Энергоинформ – развитие энергетики и информационных технологий

Энергоинформ — альтернативная энергетика, энергосбережение, информационно-компьютерные технологии

Энергоинформ / Точка зрения / Война токов — современный взгляд

Война токов — современный взгляд

Или новая концепция автономных и энергосберегающих систем

В ноябре 2007 года закончилась столетняя война токов https://en.wikipedia.org/wiki/War_of_Currents, начатая противостоянием Томаса Эдисона и Николы Теслы в борьбе за использование постоянного или переменного тока соответственно, и город Нью-Йорк окончательно перешел с постоянного тока перешел на переменный. Я уверен, что большинство не знали этого факта, как и того, что такая война имела место и длилась целую сотню лет. Но не это главное, ведь нам известно назначение переменного и постоянного тока, и за сотню лет мы достаточно хорошо научились пользоваться и тем и другим видом тока. Мы продолжаем развивать технологии, которые используют как переменные, так и постоянные токи. Но при этом мы не особо озадачиваемся некоторыми аспектами использования токов, как на уровне источников тока или на уровне потребителей тока, так и в целом. И причина тому естественное влияние истории и развития технологий, и с этого стоит начать статью.

Введение

В 1600 году был введен термин «электричество», и изначально разделения на постоянный и переменный ток не существовало. Только спустя годы, после создания Лейденской банки и опытов Гальвани, в 1800 году Вольта создает первый источник питания постоянного тока, и только после исследований Максвела, Ампера, Фарадея в области электромагнетизма и магнитной индукции после середины 19го века появляются первые генераторы переменного тока. В 1880 году Эдисон патентует всю систему производства и распространения электроэнергии, а в 1882 года Эдисон запускает первые электростанции в Лондоне и в Манхэттене, и уже к 1887 году в США существовало уже более сотни электростанций постоянного тока. Параллельно в 1882 году Тесла изобретает многофазный электромотор, в 1884 году Тесла появляется в США, где после года успешной работы Эдисон отказывает Тесле в повышении зарплаты, и Тесла уходит к Вестингаузу. Эдисон оказался первым кто от экспериментов с электричеством перешел к электрификации целой страны, но у его детища был один недостаток — большие потери мощности на больших расстояниях. Именно этот недостаток стал главным аргументом для сторонников переменного тока, и первая трёхфазная система переменного тока появляется только в 1891 году. Так началась Война токов.

Электрификация домов и городов постоянным током исторически оказалась первой, но в наших розетках уже многие годы переменный ток, победивший в этой долгой и не видимой для многих войне токов. Мы все считаем, что так и должно быть, и не видим никаких альтернатив, и даже не пытаемся их искать. Именно эту альтернативу я хочу предложить на рассмотрение, и здесь переплетается новое с исторически сложившимся. Но для начала за точку опоры возьмем основные отличия между постоянным и переменным током с точки зрения электрификации домов и городов.

Линии электропередач

Расстояние — первый аргумент. Постоянный ток хоть и появился первым, но он проиграл, и основным аргументом тому послужили большие потери при передаче на расстояния, чем больше расстояние, тем больше потери. В пределах одной лаборатории или одного дома потери совершенно не значительны, но при передаче больших токов на больших расстояниях от города к городу, это становится серьезным фактором и недостатком. Переменный ток за счет трансформации можно передавать по высоковольтным линиям, на десятки и сотни километров без серьезных потерь.

Трансформация — второй аргумент. У первых сетей постоянного тока было не так много потребителей, первые лампы накаливания, да первые электромоторы. Переменный ток благодаря возможности к трансформации поспособствовал очередному витку в развитии электрификации, ведь теперь потребители не ограничивались только линиями в 110 вольт, теперь они могли получать любые напряжения от одного вольта до тысяч вольт, что способствовало появлению, как мощных промышленных двигателей, так и появлению первой бытовой техники.

Масштабирование — третий аргумент. В сетях переменного тока просто так параллелить генераторы тока нельзя и для увеличения мощностей требуется синхронизации фаз каждого из генераторов. Наращивать мощности в сетях постоянного тока проще, достаточно запараллелить источники тока с соблюдением полярности, чтобы получить их суммарные мощности.

Накопление (аккумуляция) — четвертый аргумент. Постоянный ток научились накапливать в компактных химических аккумуляторах еще до появления первых электросетей, но накопление тока в больших промышленных объемах достаточно затратное. Накапливать переменный ток в малых объемах можно в громоздких инерционных накопителях, а в больших объемах на гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС).

Основа идеи

Указанные выше четыре аргумента исторически способствовали развитию электрических сетей и электрификации всех стран мира в сторону переменного тока. Оставив постоянному току только применение в бортовых системах транспорта и электронике как промышленной, так и бытовой. На уровне электрификации стран и городов переменный ток полноправно доказал свое неоспоримое преимущество, но не будем забывать о конечном потребителе. А на уровне простого потребителя дома или квартиры, многое из того что подключается через розетку к общей сети переменного тока и что считается потребителем переменного тока, на самом деле является потребителем постоянного тока. Звучит нелепо, но последние годы это именно так.

Ваш телефон, ноутбук, компьютер, телевизор имеет либо внешний, либо встроенный блок питания. И это не просто трансформатор из прошлого века, это современный импульсный преобразователь, который, получая из розетки переменный ток, первым делом его выпрямляет и только после этого преобразует в импульсы, которые потом трансформируются и повторно выпрямляются в нужное питание на выходе. Еще до момента трансформации одного напряжения в другое переменный ток выпрямляется в постоянный.

Электрическая схема 1

Раньше, когда не было импульсных блоков питания для повышения или понижения напряжения требовались трансформаторы, посредством которых тот же телевизор мог получить весь ассортимент напряжений необходимый для работы всех внутренних схем. Также и любая другая электроника того времени не могла обходиться без трансформатора и переменного тока. Но с появлением импульсных блоков питания все изменилось, теперь нет проблем преобразовывать в любые напряжения, как переменный, так и постоянный токи. И любой современный импульсный блок питания без проблем работает как от переменного тока, так и от постоянного. И именно этот факт дает новую идею и новые возможности, так как большинство современной техники способно работать на любом токе. Многие скажут, что не все устройства в доме имеют импульсный блок питания и будут совершенно правы. Но давайте сразу отделим те устройства, которые требуют переменный ток, от тех, которым все равно какой ток потреблять.

Что требует переменный ток? Старая техника прошлого века, электродвигатели, компрессоры холодильников, люминесцентные лампы.

Что работает на любом токе? Все современные устройства с импульсными блоками питания, Все устройства с нагревательными элементами.

Аналогичное описано и в этой статье: https://geektimes.ru/post/281306/.

А если посчитать количество устройств в вашем доме, то тех устройств, что будут работать только с переменным током не так уж и много, и с каждым годом их становится меньше и меньше.

Экспериментальное подтверждение

На первой стадии своих экспериментов, нужно было убедиться в работоспособности современной бытовой техники от сети постоянного тока, для чего был собран небольшой стенд из подручного материала. В качестве аккумулятора используются б/у 63 Li-Ion элемента 18650,  соединенные последовательно 63 * 3,7 = 233 вольта номиналом и 233 * 2,2 = 512 W/h номинальной емкости.

Электрическая схема 2

Лампочки используются в качестве нагрузки на выходе и ограничения тока на входе. В связи с тем, что любой аккумулятор имеет паразитную емкость, мы получаем паразитную емкость после диодного моста, которая создает эффект вольтодобавки. И максимальное напряжение на аккумуляторах теоретически может возрастать до 220 * 1,4 = 308 вольт в холостом режиме, но на практике за несколько дней холостого режима напряжение на аккумуляторах выше 264 вольт не поднималось. 264 / 63 = 4,19, что не превышает максимально допустимые значения для Li-Ion элемента.

После первого цикла заряда аккумуляторов в роли нагрузки подключались различные импульсные блоки питания, энергосберегающие и простые лампы накаливания. Проблем с работой подключенных устройств не замечено. Я не могу утверждать, что в дальнейшем все и вся будет работать без каких-либо проблем. В дальнейшем остается только производить замеры и собирать статистику для дальнейших расчетов. Нужно будет рассчитывать оптимальное количество тех или иных аккумуляторов в роли накопителя, подбирать оптимальные режимы эксплуатации аккумуляторов, определять необходимость тех или иных узлов защиты от перегрузок. Главное, что такая схема работает на практике.

Применение идеи

Последние годы мы видим развитие альтернативной энергетики и энергосберегающих систем, и видим большую заинтересованность в этих технологиях не производителей электроэнергии, а конечных потребителей, для которых более важным аргументом становятся минимизация потерь и самодостаточность, а не большие расстояния и гигантские мощности.

Электрические потребители

Классическая схема, применяемая в автономной энергетике, объединяет различные источники тока, преобразует и выпрямляет токи при необходимости, накапливает энергию в аккумуляторах и вторично преобразует в переменный ток, но уже для потребления. Точно такой же принцип используется в не дорогих источниках бесперебойного питания (UPS). Переменное напряжение 220 вольт трансформируется в 12 или 24, накапливается в аккумуляторах, после чего опять преобразуется в 220 вольт переменного тока.

Электрическая схема 3

Есть множество проектов по электрификации помещений и зданий на основе этой технологии, в продаже имеется множество комплектов оборудования на разные мощности. Есть те, кто отказывается от использования инвертора и переходят на низковольтную сеть постоянного тока по примерам, реализованным в автодомах. Даже Google призывает к переходу на низковольтные сети для электрификации домов и офисных зданий http://www.nytimes.com/2006/09/26/technology/26google.html.

Но при этом сторонники низковольтных систем постоянного тока совсем забывают о влиянии закона Ома. Ведь не из прихоти Илона Маска в автомобилях Tesla используется высоковольтный набор аккумуляторов. И если мы будем говорить об электрификации автодома или частного дома, то мы будем говорить о максимальном уровне 5-10кВт электроэнергии. На 12 вольтовой сети это будут токи 5 кВт / 12 В = 416,6 A и 10 кВт/12 В = 833,3 A, а на 24 вольтовой сети это будут токи 5 кВт / 24 В=208,3 А и 10 кВт / 24 В = 416,6 А. Для того чтобы в такой сети работал электрический чайник нам нужны вилка и провода способные выдержать ток 100-200 ампер, соответственно нам нужны провода, вилки и розетки в 10-20 раз толще, больше и мощнее. Я считаю это еще большей нелепостью, чем сама идея низковольтных сетей.

В отличие от не дорогих бесперебойных систем, мощные бесперебойные системы не используют понижение или повышения напряжения, они просто используют большее количество аккумуляторов на напряжения 110 или 220 вольт, тем самым уменьшая количество преобразований и потерь. Но если оконечным устройствам потребителям все равно с каким током работать, зачем в любой автономной системе нам нужен выходной инвертор, зачем мы генерируем переменный ток если все потребители его все потом выпрямят в постоянный. Можно уменьшить количество преобразований и накапливать в аккумуляторах 220 и снабжать им весь дом без инверторов напрямую с аккумуляторов, а инвертор использовать только для тех устройств, которым нужен переменный ток.

Электрическая схема 4

Тем самым мы не только уменьшаем количество преобразований во всей цепи, но и уменьшаем потери на каждом преобразовании соответственно. При тех же нормах потребления электроэнергии у нас сохраняется то же самое соотношение токов в сети, а значит, мы можем использовать те же провода, вилки и розетки. При условии, что большая часть оборудования может работать на переменном и постоянном токе, нам не требуется глобальное переоборудование устройств. При условии, что внутри здания проводка разделена на зоны, мы можем разделить зоны на сеть постоянного и переменного тока и использовать их соответственно. Можно без серьезных проблем использовать в одной сети постоянного тока различные наборы аккумуляторов разных типов. (К примеру: 115 Pb * 2 V = 230 V, или 191 NiCd * 1,2 V=229V, или 62 LiPO * 3,7 V = 229,5 V, или 70 LiFePO * 3,3V = 231 V, или 104 LiS * 2,2V = 228,8 V)

Такая модернизация электросети внутри одного здания позволяет перейти на следующий уровень использования сети постоянного тока как внутри здания, так и между зданиями, создавая тем самым самодостаточную сеть на уровне деревень и небольших городов, позволяя сделать то, что было не возможно в прошлом веке.

Электрическая сеть

Ведь для сетей переменного тока каждый автономный источник электроэнергии необходимо синхронизировать с общей сетью. В сети постоянного тока это не требуется, а соответственно не требуются и дорогие инверторы. Здесь можно легко объединять не только частные дома, снабженные альтернативными источниками энергии, но и не большие ветростанции, гелио станции, биогазовые и любые другие источники энергии. К тому же такая сеть более само-обеспечена и не подвержена веерным отключениям, вызванным проблемами на линиях или подстанциях. Даже обрывы в любом участке внутри сети не приведут к масштабному отключению потребителей от сети, и они смогут оставаться обеспеченными энергией от соседних источников.

Я не предлагаю претендовать на превосходство переменного тока в глобальных сетях обеспечивающих энергией заводы и города. Я предлагаю переход от автономных и энергосберегающих систем в пределах одного дома, к самодостаточной электрификации поселков и небольших городов. И, на мой взгляд, в этой области постоянный ток имеет свои преимущества.

Автор: Andrey A Kireev (andrey-kireev@yandex.ru)

P.S.

Данный материал для свободной публикации в открытых и закрытых источниках информации.
Разрешается свободная коррекция, улучшение и цитирование с указанием автора материала.
Разрешается свободное практическое использование и получение коммерческой выгоды с указанием автора идеи.
Уведомление о изменениях, использовании, получении выгоды и гонорар, автору не требуется.
Надеюсь, что ошибки и недочеты будут прощены автору, как человеку и самоучке.

© 2005–2020 Энергоинформ — альтернативная энергетика, энергосбережение, информационно-компьютерные технологии