧ пучка в виде постоянного тока, благодаря антенной решётке, состоящей из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки. Уже к 1976 году Вильям Браун осуществил передачу СВЧ-пучком мощности в 30 кВт на расстояние в 1,6 км с КПД превышающим 80%.

В 2007 году исследовательская группа Массачусетского технологического института под руководством профессора Марина Солячича сумела передать беспроводным способом энергию на расстояние в 2 метра. Передаваемой мощности было достаточно для питания 60 ваттной лампочки.

В основе их технологии (названной WiTricity) лежит явление электромагнитного резонанса. Передатчик и приемник – это резонирующие с одинаковой частотой две медные катушки диаметром 60 см каждая. Передатчик подключен к источнику энергии, а приемник - к лампе накаливания. Контуры настроены на частоту 10 МГц. Приемник в данном случае получает только 40-45% передаваемой электроэнергии.

Примерно в тоже самое время похожую технологию беспроводной передачи электроэнергии продемонстрировала компания Intel. В 2010 году Haier Group, китайский производитель бытовой техники, представила на всеобщее обозрение на выставке CES 2010 свой уникальный продукт - полностью беспроводной LCD телевизор, основанный на данной технологии.

Неисправности в розетках

Подробности

Опубликовано 02.03.2016 19:50

Неисправности в розетках: чем вызваны причины появления и как устранить?

Способ подключения электрических приборов к сети питания с помощью вилки и розетки существует очень давно и работает надежно. В большинстве случаев такие соединения исправно служат десятилетиями, не требуя особого ремонта и ухода. Однако, каждый хозяин квартиры может привести факты из своей жизни, когда происходили неисправности в этих простых на вид устройствах. Но, часто причины их возникновения не анализировались и…повторялись, как ни странно.

Неисправности розеток по видам разрушения возникают за счет:

- механических поломок;

- превышения электрических нагрузок.

В первом случае за счет приложения излишней силы срывают резьбу соединительных деталей или разбивают изолирующие корпуса и крышки. Недостаточное же усилие крепления деталей приводит к последующему вырыванию розетки под напряжением из соединительной коробки или обгоранию либо отсоединению проводов. Электрические неисправности обычно создаются постепенно, а проявляются быстро и серьезно.

Основное назначение вилки и розетки — надежная передача номинального тока нагрузки на подключенный электроприбор. Это определяет не простое механическое наложение одной токоведущей части на другую, а создание плотного ужима, исключающего потери напряжения в контактном соединении за счет создания минимального электрического сопротивления во всех местах подключения.

Допустим, для уборки комнаты нам надо включить пылесос на 10 минут. Быстрее выполнить эту работу просто не получится. В то же время затягивать уборку не имеет смысла из-за лишнего энергопотребления. Получается, что оперировать временем протекания тока через контакты возможно, но не всегда получается. Ограничивать ток нагрузки тоже не всегда удается. Мощность пылесоса, например, 1000 ватт в процессе уборки практически не меняется. Существующие в быту электроприборы создаются различными производителями для подключения к сети напряжения строго определенным образом. При этом в наших квартирах всегда есть устройства, выпущенные пару десятилетий назад и совсем недавно.

В качестве металла для контактных штырей в обоих случаях выбрана латунь. Значит, удельное сопротивление электродов одинаковое, а разные условия для прохождения тока создаются только за счет различных диаметров металла. Утолщенные электроды 4,8 мм рассчитаны для надежного прохождения нагрузок до 16 ампер, которые характерны современным бытовым приборам с мощностью до 16х220=3,5 кВт. На вилках и розетках старого образца можно найти надписи допустимых значений токов и напряжения 6 А, 250 V. Здесь сложно визуально заметить, что гнезда созданы под вилки с разными диаметрами электродов. Довольно просто можно воткнуть вилку старой или новой конструкции в гнезда любой розетки. Расстояние между центрами всех контактов, выдержанное в 19 мм, вполне позволяет это сделать, а отклонение диаметров на первый взгляд не сильно сказывается. Незначительное отличие покажет только приложенное механическое усилие. Однако, каждая пара контактов создавалась производителем под определенное соединение. Для этого выбраны усилия пружин контактных площадок и свои диаметры отверстий.

Что происходит, когда в розетку подключена чужая вилка?

1. Более толстые электроды сильнее раздвигают латунные лепестки гнезда розетки и мощнее растягивают пружину. Для их установки часто диаметра отверстия в гнезде диэлектрического корпуса недостаточно и его “домашние мастера” дополнительно расширяют сверлом или лезвием ножа.

Если нагрузка электроприбора небольшая и вилка установлена для длительной работы, то — это не критично. Когда же приборы в розетку подключаются довольно часто, а токовые нагрузки вызывают значительный нагрев контактов, то таких ситуаций лучше избегать: пружинные контакты быстро потеряют свою упругость. Недостатком подобной конструкции является слабое крепление контактов, выполненное непрочной клепкой в месте соединения пластин к электроду. Такой переходник сносно работает при подключении компьютера или ноутбука. Но если через него запитать перфоратор или пылесос с мощностью в 1 кВт, то уже начинается излишний нагрев конструкции.

2. Тонкие электроды старого стандарта в расширенных гнездах тоже будут работать. На этом принципе сделаны вилки электрических бритв, маломощных зарядных устройств аккумуляторов, мобильных телефонов и подобных приборов. Их низкая нагрузка не вызывает нагрева контактов.

Таким образом, сочетание вилок и розеток разных стандартов при протекании мощностей нагрузок в несколько десятков ватт вполне допустимо. Но, с увеличением потребления электроэнергии даже до рекомендованных производителем токов, из-за конструктивных особенностей деталей подобные совмещения следует избегать. Установка вилки и ее изъятие требует приложения определенного усилия. Это может стать предпосылкой нарушения механической прочности конструкции и требует внимательного обращения. Если используется розетка, которая не заглублена, как на стандартной модели, то вилка входит в нее не до конца. Этим создается возможность прикосновения к оголенным участкам токоведущих частей или возникновения короткого замыкания.

В старых домах еще вырабатывает свой ресурс алюминиевая проводка, называемая на сленге электриков «лапшой». Она обладает довольно заниженной механической прочностью и требует аккуратного обращения. Мягкая жила легко надрезается лезвием ножа и деформируется от небольшого сжатия пассатижами, а при нескольких изгибах в одном месте может обломиться. Такие места не всегда заметны при монтаже и после ввода в эксплуатацию не создают неисправностей. Но, при протекании через них нагрузок даже номинальных величин за счет небольшого уменьшения площади поперечного сечения проводника начинает проявляться местный нагрев, который со временем увеличивает микротрещины и разрушает металл. Излишняя температура провода передается вилке и розетке. Их контакты начинают окисляться и темнеть, хуже проводить ток, что дополнительно ухудшает условия эксплуатации всей конструкции.

При закручивании винтов следует учитывать силу затяжки и не пережимать провода чрезмерно. Иначе их металл легко сдавливается, теряет форму и снижает поперечное сечение. Отдельные “мастера” закручивают винты отвертками с широким рукоятками во всю свою богатырскую мощь. В то же время ослабленное усилие также нарушает электрический контакт. Иногда зажимной винт может быть длинным и упираться обратной стороной в какой-либо стопор, препятствующий созданию нормального зажима провода в клемме. Один из возможных подобных случаев показан на картинке. При затяжке винта надо следить за тем, чтобы усилие, придвигающее металлическую жилу верхней шайбой к контактной площадке не выдавливало провод из соединения, а при использовании кольца не раздвигало его, а сжимало. Проверка качества подключения провода методом его продергивания рукой никогда не бывает лишней и помогает обнаружить слабое закрепление.