Беспроводная передача электричества. Беспроводное электричество

Многие годы ученые бьются над вопросом минимизации электрических расходов. Есть разные способы и предложения, но все, же самой известной теорией является беспроводная передача электричества. Предлагаем рассмотреть, как она выполняется, кто является её изобретателем и почему пока что её не воплотили в жизнь.

Теория

Беспроводное электричество – это буквально передача электрической энергии без проводов. Люди часто сравнивают беспроводную передачу электрической энергии с передачей информации, например, радио, сотовые телефоны, или Wi-Fi доступ в Интернет. Основное различие заключается в том, что с радио-или СВЧ-передач – это технология, направленная на восстановление и транспортировку именно информации, а не энергии, которая изначально была затрачена на передачу.

Беспроводной электроэнергии является относительно новой областью технологии, но достаточно динамично развивающейся. Сейчас разрабатываются методы, как эффективно и безопасно передавать энергию на расстоянии без перебоев.

Как работает беспроводное электричество

Основная работа основана именно на магнетизме и электромагнетизме, как и в случае с радиовещанием. Беспроводная зарядка, также известна как индуктивная зарядка, основана на нескольких простых принципах работы, в частности технология требует наличия двух катушек. Передатчика и приемника, которые вместе генерируют переменное магнитное поле непостоянного тока. В свою очередь это поле вызывает напряжение в катушке приемника; это может быть использовано для питания мобильного устройства или зарядки аккумулятора.

Если направить электрический ток через провод, то вокруг кабеля создается круговое магнитное поле. Несмотря на то, что магнитное поле воздействует и на петлю, и на катушку сильнее всего оно проявляется именно на кабеле. Когда возьмете второй моток проволоки, на который не поступает электрический ток, проходящий через него, и место, в которое мы установим катушку в магнитном поле первой катушки, электрический ток от первой катушки будет передаваться через магнитное поле и через вторую катушку, создавая индуктивную связь.

Как пример возьмем электрическую зубную щетку. В ней зарядное устройство подключено к розетке, которая отправляет электрический ток на витой провод внутри зарядного устройства, создающего магнитное поле. Существует вторая катушка внутри зубной щетки, когда ток начинает поступать и на неё, благодаря образовавшемуся МП, начинается заряд щетки без её непосредственного подключения к сети питания 220 В.

История

Беспроводная передача энергии в качестве альтернативы передачи и распределения электрических линий, впервые была предложена и продемонстрирована Никола Тесла. В 1899 году Тесла презентовал беспроводную передачу на питание поля люминесцентных ламп, расположенных в двадцати пяти милях от источника питания без использования проводов. Но в то время было дешевле сделать проводку из медных проводов на 25 миль, а не строить специальные электрогенераторы, которых требует опыт Тесла. Патент ему так и не выдали, а изобретение осталось в закромах науки.

В то время как Тесла был первым человеком, который смог продемонстрировать практические возможности беспроводной связи еще в 1899 году, сегодня, в продаже есть совсем немного приборов, это беспроводные щетки наушники, зарядки для телефонов и прочее.

Технология беспроводной связи

Беспроводной передачи энергии включает в себя передачу электрической энергии или мощности на расстоянии без проводов. Таким образом, основная технология лежит на концепции электроэнергии, магнетизма и электромагнетизма.

Магнетизм

Это фундаментальная сила природы, которая провоцирует определенные типы материала притягивать или отталкивать друг друга. Единственными постоянными магнитами считаются полюса Земли. Ток потока в контуре генерирует магнитные поля, которые отличаются от осциллирующих магнитных полей скоростью и временем, потребным для генерации переменного тока (AC). Силы, которые при этом появляются, изображает схема ниже.

Так появляется магнетизм

Электромагнетизм – это взаимозависимость переменных электрических и магнитных полей.

Магнитная индукция

Если проводящий контур подключен к источнику питания переменного тока, он будет генерировать колебательное магнитное поле внутри и вокруг петли. Если второй проводящий контур расположен достаточно близко, он захватит часть этого колеблющегося магнитного поля, которое в свою очередь порождает или индуцирует электрический ток во второй катушке.

Видео: как происходит беспроводная передача электричества

Таким образом, происходит электрическая передача мощности от одного цикла или катушки к другой, что известно как магнитная индукция. Примеры такого явления используются в электрических трансформаторах и генератора. Это понятие основано на законах электромагнитной индукции Фарадея. Там, он утверждает, что, когда есть изменение магнитного потока, соединяющегося с катушкой ЭДС, индуцированного в катушке, то величина равна произведению числа витков катушки и скорости изменения потока.

Мощностная муфта

Эта деталь необходима, когда одно устройство не может передавать энергию на другой прибор.

Магнитная связь генерируется, когда магнитное поле объекта способно индуцировать электрический ток с другими устройствами в поле его досягаемости.

Два устройства, как говорят, взаимно индуктивно-связанной или магнитную связь, когда они выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивности

Технология

Принцип индуктивной связи

Два устройства, взаимно индуктивно-связанные или имеющие магнитную связь, выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода, производится посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивностью.
Индуктивная связь является предпочтительной из-за её способности работать без проводов, а также устойчивости к ударам.

Резонансная индуктивная связь является сочетанием индуктивной связи и резонанса. Используя понятие резонанса можно заставить два объекта работать зависимо от сигналов друг друга.

Как видно из схемы выше, резонанс обеспечивает индуктивность катушки. Конденсатор подключен параллельно к обмотке. Энергия будет перемещаться назад и вперед между магнитным полем, окружающим катушку и электрическим полем вокруг конденсатора. Здесь потери на излучение будет минимальными.

Существует также концепция беспроводной ионизированной связи.

Она тоже воплотима в жизнь, но здесь необходимо приложить немного больше усилий. Эта техника уже существует в природе, но вряд ли есть целесообразность ее реализации, поскольку она нуждается в высоком магнитном поле, от 2,11 М /м . Её разработал гениальный ученый Ричард Волрас, разработчик вихревого генератора, который посылает и передает энергию тепла на огромные расстояния, в частности при помощи специальных коллекторов. Самой простой пример такой связи – это молния.

Плюсы и минусы

Конечно, у этого изобретения есть свои преимущества перед проводными методиками, и недостатки. Предлагаем их рассмотреть.

К достоинствам относятся:

Полное отсутствие проводов;
Не нужны источники питания;
Необходимость батареи упраздняется;
Более эффективно передается энергия;
Значительно меньше нужно технического обслуживания.

К недостаткам же можно отнести следующее:

Расстояние ограничено;
магнитные поля не так уж и безопасны для человека;
беспроводная передача электричества, с помощью микроволн или прочих теорий практически неосуществима в домашних условиях и своими руками;
высокая стоимость монтажа.

Если верить истории, революционный технологический проект был заморожен из-за отсутствия у Теслы должных финансовых возможностей (эта проблема преследовала ученого практически все время его работы в Америке). Говоря в целом, основное давление на него оказывалось со стороны другого изобретателя — Томаса Эдисона и его компаний, которые продвигали технологию постоянного тока, в то время как Тесла занимался током переменным (так называемая «Война токов»). История расставила все на свои места: сейчас переменный ток используется в городских электросетях практически повсеместно, хотя отголоски прошлого доходят и до наших дней (например, одна из заявленных причин поломок пресловутых поездов Hyundai - использование на некоторых участках украинской ЖД электролиний постоянного тока).

Башня Ворденклиф, в которой Никола Тесла проводил свои эксперименты с электричеством (фото 1094 года)

Что же касается башни Ворденклиф, то, если верить легенде, Тесла продемонстрировал одному из главных инвесторов Дж.П. Моргану, акционеру первой в мире Ниагарской ГЭС и медных заводов (медь, как известно, используется в проводах), работающую установку по беспроводной передаче тока, стоимость которого для потребителей была бы (заработай такие установки в промышленных масштабах) на порядок дешевле для потребителей, после чего он свернул финансирование проекта. Как бы там ни было, всерьез о беспроводной передаче электроэнергии заговорили только спустя 90 лет, в 2007 году. И хотя до того момента, как линии электропередач полностью исчезнут из городского пейзажа, еще далеко, приятные мелочи вроде беспроводной зарядки мобильного устройства доступны уже сейчас.

Прогресс подкрался незаметно

Если мы просмотрим архивы ИТ-новостей хотя бы двухгодичной давности, то в таких подборках обнаружим разве что редкие сообщения о том, что те или иные компании занимаются разработкой беспроводных зарядных устройств, и ни слова о готовых продуктах и решениях (кроме базовых принципов и общих схем). На сегодняшний же день беспроводная зарядка уже не является чем-то сверхоригинальным или концептуальным. Подобные устройства вовсю продаются (например, свои зарядки на MWC 2013 демонстрировала LG), испытываются для электромобилей (этим занимается Qualcomm) и даже используются в общественных местах (например, на некоторых европейских ЖД-вокзалах). Более того, уже существуют несколько стандартов такой передачи электроэнергии и несколько альянсов, продвигающих и развивающих их.

За беспроводную зарядку мобильных устройств отвечают подобные катушки, одна из которых находится в телефоне, а другая - в самом зарядном устройстве

Самым известным таким стандартом является стандарт Qi, разрабатываемый Wireless Power Consortium, в который входят такие известные компании, как HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Sony и еще около сотни других организаций. Этот консорциум был организован в 2008 году с целью создания универсального зарядного устройства для девайсов различных производителей и торговых марок. В своей работе стандарт использует принцип магнитной индукции, когда базовая станция состоит из индукционной катушки, которая создает электромагнитное поле при поступлении переменного тока из сети. В заряжаемом же устройстве присутствует похожая катушка, которая реагирует на это поле и умеет преобразовывать полученную через него энергию в постоянный ток, который используется для зарядки аккумулятора (подробно ознакомиться с принципом работы можно на сайте консорциума http://www.wirelesspowerconsortium.com/what-we-do/how-it-works/). Кроме того, Qi поддерживает протокол передачи данных между зарядными и заряжаемыми устройствами на скорости 2 кб/с, который используется для передачи данных о необходимом объеме зарядки и выполнении требуемой операции.

Беспроводную зарядку по стандарту Qi на сегодняшний день поддерживают многие смартфоны, а зарядные устройства универсальны для всех аппаратов, поддерживающих данный стандарт

Есть у Qi и серьезный конкурент - Power Matters Alliance, в который входят AT&T, Duracell, Starbucks, PowerKiss и Powermat Technologies. Эти имена находятся далеко не на первых ролях в мире информационных технологий (особенно сеть кофеен Starbucks, которая находится в альянсе из-за того, что собирается повсеместно внедрять в своих заведениях данную технологию), - они специализируются именно на энергетических вопросах. Данный альянс был сформирован не так давно, в марте 2012 года, в рамках одной из программ IEEE (Института инженеров электротехники и электроники). Продвигаемый ими стандарт PMA работает по принципу взаимной индукции - частного примера электромагнитной индукции (которую не следует путать с магнитной индукцией, используемой Qi), когда при изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока через контур второго, созданного магнитным полем, порожденным током в первом проводнике, что вызывает возникновение электродвижущей силы во втором проводнике и (если второй проводник замкнут) индукционного тока. Так же, как и в случае с Qi, этот ток потом преобразуется в постоянный и подается в аккумулятор.

Ну, и не стоит забывать об Alliance for Wireless Power, в которую входят Samsung, Qualcomm, Ever Win Industries, Gill Industries, Peiker Acustic, SK Telecom, SanDisk и т. д. Эта организация пока не представила готовых решений, но среди ее целей, в том числе, - разработка зарядок, которые бы работали через неметаллические поверхности и в которых бы не использовались катушки.

Одна из целей организации Alliance for Wireless Power - возможность зарядки без привязки к конкретному месту и типу поверхности

Из всего вышенаписанного можно сделать простой вывод: через год-два большинство современных устройств смогут подзаряжаться без использования традиционных зарядных устройств. Пока же мощности беспроводной зарядки хватает, в основном, на смартфоны, однако для планшетов и ноутбуков такие устройства тоже скоро появятся (та же Apple не так давно запатентовала беспроводную зарядку для iPad). Это значит, что проблема разрядки устройств будет решена практически полностью - положил или поставил устройство в определенное место, и даже во время работы оно заряжается (или, в зависимости от мощности, разряжается намного медленнее). Со временем, можно не сомневаться, радиус их действия будет расширяться (сейчас необходимо использовать специальный коврик или подставку, на котором лежит устройство, либо оно должно находиться совсем рядом), и они будут повсеместно устанавливаться в автомобили, поезда и даже, возможно, самолеты.

Ну, и еще один вывод - скорее всего, не удастся избежать очередной войны форматов между разными стандартами и альянсами, продвигающими их.

Избавимся ли мы от проводов?

Беспроводная зарядка устройств - штука, конечно, хорошая. Но мощности, которые возникают при ней, достаточны только для заявленных целей. С помощью этих технологий пока невозможно даже осветить дом, не говоря уже о работе крупной бытовой техники. Тем не менее, эксперименты по высокомощной беспроводной передаче электроэнергии ведутся и базируются они, в том числе, и на материалах Теслы. Сам ученый предлагал установить по всему миру (тут, скорее всего, подразумевались развитые на тот момент страны, которых было намного меньше, чем сейчас) более 30 приемо-передающих станций, которые совмещали бы передачу энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, что позволило бы избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало объединению электрических генерирующих в глобальном масштабе.

Сегодня есть несколько методов решения задачи беспроводной передачи энергии, правда, все они пока позволяют добиться несущественных в глобальном плане результатов; речь идет даже не о километрах. Такие методы, как ультразвуковая, лазерная и электромагнитная передача, имеют существенные ограничения (короткие дистанции, необходимость прямой видимости передающих устройств, их размер, а в случае с электромагнитными волнами -очень низкий КПД и вред здоровью от мощного поля). Поэтому самые перспективные разработки связаны с использованием магнитного поля, а точнее - резонансного магнитного взаимодействия. Одна из них - WiTricity, разработкой занимается концерн WiTricity corporation, основанной профессором MIT Марином Солячичем и рядом его коллег.

Так, в 2007 году им удалось передать ток мощностью 60 Вт на расстояние 2 м. Его хватило на свечение лампочки, а КПД составлял 40 %. Но неоспоримым плюсом использовавшейся технологии являлось то, что она практически не взаимодействует ни с живыми существами (сила поля, по заявлению авторов, в 10 тыс. раз слабее, чем то, что царит в сердцевине магнитно-резонансного томографа), ни с медицинским оборудованием (кардиостимуляторы и т. п.), ни с другим излучением, а значит, не помешает, например, работе того же Wi-Fi.

Что самое интересное, на КПД системы WiTricity влияют не только размер, геометрия и настройка катушек, а также дистанция между ними, но и число потребителей, причем в положительном плане. Два приемных прибора, размещенные на расстоянии от 1,6 до 2,7 м по обе стороны от передающей «антенны», показали на 10 % лучший КПД, чем по отдельности - это решает проблему подключения множества устройств к одному источнику питания.

Регулярно просматривая зарубежные достижения в области радиотехники, наткнулся на неплохое устройство беспроводной передачи электроэнергии, выполненное не на каких-то дефицитных микросхемах, а вполне доступное для самостоятельной сборки. Полную документацию на английском можно будет скачать по ссылке , а здесь приведу краткое содержание на русском, в том числе некоторые схемотехнические решения.

Катушки приёмопередатчика тока

Осциллограмма сигнала

В работе представлены несколько похожих принципиальных схем, отличающихся только напряжением и мощностью. В качестве энергетической "антенны" у них служат небольшие катушки из толстого провода, транзисторы - обычные мощные полевые, так что всё это можно собрать самому.

Сразу предупредим - тут речь идёт не о передачи энергии на много метров, подобные устройства подходят скорее для и других похожих девайсах, где расстояние составит несколько сантиметров. Зато мощность, которая "перелетает" по воздуху, доходит до 100 ватт!

Принцип действия

Резонансный преобразователь обычно работает при постоянной рабочей частоте, которая определяется резонансной частотой LC контура. Как только напряжение постоянного тока подается на цепь, она начинает генерировать с помощью транзисторов. Своеобразный мультивибратор, со смещением фазы на 180°. Транзисторы поочередно подключают концы параллельного резонансного контура к массе, что позволяет этому контуру периодически подзарядиться энергией с последующим её излучением в пространство.

Практические схемы

Базовая схема

Фото готового передатчика-приёмника энергии

Подведя итог заметим, что беспроводная передача энергии всё больше внедряется в области потребительской электроники, промышленного, военного и медицинского оборудования. Как беспроводная локальная сеть и Bluetooth, та и беспроводное питание становится актуальным вариантом. Это позволяет избавится от ненадёжных кнопок, кабелей, силовых разъёмов. Другая область применения связана с трансформаторами, которые должны удовлетворять специальным требованиям - иметь усиленную или двойную изоляцию. И главное: электробезопасность! Многие маломощные сетевые бытовые приборы можно запитывать не через шнуры на 220 В, вилки и розетки, а бесконтактным методом - просто придвигая их к нужной поверхности.

Экология потребления.Технологии:Учёные в американской Исследовательской лаборатории Диснея (Disney Research) разработали метод беспроводной зарядки, сделавший ненужными провода и зарядные устройства.

Сегодняшние смартфоны, планшеты, ноутбуки и другие портативные устройства имеют огромную мощность и производительность. Но, помимо всех преимуществ мобильной электроники, у нее есть и обратная сторона – постоянная необходимость подзарядки через провода. Несмотря на все новые технологии батарей, эта необходимость уменьшает удобство устройств и ограничивает их перемещение.

Учёные в американской Исследовательской лаборатории Диснея (Disney Research) нашли решение этой проблемы. Они разработали метод беспроводной зарядки, сделавший ненужными провода и зарядные устройства. Причём их метод позволяет одновременно заряжать не только гаджеты, но и, к примеру, бытовую технику и освещение.

«Наш инновационный метод делает электрический ток таким же вездесущим, как и Wi-Fi, - говорит один из директоров лаборатории и её ведущий научный специалист Алансон Сэмпл. - Он открывает дорогу для дальнейших разработок в сфере робототехники, ранее ограниченных ёмкостью батарей. Пока мы продемонстрировали работу установки в небольшой комнате, но нет никаких препятствий к тому, чтобы увеличить её мощность до размеров склада».

Систему беспроводной передачи электроэнергии разработал ещё в 1890-х годах известный учёный Никола Тесла, однако массового распространения изобретение не получило. Сегодняшние системы передачи тока без проводов работают в основном на крайне ограниченных пространствах.

Метод, названный квазистатическим полостным резонансом (quasistatic cavity resonance, QSCR), заключается в подаче тока в стены, пол и потолок помещения. Они, в свою очередь, генерируют магнитные поля, которые воздействуют на подсоединённый к заряжаемому устройству приёмник, содержащий катушку. Выработанная таким образом электроэнергия передаётся батарее, предварительно пройдя через исключающие воздействие других полей конденсаторы.

Испытания показали, что таким образом через обычную электрическую сеть можно передавать до 1,9 киловатт мощности. Этой энергии хватает для того, чтобы одновременно заряжать до 320 смартфонов. Причем, по словам ученых, такая технология не дорогостоящая и может быть легко налажен ее коммерческий выпуск.

Испытания проходили в специально созданной из алюминиевых конструкций комнате размером 5 на 5 метров. Сэмпл подчеркнул, что в будущем наличие металлических стен может быть не обязательным. Можно будет использовать токопроводящие панели или специальную краску.

Разработчики уверяют, что их способ передачи энергии по воздуху не представляет никакой угрозы для здоровья человека и любых других живых существ. Их безопасность обеспечивается за счет дискретных конденсаторов, которые выполняют роль изолятора для потенциально опасных электрических полей. опубликовано