Строительство и ремонт

Почему дома завтрашнего дня будут работать на постоянном токе

Времена меняются, и с ними меняются и наши потребности в энергоснабжении. Недавно переменный ток был неотъемлемой частью нашей жизни, но с развитием технологий и изменением приоритетов, мы стоим на пороге новой эры в энергетике. Добро пожаловать в мир «Войны токов 2.0», где постоянный ток начинает обретать превосходство.

В этой статье мы рассмотрим, какие факторы и тенденции способствуют устойчивому росту постоянного тока в энергоснабжении будущего. Мы расскажем о том, как изменения в производстве электроэнергии, включая развитие возобновляемых источников, делают постоянный ток более актуальным и эффективным в сравнении с переменным током.

Здесь вы узнаете о преимуществах децентрализации производства электроэнергии и роли постоянного тока в этом процессе. Мы рассмотрим, как сети постоянного тока могут справиться с растущей нагрузкой и почему их развитие становится ключевым фактором в современной энергетике.

Война токов – краткий экскурс в историю электрических сетей

В 1890 году Томас Алва Эдисон (General Electrics) и Джордж Вестингауз (Westinghouse Electric) вступили в первую экономическую битву за технический стандарт в истории промышленности. Эта битва вошла в историю как «война токов».

Предметом спора была рыночная доля соответствующих электрических компаний и применение электросетей постоянного или переменного тока в качестве электрического стандарта в Соединенных Штатах Америки.

Эдисон выступал за постоянный ток (DC) и зарегистрировал множество патентов в этой области, за что дорого заплатил.

В результате свободная конкуренция и инновации были затруднены. Из-за этих патентных ограничений компания Westinghouse отдавала предпочтение переменному току (AC), который был бесплатным в соответствии с патентным законодательством.

К концу 1887 года у Эдисона была 121 сеть постоянного тока, а у Вестингауза вместе с Thomson-Houston Electric Company было 90 сетей переменного тока в США, что мешало расширению сетей Эдисона.

Томас Эдисон позирует с электромобилем Bailey

У всех компаний были свои электрические распределительные системы, некоторые из которых пересекались. В течение многих лет два противника вели информационную войну, и Эдисон пытался изгнать своего противника с рынка, ссылаясь на опасность переменного тока в глазах общественности.

Однако большим преимуществом переменного тока было его огромное распространение в сетях, и в конце концов он стал нормой к концу 19 века.

Вы можете найти более подробную информацию о Войне Токов по этой ссылке: Тесла, Эдисон и война токов (переменный или постоянный ток)

HVDC – передача электроэнергии постоянным током

В современной энергетике мы сталкиваемся с постоянным током чаще всего в области электрической тяги и все чаще в области передачи электрической энергии на большие расстояния.

Одним из первых применений постоянного тока было городское освещение дуговыми лампами. Эти сети развивались в основном в крупных городах США. Первая система освещения с помощью ламп Эдисона была построена на Манхэттене (Нью-Йорк) в 1882 году, когда шесть гигантских динамо-машин обслуживали площадь примерно в 2,5 км2.

Самым большим недостатком постоянного тока оказалась невозможность простого и эффективного изменения напряжения, поэтому машины должны были работать от напряжения генератора.

Распределение электроэнергии при низком напряжении препятствовало передаче электроэнергии на расстояния, превышающие несколько километров — на более дальних расстояниях стали очевидны падение напряжения на линии и столь же высокие потери. Невозможность легко преобразовать различные уровни напряжения постоянного тока проложила путь к переменному току.

До 1880-х годов переменный ток не воспринимался как подходящая альтернатива постоянному току. Переломный момент наступил в 1884 и 1885 годах с изобретением первого трансформатора с замкнутым магнитным сердечником, который позволял легко и эффективно преобразовывать переменное напряжение.

Следующим шагом стало практическое использование переменного тока. В 1888 году Никола Тесла представил свой первый многофазный двигатель переменного тока (двухфазный асинхронный двигатель), который смог конкурировать с современными машинами постоянного тока.

Победа переменного тока над постоянным была наглядно подтверждена в 1891 году, когда состоялась первая дальняя передача с 3-х фазной системой — 3-х фазный асинхронный двигатель мощностью 75 кВт был успешно запитан на расстояние примерно 175 км. Передача происходила на переменном напряжении 15 кВ, позже на 25 кВ.

Силовые трансформаторы — важнейшие звенья в электрических сетях высокого напряжения. Если вас интересует их устройство и применение, не пропустите нашу статью: Силовые трансформаторы в распределительных подстанциях 6 — 35 кВ. Мы разбираемся во всех деталях и поможем вам разобраться в этой ключевой теме.

Современная трансформаторная подстанция

Возвращение постоянного тока в системы передачи электроэнергии произошло в 1930-х годах с изобретением ртутных выпрямителей, которые значительно упростили преобразование высокого переменного напряжения в постоянное напряжение, чем применявшиеся до того времени вращающиеся преобразователи.

В 1954 году была запущена первая коммерческая линия высокого напряжения постоянного тока (HVDC), соединяющая побережье Швеции с островом Готланд. Это открыло путь для дальнейшего коммерческого применения передачи постоянного тока.

Другой важной вехой является открытие тиристорных преобразователей. Весной 1967 года был установлен первый тиристорный преобразователь, опять же на Готландской линии, вместо первоначального ртутного преобразователя.

В последующие годы широкое распространение получили тиристорные преобразователи. В настоящее время помимо тиристорных преобразователей применяются и транзисторные преобразователи (особенно IGBT-транзисторы).

Линии электропередачи постоянного тока (HVDC)

Распространенным применением передачи постоянного тока являются длинные кабельные линии, особенно подводные: длинные кабельные линии не могут использовать переменный ток из-за их низкой пропускной способности.

Другим, все более популярным в настоящее время применением передач постоянного тока является передача больших мощностей порядка тысяч МВт на большие расстояния.

В основном речь идет о получении энергии из удаленных источников (например, крупных гидроэлектростанций), часто расположенных в сотнях и тысячах километров от точек потребления.

Также речь идет о подключении нагрузок, находящихся очень далеко от сетей передачи (например, крупных шахт, нефтяных платформ). С постоянно растущим давлением на использование возобновляемых ресурсов строятся большие фермы и парки, как солнечные, так и ветряные.

Ветряные электростанции часто располагаются в море, где погодные условия лучше. Передача постоянного тока предлагается как подходящий, а в некоторых случаях и единственный вариант эффективной и надежной транспортировки произведенной электроэнергии к местам потребления энергии.

Подробнее про использование постоянного тока для передачи электроэнергии на большие расстояния смотрите здесь: Передача постоянного тока в электроэнергетике

Электрические распределительные сети сегодня

1. Повышенное потребление энергии

По сравнению с концом прошлого века потребление электроэнергии значительно возросло. Электрификация домашних хозяйств и коммерческих предприятий приводит к неуклонному увеличению потребления электроэнергии.

В ближайшие несколько лет ожидается взрывной рост, особенно с переходом на электромобили. Резкое увеличение зарядных станций для электромобилей создаст серьезные проблемы для существующей инфраструктуры.

Растущее потребление энергии в ИТ-секторе, с увеличением количества центров обработки данных, также потребляет большое количество энергии.

Зарядка электромобиля

2. Увеличение затрат на энергию

Цена на электроэнергию для частных домохозяйств в течение многих лет имеет тенденцию к росту в большинстве стран. В Германии, например, цена на электроэнергию выросла более чем вдвое за 20 лет. И тенденция по-прежнему на подъеме.

В этом контексте самостоятельное производство и использование электроэнергии является интересной альтернативой. Из-за низкой окупаемости сети собственное хранение энергии становится все более важной темой для домовладельцев, позволяющей еще больше сократить счета за электроэнергию и обрести независимость за счет оптимизации энергопотребления.

3. Возобновляемые источники энергии и энергетический переход

Возобновляемая энергия поступает нерегулярно. Когда солнце или ветер производят энергию, это не значит, что эта энергия будет где-то одновременно потребляться.

Промежуточная амортизация увеличения производства электроэнергии является серьезной проблемой. Вот почему, когда производство энергии близко к нулю, обычные электростанции необходимы, чтобы продолжать обслуживать всех потребителей.

Энергетический переход в настоящее время не может быть реализован без традиционных технологий в крупных сетях. Это системная проблема, связанная с производством «старой» и «новой» энергии, а также с контролем весьма неравномерного объема производства и потребления энергии.

4. Увеличение пропускной способности электрических сетей

Огромный объем производства энергии за счет возобновляемых источников энергии, а также быстрый рост потребления энергии создают огромные проблемы для существующих линий электропередач.

Расширение сетей для удовлетворения новых требований связано с большими затратами. Высокие пики производства и потребления энергии в разное время должны постоянно балансироваться и в целом регулироваться. А энергетический переход 2050 года требует еще большего фотоэлектрического покрытия. Часто полная мощность фотоэлектрической системы даже не может быть использована из-за плохого подключения к сети.

Производство электроэнергии с использованием фотоэлектрических панелей

Мир меняется – Война токов 2.0

Для централизованного электроснабжения с централизованной выработкой электроэнергии переменный ток имеет определенные преимущества. Однако производство электроэнергии во всем мире становится все более децентрализованным за счет возобновляемых источников энергии, таких как небольшие фотоэлектрические системы, установленные на крышах многих домов, и растущее число крупных фотоэлектрических электростанций.

С региональными сетями постоянного тока и их более коротким радиусом действия большие сети переменного тока могут быть значительно разгружены.

Рука об руку с электроэнергетическими компаниями возможна взаимная поддержка благодаря облегчению сети и повышению энергоэффективности. Пики производства больше не нужно балансировать, они могут потребляться или храниться непосредственно в сети постоянного тока.

Экономятся высокие затраты на расширение сетей переменного тока. Кроме того, весь потенциал фотоэлектрических систем можно использовать непосредственно в микросети постоянного тока.

Как дом завтрашнего дня будет работать на постоянном токе:

Видение многих небольших децентрализованных сетей постоянного тока все еще находится в зачаточном состоянии. Благодаря высокой энергоэффективности эта технология становится все более популярной.

Фактически солнечная энергия, вырабатываемая в постоянном токе, больше не будет нуждаться в преобразовании. Она будет поступать напрямую к потребителям постоянного тока, таким как тепловые насосы, аккумуляторы или электромобили.

Тепловой насос в доме

Электричество постоянного тока собственного производства теперь можно будет использовать с гораздо меньшими потерями (без потерь при преобразовании переменного тока в постоянный). В качестве связи между производителями и потребителями электроэнергии будет использоваться специальный кабель питания постоянного тока (звено постоянного тока).

В зависимости от потребителя мощность постоянного тока либо напрямую направляется к потребителям постоянного тока через DC-DC преобразователи, а к потребителям переменного тока через инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный.

В ближайшем будущем во всем мире речь пойдет о частичном или полном переводе жилых районов, коммерческих предприятий или других крупных зданий на постоянный ток. Системы освещения, электронные зарядные станции или топливные элементы могут напрямую использовать постоянный ток.

Многие потребители электроэнергии, такие как тепловые насосы или инфракрасные обогреватели могут питаться непосредственно от сети постоянного тока.

Коммерческая компания может управлять электродвигателями своих машин напрямую от собственной солнечной системы через частотные преобразователи. Многое возможно, многое лежит в ящике идей, многое меняется.

Уже создан новый мощный стандарт USB Power Delivery 4.0, который может выдавать 100 Вт. Благодаря этой технологии  можно получать одновременно питание и данные.

Сейчас можно построить умный дом из взаимосвязанных устройств, которые общаются друг с другом без менее надежного и безопасного Wi-Fi, и проводка станет основой Интернета вещей.

Электропроводку не нужно будет прокладывать внутри стен, ее можно было приклеить к стене, как скотч, и просто закрасить. И все, что к ней будет подключаться, окажется дешевле и надежнее, потому что в этом случае не будет необходимости в трансформаторах и выпрямителях для каждого подключенного стройства, превращающих переменный ток в низковольтный постоянный.

На кухне и в ванной должны быть провода большего размера, чтобы нести нагрузки, необходимые для работы холодильника, стиральной машины или кондиционера. Но даже они могут быть более эффективными при работе на постоянном токе благодаря частотно-регулируемым приводам.

Использование частотно-регулируемых приводов растет, поскольку регулирование скорости двигателя в соответствии с потребностями может не только экономить энергию, но и оптимизировать работу. Например, возможность точной настройки скорости двигателя кондиционера может сделать температуру и условия в помещении более комфортными.

Домашняя электропроводка будущего будет работать на постоянном токе

Ученые утверждают, что использование постоянного тока может сократить потребление электроэнергии на 20 процентов. Добавьте первоначальную экономию на более дешевых светодиодных лампах и экономия станет намного больше.

Ничто из этого не ново для людей, которые живут в жилых автофургонах или на яхтах. Они уже много лет живут в мире постоянного тока — в своей собственной микросети. Однако достижения в области производства светодиодов и снижение цен на солнечную энергию делают этот образ жизни таким же комфортным, как жизнь в доме, подключенном к обычной электрической сети.

Дом будущего с нулевым потреблением энергии будет работать на постоянном токе, и мы все, возможно, будем ездить на Эдисонах вместо Теслы.

А что вы думаете по этому поводу? Поделитесь в комментариях!

Яков Кузнецов

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Электричество в доме