Беспроводная передача электроэнергии тесла. Введение в беспроводную передачу электрической энергии
В 1891 Никола Тесла сконструировал резонансный трансфоpматоp (тpансфоpматоp Тесла), позволяющий получать высокочастотные колебания напряжения с амплитудой до миллиона вольт, и первым указал на физиологическое воздействие токов высокой частоты. Наблюдаемые во время грозы стоячие волны электрического поля привели Тесла к идее о возможности создания системы для обеспечения электроэнеpгией удаленных от генеpатоpа потребителей энергии без использования проводов. Изначально катушка Тесла использовалась с целью передачи энергии на большие расстояния без проводов, но вскоре эта идея отошла на последний план, так как передать таким образом энергию на расстояние практически невозможно, причиной этому является маленький КПД катушки Тесла.
Трансформатор Тесла, или катушка Тесла, - единственное из изобретений Николы Тесла, носящих его имя сегодня. Это классический резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение при высокой частоте. Это устройство использовалось ученым в нескольких размерах и вариациях для его экспериментов. Прибор был заявлен патентом № 568176 от 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».
Существует 3 вида катушек Тесла:
SGTC-spark gap Tesla coil - катушка Тесла на искровом промежутке.
VTTC-vacuum tube Tesla coil - катушка Тесла на радиолампе.
SSTC-solid state Tesla coil - катушка тесла на более сложных деталях.
Описание конструкции трансформатора. В элементарной форме состоит из двух катушек - первичной и вторичной, а также обвязки, состоящей из разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатора и терминала (на схеме показан как «выход»). В отличие от многих других трансформаторов, здесь нет никакого ферримагнитного сердечника. Таким образом, взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у обычных трансформаторов с ферримагнитным сердечником. У данного трансформатора также практически отсутствует магнитный гистерезис, явления задержки изменения магнитной индукции относительно изменения тока и другие недостатки, вносимые присутствием в поле трансформатора ферромагнетика. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент - разрядник (искровой промежуток). Разрядник, в простейшем случае, обыкновенный газовый; выполненный обычно из массивных электродов.
Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора выполняет ёмкостная связь между тороидом, оконечным устройством, витками самой катушки и другими электропроводящими элементами контура с Землей. Оконечное устройство (терминал) может быть выполнено в виде диска, заточенного штыря или сферы. Терминал предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины. Геометрия и взаимное положение частей трансформатора Тесла сильно влияют на его работоспособность, что аналогично проблематике проектирования любых высоковольтных и высокочастотных устройств.
Ещё одно интересное устройство - генератор Ван де Граафа. Это генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Первый генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 и позволял получать разность потенциалов до 80 киловольт. В 1931 и 1933 были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения до 7 миллионов вольт. Схема генератора Ван де Граафа:
Большой полый металлический электрод, имеющий вид полусферического купола, установлен на высоковольтной изолирующей колонне. В полость электрода заходит верхний конец ленточного транспортера электрических зарядов, представляющий собой бесконечный резиновый ремень на текстильной основе, натянутый на два металлических шкива и движущийся обычно со скоростью 20 - 40 м/сек. Нижний шкив, установленный на металлической плите, вращается электродвигателем. Верхний шкив размещается под высоковольтным электродом-куполом и находится под полным напряжением машины. Там же находится система питания источника ионов и сам источник. Нижний конец ленты проходит мимо электрода поддерживаемого обычным высоковольтным источником под высоким относительно земли напряжением до 100 кВ. В результате коронного разряда электроны с ленты переносятся на электрод. Положительный заряд поднимаемой транспортером ленты компенсируется вверху электронами купола, который получает положительный заряд. Максимально достижимый потенциал ограничивается изолирующими свойствами колонны и воздуха вокруг нее. Чем больше электрод, тем выше потенциал он может выдержать. Если установка герметически закрыта и внутреннее пространство наполнено сухим сжатым газом, размеры электрода для данного потенциала могут быть уменьшены. Заряженные частицы ускоряются в откачанной трубке, расположенной между высоковольтным электродом и «землей» или между электродами, если их два. С помощью генератора Ван-де-Граафа может быть получен очень высокий потенциал, что позволяет ускорять электроны, протоны и дейтроны до энергии 10 Мэв, а альфа-частицы, несущие двойной заряд до 20 Мэв. Энергию заряженных частиц на выходе генератора можно легко контролировать с большой точностью, что делает возможными точные измерения. Ток пучка протонов в постоянном режиме 50 мкА, а в импульсном режиме может быть доведен до 5 мА.
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.
Видео
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.
Когда компания Apple представила свое первое беспроводное зарядное устройство для сотовых телефонов и гаджетов, многие посчитали это революцией и огромным скачком вперед в беспроводных способах передачи энергии.
Но были ли они первопроходцами или еще до них, кому-то удавалось проделать нечто похожее, правда без должного маркетинга и пиара? Оказывается были, притом очень давно и изобретателей таких было множество.
Так еще в далеком 1893г прославленный Никола Тесла, продемонстрировал изумленной публике свечение люминесцентных ламп. При том, что все они были без проводов.
Сейчас такой фокус может повторить любой школьник, выйдя в чистое поле и встав с лампой дневного света под линию высокого напряжения от 220кв и выше.
Чуть попозже, Тесла уже сумел зажечь таким же беспроводным способом фосфорную лампочку накаливания.
В России в 1895г А.Попов показал в работе первый в мире радиоприемник. А ведь по большому счету это тоже является беспроводной передачей энергии.
Самый главный вопрос и одновременно проблема всей технологии беспроводных зарядок и подобных методов заключается в двух моментах:
- как далеко можно передать электроэнергию таким способом
- и какое количество
Для начала давайте разберемся, какую мощность имеют приборы и бытовая техника нас окружающие. Например для телефона, смартчасов или планшета требуется максимум 10-12Вт.
У ноутбука запросы уже побольше - 60-80Вт. Это можно сравнить со средней лампочкой накаливания. А вот бытовая техника, особенно кухонная, кушает уже несколько тысяч ватт.
Поэтому очень важно не экономить с количеством розеток на кухне.
Так какие же методы и способы для передачи эл.энергии без применения кабелей или любых других проводников, придумало человечество за все эти годы. И самое главное, почему они до сих пор не внедрены столь активно в нашу жизнь, как того хотелось бы.
Взять ту же самую кухонную технику. Давайте разбираться подробнее.
Передача энергии через катушки
Самый легко реализуемый способ - использование катушек индуктивности.
Здесь принцип очень простой. Берутся 2 катушки и размещаются недалеко друг от друга. На одну из них подается питание. Другая играет роль приемника.
Когда в источнике питания регулируется или изменяется сила тока, на второй катушке магнитный поток автоматически также изменяется. Как гласят законы физики, при этом будет возникать ЭДС и она будет напрямую зависеть от скорости изменения этого потока.
Казалось бы все просто. Но недостатки портят всю радужную картинку. Минусов три:
- маленькая мощность
Данным способом вы не передадите большие объемы и не сможете подключить мощные приборы. А попытаетесь это сделать, то просто поплавите все обмотки.
- небольшое расстояние
Даже не задумывайтесь здесь о передаче электричества на десятки или сотни метров. Такой способ имеет ограниченное действие.
Чтобы физически понять, насколько все плохо, возьмите два магнита и прикиньте, как далеко их нужно развести, чтобы они перестали притягиваться или отталкиваться друг от друга. Вот примерно такая же эффективность и у катушек.
Можно конечно исхитриться и добиться того, чтобы эти два элемента всегда были близко друг от друга. Например электромобиль и специальная подзаряжающая дорога.
Но в какие суммы выльется строительство таких магистралей.
- малый КПД
Еще одна проблема это низкий КПД. Он не превышает 40%. Получается, что таким способом передать много эл.энергии на большие расстояния вы не сможете.
Тот же Н.Тесла указал на это еще в 1899г. Позже он перешел на эксперименты с атмосферным электричеством, рассчитывая в нем найти разгадку и решение проблемы.
Однако какими бы не казались бесполезными все эти штуки, с их помощью до сих пор можно устраивать красивые светомузыкальные представления.
Или подзаряжать технику гораздо большую чем телефоны. Например электрические велосипеды.
Лазерная передача энергии
Но как же передать больше энергии на большее расстояние? Задумайтесь, в каких фильмах подобную технологию мы видим очень часто.
Первое что приходит на ум даже школьнику - это "Звездные войны", лазеры и световые мечи.
Безусловно, с их помощью можно передать большое количество эл.энергии на очень приличные расстояния. Но опять все портит маленькая проблемка.
К нашему счастью, но несчастью для лазера, на Земле есть атмосфера. А она как раз таки хорошо глушит и кушает большую часть всей энергии лазерного излучения. Поэтому с данной технологией нужно идти в космос.
На Земле также были попытки и эксперименты по проверке работоспособности метода. Nasa даже устраивали состязания по лазерной беспроводной передаче энергии с призовым фондом чуть менее 1млн.$.
В итоге выиграла компания Laser Motive. Их победный результат - 1км и 0,5квт переданной непрерывной мощности. Правда при этом в процессе передачи, ученые потеряли 90% всей изначальной энергии.
Но все равно, даже с КПД в десять процентов, результат посчитали успешным.
Напомним, что у простой лампочки полезной энергии, которая идет непосредственно на свет, и того меньше. Поэтому из них и выгодно изготавливать инфракрасные обогреватели. 
Микроволны
Неужели нет другого реально работающего способа передать электричество без проводов. Есть, и его изобрели еще до попыток и детских игр в звездные войны.
Оказывается, что специальные микроволны с длиной в 12см (частота 2,45Ггц), являются как бы прозрачными для атмосферы и она им не мешает в распространении.
Какой бы ни была плохой погода, при передаче с помощью микроволн, вы потеряете всего пять процентов! Но для этого вы сначала должны преобразовать электрический ток в микроволны, затем их поймать и опять вернуть в первоначальное состояние.
Первую проблему ученые решили очень давно. Они изобрели для этого специальное устройство и назвали его магнетрон.
Причем это было сделано настолько профессионально и безопасно, что сегодня каждый из вас у себя дома имеет такой аппарат. Зайдите на кухню и обратите внимание на свою микроволновку.
У нее внутри стоит тот самый магнетрон с КПД равным 95%.
Но вот как сделать обратное преобразование? И тут было выработано два подхода:
- Американский
- Советский
В США еще в шестидесятых годах ученый У.Браун придумал антенну, которая и выполняла требуемую задачу. То есть преобразовывала падающее на него излучение, обратно в электрический ток.
Он даже дал ей свое название - ректенна.
После изобретения последовали опыты. И в 1975г при помощи ректенны, было передано и принято целых 30 квт мощности на расстоянии более одного километра. Потери при передаче составили всего 18%.
Спустя почти полвека, этот опыт до сих так никто и не смог превзойти. Казалось бы метод найден, так почему же эти ректенны не запустили в массы?
И тут опять всплывают недостатки. Ректенны были собраны на основе миниатюрных полупроводников. Нормальная работа для них - это передача всего нескольких ватт мощности.
А если вы захотите передать десятки или сотни квт, то готовьтесь собирать гигантские панели.
И вот тут как раз таки появляются не разрешимые сложности. Во-первых, это переизлучение.
Мало того, что вы потеряете из-за него часть энергии, так еще и приблизиться к панелям без потери своего здоровья не сможете.
Вторая головная боль - нестабильность полупроводников в панелях. Достаточно из-за малой перегрузки перегореть одному, и остальные выходят из строя лавинообразно, подобно спичкам.
В СССР все было несколько иначе. Не зря наши военные были уверены, что даже при ядерном взрыве, вся зарубежная техника сразу выйдет из строя, а советская нет. Весь секрет тут в лампах.
В МГУ два наших ученых В.Савин и В.Ванке, сконструировали так называемый циклотронный преобразователь энергии. Он имеет приличные размеры, так как собран на основе ламповой технологии.
Внешне это что-то вроде трубки длиной 40см и диаметром 15см. КПД у этого лампового агрегата чуть меньше, чем у американской полупроводниковой штуки - до 85%.
Но в отличие от полупроводниковых детекторов, циклотронный преобразователь энергии имеет ряд существенных достоинств:
- надежность
- стойкость к перегрузкам
- отсутствие переизлучения
- невысокая цена изготовления
Однако несмотря на все вышесказанное, во всем мире передовым считаются именно полупроводниковые методы реализации проектов. Здесь тоже присутствует свой элемент моды.
После первого появления полупроводников, все резко начали отказываться от ламповых технологий. Но практические испытания говорят о том, что это зачастую неправильный подход.
Конечно, ламповые сотовые телефоны по 20кг или компьютеры, занимающие целые комнаты никому не интересны.
Но иногда только проверенные старые методы, могут нас выручить в безвыходных ситуациях. 
В итоге на сегодняшний день, мы имеем три возможности передать энергию без проводов. Самый первый из рассмотренных ограничен как расстоянием, так и мощностью.
Но этого вполне хватит, чтобы зарядить батарейку смартфона, планшета или чего-то побольше. КПД хоть и маленький, но метод все же рабочий.
Первый из них начинался очень обнадеживающе. В 2000-х годах на о.Реюньон, возникла потребность в постоянной передаче 10кВт мощности на расстояние в 1км.
Горный рельеф и местная растительность, не позволяли проложить там ни воздушные линии электропередач, ни кабельные.
Все перемещения на острове в эту точку осуществлялось исключительно на вертолетах.
Для решения проблемы в одну команду были собраны лучшие умы из разных стран. В том числе и ранее упоминавшиеся в статье, наши ученые из МГУ В.Ванке и В.Савин.
Однако в момент, когда должны были приступать к практической реализации и строительству передатчиков и приемников энергии, проект заморозили и остановили. А с началом кризиса в 2008 году и вовсе забросили.
На самом деле это очень обидно, так как теоретическая работа там была проделана колоссальная и достойная реализации.
Второй проект, выглядит более безумным чем первый. Однако на него выделяются реальные средства. Сама идея была высказана еще в 1968г физиком из США П.Глэйзером.
Он предложил на тот момент не совсем нормальную идею - вывести на геостационарную орбиту в 36000 км над землей огромный спутник. На нем расположить солнечные панели, которые будут собирать бесплатную энергию солнца.
Затем все это должно преобразовываться в пучок СВЧ волн и передаваться на землю.
Этакая "звезда смерти" в наших земных реалиях.
На земле пучок нужно поймать гигантскими антеннами и преобразовать в электричество.
Насколько огромны должны быть эти антенны? Представьте, что если спутник будет в диаметре 1км, то на земле приемник должен быть в 5 раз больше - 5км (размер Садового кольца).
Но размеры это всего лишь малая часть проблем. После всех расчетов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы электричество мощностью в 5ГВт. При достижении земли оставалось бы всего 2ГВт. К примеру Красноярская ГЭС дает 6ГВт.
Поэтому его идею рассмотрели, посчитали и отложили в сторонку, так как все изначально упиралось в цену. Стоимость космического проекта в те времена вылезла за 1трлн.$.
Но наука к счастью не стоит на месте. Технологии совершенствуются и дешевеют. Сейчас разработку такой солнечной космической станции уже ведут несколько стран. Хотя в начале двадцатого века для беспроводной передачи электроэнергии хватало всего одного гениального человека.
Общая цена проекта упала от изначальной до 25млрд.$. Остается вопрос - увидим ли мы в ближайшее время его реализацию?
К сожалению никто вам четкого ответа не даст. Ставки делают только на вторую половину нынешнего столетия. Поэтому пока давайте довольствоваться беспроводными зарядками для смартфонов и надеяться что ученым удастся повысить их КПД. Ну или в конце концов на Земле родится второй Никола Тесла.
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.
| 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.