Технические науки / 5. Энергетика

Брейдо И.В., Каверин В.В., Потёмкина Е.Б., Войткевич С.В.

Карагандинский государственный технический университет,

Республика Казахстан

Оптимизация нагрузки маломощного преобразователя атмосферного электричества

В настоящее время большое внимание уделяется развитию различных нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, использующих тепло Земли, энергию Солнца, энергию ветра и т. д., мощность которых может достигать значительных величин [1].

В то же время, существует широкий класс потребителей, таких, как зарядные устройства аккумуляторных батарей малой ёмкости, локальные устройства промышленной автоматики и бытовая техника, потребляемая мощность которых не превышает нескольких ватт.

В связи с этим, для питания таких маломощных устройств, целесообразно использовать, например, энергию атмосферного электричества. В атмосфере постоянно возникают мощные электрические и электромагнитные поля природного характера и искусственного происхождения, связанные с эффектами ионизации воздуха в процессе образования облаков и грозовыми явлениями, а также электромагнитными полями, возникающими в линиях электропередачи (ЛЭП). В настоящее время протяженность ЛЭП 110-500кВ в Республике Казахстан составляет 70,2 тыс.км. В связи с чем, актуальным является исследование и разработка устройств преобразования энергии электромагнитных полей за пределами охранной зоны ЛЭП.

Использование энергии электромагнитных полей атмосферного происхождения сопряжено с большими техническими трудностями, связанными с изменением напряженности полей и электрическими характеристиками атмосферы. Поэтому предложен вариант создания приемников–преобразователей энергии, использующих электрическую составляющую электромагнитных полей ЛЭП, приведенный на рисунке 1.

В связи с тем, что внутреннее эквивалентное сопротивление канала передачи электромагнитной энергии соизмеримо с сопротивлением нагрузки, целесообразно определить оптимальную величину сопротивления нагрузки, при которой отдача мощности в нагрузку будет максимальной.

Рисунок 1- Схемотехническое решение приёмного устройства

где С1 – конденсатор, С2 – конденсатор сглаживающего фильтра, Т1 – согласующий трансформатор, VD1- VD4 – диодный мост, R_{н –} сопротивление нагрузки, l – охранная зона

Зависимость мощности в функции внутреннего сопротивления канала передачи электромагнитной энергии и сопротивления нагрузки имеет вид:

(1)

где U_X - напряжение между приёмной антенной и землёй, R_НЭ- эквивалентное сопротивление приёмного устройства с учётом коэффициента трансформации трансформатора Т1, Х_С - реактивное сопротивление между линией электропередач и приёмной антенной.

Для определения экстремума взята производная от выражения (1) по аргументу сопротивления нагрузки и приравнена к нулю. Разрешив это уравнение относительно сопротивления нагрузки, получено условие экстремума, которое имеет вид:

(2)

Графическая зависимость мощности в функции нагрузки имеет вид:

Рисунок 2 – Зависимость мощности, отдаваемой в нагрузку от сопротивления нагрузки, где Rн.э – оптимальное эквивалентное сопротивление

Таким образом, оптимальная нагрузка приёмного устройства будет обеспечена в случае равенства нагрузки и реактивного сопротивления канала передачи электромагнитной энергии с учетом коэффициента трансформации трансформатора Т1.

Список использованных источников

1. Брейдо И.В., Лапина Л.М., Каракулин М.Л. К вопросу разработки альтернативных источников энергии, использующих электрохимические процессы в почве. Труды Международной научной конференции «Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан – 2030»» (23 - 24 июня 2009г.) выпуск 2, с. 185-187.