Еще новости раздела
Иван-чай

Сегодня хотелось бы рассказать аудитории о таком примечательном растении, как кипрей узколистный или иван-чай. Это

Ранее просмотренные
Посадка на астероид: уникальные кадры с

На днях космический зонд НАСА OSIRIS-REx совершил шестисекундную посадку на астероид Бенну, взяв с него образцы проб

Эксперты оценили ремонтопригодность

Наиболее значимая презентация октября - новая линейка смартфонов Apple iPhone 12 продолжает исследоваться экспертами с

AR-дисплеи на лобовом стекле

Голографические дисплеи (HUD) с дополненной реальностью (AR) на лобовых стеклах автомобилей могут стать реальностью в

Однопроводная передача энергии

Все блоги / Блоги людей 13 октября 2020 181   

В теме про квадруплекс мы уже упоминали, что телеграфисты часто использовали единственный провод, возвращая ток по земле. Можем ли мы использовать то же решение для передачи энергии?

Проводимость даже влажной земли на порядки хуже проводимости металла того же сечения. На первый взгляд может показаться что это ставит крест на возможности передачи энергии.

Но при расстояниях даже в единицы километров на середине пути ток может распределиться по объему земли сравнимых линейных размеров(несколько км) — мы имеем дело с проводником сечение которого измеряется в квадратных километрах. Сечение типичного провода измеряется в квадратных миллиметрах — это в триллион раз меньшая величина! На практике, сопротивление земли определяется в основном сопротивлением участка у заземляющего электрода и легко сводится к единицам Ом и меньше(типичное сопротивление провода на маломощной линии 0.1-1 Ом на км).

Перед нами открывается интересная возможность — пустив обратный ток через заземление мы уменьшим омические потери, сэкономим на втором проводе и сможем сэкономить на опорах. Последний пункт поподробнее — расстояние между опорами ЛЭП обычно определяется не прочностью провода, а проблемой перехлеста проводов. При большом пролете и небольшом расстоянии между проводами ветер неизбежно вызывает перехлесты, увеличение расстояния между проводами/уменьшение расстояния между опорами увеличивает затраты. С единственным проводом проблема перехлестов исчезает — обычная ЛЭП с 7 столбами на км заменяется однопроводной с 2.5 столбов на км.

Такие линии вполне используются в реале(см. single-wire ground return, SWER) — они используются в сельской местности в Австралии(200,000 км, 20% от общей длины), Новой Зеландии, Канаде, Бразилии, США и некоторых африканских странах, традиционные трамваи/электрички возвращают ток через рельс, и часть тока неизбежно идет через землю. Попаданцу особенно интересен опыт стран третьего мира — в Лаосе и Мозамбике такие линии составляют большинство. Как показывает практика, такая линия на треть дешевле обычной двухфазной и вдвое дешевле в обслуживании, так что такая популярность неудивительна. Даже обычные ЛЭП часто временно используют землю в случае обрыва одного из проводов.

Возникает естественный вопрос, почему же большинство ЛЭП возвращают ток по проводам?

Причина номер один, ставшая очевидной еще в конце 19 века, это резкое усиление коррозии металлических элементов — один ампер постоянного тока через конструкцию «съедает» примерно 10 килограммов железа в год(переменный ток десятки раз менее опасен в этом плане), а ток потребления электрички измеряется в килоамперах. Только в США блуждающие токи(stray voltage) от электротранспорта наносят ущерб в полмиллиарда долларов в год, в основном страдает собственность жд компаний. И это несмотря на многочисленные предупреждающие меры — рельс изолирован от земли специальными прокладками, так что сопротивление заземления может составлять сотни Ом/км, расстояние между тяговыми подстанциями может сокращаться до сотен метров, уязвимые конструкции снабжаются катодной защитой/слоем изоляции или подключаются к станциям автоматического усиленного дренажа.

На сельских однопроводных ЛЭП ток потребителя ограничивают десятком ампер и мирятся с коррозией, большие однопроводные линии принимают специальные меры — например катод заземления Baltic Cable(~1000 А) представляет собой кольцо из медной проволоки диаметром в 2 км и лежит на дне моря в 2 километрах от берега.

Рядом с мощным заземлением возникает шаговое напряжение, которое может быть опасно для людей и животных. Наводки от блуждающих токов нарушают работу сигнальных систем — в 19 веке распространение трамваев заставило резко сократить использование земли для возврата сигнала телеграфа/телефона, сегодня наводки нарушают работу сигнальных жд систем и создают шум в аудиосистемах — для борьбы с этим их иногда отключают от заземления(см. cheater plug), что является весьма небезопасной практикой.

Некоторые специфические проблемы однопроводных систем — короткое замыкание на землю может быть трудноотличимо от нормальной работы линии, мощная линия искажает показания компаса на десяток градусов на расстоянии в сотню метров из-за того что магнитные поля провода и тока возврата не полностью компенсируют друг друга.

Однопроводные линии не так хороши с трехфазным током(он обеспечивает большую равномерность передачи энергии чем однофазный и позволяет использовать очень простые в устройстве асинхронные электродвигатели). Для трехфазной линии экономия на опорах сильно меньше и земля заменяет лишь один провод из трех, так что экономия уменьшается.

Попаданца большинство этих проблем волнуют куда меньше чем современных инженеров. Скорее всего большая часть электричества уйдет на электролизные и искровые установки, так что постоянный или двухфазный ток вполне устроит попаданца. Металлические трубы и опоры практически не используются хроноаборигенами. Телеграфные/телефонные компании скорее всего аффилированы с попаданцем, так что договориться с ними куда проще.

Мы уже отмечали возможные отличия попаданческих технологий от реала — быстрое развитие нарезного оружия, меньшую ценность персональной и корабельной брони, угнетение телеграфа более ранними телефоном и радио. Теперь к ним добавилось еще одно — массовое использование однопроводных ЛЭП.

Что еще можно сделать для упрощения линии передачи? Сразу отметим что мы не будем рассматривать системы в которых одиночный провод используется в качестве волновода для высокочастотных радиоволн(Goubau line, E-Line) — они относительно реалистичны, но слишком сложны и для попаданца и для любительского анализа.

У пытливого читателя может возникнуть мысль вообще отказаться от второго проводника. В конце концов, если соеденить проводом два объекта, заряженных до разных потенциалов, то по проводу потечет ток — произойдет передача энергии. Какое количество энергии мы можем передать таким способом? Очевидно, оно пропорционально емкости соединенных объектов.

Мы умеем создавать конденсаторы — устройства с огромной электрической емкостью. Но принцип их работы основан на маскировке заряда другим зарядом противоположного знака — получается набор диполей, а электрическое поле диполя уменьшается пропорционально кубу расстояния, т.е. быстрее чем поле одиночного заряда. Очевидно что для работы конденсатора надо два проводника — для отвода заряда с одной пластины и подвода к другой.

В однопроводной схеме мы сможем использовать лишь уединенную емкость, это естественная емкость любого объекта. Если сообщить предмету заряд, то заряженные частицы распределятся по его поверхности, минимизируя потенциал, чем больше предмет, тем дальше друг от друга частицы и меньше напряжение. Уединенная емкость крайне мала по сравнению с емкостью обычного конденсатора. Для предмета размером порядка метра это 100 пикофарад. При напряжении в 1000 Вольт мы можем передать аж 0.00005 Дж за один цикл. Соответственно даже на частоте 10 кГц мы передадим смешную мощность порядка 0.5 Вт. Разумеется полноценный расчет куда сложнее, надо учитывать все эффекты, возникающие в колебательной системе. Но все эти эффекты работают лишь на ухудшение конечного результата, так что мы получили разумную оценку сверху.

Катушка Теслы может работать на частотах до мегагерца и напряжениях в миллионы вольт, так что в принципе однопроводная схема может передавать и гигаватты. Но при увеличении частоты многие виды потерь растут нелинейно — токи Фуко пропорциональны квадрату частоты, радиоизлучение — четвертой степени, увеличение напряжения вызывает огромные потери на коронный разряд на тонком проводе и т.д. т.п. При обычных напряжениях и частоте такая система имеет смехотворно низкую мощность, при увеличении напряжения она все еще уступает традиционным аналогам, а при увеличении напряжения и частоты может догнать традиционные системы по мощности, но безнадежно уступает по экономичности. Сеть полна видео фриков, показывающих использование катушки Теслы для передачи сотен ватт на несколько метров по одиночному проводу. В этих экспериментах нет ничего неожиданного для грамотного инженера. Ничего неожиданного и ничего практически ценного.

Из колебательных эффектов надо отдельно упомянуть волшебное слово «резонанс». Фрики знают что на обычного человека оно действует гипнотизирующе, так что вставляют его к месту и не к месту. Скажем, небезызвестный Назгул рекламирует свое изобретение — подрыв нескольких взрывных зарядов на резонансной частоте человеческого тела якобы обладает феноменальным поражающим эффектом. Резонанс действительно может приводить к неожиданным разрушениям, если энергия маломощного источника(топот солдат) накапливается в колебательной системе с хорошей добротностью(мост). Но с взрывным устройством у нас нет никаких проблем с мгновенным высвобождением всей доступной мощности. Все чего мы можем добиться при резонансных взрывах это сильно ухудшить действие взрывчатки за счет неточного совпадения частот и рассеяния энергии в теле человека(или кто-то полагает что колебательная система из мяса имеет высокую добротность?). В некоторых случаях мы могли бы усилить разрушающее действие, переведя большую часть энергии взрыва в определенный частотный диапазон, но это явно требует куда больших усилий чем просто подрыв нескольких зарядов по таймеру.

При передаче энергии по одиночному проводу частоты приемника и передатчика должны быть согласованы, чтобы «мячик» заряда которым они перекидываются передавался без задержек и помех. Но попытки добиться высокой добротности колебаний бессмысленны — стоячая компонента резонансной волны не передает энергии по определению, многократная передача заряда туда-сюда приведет лишь к увеличению потерь, аналогичные проблемы вызывают реактивные сопротивления в традиционных энергосистемах. Катушка Теслы также использует резонанс для простого получения высокой частоты, но устройство генератора слабо влияет на сам процесс передачи. Никаких магических результатов резонанс при однопроводной передаче энергии не дает. Точка.

Ладно, а что если мы используем Землю в качестве единственного провода(да-да, Тесла, башня Ворденклиф, секретные технологии рептилоидов Анунахов)? В конце-концов стоимость киловатчаса на станции Восток немного выше стоимости энергии в цивилизованных местах, можно смириться даже с низким КПД. Как пример можно привести нашумевшую в 2013 г. статью «Как работала Башня Тесла по передаче энергии» — в комментах многочисленные «технари» пытаются найти проблемное место проекта, в основном безуспешно.

Проблема такой системы в том что провод это одномерная система, а Земля уже двухмерная(скин-эффект не пустит волну глубже нескольких километров). Как показывает практика ненаправленная беспроводная передача худо-бедно работает на расстояниях порядка километров, а размеры планеты на 4 порядка больше.

Опять вспомним магическое слово — резонанс, на этот раз уже по делу. В резонаторе волна проходит через систему несколько раз, соответственно в несколько раз увеличивается и плотность энергии. Нам надо увеличить плотность энергии в 10,000 раз, так что нужна система с чудовищно хорошей добротностью. Волна должна пройти через десятки и сотни миллионов километров земных пород/воздуха, сохранив большую часть энергии.

Возможно, нам повезло и Земля обладает требуемой добротностью на определенной частоте? Нетрудно прикинуть что на таких расстояниях одни только омические потери становятся неприятно большими. А ведь при волна будет терять энергию еще и на поворот диполей в поляризуемых породах, перемагничивание доменов, излучение…

Какие бы модели мы не приводили, всегда остается возможность ошибки. Эксперимент — лучший судья. Если бы мы могли посмотреть на результат быстрого «впрыскивания» в Землю мощного электрического заряда… Секундочку, а как насчет молнии? Импульс тока достаточно резкий чтобы возбуждать колебания до сотен МГц, молния это десяток кулонов заряда и гигаджоуль энергии. За секунду в Землю бьет примерно сотня молний, это сотня гигаватт, даже если на нашу частоту суперрезонанса придется одна миллиардная, то работа молний эквивалентна работе башни Тесла в сотню ватт. Если башня мощностью в мегаватты способна передавать полезные количества энергии, то результат накачки резонатора планеты сотней ватт должны легко обнаруживаться приборами.

Фрики часто рисуют красивую «зебру» стоячих волн резонанса через всю Землю, понятно что удары молний не могут создать такой однородный рисунок. Но такой рисунок не может создать и одиночная башня — фазовая скорость волн до десятка килогерц в морской воде и твердых породах отличается в десятки раз. Неоднородность верхних слоев неизбежно исказит фронт волны до неузнаваемости. Это не важно, важна лишь добротность системы. Если она достаточно высока, то планеты будет накапливать передаваемую энергии до тех пор пока ее плотность не возрастет до достаточно высокой для легкого сбора. Если она низка, то проект неосуществим. Таким образом удары молний это вполне адекватный аналог башни Теслы.

Как показывают наблюдения за молниями(и весь опыт радиоспециалистов), на волны хоть-сколько то высоких частот быстро затухают. Даже на частотах в килогерцы затухание составляет примерно 2-3 дБ на тысячу км — за один оборот вокруг Земли волна ослабевает в миллиард раз, а на более высоких частотах картина еще печальней. Худо-бедно планета резонирует на нескольких частотах порядка десятка Гц — т.н. резонанс Шумана. Добротность планеты на этих частотах — 3-8 единиц(Schumann Resonances by Janis Gales, Q factors of the Schumann resonances by Toshio Ogawa and Yoshikazu Tanaka), т.е. волна теряет больше половины своей энергии уже через несколько оборотов. Если бы планета резонировала на некоторой частоте в тысячу раз лучше чем на частотах резонанса Шумана, мы не смогли бы это упустить. В общем, добротность Земли даже близко не дотягивает до чисел при которых резонансная передача энергии имела бы смысл.

  • Оцените публикацию
  • 0

Похожие публикации

@
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent

Новые публикации сайта
Эксперты оценили ремонтопригодность

Наиболее значимая презентация октября - новая линейка смартфонов Apple iPhone 12 продолжает исследоваться экспертами с

Посадка на астероид: уникальные кадры с

На днях космический зонд НАСА OSIRIS-REx совершил шестисекундную посадку на астероид Бенну, взяв с него образцы проб

Электронная пушка Paladyne E1000MP

Опыт современных военных конфликтов показывает высокую эффективность использования беспилотных летательных аппаратов,

AR-дисплеи на лобовом стекле

Голографические дисплеи (HUD) с дополненной реальностью (AR) на лобовых стеклах автомобилей могут стать реальностью в

DashaMail выпустила CDP-платформу

Обновленная интеграция для запуска триггерных рассылок открыла новые возможности для всех пользователей сервиса

5 самых интересных инцидентов в области

Привет, Хабр! «Рексофт» собрал информацию по взломам и атакам за сентябрь. Мы не претендуем на полноту всех мировых