Свежие комментарии

Однопроводная передача энергии

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

20 комментариев Однопроводная передача энергии

  • 4eshirkot

    Действительно, в Новой Зеландии меня сильно удивили ЛЭП с одним проводом.

  • dan14444

    По однопроводной передаче «на ёмкость» мы может использовать «естественную ёмкость» планеты, но с практической точки зрения это не сильно отличается от использования планеты как второго провода :).

    И в защиту упомянутых «подрывов по таймеру» скажу… при всей бредовости планов именно на «резонанса тела», синхронизированный подрыв может быть вполне полезен. Почему? Тут надо сравнивать альтернативы.
    1) Если альтернативой является подрыв суммарного заряда в одной точке — возня с малыми зарядами и их таймингом редко оправдана из-за сложности рассчёта. Но имея возможность обсчитать — мы можем конфигурировать волну в нечто анизотропное, с повышенным поражающим воздействием в выбранных точках.
    2) Если совмещение зарядов невозможно (напр., из-за средств доставки) — то правильный тайминг даст очень существенный выигрыш в сравнении с «последовательно-случайными» подрывами.
    Одновременный подрыв — уже интереснее «последовательно-случайного», но интерференция волн где-то усилит воздействие, а где-то ослабит.
    А вот если прилетевшие заряды с какими-то мозгами — взаимно определились, определили поражаемые объекты, и выставили задержку для правильной интерференции… 🙂

    • Назгул описывает такой вариант как карманный термояд, т.е. ненаправленное действие, что конечно бред.

      А такой вариант

      // мы можем конфигурировать волну в нечто анизотропное, с повышенным поражающим воздействием в выбранных точках.

      насколько я знаю пытались применять при воздушной бомбардировке — сбрасывать цепочку бомб с очень точным интервалом чтобы задние взрывы чуть помогали передним. Но эффект получался околонулевой.

      Теоретически можно собрать фазовую решетку и сфокусировать энергию на точке в метрах от решетки. Но хоть кто-нибудь так делал?

      ===

      Погуглил — нашлось

      A Phased Array Approach to Rock Blasting

      // The purpose of the project as a whole was to evaluate the usefulness of phased array techniques of blast design, using new high-precision delay technology.
      // Despite high-speed photography, however, we were unable to detect the passage of the shock waves through the samples to determine how well they matched the expected interaction geometry.

      при том что даже в теории они рассчитывают на скромные результаты
      // The total energy output by a blast using a phased array approach … provides the same effect as increasing the powder factor by 50%
      // the required work input has decreased by 30%, and the total cost by 26%.

      // The principle of Phased Array Blasting still appears to have great potential
      хехе

  • Legion

    Все же имхо попаданцу сразу надо строить привычные нам ЛЭП. Даже если провод тянуть надо совсем на небольшое расстояние. На начальных этапах однопроводная схема, возможно, более привлекательна, но нет ничего более постоянного, чем временное решение. В перспективе минусов у такой схемы работы все же больше, а вот на начальных этапах можно будет отработать технологию прокладки многопроводных линий. Телефон же попаданец будет прокладывать витой парой сразу, это избавит его от множества проблем в будущем, так почему же тогда использовать один провод для ЛЭП.

    PS Назгула вспомнили. Мне было бы интересно почитать подробную статью о его технических предложениях и их разборе. Все же он иногда такую ересь пишет… Мои фаворит — атмосферное электричество, которое похоронили ВЛАСТИ, но почемуто-то СССР был совсем диким и не пользовался таким источником энергии(или там то же, о ужас, сидели предатели?). Помню его утверждения в комментах, где он, работая в НИИ(интересно каком?), зарядил дробовик пластилином, а манекен чуть ли не на 10 метров от выстрела улетел

  • Vpotapov1

    Интересно, фото австралийской линии помещено вверх ногами, потому что они антиподы?

  • LysenkoAA2

    Красиво. Но чтобы экономия на опорах перевешивала повышенный расход железа оно должно быть достаточно дешёвым.

    • Относительно цены электричества и того что с ним можно сделать это копейки.

      10 ампер и переменка это 10 кило электрода в год, с проводов слезет как бы не больше. Даже на минимальном напряжении в 220 это 16 тысяч квч — десяток тонн электростали, 10 киловольт и 10 ампер в течении года это вообще безумное кол-во энергии.

      • LysenkoAA2

        Я не спорю с тем, что однопроводная схема передачи электричества рентабельна. Вопрос в сравнительной эффективности однопроводной и двухпроводной схем. Однопроводная схема обеспечивает более низкие стартовые затраты и более высокие эксплуатационные, тем более высокие, чем дороже проводник. Нет, не так. Если относительная стоимость проводника-расходника относительно больше стоимости сооружения опор и эксплуатации линии — двухпроводная схема может быть более оправданным выбором, несмотря на большую дороговизну. В каждом конкретном случае более рациональным будет тот или иной вариант, в зависимости от условий — имеющегося объёма ресурсов, процента на привлечённый капитал, стоимости работ по обслуживанию, стоимости строительства, стоимости расходников и т.д. и т.п.

        • // Однопроводная схема обеспечивает более низкие стартовые затраты и более высокие эксплуатационные

          Не, в статье(и источниках) написано что однопроводная вдвое дешевле в обслуживании.

          Опор меньше, провод один — у попаданца он скорее всего будет железный без покрытия/изоляции(собственно и на первых SWER такие юзались, сейчас юзают железные с люминевым покрытием) так что его коррозия съедает больше чем коррозия электродов, соостветственно один провод теряет вдвое меньше железа чем два.

          Добавляются пара электродов по 5-6 метров и немного усложняется защита, но по сравнению с километрами проволоки это не о чем.

          • LysenkoAA2

            Эксплуатация дешевле сейчас, когда рабочим нужно платить деньги, а железо стоит копейки.

            А про коррозию провода не подумал. Да ещё и электрохимическая…

  • Vpotapov1

    прочитал «кольцо из медной проволоки диаметром в 2 км»
    и подумал: нихерасе проволока диаметром в 2 км. Потом понял. Но все равно впечатляет.

  • LysenkoAA2

    Доброго времени суток.

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

    Статья находится здесь.

    • 4eshirkot

      Ну если нарушить технологию, то и аналог китайского пуэра можно сварганить))

      • LysenkoAA2

        Сейчас думаю — в плюс или в минус будет знакомство аудитории с настоящим китайским чаем. С одной стороны — без легенды о страшно далёкой экзотике иван-чай будет не продать с оверпрайсом как-бы китайского чая. Значит — употреблять его будут только низы и, возможно, «средний класс». А верхи — вероятнее всего не будут. С другой стороны — чем ниже цена — тем шире охват. Получается — раньше или позже, но технологию нужно будет открывать широкой общественности.

    • DlMFlRE

      Капорский чай это что то вроде соевого мяса, штуки бесспорно полезной, но в целом являющейся эрзацем — в отличии от соуса, мисо, тофу и прочих самостоятельных продуктов. И спрос появился именно тогда, когда познакомившись с «обычным» чаем стали искать способ нажиться, так что попаданцу ту делать нечего.

      • LysenkoAA2

        Когда иван-чай стали ферментировать — китайский чай уже был. Соответственно, наиболее прибыльным использованием иван-чая было выдавать его за китайский. Чем люди и занимались, не продавая его как есть.

        А после того, как чай стал по настоящему массовым (цены на него упали), главное преимущество иван-чая — дешевизна — стало несущественным. И промысел затух, до последнего времени. Понятно, что если люди могут выбирать из кофе и чая, они, в большинстве случаев, будут выбирать кофе. Если они смогут выбирать между китайским чаем и копорским — они конечно выберут китайский.

        Но если настой иван-чая — единственное, доступное по цене, горячее питьё?

      • LysenkoAA2

        Кстати, вы сами его пробовали? Как вам?

        • cimba

          Сам не пил, но родители пили и особенно дядя, он любитель всяких травяных сборов и настоев. Но не как заменитель чая, а как лечебный настой. В этом тоже его несомненная ценность. Как способ заработка возможно, но хорошо и помнить что иван-чай обладает противовоспалительными свойствами, обезболивающим, и вообще как профилактика от всего ))). В определенный исторический период можно сделать рекламную компанию на лечебные свойства и может зайти как самостоятельный продукт. Но необходима уже достаточно сформированная читательская база периодической прессы (для рекламной компании). Кстати во время рассвета промысла 1885-1914 вполне можно заявить его как самостоятельный продукт. Но опять же не ясно, что выгоднее ))) как самостоятельный продавать или как заменитель натурального чая.

        • Vpotapov1

          Я пробовал и ферментированный, и просто сушеный. Последний не сильно хуже первого (или, что то же самое, первый не много лучше последнего), при том, что ферментированный сильно дороже.
          Вкус — как будто заварил красный кирпич…
          Я иногда, когда у печки сижу, пью, но чтоб постоянно — неее

          • LysenkoAA2

            А если чая не будет, даже в пакетиках? Спрашиваю без всякой задней мысли, просто интересно ваше мнение. Магазинный мне тоже показался не фонтан, но у знакомой угостили самопальным — вкус был довольно насыщенным.

Leave a Reply

You can use these HTML tags

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>