مهندسی برق(فراجهش بــــــــــرق ماندگار)

بر اساس این طرح، ابتدا مجموعه ای بسیار وسیع از سلولهای خورشیدی بر سطح ماه (که همیشه به طرف زمین است) قرار داده میشوند تا نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. سپس انرژی الکتریکی حاصله به یک فرستنده مایکروویو ارسال میشود تا به امواج رادیویی در فرکانس 2.5 گیگاهرتز تبدیل شده و از آنجا بوسیله آنتنهای با پهنای بیم (beam) بسیار باریک بطرف زمین ارسال گردد. در سطح زمین این امواج الکترومغناطیسی پر قدرت بوسیله آرایه های بسیار بزرگ (very large array) از آنتنهای مایکروویو دریافت شده و دوباره به انرژی الکتریکی تبدِل میشوند. همچنین بخشی از این امواج توسط ماهواره های مخصوصی که در اطراف کره زمین قرار خواهند گرفت به نقاط دیگر کره زمین که در دید مستقیم ماه نمی باشند منعکس میشوند.
در واقع تبدیل انرژی الکتریکی به امواج الکترومغناطیسی این امکان را میدهد تا انرژی بصورت بی سیم از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل شود و در نقطه مقابل پس از دریافت امواج الکترومغناطیسی با انجام عمل عکس، انرژی ااکتریکی مجدداً تولید گردد (به این روش اصطلاحاً power beaming میگویند). تقریباً اساس تمام سیستمهای انتقال برق بدون سیم بر همین پایه استوار است. البته واضح است که بازدهی چنین سیستمهایی در مقایسه با انتقال برق در خطوط برق بسیار پایین است چون مقدار زیادی از انرژی در تبدیل برق به امواج الکترومغناطیسی و بالعکس تلف میشود و بعلاوه مقداری ازانرژی موجود در امواج نیز در فرایند تشعشع وانتقال در محیط (اتمسفرزمین) به هدر خواهد رفت. بااین وجود، دکتر کریسول در مقالات مختلفی که ارائه کرده ( منجمله مقاله 1 و مقاله 2) بصورت تحلیلی به این مسائل اشاره کرده و با محاسبات مختلف ادعا نموده است که میزان انرژی تولید شده با احتساب تمام این تلفات و مخارجی که صرف ساخت و نصب تجهیزات خواهد شد باز مقرون به صرفه خواهد بود و تنها به کسری از یک سنت برای تولید یک کیلو وات بر ساعت برق خواهد رسید. البته دانشمندان ناسا نیز ایده های مشابهی مثل قرار دادن مجموعه ای از سلولهای خورشیدی و یا حتی صرفاً صفحه های منعکس کننده نور در مدار کره زمین ارائه کرده اند که بحث بر سر اینکه کدام روش مناسبتر است هنوز ادامه دارد.

نانومدار الکترونیک با هدف کمک به کشف زمان خلقت

این مدار بسیار کوچک به دست فیزیکدانان دانشگاه روتگرز، مرکزJPL سازمان فضایی آمریکا (ناسا) در کالیفرنیا و فیزیکدانان دانشگاه ایالتی نیویورک در بوفالو ابداع شده است.
ضخامت نانومدار ابداعی 100 برابر کمتر از ضخامت یک تار موی انسان بوده و نسبت به آثار بسیار ضعیف نور در طیف مادون قرمز دور دست (بلندترین طول موجهای مادون قرمز) حساس است، این نور فراتر از رنگهایی است که انسان قادر است با چشم عادی ببیند.
مایکل گرشن سان، ‌استاد فیزیک در روتگرز و یکی از پژوهشگران اصلی این تحقیق می‌گوید: در کائناتی که همچنان در حال بسیط شدن است، ابتدایی ترین ستاره‌ها با سرعتی نزدیک به سرعت نور در حال فاصله گرفتن از ما هستند در نتیجه نور آنها وقتی به ما می‌رسد به شدت به رنگ قرمز تغییر می‌کند و مادون قرمز به نظر می‌رسد.
وی می‌افزاید: این نور نامرئی 98 درصد از نور منتشر شده را از زمان وقوع «انفجار بزرگ» تشکیل می‌دهد و ممکن است اطلاعات و بینش‌هایی را درباره ابتدایی ترین مراحل شکل‌گیری ستاره‌ها و کهکشان مربوط به تقریبا 14 میلیارد سال پیش ارائه کند. از آنجا که اتمسفر زمین به شدت نور فرامادون قرمز را جذب می‌کند؛ لذا، تلسکوپ‌های رادیویی زمینی نمی‌توانند نور بسیار ضعیف را که از این ستاره‌ها منشاء می‌گیرد تشخیص دهند؛ بنابراین، دانشمندان در پی ساخت نسل جدیدی از تلسکوپ‌های فضایی هستند که بتواند این نور را جمع‌آوری کند و نانومدار جدید در همین راستا طراحی شده است.

شاید تصور انتقال جریان برق به صورت بی سیم یکی از آرزوهایی بوده که تنها در فیلم‌های علمی تخیلی شاهد آن بوده ایم و به نظر هیچ گاه عملی نخواهد شد و در حد آرزو باقی خواهد ماند .

هفته پیش بود که ویدئویی را در سایت TED مشاهده کردم که خبر از این دست یافتن به این آرزوی به ظاهر دست نیافتنی بود .

در این ویدیو پس از ارائه توضیحاتی درباره تکنولوژی انتقال برق به صورت بی سیم، برق یک تلویزیون LCD از فاصله ۱ متری بدون استفاده از هیچ گونه سیمی تامین می شود.

نکته جالبی که در این ویدئو مشهود است این موضوع هست که با وجود انتقال برق به صورت بی سیم و در هوا ، انتقال جریان برق قدرت کاملا ایمن است به طوری که فردی که مشغول نمایش این تکنولوژی به بینندگان میباشد به راحتی در معرض جریان انتقال داده شده قرار میگیرد .

در دقایق پایانی این ویدئو است که میتوانید شاهد تست این تکنولوژی جالب باشید … روشن شدن یک LCD از فاصله یک متری به صورت بی سیم و شارژ تلفن‌های همراه مختلف پس از قرار گیری در مسیر جریان برق ِ بی سیم .

دیروز هم در خبری که از CNN منتشر شد که خبر از ارائه این تکنولوژی در آینده ای بسیار نزدیک می داد ، سی ان ان به نقل از محققین دانشگاه MIT اعلام نموده است که در یک سال آینده نسل جدید برق بی‌ سیم عرضه خواهد شد. اگر چه سایر انواع برق بی‌ سیم در حال حاضر در دسترس می‌باشد ولی‌ در این تکنولوژی جدید، برق به میدان مغناطیسی‌ تبدیل شده و از طریق هوا ارسال خواهد شد. با این روش، لپ تاپ‌ها و تلفن‌های موبایل دیگر نیازی به شارژر سیمی نخواهند داشت. حتا لامپ‌های روشنایی نیز برق مورد نیاز را از طریق هوا دریافت خواهند نمود.

تصور کنید دنیایی را ، بدون باطری‌های قلمی و شارژی ِ مختلف … تلفن ها دوربین های عکاسی و فیلمبرداری و ابزارهای الکترونیکی مختلف که در هر کجا که باشید (منزل – خیابان – محل کار) از برق بی سیم استفاده میکنند …

واقعا هیجان انگیز است …

پانوشت :
راستش برای من که برق قدرت خوندم این موضوع که در طول زندگیم ،‌ تکنولوژی ِ برق بی سیم اتفاق بیافته غیر قابل تصور بود …

انتقال بی سیم انرژی

انتقال انرژی بی سیم یا انتقال قدرت بی سیم فرآیندی است که در هر سیستمی که انتقال انرژی الکتریکی از منبع انرژی الکتریکی به مصرف کننده بدون اتصالات سیمی یعنی بی سیم صورت می گیرد، گفته می شود. انتقال بی سیم در مواردی استفاده می شود که انتقال انرژی به طور لحظه ای یا پیوسته مورد احتیاج است اما اتصال از طریق سیم خطرناک، بدجور و یا غیر ممکن است.

انتقال انرژی الکتریکی بی سیم با انتقال بی سیم اطلاعات متفاوت است، مانند ارتباط رادیویی، که نسبت سیگنال به نویز (SNR) یا درصد انرژی که دریافت می شود، به اندازه ای کم است که فقط سیگنال را پوشش دهد.

رایج ترین شکل انتقال برق بی سیم با استفاده از القا که منتج شده از القای الکترودینامیک است صورت می گیرد. دیگر تکنولوژی های روز برای انتقال بی سیم برمبنای امواج مایکروویو و لیزرها انجام می شوند.

میدان نزدیک (Near field)

میدان نزدیک یک روش انتقال بی سیم در مسافت کم در حدود چند برابر قطر تجهیزات که تا حدود ربع طول موج بکار رفته زیاد می شود، است. خود انرژی میدان نزدیک غیر پرتوزاست اما بعضی تلفات پرتوزایی رخ می دهد، علاوه بر آن معمولاً تلفات مقاومتی هم وجود دارد. انتقال میدان نزدیک معمولاً مغناطیسی (القایی) است، اما انتقال انرژی ممکن است به صورت الکتریکی (خازنی) صورت گیرد.

القا

عملکرد یک تراسفورماتور الکتریکی ساده ترین نوع از انتقال انرژی بی سیم است. مدارهای اولیه و ثانویه تراسفورماتور به طور مستقیم وصل نیستند. انتقال انرژی توسط تزویج الکترومغناطیس که به عنوان فرایند القای متقابل شناخته می شود، صورت می گیرد. (یک قابلیت اضافه شده، افزایش یا کاهش ولتاژ ثانویه است). شارژر باتری گوشی همراه یا تراسفوماتورهای در طول خیابان نمونه هایی از چگونگی استفاده از این اصول است. غذاپزهای القایی و مسواک دندان برقی با این تکنیک فراهم شده اند.

ضعف اصلی روش القایی، برد کوتاه آن است. گیرنده باید خیلی به فرستنده یا واحد القایی نزدیک باشد تا تزویج الکترومغناطیسی صورت گیرد.

القای الکترودینامیک

اثر القای الکترودینامیک یا جفتگیری القایی تشدید دار کلید حل مشکل اصلی جفتگیری القایی غیر-مشدد برای انتقال انرژی بی سیم، مخصوصاً، وابستگی بازده آن به مسافت انتقال است. اصول کار القای الکترومغناطیس به این صورت است که سیم پیچ اولیه یک میدان مغناطیسی تولید می کند و این سیم پیچ ثانویه را القا می کند و باعث بوجود آمدن جریان القایی در سیم پیچ ثانویه می شود. کوپلینگ (تزویج یا جفتگیری یا پیوست) باید بدون دخالت چیز دیگر برای دستیابی به بازده بالاتر صورت گیرد. هرچه فاصله سیم پیچ اولیه از سیم پیچ ثانویه بیشتر شود، تلفات میدان مغناطیسی بیشتر می شود. حتی در طول ساده ترین روش القایی برد کوتاه که بازده آن پایین است، بیشتر انرژی تلف می شود.

به کاربردن تشدید تا حدی موقعیت را بهبود می بخشد. زمانی که تزویج تشدید دار استفاده می شود، فرستنده و گیرنده با یک فرکانس دستی تنظیم میشوند و جریان از یک موج سینوسی به شکل موج غیر سینوسی گذرا تغییر پیدا می کند. انتقال پالس در طول چندین سیکل اتفاق می افتد. در این روش انرژی قابل توجهی به میزان چندین برابر اندازه فرستنده، انتقال پیدا می کند. برخلاف سیم پیچ های چند لایه تراسفورماتور های غیر-مشدد،مانند سیم پیچ های فرستنده و گیرنده، معمولاً سلف های تک لایه یا سیم پیچ های تخت سری شده با خازن و ترکیبی از آن ها، به عناصر گیرنده این امکان را میدهد که فرکانس انتقال را تنظیم کند و تلفات کاهش یابد.

استفاده رایج ازاین فناوری فراهم آمدن کارتهای هوشمند بدون تماس ،و پدید آمدن سیستم های قدرت و تغذیه لپ تاپ ها و موبایل ها است.

القای الکترواستاتیک

اثر القای الکترواستاتیکی یا تزویج خازنی یک گرادیانتی از میدان الکتریکی یا ظرفیت الکتریکی دیفرانسیلی بین دو الکترود، که انتقال انرژی بی سیم مستلزم جریان متناوب با فرکانس بالا بین دو صفحه یا گره دارای اختلاف پتانسیل می باشد، است.

نیروهای الکترواستاتیک در طول رسانا برای تغییر شار مغناطیسی که می تواند انرژی را به دستگاه گیرنده منتقل کند، واقع شده اند. (مانند حباب های لامپ بی سیم تسلا). اثر تسلا یک کاربردی از جابجایی الکتریکی است، به معنی، عبور انرژی الکتریکی از میان فضا و جسم، و غیره و به علاوه گسترش پتانسیل در طول هادی است.

تسلا اظهار داشته است:

به جای وابستگی به القای الکترودینامیکی برای روشن سازی لامپ در یک فاصله، ایده روشن ساختن یک تالار یا اتاق شکل می گیرد، با شرایطی که وسیله روشن سازی هرجایی بتواند حرکت کند و قرار بگیرد، و روشن شود، و مهم نباشد که کجا قرارگیرد و بدون اینکه به طور الکتریکی به جایی وصل باشد، من توانسته ام چنین شرایطی را با ایجاد یک میدان الکترواستاتیکی متناوب سریع و قدرتمند به وجود آورم. برای این منظور، من یک صفحه فلزی را از سقف بوسیله کابل های عایق معلق کردم و آن را به یک پایه سیم پیچ القایی وصل کردم، و پایه دیگر را به زمین. به صورت دیگر من دو صفحه را معلق کردم و هر صفحه را به یک پایه سیم پیچ وصل کردم، و اندازه آن ها را به دقت معین کردم. یک لوله الکترونی با دست می تواند به هرجایی بین دو صفحه برده شود، حتی با فاصله زیاد بین آن ها، و همیشه روشن باقی بماند.ودر خیلی موارد که مقدار جزئی انرژی مورد درخواست است، تراز بالای پایه ها، و به ویژه ترمینال گیرنده خیلی مهم نیست، از آنجایی که، مخصوصاً فرکانس جریان خیلی بالاست، مقدار قابل توجهی از انرژی توسط القای الکترواستاتیک در آن ترمینال از لایه های هوایی بالاتر جمع می شود، که هدایت الکتریکی توسط ترمینال فعال مبدل صورت می گیرد.

میدان دور

با روش های میدان دور می توان به شعاع های بیشتر دست پیدا کرد، اغلب چندین کیلومتر وسعت، خیلی بزرگتر از شعاع وسیله. با وجود امواج رادیویی و تجهیزات نوری اصلی ترین دلیل برای وسعت بیشتر در حقیقت این است که می توان تابش های الکترومغناطیسی میدان دور را طوری بوجود آورد که وسعت گیرندگی را شکل دهد، (با استفاده از آنتن های دایرکتیویتی با شدت بالا یا پرتوهای لیزری موازی) به همین سبب انرژی منتشرشده به ناحیه گسترده تری تحویل داده می شود. حداکثر دایرکتیویتی آنتن ها در عمل با پراش محدود می شود.

توان، اندازه، مسافت، و بازده پرتوها

اندازه اجزا باید براساس فاصله بین فرستنده و گیرنده، طول موج و قانون رایلی یا محدودیت پراش، با به کار گیری طراحی آنتن فرکانس رادیویی استاندارد تعیین شود، که در مورد لیزرها هم صدق می کند. علاوه بر قانون رایلی، محدودیت پراش هوایی که برای تعیین اندازه دقیق نقاط در فواصل قراردادی از شکاف مکرراً استفاده میشود.

قانون رایلی بیان می کند که امواج رادیویی، ریزموج ها، و پرتوهای لیزر در طول مسیر پراکنده ، ضعیف و پخش می شوند، بزرگی آنتن های فرستنده و پهنای لیزر با طول موج تابش سنجیده می شوند. ضعیف و قوی بودن پرتو تابعی از مسافت است. از ضعف آنتن های کوچک هم ، تلفات بیش از حد در لبه ها است، به هر حال، پهنای لیزر قاعدتاً با اندازه آنتن بی ارتباط است. اصولاً پهنای اشعه بزرگتر از طول موجی است که پرتو مولتی مد را ایجاد می کند و اغلب از کولیماتور(موازی ساز) قبل از انتشار پرتو درون فیبر یا فضا استفاده می شود.

سرانجام، پهنای پرتو به طور علمی با پراش که به سبب اندازه دیش که در ارتباط با طول موج پرتو الکترومغناطیس است، تعیین می شود. پرتوزایی ریزموج می تواند کارآمد تر از لیزر ها باشد. ترازهای انرژی با ترکیبی از پارامترهای بالا، و اثر دادن آن ها در تقویت و تلفات آنتن ها و شفافیت و پراش پرتوها محاسبه می شوند. این فرایند با عنوان link budget شناخته می شود.

رادیو و ریزموج

ابتدایی ترین کارها در بخش انتقال بی سیم از طریق امواج رادیویی (امواج الکترومغناطیسی) توسط نیکولا تسلا انجام شد اما او نتایج کارهای خود را به سرعت منتشر نکرد. بعد از آن، gugliemo Marconi از یک مقاله انتقال رادیویی تسلا استفاده کرد و آن را از طرف خود ارائه داد. با پیگیری های نیکولا تسلا و بعد از چندین سال دادگاه عالی ایالت متحده، به خاطر انتقال رادیویی جایزه ای منحصراً به نیکولا تسلا اعطا کرد.

یک محقق ژاپنی به نام Hidetsugu Yagi روی انتقال انرژی بی سیم با استفاده از یک آنتن مستقیم که خود او طراحش بود، کار می کرد. در فبریه 1926، yagi و Uda اولین یافته های خود در مورد آنتن تنظیم شونده با بهره بالا که به عنوان Yagi antenna شناخته میشود، منتشر کردند. اگرچه این آنتن های باریک برای انتقال انرژی کارآمد نبودند، اما به طور گسترده برای ارتباطات بی سیم و برنامه های رادیویی به دلیل ویژگی ها و عملکرد عالی، مورد استفاده قرار گرفتند.

انتقال انرژی از طریق رادیو می تواند جهت دارتر، انتشار انرژی در فواصل دورتر، با طول موج کوتاه تر امواج الکترومغناطیسی، و به طور عام در ناحیه ریز موج ها باشد. یک rectenna باید برای تبدیل انرژی ریز موج ها به برق استفاده شود. بازده تبدیل rectenna 95 درصد برآورده شده است. انتشار انرژی که از ریز موج ها بهره می گیرد، برای انتقال انرژی از ماهواره های انرژی خورشیدی به زمین و انتقال انرژی به فضا پیما پیشنهاد شده است.

انتشار انرژی توسط ریز موج ها برای اغلب تجهیزات فضایی که به خاطر محدودیت پراش آنتن، بسیار بزرگ هستند، مشکلاتی به همراه دارد. برای مثال در مطالعه ناسا NASA در 1978 بر روی ماهواره های انرژی خورشیدی برای انتشار ریزموج ها در 2.45 گیگاهرتز، به یک آنتن فرستنده با طول 1 کیلومتر، و یک آنتن گیرنده 10 کیلومتری احتیاج بود. این اندازه ها با استفاده طول موج های کوتاه تر می توانستند کاهش یابند، اگرچه طول موج های کوتاه، مشکلاتی مانند جذب جوی و انسداد پرتوها توسط قطرات باران همراه دارد.

برای تجهیزات زمینی یک ناحیه وسیع با عرض 10 کیلومتر گیرندگی، به هنگام عملیات با شدت انرژی کم برای امنیت انسان در برابر پرتوهای الکترومغناطیسی پیشنهاد می شود. چگالی انرژی امن برای انسان 1 mW/cm² توزیع شده در ناحیه ای با عرض 10 کیلومتر که برابر با 750 مگاوات است. این سطح انرژی در بسیاری از نیروگاه های توان الکتریکی مدرن استفاده میشود.

توان بالا

انتقال انرژی بی سیم با استفاده از ریزموج ها به خوبی توسعه یافت و آزمایشات در Goldstone در کالیفرنیا در 1975 به ده ها کیلووات رسید. با این روش ها دستیابی به فاصله های در حدود کیلومتر میسر شد.

لیزر

در مورد پرتوهای الکترومغناطیس که نزدیک به ناحیه مرئی (10 میکرومتر تا 10 نانومتر )، انرژی می تواند با تبدیل الکتریسته به یک دسته پرتو لیزر و سپس تابانیدن آن به یک گیرنده سلول خورشیدی انتقال یابد. این فرایند عموماً به عنوان "powerbeaming" شناخته می شود به این خاطر که انرژی برای یک گیرنده که می تواند آن را به انرژی الکتریکی قابل استفاده تبدیل کند، منتشر می شود.

چندین مزیت منحصربه فرد انتقال انرژی برپایه لیزر بر ضعف های آن سنگین تر است:

1. انتشار جبهه امواج تکفام منطبق به سطح مقطع پرتو اجازه می دهد، که انرژی در دامنه ای وسیع انتقال یابد.

2. اندازه فشرده دیود های نیمه هادی حالت جامد فتوولتائیک-لیزر این اجازه را می دهد که به سادگی مدارمجتمع با اندازه کوچک در محصولات قرارگیرد.

3. قادر است تا بدون تداخل با فرکانس رادیویی تجیهزات ارتباطی حاضر مانند وای-فای و گوشی های همراه عمل کند.

4. کنترل دستیابی انرژی بی سیم به جای انتقال همه سویی که مقصد معینی قبل از انتقال انرژی ندارد.

این ها به مفهوم انتقال انرژی بی سیم برمبنای لیزر برای کامل شدن با روش های انتقال انرژی قراردادی، اجازه می دهد.

ضعف ها و اشکالات آن

1. تبدیل به نور، مثل لیزر، نسبتاً ناکارآمد است. (اگرچه لیزرهای کوانتومی بهبود یافته اند.)

2. تبدیل دوباره به برق هم بازده ندارد، به این خاطر که بازده های سلول های فتوولتائیک در حدود 40 تا 50 درصد است. (البته این را باید متذکر شد که بازده نور تکفام نسبتاً از نور آفتاب که به پنل های خورشیدی می تابد، بیشتر است.)

3. تلفات ایجاد شده توسط جذب جوی.

4. به خاطر پرتو ریزموج ها ، این روش یک مسیرمستقیم به سمت هدف احتیاج دارد.

فناوری انتشار انرژی از طریق لیزر، بیشتر در سلاح های نظامی و تجهیزات فضایی به کار گرفته می شود و هم اکنون برای تجارت و مصرف کننده های دستگاه های الکتریکی کم توان درحال توسعه می باشد. سیستم انتقال انرژی بی سیم بر پایه ی لیزر برای تامین امنیت مصرف کنندگان از لیزر باید طبق استاندارد IEC 60825 باشد.

انتقال انرژی الکتریکی

انتقال انرژی الکتریکی یا "انتقال با ولتاژ بالا" یک انتقال وسیع و گسترده انرژی الکتریکی از نیروگاه تولید برق تا پست های واقع در نزدیکی مراکز انسانی و مصرفی است. این موضوع از سیم کشی بین ایستگاه های ولتاژ بالا و مصرف کننده ها ،که شبکه توزیع نامیده می شود ،جداست. در ایالات متحده ، این ها اصولاً "شبکه انرژی " و یا به طور خلاصه "شبکه " نامیده می شود . در آمریکای شمالی سه شبکه اصلی وجود دارد: شبکه (اتصالات) داخلی غربی،شبکه داخلی شرقی وشبکه انجمن الکتریکی تگزاس .

از نظر تاریخی ، خطوط انتقال و توزیع توسط یک شرکت پشتیبانی می شد ، اما در طی دهه ها ، کشورهای زیادی زیربنای تجاری جدیدی معرفی کردند، که باعث جدا شدن تجارت انتقال الکتریسیته از تجارت توزیع برق شد.

خطوط انتقال بیشتر از جریان متناوب سه فاز استفاده میکند ، اگرچه جریان متناوب تک فاز گاهی در سیستم های برقرسانی راه آهن استفاده میشود . فناوری جریان مستقیم با ولتاژ بالا (HVDC) فقط در مسافت های طولانی (معمولاً بیشتر از 400 مایل ،یا 600 کیلومتر)،کابل های درون دریا (معمولاً بیشتر از 30 مایل یا 5 کیلو متر)، یا برای ارتباط دو شبکه غیر هماهنگ AC ، استفاده می شود .

الکتریسیته در ولتاژ بالا (110 کیلوولت یا بیشتر) انتقال می یابد تا انرژی که در مسافت های طولانی درون سیم تلف می شود کاهش یابد. انرژی اکثراً از طریق خطوط انرژی هوایی انتقال می یابد . انتقال زیر زمینی انرژی هزینه های قابل توجه و بدتر از آن محدودیت های اجرائی دارد اما گاهی اوقات در مناطق شهری یا مناطق حساس به کار برده میشود .

یکی از محدودیت های توزیع برق ،با صرف نظر از موارد جزئی ،این است که نمی توان انرژی الکتریکی را ذخیره کرد ،بنابراین باید همزمان با نیاز تولید شود . یک سیستم پیچیده کنترل نیاز است تا انرژی الکتریکی را همزمان با تقاضا تولید کند و تحویل دهد.

اگر تقاضا با عرضه در تعادل نباشد،تاسیسات و تجهیزات تولید و انتقال از کار می افتند و در بدترین حالت به حاشیه رانده می شوند ،مانند اتفاقی که برای شبکه کالیفرنیا و ایالات متحده در 1996 و برای شمال شرقی ایالات متحده در سال 1965،1977 و 2003 افتاد. برای کاهش احتمال چنین شکست هایی ، شبکه انتقال انرژی به شبکه های پهن ناحیه ای ،ملی و یا قاره ای متصل شد، و از این طریق خطوط انرژی چندگانه مازاد در مواقعی که مشکل بوجود می آید(مانند خرابی تجهیزات)، فراهم شود. تحلیل های بسیاری که از سوی شرکت های انتقال صورت گرفته نشان می دهد، حداکثر ظرفیت قابل اطمینان هر خط اکثراً کمتر از حد فیزیکی و گرمایی آن است، بدین منظور اقداماتی برای تامین ظرفیت اضافی در مواقع نقص و کمبود انرژی در قسمت های دیگر شبکه صورت گرفت.

انتقال از طریق هوا

سیم های هوایی ولتاژ بالا عایق بندی نشده اند. ماده سیم های هادی معمولاً همیشه آلیاژ آلومینیوم است، و در چندین لایه و احتمالاً محکم شده با رشته های فولاد می باشد.مس گاهی اوقات برای انتقال هوایی استفاده می شود ولی آلومینیوم به دلیل سبکتربودن و قیمت پایین تر در مواردمصرفی مشابه بیشتر استفاده می شود . سیم های هوایی توسط چندین شرکت جهانی تولید می شوند. بهبود یافتن ماده سیم ها و شکل آن ها باعث افزایش ظرفیت و مدرنیزه شدن فرایند انتقال می شود. اندازه سیم ها بین 12میلیمتر مربع تا 750میلیمتر مربع ،با مقاومت و ظرفیت جابجایی جریان متفاوت ساخته میشود. سیم های ضخیم باعث افزایش ظرفیت میشود (به دلیل اثر سطحی که موجب نزدیک شدن جریان به سطح سیم میشود).

امروزه ، سطح ولتاژ انتقال معمولاً 110 کیلوولت و بالاتر است. ولتاژهای کمتر از 66کیلوولت و 33کیلوولت معمولاً در انتقال های کوچک استفاده میشود اما گاهی اوقات در خطوط طولانی با بار کم هم مورد استفاده قرار میگیرند. ولتاژهای کمتر از 33 کیلوولت معمولاً برای توزیع بکار می رود.ولتاژهای بالاتر از 230 کیلوولت به عنوان ولتاژهای فوق العاده بالا مطرح هستند و طرح های متفاوتی احتیاج است تا تجهیزات با ولتاژ کمتر از آن استفاده کنند.

از آنجایی که سیم های انتقال بدون عایق هستند، طراحی های این خطوط به گونه ای است که حداقل فضای آزاد را احتیاج داشته باشد تا امنیت حفظ شود. شرایط جوی نامساعد مانند وزیدن باد و دمای کم باعث قطع برق میشود، باد با سرعت 23نات (43کیلومتربرساعت) باعث میشود سیم ها از حدفضای آزاد کاری خود تجاوز کنند ،که در نتیجه باعث تخلیه الکتریکی و قطع برق میشود.حرکت های نوسانی سیم ها باعث لرزش میشود که بستگی به فرکانس و دامنه نوسان دارد.

انتقال زیرزمینی

انرژی الکتریکی به جای خطوط هوایی همچنین می تواند از طریق کابل های زیر زمینی انتقال یابد. آن ها در مناطق زیر به انتقال انرژی کمک میکنند :

 مناطق شهری متراکم

 مناطقی که خشکی وجود ندارد

 رودخانه ها و دیگر موانع طبیعی

 مناطق تاریخی و قدیمی

 مناطقی که از نظر نظامی با اهمیت هستند

 زمین هایی که برای توسعه شهری و روستایی با ارزش هستند

دیگر مزیت های کابل های زیر زمینی

 آسیب دیدن کمتر سیم ها در اثر شرایط آب و هوایی سخت (تابش شدید ،باد و یخ زدن )

 کاهش امواج میدان الکترومغناطیس در نواحی مجاور. همه ی جریان های الکتریکی میدان الکترومغناطیسی تولید می کنند ،اما فراهم آمدن کابل های زیرزمینی دامنه و انرژی آن را محدود میکند.

 کابل های زیر زمینی فضایی باریک در حدود 1 تا 10 متر برای راه اندازی و نصب تجهیزات احتیاج دارد در صورتی که خطوط هوایی به فضایی در حدود 20 تا 200 متر از نظر امنیت ،نگهداری و تعمیرات احتیاج دارد .

 کابل های زیرزمینی هیچ مشکلی برای پرواز در ارتفاع کم ایجاد نمی کند و حیات وحش را به به خطر نمی اندازد، از آنجایی که هیچ خطر تماسی وجود ندارد ،تا حدودی باعث ایمنی میشود. (به جز برای حفار ناآگاه!)

 کاهش دزدیدن سیم ها ،اتصالات غیرقانونی ،عملیات خرابکاران، آسیب دیدن کمتر در درگیری های مسلحانه .

برخی از ضعف های کابل های زیرزمینی

 انتقال از طریق زمین گران تر است، به این دلیل که قراردادن کابل های انتقال برق چندین برابر خطوط هوایی هزینه بردار تر است، و قمیت یک دوره کابل های زیر زمینی 2 یا 3 برابر قمیت سیم های هوایی است.

 تعمیر خطوط هوایی در مواقع قطعی درعرض یک ساعت تکمیل میشود اما تعمیر کابل های زیرزمینی روزها یا شاید هفته ها وقت ببرد، که در این مواقع خطوط اضافی شروع به کار میکنند.

 کابل های زیر زمینی چون نزدیک به زمین هستند تضمینی برای سلامتی انسان وجود ندارد ، در صورتی که کابل های هوایی این چنین نیستند.

 از آنجایی که توان راکتیو بالای کابل های زیرزمینی یک جریان شارژ ایجاد میکند ،کنترل ولتاژ را سخت تر می کند.

مزیت های آن در مواردی بر ضعف های آن از جمله هزینه بر بودن سرمایه گذاری و گران تر بودن نگهداری و مدیریت ،مهمتر و پررنگ تر است.

اکثر کابل های انتقال انرژی که به فروش می رسد ، دارای عایقی چندلایه از پلی اتیلن(XLPE) است، و یک پوشش آلومینیومی در اتصال با عایق های پلی اتیلن برای یکپارچه شدن فیبرهای نوری با کابل، وجود دارد .قبل از سال 1960، کابل های زیرزمینی توسط روغن و کاغذ عایق بندی میشدند و درون لوله فولادی محکم یا آلومینیوم یا روپوشش قرار میگرفتند. روغن از تغییر شکل در فضاهای خالی در اثر فشار که باعث تخلیه الکتریکی از طریق عایق می شد، جلوگیری می کرد. تعداد زیادی از این گونه کابل ها با پوشش روغن و کاغذ در دنیا وجود دارد، که هنوز استفاده می شوند. بین سالهای 1960 و 1990 ، پلیمر ها بیشتر EPDM (اتیلن پروپیلن داین کلاس M) به طور وسیع در توزیع ولتاژ مورد استفاده قرارگرفتند، اگرچه به خاطر عدم اطمینان به آن مخصوصاً در زمان XLPE (عایق های پلی اتیلن ) ، استفاده در فرایند انتقال به کندی پیش می رفت . از آنجایی که از کابل های انتقال 330کیلوولت که در ساختمان آن عایق XLPE به کار می رفت استفاده میشد، تنها در دهه های اخیر شاهد حضور عایق های پلیمری بوده ایم.

تاریخچه

در روزهای ابتدایی ظهور انرژی الکتریکی در تجارت ، انتقال انرژی الکتریکی با ولتاژهای مشابه برای روشنایی و راه اندازی وسایل مکانیکی ، فاصله بین نیروگاه و مصرف کننده ها را تحت تاثیر قرار داد. در 1882 ، تولید با جریان مستقیم بود ، که افزایش ولتاژ برای انتقال در مسافت های طولانی را امکان پذیر نمی ساخت.انواع مختلف وسایل الکتریکی (به طور مثال ،روشنایی، موتورهای ثابت ،و سیستم های راه آهن ) ولتاژ های متفاوتی احتیاج داشتند بنابراین به ژنراتورها و مدار های متفاوتی احتیاج بود.

به خاطر مشکل بودن و عدم بازده جدا کردن خطوط انتقال و اینکه احتیاج بود تا ژنراتورها نزدیک مصرف کننده ها باشد، به نظر می رسید باید صنعت جدیدی توسعه می یافت که امروزه به عنوان سیستم های شبکه توزیع شناخته میشود به شامل تعداد زیادی از ژنراتورهای بزرگ نزدیک مصرف کننده ها است.

در سال 1886 در "گریت برینگتون، ماساچوست" ، سیستم توزیع 1کیلوولت AC راه اندازی شد .که در همان سال سیستم توزیع 2کیلوولت AC با انتقال 30کیلومتری،در "سرچی،ایتالیا" شروع به کار کرد.در طی همایش AIEE در 16می ،1888، "نیکولاتسلا"، یک مقاله ای تحت عنوان "سیستم های جدید موتورها و تراسفورماتورهای جریان متناوب" مطرح کرد، که به تجهیزات اجازه تولید موثر و استفاده از جریان های متناوب چند فازی را می داد. ترانسفورماتور،و موتورهای القایی چندفازی و تک فازی تسلا، اساساً برای ترکیب سیستم های توزیع AC هم برای روشنایی و هم ماشین آلات بود.

مالکیت حقوق اختراع تسلا یک امتیاز کلیدی برای کمپانی "وستینگ هوس" در کامل کردن سیستم های انرژی جریان متناوب هم برای روشنایی و هم انرژی مصرفی داشت.

برای استفاده از تاثیر گذارترین اختراع الکتریکی، سیستم جهانی از تراسفورماتورها برای ارتقاء ولتاژ ژنراتور ها به ولتاژ بالای خطوط انتقال ،و سپس کاهش ولتاژ برای مدارات توزیع محلی و مصرف کننده ها استفاده کرد. با انتخاب مناسب فرکانس موردنیاز،هم احتیاجات سیستم روشنایی و هم مصرف کننده های موتوری برآورده میشد . مبدل های روتوری و بعد از آن والوهای(valve) قوسی شکل و دیگر یکسوکننده ها این امکان را بوجود آوردند تا هرجا لازم باشد جریان DC فراهم شود.

نیروگاه ها و مصرف کننده به دلیل متفاوت بودن فرکانسشان برای برقراری ارتباط احتیاج به استفاه از مبدل های روتوری داشتند. با استفاده همه نوع مصرف کننده از نیروگاه برق عمومی ، اهمیت صرف جویی در مقیاس وسیع پررنگ شد، کمتر شدن سرمایه گذاری های ثابت خواسته شد،ضریب بار خارجی نیروگاه ها برای بازده بالاتر افزایش یافت ،و قیمت برای مصرف کننده ها کاهش و استفاده از انرژی الکتریکی افزایش کلی یافت.

با امکان اتصال چند نیروگاه چندفازی در یک ناحیه وسیع ، هزینه تولید برق کاهش یافت . تجهیزات های با بازده بالاتر برای تحویل برق به مصرف کننده های متفاوت در دسترس قرار گرفت.

اعتماد را به خود جذب کرد و قیمت سرمایه گذاری های ثابت کاهش یافت ، از اینرو ظرفیت تولیدی بین مصرف کننده ها و ناحیه ی وسیع تر جغرافیایی تقسیم شد.منابع خارج از دسترس ،مانند نیروی هیدروالکتریکی(وابسته به توليد نيروى برق بوسيله آب يا بخار) و معادن ذغال سنگ می توانست مورد بهره برداری قرار گیرد تا هزینه های تولید انرژی کاهش یابد.

اولین انتقال جریان متناوب سه فاز ولتاژ بالا در نمایشگاه الکتریسیته بین المللی فرانکفورت در 1891 اتفاق افتاد. یک خط انتقال 25کیلوولت ،تقریباً به طول 175کیلومتر "لافن در نکر " را به "فرانکفورت" وصل کرد.

استفاده از ولتاژ برای انتقال انرژی الکتریکی در طول قرن بیستم افزایش یافت ،به طوری که در 1914 ،55 سیستم انتقال که هرکدام بیش از 70کیلوولت را انتقال می داد در اختیار بود. بالاترین ولتاژی که پس از آن استفاده شد 150kv بود.

سرعت صنعتی شدن در قرن بیستم ،خطوط انتقال و شبکه ها را قسمت حیاتی زیرساخت کشورهای صنعتی کرده بود. اتصال نیروگاه های منطقه ای و شبکه های توزیع ، با احتیاجات جنگ جهانی اول دچار تغییر شد ، به طوری که نیروگاه های بزرگ تولید برق توسط دولت برای فراهم کردن انرژی کارخانه های اسلحه سازی ساخته شد . بعدها این نیروگاه ها به شبکه داخلی برای مصرف کننده های دوردست اضافه شد.