Электростатическая индукция для беспроводной передачи энергии. Передача электроэнергии на расстояние без проводов

Основы беспроводной зарядки

Беспроводная передача электрической энергии (WPT) дает нам шанс избавиться от тирании кабелей питания. В настоящее время эта технология проникает во все виды устройств и систем. Давайте взглянем на нее!

Беспроводной путь

Большинство современных жилых домов и коммерческих зданий питаются от сетей переменного тока. Электростанции генерируют электричество переменного тока, которое доставляется в дома и офисы с помощью высоковольтных линий электропередачи и понижающих трансформаторов.

Электричество поступает в распределительный щит, а затем электропроводка доставляет электричество к оборудованию и устройствам, которые мы используем каждый день: светильники, кухонная техника, зарядные устройства и так далее.

Все компоненты стандартизованы. Любое устройство, рассчитанное на стандартные ток и напряжение, будет работать от любой розетки по всей стране. Хотя стандарты разных стран и различаются между собой, в конкретной электрической системе любое устройство будет работать при условии соблюдения стандартов данной системы.

Тут кабель, там кабель... Большинство наших электрических устройств обладает кабелем питания от сети переменного тока.

Технология беспроводной передачи электроэнергии

Беспроводная передача электрической энергии (WPT) позволяет подавать питание через воздушный зазор без необходимости использования электрических проводов. Беспроводная передача электроэнергии может обеспечить питание от источника переменного тока для совместимых аккумуляторов или устройств без физических разъемов и проводов. Беспроводная передача электрической энергии может обеспечить заряд мобильных телефонов и планшетных компьютеров, беспилотных летательных аппаратов, автомобилей и прочего транспортного оборудования. Она может даже сделать возможной беспроводную передачу в космосе электроэнергии, полученной от солнечных панелей.

Беспроводная передача электрической энергии начала свое быстрое развитие в области бытовой электроники, заменяя проводные зарядные устройства. На выставке CES 2017 будет показано множество устройств, использующих беспроводную передачу электроэнергии.

Однако концепция передачи электрической энергии бес проводов возникла примерно в 1890-х годах. Никола Тесла в своей лаборатории в Колорадо Спрингс мог без проводов зажечь электрическую лампочку, используя электродинамическую индукцию (используемой в резонансном трансформаторе).

Были зажжены три лампочки, размещенные на расстоянии 60 футов (18 метров) от источника питания, и демонстрация была задокументирована. У Теслы были большие планы, он надеялся, что его башня Ворденклиф , расположенная на Лонг-Айленд, будет без проводов передавать электрическую энергию через Атлантический океан. Этого никогда не произошло из-за различных проблем, в том числе, и с финансированием и сроками.

Беспроводная передача электрической энергии использует поля, создаваемые заряженными частицами, для переноса энергии через воздушный зазор между передатчиками и приемниками. Воздушный зазор закорачивается с помощью преобразования электрической энергии в форму, которая может передаваться по воздуху. Электрическая энергия преобразуется в переменное поле, передается по воздуху, и затем с помощью приемника преобразуется в пригодный для использования электрический ток. В зависимости от мощности и расстояния, электрическая энергия может эффективно передаваться через электрическое поле, магнитное поле или электромагнитные волны, такие как радиоволны, СВЧ излучение или даже свет.

В следующей таблице перечислены различные технологии беспроводной передачи электрической энергии, а также формы передачи энергии.

Технологии беспроводной передачи электрической энергии (WPT)

Технология	Переносчик электрической энергии	Что позволяет передавать электрическую энергию
Индуктивная связь	Магнитные поля	Витки провода
Резонансная индуктивная связь	Магнитные поля	Колебательные контуры
Емкостная связь	Электрические поля	Пары проводящих пластин
Магнитодинамическая связь	Магнитные поля	Вращение постоянных магнитов
СВЧ излучение	Волны СВЧ	Фазированные ряды параболических антенн
Оптическое излучение	Видимый свет / инфракрасное излучение / ультрафиолетовое излучение	Лазеры, фотоэлементы

Qi зарядка, открытый стандарт для беспроводной зарядки

В то время как некоторые из компаний, обещающих беспроводную передачу электрической энергии, всё еще работают над своими продуктами, уже существует стандарт Qi (произносится как «ци») зарядки, и уже доступны использующие его устройства. Консорциум беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC), созданный в 2008 году, разработал стандарт Qi для зарядки аккумуляторов. Данный стандарт поддерживает и индуктивные, и резонансные технологии зарядки.

При индуктивной зарядке электрическая энергия передается между катушками индуктивности в передатчике и приемнике, расположенными на близком расстоянии. Индуктивные системы требуют, чтобы катушки индуктивности находились в непосредственной близости и были выровнены друг с другом; обычно устройства находятся в непосредственном контакте с зарядной панелью. Резонансная зарядка не требует тщательного выравнивания, а зарядные устройства могут обнаружить и зарядить устройство на расстоянии до 45 мм; таким образом, резонансные зарядные устройства могут быть встроены в мебель или установлены между полками.

Наличие логотипа Qi означает, что устройство зарегистрировано и сертифицировано Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии WPC.

В начале Qi зарядка обладала небольшой мощностью, около 5 Вт. Первые смартфоны, использующие Qi зарядку, появились в 2011 году. В 2015 году мощность Qi зарядки увеличилась до 15 Вт, что позволяет осуществлять быструю зарядку устройств.

Следующий рисунок от Texas Instruments показывает, что охватывает стандарт Qi.

Совместимость с Qi гарантировано могут обеспечить только те устройства, которые перечислены в регистрационной базе данных Qi . В настоящее время там содержится более 700 продуктов. Важно понимать, что продукты с логотипом Qi были проверены и сертифицированы; и магнитные поля, используемые этими устройствами, не вызовут проблем для таких чувствительных устройств, как мобильные телефоны или электронные паспорта. Зарегистрированные устройства будут гарантировано работать с зарегистрированными зарядными устройствами.

Физика беспроводной передачи электрической энергии

Беспроводная передача электрической энергии для бытовых устройств является новой технологией, но принципы, лежащие в ее основе, известны давно. Там, где участвуют электричество и магнетизм, по-прежнему руководствуются уравнениями Максвелла, и передатчики посылают энергию на приемники так же, как и в других формах беспроводной связи. Однако, беспроводная передача электроэнергии отличается от них основной целью, которая заключается в передаче самой энергии, а не закодированной в ней информации.

Электромагнитные поля, участвующие в беспроводной передаче электрической энергии, могут быть достаточно сильными, и поэтому необходимо принимать во внимание безопасность человека. Воздействие электромагнитного излучения может вызвать проблемы, а также существует возможность того, что поля, создаваемые передатчиками электрической энергии, могут помешать работе носимых или имплантированных медицинских устройств.

Передатчики и приемники встраиваются в устройства беспроводной передачи электрической энергии так же, как и аккумуляторы, которые будут ими заряжаться. Реальные схемы преобразования будут зависеть от используемой технологии. Кроме самой передачи электроэнергии, WPT система должна обеспечить связь между передатчиком и приемником. Это гарантирует, что приемник сможет уведомить зарядное устройство о том, что аккумулятор полностью заряжен. Связь также позволяет передатчику обнаружить и идентифицировать приемник, чтобы подстроить значение мощности, передаваемой на нагрузку, а также контролировать, например, температуру аккумулятора.

В беспроводной передаче электрической энергии имеет значение выбор концепции либо ближнего, либо дальнего поля. Технологии передачи, количество энергии, которое может быть передано, и требования к расстоянию влияют на то, будет ли система использовать излучение ближнего поля или излучение дальнего поля.

Точки, для которых расстояние от антенны значительно меньше одной длины волны, находятся в ближней зоне. Энергия в ближней зоне неизлучающая, и колебания магнитного и электрического полей не зависят друг от друга. Емкостная (электрическая) и индуктивная (магнитная) связи могут использоваться для передачи энергии к приемнику, расположенному в ближнем поле передатчика.

Точки, для которых расстояние от антенны больше примерно двух длин волны, находятся в дальней зоне (между ближней и дальней зонами существует переходная область). Энергия в дальней зоне передается в виде обычного электромагнитного излучения. Перенос энергии в дальней зоне также называют лучом энергии. Примерами передачи в дальней зоне являются системы, которые используют для передачи энергии на большие расстояния мощные лазеры или СВЧ излучение.

Где работает беспроводная передача электрической энергии (WPT)

Все технологии WPT в настоящее время находятся на стадии активных исследований, большая часть сосредоточена на максимизации эффективности передачи энергии и иследованию технологий для магнитной резонансной связи . Кроме того, самыми амбициозными являются идеи оснащения WPT системой помещений, в которых человек будет находиться, а носимые им устройства будут заряжаться автоматически.

В глобальном плане, электрические автобусы становятся нормой; планируется ввести беспроводную зарядку для культовых двухэтажных автобусов в Лондоне так же, как и у автобусных систем в Южной Корее , в штате Юта США и в Германии .

Уже была продемонстрирована экспериментальная система для беспроводного питания дронов. И, как уже упоминалось ранее, текущие исследования и разработки сосредоточены на перспективе удовлетворении некоторых энергетических потребностей Земли путем использования беспроводной передачи энергии и солнечных панелей, расположенных в космосе.

WPT работает везде!

Заключение

В то время как мечта Теслы о беспроводной передаче энергии любому потребителю еще далека от реализации, множество устройств и систем используют ту или иную форму беспроводной передачи электроэнергии прямо сейчас. От зубных щеток до мобильных телефонов, от личных автомобилей до общественного транспорта, существует множество применений беспроводной передачи электрической энергии.

При своем появлении переменный электрический ток казался фантастикой. Его изобретатель, гениальный физик Никола Тесла, еще на рубеже XIX и XX столетий исследовал проблему беспроводной передачи электричества на большие расстояния. Пока что эта проблема решена не до конца, но полученные результаты обнадеживают.

Ультразвук для передачи энергии

Любая волна переносит энергию, в том числе и звуковые волны высокой частоты. Существует три подхода к беспроводной передаче электричества:

передача электрической энергии через преобразование в другой вид энергии в источнике и обратное преобразование в электричество в приемном устройстве;
создание и использование альтернативных проводников электричества (плазменных каналов, столбов ионизированного воздуха и т. д.);
использование токопроводящих свойств литосферы Земли.

Метод применения ультразвука относится к первому подходу. В источнике ультразвука особого вида при подаче электропитания возникает направленный пучок звуковых волн высокой частоты. При их попадании на приемник энергия звуковых волн преобразуется в электрический ток.

Максимальное расстояние передачи электроэнергии без проводов составляет 10 метров. Результат получен в 2011 году представителями университета Пенсильвании во время презентации в рамках выставки «The All Things Digital». Этот метод не считается перспективным из-за нескольких его недостатков: низкий КПД, малое получаемое напряжение и ограничение на силу излучения ультразвука санитарными нормами.

Применение электромагнитной индукции

Хотя большинство людей даже и не подозревает об этом, этот метод используется уже очень давно, практически с самого начала использования переменного тока. Самый обычный трансформатор переменного тока является простейшим устройством беспроводной передачи электроэнергии, только расстояние передачи при этом очень маленькое.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора не соединены в одну цепь, а при протекании переменного тока в первичной обмотке возникает электроток во вторичной. Перенос энергии при этом происходит посредством электромагнитного поля. Поэтому этот метод беспроводной передачи электроэнергии использует преобразование энергии из одного вида в другой.

Уже разработаны и успешно используются в быту ряд приборов, работа которых основана на этом методе. Это и беспроводные зарядные устройства для мобильных телефонов и других гаджетов, и бытовые электроприборы с низким потреблением электроэнергии при работе (компактные камеры видеонаблюдения, всевозможные датчики и даже телевизоры с жидкокристаллическими экранами).

Многие специалисты утверждают, что электротранспорт будущего будет использовать беспроводные технологии зарядки аккумуляторов или получения электроэнергии для движения. В дороги будут вмонтированы индукционные катушки (аналоги первичной обмотки трансформатора). Они будут создавать переменное электромагнитное поле, которое при проезде транспорта над ним вызовет течение электротока во встроенной приемной катушке. Первые эксперименты уже проведены и полученные результаты вызывают сдержанный оптимизм.

Из достоинств такого способа можно отметить:

высокий КПД для небольших расстояний (порядка нескольких метров);
простота конструкции и освоенная технология применения;
относительная безопасность для здоровья людей.

Недостаток метода - малое расстояние, на котором передача энергии эффективна - существенно снижает область применения беспроводного электричества на основе электромагнитной индукции.

Использование различных микроволн

Этот метод также основан на преобразовании разных видов энергии. В роли переносчика энергии служат электромагнитные волны сверхвысокой частоты. Впервые этот метод описал и практически реализовал в своей установке японский физик и радиотехник Хидэцугу Яги в двадцатых годах прошлого века. Частота радиоволн для передачи электроэнергии без проводов находится в диапазоне от 2,4 до 5,8 ГГц. Уже протестирована и получила положительные отзывы экспериментальная установка, которая одновременно раздает Wi-Fi и запитывает слабомощные бытовые электроприборы.

Лазерный луч также является электромагнитным излучением, но с особым свойством - когерентностью. Оно уменьшает потери энергии при передаче и тем самым повышает КПД. Из достоинств можно отметить следующие:

возможность передачи на большие расстояния (десятки километров в атмосфере Земли);
удобство и простота установки для маломощных приборов;
наличие визуального контроля процесса передачи - лазерный луч виден невооруженным глазом.

Лазерный метод имеет и недостатки, а именно: сравнительно низкий КПД (45−50%), потери энергии из-за атмосферных явлений (дождь, туман, пылевые тучи) и необходимость нахождения передатчика и приемника в поле видимости.

Интенсивность солнечного света за пределами земной атмосферы в несколько десятков раз выше, чем на поверхности Земли. Поэтому в перспективе, как считают футурологи, солнечные электростанции будут располагаться на околоземной орбите. А передача накопленной электроэнергии, по их мнению, будет производиться без токоведущих проводов. Будет разработан и применен способ передачи, копирующий разряды молний, тем или иным способом планируется производить ионизацию воздуха. И первые опыты в этом направлении уже проведены. Этот метод основан на создании альтернативных беспроводных проводников электротока.

Полученное таким способом с околоземной орбиты беспроводное электричество носит импульсивный характер. Поэтому для его практического применения нужны мощные и недорогие конденсаторы, а также необходимо будет разработать способ их постепенной разрядки.

Наиболее эффективный метод

Планета Земля является огромным конденсатором. Литосфера, в основном, проводит электричество за исключением небольших ее участков. Существует теория, что беспроводная передача энергии может осуществляться через земную кору. Суть такова: источник тока надежно контактирует с поверхностью земли, переменный ток определенной частоты перетекает с источника в кору и распространяется во всех направлениях, через определенные промежутки в земле размещаются приемники электротока, с которых он передается потребителям.

Суть теории в том, чтобы принимать и использовать ток только одной заданной частоты. Как в радиоприемнике настраивается частота приема радиоволн, так и в таких электроприемниках будет регулироваться частота принимаемого тока. Теоретически таким методом возможно будет передавать электроэнергию на очень большие расстояния, если частота переменного тока будет низкой, порядка нескольких Гц.

Перспективы беспроводной передачи электричества

В близкой перспективе ожидается массовое внедрение в быт системы PoWiFi, состоящей из роутеров с функцией передачи электроэнергии на несколько десятков метров, и бытовых приборов, питание которых осуществляется за счет приема электричества из радиоволн. Такая система в данный момент активно тестируется и готовится к широкому использованию. Детали не разглашаются, но по имеющейся информации «изюминка» заключается в том, что используется синхронизация электромагнитных полей источника и приемника беспроводного электричества.

В очень отдаленной перспективе рассматривается вариант отказа от использования традиционных электростанций в глобальном масштабе - будут использоваться солнечные станции на околоземной орбите , преобразующие энергию солнечного света в электрическую. На поверхность планеты электричество предположительно передаваться будет через ионизированный воздух или плазменные каналы. А на самой земной поверхности исчезнут обычные линии электропередачи, их место займут более компактные и эффективные системы передачи электричества через литосферу.

Беспроводная передача электричества

Беспроводна́я переда́ча электри́чества - способ передачи электрической энергии без использования токопроводящих элементов в электрической цепи . К году имели место успешные опыты с передачей энергии мощностью порядка десятков киловатт в микроволновом диапазоне с КПД около 40 % - в 1975 в Goldstone, Калифорния и в 1997 в Grand Bassin на острове Реюньон (дальность порядка километра, исследования в области энергоснабжения посёлка без прокладки кабельной электросети). Технологические принципы такой передачи включают в себя индукционный (на малых расстояниях и относительно малых мощностях), резонансный (используется в бесконтактных смарт-картах и чипах RFID) и направленный электромагнитный для относительно больших расстояний и мощностей (в диапазоне от ультрафиолета до микроволн).

История беспроводной передачи энергии

1820 : Андре Мари Ампер открыл закон (после названный в честь открывателя, законом Ампера), показывающий, что электрический ток производит магнитное поле.
1831 : Майкл Фарадей открыл закон индукции , важный базовый закон электромагнетизма .
1862 : Карло Маттеучи впервые провел опыты по передаче и приёму электрической индукции с помощью плоско спиральных катушек .
1864 : Джеймс Максвелл систематизировал все предыдущие наблюдения, эксперименты и уравнения по электричеству, магнетизму и оптике в последовательную теорию и строгое математическое описание поведения электромагнитного поля .
1888 : Генрих Герц подтвердил существование электромагнитного поля. «Аппарат для генерации электромагнитного поля » Герца был СВЧ или УВЧ искровой передатчик «радиоволн».
1891 : Никола Тесла улучшил передатчик волн Герца радиочастотного энергоснабжения в своём патенте No. 454,622, «Система электрического освещения».
1893 : Тесла демонстрирует беспроводное освещение люминесцентными лампами в проекте для Колумбовской всемирной выставки в Чикаго .
1894 : Тесла зажигает без проводов лампу накаливания в лаборатории на Пятой авеню , а позже в лаборатории на Хьюстон стрит в Нью-Йорке, с помощью «электродинамической индукции », то есть посредством беспроводной резонансной взаимоиндукции .
1894 : Джагдиш Чандра Боше дистанционно воспламеняет порох и ударяет в колокол с использованием электромагнитных волн, показывая, что сигналы связи можно посылать без проводов.
1895 : А. С. Попов продемонстрировал изобретённый им радиоприёмник на заседании физического отделения Русского физико-химического общества 25 апреля (7 мая) года
1895 : Боше передаёт сигнал на расстояние около одной мили.
1896 : Гульельмо Маркони подает заявку на изобретение радио 2 июня 1896 года .
1896 : Тесла передаёт сигнал на расстояние около 48 километров.
1897 : Гульельмо Маркони передает текстовое сообщение азбукой Морзе на расстояние около 6 км, используя для этого радиопередатчик.
1897 : Тесла регистрирует первый из своих патентов по применению беспроводной передачи.
1899 : В Колорадо Спрингс Тесла пишет: «Несостоятельность метода индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха ».
1900 : Гульельмо Маркони не смог получить патент на изобретение радио в Соединённых Штатах.
1901 : Маркони передаёт сигнал через Атлантический океан, используя аппарат Тесла.
1902 : Тесла против Реджинальда Фессендена: конфликт американского патента No. 21,701 «Система передачи сигналов (беспроводная). Избирательное включение ламп накаливания, электронные логические элементы в целом».
1904 : На Всемирной выставке в Сент-Луисе предлагается премия за успешную попытку управления двигателем дирижабля мощностью 0,1 л.с. (75 Вт) от энергии, передаваемой дистанционно на расстояние менее 100 футов (30 м).
1917 : Разрушена Башня Ворденклиф , построенная Никола Тесла для проведения опытов по беспроводной передаче больших мощностей.
1926 : Шинтаро Уда и Хидецугу Яги публикуют первую статью «о регулируемом направленном канале связи с высоким усилением », хорошо известном как «антенна Яги-Уда» или антенна «волновой канал».
1961 : Уильям Браун публикует статью по исследованию возможности передачи энергии посредством микроволн.
1964 : Уильям Браун и Уолтер Кроникт демонстрируют на канале CBS News модель вертолета, получающего всю необходимую ему энергию от микроволнового луча.
1968 : Питер Глейзер предлагает беспроводную передачу солнечной энергии из космоса с помощью технологии «Энергетический луч». Это считается первым описанием орбитальной энергетической системы .
1973 : Первая в мире пассивная система RFID продемонстрирована в Лос-Аламосской Национальной лаборатории.
1975 : Комплекс дальней космической связи Голдстоун проводит эксперименты по передаче мощности в десятки киловатт.
2007 : Исследовательская группа под руководством профессора Марина Солячича из Массачусетского технологического института передала беспроводным способом на расстояние 2 м мощность, достаточную для свечения лампочки 60 вт, с к.п.д. 40 %, с помощью двух катушек диаметром 60 см.
2008 : Фирма Bombardier предлагает новый продукт для беспроводной передачи PRIMOVE, мощная система для применения в трамваях и двигателях малотоннажной железной дороги.
2008 : Корпорация Intel воспроизводит опыты Никола Тесла 1894 года и группы Джона Брауна 1988 года по беспроводной передаче энергии для свечения ламп накаливания с к.п.д. 75 %.
2009 : Консорциум заинтересованных компаний, названный Wireless Power Consortium, объявил о скором завершении разработки нового промышленного стандарта для маломощных индукционных зарядных устройств.
2009 : Представлен промышленный фонарь, способный безопасно работать и перезаряжаться бесконтактным способом в атмосфере, насыщенной огнеопасным газом. Это изделие было разработано норвежской компанией Wireless Power & Communication .
2009 : Haier Group представила первый в мире полностью беспроводной LCD телевизор, основанный на исследованиях профессора Марина Солячича по беспроводной передаче энергии и беспроводном домашнем цифровом интерфейсе (WHDI).

Технология (ультразвуковой метод)

Изобретение студентов университета Пенсильвании. Впервые широкой публике установка была представлена на выставке The All Things Digital (D9) в 2011 году. Как и в других способах беспроводной передачи чего-либо, используется приёмник и передатчик. Передатчик излучает ультразвук, приёмник, в свою очередь, преобразует слышимое в электричество. На момент презентации расстояние передачи достигает 7-10 метров, необходима прямая видимость приёмника и передатчика. Из известных характеристик - передаваемое напряжение достигает 8 вольт, однако не сообщается получаемая сила тока. Используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Также нет сведений и об отрицательном воздействии на животных.

Метод электромагнитной индукции

Техника беспроводной передачи методом электромагнитной индукции использует ближнее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны. Энергия ближнего поля сама по себе не является излучающей, однако некоторые радиационные потери все-же происходят. Кроме того, как правило, имеют место и резистивные потери. Благодаря электродинамической индукции, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создает переменное магнитное поле, которое действует на вторичную обмотку, индуцируя в ней электрический ток. Для достижения высокой эффективности взаимодействие должно быть достаточно тесным. По мере удаления вторичной обмотки от первичной, все большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. Даже на относительно небольших расстояниях индуктивная связь становится крайне неэффективной, расходуя большую часть передаваемой энергии впустую.

Электрический трансформатор является простейшим устройством для беспроводной передачи энергии. Первичная и вторичная обмотки трансформатора прямо не связаны. Передача энергии осуществляется посредством процесса, известного как взаимная индукция. Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения. Бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щеток являются примерами использования принципа электродинамической индукции. Индукционные плиты также используют этот метод. Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приемник должен находиться в непосредственной близости к передатчику для того, чтобы эффективно с ним взаимодействовать.

Использование резонанса несколько увеличивает дальность передачи. При резонансной индукции передатчик и приемник настроены на одну частоту. Производительность может быть улучшена еще больше путем изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Импульсная передача энергии происходит в течение нескольких циклов. Таким образом, значительная мощность может быть передана между двумя взаимно настроенными LC-цепями с относительно невысоким коэффициентом связи. Передающая и приемная катушки, как правило, представляют собой однослойные соленоиды или плоскую спираль с набором конденсаторов, которые позволяют настроить принимающий элемент на частоту передатчика.

Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка аккумуляторных батарей портативных устройств, таких как портативные компьютеры и сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили. Техника локализованной зарядки использует выбор соответствующей передающей катушки в структуре массива многослойных обмоток. Резонанс используется как в панели беспроводной зарядки (передающем контуре), так и в модуле приемника (встроенного в нагрузку) для обеспечения максимальной эффективности передачи энергии. Такая техника передачи подходит универсальным беспроводным зарядным панелям для подзарядки портативной электроники, такой, например, как мобильные телефоны. Техника принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi.

Резонансная электродинамическая индукция также используется для питания устройств, не имеющих аккумуляторных батарей, таких как RFID-метки и бесконтактные смарт-карты, а также для передачи электрической энергии от первичного индуктора винтовому резонатору трансформатора Теслы, также являющимся беспроводным передатчиком электрической энергии.

Электростатическая индукция

Переменный ток может передаваться через слои атмосферы, имеющие атмосферное давление менее 135 мм рт. ст. Ток протекает посредством электростатической индукции через нижние слои атмосферы примерно в 2-3 милях над уровнем моря и благодаря потоку ионов, то есть, электрической проводимости через ионизированную область, расположенную на высоте выше 5 км. Интенсивные вертикальные пучки ультрафиолетового излучения могут быть использованы для ионизации атмосферных газов непосредственно над двумя возвышенными терминалами, приводя к образованию плазменных высоковольтных линий электропередач, ведущих прямо к проводящим слоям атмосферы. В результате между двумя возвышенными терминалами образуется поток электрического тока, проходящий до тропосферы, через нее и обратно на другой терминал. Электропроводность через слои атмосферы становится возможной благодаря емкостному плазменному разряду в ионизированной атмосфере.

Никола Тесла обнаружил, что электроэнергия может передаваться и через землю, и через атмосферу. В ходе своих исследований он добился возгорания лампы на умеренных расстояниях и зафиксировал передачу электроэнергии на больших дистанциях. Башня Ворденклиф задумывался как коммерческий проект по трансатлантической беспроводной телефонии и стал реальной демонстрацией возможности беспроводной передачи электроэнергии в глобальном масштабе. Установка не была завершена из-за недостаточного финансирования.

Земля является естественным проводником и образует один проводящий контур. Обратный контур реализуется через верхние слои тропосферы и нижние слои стратосферы на высоте около 4.5 миль (7.2 км).

Глобальная система передачи электроэнергии без проводов, так называемая "Всемирная беспроводная система", основанная на высокой электропроводности плазмы и высокой электропроводности земли, была предложена Николой Тесла в начале 1904 года и вполне могла стать причиной Тунгусского метеорита , возникшего в результате "короткого замыкания" между заряженной атмосферой и землей.

Всемирная беспроводная система

Ранние эксперименты известного сербского изобретателя Никола Теслы касались распространения обычных радиоволн, то есть волн Герца, электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве.

В 1919 году Никола Тесла писал: «Считается, что я начал работу над беспроводной передачей в 1893 году, но на самом деле два предыдущих года я проводил исследования и конструировал аппаратуру. Для меня было ясно с самого начала, что успех можно достичь благодаря ряду радикальных решений. Высокочастотные генераторы и электрические осцилляторы должны были быть созданы в первую очередь. Их энергию необходимо было преобразовать в эффективных передатчиках и принять на расстоянии надлежащими приемниками. Такая система была бы эффективна в случае исключения любого постороннего вмешательства и обеспечения ее полной эксклюзивности. Со временем, однако, я осознал, что для эффективной работы устройств такого рода они должны разрабатываться с учетом физических свойств нашей планеты».

Одним из условий создания всемирной беспроводной системы является строительство резонансных приемников. Заземленный винтовой резонатор катушки Теслы и расположенный на возвышении терминал могут быть использованы в качестве таковых. Тесла лично неоднократно демонстрировал беспроводную передачу электрической энергии от передающей к приемной катушке Теслы. Это стало частью его беспроводной системы передачи (патент США № 1119732, Аппарат для передачи электрической энергии, 18 января 1902 г.). Тесла предложил установить более тридцати приемо-передающих станций по всему миру. В этой системе приемная катушка действует как понижающий трансформатор с высоким выходным током. Параметры передающей катушки тождественны приемной.

Целью мировой беспроводной системы Теслы являлось совмещение передачи энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которое бы позволило избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействие объединению электрических генерирующих в глобальном масштабе.

См. также

Энергетический луч

Примечания

«Electricity at the Columbian Exposition», by John Patrick Barrett. 1894, pp. 168-169 (англ.)
Experiments with Alternating Currents of Very High Frequency and Their Application to Methods of Artificial Illumination, AIEE, Columbia College, N.Y., May 20, 1891 (англ.)
Experiments with Alternate Currents of High Potential and High Frequency, IEE Address, London, February 1892 (англ.)
On Light and Other High Frequency Phenomena, Franklin Institute, Philadelphia, February 1893 and National Electric Light Association, St. Louis, March 1893 (англ.)
The Work of Jagdish Chandra Bose: 100 years of mm-wave research (англ.)
Jagadish Chandra Bose (англ.)
Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power, pp. 26-29. (англ.)
June 5, 1899, Nikola Tesla Colorado Spring Notes 1899-1900, Nolit, 1978 (англ.)
Nikola Tesla: Guided Weapons & Computer Technology (англ.)
The Electrician (London), 1904 (англ.)
Scanning the Past: A History of Electrical Engineering from the Past, Hidetsugu Yagi
A survey of the elements of power Transmission by microwave beam, in 1961 IRE Int. Conf. Rec., vol.9, part 3, pp.93-105 (англ.)
IEEE Microwave Theory and Techniques, Bill Brown’s Distinguished Career (англ.)
Power from the Sun: Its Future, Science Vol. 162, pp. 957-961 (1968)
Solar Power Satellite patent (англ.)
History of RFID (англ.)
Space Solar Energy Initiative (англ.)
Wireless Power Transmission for Solar Power Satellite (SPS) (Second Draft by N. Shinohara), Space Solar Power Workshop, Georgia Institute of Technology (англ.)
W. C. Brown: The History of Power Transmission by Radio Waves: Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on September, 1984, v. 32 (9), pp. 1230-1242 (англ.)
Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances (англ.) . Science (7 June 2007). Архивировано ,
Заработал новый способ беспроводной передачи электричества (рус.) . MEMBRANA.RU (8 июня 2007). Архивировано из первоисточника 29 февраля 2012. Проверено 6 сентября 2010.
Bombardier PRIMOVE Technology
Intel imagines wireless power for your laptop (англ.)
wireless electricity specification nearing completion
TX40 and CX40, Ex approved Torch and Charger (англ.)
Haier’s wireless HDTV lacks wires, svelte profile (video) (англ.) ,
Беспроводное электричество поразило своих создателей (рус.) . MEMBRANA.RU (16 февраля 2010). Архивировано из первоисточника 26 февраля 2012. Проверено 6 сентября 2010.
Eric Giler demos wireless electricity | Video on TED.com
"Nikola Tesla and the Diameter of the Earth: A Discussion of One of the Many Modes of Operation of the Wardenclyffe Tower," K. L. Corum and J. F. Corum, Ph.D. 1996
William Beaty, Yahoo Wireless Energy Transmission Tech Group Message #787 , reprinted in WIRELESS TRANSMISSION THEORY .
Wait, James R., The Ancient and Modern History of EM Ground-Wave Propagation," IEEE Antennas and Propagation Magazine , Vol. 40, No. 5, October 1998.
SYSTEM OF TRANSMISSION OF ELECTRICAL ENERGY , Sept. 2, 1897, U.S. Patent No. 645,576, Mar. 20, 1900.

I have to say here that when I filed the applications of September 2, 1897, for the transmission of energy in which this method was disclosed, it was already clear to me that I did not need to have terminals at such high elevation, but I never have, above my signature, announced anything that I did not prove first. That is the reason why no statement of mine was ever contradicted, and I do not think it will be, because whenever I publish something I go through it first by experiment, then from experiment I calculate, and when I have the theory and practice meet I announce the results.

At that time I was absolutely sure that I could put up a commercial plant, if I could do nothing else but what I had done in my laboratory on Houston Street; but I had already calculated and found that I did not need great heights to apply this method. My patent says that I break down the atmosphere "at or near" the terminal. If my conducting atmosphere is 2 or 3 miles above the plant, I consider this very near the terminal as compared to the distance of my receiving terminal, which may be across the Pacific. That is simply an expression. . . .

Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power

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.

Со времен открытия электричества человеком многие ученые пытаются изучить удивительное явление токов и повысить полезный коэффициент действия, проводя многочисленные опыты и изобретая более современные материалы, обладающие улучшенными свойствами передачи энергии с нулевым сопротивлением. Наиболее перспективным направлением в подобном научном труде является беспроводная передача электроэнергии на большие расстояния и с минимальными затратами на транспортировку. В данной статье рассмотрены способы передачи энергии на расстояние, а также виды устройств для подобных действий.

Беспроводная передача энергии – это способ транспортировки, при котором не используются какие-либо проводники или сети кабелей, а ток передается на значительное расстояние до потребителя с максимальным коэффициентом полезной мощности по воздуху. Для этого применяются устройства для генерации электричества, а также передатчик, который накапливает в себе ток и рассеивает его во всех направлениях, а также приемник с потребляющим прибором. Приемник улавливает электромагнитные волны и поля и путем их концентрации на коротком участке проводника передает энергию на лампу или любой другой прибор определенной мощности.

Существует множество способов для беспроводной передачи электричества, которые изобретались в процессе изучения токов многими учеными, но наибольших результатов в практическом плане добился Никола Тесла. Он сумел изготовить передатчик и приемник, которые были отдалены друг от друга на расстояние, равное 48 километрам. Но в то время не существовало технологий, которые смогли бы передать электричество на такую дистанцию с коэффициентом выше 50%. В связи с этим ученый выражал большую перспективу не для передачи готовой сгенерированной энергии, а для вырабатывания тока из магнитного поля земли и использования его в бытовых нуждах. Транспортировка подобного электричества должна была осуществляться беспроводным способом, путем передачи по магнитным полям.

Способы беспроводной передачи электричества

Большинство теоретиков и практиков, изучающих работу электрического тока, предлагали свои методы передачи его на расстояние без использования проводников. В начале подобных исследований многие ученые пытались заимствовать практику из принципа работы радиоприемников, которые используются для передачи азбуки Морзе или коротковолнового радио. Но такие технологии не оправдали себя, так как рассеивание тока было слишком малым и не могло покрыть большие расстояния, к тому же транспортировка электричества по радиоволнам была возможна только при работе с малыми мощностями, не способными приводить в действие даже самый простейший механизм.

В результате экспериментов было выявлено, что для передачи электричества без провода наиболее приемлемы СВЧ волны, которые имеют более устойчивую конфигурацию и напряжение, а также при рассеивании теряют гораздо меньше энергии, чем любой другой метод.

Впервые успешно применить данный способ смог изобретатель и конструктор Вильям Браун, который смоделировал летающую платформу, состоящую из металлической площадки с двигателем, мощностью около 0,1 лошадиной силы. Платформа была выполнена в виде принимающей антенны с сеткой, улавливающей СВЧ волны, которые передавались специально сконструированным генератором. Через всего четырнадцать лет тот же конструктор представил летательный аппарат малой мощности, который принимал энергию от передатчика на расстоянии 1,6 километра, ток передавался сконцентрированным пучком по СВЧ волнам. К сожалению, широкого распространения данный труд не получил, так как на тот момент не существовало технологий, которые могли бы обеспечить транспортировку таким методом тока с высоким напряжением, хотя коэффициент полезного действия приемника и генератора был равен более 80%.

В 1968 году американские ученые разработали проект, подкрепленный научным трудом, в котором предлагалось размещение больших солнечных батарей на околоземной орбите. Приемники энергии должны были быть направлены на солнце, а в их основании размещались накопители тока. После поглощения солнечной радиации и трансформации ее в СВЧ или магнитные волны через специальное устройство ток направлялся на землю. Прием должен был осуществляться специальной антенной большой площади, настроенной на определенную волну и преобразующей волны в постоянный или переменный ток. Такая система была высоко оценена во многих странах как перспективная альтернатива современным источникам электричества.

Питание электрокара беспроводным способом

Многие производители автомобилей, работающих на электрическом токе, проводят разработки альтернативной подзарядки авто без его подключения к сети. Больших успехов в этой области добилась технология зарядки транспорта от специального дорожного полотна, когда машина принимала энергию от покрытия, заряженного магнитным полем или СВЧ волнами. Но подобная подпитка была возможна только при условии, когда расстояние между дорогой и приемным устройством было не более 15 сантиметров, что в современных условиях не всегда исполнимо.

Данная система находится на стадии разработок, поэтому можно предполагать, что подобный тип передачи питания без проводника еще получит свое развитие и, возможно, будет внедряться в современную транспортную индустрию.

Современные разработки передачи энергии

В современных реалиях беспроводное электричество вновь становится актуальным направлением изучения и конструирования приборов. Существуют наиболее перспективные пути развития беспроводной передачи энергии, к которым относятся:

Использование электричества в горной местности, в случаях, когда нет возможности проложить несущие кабеля до потребителя. Несмотря на изученность вопроса электричества, на земле имеются места, в которых нет электроэнергии, и проживающие там люди не могут пользоваться таким благом цивилизации. Конечно, часто там применяются автономные источники питания, такие как солнечные батареи или генераторы, но данный ресурс ограничен и не может восполнить потребности в полном объеме;
Некоторые производители современной бытовой техники уже внедряют в свою продукцию устройства для передачи энергии без проводов. Например, на рынке предлагается специальный блок, который подключается к сетевому питанию и путем преобразования постоянного тока в СВЧ волны передает их окружающим приборам. Единственное условие использования данного прибора – это наличие у бытовой техники принимающего устройства, преобразующего данные волны в постоянный ток. В продаже имеются телевизоры, которые полностью работают от принимаемой от передатчика беспроводной энергии;
В военных целях, в большинстве случаев в оборонной сфере, существуют разработки приборов связи и других вспомогательных устройств.

Большой прорыв в данной сфере технологий произошел в 2014 году, когда группа ученых разработала устройство для генерации и приема энергии на расстояние без проводов, используя при этом систему линз, размещенных между передающей и приемной катушками. Ранее считалось, что передача тока без проводника возможна на дистанцию, не превышающую размер приборов, поэтому для транспортировки электричества на большое расстояние требовалось огромное сооружение. Но современные конструкторы изменили принцип работы данного устройства и создали передатчик, направляющий не СВЧ волны, а магнитные поля с низкими частотами. Электроны в данном случае не теряют мощность и передаются на расстояние сконцентрированным пучком, к тому же потребление энергии возможно, не только подключившись к приемной детали, но и просто находясь в зоне действия полей.

К сведению. Первым прибором, который будет принимать беспроводную энергию, технологи планируют сделать мобильный телефон или планшетный компьютер, разработки такой системы уже ведутся.

Наиболее перспективные направления

Беспроводное электричество постоянно изучается многими физиками, рассматриваются наиболее перспективные направления в данной сфере, к которым относятся:

Подзарядка мобильных устройств без подключения к кабелю;
Осуществление питания для беспилотных летательных аппаратов – это направление, которое будет пользоваться большим спросом и в гражданской, и в военной индустрии, так как подобные устройства в последнее время стали часто использоваться для различных целей.

Сама процедура передачи данных на расстояние без использования проводов некоторое время назад считалась прорывом в исследованиях физики и энергетики, сейчас это уже никого не удивляет и стало доступным для любого человека. Благодаря современному развитию технологий и разработкам, транспортировка электроэнергии таким методом становится реальностью и вполне может быть воплощена в жизнь.