2 Состояние вопроса в области беспроводной энергетики
Когда речь заходит о беспроводной передаче энергии, необходимо сделать важную оговорку. С точки зрения физики выпущенный из орудия линкора снаряд, который топит другой корабль, тоже переносит на расстояние энергию – кинетическую и химическую. Так что, когда речь идет о беспроводной передачи энергии, мы имеем в виду только передачу электроэнергии [12].
Причем передача эта должна осуществляться достаточно эффективно, чтобы энергию имело смысл использовать в повседневных целях. Человечество уже сотню лет успешно передает электроэнергию при помощи радиоволн. Передатчик их излучает, приемник снова переводит в электричество, и мы слушаем, к примеру, джаз. Однако КПД этой передачи ничтожно мал. Принятой по радио энергии не хватает даже для работы наушников, из-за чего нам приходится регулярно менять батарейки в приемниках. Энергия радиоволн способна донести информацию с границ Солнечной системы, от летящего там зонда «Вояджер», но ей не под силу зажечь даже обыкновенную лампочку.
Среди проблем беспроводной передачи энергии выделяются две существенно различные задачи: первая – избавится от проводов, вторая – передать энергию туда, куда тянуть кабель экономически невыгодно, а то и просто невозможно.
Рисунок 2.1 – Эксперимент NASA по передаче энергии без проводов
На рисунке 2.1 представлен эксперимент, проводимый американской корпорацией NASA в 2002 году. Прожектор передает энергию для пропеллера радиоуправляемой модели самолета. Но из нескольких киловатт мощности прожектора солнечная батарея принимает и пускает в дело лишь десятки ватт.
Год спустя вместо прожектора уже использовался лазер, благодаря чему удалось повысить КПД и сократить размер солнечной батареи.
2.1 Трансформатор Николы Тесла
Никола Тесла — изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик. Родился и вырос в Австро-Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США. В 1891 году получил гражданство США. По национальности — серб [13].
Широко известен благодаря своему вкладу в создание устройств, работающих на переменном токе, многофазных систем и электродвигателя, позволивших совершить так называемый второй этап промышленной революции.
Также он известен как сторонник существования эфира: известны многочисленные его опыты и эксперименты, имевшие целью показать наличие эфира как особой формы материи, поддающейся использованию в технике. Однако, наибольшую популярность получил за счет изобретения трансформатора, названного в честь изобретателя.
В 1919 году Никола Тесла писал: «Считается, что я начал работу над беспроводной передачей в 1893 году, но на самом деле два предыдущих года я проводил исследования и конструировал аппаратуру. Для меня было ясно с самого начала, что успех можно достичь благодаря ряду радикальных решений. Высокочастотные генераторы и электрические осцилляторы должны были быть созданы в первую очередь. Их энергию необходимо было преобразовать в эффективных передатчиках и принять на расстоянии надлежащими приемниками. Такая система была бы эффективна в случае исключения любого постороннего вмешательства и обеспечения её полной эксклюзивности. Со временем, однако, я осознал, что для эффективной работы устройств такого рода они должны разрабатываться с учетом физических свойств нашей планеты».
Одним из условий создания всемирной беспроводной системы является строительство резонансных приемников. Заземленный винтовой резонатор катушки Теслы и расположенный на возвышении терминал могут быть использованы в качестве таковых. Тесла лично неоднократно демонстрировал беспроводную передачу электрической энергии от передающей к приемной катушке Теслы. Это стало частью его беспроводной системы передачи (патент США № 1119732, Аппарат для передачи электрической энергии, 18 января 1902 г.). Тесла предложил установить более тридцати приемо-передающих станций по всему миру. В этой системе приемная катушка действует как понижающий трансформатор с высоким выходным током. Параметры передающей катушки тождественны приемной.
Целью мировой беспроводной системы Теслы являлось совмещение передачи энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которое бы позволило избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало объединению электрических генераторов в глобальном масштабе.
Трансформатор Тесла – резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение высокой частоты. Прибор был запатентован 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала» [14].
Работу резонансного трансформатора можно объяснить на примере обыкновенных качелей. Если их раскачивать в режиме принудительных колебаний, то максимально достигаемая амплитуда будет пропорциональна прилагаемому усилию. Если раскачивать в режиме свободных колебаний, то при тех же усилиях максимальная амплитуда вырастает многократно. Так и с трансформатором Теслы — в роли качелей выступает вторичный колебательный контур, а в роли прилагаемого усилия — генератор. Их согласованность («подталкивание» строго в нужные моменты времени) обеспечивает первичный контур или задающий генератор (в зависимости от устройства) [13].
Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек — первичной и вторичной, а также разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатора, тороида (используется не всегда) и терминала (на схеме показан как «выход»). Принципиальная схема представлена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – принципиальная схема трансформатора Тесла
Первичная катушка обычно содержит несколько витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная около 1000 витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от обычных трансформаторов, здесь нет ферримагнитного сердечника. Таким образом взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у трансформаторов с ферримагнитным сердечником. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент — разрядник.
Разрядник, в простейшем случае обыкновенный газовый, представляет собой два массивных электрода с регулируемым зазором. Электроды должны быть устойчивы к протеканию больших токов через электрическую дугу между ними и иметь хорошее охлаждение.
Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора главным образом выполняют ёмкость тороида и собственная межвитковая ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.
Терминал может быть выполнен в виде диска, заточенного штыря или сферы и предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины.
Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов. Для полноценной работы трансформатора эти два колебательных контура должны быть настроены на одну резонансную частоту. Обычно в процессе настройки подстраивают первичный контур под частоту вторичного путём изменения ёмкости конденсатора и числа витков первичной обмотки до получения максимального напряжения на выходе трансформатора.
Во всех типах трансформаторов Тесла основной элемент трансформатора — первичный и вторичный контуры — остается неизменным. Однако одна из его частей — генератор высокочастотных колебаний может иметь различную конструкцию.
На данный момент существуют:
1. SGTC (Spark Gap Tesla Coil) — генератор колебаний, выполненный на искровом промежутке.
2. VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) — ламповая катушка Тесла. В качестве генератора ВЧ колебаний используются электронные лампы.
3. SSTC (Solid State Tesla Coil) — генератор выполнен на полупроводниках. Она включает в себя задающий генератор (с регулируемой частотой, формой, длительностью импульсов) и силовые ключи (мощные полевые MOSFET транзисторы)
4. DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) — за счет двойного резонанса, разряды у такого вида катушек значительно больше, чем у обычной SSTC. Для накачки первичного контура используется генератор на полупроводниковых ключах — IGBT или MOSFET транзисторах.
В отдельную категорию также относят магниферные катушки Тесла.
2.1.1 Использование трансформатора Тесла.
Выходное напряжение трансформатора Тесла может достигать нескольких миллионов вольт. Это напряжение в частоте минимальной электрической прочности воздуха способно создавать внушительные электрические разряды в воздухе, которые могут иметь многометровую длину. Пример такого разряда приведен на рисунке 2.3. Эти явления очаровывают людей по разным причинам, поэтому трансформатор Тесла используется как декоративное изделие [13].
Никола Тесла использовал трансформатор для генерации и распространения электрических колебаний, направленных на управление устройствами на расстоянии без проводов (радиоуправление), беспроводной передачи данных (радио) и беспроводной передачи энергии. В начале XX века трансформатор Тесла также нашёл популярное использование в медицине. Пациентов обрабатывали слабыми высокочастотными токами, которые, протекая по тонкому слою поверхности кожи, не причиняли вреда внутренним органам, оказывая при этом «тонизирующее» и «оздоравливающее» воздействие.
Рисунок 2.3 – Электрический разряд трансформатор Тесла
Неверно считать, что трансформатор Тесла не имеет широкого практического применения. Он используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах. Тем не менее, основное его применение в наши дни — познавательно-эстетическое. В основном это связано со значительными трудностями при необходимости управляемого отбора высоковольтной мощности или тем более передача её на расстояние от трансформатора, так как при этом устройство неизбежно выходит из резонанса, а также значительно снижается добротность вторичного контура.
Пожалуй, самым наглядным примером использования трансформатора Тесла является высоковольтный испытательный стенд ВНИЦ ВЭИ в Истринском районе Подмосковья. Огромный генератор представляет собой универсальный комплекс для исследования и испытания различных технических объектов на стойкость к воздействию импульсных электромагнитных полей искусственного и естественного происхождения [15].
Составные части комплекса:
1) каскад трансформаторов с коммутационной приставкой;
2) генератор импульсных напряжений;
3) установки постоянного напряжения;
4) подземный бункер;
5) вышка и прочие конструкции.
На данный момент генератор не функционирует и заброшен, но круглосуточно охраняется сторожами и собаками. Масштабы конструкции представлены на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 – Внешний вид тороидальных накопителей электрической энергии
2.1.2 Влияние на организм человека.
Как и любой источник высокого напряжения, трансформатор Тесла смертельно опасен.
Существует мнение, касающееся некоторых видов трансформаторов Тесла. Так как высокочастотное высокое напряжение имеет скин-эффект, а сила тока чрезвычайно мала и ток значительно отстает по фазе от напряжения, то, несмотря на потенциал в миллионы вольт, разряд в тело человека не может вызвать остановку сердца или другие серьёзные повреждения организма, не совместимые с жизнью [13].
В противоположность этому другие высоковольтные генераторы, например преобразователь для люстры Чижевского, высоковольтный умножитель телевизора и иные бытовые высоковольтные генераторы постоянного тока, имеющие несравненно меньшее выходное напряжение — порядка 25 кВ — являются смертельно опасными. Всё это потому, что электричество в трансформаторе Тесла и в бытовых преобразователях разное по своей сути и природе. Высокие напряжения в бытовых преобразователях совпадают по фазе с токовой составляющей, а в трансформаторе Тесла токовая составляющая отстает по фазе от составляющей напряжения. Несколько другая картина со статическим электричеством, которое может очень чувствительно ударить током при разряде (при прикосновении к металлу). Объясняется эта разница тем, что в статическом электричестве токовая составляющая ближе к составляющей напряжения, чем в трансформаторе Тесла, поэтому при статическом разряде чувствуется «сила» разряда.
Кроме опасности природы тока трансформатора Тесла, существует опасность поражения сверхвысокочастотным электромагнитным полем трансформатора.