Новинки

Рабочие технологии для беспроводной зарядки портативных устройств

Беспроводное электричество. История вопроса 

В 1996 г. инженер Рой Кюэннен бился над решением одной проблемы: как сделать так, чтобы бытовой фильтр для очистки воды производства компании Amway Corp. не ломался? Фильтр убивал бактерии с помощью ультрафиолетовой лампы, но для этого ее нужно было погружать в воду. Провода, питавшие лампу электричеством, ржавели. Тогда у инженера Кюэннена возникла сумасшедшая идея: убрать провода и питать лампу дистанционно — с помощью магнитной катушки. 

Пока Кюэннен мучился с водяным фильтром, беспроводная революция уже шла полным ходом — начавшись в 90-х, она подарила нам сотовый телефон, Bluetooth и Wi-Fi, но только в последние годы стала охватывать область электропитания. Несколько компаний сейчас ищут способы подавать электроэнергию в мобильные телефоны, КПК, лэптопы и другие гаджеты напрямую, без необходимости включать их в сеть.

Первые подобные продукты уже вышли на рынок — например, зарядный «коврик» для телефона Motorola Razr, разработанный компанией WildCharge. Он не расходует много энергии, так как входит в непосредственный контакт с самим телефоном. Впрочем, изначальной идее Кюэннена — заряжать устройства дистанционно — это не соответствует. Спустя 12 лет после своего опыта с фильтром для очистки воды он готов внедрить в повседневную жизнь технологию по-настоящему бесконтактной зарядки. 

Рабочие технологии для беспроводной зарядки портативных устройств

Кюэннен использовал старую идею передачи энергии посредством магнитного поля, озвученную еще Фарадеем и Теслой. Ток, проходящий через проволочную спираль, создает электромагнитное поле; под воздействием этого поля в другой спирали, расположенной поблизости, тоже возникает ток. Компания Fulton Innovation, одним из основателей которой является Кюэннен, уже в этом году может выпустить на рынок устройство, которое заряжает различные гаджеты с помощью магнитной катушки, спрятанной под рабочим столом или другой поверхностью, — оно передает электроэнергию во вторую, более маленькую катушку внутри заряжаемого устройства.

Рабочие технологии для беспроводной зарядки портативных устройств

Электрический стол eCoupled для зарядки мобильных устройств

Фирма назвала эту технологию eCoupled и защитила ее десятками патентов. Что же в ней нового? Ведь уже выпускаются электробритвы и зубные щетки, подзаряжаемые с помощью электромагнитной индукции. Как объясняют разработчики, им впервые удалось создать систему автоматической настройки зарядного устройства на параметры заряжаемого. Дело в том, что все ныне выпускаемые «магнитные» приборы тесно сопряжены с зарядным устройством (базой, куда их ставят на ночь).

У каждого такого аппарата своя, индивидуальная, зарядка; к тому же малейшее отклонение в расположении устройств — и процесс пополнения аккумуляторов почти затухает. eCoupled же способен заряжать любые аппараты, оснащенные бортовым «принимающим» устройством, а заряжаемый прибор можно вполне свободно перемещать относительно источника. Если заряжаемое устройство находится в нескольких сантиметрах от «точки» eCoupled, «в воздухе» теряется всего 2% электроэнергии; но на большем расстоянии, конечно, потери растут.

Как считают в Fulton, технология eCoupled позволит создавать удобные хот-споты — достаточно разместить передатчик под столом, и свою порцию питания будут получать лежащие на его поверхности телефон, компьютер, плеер и т. д. Прощайте провода и блоки питания, которые вечно теряешь. 

Рабочие технологии для беспроводной зарядки портативных устройств

«Так можно будет заряжать в будущем и автомобиль [с электрическим приводом]», — говорит Дейв Баарман, директор Fulton по передовым технологиям. Недавно на выставке в Лас-Вегасе Баарман демонстрировал, как можно питать разные устройства через пластик и воду. Самой эффектной демонстрацией стало приготовление стейка на электрогриле, который не имел проводов. Многих впечатлили перспективы технологии еще до выставки — сейчас среди партнеров Fulton Innovation такие гиганты, как Bosch, Motorola и Lenovo. Они разрабатывают устройства, совместимые с eCoupled, — пока для того, чтобы эта технология работала, к телефону или плееру нужно подключить специальный адаптер. Но скоро они будут встроенными.

Беспроводная рождественска елка от Powercast 

У Fulton есть конкуренты, использующие другие технологии. Например, компания Powercast выпускает искусственную рождественскую елку, украшенную беспроводными светодиодами. В стволе дерева — радиопередатчик, посылающий высокочастотные сигналы во всех направлениях. Уходящая в эфир энергия заставляет диоды светиться. За год Powercast продала около 500 таких деревьев по $395 каждое.

Энергия радиоволн для питания портативных устройств

Ученые из американской компании Ambient Micro, о разработках которой Newsweek писал два года назад, пошли еще дальше: они предложили использовать дармовую энергию радиоволн, которых в окружающем пространстве предостаточно. «Есть плохая новость — портативный компьютер “прокормить” пока невозможно. Но есть и хорошая: количество энергии, которое требуется для питания различных электронных устройств, уменьшается очень быстро. То, что еще вчера требовало нескольких ватт, сегодня работает от милливатт, а завтра — от микроватт», — говорил Newsweek президент компании Скотт Викер.

 Предполагалось, что прибор Ambient Micro, «высасывающий» дармовую энергию из радиоволн, поступит в продажу в этом году по цене в $1 и сможет питать охранные датчики или радиометки. Сейчас Скотт Викер признается, что эти планы оказались слишком оптимистичными. «Нам до сих пор не удалось создать устройство, которое заинтересовало бы инвесторов», — говорит он. Викер, кстати, не считает Fulton Innovation конкурентом: «Эффективность их устройства выше, но ведь им нужно потратить электроэнергию на создание магнитного поля, а мы улавливаем энергию из воздуха». 

Марин Сольячич из Массачусетского технологического института экспериментально доказал, что технологиям Ambient Micro и Fulton Innovation есть куда развиваться: ученый, используя принцип магнитной резонансной связи, смог в прошлом году зажечь лампочку, расположенную в двух метрах от передатчика. Сольячич уверен: скоро беспроводная электроэнергия будет питать куда более серьезные приборы — тостеры, печи, ПК и пылесосы. 

Но предстоит трудный выбор: между комфортом и экономией энергии. Чем больше расстояние между источником энергии и устройством, тем больше энергии теряется в процессе передачи. «Мощность источников волн может быть разной, — говорит профессор Университета Колорадо Зоя Попович. — Можно использовать магнитное поле или радиоволны. Но эффективность подзарядки зависит от расстояния, на котором находятся устройства». Например, при замене розеток и проводов магнитными катушками придется смириться с тем, что как минимум 50% электроэнергии будет уходить в никуда. Это, безусловно, выгодный обмен, если речь идет об электронном стимуляторе сердца, потребляющем минимум электричества. Но питание тостера или телевизора может обойтись слишком дорого. Впрочем, все чаще удобство при эксплуатации — главный фактор, от которого зависит успех или провал продукта.

Альтернативный вариант беспроводного зарядного устройства —  беспроводное устройство WildCharge, которое заряжает гаджеты через их поверхность.

Продукт компании WildCharge выиграл премию лучшей инновации CES 2008 в категории портативного электропитания. А в прошлом месяце устройство получило награду TIME Magazine в номинации лучшего изобретения 2007 года.

Компания Wildcharge была организована в 2005 году для продвижения уникальной, теперь уже запатентованной технологии беспроводной передачи электроэнергии. С помощью такого чудо-коврика можно забыть о зарядниках для сотовых телефонов, музыкальных и видеоплееров и даже ноутбуков. Один нюанс — все эти устройства должны быть снабжены специальным адаптером.

Чудо-коврик WildCharger

Зарядник под названием WildCharger представляет собой горизонтальную подложку с полосками контактов и предназначен для подпитки всевозможных гаджетов: мобильных телефонов, плееров и т.д. Каждое из заряжаемых устройств должно быть оснащено специальным адаптером. Когда пользователь кладет телефон на подложку зарядника, контакты адаптера соприкасаются с его поверхностью, образуя замкнутую электрическую цепь. Адаптер можно приобрести отдельно, но добавить соответствующую функцию в гаджет можно и в процессе производства.

При этом обеспечивается 100-процентная передача энергии без возникновения вредных магнитных полей. По словам официальных представителей WildCharge, над разработкой устройства инженеры трудились с 2001 года. Подложка может заряжать до пяти гаджетов одновременно. В настоящий момент зарядник поддерживает телефоны Motorola RAZR, продаваемые некоторыми операторами. В течение ближайших месяцев число поддерживаемых гаджетов планируется увеличить и включить iPod Nano и iPhone.

Купить WildCharger можно на сайте производителя по цене 60 долларов. Разработкой подобных зарядников занимаются и другие компании. Так, в конце прошлого года Belkin представил концепт Pitstop, позволяющий заряжать устройства без проводов. Основа его работы заключалась в использовании колец индуктивности.

Электроэнергия без проводов. К новому миру беспроводного электричества

В конце XIX века открытие того, что при помощи электричества можно заставить светиться лампочку, вызвало взрыв исследований, целью которых было найти наилучший способ передачи электроэнергии.

Во главе гонки оказался знаменитый физик и изобретатель Никола Тесла, который разработал грандиозный проект. Не в состоянии поверить в реальность создания колоссальной сети проводов, охватывающих все города, улицы, здания и комнаты, Тесла пришёл к выводу, что единственный реализуемый способ передачи — беспроводной. Он спроектировал башню высотой примерно 57 метров, которая должна была транслировать энергию на расстояние в многие километры, и даже начал строить её на Лонг-Айленде. Был проведён ряд экспериментов, но нехватка денег не позволила достроить башню. Идея с передачей энергии по воздуху рассеялась, как только оказалось, что промышленность в состоянии разработать и реализовать проводную инфраструктуру.

И вот, несколько лет назад, доцент кафедры физики Массачусетского Технологического Института (МИТ) Марин Солджачич (Marin Soljai) был пробуждён от сладкого сна настойчивым пиканьем мобильного телефона. «Телефон не умолкал, требуя, чтобы я поставил его заряжаться», — рассказывает Солджачич. Уставший и не собиравшийся вставать, он стал мечтать о том, чтобы телефон, оказавшись дома, начинал заряжаться сам по себе.Солджачич взялся за исследование способов передачи энергии без проводов. Он отказался от проектов передачи энергии на дальние расстояния наподобие проекта Тесла и сосредоточился на способах передачи энергии на небольшие расстояния, которые позволяли бы заряжать или даже включать портативные устройства — мобильные телефоны, карманные компьютеры, ноутбуки.

Вначале он рассматривал возможность использования радиоволн, которые столь эффективно передают информацию на расстоянии, но обнаружил, что в этом случае большая часть энергии будет рассеиваться в пространстве. Использование лазера требовало, чтобы источник энергии и подзаряжаемое устройство находились в поле зрения друг друга без каких бы то ни было препятствий между ними. Кроме того, этот метод был чреват повреждениями для объектов, оказавшихся на линии передачи. Поэтому Солджачич стал искать способ передачи, который был бы одновременно эффективен, то есть способен передавать энергию без её рассеивания, и безопасен.

В конце концов он остановился на явлении резонансной связи, когда два настроенных на одну и ту же частоту объекта интенсивно обмениваются энергией между собой, при этом лишь слабо взаимодействуя с другими объектами. Классической иллюстрацией этого эффекта является опыт с несколькими бокалами, наполненными вином каждый до своего отличного от остальных уровня. В результате для каждого бокала существует уникальная частота звука, вызывающая вибрацию. Если певец возьмёт ноту соответствующей частоты, один из бокалов может получить такую дозу акустической энергии, что он рассыплется, при этом остальные бокалы останутся неповреждёнными.

беспроводное электричество

Солджачич понял, что магнитный резонанс является многообещающим способом передачи электроэнергии. Магнитное поле свободно распространяется в пространстве и, при правильно выбранных частотах, безвредно для живых существ. Работая совместно с профессорами физики МИТ Джоном Иоаннопулосом (John Joannopoulos) и Питером Фишером (Peter Fisher) и тремя студентами, он разработал простое устройство, которое без проводов зажигало 60-ваттную электрическую лампочку.

Устройство состояло из двух настроенных в резонанс медных катушек, подвешенных с потолка на расстоянии примерно в два метра. Одна катушка подключалась к источнику переменного тока и создавала магнитное поле. Вторая катушка, настроенная на ту же частоту и подключённая к лампочке, резонируя в магнитном поле, генерировала зажигающий лампочку ток. Устройство работало даже когда между катушками помещали тонкую стенку.

Примечательно, что для работы установки даже не требуется наличие прямой видимости между приемником и передатчиком. В качестве опыта учение помещали между ними картонные и железные листы, однако на подачу тока это никак не повлияло.

Наиболее эффективное из созданных к этому моменту устройств состоит из 60-сантиметровых медных катушек и магнитного поля частотой в 10 мегагерц. Оно позволяет передавать энергию на расстояние в два метра с 50-процентной эффективностью. Проводятся исследования с серебром и другими материалами с целью уменьшить размер катушек и увеличить эффективность. Солджачич надеется достичь 70-80 процентной эффективности передачи.

Физики из Массачусетса поясняют, что в основе принципа действия установки лежит механизм резонанса, то есть явления, которое вызывает вибрации в объекте, когда на него воздействуют энергией определенной частоты. Однако когда два объекта имеют равные показатели резонанса, то они могут обмениваться энергией, причем абсолютно никак не воздействуя на окружающие предметы.

В природе существует масса примеров резонанса. Самый известный пример резонанса — когда несколько одинаковых стеклянных стаканов наполняются разным количеством воды, если по каждому стакану постучать металлической ложкой, то каждый стакан будет издавать уникальный звук.

Вместо акустического резонанса физики использовали в WiTricity частотный резонанс электромагнитных волн. В установке обе катушки резонируют в диапазоне частоты 10 МГц и обмениваются электроэнергией и чем дольше взаимодействие между элементами, тем больше тока прибывает приемнику. Причем, чем ниже диапазон резонирования, тем более длинноволновой диапазон в итоге получается и тем больше расстояние между приемником и передатчиком может быть.

Еще один важный фактор заключается в том, что вреда для здоровья людей данная установка не приносит, так как она работает на низких частота преимущественно в магнитном спектре.

«На магнитное взаимодействие организмы людей, насколько нам известно, не реагируют. Вот если бы частота была заметно ваше, например 2ГГц, то получился бы эффект микроволновой печи и это было бы уже совсем другое воздействие» — говорит один из разработчиков установки Марин Соладжич.

беспроводное электричество

 В настоящее время исследуются и ряд других способов беспроводной перезарядки аккумуляторов. Такие стартапы как Powercast, Fulton Innovation, и WildCharge начали продвижение на рынок адаптеров, позволяющих беспроводную подзарядку мобильных телефонов, MP3-плейеров и других устройств дома или в машине. Но подход Солджачича отличается тем, что он позволяет обеспечить автоматическую подзарядку устройств, как только они попадают в поле действия беспроводного передатчика.

Работа группы Солджачича привлекла внимание компаний, выпускающих электронные устройства, а также автомобильной промышленности. Исследования финансировались Министерством обороны США, рассчитывавшим получить технологию беспроводной автоматической подзарядки аккумуляторов. Однако Солджачич предпочитает не распространяться относительно возможного промышленного применения своей технологии.

В сегодняшнем управляемом батареями мире есть очень много потенциальных приложений, где наша технология может использоваться», — говорит он. — «Это очень мощный метод».

Создан робот-электрик для ремонта воздушных линий

Всем известно, что от последствий штормов, ураганов, бурь и других стихийных бедствий не застрахован никто. Поэтому стоит трезво осознать, что очередной ливень с одинаковой вероятностью может оставить без света, как небольшой офис, так и огромную корпорацию. Что же делать в случае обрыва кабеля или какого-то сбоя? Вызывать электриков? Или же арендовать робота, который самостоятельно выполнит всю работу намного быстрее, и возможно, качественнее. Скажете, фантастика? Конечно, кто будет разрабатывать роботов-электриков, если есть более интересные сферы применения этих кремниевых существ. И ходить далеко не надо – роботы-певцы и бармены, нянечки и учителя, доктора, игрушки. А вот тут-то и не соглашусь.

Ученые создали робота, который в автономном режиме, самостоятельно сможет провести проверку или диагностику многих километров силового кабеля, выявить неполадки и возможно, даже определить «предварительные» неисправности, которые, в будущем смогут вызвать проблемы в сети.

Профессор, инженер-электроник Александр Мамишев (Alexander Mamishev) рассказал прессе, что подобная разработка – первая в индустрии. Мамишев побывал в Новом Орлеане, где проводились тестовые запуски робота. Этот город был избран так называемой «тестовой» площадкой для Robotic Cable Inspection System (именно так называется робот) потому, что годом ранее Новый Орлеан подвергся масштабным разрушениям вследствие урагана Катрина и наводнения, которые стали причиной многочисленных обрывов и сбоев каналов электропередач. Оказывается, год спустя в городе еще остались участки метро, абсолютно не отремонтированные, и даже небезопасные для жизни человека.

Robotic Cable Inspection System в первую очередь занялся проверкой высоковольтных линий, идущих от электростанции к районам. В Орлеане такие кабеля толщиной более 6 см обычно прокладывают в туннелях метро. И если соленая морская вода, принесенная в город вместе с ураганом, просочится сквозь потрепанную стихией изоляцию или обмотку, это может вызвать короткое замыкание, способное опять оставить без света целые кварталы.

Создан робот-электрик для ремонта воздушных линий

Робот определяет информацию о кабеле посредством исследования его поверхности. Для этого имеются 3 сенсора: тепловой сенсор, звуковой или акустический сенсор, и сенсор, разработанный Мамишевым, занимающийся обнаружением «водных стволов», т.е. воды, которая успела просочиться в изоляцию. Тепловой сенсор, в свою очередь ищет участки, где наблюдается рассеивание тепла, а акустический – «прослушивает» кабель в поисках поврежденных участков. Ученые могут контролировать работу робота посредством беспроводного интерфейса, а также наблюдать за происходящим с помощью небольшой видеокамеры.

Сейчас робот-электрик работает на достаточно серьезном объекте — Lockheed Martin’s Michoud NASA Assembly Facility. Этот огромный завод занимается разработкой элементов ракет, используемых НАСА. Работа на таком важном объекте, по словам разработчиков, позволит немного продвинуть и разрекламировать Robotic Cable Inspection System.

Мамишев отметил, что сегодня выполнение работы для человека- занятие скучное, длительное и дорогостоящее. Поэтому ученые надеются, что вскоре роботы научатся выполнять львиную долю той работы, которая нам, или не нравится, или не под силу.

Перспективы развития автоматизированного электропривода

Специфика развития современной цивилизации, особенно в последние десять лет, кардинально меняет нашу жизнь. Наибольшего внимания заслуживают две тенденции.

Первая – стремительное развитие всего, что связано с компьютерными технологиями. Это не только компьютер в каждом доме и на рабочем месте, не только интернет и «игрушки». Если вглядеться более пристально, то все мы уже давно заложники компьютерных технологий. Почти любое устройство сейчас имеет в своем составе управляющий чип, что в принципе, есть тот же маленький компьютер. Это и телевизор, и стиральная машина, и мобильный телефон, и фотоаппарат, и брелок к автомобилю, и сам автомобиль…

Сейчас в моем рабочем кабинете на работе около 60-ти! управляющих процессора… Это уже очень серьезно! Если раньше микропроцессор стоил десятки и сотни долларов, то теперь можно купить управляющий чип менее чем за доллар!

Вторая тенденция – рост стоимости энергоносителей, и всего, что связано с добывающей промышленностью. За десять лет подорожали все ресурсы. Так 1998 году мы покупали 1 литр 95-го бензина за 2 рубля 15 копеек, а теперь платим почти 22 рубля (статья написана в начале 2008 года), а копейки сейчас опять никто не считает… Как до деноминации…

Это все имеет непосредственное значение к автоматизированному электроприводу, который интегрирован в нашу жизнь и является основой производства. Сейчас просто экономически целесообразно любой электропривод делать автоматизированным, то есть компьютеризированным. Это не есть дань времени, с непреодолимым желанием впихнуть во все микропроцессор. Самое главное – это сделать его способным существенно экономить электроэнергию. Автоматика, при таком подходе, окупается за год, а иногда и быстрее.

В дополнении к этому, автоматизированный электропривод имеет ряд существенных преимуществ:

— улучшенные потребительские качества (сравните хотя бы современную стиральную машину с той, которая была у вас двадцать лет назад);

— регулирование скорости, интенсивностей разгонов и торможений, позволяет упростить, то есть удешевить механическую часть, задавать щадящие режимы для всей механики, снизить пусковые и рабочие токи, продлить жизнь механической и электрической частей;

— возможность и целесообразность делать распределенную систему управления электроприводом; — интеграция электроприводов в сеть с сервером сбора и анализа данных с возможностью удаленного доступа.

Сейчас давайте проанализируем сложившуюся ситуацию с электроприводом. Она, во многом, определяется исторически сложившимися условиями. В настоящее время электропривод строится с разделением преобразователя электроэнергии и системы управления на сильноточную и слаботочную части. В настоящее время под системой управления чаще всего подразумевается цифровой контроллер. Первыми в этой связке появились электрические машины. Подготовкой к их созданию явилась вся история электричества. Получилось, что к системе преобразователь-двигатель (П-Д) «приделали» управляющий промконтроллер (см. рис. 1).

Перспективы развития автоматизированного электропривода

Если механизм имеет несколько приводов, то появляется еще один промконтроллер… Такой подход имеет ряд недостатков:

— высокая стоимость системы;

— обратные связи, «пропускаемые» через промышленный контроллер дают существенные задержки по времени;

— попытка снизить цену изделия приводит к «разношерстной» автоматике, с различием интерфейсов и увеличению задержки по времени; Очень часто получается так: механизм, который имел нерегулируемый привод, дополняют регулируемым, так проще…

Например, согласование механизмов какой-нибудь линии, производится по старинке, через механику. Получается очень дорогой и очень «мудреный» агрегат с обилием интерфейсов, что приводит к дополнительным расходам на пуско-наладку. А если в такой системе происходит сбой (поломка), то проблем становится еще больше. Интеграция таких систем для общего мониторинга – весьма сложная задача. Все это можно сравнить с объединением в рабочую группу компьютеров разных производителей, с различным быстродействием, с различными сетевыми интерфейсами и различными стандартами сетей.

Теперь вернемся к перспективам автоматизированного электропривода. Основной тезис – создание распределенной системы управления, с минимизацией цены и простым и понятным способом интеграции этих приводов в общую сеть.

Все напоминает развитие персональных компьютеров. Любой современный преобразователь частоты имеет процессор. Зачем нужен дополнительный промконтроллер? Это затраты, увеличение времени реакции системы, ухудшение надежности. А просто ПЧ современных производителей сделаны как «черный ящик», и выполняют единственную задачу – преобразовать входной сигнал в соответствующую частоту и напряжение. Компания «Конвир» предлагает альтернативы. Промконтроллер мы не ставим. Необходимые обратные связи заводятся в ПЧ. В ПЧ ставится, также, программа управления для решения всех технологических задач. ПЧ имеет встроенный интерфейс CAN-open для интеграции подобного узла в сеть (см. рис. 2).

Перспективы развития автоматизированного электропривода

В принципе, такой узел может работать и самостоятельно, сеть служит для ввода уставок и сбора информации о работе. Таким образом мы получаем однопроцессорную систему управления с максимальным быстродействием, надежностью и минимальной ценой! Для объединения приводов и согласования их работы остается только соединить их по CAN – шине «витой парой». Если нужен удаленный мониторинг и журналирование работы механизма, то мы ставим дополнительный промышленный сервер с SQL базой данных и ethernet интерфейсом. Объединение узлов распределенных электроприводов в сеть происходит бесплатно!

Теперь подробно рассмотрим преимущества такой системы. Мы имеем некоторое количество автоматизированных электроприводов с распределенной системой управления, которые объединены в сеть. Каждый отдельный привод фактически самостоятелен и может работать даже при обрыве сети. Так как количество связей у привода минимально и процессор имеет мгновенный доступ ко всем параметрам узла, то мы имеем максимальное быстродействие, гибкость и надежность! По сети происходит согласование работы электроприводов. Если мы имеем дело с автоматизированной линией или просто многоприводным механизмом, то механическая часть может быть значительно упрощена и удешевлена за счет автоматизации работы согласованных приводов.

Для управления системой может использоваться любая CAN-панель или компьютер. Управляющих задач эти устройства не выполняют, а служат, исключительно, для ввода-вывода. Если мы ставим компьютер, то получаем еще и возможность журналирования работы. Система построена максимально дружелюбно для связи с любой программой управляющей работой производства, например, 1С. Поскольку электропривод в такой системе является, действительно, автоматизированным, то за счет этого максимально задействуются алгоритмы экономии электроэнергии. Кроме того, ограничены ударные механические и электрические нагрузки!

Жизнь не стоит на месте. Производственные технологии стремительно развиваются. И мы должны четко сознавать, что краеугольным камнем в этих процессах является автоматизированный электропривод.

Будущее энергетики — сверхпроводниковые электрогенераторы, трансформаторы и линии электропередачи

Одним из основных направлений развития науки намечены теоретические и экспериментальные исследования в области сверхпроводящих материалов, а одним из основных направлений развития техники – разработка сверхпроводниковых турбогенераторов.

Сверхпроводящее электрооборудование позволит резко увеличить электрические и магнитные нагрузки в элементах устройств и благодаря этому резко сократить их размеры. В сверхпроводящем проводе допустима плотность тока, в 10…50 раз превышающая плотность тока в обычном электрооборудовании. Магнитные поля можно будет довести до значений порядка 10 Тл, по сравнению с 0,8…1 Тл в обычных машинах. Если учесть, что размеры электротехнических устройств обратно пропорциональны произведению допустимой плотности тока на индукцию магнитного поля, то ясно, что применение сверхпроводников уменьшит размеры и массу электрооборудования во много раз!

По мнению одного из конструкторов системы охлаждения новых типов криогенных турбогенераторов советского ученого И.Ф. Филиппова, есть основание считать задачу создания экономичных криотурбогенераторов со сверхпроводниками решенной. Предварительные расчеты и исследования позволяют надеяться, что не только размеры и масса, но и КПД новых машин будут выше, чем у самых совершенных генераторов традиционной конструкции.

Это мнение разделяют руководители работ по созданию нового сверхпроводникового турбогенератора серии КТГ-1000 академик И.А. Глебов, доктора технических наук В.Г. Новицкий и В.Н. Шахтарин. Генератор КТГ-1000 испытан летом 1975 г., за ним последовал модельный криогенный турбогенератор КТ-2-2, созданный объединением «Электросила» в содружестве с учеными Физико-технического института низких температур АН УССР. Результаты испытаний позволили приступить к постройке сверхпроводникового агрегата значительно большей мощности.

Приведем некоторые данные сверхпроводникового турбогенератора мощностью 1200 кВт, разработанного во ВНИИэлектромаш. Сверхпроводящая обмотка возбуждения выполнена из провода диаметром 0,7 мм с 37 сверхпроводящими жилами из ниобий-титана в медной матрице. Центробежные и электродинамические усилия в обмотке воспринимаются бандажом из нержавеющей стали. Между наружной толстостенной оболочкой из нержавеющей стали и бандажом размещен медный электротермический экран, охлаждаемый потоком проходящего в канале холодного газообразного гелия (он затем возвращается в ожижитель).

Подшипники работают при комнатной температуре. Обмотка статора выполнена из медных проводников (охладитель – вода) и окружена ферромагнитным экраном из шихтованной стали. Ротор вращается в вакуумированном пространстве внутри оболочки из изоляционного материала. Сохранение вакуума в оболочке гарантируют уплотнители.

Опытный генератор КТГ-1000 был в свое время самым крупным по габаритам криотурбогенератором в мире. Цель его создания – отработка конструкции вращающихся криостатов больших размеров, устройств подачи гелия к сверхпроводящей обмотке ротора, исследование тепловой схемы, работы сверхпроводящей обмотки ротора, его захолаживания.

Будущее энергетики - сверхпроводниковые электрогенераторы, трансформаторы и линии электропередачи

А перспективы просто завораживают. Машина мощностью 1300 МВт будет иметь длину около 10 м при массе 280 т, в то время как аналогичная по мощности машина обычного исполнения имеет длину 20 м при массе 700 т! Наконец, обычную машину мощностью более 2000 МВт создать трудно, а при использовании сверхпроводников можно реально достичь единичной мощности 20 000 МВт!

Итак, на выигрыш в материалах приходится примерно три четверти себестоимости. Облегчаются производственные процессы. Любому машиностроительному заводу проще и дешевле сделать несколько крупных электрических машин, чем большое количество мелких: меньше требуется рабочих, не так напряженно загружаются станочный парк и другое оборудование.

Для установки мощного турбогенератора нужна относительно небольшая площадь электростанции. Значит, сокращаются расходы на сооружение машинного зала, станцию можно быстрее ввести в строй. И, наконец, чем крупнее электрическая машина, тем выше ее КПД.

Однако все эти преимущества не исключают технических трудностей, возникающих при создании крупных энергетических агрегатов. И, что самое существенное, их мощность можно увеличивать лишь до определенных пределов. Расчеты показывают, что перешагнуть верхний предел, ограниченный мощностью турбогенератора 2500 МВт, ротор которого вращается с частотой 3000 об/мин, не удастся, так как этот предел определяется, в первую очередь, прочностными характеристиками: напряжения в механической конструкции машины более высокой мощности возрастают настолько, что центробежные силы неизбежно вызовут разрушение ротора.

Немало забот возникает при транспортировке. Для перевозки того же турбогенератора мощностью 1200 МВт пришлось построить сочлененный транспортер грузоподъемностью 500 т, длиной почти 64 м. Каждая из двух его тележек опиралась на 16 вагонных осей.

Многие препятствия сами по себе отпадают, если использовать эффект сверхпроводимости и применить сверхпроводящие материалы. Тогда потери в роторной обмотке можно практически свести к нулю, так как постоянный ток не будет встречать в ней сопротивления. А раз так, повышается КПД машины. Протекающий по сверхпроводящей обмотке возбуждения ток большой силы создает столь сильное магнитное поле, что уже нет необходимости применять стальной магнитопровод, традиционный для любой электрической машины. Устранение стали снизит массу ротора и его инерционность.

Будущее энергетики - сверхпроводниковые электрогенераторы, трансформаторы и линии электропередачи

Создание криогенных электрических машин – не дань моде, а необходимость, естественное следствие научно-технического прогресса. И есть все основания утверждать, что к концу века сверхпроводящие турбогенераторы мощностью более 1000 МВт будут работать в энергосистемах.

Первая в Советском Союзе электрическая машина со сверхпроводниками была спроектирована в Институте электромеханики в Ленинграде еще в 1962…1963 гг. Это была машина постоянного тока с обычным («теплым») якорем и сверхпроводниковой обмоткой возбуждения. Мощность ее составляла всего несколько ватт.

С тех пор коллектив института (сейчас – ВНИИэлектромаш) работает над созданием сверхпроводящих турбогенераторов для энергетики. За истекшие годы удалось построить опытные конструкции мощностью 0,018 и 1 МВт, а затем и 20 МВт…

Каковы же особенности этого детища ВНИИэлектромаша?

Сверхпроводящая обмотка возбуждения находится в гелиевой ванне. Жидкий гелий поступает во вращающийся ротор по трубе, расположенной в центре полого вала. Испарившийся газ направляется обратно в конденсационную установку через зазор между этой трубой и внутренней стенкой вала.

В конструкции трубопровода для гелия, как и в самом роторе, есть вакуумные полости, создающие хорошую теплоизоляцию. Вращающий момент от первичного двигателя подается к обмотке возбуждения через «тепловые мосты» – конструкцию, достаточно прочную механически, но плохо передающую тепло.

В итоге конструкция ротора представляет собой вращающийся криостат со сверхпроводящей обмоткой возбуждения.

Статор сверхпроводящего турбогенератора, как и в традиционном варианте, имеет трехфазную обмотку, в которой магнитным полем ротора возбуждается электродвижущая сила. Исследования показали, что применять сверхпроводящую обмотку в статоре нецелесообразно, так как на переменном токе в сверхпроводниках возникают немалые потери. Но в конструкции статора с «обычной» обмоткой есть свои особенности.

Обмотку оказалось возможным в принципе разместить в воздушном зазоре между статором и ротором и крепить по-новому, с помощью эпоксидных смол и конструктивных элементов из стеклопластика. Такая схема позволила разместить больше медных проводников в статоре.

Оригинальна и система охлаждения статора: тепло отводится фреоном, который одновременно выполняет и функцию изолятора. В перспективе это отведенное тепло можно будет использовать для практических целей с помощью теплового насоса.

В моторе турбогенератора мощностью 20 МВт был применен медный провод прямоугольного сечения 2,5 х 3,5 мм. В него впрессовано 3600 жил из ниобий-титана. Такой провод способен пропускать ток до 2200 А.

Испытания нового генератора подтвердили расчетные данные. Он оказался вдвое легче традиционных машин той же мощности, а его КПД выше на 1%. Сейчас этот генератор работает в системе «Ленэнерго» в качестве синхронного компенсатора и вырабатывает реактивную мощность.

Но основной итог работы – колоссальный опыт, накопленный в процессе создания турбогенератора. Опираясь на него, ленинградское электромашиностроительное объединение «Электросила» приступило к созданию турбогенератора мощностью уже 300 МВт, который будет установлен на одной из строящихся в нашей стране электростанций.

Сверхпроводящая обмотка возбуждения ротора изготовлена из ниобий-титанового провода. Устройство его необычно – тончайшие ниобий-титановые проводники запрессованы в медную матрицу. Сделано это для того, чтобы предотвратить переход обмотки из сверхпроводящего состояния в нормальное в результате воздействия флуктуаций магнитного потока или других причин. Если же это все-таки произойдет, ток потечет по медной матрице, тепло рассеется, сверхпроводящее состояние восстановится.

Технология изготовления собственно ротора потребовала внедрения принципиально новых технических решений. Если ротор обычной машины делают из цельной поковки магнитопроводящей стали, то в данном случае он должен состоять из нескольких вставленных один в другой цилиндров, изготовленных из стали немагнитной. Между стенками одних цилиндров находится жидкий гелий, между стенками других создан вакуум. Стенки цилиндров, естественно, должны обладать высокой механической прочностью, быть вакуумно-плотными.

Масса нового турбогенератора, так же как масса его предшественника, почти в 2 раза меньше массы обычного той же мощности, а КПД увеличен еще на 0,5…0,7%. Турбогенератор «живет» около 30 лет и большую часть времени находился в работе, поэтому совершенно очевидно, что такое, казалось бы, небольшое увеличение КПД будет весьма солидным выигрышем.

Энергетикам нужны не только холодные генераторы. Уже изготовлено и испытано несколько десятков сверхпроводящих трансформаторов (первый из них построен американцем Мак-Фи в 1961 г.; трансформатор работал на уровне 15 кВт). Имеются проекты сверхпроводящих трансформаторов на мощность до 1 млн. кВт. При достаточно больших мощностях сверхпроводящие трансформаторы будут легче обычных на 40…50% при примерно одинаковых с обычными трансформаторами потерях мощности (в этих расчетах учитывалась и мощность ожижителя).

У сверхпроводящих трансформаторов, однако, есть и существенные недостатки. Они связаны с необходимостью защиты трансформатора от выхода его из сверхпроводящего состояния при перегрузках, коротких замыканиях, перегревах, когда магнитное поле, ток или температура могут достичь критических значений.

Если трансформатор при этом не разрушится, то потребуется несколько часов, чтобы снова охладить его и восстановить сверхпроводимость. В ряде случаев такой перерыв в электроснабжении неприемлем. Поэтому, прежде чем говорить о массовом изготовлении сверхпроводящих трансформаторов, необходимо разработать меры защиты от аварийных режимов и возможности обеспечения потребителей электроэнергией во время простоев сверхпроводящего трансформатора. Достигнутые в этой области успехи позволяют думать, что в ближайшем будущем проблема защиты сверхпроводящих трансформаторов будет решена, и они займут свое место на электростанциях.

В последние годы становится все более близкой к осуществлению мечта о сверхпроводящих линиях электропередачи. Все возрастающая потребность в электроэнергии делает очень привлекательной передачу большой мощности на большие расстояния. Советские ученые убедительно показали перспективность сверхпроводящих линий передачи. Стоимость линий будет сопоставима со стоимостью обычных воздушных линий передачи электроэнергии (стоимость сверхпроводника, если учесть высокое значение критической плотности его тока по сравнению с экономически целесообразной плотностью тока в медных или алюминиевых проводах, невелика) и ниже стоимости кабельных линий.

Будущее энергетики - сверхпроводниковые электрогенераторы, трансформаторы и линии электропередачи

Осуществлять сверхпроводниковые линии электропередачи предполагается так: между конечными пунктами передачи в земле прокладывается трубопровод с жидким азотом. Внутри этого трубопровода располагается трубопровод с жидким гелием. Гелий и азот протекают по трубопроводам вследствие создания между исходным и конечным пунктами разности давлений. Таким образом, ожижительно-насосные станции будут лишь на концах линии.

Жидкий азот можно использовать одновременно и в качестве диэлектрика. Гелиевый трубопровод поддерживается внутри азотного диэлектрическими стойками (у большинства изоляторов диэлектрические свойства при низких температурах улучшаются). Гелиевый трубопровод имеет вакуумную изоляцию. Внутренняя поверхность трубопровода жидкого гелия покрыта слоем сверхпроводника.

Потери в такой линии с учетом неизбежных потерь на концах линии, где сверхпроводник должен стыковаться с шинами при обычной температуре, не превысят нескольких долей процента, а в обычных линиях электропередачи потери в 5…10 раз больше!

Силами ученых Энергетического института имени Г.М. Кржижановского и Всесоюзного научно-исследовательского института кабельной промышленности уже создана серия опытных отрезков сверхпроводящих кабелей переменного и постоянного тока. Подобные линии смогут передавать мощности во много тысяч мегаватт при КПД более 99%, при умеренной стоимости и относительно невысоком (110…220 кВ) напряжении. Может быть, еще более важно, что сверхпроводящие линии электропередачи не будут нуждаться в дорогостоящих устройствах компенсации реактивной мощности. Обычные линии требуют установки токовых реакторов, мощных конденсаторов, чтобы нивелировать чрезмерные потери напряжения вдоль трассы, а линии на сверхпроводниках в состоянии себя самокомпенсировать!

Сверхпроводники оказались незаменимыми и в электрических машинах, принцип действия которых предельно прост, но которых никогда раньше не строили, ибо для их работы нужны очень сильные магниты. Речь идет о магнитогидродинамических (МГД) машинах, осуществить которые Фарадей пытался еще в 1831 г.

Идея опыта проста. В воду Темзы на ее противоположных берегах погружали две металлические пластинки. Если скорость реки 0,2 м/с, то, уподобив струи воды проводникам, движущимся с запада на восток в магнитном поле Земли (его вертикальная составляющая примерно равна 5·10–5 Тл), с электродов можно снять напряжение примерно 10 мкВ/м.

К сожалению, этот опыт окончился неудачей, «генератор-река» не заработал. Фарадей не смог замерить тока в цепи. Но через несколько лет лорд Кельвин повторил опыт Фарадея и получил небольшой ток. Казалось бы, все осталось, как у Фарадея: те же пластины, та же река, те же приборы. Разве что место не совсем то. Кельвин построил свой генератор ниже по Темзе, там, где ее воды смешиваются с соленой водой пролива.

Вот она разгадка! Вода ниже по течению была более соленой и, следовательно, обладала большей проводимостью! Это было сразу же зарегистрировано приборами. Увеличение проводимости «рабочего тела» – генеральный путь увеличения мощности МГД-генераторов. Но увеличить мощность можно и другим способом – повышая магнитное поле. Мощность МГД-генератора прямо пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля.

Мечты об МГД-генераторах получили реальную основу примерно в середине нашего века вместе с появлением первых партий сверхпроводящих промышленных материалов (ниобий-титан, ниобий-цирконий), из которых удалось сделать первые, еще маленькие, но работающие модели генераторов, двигателей, токопроводов, соленоидов. А в 1962 г. на симпозиуме в Ньюкасле англичане Вильсон и Роберт предложили проект МГД-генератора на 20 МВт с полем 4 Тл. Если обмотку сделать из медного провода, то при стоимости 0,6 мм/долл. джоулевы потери в ней «съедят» ѕ полезной мощности (15 МВт!). Зато на сверхпроводниках обмотка будет компактно облегать рабочую камеру, потерь в ней не будет, а на охлаждение уйдет всего 100 кВт мощности. КПД возрастет с 25 до 99,5%! Тут есть о чем задуматься.

МГД-генераторами занялись всерьез во многих странах, потому что в таких машинах можно использовать плазму в 8…10 раз более горячую, чем пар в турбинах тепловых электростанций, а при этом по известной формуле Карно КПД будет уже не 40, а все 60%. Вот почему в ближайшие годы недалеко от Рязани заработает первый промышленный МГД-генератор на 500 МВт.

Конечно, создать и экономично использовать такую станцию непросто: нелегко разместить рядом поток плазмы (2500 К) и криостат с обмоткой в жидком гелии (4…5 К), раскаленные электроды обгорают и зашлаковываются, из шлаков надо выщелачивать те присадки, которые только что добавлялись в топливо для ионизации плазмы, но ожидаемые выгоды должны окупить все трудозатраты.

Можно представить себе, как выглядит сверхпроводящая магнитная система МГД-генератора. Две сверхпроводящие обмотки расположены по бокам канала с плазмой, отделенного от обмоток многослойной тепловой изоляцией. Обмотки закреплены в титановых кассетах, и между ними поставлены титановые распорки. Кстати сказать, эти кассеты и распорки должны быть чрезвычайно прочными, так как электродинамические силы в обмотках с током стремятся разорвать их и притянуть друг к другу.

Будущее энергетики - сверхпроводниковые электрогенераторы, трансформаторы и линии электропередачи

Поскольку в сверхпроводящей обмотке тепло не выделяется, рефрижератор, который требуется для работы сверхпроводящей магнитной системы, должен отводить лишь то тепло, которое поступает в криостат с жидким гелием через тепловую изоляцию и токоподводы. Потери в токоподводах можно свести практически к нулю, если использовать короткозамкнутые сверхпроводящие катушки, питаемые от сверхпроводящего трансформатора постоянного тока.

Гелиевый ожижитель, который будет восполнять потери гелия, испаряющегося через изоляцию, по расчетам должен вырабатывать несколько десятков литров жидкого гелия в 1 ч. Такие ожижители выпускает промышленность.

Без сверхпроводящих обмоток были бы нереальными крупные токамаки. В установке «Токамак-7», например, обмотка массой 12 т обтекается током 4,5 кА и создает на оси плазменного тора объемом 6 м3 магнитное поле 2,4 Тл. Это поле создается 48 сверхпроводящими катушками, потребляющими за час всего 150 л жидкого гелия, повторное сжижение которого требует мощности 300…400 кВт.

Не только большая энергетика нуждается в экономичных компактных мощных электромагнитах, без них трудно обойтись ученым, работающим с рекордно сильными полями. На порядок производительнее становятся установки для магнитного разделения изотопов. Уже не рассматриваются проекты крупных ускорителей без сверхпроводящих электромагнитов. Совершенно нереально обойтись без сверхпроводников на пузырьковых камерах, которые становятся чрезвычайно надежными и чувствительными регистраторами элементарных частиц. Так, одна из рекордно больших магнитных систем на сверхпроводниках (Аргоннская национальная лаборатория, США) создает поле 1,8 Тл с запасенной энергией 80 МДж. Исполинская обмотка массой 45 т (из них 400 кг ушло на сверхпроводник) при внутреннем диаметре 4,8 м, наружном 5,3 м и высоте 3 м требует для охлаждения до 4,2 К всего 500 кВт – ничтожно малую мощность.

Еще более внушительным представляется сверхпроводящий магнит пузырьковой камеры Европейского центра ядерных исследований в Женеве. Он имеет следующие характеристики: магнитное поле в центре до 3 Тл, внутренний диаметр «катушки» 4,7 м, запасенная энергия 800 МДж.

В конце 1977 г. в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) вступил в строй один из крупнейших в мире сверхпроводящих магнитов «Гиперон». Рабочая зона его имеет диаметр 1 м, поле в центре системы 5 Тл (!). Уникальный магнит предназначен для проведения экспериментов на протонном синхротроне ИФВЭ в Серпухове.

Будущее энергетики - сверхпроводниковые электрогенераторы, трансформаторы и линии электропередачи

Осмыслив эти впечатляющие цифры, уже как-то неудобно говорить о том, что техническое освоение сверхпроводимости только начинается. В качестве примера можно напомнить о критических параметрах сверхпроводников. Если температура, давление, ток, магнитное поле превысят некоторые предельные значения, называемые критическими, сверхпроводник потеряет свои необычные свойства, превратившись в обычный материал.

Наличие фазового перехода вполне естественно использовать для контроля внешних условий. Если есть сверхпроводимость, значит, поле меньше критического, если у датчика восстановилось сопротивление – поле выше критического. Уже разработана серия самых разнообразных сверхпроводящих измерителей: болометр на спутнике может «почувствовать» зажженную спичку на Земле, гальванометры становятся чувствительнее в несколько тысяч раз; в резонаторах ультравысокой добротности колебания электромагнитного поля словно консервируются, ибо они чрезвычайно долго не затухают.

Теперь самое время окинуть взором всю электрическую часть энергетики, чтобы понять, как россыпь сверхпроводящих устройств может дать суммарный народнохозяйственный эффект. Сверхпроводники могут повысить единичную мощность энергоагрегатов, высоковольтная энергетика может постепенно превратиться в многоамперную, вместо четырех-шестикратного преобразования напряжения между электростанцией и потребителем реально говорить об одной-двух трансформациях с соответствующим упрощением и удешевлением схемы, общий КПД электрических сетей неминуемо вырастет вследствие джоулевых потерь. Но и это еще не все.

Электрические системы неизбежно приобретут другой вид, когда в них будут применять сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИН)! Дело в том, что из всех отраслей промышленности только в энергетике нет складов: выработанное тепло и электричество хранить негде, их надо потреблять сразу. Определенные надежды связаны со сверхпроводниками. Из-за отсутствия в них электрического сопротивления ток может циркулировать по замкнутому сверхпроводящему контуру сколь угодно долго без затухания до тех пор, пока не настанет время его отбора потребителем. СПИНы станут естественными элементами электрической сети, их остается только оснастить регуляторами, переключателями или преобразователями тока или частоты при объединении с источниками и потребителями электричества.

Энергоемкость СПИНов может быть самой различной – от 10–5 (энергия портфеля, выпавшего из рук) до 1 кВт-ч (глыба 10 т, упавшая со скалы 40 м) или 10 млн. кВт-ч! Столь мощный накопитель должен иметь размеры беговой дорожки вокруг футбольного поля, его цена будет составлять 500 млн. дол., а КПД – 95%. Равноценная гидроаккумулирующая электростанция окажется на 20% дешевле, но на свои нужды потратит треть мощности! Поучительна раскладка стоимости такого СПИНа по составляющим: на рефрижераторы 2…4%, на преобразователи тока 10%, на сверхпроводящую обмотку 15…20%, на теплоизоляцию холодной зоны 25%, а на бандажи, крепления и распорки – почти 50%.

Со времени доклада Г.М. Кржижановского по плану ГОЭЛРО на VIII Всероссийском съезде Советов прошло более полувека. Претворение этого плана в жизнь позволило повысить мощность электростанций страны с 1 до 200…300 млн. кВт. Теперь появляется принципиальная возможность усилить энергосистемы страны в несколько десятков раз, переведя их на сверхпроводящее электрооборудование и упростив сами принципы построения таких систем.

Основой энергетики начала XXI века могут стать атомные и термоядерные станции с чрезвычайно мощными электрогенераторами. Электрические поля, порожденные сверхпроводящими электромагнитами, могучими реками смогут перетекать по сверхпроводящим линиям электропередачи в сверхпроводящие накопители энергии, откуда по мере необходимости будут отбираться потребителями. Электростанции смогут равномерно вырабатывать мощность и днем, и ночью, а освобождение их от плановых режимов должно повысить экономичность и срок службы главных агрегатов.

К наземным электростанциям можно добавить космические солнечные станции. Зависнув над фиксированными точками планеты, они должны будут преобразовывать солнечные лучи в коротковолновое электромагнитное из лучение, чтобы посылать сфокусированные потоки энергии к наземным преобразователям в токи промышленной назначения. Все электрооборудование наземно-космических электрических систем должно быть сверхпроводящим, в противном случае потери в проводниках конечной электропроводности окажутся, по-видимому, неприемлемо большими.