Электризация пшеницы по Тесле

В минувшем году мир отметил 160‑летие со дня рождения выдающегося ученого в области электротехники Николы Теслы. Его изобретательское наследие помогло специалистам из Всероссийского НИИ электрификации сельского хозяйства разработать решение по применению электроэнергии для повышения урожайности пшеницы.

Чтобы лучше колосья всходили

Изобретение по патенту РФ RU 2432734 специалистов из ВИЭСХ относится к применению электрической энергии в сельском хозяйстве. Предлагаемое устройство предназначено для стимуляции биологических процессов вегетации (произрастания) пшеницы за счет использования высокочастотных электромагнитных полей. Причем, как будет показано ниже, изобретение решает одновременно две прикладные задачи. Во-первых, при его практическом использовании реализуется электроснабжение мобильного агрегата, который обеспечивает необходимое электромагнитное воздействие на пшеницу. Во-вторых, этот агрегат, являясь составной частью изобретения, фактически и представляет собой электротехнологическое устройство, использующее электрическую энергию в целях реализации требуемой от него сельскохозяйственной технологии.

Устройство ориентировано на оптимизацию использования органических и минеральных удобрений, минимально возможное использование специализированной техники в сельскохозяйственных процессах. Его практическое применение обеспечивает повышение урожайности и качества пшеницы, снижение вредных воздействий на почву и окружающую среду.

Воздействие на структуру растения

Никола Тесла среди множества различных электротехнических устройств изобрел однопроводную резонансную систему передачи электрической энергии (Д. С. Стребков, А. И. Некрасов. Резонансные методы получения, передачи и применения электрической энергии / Под ред. Д. С. Стребкова. – 5‑е изд., перераб. и доп. – М., 2016). Именно она является неотъемлемым составляющим компонентом рассматриваемого устройства сельскохозяйственного назначения.

Известно, что растения представляют собой некий набор молекулярных образований, упорядоченных структурно. В реакциях поведения в пространстве и во времени растения проявляют себя как единое целое. Всякое постороннее воздействие на любую молекулярную структуру влияет на состояние растения в целом и приводит к его изменению.

Многочисленными исследованиями установлена зависимость продуктивности сельскохозяйственных культур от электромагнитных воздействий антропогенного происхождения, которые являются для растения сильнодействующими стимулирующими факторами. В случае длительного электромагнитного воздействия биологический эффект накапливается. После воздействия электрического поля переменного тока высокого напряжения на семена и сами сельскохозяйственные культуры происходит увеличение содержания нуклеиновых кислот, которые необходимы для развития растений, на следующие значения: от 45 до 70 процентов в ростках и от 15 до 35 процентов в корешках, если сравнивать с контрольными образцами. Кстати, всхожесть семян фасоли и помидоров усиливается при обработке их электромагнитным полем высокой частоты. Однако для реализации воздействий на сельскохозяйственные культуры электромагнитным полем используется специализированное электротехнологическое оборудование.

Известные сегодня устройства для воздействия электромагнитным полем на сельскохозяйственные культуры необходимо перемещать по возделываемому угодью специальными транспортными средствами. Движение последних по полю приводит к деградации почвы. Кроме этого, такие транспортные средства загрязняют окружающую среду выбросами отработавших газов от двигателей внутреннего сгорания.

Техническая сущность предлагаемого специалистами из ВИЭСХ изобретения состоит в том, что однопроводная резонансная система электроснабжения используется в качестве технологического устройства для стимуляции роста сельскохозяйственных культур. Это достигается за счет того, что в рассматриваемое устройство входит два блока коммутации, а однопроводная резонансная линия электрической передачи проложена в почве и разделена на несколько участков (отрезков), которые равномерно распределены по площади возделываемого угодья. Электрические конденсаторы резонансных контуров разделены на секции, количество которых соответствует числу участков однопроводной резонансной линии. Начала участков данной линии электрически соединены с выходами первого блока коммутации, а вход этого блока подключен к первому выходу системы управления. Концы участков однопроводной резонансной линии электрически соединены с выходами второго блока коммутации, а вход этого блока подключен ко второму выходу системы управления.

Одни элементы рассматриваемого устройства размещают на возделываемом угодье, а другие – на мобильном электротехнологическом агрегате. На земле располагают элементы, которые относятся к однопроводной резонансной системе электроснабжения, а именно: источник электрической энергии переменного синусоидального напряжения частотой 50 Гц, однопроводную линию электрической передачи, высоковольтный трансформатор Теслы, преобразователь частоты, конденсатор резонансного контура, систему управления и два блока коммутации. На борту мобильного агрегата размещают преобразователь частоты, конденсатор резонансного контура, токосъемное устройство и высоковольтный трансформатор Теслы.

Почти без потерь

Принцип работы устройства основан на использовании однопроводной резонансной системы передачи электрической энергии на мобильный электротехнологический агрегат. Это обеспечивает минимальные потери при транспорте электрической энергии. В соответствии с регламентом технологического процесса, сортом сельскохозяйственной культуры и этапом ее вегетации определяют необходимые параметры электромагнитных воздействий на растение и почву. При реализации функции рабочих технологических органов мобильного агрегата резонансную систему перенастраивают в резонансные режимы, соответствующие этим параметрам. Амплитуду и частоту переменного напряжения, время и продолжительность воздействия электромагнитным полем на сельскохозяйственную культуру изменяют избирательно в зависимости от сорта и стадии развития растения, учитывая фактические погодные и климатические условия.

Вредное воздействие на почву и окружающую среду отсутствует, поскольку мобильный агрегат оборудован электрическим двигателем, а управлять им можно дистанционно. Сам электротехнологический агрегат наиболее просто расположить на колесном шасси. Получается что‑то вроде обычного трактора, только функционирующего без тракториста и выполняющего полезную работу без вредных выбросов отработавших газов в атмосферу.

Поскольку рабочая частота однопроводной резонансной системы передачи электрической энергии связана с протяженностью однопроводной линии, то длину последней изменяют искусственно. Это осуществляют за счет переключения участков однопроводной линии посредством блоков коммутации, чтобы рабочая частота резонансной системы электроснабжения соответствовала частоте параметров стимуляции для сельскохозяйственной культуры конкретного сорта и этапа ее вегетации. Перенастройку параметров режима работы резонансной системы электроснабжения мобильного электротехнологического агрегата осуществляют с помощью системы управления. В этом случае изменяют и рабочие частоты преобразователей частоты, а электрические конденсаторы резонансных контуров переключают на соответствующие этому режиму отпайки высоковольтных трансформаторов Теслы.

Рожь и не только

Завершая рассказ о необычном устройстве для стимуляции роста и повышения урожайности пшеницы, необходимо отметить, что диапазон его применения распространяется и на другие сельскохозяйственные культуры.

Рожь, овес, кукуруза, помидоры, фасоль – все это принципиально подходит в качестве потенциальных объектов, «энергичность» которых можно повышать с помощью рассмотренного устройства и резонансных идей Николы Теслы.

Читать еще: Оригинальные садовые фонари

Исследование однопроводной передачи электрической энергии

Введение

Более ста лет назад Никола Тесла опубликовал результаты своих опытов по резонансному методу передачи электрической энергии [1,2]. В начале двадцатого века не было современных электронных компонентов, а трехфазные сети, работающие с частотой 50-60 Гц, успешно справлялись с задачами по передаче энергии в диапазоне мощности от сотен ватт до тысяч мегаватт и на расстояние до 1000 километров. Технологические потери на активных и реактивных сопротивлениях, коммуникационных и преобразующих устройствах при таком способе передачи электрической энергии составляют более 20%.

Первым на территории СНГ однопроводную систему передачи электрической энергии внедрил «Газпром» (Россия) и спонсировал изготовление соответствующей установки мощностью 20 кВт[3]. Вдоль газопроводов технологически прокладывают линии электропередачи для катодной защиты, питания насосов для перекачивания и для других эксплуатационных служб. Стандартные линии стоят дорого, содержат провода из цветных металлов. При однопроводной передаче энергии стало возможным протянуть стальной провод, а на некоторых участках газопровода даже осуществить передачу энергию по самой трубе. Такая система имеет в сотни раз лучшие электрические параметры (КПД более 90%), чем традиционные двух-трех проводные.

Постановка задачи

Основной задачей данной работы является анализ электрических, геометрических, частотных характеристик резонансных трансформаторов и основных закономерностей построения на их основе резонансных силовых сетей электроснабжения.

Результаты работы.

На базе кафедры электромеханики Днепродзержинского государственного технического университета в лабораторных условия была исследована однопроводная резонансная система передачи электрической энергии мощностью до 100 Вт.

В качестве передающего и принимающего трансформаторов в системе резонансной передачи электрической энергии использовались трансформаторы Тесла, изготовленные на пластиковых каркасах с параметрами, указанными в таблице 1.

Таблица 1 Конструктивные параметры экспериментальных трансформаторов

После проведенных теоретических и экспериментальных исследований получена эквивалентная схема резонансного трансформатора, показанная на рис.1. Для неё характерны следующие параметры: емкость и индуктивность первичной обмотки (C₁,L₁); емкость и индуктивность вторичной обмотки (C₂,L₂); активные сопротивления первичной и вторичной обмоток (R₁, R₂ – на рисунке не показаны); взаимная индуктивность между обмотками (М_св); взаимная емкость (С_св). Последний параметр, как правило, не учитывается в методиках расчета низкочастотных и импульсных трансформаторов, но необходим при расчете резонансного трансформатора, так как учитывает характер резонансных явлений между первичной и вторичной обмотками.

Рисунок 1 — Эквивалентная схема трансформатора Тесла

Для первичного контура после определения L₁, C₁, M_св, C_св [4,5] получены значения резонансных частот и соответствующие относительные показатели вклада в суммарный сигнал по отношению к гармонике с максимальной амплитудой (табл. 2):

(1)

Аналогичные вычисления проведены для вторичной обмотки трансформатора (табл. 3).

Рисунок 2 – Структурная схема трансформатора Тесла

Резонансный трансформатор Тесла можно представить в виде структурной схемы, приведенной на рис.2.Здесь передаточные функции W_i(p) представляют собой колебательные звенья с резонансной частотой, рассчитанной по формуле Томсона для возможных комбинаций C_i и L_i первичной и вторичной обмоток (номера передаточных функций соответствуют номерам резонансных частот, указанных в табл.2 и табл.3 в скобках).

Таблица 2 — Резонансные частоты в первичной обмотке

Таблица 3 — Резонансные частоты во вторичной обмотке

Особенности работы однопроводных электросетей повышенной частоты

Аннотация
Об авторе
Список литературы
Cited By

Аннотация

Ключевые слова

Об авторе

Список литературы

1. Люди русской науки: Очерки о выдающихся деятелях естествознания и техники / Под ред. С.И. Вавилова. М., Л.: Гос. изд-во техн.теоретической литературы. 1948

2. Терентьев И.Э., Шадрина Н.О., Уфа Р.А. Анализ технологий высоковольтной передачи энергии постоянным током (ВППТ). Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2013

3. Козлов П.Я. Конструктор. М.: Машиностроение, 1989. С. 9-10

4. Львов А.П. Электрические сети повышенной частоты. М.: Энергоиздат, 1981. 104 с

5. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. М.: ВИЭСХ, 2013. 584 с

6. Стребков Д.С., Некрасов А.И., Трубников В.З. Резонансная система передачи электрической энергии // Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Томск, ТПУ, 2010. С. 205-207

7. Юферев Л.Ю., Рощин О.А., Александров Д.В., Соколов А.В. Исследование резонансной системы передачи электроэнергии на повышенной частоте // Альтернативная энергетика и экология. 2014. N8 (148). С. 89-93

8. Юферев Л.Ю., Рощин О.А., Александров Д.В. Основные проблемы и их устранение при проектировании РОС // Инновации в сельском хозяйстве. 2013. N1 (3). С. 18-24

9. Калашников С.Г. Электричество. М.: Физматлит, 2004. 624 с

10. Александров Д.В., Юферев Л.Ю. Возможность применения резонансной системы электропитания для катодной защиты // Инновации в сельском хозяйстве. 2012. N2 (2). С. 46-53

11. Флоренский П.А. Диэлектрики и их техническое применение. М.: Р.И.О. Главэлектро ВСНХ, 1924. С. 206

12. Скорчелетти В.В. Теоретическая электрохимия. Л.: Госхимиздат, 1963. 610 с

13. Эткинс П. Физическая химия. Т. 2. М.: Мир, 1980. 584 c

Для цитирования:

Юферев Л.Ю. Особенности работы однопроводных электросетей повышенной частоты. Сельскохозяйственные машины и технологии. 2017;(4):14-19. https://doi.org/10.22314/2073-7599-2017-4-14-19

For citation:

Yuferev L.Yu. PERATION PECULIARITIES OF SINGLE-WIRE HIGH FREQUENCY POWER TRANSMISSION LINES. Agricultural Machinery and Technologies. 2017;(4):14-19. (In Russ.) https://doi.org/10.22314/2073-7599-2017-4-14-19

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Отправить статью
Правила для авторов
Редакционная коллегия
Редакционный совет
Рецензирование
Этика публикаций

Л. Ю. Юферев
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ
Россия

Выводы

Полуволновые методы передачи энергии по одному проводу обладают следующими практическими преимуществами по сравнению с традиционными способами передачи электроэнергии:

Передача электрической мощности по проводам существенно меньшего диаметра, что делает такой способ уже более экономичным.
Возможность использования однопроводной передачи электрической энергии. Данная возможность позволяет решать ряд специальных задач (космос, питание аэростатов и д.р.).
Линия обладает значительно большей устойчивостью в работе. Такой способ требует меньшего оборудования, поддерживающего стабильность работы, кроме того обслуживание сети упрощается.
Повышенная электробезопасность линии. Возможность создавать режимы, где полностью отсутствует опасность короткого замыкания.
Эффективность и возможность передачи электроэнергии полуволновым способом на средние расстояния. Данный способ требует меньших капитальных затрат, более прост в развёртывании.

Читать еще: 30 креативных идей для упаковки новогодних подарков к Новому году и Рождеству

Количественные оценки экономической эффективности внедрения данной технологии на практике могут быть получены только после проведения дополнительных исследований [7]. По предварительным оценкам данный способ передачи электроэнергии более экономичен и технически целесообразен для специальных задач передачи энергии на средние расстояния (10 – 300 км).