Технические науки /5. Энергетика
К.т.н, профессор Алиев
И.И.
Северокавказская
государственная гуманитарно-технологическая академия, Россия
К вопросу о квазисверхпроводимости в
резонансных
системах передачи электроэнергии
Резонансная
однопроводная система передачи электроэнергии была впервые предложена Николой
Теслой и описана в его патенте за 1897 год [1]. Система состояла из передающего
и приемного трансформаторов, настроенных на
резонансную частоту источника питания, концы высоковольтных обмоток которых
соединялись однопроводной линией. Тесла показал, что
передача электроэнергии от передающего трансформатора к приемному может осуществляться
по одному проводу, а также без провода, по воздуху.
Это подтверждает простой опыт с
использованием двух небольших «классических» трансформаторов Теслы
(четвертьволновых резонаторов), питаемых переменным напряжением частотой 1 МГц,
настроенных в резонанс. На верхушках каркасов трансформаторов укреплялись
круглые металлические колпаки-излучатели
с закругленными краями, к которым присоединялись концы высоковольтных обмоток.
Трансформаторы располагались на расстоянии около полуметра друг от друга. Таким
образом, получался воздушный конденсатор, обкладками которых являлись
упомянутые колпаки и собственно обмотки. Между ними проходил разрядный ток в
виде стоячих волн. Мощность на выходе
второго трансформатора оказалась практически равной входной мощности первого.
Опыт был усложнен: на приемный трансформатор одевался алюминиевый решетчатый цилиндр
диаметром вдвое больше катушки со щелью по образующей. Цилиндр образовывал с
высоковольтной обмоткой катушки Теслы второй конденсатор. Таким образом, «ток
смещения», «протекавший» между катушкой и цилиндром и промежутком между ними –
это стоячая волна, о чем писал ещё Тесла.
Нагрузка в виде лампы накаливания включалась теперь между цилиндром и
«землёй».
Этот опыт в известной мере
проясняет сущность «реактивного тока», или «тока смещения», который
генерируется трансформатором Теслы, передается в виде стоячей волны и
преодолевает в данном случае два воздушных промежутка: большой – между двумя
трансформаторами Теслы и малый – между
трансформатором и цилиндром.
В целях исследования явления
передачи электроэнергии по одному проводу под руководством акад. Д.С. Стребкова
была создана экспериментальная резонансная система мощностью 30 кВт. При этом на первичную обмотку передающего
трансформатора подавалось не импульсное напряжение, как в опытах Теслы, а
близкое по форме к синусоиде. Параметры
системы: напряжение
однопроводной линии – до 7 кВ, длина однопроводной линии - 1,2 км,
диаметр жилы ВВ кабеля 1,3 мм (участок линии длиной 6 м – из провода диаметром
0,08 мм), передаваемая мощность – до 30 кВт, резонансная частота системы – 3,4 кГц, эффективная плотность
тока в линии до 600 А/мм2 , удельная электрическая мощность,
передаваемая по линии – 4 МВт/мм2 [2].
Легко видеть, что в столь простой системе плотность тока и мощности системы
соизмеримы с аналогичными параметрами кабельных линий с высокотемпературной
сверхпроводимостью (1000 А/мм2 и 5 МВт/мм2
соответственно).
Объяснение физических процессов,
имеющих место в резонансной системе, представляет известные трудности. Для
попытки более или менее ясного толкования процессов, происходящих в
однопроводной системе передачи электроэнергии, воспользуемся представлениями о
природе радиоволн, изложенными в [3]. Такое обращение правомерно, поскольку,
как уже было показано, передача энергии по однопроводной линии имеет волновой
характер, а сама линия является волноводом [2].
Как отмечалось, указанные явления имеют место только в системе, длина
которой кратна длине полуволны или четверти волны тока. Резонанс, необходимый
для возбуждения трансформаторов Теслы, обеспечивает максимальную отдачу
энергии, и появление в линии «реактивного тока» стоячей волны, когда в линии
практически нет джоулевых потерь. Мы называем это явление квазисверхпроводимостью
при обычной температуре
Когда такое возможно? Полагаем, в том случае, когда «электрический ток»
полностью выходит за пределы проводника и не взаимодействует, как это принято
считать, с кристаллической решеткой металла провода. На то обстоятельство, что основные электромагнитные процессы при
«протекании» тока происходят не в проводе, а в пространстве вокруг него,
указывал ещё академик В.Ф. Миткевич в своем классическом труде «Магнитный поток
и его преобразования», комментируя при этом аналогичные суждения Фарадея и Максвелла
[4].
Согласно [3], стоячая волна передающей антенны (волновода) представляет
собой совокупность непрерывно сменяющих друг друга положительных и
отрицательных зарядов с длиной волны l. Эти заряды поляризуют окружающее пространство, вызывая в нем появление
объемных зарядов следующих вдоль волновода от источника к приемнику друг за
другом.
Отличие однопроводной линии от передающей антенны заключается в разнице
частот и конструкции антенны, рассчитанной на максимальное излучение энергии в
диапазоне радиочастот. При малых частотах излучение линии ничтожно мало, а
энергия передается вдоль провода к приемнику. Так, потери на излучение в
системе составили весьма малую величину: Ризл = 0,005Рн .
В системе, по нашему мнению, совокупность непрерывно сменяющих друг друга зарядов,
генерируемых передающим трансформаторм, пространственно напоминающих вихревые
тороиды, движется вдоль провода-волновода.
В какой-то мере этот процесс иллюстрирует рис.1. Внутренний диаметр
тороида близок к диаметру провода, а внешний определяется, по нашему мнению,
частотой, величиной напряжения и плотностью зарядов внутри вихря, или, другими
словами, величиной тока смещения. Ток смещения однопроводной линии можно в
первом приближении определить выражением [3]:
ic = 2p (C0/VT) dr/dz,
где: r - объемный заряд, К; C0 – емкость линии, Ф; V – скорость распространения волны, м/с; Т
– период волны, с; z - координатная ось
линии.
Каждый из движущихся вихревых объемных
зарядов обладает собственным магнитным полем, как это условно представлено на
рис. 5, а, причем полюса этих динамических «магнитов» в узлах тока –
одноименные. На рис. 5,б показаны тороиды 1, 2 и 3, которые опять-таки весьма
условно могут дать представление об увеличении объемных зарядов (т.е. увеличение пучности тока) и
соответствующих магнитных полях по мере роста реактивного тока и,
соответственно, передаваемой мощности.
Поверхности тороидов 1, 2, 3 и т.д. можно представить как совокупность «эквипотенциальных»
магнитных силовых линий.
Магнитные поля с одной стороны как бы «упаковывают» каждый объемный заряд,
а с другой стороны, в силу взаимного отталкивания динамических магнитных
полюсов и отталкивания всего пакета от источника энергии – обеспечивают
движение вдоль провода с осью Z.
а) 
б)
Рис. 1. Условные модели движения зарядов и магнитных полей вдоль
проводника.
Генерирование вихрей разноименных зарядов с собственными магнитными полями
обеспечивает, как отмечал ещё Тесла, безвозвратную
передачу электроэнергии от источника к приемнику. Мы допускаем, что
объемные заряды могут быть одноименными, вращающимися в противоположные
стороны.
Таким образом, мы имеем дело с продольными волнами, которые проходят не по
сечению провода, а вдоль его поверхности, не входя в него. Из этого, в
частности, следует, что для системы не имеет принципиального значения активное
сопротивление провода, т.е. в качестве проводника для неё можно использовать,
например, стальной провод или трос, заключенные в изолирующую оболочку, или
голый провод, подвешенный на изоляторах, как это делал Тесла.
В то же время для процессов передачи электроэнергии по этой линии значение
имеет её собственная емкость и частота. Другими словами, однопроводная линия
при идеальной настройке ведет себя как проводник без потерь. Для подтверждения
этого представления при передаче по опытной резонансной линии электроэнергии
мощностью 30 кВт, использовался наряду с кабелем с диаметром жилы 1,3 мм кусок
провода диаметром 0,08 мм и длиной 6 м, который не испытывал существенного
нагрева. С учетом потерь в полупроводниковом преобразователе частоты, питающем
передающий трансформатор, КПД всей системы составил около 97%.
Выводы. Отмеченные особенности резонансной однопроводной системы передачи электроэнергии объясняют весьма высокие плотности передаваемой
мощности и тока, невозможные в обычных ЛЭП. Можно считать, что однопроводная
линия резонансной системы – это линия, обладающая квазисверхпроводимостью при
обычной температуре. Её широкое использование для передачи электроэнергии сулит
существенную экономию металлов и электроэнергии.
Литература:
1.Tesla N. World System of wireless Transmission of
Energy. Telegraph and Telephone Age, Oct, 16. 1927. Published in a book: Nikola Tesla. Selected works.
Articles. Beograd, 1999, p. 280.
2. Алиев И.И., Стребков Д.С. Резонансная однопроводная линия электропередачи. – Электричество, 2011, №10, с.56-60.
3. Харченко К.П. Лучистая энергия. М.: РадиоСофт, 2010. 264 с.
4. Миткевич В.Ф. Магнитный поток и его преобразования. Изд-3-е. М.-Л.: Издательство АН СССР, 1946. 360 с.