|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 11/2008
Czy zdalne ładowanie akumulatorów wyeliminuje baterie? Prąd bez... przewodów
|
|
Już w początkowym okresie rozwoju elektrotechniki pojawiły się dążenia do ograniczenia, a nawet całkowitego wyeliminowania metalowych przewodów stanowiących tor przepływu prądu. Pierwsi elektrycy świadomi byli bowiem ogromnych kosztów i problemów związanych z budową i eksploatacją linii elektroenergetycznych służących do przesyłu i rozdziału energii.
Prekursorem koncepcji jednoprzewodowego (w sieciach jednofazowych) oraz bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej był genialny wynalazca Nikola Tesla, który po raz pierwszy w 1891 r. zademonstrował publicznie swoje pomysły.
|
Jego rozwiązania oparte były nie tylko na przepływie prądu w ośrodkach przewodzących, lecz również na takich wciąż mało znanych zjawiskach jak fale w ośrodku plazmowym, rezonansie Schumanna czy magnetohydrodynamice. Jednak z różnych powodów marzenia wielkiego elektryka o wyeliminowaniu elektroenergetycznych linii przesyłowych nie ziściły się, a jego bogaty dorobek teoretyczny i doświadczalny uległ w większości zapomnieniu.
Jednym ze sprawdzonych wynalazków Tesli był układ do ładowania pojemnościowego akumulatora energii elektrycznej (kondensatora) z wykorzystaniem tylko jednego przewodu oraz pojemności międzyprzewodowych (cząstkowych). Prostownikowe układy tego rodzaju (przykład na rys.1) są nadal badane pod kątem wykorzystania do zasilania odbiorników zarówno oddalonych, jak i blisko położonych. Dzięki użyciu wysokiej częstotliwości napięcia źródła rzędu co najmniej setek kHz, stosunkowo niewielkie pojemności międzyprzewodowe C12 i C13 (ok.1 nF) nie stanowią nadmiernej reaktancji dla prądu przemiennego. W pokazanym układzie uzyskuje się sprawność przekazywania mocy 40-60% przy zmianach rezystancji obciążenia w dość szerokim zakresie. Uproszczoną wersją omawianego rozwiązania jest układ do bezprzewodowego przekazu mocy, w którym jedyne połączenie przewodowe źródła (zacisku 4) z punktem wspólnym diod zastąpiono istniejącą pojemnością międzyprzewodową. Przewiduje się takie obszary zastosowania prostownikowych układów jedno- lub bezprzewodowego przesyłu mocy jak jednoprzewodowy przesył energii w środowisku wodnym, zasilanie odbiorników na bliskie odległości (w jednym pomieszczeniu) oraz bezstykowe ładowanie miniaturowych akumulatorów w stymulatorach implantowanych do organizmów żywych.
Wśród innych sposobów bezprzewodowego przesyłu energii elektrycznej najbardziej rozpowszechnione stało się użycie promieniowania elektromagnetycznego, w tym fal radiowych. Jednak takie promieniowanie jest doskonałą metodą nadawania informacji, natomiast nie nadaje się do przesyłu mocy. Ponieważ fale rozchodzą się we wszystkich kierunkach, większość mocy byłaby rozpraszana w otaczającej przestrzeni. Użycie skupionego promieniowania elektromagnetycznego, takiego jak laser, nie jest praktyczne, a przy tym mogłoby okazać się wręcz niebezpieczne. Wymaga bowiem wolnej przestrzeni między źródłem i odbiornikiem oraz – w razie ich wzajemnego przemieszczania się – zastosowania skomplikowanego mechanizmu naprowadzania.
Po „epoce” Tesli w USA prowadzono udane próby przekazu mocy z wykorzystaniem mikrofal. W jednym z eksperymentów za pomocą wiązki tego promieniowania przesyłano moc 30 kW na odległość jednej mili ze sprawnością 84%.
Kamieniem milowym w badaniach nad bezprzewodowym przesyłem energii elektrycznej może okazać się wynalazek zespołu naukowców Massachusetts Institute of Technology (MIT) pod kierownictwem prof. Marina Soljacica.
W 2007 r. przeprowadzono tam praktyczną demonstrację polegającą na zapaleniu żarówki ze źródła odległego o dwa metry (fot. 2), a nową metodę określono jako WiTricity (wireless electricity – bezprzewodowa elektryczność). Naukowcy z USA wybrali koncepcję przekazu mocy elektrycznej między magnetycznie sprzężonymi obwodami rezonansowymi. W swoim doświadczeniu użyli dwie współosiowo usytuowane cewki z drutu miedzianego o średnicy 60 cm. Dla odpowiednio dobranych pojemności przy częstotliwości 10 MHz w obwodach występował rezonans elementów indukcyjnych i pojemnościowych. Jedną z cewek przyłączono do źródła zasilania napięciem przemiennym o podanej częstotliwości, do drugiej cewki przyłączono żarówkę o mocy 60 W. Układ obu cewek rozsuniętych o 2 m przenosił moc ze sprawnością 40%, tzn. 60% mocy dostarczanej przez źródło nie docierało do odbiornika. W analogicznym układzie magnetycznie sprzężonych cewek, lecz odstrojonych od rezonansu, sprawność byłaby milion razy mniejsza, a więc praktycznie cała moc wysyłana przez pierwszą cewkę byłaby rozpraszana w przestrzeni. Istotą wynalazku jest - obok dostrojenia obwodów do rezonansu - wykorzystanie emisji tzw. zanikających fal elektromagnetycznych ze specjalnie uformowanej anteny. Fale tego rodzaju nie ulegają pochłanianiu lub rozpraszaniu w otaczającej przestrzeni, co nie tylko zapewnia wysoką sprawność przekazu mocy, lecz także chroni urządzenia elektroniczne i organizmy żywe przed ewentualnym szkodliwym ich oddziaływaniem. W obwodzie odbiorczym wyindukowane napięcie można wyprostować i użyć do zasilania aparatów normalnie korzystających z baterii. Głównym obszarem zastosowania nowej metody ma być właśnie bezprzewodowe zasilane urządzeń zasilanych bateryjnie. Wdrożenie wynalazku ma zmniejszyć, a nawet wyeliminować konieczność używania tych kłopotliwych, wymagających częstej wymiany bądź doładowywania źródeł chemicznych (w telefonach komórkowych, laptopach, aparatach medycznych itp.).
Sama idea „indukcyjnego sprzężenia rezonansowego” nie jest bynajmniej nowym wynalazkiem; stosuje się ją m.in. w medycynie już od lat 60. XX wieku do zasilania aparatu implantu (np. stymulatora serca) z odległości 20 cm. W miarę doskonalenia tej techniki testowano ponadto bezprzewodowe zasilanie pojazdów elektrycznych o mocy przekraczającej 10 kW. W latach 90. wykonano udane próby zasilania pojazdu szynowego ze sprawnością przekazu mocy aż 80%, jednak obwody zasilający i odbiorczy były oddalone o nie więcej niż 10 cm. Natomiast WiTricity – „stara” metoda udoskonalona przez naukowców USA - otwiera perspektywy dla zastosowań w układach o wielokrotnie większych odległościach przesyłu.
Chociaż prawie wszystkie przedstawione technologie nie zostały jeszcze upowszechnione w praktyce, to elektroenergetycy mogą pochwalić się przynajmniej jednym poważnym osiągnięciem w zakresie redukcji ilości przewodów w sieciach elektrycznych.
Już w końcu XIX wieku przekonano się, że do przesyłu energii elektrycznej wystarczy jeden przewód, podczas gdy funkcję przewodu powrotnego może spełniać ziemia. Technologię jednofazowych linii rozdzielczych o jednym zamiast dwóch przewodów opracował i wdrożył po raz pierwszy Lloyd Mandeno do elektryfikacji rolnictwa Nowej Zelandii w 1925 r. Dotychczas w Australii i Nowej Zelandii zbudowano ponad 200 000 km (!!!) tych linii przesyłowych średniego napięcia (SN). Z czasem układy te zostały przeniesione również do niektórych krajów w Afryce, a także do Brazylii, Indii, Kanady i USA (Alaska). Do zasilania odległych jednofazowych odbiorców jednoprzewodowe układy przesyłu energii elektrycznej oznaczane skrótem SWER (Single Wire Earth Return - jednoprzewodowa linia z ziemią jako torem powrotnym) stanowią atrakcyjną alternatywę dla tradycyjnych trójfazowych sieci rozdzielczych SN. Analiza ekonomiczna wykazuje bowiem oszczędność tego rozwiązania tam, gdzie drugi przewód 1-fazowej linii kosztowałby więcej niż transformator separacyjny i zwiększone straty energii.
W australijskich liniach SWER moc jest dostarczana przez transformator separacyjny o mocy do 300 kVA i przekładni napięciowej najczęściej 22/19kV. Linia składa się z jednego przewodu i może rozciągać się nawet na setki kilometrów, co jest niespotykaną długością dla konwencjonalnych sieci promieniowych SN. Wzdłuż trasy linii przyłączeni są pojedynczy odbiorcy, którzy pobierają moc przez transformatory dystrybucyjne (obniżające napięcie w stosunku 19/0.24/0.24 kV - uproszczony schemat na rys. 3). Najdłuższe z tych ciągów zasilają do 80 transformatorów dystrybucyjnych o znormalizowanych mocach 5, 10 i 25 kVA. Zwykle gęstość odbieranej mocy nie przekracza 0,5kVA/km długości linii, co jest rzeczywiście bardzo niskim wskaźnikiem. Właśnie tak niskie obciążenie uzasadnia rezygnację z kosztownego przewodu powrotnego i wykorzystanie w przewodzie fazowym stali - materiału tańszego i zarazem wytrzymalszego mechanicznie od aluminium. Koszt budowy linii jednoprzewodowej jest dzięki temu niższy od jej trójfazowego odpowiednika nawet o 70%. Zysk ten wynika również z użycia mniejszej liczby lżejszych i prostszych konstrukcyjnie słupów. Niestety wskutek niższej przewodności stali, straty przesyłowe są blisko 2-krotnie wyższe niż w jednofazowych 2-przewodowych liniach przenoszących daną moc. W razie wzrostu zapotrzebowania możliwe jest umieszczenie drugiej linii rozdzielczej tego typu na istniejących słupach. Możliwe jest też użycie tego drugiego przewodu jako drugiej fazy linii dwufazowej lub też przekształcenie tej zdublowanej linii w jednofazową linię dwuprzewodową (nowy przewód staje się przewodem powrotnym zamiast ziemi). Kolejnym etapem rozbudowy może być ostatecznie powstanie typowej trójfazowej linii trójprzewodowej. Dalsze korzyści można osiągnąć przez wykorzystanie konstrukcji linii do jednoczesnego poprowadzenia łączy światłowodowych lub telekomunikacyjnych. Prosta budowa jednoprzewodowej linii, a zwłaszcza minimalna liczba elementów konstrukcyjnych zapewnia znacznie wyższą niezawodność pracy. Dla przykładu: użycie tylko jednego przewodu automatycznie eliminuje zwarcia między fazami wywołane ruchami przewodu podczas wiatru czy burzy.
Specyfika działania linii SWER stwarza niestety również określone zagrożenia dla otoczenia. Przepływ prądów powrotnych ziemią wywiera niekorzystny wpływ na istniejące obiekty lub konstrukcje, jednak ryzyko to jest minimalizowane przez lokalizowanie linii w niezagospodarowanym terenie. Większym problemem okazuje się zagrożenie porażeniowe występujące w pobliżu punktów uziemienia transformatorów separacyjnych i dystrybucyjnych. Wartości pojawiających się tam napięć krokowych i dotykowych zależą od wartości rezystancji uziemienia oraz od natężenia prądu. Ta ostatnia wartość, zdeterminowana przez moc transformatora separacyjnego w praktyce nie przekracza 8A. Dla utrzymania napięć rażeniowych w dopuszczalnym zakresie stosuje się osobne elektrody uziemiające: roboczą i ochronną.
Odbiorcy zasilani z transformatorów dystrybucyjnych mają do dyspozycji dwie wysokości napięcia: 500 V oraz 250 V. W razie potrzeby stosowania trójfazowych urządzeń odbiorczych konieczne jest użycie specjalnych przetwornic wytwarzających ten układ napięć o odpowiednich parametrach. Oprócz tej niedogodności technologia SWER posiada także drugą podstawową wadę tj. niższą jakość napięcia. Z powodu znacznej długości, na końcach tych linii występuje duży spadek napięcia. Zmienny pobór mocy wywołuje nieuniknione wahania napięcia. Dla ograniczenia tego niepożądanego zjawiska stosuje się rozmaite środki zaradcze. Należą do nich regulacja przekładni transformatorów, przyłączanie dławików równoległych oraz użycie regulatorów napięcia, którymi są dodatkowe autotransformatory włączane w wybranych punktach linii.
Należy zauważyć, że technologia SWER przeznaczona dla prądu przemiennego, znalazła dość szybko odpowiednika w obszarze przesyłu energii elektrycznej za pomocą linii prądu stałego. Od pół wieku budowane są podwodne linie kablowe wysokiego napięcia stałego, w których - zamiast przewodu powrotnego - wykorzystuje się środowisko morskie. Rezygnacja z żyły powrotnej przynosi duże oszczędności ekonomiczne. Natomiast obawy ekologów o negatywne skutki reakcji elektrochemicznych udaje się zmniejszać przez zwiększenie wymiarów podwodnych elektrod.
|
|
|
|
