"Энергоурожай" с высоковольтных ЛЭП

То, что самый главный недостаток альтернативной энергетики - непостоянство нагрузки в сетях, сегодня известно уже не только специалистам. Ветер то дует, то стихает, солнце ночью не светит вовсе, а днем то палит, то скрывается за облаками.

Не далее как в нынешнем году в феврале Германия испытывала острый дефицит электроэнергии из-за затяжного штиля, особенно на северном побережье, и густой облачности, а в мае ветрогенераторы пришлось даже останавливать, потому что энергосетям грозила перегрузка из-за обилия солнечной энергии. Безусловно, без прокладки множества новых высоковольтных линий электропередачи Германия обойтись не сможет, тем более что страна бесповоротно отказывается от атомной энергетики и делает ставку на альтернативную. Потребность в новых ЛЭП уже сегодня очень высока, но пока их нет.

Недогрузка может достигать 20 процентов

Тем насущнее становится проблема максимально эффективной эксплуатации уже наличествующих воздушных высоковольтных сетей. Для этого эксплуатационникам нужна информация о текущем состоянии линий электропередачи: может быть, они опасно провисли, разогретые лучами солнца и высокой токовой нагрузкой? или ветер охлаждает их настолько, что токовую нагрузку можно даже повысить?

Беда в том, что этой информации, как правило, нет. "Отсутствие информации вынуждает меня всегда проявлять в отношении ЛЭП особую осторожность, чтобы не спровоцировать аварийное нарушение энергоснабжения, - поясняет Ольфа Канун (Olfa Kanoun), профессор факультета электротехники и информационных технологий Хемницкого технического университета. - На практике это означает, что мне всегда приходится эксплуатировать линию с недогрузкой".

Расчеты на компьютерной модели показали, что эта недогрузка может порой достигать ни много ни мало 20 процентов. Но для того, чтобы оптимизировать эксплуатацию высоковольтных ЛЭП, необходимы сенсоры, способные в режиме реального времени осуществлять круглосуточный мониторинг состояния этих самых линий.

Электроэнергия из окружающей среды

На сегодняшний день существует лишь одна разновидность таких сенсоров: они регистрируют изменения длины проводов, что позволяет оценить их температуру. Но установка этих сенсоров и систем передачи данных требует масштабных монтажных работ на опорах ЛЭП, а это связано со значительными расходами. Но главная проблема, как это ни забавно, состоит в том, что сенсоры на ЛЭП лишены подходящего электропитания, ведь ни один сенсор, ни один радиотелеметрический модуль не выдержат напряжения в 110 тысяч, а то и 380 тысяч вольт. Батарейки здесь тоже не годятся: их пришлось бы то и дело менять.

Поэтому инженеры пытаются реализовать иное техническое решение, именуемое energy-harvesting, что дословно означает "сбор энергетического урожая". Имеются в виду технологии преобразования энергии различных побочных механических, тепловых и электромагнитных процессов, протекающих в окружающей среде, в электрический ток, необходимый для питания сенсоров, датчиков и прочих автономных устройств малой мощности. Иными словами, окружающая среда как бы сама снабжает энергией то или иное устройство.

У каждого разработчика - своя концепция

Так, фирма Micropelt во Фрайбурге разработала термоэлектрический преобразователь, генерирующий ток за счет разности температур провода и окружающего воздуха. Правда, эта разность должна быть не менее 10 градусов, и генератору требуется несколько часов, чтобы накопить достаточно энергии для питания устройства, рассылающего информацию в форме SMS-сообщений.

Ученые Хемницкого технического университета избрали иной путь: они пытаются использовать энергию электрического поля провода. Томас Койтель (Thomas Keutel), инженер факультета электротехники и информационных технологий, поясняет: "Возможно, кому-то из вас довелось видеть живьем или в кино, как неоновая трубка начинает светиться, когда оказывается под линией высокого напряжения. Это свечение вызвано разностью потенциалов, обусловленной электрическим полем ЛЭП".

Напряженность этого поля у самого провода очень велика, но быстро падает с увеличением расстояния. Это обстоятельство и используют разработчики из Хемница.

Конденсаторы на проводах ЛЭП

Идея состоит в том, чтобы накапливать энергию поля в конденсаторе особой конструкции: одним электродом в нем служит сам токонесущий провод ЛЭП, второй электрод в корпусе из полимерного диэлектрика крепится на этом же проводе. Такому конденсатору хватает всего нескольких минут, чтобы накопить достаточно энергии для питания группы сенсоров, измеряющих целый ряд параметров, включая температуру кабеля, силу тока, создаваемый этим током магнитный поток, а также амплитуду вызванных ветром колебаний провода. Кроме того, собранного "урожая энергии" хватает и на питание радиотелеметрического модуля, передающего собранные данные каждые четверть часа.

"Наша задача состоит, по сути дела, в том, чтобы этот нестабильный источник тока превратить в стабильный", - говорит профессор Канун. Для этого нужно оптимизировать энергопотребление сенсоров: если на измерение энергии уходит мало, то передача данных быстро разряжает конденсатор. Хемницкие специалисты делают ставку на энергосберегающую радиосвязь в диапазоне 2,4 гигагерца - на этих частотах сегодня работает множество беспроводных устройств - телефоны, компьютерные клавиатуры и мыши, пульты дистанционного управления и так далее. При этом каждый сенсор передает информацию соседнему, тот - своему соседу и так далее, пока она не поступит в диспетчерскую.

Изделия хемницких умельцев успешно прошли лабораторные испытания. Теперь на очереди полевые испытания: сенсорно-конденсаторная система сегодня уже монтируется на одной из высоковольтных линий в Рудных горах.