Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №56 (апрель) 2018
Разделы: Электротехника, Экономика
Размещена 22.04.2018. Последняя правка: 19.04.2018.

ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ РОССИЙСКОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Вивчарь Павел Алексеевич

Магистр

Северо-Кавказский федеральный университет

Студент

Лыхманова Виктория Ивановна, магистр, кафедра общей и теоретической физики, Северо-Кавказский федеральный университет. Воронцова Галина Владимировна, кандидат экономических наук, доцент кафедры менеджмента Северо-Кавказского федерального университета


Аннотация:
Российская энергетика является отраслью с большим инновационным потенциалом. Опыт ведущих международных электроэнергетических компаний показывает на своем примере, что применение последних технологических и инновационных решений позволяет значительно сократить издержки, а также перейти на новые принципы организации инновационного развития. Одним из таких решений является беспроводная передача энергии с помощью СВЧ- сигнала. Передача мощности от источника к приемнику - это технология, которая существует уже более века. Однако она стала возможна лишь в последние годы благодаря значительным продвижениям в области технологий передачи, в том числе таких, как передача микроволновой энергии. В данной статье рассмотрены преимущества, ограничения и недостатки технологии для Российского рынка. При должном внимании передача энергии беспроводным способом может полностью преобразовать как существующие, так и будущие технологии.


Abstract:
Russian energy is an industry with great innovation potential. The experience of leading international electric power companies shows by example that the use of the latest technological and innovative solutions can significantly reduce costs, as well as move to new principles of organization of innovative development. One such solution is the wireless transmission of energy by means of a microwave signal. Power transfer from source to receiver is a technology that has existed for over a century. However, it has only been possible in recent years thanks to significant advances in the field of transfer technologies, including microwave transmission. This article discusses the advantages, limitations and disadvantages of technology for the Russian market. With due attention, the transmission of energy wirelessly can completely transform both existing and future technologies.technology that has existed for over a century.


Ключевые слова:
беспроводная передача энергии; эффективность инноваций; передача микроволновой энергии; ректенна; электроэнергетика

Keywords:
wireless power transmission; efficiency of innovations; microwave power transmission; rectenna; electric power industry


УДК 620 

Введение. Российская энергетика является достаточно консервативной отраслью, особенно это заметно с точки зрения инновационного развития отрасли. Это связано во первых со сроком службы основного оборудования, который составляет более нескольких десятков лет,  а во вторых с его стоимостью, ведь обновление отрасли потребует значительных инвестиций и длительных сроков окупаемости. Если, к примеру, циклы изменения и устаревания IT технологий переворачивают весь облик отрасли менее чем за год, то в энергетике эти изменения длятся несколько десятков лет. К тому же российские компании энергетического сектора характеризуются низким уровнем НИОКР. Например, в сетевых компаниях затраты на НИОКР не превышают 0,8% от выручки у самых крупных компаний. Однако, управление инновационным развитием проявило себя эффективным инструментом для обеспечения роста всех лидирующих международных энергетических компаний.

Тем не менее,существующее отставание российской энергетики по уровню внедрения современных технологий означает лишь наличие возможностей, для реализации которых понадобится эффективная система управления инновационным развитием.

Передача энергии от источника к потребителю традиционным способом требовала использования физической связи. В настоящее время электрические сети охватывают почти весь земной шар и обеспечивают энергию миллиардам потребителям во всем мире. В последнее время большой интерес представляет область беспроводной передачи энергии, то есть передача энергии без необходимости физического соединения. Однако исследование беспроводной передачи не является чем-то новым, поскольку эксперименты в этой области проводил  еще Никола Тесла в начале 20-го века. Подобная система работает путем преобразования энергии в микроволны через микроволновый генератор, а затем передает эту энергию туда,  где она принимается и преобразуется обратно на специальном устройстве, называемом ректенна.

 Актуальность. В энергетике изучение инноваций является актуальным из-за наличия огромного количества типизированного оборудования, схожих технологических и управленческих процессов. Тем не менее, в условиях изменений в электроэнергетики, а также с учетом активно проводимого технического переоснащения энергообъектов и организационно-структурных изменений, полученные ранее результаты могут оказаться невостребованными. Кроме того, по некоторым результатам исследовательской деятельности(РИД) затраты на них могут превысить потенциальную выгоду. Поэтому решения о коммерческом использовании ранее созданных РИД в каждом случае должно основываться на сопоставлении потенциальных выгод и затрат.

Беспроводная передача энергии весьма перспективное направление. Ведь в настоящее время традиционная  передача электрической энергии от источника к потребителю осуществляется по линиям электропередачи. Подобная  передача  электрической энергии, несмотря на свою распространенность  требует значительных затрат на проектирование, строительство линий, их обслуживание и ремонт.

Целью исследования является изучение технологии беспроводной передачи энергии с помощью СВЧ- сигнала,  иначе говоря технологию передачи микроволновой энергии. А также рассмотрение целесообразности и актуальности подобного внедрения.

Задачами исследования является:

сравнить существующие сети с предлагаемой технологией и определить ее место на рынке энергетики;

– сделать обзор основных принципов беспроводной связи.

Материалы и методы исследования

Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, статистики.  Было произведено изучение и обобщение         материала по заданной тематике для выявления логических закономерностей, сравнение рассматриваемой технологии с существующими традиционными сетями.

Результаты исследования беспроводной передачи энергии с помощью СВЧ-луча показали, что использование микроволн при передаче энергии  чрезвычайно эффективно и данная технология имеет множество преимуществ.  Также беспроводная сеть может решить многие проблемы, с которыми мы сталкиваемся.

Как упоминалось выше, беспроводная передача энергии с помощью СВЧ- сигнала, определяется как передача мощности с помощью микроволн. В частности, такая система преобразует мощность постоянного тока  в микроволны и передает это СВЧ- излучение на цель, где эта энергия преобразуется из СВЧ- излучения обратно в ток.

В качестве передатчика могут использоваться ряд устройств, используемых для передачи микроволн через пространство. В качестве  решения проблемы передачи мы будем использовать магнетрон, как наиболее часто используемое устройство преобразования.

Частота, с которой микроволновое излучение  передается в пространстве, является предметом многих исследований.  Наиболее интересна зависимость эффективности передачи от частоты. Наиболее часто используемые частоты составляют 2,45 ГГц; 5,8 ГГц; 8,5 ГГц; 10 ГГц и 35 ГГц. Экспериментальные результаты показали, что 2,45 ГГц является наиболее эффективной частотой для передачи микроволн.

Таблица 1– Таблица измеренной и рассчитанной эффективности различных частот

Частота (ГГц)

Измеренная эффективность (%)

Расчетный коэффициент (%)

2,45

92,5

90,5

5,8

82

78,3

8,51

62,5

66,2

В некоторых зарубежных  исследованиях были продемонстрированы значения эффективности свыше 85 - 90%, которые были достигнуты с использованием частоты 2,45 ГГц.

Передача микроволн жизненно важна для беспроводной системы питания, однако эффективность в значительной степени диктуется приемом этих микроволн и преобразованием обратно в постоянный ток на приемном конце системы, т.е. от принимающей ректенны. Ректанна состоит из антенны, соединенной с выпрямляющей схемой. Экспериментально было установлено, что при частоте 2,45 ГГц, достигается наибольшая эффективность для системы приемник-передатчик.

В итоге, ректанна у потребителя получает микроволновое излучение от генератора через антенну, микроволны проходят через фильтры и диоды, а затем в проходит через схему выпрямителя, после чего энергия постоянного тока уходит к потребителю. Важно отметить, что система достаточно масштабируема. Т.е.  микроволновые генераторы и приёмные ректенны могут быть сконструированы так, чтобы передавать больше энергии.

Несколько вариантов использования беспроводной передачи энергии весьма заманчивы. Например, одно весьма интересное решение предлагает использовать СВЧ- луч, для передачи на Землю со спутников энергию солнечного света. Таким образом, она может полностью ликвидировать традиционные системы передачи энергии. 

Тем не менее, СВЧ- передача имеет явные недостатки, ограничения и даже потенциальные риски.  Она сильно зависит от микроволн, передаваемых через окружающую среду от источника к цели. Таким образом, одна из переменных передачи с использованием микроволн - это среда, через которую он перемещается. Иначе говоря, способность эффективно передавать микроволны через открытое пространство зависит от того, существует ли видимость между источником и целью. Такие факторы, как погода и физические объекты, могут существенно препятствовать передаче мощности с помощью СВЧ- луча.  Отсюда следует, что передача мощности от источника к движущемуся объекту, особенно на больших расстояниях, чрезвычайно трудно сделать.  Поэтому системы, в которых цель, источник или оба находятся в движении, не являются эффективными для СВЧ- передачи.

Расчет экономической эффективности рассматриваемой инновации предлагается сделать в сравнении с традиционной  передачей электрической энергии. Итак, существующие на данный момент выпускаемые магнетроны передают мощность до 100кВт, поэтому и рассматривать передачу мы будем для сети 100кВт.

Рассчитаем денежные вложения необходимые для системы беспроводной передачи. Стоимость передатчика на 100кВт составляет 7620 долларов, что при текущем курсе, в рублях составит порядка 440000 рублей. Стоимость приемной ректенны порядка 20 тысяч долларов или 1250000 рублей. Суммарные капитальные вложения на реализацию инновации для нагрузки 100кВт составит: 440000+1250000=1690000 рублей.

Рассмотрим вложения на традиционные способы передачи: воздушные и кабельные линии электропередач. Стоимость строительства воздушных линий электропередач 10кВ, согласно данным полученным от строительных компаний, составит за 2 км линии 1800000 рублей. Как мы видим, на данный момент передача линиями ЛЭП не намного дороже. Цена прокладки аналогичной кабельной линии на то же расстояние будет состоять из двух частей: стоимость работ и стоимость кабеля с оборудованием. За прокладку кабеля на 2 км строительные компании берут 3300000 рублей, стоимость кабеля на напряжение 10кВ (ААБЛУ 3Х120)  695 руб./м  или 1390000 рублей. Таким образом, стоимость прокладки кабеля на 2 км составит 4690000 рублей. Данная сумма значительно превышает вложения для системы беспроводной передачи.

Рассмотрим издержки передачи энергии каждым способом. Реальные примеры СВЧ- передачи энергии на расстояние до 2 км показывают КПД 80%. У традиционных линий электропередач это величина порядка 90%.  Расчет ЧДД показал, что при передаче 100 кВт мощности при текущей стоимости 4,44 руб. за 1кВт*ч линия ЛЭП покроет экономический эффект СВЧ линии за 4 месяца. Кабельная линия не показала себя конкурентоспособной по сравнению с передачей СВЧ или ВЛ. Графически данные выводы представлены на рисунке 1.

Рисунок 1– Чистый дисконтированный доход за 10 лет работы 

Таким образом, данная технология не является конкурентоспособной по сравнению с воздушными линиями электропередач. Экономическая обоснованность наблюдается при использовании передачи не более 4 месяцев, но в этом случае мы не окупаем затраты на строительство. Однако интерес вызывает ситуация, когда нет возможности проложить ВЛ. Это может быть как труднодоступное место, так и потребитель с изменяемыми координатами. В первом случае есть возможность проложить КЛ, но как показал расчет – это не будет экономически целесообразно. В обоих случаях самым удобным и дешевым вариантом будет СВЧ- линия.

Вывод. СВЧ- передача, является интересным и перспективным направлением развития. Главный минус технологии, это более низкий КПД, чем у существующих способов передачи. Этот недостаток устраняется совершенствованием технологии передачи. Однако экономический расчет показал эффективность СВЧ- передачи уже сейчас выше, чем у кабельной линии. А значит, что место КЛ вполне могут занять беспроводные сети.

Весьма перспективно использовать СВЧ- передачу для подвижных, маломощных потребителей. Это могут быть: персональные устройства (компьютер, телефон), бытовая техника, дроны или роботы. Данное направление– это возможное будущее как для простых обывателей, так и  военной промышленности.

Для реальной оценки внедряемой инновации важно правильно выделить ключевые факторы успеха инновационного продукта, которые будут являться его конкурентными преимуществами. Этим фактором может оказаться: быстрая окупаемость, отсутствие прямых аналогов. Для рынка энергетики можно добавить ряд уникальных факторов: бесперебойная работа; сбережение финансовых ресурсов; возможность технической реализации изобретения; энергосбережение; обеспечение высокого качества электроэнергии и др. Как писалось выше, российская энергетика является достаточно консервативной отраслью, особенно это заметно с точки зрения инновационного развития отрасли. Это связано со сроком службы основного оборудования и с его стоимостью, ведь обновление отрасли потребует значительных инвестиций и длительных сроков окупаемости. Существующее отставание российской энергетики по уровню внедрения современных технологий требует эффективную систему управления инновационным развитием.  Очевидна необходимость совершенствования мер государственной поддержки инноваций.

Библиографический список:

1. Тетельбаум С. И. О беспроводной передаче электроэнергии на большие расстояния с помощью радиоволн // Электричество. — 1945. — № 5. — С. 43—46.
2. Костенко А. А. Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития // Радиофизика и радиоастрономия. — 2000. — Т. 5, № 3. — С. 231.




Рецензии:

30.04.2018, 14:37 Яцкий Сергей Александрович
Рецензия: В статье Воронцовой Г.В. Вивчаря П.А. и Лыхманова В.И. дан анализ эффективности технологии беспроводной передачи электроэнергии. Показано, что эффективность данной инновации пока недостаточна для массового применения. Конечно, технико-экономические расчеты можно было сделать подробнее. Но для первичного ознакомления с проблемой, на мой взгляд, достаточно. Поэтому данная статья рекомендуется к публикации в представленном виде. С уважением, Яцкий С.А.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх