10 апреля 2019, 14:46
Как передается электроэнергия? Сколько электричества потребляет человек? Можем ли мы обходиться без проводов? В проекте "Мир вещей. Из чего сделано будущее" совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах. Провода окружают нас повсюду и используются для передачи информации и энергии. Если в передаче информации беспроводные технологии развиваются семимильными шагами, то с энергией дело обстоит по-другому. Для распространения энергии на расстояние можно использовать разные способы. Например, перевозку бензина в бензовозе или запуск ядерной боеголовки тоже можно считать передачей энергии, причем беспроводной. Но составить конкуренцию электроэнергии по удобству и универсальности эти способы, конечно, не могут. Электричество, как известно, производится на электростанциях: тепловых, атомных, ГЭС и так далее. Энергия, генерируемая электростанциями, идет по проводам к потребителям (населению и промышленности), где расходуется на полезную работу, производство тепла и излучения. Полезная работа — это, например, работа электродвигателей в компрессоре холодильника или движение троллейбуса. Производством тепла можно считать нагрев воды в чайнике. Количество энергии, потребляемое в единицу времени, принято называть потребляемой мощностью и измерять в ваттах. Скажем, электрочайник потребляет примерно 2000 Вт (или 2 кВт), а мобильный телефон при зарядке — меньше 10 Вт. Конечно, на передачу информации тоже тратится энергия. Например, передатчик на вышке сотовой связи потребляет порядка 1 кВт. Но это все-таки гораздо меньше того, что расходуется промышленностью и домохозяйствами. Есть простая формула (закон Джоуля — Ленца), которую изучают в школе: Р = U⋅ I, где P — потребляемая мощность, U — напряжение между проводами (измеряется в вольтах), а I — сила тока (сколько заряда проходит по проводу за единицу времени, измеряется в амперах). Рекомендуем по этой теме: Интеллектуальные энергосети Насколько более эффективным может быть рынок электричества и как этого добиться Как известно, напряжение в розетке — 220 В. Когда мы включаем в нее чайник мощностью 2 кВт, потребляемый им ток, исходя из формулы, равен примерно 10 А. Теперь представим большой город, размером с Санкт-Петербург, в котором живут миллион семей, и каждая из них потребляет в среднем те же 10 А. Так получается не потому, что люди круглые сутки кипятят чайник, а потому, что, например, холодильник, освещение, компьютер, кондиционер, стиральная машина в среднем тоже постоянно подключены к сети: что-то включается и выключается в течение дня. Тогда для обеспечения электричеством населения миллионного города потребуется мощность, равная 2 ГВт, двум гигаваттам (2 кВт х 1 000 000 = 2 ГВт). Примерно такой мощностью обладают два энергоблока атомной электростанции. Промышленность и электротранспорт только увеличат это число. Возникает вопрос: как обеспечить необходимую мощность для потребителей? Без проводов доставить ее не получится. Действительно, если передавать энергию без проводов, значит, надо передавать электромагнитное излучение, то есть необходимо поставить антенну (или лазер, если использовать оптический или инфракрасный диапазон), которая энергию будет испускать, и какой-то приемник, который будет энергию принимать. Проблема в том, что любой источник излучения не сможет направить электромагнитную волну строго на приемник из-за дифракции (явления, заключающегося в том, что свет — волна и всегда будет стремиться расходиться в разные стороны, как круги на воде). Дифракция волн Волна всегда будет разбегаться в стороны. И если приемник находится за сотни километров от передатчика, то он примет только маленькую часть всей энергии, а вся остальная энергия пролетит мимо. Поэтому ни на какой разумной частоте эффективная передача энергии без провода на большие расстояния не осуществима. Другая причина, почему такая передача не получится, — взаимодействие энергетического луча с воздухом, пылью и биологическими объектами. Все живое, что попадет под действие луча мощностью 1 ГВт, мгновенно зажарится или даже испарится. Значит, мы должны передать в нашем условном городе 2 ГВт электроэнергии с помощью проводов. Что ограничивает ток, который можно пустить по проводу? Разогрев самого провода: тонкий и толстый провода от одинакового тока будут по-разному разогреваться. К маленькой лампочке изготавливают тонкий медный провод, потому что лампочка потребляет маленький ток, а к электрочайнику — толстый провод, потому что по нему течет большой ток. То, какой ток вы можете пропустить, определяет электрическое сопротивление, то есть в конечном счете толщину провода. Если попытаться пропустить большой ток через тонкий провод, то провод нагреется или даже сгорит. У электрочайника, скажем, провод имеет сечение 1,5–2,5 квадратных миллиметра (1 квадратный миллиметр медного провода может нести ток около 10 А). Разумеется, для города, в котором миллион таких чайников, никто не будет изготавливать провод диаметром миллион квадратных миллиметров: так никаких запасов металлов на Земле не хватит. Для этого люди поступают по-другому: поскольку мощность — это ток, умноженный на напряжение, то для передачи большой мощности можно поднять напряжение, тогда не надо изготавливать совсем уж толстый провод. От электростанции строятся линии электропередачи, напряжение в которых уже не 220 В, а минимум 220 кВ (бывают до 1 МВ). И провод там не 1,5 квадратных миллиметра, а 300. Он способен нести ток около 500 А. Если умножить 500 А на 220 кВ, мы получим примерно одну двадцатую от того, что будет потреблять наш город. Есть, конечно, тонкости (например, используется трехфазный ток), но вывод такой, что для питания крупного города придется построить примерно десять высоковольтных линий электропередачи среднего размера. Если посмотреть на крупные города, то так примерно и есть. Однако нужно понимать, что эти линии электропередачи сделаны из меди или алюминия со сталью, которые в любом случае нагреваются. Соответственно, будут потери энергии, и чем длиннее линия электропередачи, тем больше потери, так как у проводов есть сопротивление. Потери могут доходить до 10–30 %. Получаемое тепло идет на разогрев окружающего пространства. Одним из вариантов исключить потери было бы использование сверхпроводящего кабеля.