Глобальные энергетические технологии.

Д. С. Стребков, академик расхн.

Всероссийский научно-исследовательский институт

электрификации сельского хозяйства. viesh@dol.ru

Введение

Человечество ищет ответы на глобальные вопросы: - что делать в связи с изменением климата и глобальным потеплением;

- где найти энергоресурсы, которые распределены крайне неравномерно и истощаются;

- как сохранить стабильность в мире и обеспечить устойчивое развитие при наличии рисков, связанных с изменением климата и недостатком энергоресурсов;

- как обеспечить энергетическую безопасность каждой страны и глобальную безопасность.

Ответы на эти глобальные вопросы могут быть получены в результате реализации новой энергетической стратегии.

Основные направления будущего развития энергетики.

1. Переход от энергетики, основанной на ископаемом топливе, к бестопливной энергетике с использованием возобновляемых источников энергии.

2. Переход на распределенное производство энергии, совмещенное с локальными потребителями энергии.

3. Создание глобальной солнечной энергетической системы.

4. Замена нефтепродуктов и природного газа на жидкое и газообразное биотопливо, а ископаемого твердого топлива на использование энергетических плантаций биомассы.

5. Замена автомобильных двигателей внутреннего сгорания на бесконтактный высокочастотный резонансный электрический транспорт.

6. Замена воздушных линий электропередач на подземные и подводные кабельные линии.

По всем указанным направлениям в ВИЭСХе проведены исследования, разработаны технологии и экспериментальные образцы, защищенные российскими патентами.

Энергия в современном и будущем мире.

Суммарное потребление энергии Е в мире с 1850 г. по настоящее время описывается уравнением ², где N численность населения.

С 1850 г по 2100 г население вырастет в 10 раз с 1,13 млрд. до 11 млрд., а потребляемая мощность в 100 раз с 0,69 до 60 ТВт.

Суммарная мощность источников энергии в мире

В 1990 г. при суммарной мощности 13,2 ТВт в среднем мощность на одного человека составляла 2,5 кВт. [1.]

Практически вся энергия, вырабатываемая генерирующими источниками всех видов, доводится до потребителей по системам передачи и распределения (СПР), где существенная ее часть теряется по техническим и коммерческим причинам. Кроме того, получаемая потребителями энергия используется во многих случаях неэффективно из-за технологического несовершенства энергопотребляющего оборудования и отсутствия соответствующих стратегий рационального энергетического менеджмента.

Вследствие указанных причин технического, организационного и коммерческого характера во многих странах мира до 40-50% производимой первичной энергии полезно не используется. Так, в России в настоящее время неиспользуемый технический потенциал энергосбережения составляет до 420 млн. т у. т, или 45% от всего уровня потребления энергии в 2005 году [2.].

Суммарные инвестиции в СПР по величине в настоящее время сопоставимы с объемами инвестиций в электростанции, а затраты по эксплуатации СПР, составляя в среднем от 5 до 8 долл. на 1 МВт-ч передаваемой электроэнергии, добавляют к конечной цене энергии у потребителя от 5 до 10% соответственно при высоком и низком рабочем напряжении энергетического оборудования. [3.]

Кроме того, передача электроэнергии сопровождается существующими потерями, составляющими мире в среднем 8,8% от ее производимого объема, однако имеющими довольно широкий диапазон колебаний по отдельным странам (табл. 1). Суммарные потери электроэнергии в настоящее время в мире превышают объем ее производства в такой стране, как Китай (3433,4 ТВ•ч).

Передача электроэнергии от электростанций к крупным потребителям или к центрам нагрузки осуществляется по линиям электропередачи (ЛЭП) преимущественно переменного тока напряжением в диапазоне 150-750 кВ. Потери в таких ЛЭП составляют от 15% на 1000 км длины линий напряжением 380 кВ и до 8% на 1000 км напряжением 750 кВ (табл. 2). [3.]

Таблица 1.

Средние величины расходов электроэнергии на собственные нужды электростанций и ее потерь в СПР по некоторым странам мира, %

Страны или их объединения	Расходы электроэнергии на собственные нужды станций	Потери электроэнергии в СПР	Расходы электроэнергии на аккумулирование	Всего
Индия	6,9	25,0	0,0	31,9
Мексика	5,0	16,2	0,0	21,1
Бразилия	3,4	16,6	0,0	20,0
Россия	6,9	11,8	-0,6	18,1
Китай	8,0	6,7	0,4	14,7
ЕС-27	5,3	6,7	0,4	12,5
США	4,8	6,2	0,2	11,2
Канада	3,2	7,3	0,0	10,5
Япония	3,7	4,6	0,3	8,7
Весь мир	5,3	8,8	0,2	14,3

Источник: Energy Technology Perspectives 2008 Scenarios and Perspectives to 2050/ OECD/IEA, 644 pp

Таблица 2.

Технико-экономические параметры высоковольтных ЛЭП переменного и постоянного тока.

Параметры	ЛЭП
	переменного тока		постоянного тока
Рабочее напряжение, кВ	760	1160	+ 600	+ 800
Потери в воздушных линиях, %/1000 км	8	6	3	2,5
Потери в кабельных (морских) линиях, %/100 км	60	50	0,33	0,2
Потери на подстанциях, % на подстанцию	0,2	0,2	0,7	0,6
Инвестиции в воздушные линии, млн. евро на 1000 км	400-750	1000	400-450	250-300
Инвестиции в кабельные линии, млн. евро на 1000 км	3200	5900	2500	1800
Инвестиции в подстанции, млн. евро на подстанцию	80	80	250-350	250-350

Источник: Energy Technology Perspectives 2008 Scenarios and Perspectives to 2050/ OECD/IEA, 644 pp

В европейских странах около 2% ЛЭП сверх- и ультравысокого напряжения являются кабельными. Однако если технические ограничения строительству подземных кабельных ЛЭП постоянного тока благодаря инновациям постепенно устраняются, экономические ограничения их использованию остаются: стоимость подземных кабельных ЛЭП постоянного тока по-прежнему в 5-25 раз превышает стоимость воздушных ЛЭП аналогичных параметров. Строительство подземных кабельных ЛЭП высокого напряжения переменного тока ограничивается инженерными проблемами [4.]

Для распределительных линий электропередачи основная проблема заключается в наличии больших потерь электроэнергии вследствие более низкого их напряжения и необходимости многократной трансформации энергии при ее распределении. Основными факторами потерь являются: степень трансформации электроэнергии, плотность нагрузки потребителей, динамика ее изменения во времени, а также техническое состояние оборудования распределительных электрических сетей. Например, в Индии, где плотность нагрузки на единицу площади очень низкая и потери в распределительных ЛЭП могут достигать 30%, а в часы максимальных нагрузок составлять более 45%. [4.]

Несмотря на относительный рост капиталовложений в модернизацию Российского распределительного сетевого комплекса (в 2010 году объем инвестиций вырастет на 16 процентов по сравнению с минувшим годом и достигнет 98,6 миллиарда рублей), оборудование продолжает стареть. По данным Холдинга МРСК, сегодня в полной замене нуждаются 4,7 тысячи подстанций 35-220 кВ, 11,8 тысячи трансформаторов 35-220 кВ, 73 тысячи выключателей 6-220 кВ. [5.] Результаты оценки состояния распредсетевого оборудования, проведенной в минувшем году в 69 субъектах РФ, показали, что 52 процента оборудования отработало нормативный срок, из них 7,4 процента отработало два нормативах срока.

Для замены высоковольтных и кабельных линий 6-220 KВт. необходимы инвестиции в размере 1,337 триллиона рублей, на замену подстанций - 35-220 кВ - 1,205 триллиона рублей и трансформаторных пунктов 6-20 кВ 0,308 триллиона рублей.

В настоящее время стало известно о принципиально новых отечественных технологиях создания глобальной электрической сети, с применением однопроводных или беспроводных электропередач реактивного тока, основанных на идеях и опытах гениального ученого Николы Теслы. Эти технологии позволяют не только решать указанные выше проблемы, но и создавать сверхнадежные глобальные системы электроснабжения с использованием солнечной энергии [4]

Глобальная энергетическая система энергоснабжения Земли.

В 1975 г. Р. Букминстер Фуллер предложил соединить региональные энергосистемы в Единую энергетическую систему Земли. Эту проблему активно развивает и пропагандирует Институт глобальной энергетической сети GENI (Global ENERGY NETWORK INSTITUTE), зарегистрированный в Калифорнии (сша) [4].

Президент GENI Петер Мейсен участвовал в работе Международного солнечного конгресса в Москве в 1997 г. и сделал доклад во ВНИИ электрификации сельского хозяйства. Работы по передаче электрической энергии на большие расстояния ведут Сибирский энергетический институт, Санкт-Петербургский государственный технический университет, ВЭИ, а также ABB, Сименс и другие фирмы. Разрабатывается энергосистема 10 южноамериканских стран, арабских государств, Балтийское и Черноморское энергетическое кольцо, линия электропередач Сибирь – Китай. Созданы объединенные энергосистемы России и стран СНГ, а также США и Канады, скандинавских и европейских стран.

Существующие технологии позволяют передавать потоки электроэнергии мощностью 10 Гегаватт на расстояние несколько тысяч километров. Используются линии электропередач постоянного или переменного тока напряжением 0,6 - 1,2 млн. В, стоимость которых превышает 1 млн. долл. за 1 километр, а с учетом согласующих, регулирующих и преобразующих устройств составляет более 5 млн. долл/км. Потери электрической энергии в ЛЭП составляют 8 – 10%. Предельная передаваемая по линии электрическая мощность ограничена тремя факторами: плотностью тока 1,0 – 1,5 А/мм², связанной с потерями на сопротивлении проводов, изоляционными возможностями воздуха на уровне 1,5 млн. В. и электромагнитной устойчивостью линии.

На основе резонансных методов передачи энергии создаются однопроводниковые волноводные кабельные линии, согласующие и преобразующие устройства, которые соединят генераторы и потребители энергии в каждой стране в мировую энергетическую систему. Резонансные технологии позволяют передавать потоки электроэнергии мощностью несколько тераватт на расстояния в десятки тысяч километров.

Исследованиями великих миграционных процессов, происходивших на Земле, занимается Международная ассоциация «Путями Великих Миграций Человечества» под руководством российского ученого Д.Б. Пюрвеева. Со времен древнего палеолита (420 тыс. лет до н.э.) началась миграция племен из Северо-восточных регионов Азии через Берингов пролив в Северную Америку. Охотники каменного века (7 – 10 тыс. лет до н.э.) осваивали во время сезонных миграций трассы Великого Шелкового пути, который соединил страны Европы, Ближнего и Среднего Востока с Китаем и Индией. В настоящее время идет процесс возрождения Великого Шелкового пути и транспортных артерий из Юго-Восточной Азии в Северную Азию и Европу. Д.Б. Пюрвеев с группой российских ученых предложил международный проект «Великое сокрестие континентов», в котором предлагается интеграция Евразийского и Американского континентов в 21 веке [4.42].

Будут созданы трансконтинентальное системы, объединяющие транспортные и энергетические потоки, совмещающие волноводные кабельные линии, магистральные линии связи, трассы железной дороги и автомобильной магистрали. В первую очередь это транспортная и энергетическая магистраль с Запада на Восток: Лиссабон – Владивосток и с Юга на Север: Австралия, Индонезия, Таиланд, Вьетнам – Китай - Берингов пролив – Аляска – Канада – Америка. Второй меридиональный (энергетический) поток пройдет по Великому Шелковому пути: Индия – Афганистан – Киргизстан – Таджикистан – Узбекистан – Туркменистан – Казахстан, Север Западной Сибири. Меридиональные энергетические и транспортные потоки пересекутся в Восточной и Западной Сибири с широтной энергетической и транспортной магистралью, образуя великое сокрестие Европы и Азии.

Третья меридиональная транспортная и энергетическая линия свяжет Кейптаун с Осло через Восточную Африку, Арабские страны, Турцию, страны Черного моря, со странами Восточной Европы и Скандинавии. Четвертая меридиональная энергетическая линия соединит страны Западной Африки, Средиземноморья, Западной Европы, Англию и Ирландию. Меридиональная энергетическая линия соединит страны Южной и Северной Америки.

Будет создана также широтная энергетическая линия в экваториальной зоне от 0° до 30° северной широты, соединяющая страны Азии, Африки и Латинской Америки.

Экваториальная энергетическая линия, а также широтная энергетическая линия Лиссабон – Владивосток будет замкнута через Тихий и Атлантический океан, Северную и Центральную Америку. Сеть меридиальных и широтных энергетических линий образуют объединенную энергетическую Систему Земли.

Использование резонансного метода передачи электрической энергии открывает широкие возможности в развитии энергетических систем на основе солнечных электростанций. Существующие локально расположенные солнечные электростанции имеют неравномерную выработку электроэнергии в результате влияния астрономических и погодных факторов на уровень выходной мощности солнечных батарей. Это присуще также системе из нескольких солнечных электростанций, объединенных в единую энергосеть, но при этом произвольно распределенных по территории нашей страны или по поверхности земли.

Солнечные электростанции невозможно использовать в качестве основной составляющей региональной энергосистемы, поскольку для сглаживания периодических и стохастических процессов, влияющих на выходную мощность солнечных батарей, необходимы очень мощные буферные накопители энергии с высокими маневренными характеристиками, создание которых в современных условиях пока нецелесообразно по экономическим соображениям. Считается, что установленная мощность солнечных электростанций в пиковом режиме работы энергосистемы не должна превышать 10 – 15 % от общей установленной мощности электростанций региональной энергосистемы. При этих условиях колебания мощности солнечных электростанций не оказывают заметного влияния на качество электроснабжения.

Создание мировой солнечной энергосистемы позволит исключить суточную и сезонную неравномерность выработки электроэнергии и обеспечить круглосуточное и круглогодичное надежное, экологически безопасное электроснабжение потребителей энергии. При этом будет снижен парниковый эффект и уменьшено негативное влияние топливных электростанций на окружающую среду.

Развивающиеся страны по сравнению со странами Европы и Северной Америки имеют в 1,5 – 3 раза больше солнечной энергии, поступающей на единицу площади территории. В третьем тысячелетии развивающие страны смогут использовать сезонное изменение солнечной энергии и в зимние месяцы продавать электроэнергию, полученную от солнечных электростанций, в Северные страны, где солнечная энергия имеется в изобилии только с марта по сентябрь. Для этого необходимо организовать потоки электроэнергии в меридиональном направлении. Электроэнергетические потоки в широтном направлении Запад – Восток дают возможность использовать суточное изменение солнечной энергии, связанное с вращением Земли вокруг своей оси.

Сеть солнечных электростанций на крышах и фасадах домов, а также в пустынях будет связана в единую энергетическую систему с сетью ветровых электростанций (ВЭС), расположенных вдоль морского побережья, где существует постоянный перенос воздушных масс. Важным компонентом будущей объединенной энергосистемы будут гидроэлектростанции и электростанции, использующие энергетические плантации биомассы.

Солнечная энергетическая система состоит из солнечных электростанций и электростанций, использующих другие возобновляемые источники энергии, соединенные между собой и с потребителями энергии линиями передач электрической энергии таким образом, что энергетическая система содержит базовые солнечные электростанции одинаковой мощности, которые установлены в широтном направлении в Африке, в Северной Америке, в Европе и Азии на одинаковом угловом расстоянии друг от друга по долготе, в градусах равном , где n = 2, 3, 4, 5, 6 – количество базовых солнечных электростанций. Базовые солнечные электростанции соединены через высокочастотные преобразователи и повышающие трансформаторы Тесла к многоцепной однопроводниковой резонансной линии передачи электрической энергии, к которой присоединены через понижающие трансформаторы Тесла, выпрямители, инверторы и трехфазные линии электропередач, другие солнечные электростанции, гидроэлектростанции, ветровые электростанции, электростанции, работающие на биомассе, и потребители электрической энергии стран мира. Суммарная мощность базовых электростанций в энергосистеме равна суммарной мощности всех потребителей энергии стран мира, подключенных к энергетической системе на дневной и ночной стороне земли.

Система контроля и управления включает геостационарные спутники наблюдения за облачным покровом и прогнозирования выходной мощности солнечных электростанций и исполнительные устройства для запуска резервных электростанций с разными маневренными и мощностными характеристиками для покрытия графика нагрузок энергосистемы.

Для обеспечения непрерывности и надежного электроснабжения и выравнивания суточного графика производства энергии в солнечной энергетической системе, состоящей из солнечных электростанций, соединенных линиями электропередачи между собой и с потребителями электроэнергии, соседние солнечные электростанции расположены в разных полушариях Земли (северном либо южном), а расстояние между соседними солнечными станциями по долготе в градусах не более 7,5· min(h₁ + h₂) градусов, где h₁ и h₂ – длительности светового дня в месте расположения станции, выраженные в часах, а min(h₁ + h₂) – минимальная суточная сумма, выбранная из всех дней года.

А) В солнечной энергетической системе, состоящей из солнечных электростанций, соединенных линиями электропередачи между собой и с потребителями электроэнергии, энергетическая система содержит две базовые солнечные электростанции в северном полушарии на угловом расстоянии друг от друга по долготе 180° в районах 150 – 165° з.д., 55 – 65° с.ш. и 30 – 45° в.д., 50 – 65° с.ш. и две базовые солнечные электростанции в южном полушарии на угловом расстоянии друг от друга по долготе 180° в районах 60 – 75° з.д., 30 – 53° ю.ш. и 105 – 120° в.д., 20 – 35° ю.ш., базовые солнечные электростанции в северном полушарии установлены от базовых солнечных электростанций в южном полушарии на одинаковом угловом расстоянии по долготе, равном 90°.

B) В солнечной энергетической системе, включающей в себя две базовые солнечные электростанции, расположенные в двух областях с координатами 6 – 16° з.д., 20 – 42° с.ш. и 164 – 172° в.д., 55 – 65° с.ш. и соединенные с двумя ветровыми электростанциями, расположенными в тех же областях, суммарная мощность базовых солнечных и ветровых электростанций в энергетической системе равна общей мощности всех подключенных к энергосистеме потребителей энергии на дневной и ночной стороне Земли.

C) В варианте конструкции солнечная энергетическая система содержит три базовых солнечных электростанции, расположенные в трех областях с координатами 125 – 80° з.д., 0 – 35° с.ш.; 5° з.д. – 40° в.д., 0 – 35° с.ш. и 115 – 160°в.д., 25 – 65°с.ш. и по крайней мере, одну ветровую электростанцию, расположенную в области 115 – 160° в.д., 25 – 65° с.ш., а суммарная мощность солнечной к ветровой электростанции в области 115 – 160° в.д., 25 – 65° с.ш. в зимнее время равна мощности каждой из остальных базовых солнечных электростанций.

D) В одном из вариантов солнечная энергетическая система содержит четыре базовые солнечные электростанции, установленные в областях с координатами: 10 – 16° з.д., 20 -42° с.ш., 80 – 74° в.д., 10– 42° с.ш., 170 – 164° в.д., 50 – 65° с.ш. и 100 – 104° з.д., 20 – 40° с.ш. и по крайней мере, одну ветровую электростанцию в области 170– 164° в.д., 50 -65° с.ш., а суммарная мощность солнечной и ветровой электростанции в области 170 -164° в.д., 50 -65° с.ш. в зимнее время равна мощности каждой из трех других базовых солнечных электростанций.

E) Солнечная энергетическая система может содержать пять базовых солнечных электростанций, установленных в областях с координатами: 6 – 8° з.д., 6 – 42° с.ш., 64 – 66° в.д., 25 – 55° с.ш., 136 – 138° в.д., 41 – 55° с.ш., 150 – 152° з.д., 55 – 60° с.ш., 80 – 78° з.д., 32 – 55° с.ш. и по крайней мере, одну ветровую электростанцию в области 150–152° в.д., 55 – 60° с.ш., а суммарная мощность солнечной и ветровой электростанции в области 150 – 152° в.д., 55 – 60° с.ш. в зимнее время равна мощности каждой из остальных четырех базовых солнечных электростанций

F) Еще в одном варианте солнечная энергетическая система состоит из шести базовых солнечных электростанций, установленных в областях 6 – 8° з.д., 6 – 42° с.ш,, 52 – 54° в.д., 15 – 55° с.ш., 112 – 114° в.д., 21 – 55° с.ш., 162 – 164° в.д., 52 – 65° с.ш. 136 – 138° з.д., 58 – 65° с.ш., 76 – 78° з.д., 34 – 55° с.ш. и, по крайней мере, две ветровых электростанции в областях 162 – 164° в.д. 52 – 65° с.ш. и 136 – 138° з.д.,
58 – 65° с.ш., а суммарная мощность каждой солнечной и ветровой электростанции в зимнее время в областях 162 – 164° в.д., 52 – 65° с.ш. и 136 – 138° з.д., 58 – 65° с.ш. равна мощности каждой из четырех остальных базовых солнечных электростанций.

На рис. 1 представлены графики суточного производства электроэнергии по 12 месяцам года, энергосистемы из двух солнечных электростанций, расположенных в окрестностях г. Пинска (Республика Беларусь, 52° с.ш., 26° в.д.) и г. Уэлена (Россия, Чукоткий А.О. 66° с.ш., 170° з.д.). КПД солнечной электростанции – 25%. Фотоактивная площадь каждой электростанции составляет квадрат со стороной 20 км. Общая выработка электрической энергии в солнечной энергосистеме за 6 месяцев (с 22 марта по 22 сентября) составляет 560 млрд кВт·ч, пиковая мощность каждой электростанции
125 млн. кВт.

Рис. 1. График суточных изменений производства электроэнергии
солнечной энергосистемы Россия – Беларусь

В качестве исходных данных для расчета использованы средние многолетние значения (период осреднения не менее 10 лет) инсоляции в местах расположения электростанций. Расчет выполнен для солнечных станций со слежением за Солнцем вокруг полярной оси. В течение пяти месяцев (с апреля по август), электроэнергия от солнечных станций поступает в систему круглосуточно. Еще в течение двух месяцев (в марте и сентябре), перерыв составляет не более 2 часов в сутки с несколько большей неравномерностью суточного хода.

Энергосистема из двух солнечных электростанций, установленных на Чукотке, пос. Марково (64°40' с.ш., 170°23' в.д.) – 1,5 TВт, и в Мавритании (Африка) – 1 TВт, сможет круглосуточно с марта по сентябрь обеспечить все страны Африки, Ближнего Востока, Европы, России и СНГ электрической энергией (рис.2). Годовое производство в энергосистеме составит 5431,6 ТВт·ч.

Рис. 2. График суточных изменений выработки электроэнергии
Афро-Евразийской солнечной энергосистемы, состоящей из двух солнечных электростанций на Чукотке в России (1,5 ТВт) и в Мавритании (1,0 ТВт)
со слежением вокруг полярной оси для средних дней 12 месяцев года

Нами проведено компьютерное моделирование параметров глобальной солнечной энергетической системы, состоящей из трех СЭС, установленных в Австралии, Африке и Мексике, соединенных линией электропередач с малыми потерями (рис.3). При моделировании использовались данные по солнечной радиации за весь период наблюдений. КПД СЭС принимался равным 25%. На рис.4 представлен график производства электроэнергии в глобальной солнечной энергосистеме. СЭС генерирует электроэнергию круглосуточно и равномерно в течение года. Размеры каждой из трех СЭС составляют 190 × 190 км, электрическая мощность 2,5 ТВт. Годовое производство электрической энергии 17300 ТВт·ч в год превышает мировое производство энергии.

Солнечные электростанции в системе распределены в широтном направлении так, что окончание освещения фотоактивной поверхности одной электростанции совпадает с началом освещения панелей другой, ближайшей по ходу Солнца станции. Изменяя расстояние между станциями по долготе, можно добиться не только непрерывности суточного хода средней выходной мощности системы, но и значительно увеличить равномерность производства электроэнергии.

Базовые солнечные электростанции блочно-модульного типа будут ежегодно увеличивать свою мощность на 100-300 ГВт. Начало функционирования глобальной солнечной энергетической системы прогнозируется в 2050 г., выход на полную мощность в 2090 г. В результате реализации проекта доля солнечной энергетики в мировом потреблении электроэнергии составит 75-90%, а выбросы парниковых газов будут снижены в 10 раз.

Рис. 3. Глобальная солнечная энергетическая система
из трех солнечных электростанций. На карте Мексики в масштабе показаны
размеры солнечной электростанции

Рис. 4. Производство электроэнергии глобальной солнечной энергосистемой

Размещение солнечных электростанций системы по обе стороны от экватора позволяет исключить сезонные колебания выработки электроэнергии – зимнее снижение в одном полушарии компенсируется летним ростом выработки в другом.

Предлагаемое решение позволяет использовать для компенсации колебаний мощности в крупной региональной энергосистеме электростанции, использующие возобновляемые и традиционные источники энергии.

В зависимости от типа и мощности традиционные электростанции имеют разные маневренные характеристики, при этом для вывода станции на номинальную мощность требуется от 2 – 3 минут до нескольких часов. Наблюдение за облачным покровом в окрестностях солнечных электростанций с помощью геостационарных спутников позволяет прогнозировать уровень выходной мощности и, при необходимости, определить момент начала подготовки к запуску тех или иных резервных электростанций. Такая система позволяет полностью отказаться или свести к минимуму необходимость использования буферных накопителей мгновенного действия.

В результате использования предлагаемых схем расположения солнечных электростанций и резонансного метода передачи электрической энергии государства Россия и Беларусь, страны евразийского континента, Африки, Америки и Австралии получат возможность в течение от 5 до 12 месяцев круглосуточно использовать солнечную энергию для производства и потребления электроэнергии. Это позволит на 80 – 90% снизить выбросы диоксида углерода, ответственного за изменение климата, и улучшить экологические характеристики территорий в местах расположения солнечных электростанций, снизить или полностью исключить потребление невозобновляемых ресурсов ископаемого топлива.

Солнечная энергетика.

Для того чтобы конкурировать с топливной энергетикой, солнечной энергетике необходимо выйти на следующие критерии.

КПД солнечных электростанций должен быть не менее 25%. «

Срок службы солнечной электростанции должен составлять 50 лет.

Стоимость установленного киловатта пиковой мощности солнечной электростанции не должна превышать 2000 долл.

Объем производства солнечных электростанций должен быть 100 ГВт в год.

Производство полупроводникового материала для СЭС должно превышать 1 млн. т в год при цене не более 25 долл./кг.

Круглосуточное производство электрической энергии солнечной энергосистемой.

Материалы и технологии производства солнечных элементов и модулей должны быть экологически чистыми и безопасными.

Технологии крупномасштабной солнечной энергетики

Новые технологии изготовления солнечных модулей со сроком службы 50 лет.

В ГНУ ВИЭСХ разработана новая технология, материалы и технологическое оборудование для сборки солнечных фотоэлектрических модулей с увеличением срока службы солнечных электростанций в два раза с 20-25 лет до 40-50 лет. Новая технология повышает КПД за счет снижения рабочей температуры модуля и позволяет создавать фотоприемники концентрированного излучения с большим сроком службы.

Солнечный модуль изготовлен с применением нового типа заполнителя -модифицированного полисилоксанового геля, обеспечивающего улучшенные оптические параметры, расширенный диапазон эксплуатационных температур и удвоение срока службы модуля. Температурный диапазон эксплуатации: от - 60 до + 60 С. Предполагаемый срок эксплуатации модуля - более 40 лет.

Годовая экономия электроэнергии на производстве модулей мощностью 1 МВт не менее 70560 кВт/час. Увеличение объема производства электроэнергии при эксплуатации СЭС за счет увеличения срока службы с 20 до 40 лет составит 20 миллионов кВт-ч для СЭС 1 МВт и 200 миллиардов кВт-ч на мировой объем выпуска 10 ГВт.

Разработка отмечена дипломом Президиума РАСХН как лучшая работа в Академии за 2009 год. Получены патенты РФ, аналогов в мире нет.

Солнечные фотоэлектрические модули с КПД 25%

Разработана новая технология и конструкция и организованно экспериментальное производство солнечных фотоэлектрических кремниевых модулей (СФКМ) с КПД 25% для солнечных электростанций с концентраторами, которая позволяет снизить затраты кремния на единицу мощности СЭС по сравнению с существующей технологией в 500 - 1000 раз. [5]

Состояние разработки: выпущена партия СФКМ и проведены исследования СФКМ с концентраторами. Получен патент РФ и диплом Федеральной службы по патентам РФ о включении этой разработки в 100 лучших изобретений РФ (отбор из 42 ООО патентов). Аналогов в мире нет.

Системы солнечного теплоснабжения.

Исследована система солнечного теплоснабжения зданий с помощью встроенных в стены солнечных коллекторов с вакуумными стеклопакетами (СКВС). Совместно с НПО «Плазма» разработана технология изготовления вакуумных стеклопакетов и организовано их экспериментальное производство.

Сопротивление теплопередачи СКВС толщиной 7 мм с вакуумным зазором 100 мкм равно 1,2 м2-°С/Вт, что соответствует сопротивлению теплопередаче кирпичной стены толщиной 0,65 м. Срок службы вакуумного стеклопакета 40 лет.

Облицовка фасадов зданий солнечными коллекторами с вакуумными стеклопакетами позволяет в средней полосе РФ в течение 8 месяцев, а в Южном федеральном округе круглогодично обеспечить солнечное теплоснабжение зданий.

Разработана компьютерная программа и проведены расчеты тепловой энергии, полученной от СКВС на фасаде здания в отопительный период (табл.1).

Использование 7-мм вакуумного стеклопакета в окнах зданий снижает потери на кондиционирование на 25-30%. На технологию и конструкцию вакуумного стеклопакета и его применение получено 15 патентов РФ. Аналогов за рубежом нет, за исключением в Японии.

Поступление и потребление тепловой энергии от СКВС, размещенных на фасаде здания за отопительный период.

Таблица 1.

Город	Тепловая энергия, полученная от солнечных коллекторов, кВт-ч	Потребление тепловой энергии в квартире, кВт.ч
Москва	3601,5	4750
Сочи	6169,5	4750

Новые концентраторные технологии

Разработана новая конструкция и технология изготовления солнечного фотоэлектрического модуля со стационарным концентратором (СФМСК) с концентрацией 3-10. Стационарные концентраторы не требуют слежения за Солнцем и концентрируют прямое и рассеянное солнечное излучение в пределах апертурного угла 36-48⁰.

Пиковая электрическая мощность СФМСК составляет 1,5-2 кВт в зависимости от КПД используемых солнечных элементов. Модули СФМСК используются для изготовления солнечных фотоэлектрических станций (СФС) пиковой мощностью от 1 до 100 кВт.

Европейский парламент в декабре 2008 г. принял директиву, согласно которой к 2020 г. от 33% до 40% потребляемой электроэнергии в странах ЕЭС будет производиться с использованием ВИЭ.

Технологии биотоплива третьего поколения.

Потенциал биомассы для энергетики составляет 100 млрд. т у.т. в год, используется 1 млрд. т у.т. в год.

Среди современных технологий энергетического использования растительной биомассы термохимическая конверсия (пиролиз) является наиболее универсальной. Она позволяет получать экологически безопасное жидкое и газообразное топливо из практически любого сырья, содержащего органические компоненты, с затратами на обеспечение процесса пиролиза в количестве 10-15% от теплотворной способности получаемых продуктов.

Выход топлива составляет порядка 50% от массы исходного сухого сырья. Теплотворная способность 4500-5500 ккал/кг биотоплива.

Преимуществами данной технологии являются: возможность использования практически любого органического сырья; возможность получения горючих продуктов в любом агрегатном состоянии (твердом, жидком и газообразном), причем соотношение жидкой и газообразной составляющей можно изменять в очень широком диапазоне в пределах одного и того же технологического процесса.

В качестве сырья для технологий и установок третьего поколения получения биотоплива должны использоваться непродовольственные культуры, например микроводоросли. Производительность фотобиореакторов для выращивания микроводорослей составляет до 100 т/га, что значительно (в 30-50 раз) превышает производительность оборудования для получения биотоплива по рапсовой технологии [6].

При отмене акцизов на топливный биоэтанол станут рентабельными установки для получения биотоплива на основе этанола из древесных и сельскохозяйственных отходов и непродовольственных растений.

Древесные гранулы имеют достаточно много преимуществ по сравнению с традиционными видами топлива: удобство хранения, транспортирования, сжигания практически в любых котлах, с полной автоматизацией процесса; теплотворная способность их составляет 18-19 МДж/кг, что в 1,5 раза больше, чем у древесины, и сравнима с углем; при сжигании 1000 кг древесных гранул выделяется столько же энергии, как при сжигании 1600 кг древесины, 480 мЗ газа, 500 литров дизельного топлива, 700 литров мазута.

Важным направлением экономии жидкого топлива (дизельного, бензина,
биотоплива) является производство смесевого топлива, т.е. смеси дизельного топлива, бензина с водой (до 30%) в присутствии поверхностно-активных веществ. Разработан способ гидродинамической кавитационной обработки смеси с получением однородного (без расслоения) смесевого топлива, без снижения его качества. Реализация технологии приготовлении смесевого топлива позволит экономить до 30% жидкого топлива.

Резонансные волноводные системы передачи электрической энергии.

Современные системы передачи электрической энергии используют двух- и трехпроводные линии, в которых электрическая энергия передается от генератора к приемнику бегущими волнами тока, напряжения и электромагнитного поля. Основные потери обусловлены джоулевыми потерями на сопротивлении проводов от протекания активного тока проводимости по замкнутому контуру от генератора к приемнику и обратно.

Крупные энергетические компании во многих странах мира вкладывают гигантские средства и научные ресурсы в создание технологии высокотемпературной сверхпроводимости для снижения джоулевых потерь в линии.

Существует другой, вероятно, более эффективный способ снижения потерь, по крайней мере, в магистральных межсистемных линиях электропередач: разработать регулируемые резонансные волноводные системы передачи электрической энергии на повышенной частоте 1-100 кГц, которые не используют активный ток проводимости в замкнутой цепи. В волноводной однопроводниковой линии нет замкнутого контура, нет бегущих волн тока и напряжения, а есть стоячие (стационарные) волны реактивного емкостного тока и напряжения со сдвигом фаз 90°. За счет настройки резонансных режимов, выбора частоты тока в зависимости от длины линии можно создать в линии режим пучности напряжения и узла тока (например, для полуволновой линии). При этом из-за отсутствия активного тока, сдвига фаз между стоячими волнами реактивного тока и напряжения 90° и наличия узла тока в линии отпадает необходимость и потребность в создании в такой линии режима высокотемпературной сверхпроводимости, а джоулевы потери становятся незначительными в связи с отсутствием замкнутых активных токов проводимости в линии и незначительными величинами незамкнутого емкостного тока вблизи узлов стационарных волн тока в линии [7].

Изменяется и механизм передачи электрической энергии. Новая физика электрических процессов, связанная с использованием не активного, а реактивного тока, позволит решить три главных проблемы современной электроэнергетики:

создание сверхдальних линий передач с низкими потерями без использования технологии сверхпроводимости;

увеличение пропускной способности линий;

замена воздушных линий на кабельные однопроводниковые волноводные линии и снижение сечения токонесущей жилы кабеля в 20-50 раз.

В экспериментальной резонансной однопроводниковой системе передачи электрической энергии, установленной в экспериментальном зале ГНУ ВИЭСХ, мы передавали электрическую мощность 20 кВт при напряжении 6,8 кВ на расстояние 6 м по медному проводнику диаметром 80 мкм при комнатной температуре, при этом эффективная плотность тока в проводнике составила 600 А/мм , а эффективная плотность мощности - 4 МВт/мм2. Из других применений резонансной электроэнергетики, основанной на незамкнутых токах, следует выделить беспроводной офис, бесконтактный высокочастотный электротранспорт, создание местных энергетических систем с использованием возобновляемых источников энергии, соединение оффшорных морских ВЭС с береговыми подстанциями, электроснабжение потребителей на островах, пожаробезопасные однопроводниковые системы уличного освещения и освещения зданий.

Рис. 5. Схема питания светильников с люминесцентными лампами

На рис. 5 показана электрическая схема питания светильников по однопроводной резонансной линии. Эта система освещения пожаробезопасна из-за отсутствия коротких замыканий в линии. Расходы меди снижены в 10 раз, а электроэнергии в 2 раза. [8]

Для сомневающихся в существовании незамкнутых электрических токов приводим высказывания двух выдающихся ученых в области электротехники и электроэнергетики. [4]

«Исключительная трудность согласования законов электромагнетизма с существованием незамкнутых электрических токов - одна из причин среди многих, почему мы должны допустить существование токов, создаваемых изменением смещения». Д. Максвелл.

«В 1893 г. я показал, что нет необходимости использовать два проводника для передачи электрической энергии... Передача энергии через одиночный проводник без возврата была обоснована практически» Н. Тесла, 1927 г.

«Эффективность передачи может быть 96 или 97 процентов, и практически нет потерь... Когда нет приемника, нет нигде потребления энергии» Н. Тесла, 1917г.

«Мои эксперименты показали, что на поддержание электрических колебаний по всей планете потребуются несколько лошадиных сил». Н. Тесла, 1905 г.

Н. Тесла ответил и на вопрос, который часто задают нам: почему электроэнергетика не восприняла его идеи? «Мой проект сдерживался законами природы. Мир не был готов к нему. Он слишком обогнал время. Но те же самые законы восторжествуют в конце и осуществят его с великим триумфом». Н. Тесла, 1919 г.

Резонансная электроэнергетика нуждается в поддержке государства для реализации пилотных и демонстрационных проектов и ждет нового Моргана, банкира, который 100 лет назад финансировал работы Н. Тесла.

Космические энергетические системы.

При частоте 10-500 кГц электроэнергия может передаваться от генератора к приемнику при наличии однопроводной направляющей системы по неметаллическому проводящему каналу, так же как электромагнитная энергия передается по лазерному лучу или СВЧ-пучку, но с более высоким КПД из-за малых потерь на поглощение и излучение энергии.

Для беспроводной передачи электрической энергии в атмосфере Земли между источником и приемником электрической энергии формируют проводящий канал методом фотоионизации и ударной ионизации с помощью генератора излучения, например лазера.

На рис. 6 показана схема способа и устройства для беспроводной передачи электрической энергии к стационарным потребителям. Источник электрической энергии 1 соединен параллельно с генератором излучения 2 и с высокочастотным высоковольтным трансформатором Тесла 3.

Трансформатор Тесла 3 соединен с формирователем 4 проводящего канала 5. Формирователь 4 выполнен в виде трубки из проводящего материала и установлен соосно с генератором излучения 2. Между формирователем 4 и генератором излучения 2 установлен прозрачный для излучения электроизолирующий экран 7, который электрически изолирует генератор излучения 2 от высокого напряжения на формирователе 4.

Рис. 6. Схема способа и устройства для беспроводной передачи
электрической энергии к стационарным потребителям

Излучение от генератора излучения 2 за счет фотоионизации и ударной ионизации создает в пучке излучения 8 под действием электрического поля световой волны канал 5, обладающий повышенной проводимостью. Диаметр D этого канала 5 соизмерим с диаметром лазерного луча 8 и составляет от 0,1 мм до нескольких десятков миллиметров. Напряжение высокой частоты от источника 1 электрической энергии поступает на первичную обмотку высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла 3.

Во вторичной обмотке трансформатора Тесла 3 возбуждаются высоковольтные колебания высокой частоты, которые создают на формирователе 4 высокую напряженность электрического поля и пространственный заряд внутри трубки. Канал 5 внутри трубки формирователя 4 ионизируется под действием высокого электрического потенциала зарядов и под действием излучения 8. В результате трубка и проводящий канал 5 приобретают одинаковый потенциал и оказываются электрически соединенными друг с другом.

Высокая напряженность электрического поля не может по проводящему каналу 5 попасть на генератор излучения 2 и нарушить его работу благодаря наличию прозрачного электроизолирующего экрана 7. За счет высокой напряженности электрического поля пространственного заряда происходит дополнительная фотоионизация канала 5 с образованием электрических стриммеров, с высокой скоростью (1 км/с) распространяющихся вдоль канала 5. За счет повышения электрической проводимости канала 5 происходит электрическое соединение источника энергии 1 с потребителем энергии 10. Переменный ток, поступающий из канала 5 на вход нагрузки, является емкостным током, что обеспечивает высокий КПД передачи энергии по каналу (96 – 99%).

Генератор излучения 2 используется только для формирования проводящего канала и его мощность в 50 – 100 раз меньше передаваемой электрической мощности. Поэтому невысокий КПД генератора лазерного излучения (10 – 15%) незначительно уменьшает общий КПД передачи электрической энергии.

На основе резонансного способа и устройства может быть создана линия передачи электрической энергии без проводов любой заданной протяженности, а также объединенная энергетическая система линий, соединяющих необходимое количество потребителей и источников электрической энергии. На рис.7 это иллюстрируется присоединением к приемнику 18 проводящего канала 15 приемника 26 проводящего канала 28 и использования проводящего канала 28 для подвода электроэнергии от источника электроэнергии 29, расположенного в стороне от каналов 5, 15 и 20.

Электрическая мощность, передаваемая по проводящему каналу, зависит от мощности источника электрической энергии, от энергии перезарядки емкости линии и приемника и от частоты циклов перезарядки. Длина проводящего канала зависит от мощности генератора излучения и угловой расходимости излучения.

Неодимовый лазер с удвоением частоты с энергией в импульсе один джоуль способен создать концентрацию ионов в воздухе 10¹⁵см^-3, достаточную для инициации стриммеров и передачи электрической энергии по проводящему каналу. Потенциал ионизации, время жизни ионов и возбужденных состояний молекул, коэффициент многофотонного поглощения определяют предельную длину проводящего канала в атмосфере 500 км и его волновое сопротивление 200 – 400 Ом. Необходимое напряжение ОЭС составляет от 0,5 MB до 15 MB в зависимости от длины канала.

При емкости линии и приемника 10000 пФ, частоте 30 кГц и напряжении 35 кВ максимальная передаваемая мощность составит 5 МВт. При увеличении напряжения линии до 1000 кВ максимальная передаваемая мощность составит 5000 МВт. При мощности лазера 1 – 10 кВт и расходимости излучения 1 – 2 угловой секунды длина одного проводящего канала составит от 100 м до 1 – 10 км. При использовании нескольких последовательно соединенных проводящих каналов длина линии передачи электрической энергии может быть увеличена до 100 км и более.

Резонансный способ и устройство могут быть использованы для передачи электрической энергии на самолеты, шары-зонды, ракеты и низкоорбитальные спутники, как в непрерывном, так в импульсивном режиме с использованием ионосферы Земли.

Установленные на Земле и на летательных аппаратах высокочастотные генераторы энергии и приемники энергии, соединенные между собой проводящими слоями ионосферы и проводящими каналами, образуют единую энергетическую систему Земли.

Рис. 7. Общая схема резонансного способа и устройства

для передачи электрической энергии в атмосфере

На рис. 8 передача электрической энергии от одного или нескольких источников энергии 20 с Земли 19 на летательные аппараты 21 и 22, находящиеся в атмосфере, происходит с помощью проводящих каналов 23 и 24, сформированных между источником электрической энергии 20 и проводящими слоями 18 в ионосфере и между приемника ми энергии, установленными на летательных аппаратах 21 и 22 и проводящими слоями ионосферы 18. Проводящие каналы 24 между летательными аппаратами 21, 22 и проводящими слоями 18 в ионосфере создаются с помощью лазеров или микроволновых генераторов, установленных на летательных аппаратах 21, 22, и высоковольтного электрического разряда, формируемого от высоковольтного вспомогательного трансформатора Тесла, установленного на летательных аппаратах 21, 22.

Проводящие каналы 23 формируют методом фотоионизации воздуха с помощью лазеров или микроволнового излучения и высоковольтного электрического разряда в проводящем канале 23 от высоковольтного трансформатора Тесла, установленного на Земле 19 рядом с источником энергии 20 аналогично показанному на рис. 8.

Рис. 8. Резонансный способ передачи электрической энергии с Земли
на летательные аппараты в атмосфере через проводящие слои в ионосфере

Рис. 9. Общая схема способа и устройства для передачи электрической энергии с помощью проводящего канала на основе релятивистских электронных пучков

На рис. 9 электрическую энергию от источника энергии 1 с частотой 0,3 – 300,0 кГц повышают по напряжению и подают через вывод 2 высоковольтной спиральной антенны бегущей волны и вывод 3 на проводящий канал 4, который является направляющей системой для электромагнитных волн. Проводящий канал 4 формируют с помощью ускорителя 5 в виде релятивистского пучка электронов 6. Приемник энергии 7 соединен через выпрямитель 8 с низковольтной обмоткой 9 понижающего высокочастотного высоковольтного трансформатора Тесла 10. Внутренний вывод 11 высоковольтной обмотки 12 трансформатора Тесла 10 электрически соединен через проводящий электроизолированный экран 13 с проводящим каналом 4, который сформирован релятивистским пучком электронов 6. Второй конец 14 высоковольтной обмотки 12 соединен с естественной электрической емкостью 15, которая вместе с емкостью проводящего канала 4, межвитковой емкостью и индуктивностью высоковольтной обмотки 12 трансформатора 10 создает LС контур. При прохождении тока заряда емкости 15 через высоковольтную обмотку 12 в условиях резонанса напряжений LС контура на обмотке 12 создается высокое напряжение, которое трансформируется в низкое напряжение с помощью понижающего трансформатора Тесла 10.

Источник 1 и приемник 7 могут быть установлены на Земле, орбитальной станции, космическом аппарате, шаре-зонде, самолете или вертолете, Луне и планетах солнечной системы.

За пределами атмосферы в качестве проводящего канала нами предложено использовать релятивистские пучки электронов высоких энергий, которые в отличие от лазерных пучков не обладают расходимостью. При этом в качестве естественной емкости 6 может быть использована, например, Луна или искусственное проводящее тело, на котором установлен приемник энергии, а генератор энергии может быть на Земле или ее спутнике.

Если предварительно ускорить электрон в электрическом поле до энергии, значительно превышающей массу покоя, то такой электрон может пролететь на очень далекое расстояние без существенной потери энергии. Потери энергии связаны в основном с рассеиванием на атомах среды, в которой распространяется электронный пучок. Сечение рассеяния заряженных частиц резко убывает с ростом относительной энергии при столкновениях. По этой причине потери энергии из-за рассеяния на атомах среды можно значительно сократить, если увеличивать энергию релятивистского электронного пучка. При этом также уменьшается электростатическое отталкивание электронов пучка и подавляется разлет электронов в поперечном направлении. Движущиеся электроны представляют собой параллельные токи, которые испытывают магнитное притяжение друг к другу. Это магнитное притяжение ослабляет электростатическое отталкивание электронов пучка в раз, где Е – энергия, до которой ускорены электроны; m_е – масса электрона; с – скорость света.

На рис. 10 над землей на высоте 25 – 40 км на расстоянии прямой видимости друг от друга располагают на летательных аппаратах 21, 22, 42 ускорители 5 релятивистских пучков электронов 6, которые формируют проводящие каналы 4 между проводящими электроизолированными экранами 26, установленными на каждом летательном аппарате. В качестве летательных аппаратов 21, 22, 42 используют

Рис. 10. Схема способа и устройства для передачи электрической энергии
в околоземном пространстве с использованием проводящих каналов
на основе гибких проводящих нитей, лазерного излучения и релятивистских пучков электронов

управляемые шары-зонды или беспилотные самолеты, которые получают энергию через проводящие каналы с помощью вспомогательного понижающего трансформатора Тесла 28 или диодно-конденсаторного блока 43. Над землей на высоте 25 – 40 км на расстоянии прямой видимости друг от друга располагают на летательных аппаратах 21, 22, 42 ускорители 5 релятивистских пучков электронов 6, которые формируют проводящие каналы 4 между проводящими электроизолированными экранами 26, установленными на каждом летательном аппарате. В качестве летательных аппаратов 21, 22, 42 используют управляемые шары-зонды или беспилотные самолеты, которые получают энергию через проводящие каналы от вспомогательного источника энергии 1 с помощью гибкой тонкой проводящей нити 24 и проводящих каналов 4, сформированных между источниками энергии 1 и промежуточными проводящими экранами 26 с помощью лазерного луча 18 или релятивистского пучка электронов 6. Каждый проводящий электроизолированный экран выполнен в виде металлического диска, установленного на изоляторах на летательном аппарате. Проводящий электроизолированный экран 26 на каждом летательном аппарате соединен с формирователем проводящего канала 4 для создания непрерывной электрической связи между летательными аппаратами и передачи электрической энергии.

Приемники энергии 7, установленные на летательном аппарате 44 или на Земле 16, получают энергию через проводящие каналы 4, сформированные с помощью релятивистского пучка электронов 6 и лазерного луча 18, которые направляют от приемников энергии 7 на летательном аппарате 44 и на Земле 16 на промежуточные электроизолированные экраны 26, которые находятся в пределах прямой видимости. Это позволяет получать электрическую энергию практически в любом месте земного шара и в околоземном пространстве. Летательные аппараты 21, 22, 42 можно назвать электрическими ретрансляторами глобальной системы энергоснабжения Земли. Одновременно на этих летательных аппаратах устанавливают ретрансляторы телевизионных сигналов и сотовой телефонной связи, которые получают энергию от электрических ретрансляторов с помощью вспомогательных понижающих трансформаторов Тесла 28, установленных на каждом летательном аппарате 21, 22, 42.

Способ и устройство для резонансной передачи электрической энергии реализуются следующим образом. Ускоритель 5 создает релятивистский пучок электронов 6, который является направляющей системой для передачи электрической энергии от источника энергии 1 к приемнику 7. Электроны в электрическом поле ускорителя ускоряются до энергии, значительно превышающей энергию, соответствующую массе покоя электрона. Так как сечение рассеяния электронов резко убывает с ростом относительной энергии, потери энергии из-за рассеяния на атомах среды значительно сокращаются при увеличении энергии электронного пучка. Поэтому релятивистский пучок электронов может распространяться на очень большое расстояние без существенной потери энергии. Увеличение энергии электронов снижает ионизационные потери и подавляет разлет пучка в поперечном направлении, который происходит из-за электростатического взаимного отталкивания электронов пучка.

Рассеивание электромагнитной энергии при низких частотах мало, так как электромагнитное поле бегущей волны сконцентрировано около релятивистского пучка электронов и распространяется не изотропно, как радиоволны, а вдоль направляющей системы. У приемника происходит преобразование электромагнитной энергии высокой частоты в электрическую энергию постоянного тока или тока промышленной частоты с помощью понижающего высокочастотного трансформатора 10, выпрямителя и инвертора или диодно-конденсаторного блока.

Электрическая энергия и мощность, передаваемая вдоль релятивистского пучка электронов 6, значительно (в сотни и тысячи раз) превосходит мощность ускорителя 5 и энергию, затрачиваемую на создание релятивистского пучка электронов, которая в основном затрачивается на ионизацию воздуха. Ионизационные потери будут уменьшаться при снижении давления остаточного газа в верхних слоях атмосферы. Наибольшая дальность передачи электрической энергии может быть достигнута при передаче за пределами атмосферы между космическими аппаратами и на трассах к Луне и Венере, Марсу и другим планетам солнечной системы. Способ и устройство для передачи электрической энергии с использованием проводящих каналов, сформированных релятивистскими пучками электронов, могут также быть использованы при передаче электрической энергии в верхних слоях атмосферы на расстояние до нескольких десятков тысяч километров при использовании промежуточных проводящих тел, выполняющих функции ретрансляторов затухающего в результате ионизационных потерь электронного пучка. В этом случае ретрансляторы электрической энергии могут быть объединены с ретрансляторами информационных каналов сотовой связи и телевидения и образуют на высоте 30 – 40 км замкнутую систему энергетического и информационного обеспечения потребителей в любой точке земной поверхности.

Для передачи энергии из Космоса на Землю и обратно предложено использовать в качестве проводящих каналов встречные и пересекающиеся электронные и лазерные пучки с проводящими промежуточными телами, а на высотах до 30 км композиционные углеродосодержащие и волоконно-оптические кабели (см. раздел 1.7). Для создания объединенной энергетической системы Земли в качестве проводящего сферического канала предложено использовать однопроводную энергетическую систему и проводящие слои в ионосфере Земли.

Передаваемая мощность ограничена, как и в обычных ЛЭП, зарядной мощностью линии и может достигать при больших напряжениях в импульсном режиме до 10¹⁰ Вт и в непрерывном режиме величины до 50 МВт.

На рис. 11 представлена схема устройства для беспроводной передачи электрической энергии с использованием четвертьволновой резонансной линии для усиления потенциала в линии и формирования проводящего канала.

Рис. 11. Электрическая схема устройства для беспроводной передачи
электрической энергии с использованием четвертьволновой резонансной линии для усиления потенциала в линии и формирования проводящего канала

Сферическая емкость 6 соединена с игольчатым формирователем 7 проводящего канала 8. У потребителя в конце проводящего канала 8 установлен приемник 9, соединенный с высоковольтной обмоткой 10 высокочастотного резонансного трансформатора 12. Низковольтная обмотка 13 трансформатора 12 через емкость 14 соединена с преобразователем частоты 15 и нагрузкой 16.

Особенностью четвертьволнового волновода 5 является его способность работать в режиме накачки электромагнитной энергии с последующим освобождением запасенной в емкости 6 энергии в короткий промежуток времени. По существу спиральный волновод 5 представляет аналог лазера, работающего в диапазоне низких частот 1 – 1000 кГц при максимально возможной запасенной мощности и мощности импульсного разряда более 10¹⁰ Вт и импульсном напряжении более 50 МВ.

Накачка электромагнитной энергии в волноводе 5 производится от резонансного трансформатора 4 следующим образом. При подаче напряжения от трансформатора 4 на волновод 5 падающая волна поступает на вход волновода 5 и отражается обратно от его разомкнутого конца без изменения фазы волны. Отраженная волна достигает начала волновода 5, замкнутого на L₂, и повторно отражается с изменением фазы волны на 180^о. Волна напряжения проходит дважды через четвертьволновую линию 5 (туда и обратно), ее фаза изменяется при движении также на 180^о и поэтому ее фаза совпадает с фазой волны, поступающей от источника энергии L₂. В результате амплитуда волны напряжения удваивается через каждые два отражения от конца и начала волновода 5. Возникает стоячая волна в виде одной четверти синусоидальной волны с началом синусоиды в начале волновода 5 с напряжением V_мин. и максимальным напряжением V_макс. в конце волновода на емкости 6.

Синхронизация обеспечивается за счет когерентности частоты f₀ со скоростью и распространения волны напряжения в волноводе и его длины Н.

Н = .

Накачка происходит по аналогии с лазером в режиме модулированной добротности, когда добавленная энергия поступает когерентно через промежуток времени Т_к, равный прохождению волны от начала до конца волновода и обратно.

.

Увеличение напряжения на выходе волновода 5 определяется не добротностью Q контура, как в обычной разомкнутой линии, а величиной æ, обратной произведению коэффициента затухания волны на длину Н волновода 5, т.е. æ обратно пропорциональна потерям энергии в волноводе

æ = .

Напряжение на емкости 6 определяется потерями в четвертьволновой резонансной линии и электрической прочностью изоляции и превышает напряжение на выходе резонансного трансформатора α в 20 – 200 раз и может достигать величины 100 миллионов вольт.

При резонансной частоте и высоком напряжении на ёмкости 6 на выходе игольчатого формирователя 7 в атмосфере начинается эмиссия стриммеров, которая формирует проводящий канал 8 от ёмкости 6 к приёмнику излучения 9. За пределами атмосферы проводящий канал формируется путем эмиссии электронов с заостренного конца игольчатого формирователя проводящего канала. Электрическая энергия передается в виде пучка электромагнитного излучения с частотой f₀. Электрическая энергия от источника энергии 1, которая накоплена в ёмкости 6, поступает по проводящему каналу 8 на приёмник 9 и далее на вход высоковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора 12. Низковольтная обмотка 13 трансформатора 12 с помощью ёмкости 14 настраивается на резонансную частоту волны, которая сформирована в резонаторе 5. В проводящем канале 8 возникают стоячие волны тока и напряжения. Ток последовательного резонансного контура с ёмкостью 14 поступает на преобразователь частоты 15 и затем в нагрузку 16. Параметры понижающего резонансного трансформатора 12 выбираются аналогично параметрам трансформатора 11.

Длина проводящего канала 8 для передачи энергии в атмосфере Земли составляет 150 – 500 км, а за пределами атмосферы Земли – 500 – 500000 км. Н.Тесла писал:

«Когда электрическая цепь, соединенная с землей и изолированной емкостью, осциллирует, два независимых различных эффекта имеют место: волны Герца излучаются в направлении под углом к оси симметрии проводника и одновременно ток распространяется через Землю.

Существует большое различие между этими двумя формами движения волн по их влиянию на передачу энергии. Волны Герца представляют энергию, которая излучается и не возвращается. С другой стороны, энергия тока сохраняется и может быть возвращена, по крайне мере теоретически, полностью».

«Это верно, что электричество от передатчика распространяется во всех направлениях через Землю и воздух, но энергия расходуется только в том месте, где она собирается и используется для совершения работы…

Хотя электрические колебания возникают по всей земле, на поверхности и высоко в атмосфере, никакой мощности не потребляется. Мои эксперименты показали, что на поддержание электрических колебаний по всей планете потребуется несколько лошадиных сил… Единственные потери заключаются в энергии, излучаемой в виде электромагнитных волн Герца, и эти потери могут быть снижены до совершенно незначительной величины» [4].

При работе генератора с частотой f₀ ³ 6 Гц вокруг точки заземления осесиметрично возникают стоячие волны, узлы и пучности которых расположены на Земле в виде окружностей с центрами на вертикали, проходящей через точку заземления генератора. При частоте менее 6 Гц Земля как однопроводная линия не проявляет резонансных свойств и ведет себя как статическая ёмкость.

Оценим величину напряжения V_n на приемнике при резонансной передаче электрической энергии с использованием Земли в качестве проводника. Обозначим С_г и V_г, С_n и V_n, естественную ёмкость и напряжение на этой ёмкости соответственно, генератора и приемника, С_з – статическая ёмкость Земли.

Статическая ёмкость Земли

,

где ε₀ – электрическая постоянная, ε₀ = 8,854·10^-12 ф/м; R₃ – радиус земли.

Подставляя R₃ = 6363 км, получим С_з=708 мкф.

Емкость сферического конденсатора генератора в лаборатории Long Island радиусом 10,3 м равна C_г = 1,14 нф.

Емкость сферической ёмкости приемника радиусом 20 см равна C_n= 22 пф.

Напряжение на приемнике

.

Подставляя V_г = 30 МВ, С_г = 1,14 нф, С_з= 708 мкф, С_n= 22 пф,

получим V_n = 48,8 В.

Рис. 12. Схема устройства для передачи электрической энергии
с использованием микроволнового генератора и двух игольчатых
формирователей канала

На рис. 12 показана схема устройства для передачи электрической энергии с использованием микроволнового генератора и игольчатого формирователя канала для создания проводящего канала между естественной емкостью четвертьволновой линии и приемником нагрузки.

Генератор микроволнового излучения 17 имеет игольчатый формирователь канала 7 со стороны проводящего канала 8 и электрод 19 со стороны сферической емкости 6 для передачи электрической энергии от емкости 6 через формирователь канала 7 на проводящий канал 8. Зазор D между сферической емкостью 6 и электродом 19 составляет 1 – 10 м.

Микроволновой генератор 17 при увеличении напряженности электрического поля до 1 – 100 кВ/м вокруг сферической ёмкости 6 начинает вырабатывать высоковольтные высокочастотные импульсы с частотой f₁, превышающей резонансную частоту четвертьволновой линии. На игольчатом формирователе 7 проводящего канала 8 возникает коронный разряд и формируется проводящий канал 8. При наличии двух игольчатых формирователей 7 и 19 формируется два проводящих канала, один в сторону сферической ёмкости 6, а второй канал 8 в сторону приёмника 9 нагрузки 16. Резонансная частота четвертьволновой линии составляет 100 кГц, а частота микроволнового генератора 17 МГц. Когда длина проводящего канала 8 составит 50 – 90% от расстояния Δ между игольчатым формирователем канала 19 и сферической ёмкостью 6, возникает встречный проводящий канал от сферической ёмкости 6 к формирователю канала 19 и полный потенциал сферической ёмкости 6 поступает к микроволновому генератору 17 и затем в проводящий канал 8 между микроволновым генератором 17 и приемником 9 нагрузки. Существенное различие резонансной частоты четвертьволновой линии 100 кГц и микроволнового генератора 17 МГц приводит к триггерному эффекту, при котором электрическая энергия, запасенная в сферической ёмкости 6, разряжается на проводящий канал 8 за очень короткое время Δ t=10 – 100 мкс. При ёмкости сферического конденсатора 8С₃=250 пф, напряжение на емкости 6
V_mах = 50 10⁶ В, энергия W в импульсе составит:

,

заряд, накопленный на емкости 6:

=250×10^-12×50×10⁶=1,25×10^-2 К_л.

Электрическая мощность при длительности импульса 10 мкс:

.

Все рассмотренные глобальные энергетические технологии основаны на новых российских патентах и могут быть реализованы в 21 веке в рамках инновационных проектов и новой энергетической стратегии России.

Существуют значительные преимущества резонансной однопроводной системы передачи энергии по сравнению с передачей электромагнитных волн в воздухе. В первую очередь, это высокий КПД передачи энергии (более 85%) при достаточно простом электротехническом оборудовании. Высокий КПД обусловлен наличием проводящего резонансного канала между генератором и приемником.

Второй важный вывод заключается в том, что для передачи энергии не нужны воздушные линии электропередачи – основной источник перерывов в энергоснабжении в результате гололеда, ураганов, пожаров и землетрясений. Будущая электроэнергетика будет использовать надежные, безопасные подземные и подводные однопроводные кабельные линии, а также морскую воду и землю в качестве однопроводной резонансной линии.

Рассмотренные способ и устройство позволяют осуществлять беспроводную передачу электрической энергии потребителям в атмосфере Земли на расстоянии до 500 км и до 1 миллиона км в космическом пространстве.

Н. Тесла писал: «Наверное, самым значительным применением беспроводной энергетики будет питание летательных аппаратов, которые будут перемещаться без топлива». Научные идеи и патенты, изложенные в работе, позволяют приступить к практической реализации бестопливных летательных аппаратов и осуществить то, что не мог предсказать Н. Тесла: обеспечить резонансную передачу энергии по электронному и микроволновому лучу между космическими аппаратами и на встречных лазерных, электронных и микроволновых лучах между Землей и космическими объектами.

Технологии, описанные в этой книге, входят в перечень критических технологий, утвержденный Президентом РФ Д. А. Медведевым. Это лазерные и электронно-ионно-плазменные технологии, новые методы преобразования энергии, ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений, энергообеспечение и энергоресурсосбережение.

Посмотрим, что изменится в энергетике и электротехнике в ближайшие сто лет. Наши предсказания по развитию и использованию резонансных волноводных методов передачи электрической энергии сводятся к следующему.

§ Воздушные линии электропередачи будут заменены на подземные волноводные однопроводниковые кабельные линии.

§ Бесконтактный высокочастотный электрический транспорт будет получать электрическую энергию от однопроводниковой резонансной линии, установленной в дорожном покрытии.

§ На сельскохозяйственных плантациях будут работать электрические машины-роботы с активными рабочими органами.

§ Будет создана глобальная солнечная резонансная энергетическая система, производящая электроэнергию, водородное топливо и тепло для каждого человека на Земле.

§ Жидкое топливо и газ будут вырабатываться из биомассы энергетических плантаций с помощью резонансных одноэлектродных плазматронов.

§ Космические корабли будут стартовать с Земли на электрических ракетных двигателях, имея отношение массы полезного груза к стартовой массе 80 – 90% вместо сегодняшних 5%.

§ Электроснабжение летательных аппаратов в космическом пространстве и передача электрической энергии на мобильные объекты на Земле будут осуществляться резонансными беспроводными методами.

§ Резонансные методы будут использоваться для лечения болезней человека и животных, уничтожения сорняков (вместо пестицидов), обеззараживания питьевой воды и отходов, создания новых особо чистых материалов (в первую очередь, солнечного кремния).

Двадцатый век был последним веком дешевой энергии. Эпоха дешевой энергии закончилась, и нужны новые энергетические технологии, чтобы обеспечить устойчивое будущее развитие. Новые энергетические технологии не будут использовать ископаемое топливо. Глобальная солнечная энергетическая система, состоящая из трех солнечных электростанций, расположенных в Австралии, Африке и Северной Америке, сможет обеспечивать электроэнергией, водородным топливом и теплом круглосуточно все районы Земли в течение миллионов лет и перевести все электростанции, работающие на ископаемом топливе, в разряд резервных электростанций. Достигнутый в лабораториях максимальный КПД солнечных элементов составляет 40%, а практический срок их службы - 50 лет.

Для функционирования глобальной солнечной энергосистемы необходимо организовать трансконтинентальные тераваттные потоки электрической энергии. Резонансные технологии передачи электрической энергии могут быть использованы для создания мировой энергетической системы. Человечество сможет объединить и сконцентрировать свои энергетические ресурсы и технологии для создания достойных условий жизни каждому человеку и реализации крупных научно-технических проектов на Земле и в космическом пространстве.

Реализация факторов развития новых технологий приведет к увеличению роли возобновляемой энергии в энергетике будущего до 60 – 70%, в электроэнергетике до 80 – 90%.

Доля возобновляемой энергии в мировом производстве энергии.

Литература

1. Капица С. П. Энергетика и экономика человечества. Альтернативная энергетика и экология №9, 2009, стр. 10-12
2. Energy Technology Perspectives 2008 Scenarios and Perspectives to 2050/ OECD/IEA 644 pp
3. Федоров М. П., Окороков В. Р., Окороков Р. О. Энергетические технологии ХХI столетия. Тенденции развития г. III Энергетические технологии транспорта, передачи и распределения электрической энергии. Академика Энергетики, Октябрь 2009, № 5 (31), с. 28 – 33.
4. Стребков Д. С., Некрасов А. И. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. Изд. ГНУ ВИЭСХ, М. 2008, 350 стр.
5. Стребков Д. С. Матричные солнечные элементы 2010г. М. Изд. ГНУ ВИЭСХ Т.3 310 стр.
6. Росс М.Ю. Биотопливо из водорослей. М. Изд. ГНУ ВИЭСХ, 2008г., 250 стр.
7. Стребков Д. С. Об электроэнергетике, основанной на незамкнутых электрических токах. Материалы Международной научной конференции «Проблемы использования альтернативных источников энергии в Туркменистане 24 – 25 февраля 2010 г., Ашхабад, Изд-во Ylym, с. 26 - 30»
8. Юферев Л. Ю., Стребков Д. С., Рощин Г. А. Экспериментальные модели резонансных систем передачи электрической энергии. Изд. ГНУ ВИЭСХ, М. 2010 г. 207 стр.