Способы передачи электроэнергии на расстояние. Беспроводная передача электричества
По сути, в 1970-е им были технически реализованы мечты НАТО и США о постоянном воздушном патрулировании Ирака (Ливии, Сирии и т.д.) дронами с камерами, охотящиеся (или фиксирующие) "террористов" в режиме on-line 24 часа.
В 1968 году американский специалист в области космических исследований Питер Е. Глэйзер (Peter E. Glaser) предложил размещать крупные панели солнечных батарей на геостационарной орбите, а вырабатываемую ими энергию (уровня 5-10 ГВт) передавать на поверхность Земли хорошо сфокусированным пучком СВЧ-излучения, преобразовывать её затем в энергию постоянного или переменного тока технической частоты и раздавать потребителям.
Такая схема позволяла использовать интенсивный поток солнечного излучения, существующий на геостационарной орбите (~ 1,4 кВт/кв.м.), и передавать полученную энергию на поверхность Земли непрерывно, вне зависимости от времени суток и погодных условий. За счёт естественного наклона экваториальной плоскости к плоскости эклиптики с углом 23,5 град., спутник, расположенный на геостационарной орбите, освещён потоком солнечной радиации практически непрерывно за исключением небольших отрезков времени вблизи дней весеннего и осеннего равноденствия, когда этот спутник попадает в тень Земли. Эти промежутки времени могут точно предсказываться, а в сумме они не превышают 1% от общей продолжительности года.
Частота электромагнитных колебаний СВЧ-пучка должна соответствовать тем диапазонам, которые выделены для использования в промышленности, научных исследованиях и медицине. Если эта частота выбрана равной 2,45 ГГц, то метеорологические условия, включая густую облачность и интенсивные осадки, практически не влияют на КПД передачи энергии. Диапазон 5,8 ГГц заманчив, поскольку дает возможность уменьшить размеры передающей и приемной антенн. Однако влияние метеорологических условий здесь уже требует дополнительного изучения.
Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком значении КПД передачи энергии СВЧ пучком с геостационарной орбиты на поверхность Земли - порядка 70%÷75%. При этом диаметр передающей антенны обычно бывает выбран равным 1 км, а наземная ректенна имеет размеры 10 км х 13 км для широты местности 35 град. СКЭС с уровнем выходной мощности 5 ГВт имеет плотность излучаемой мощности в центре передающей антенны 23 кВт/м², в центре приемной – 230 Вт/м².
Были исследованы различные типы твёрдотельных и вакуумных СВЧ-генераторов для передающей антенны СКЭС. Вильям Браун показал, в частности, что хорошо освоенные промышленностью магнетроны, предназначенные для СВЧ-печей, могут быть использованы также и в передающих антенных решётках СКЭС, если каждый из них снабдить собственной цепью отрицательной обратной связи по фазе по отношению к внешнему синхронизирующему сигналу (так называемый Magnetron Directional Amplifier - MDA).
Наиболее активно и планомерно исследования в области СКЭС проводила Япония. В 1981 году под руководством профессоров М.Нагатомо (Makoto Nagatomo) и С.Сасаки (Susumu Sasaki) в Институте космических исследований Японии были начаты исследования по разработке прототипа СКЭС с уровнем мощности 10 МВт, который мог бы быть создан с использованием существующих ракетоносителей. Создание такого прототипа позволяет накопить технологический опыт и подготовить основу для формирования коммерческих систем.
Проект был назван СКЭС2000 (SPS2000) и получил признание во многих странах мира.
В 2008 доцент кафедры физики Массачусетского Технологического Института (МИТ) Марин Солджачич (Marin Soljačić) был пробуждён от сладкого сна настойчивым пиканьем мобильного телефона. «Телефон не умолкал, требуя, чтобы я поставил его заряжаться», - рассказывал Солджачич. Уставший и не собиравшийся вставать, он стал мечтать о том, чтобы телефон, оказавшись дома, начинал заряжаться сам по себе.
В 2012-2015 гг. инженеры Вашингтонского университета разработали технологию, позволяющую использовать Wi-Fi в качестве источника энергии для питания портативных устройств и зарядки гаджетов. Технология уже признана журналом Popular Science как одна из лучших инноваций 2015 года. Повсеместное распространение технологии беспроводной передачи данных само по себе произвело настоящую революцию. И вот теперь настала очередь беспроводной передачи энергии по воздуху, которую разработчики из Вашингтонского университета назвали (от Power Over WiFi).
На стадии тестирования исследователи сумели успешно заряжать литий-ионные и никель-металл-гидридные аккумуляторы небольшой емкости. Используя роутер Asus RT-AC68U и несколько сенсоров, расположенных на расстоянии 8,5 метров от него. Эти сенсоры как раз и преобразуют энергию электромагнитной волны в постоянный ток напряжением от 1,8 до 2,4 вольта, необходимых для питания микроконтроллеров и сенсорных систем. Особенность технологии в том, что качество рабочего сигнала при этом не ухудшается. Достаточно лишь перепрошить роутер, и можно будет пользоваться им как обычно, плюс подавать питание к маломощным устройствам. На одной из демонстраций была успешно запитана небольшая камера скрытого наблюдения с низким разрешением, расположенная на расстоянии более 5 метров от роутера. Затем на 41% был заряжен фитнес-трекер Jawbone Up24, на это ушло 2,5 часа.
На каверзные вопросы о том, почему эти процессы не сказываются негативно на качестве работы сетевого канала связи, разработчики ответили, что это становится возможным благодаря тому, что перепрошитый роутер во время своей работы по незанятым передачей информации каналам рассылает пакеты энергии. К этому решению пришли, когда обнаружили, что в периоды молчания энергия попросту утекает из системы, а ведь ее можно направить для питания маломощных устройств.
Во время исследований систему PoWiFi разместили в шести домах, и предложили жильцам пользоваться интернетом как обычно. Загружать веб-страницы, смотреть потоковое видео, а потом рассказать, что изменилось. В результате оказалось, что производительность сети не изменилась никак. То есть интернет работал как обычно, и присутствие добавленной опции не было заметным. И это были лишь первые тесты, когда по Wi-Fi собиралось относительно небольшое количество энергии.
В перспективе технология PoWiFi вполне сможет послужить для питания датчиков, встроенных в бытовую технику и военную технику, чтобы управлять ими беспроводным способом и осуществлять дистанционную зарядку/подзарядку.
Актуальным является передача энергии для БПЛА (вероятнее всего, уже по технологии или от самолёта носителя):
Идея выглядит достаточно заманчиво. Вместо сегодняшних 20-30 минут полётного времени:
→
→
→ Intel управляла шоу беспилотников во время выступления Леди Гаги в перерыве Суперкубка США-
получить 40-80 минут благодаря подзарядке дронов посредством беспроводных технологий.
Поясню:
-обмен м/у дронами всё равно необходим (алгоритм роя);
-обмен м/у дронами и ЛА (маткой) также необходим (ЦУ, коррекция БЗ, перенацеливание, команда на ликвидацию, предотвращающая "дружественный огонь", передача развединформации и команд на применение ).
Кто следующий на очереди?
Прим:
Типичная WiMAX базовая станция излучает мощность на уровне приблизительно +43 дБм (20 Вт), а станция мобильной связи обычно передает на +23 дБм (200 мВт).
Допустимые уровни излучения базовых станций мобильной связи (900 и 1800 МГц, суммарный уровень от всех источников) в санитарно-селитебной зоне в некоторых странах заметно различаются:
Украина: 2,5 мкВт/см². (самая жесткая санитарная норма в Европе)
Россия, Венгрия: 10 мкВт/см².
Москва: 2,0 мкВт/см². (норма существовала до конца 2009 года)
США, Скандинавские страны: 100 мкВт/см².
Временно допустимый уровень (ВДУ) от мобильных радиотелефонов (МРТ) для пользователей радиотелефонов в РФ определён 10 мкВт/см² (Раздел IV - Гигиенические требования к подвижным станциям сухопутной радиосвязи СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03 ).
В США Сертификат выдается Федеральной комиссией по связи (FCC) на сотовые аппараты, максимальный уровень SAR которых не превышает 1,6 Вт/кг (причем поглощенная мощность излучения приводится к 1 грамму ткани органов человека).
В Европе, согласно международной директиве Комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP), значение SAR мобильного телефона не должно превышать 2 Вт/кг (при этом поглощенная мощность излучения приводится к 10 граммам ткани органов человека).
Сравнительно недавно в Великобритании безопасным уровнем SAR считался уровень равный 10 Вт/кг. Такая же примерно картина наблюдалась и в других странах. Принятую в стандарте максимальную величину SAR (1,6 Вт/кг) даже нельзя с уверенностью отнести к «жестким» или к «мягким» нормам. Принятые и в США, и в Европе стандарты определения величины SAR (все нормирование микроволнового излучения от сотовых телефонов, о котором идет речь, базируется только на термическом эффекте, то есть связанном с нагреванием тканей органов человека).
ПОЛНЫЙ ХАОС.
Медицина до сих пор пока не дала внятного ответа на вопрос: вреден ли мобильный/WiFi и насколько? А как будет с беспроводной передачей электроэнергии СВЧ технологиями?
Тут мощности не ватты и мили ватты, а уже кВт...
Ссылки, использованные документы, фото и видео:
«(ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ!» N 12, 2007 (ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ ИЗ КОСМОСА- СОЛНЕЧНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ, В. А. Банке)
«СВЧ-электроника -перспективы в космической энергетике» В.Банке, д.ф.-м.н.
www.nasa.gov
www. whdi.org
www.defense.gov
www.witricity.com
www.ru .pinterest .com
www. raytheon.com
www. ausairpower.net
www. wikipedia.org
www.slideshare.net
www.homes.cs.washington.edu
www.dailywireless.org
www.digimedia.ru
www. powercoup.by
www.researchgate.net
www. proelectro.info
www.youtube.com
Это простая схема, которая может обеспечить энергией электролампочку без каких-либо проводов, на расстоянии почти 2,5 см! Эта схема действует и как повышающий преобразователь напряжения, и как беспроводной передатчик электроэнергии и приемник. Её очень просто сделать и, если усовершенствовать, то можно использовать различными способами. Итак, приступим!
Шаг 1. Необходимые материалы и инструменты.
- NPN транзистор. Я использовал 2N3904, но можно использовать любой NPN транзистор, например, ВС337, BC547 и т.д. (Любой PNP транзистор будет работать, только соблюдайте полярность соединений.)
- Обмоточный или изолированный провод. Около 3-4 метров провода должно быть достаточно (провода обмоточные, просто медные провода с очень тонкой эмалевой изоляцией). Подойдут провода от большинства электронных устройств, таких как трансформаторы, колонки, электродвигатели, реле и т.д.
- Резистор с сопротивлением 1 кОм. Этот резистор будет использоваться для защиты транзистора от перегорания в случае перегрузки или перегрева. Вы можете использовать более высокие значения сопротивления до 4-5 кОм. Можно не использовать резистор, но при этом существует риск более быстрого разряда батареи.
- Светодиод. Я использовал светодиод диаметром 2 мм ультра яркий белый. Вы можете использовать любой светодиод. Фактически назначение светодиода здесь - только показывать работоспособность схемы.
- Батарея размера АА напряжением 1,5 Вольт. (Не используйте батареи высокого напряжения, если не хотите повредить транзистор.)
Необходимые инструменты:
1) Ножницы или нож.
2) Паяльник (Необязательно). Если у вас нет паяльника, можно просто сделать скрутку проводов. Я делал это, когда у меня не было паяльника. Если вы хотите попробовать схему без пайки, это только приветствуется.
3) Зажигалка (Необязательно). Мы будем использовать зажигалку, чтобы сжечь изоляцию на проводе, а затем используем ножницы, или нож, чтобы соскоблить остатки изоляции.
Шаг 2: Посмотрите видео, чтобы узнать, как это сделать
Шаг 3: Краткий повтор всех шагов.
Итак, прежде всего вы должны взять провода, и сделать катушку, намотав 30 витков вокруг круглого цилиндрического объекта. Назовем эту катушку А. С тем же круглым предметом, начинаем делать вторую катушку. После наматывания 15-го витка создать ответвление в виде петли из провода и затем намотайте на катушку еще 15 оборотов. Так что теперь у вас есть катушка с двумя концами и одним ответвлением. Назовем эту катушку В. Свяжите узлы на концах проводов, так чтобы они не раскручивались сами по себе. Обожгите изоляцию на концах проводов и на ответвлении на обоих катушках. Также вы можете использовать ножницы или нож для снятия изоляции. Убедитесь, что диаметры и количество витков обоих катушек равны!
Создайте передатчик: Возьмите транзистор и поместите его так, чтобы плоская его сторона была обращена вверх и обращена к Вам. Контакт слева будет присоединен к излучателю, средний будет базовым, а контакт справа будет присоединен к коллектору. Возьмите резистор и подключите один из его концов к базовому контакту транзистора. Возьмите другой конец резистора и соедините его с одним из концов (не с ответвлением) катушки B. Возьмите другой конец катушки B и подключите его к коллектору транзистора. Если хотите, можете подключить небольшой кусок проволоки к эмиттеру транзистора (Она будет работать в качестве расширения Эмитента.)
Настройте приемник. Чтобы создать приемник, возьмите катушку А и присоедините ее концы к разным контактам вашего светодиода.
Вы собрали схему!
Шаг 4: Принципиальная схема.
Здесь мы видим принципиальную схему нашего соединения. Если вы не знаете каких-то обозначений на схеме, не волнуйтесь. В следующих изображениях все показано.
Шаг 5. Чертеж соединений схемы.
Здесь мы видим объяснительный чертеж соединений нашей цепи.
Шаг 6. Использование схемы.
Просто возьмите ответвление катушки B и присоедините его к положительному концу батареи. Подключите отрицательный полюс батареи к эмиттеру транзистора. Теперь, если вы приближаете катушку с светодиодом к катушке B, светодиод загорается!
Шаг 7. Как это объясняется с научной точки зрения?
(Я просто попытаюсь объяснить науку этого явления простыми словами и аналогиями, и я знаю, что могу ошибиться. Для того, чтобы правильно объяснить сие явление, мне придется углубляться во все подробности, что я не в состоянии сделать, поэтому я просто хочу провести общие аналогии для объяснения схемы).
Схема передатчика, который мы только что создали это схема Осциллятора. Вы, возможно, слышали о так называемой схеме Вор джоулей, так вот она имеет поразительное сходство с цепью, которую мы создали. Схема Вор джоулей принимает электроэнергию от батареи напряжением 1,5 Вольт, выводит электроэнергию с более высоким напряжением, но с тысячами интервалов между ними. Светодиоду достаточно напряжения 3 вольт, чтобы загореться, но в данной схеме он вполне может загореться и с батареей напряжением 1,5 вольт. Так схема Вор джоулей известна как повышающий напряжение конвертер, а также как излучатель. Схема, которую мы создали также является излучателем и конвертером, повышающим напряжение. Но может возникнуть вопрос: "Как зажечь светодиод на расстоянии?" Это происходит из-за индукции. Для этого можно, к примеру, использовать трансформатор. Стандартный трансформатор имеет сердечник с обеих своих сторон. Предположим, что провод на каждой стороне трансформатора равен по величине. Когда электроток проходит через одну катушку, катушки трансформатора становятся электромагнитами. Если через катушку протекает переменный ток, то колебания напряжения происходят по синусоиде. Поэтому, когда переменный ток протекает через катушку, проволока приобретает свойства электромагнита, а затем снова теряет электромагнетизм, когда падает напряжение. Моток проволоки становится электромагнитом, а затем теряет свои электромагнитные характеристики с такой же скоростью, с какой магнит движется из второй катушки. Когда же магнит быстро движется через катушку провода, вырабатывается электроэнергия, таким образом колебательное напряжение одной катушки на трансформаторе, индуцирует электричество в другой катушке провода, и электричество передается от одной катушки к другой без проводов. В нашей цепи, ядром катушки является воздух, и напряжение переменного тока проходит через первую катушку, таким образом вызывает напряжение во второй катушке и зажигает лампочки!!
Шаг 8. Польза и советы по улучшению.
Таким образом, в нашей схеме мы просто использовали светодиод, чтобы показать эффект схемы. Но мы могли бы сделать больше! Схема приемника получает электричество от переменного тока, так что мы могли бы использовать ее, чтобы осветить люминесцентные лампы! Также с помощью нашей схемы можно делать интересные фокусы, забавные подарки и др. Чтобы максимизировать результаты, вы можете поэкспериментировать с диаметром катушек и числом оборотов на катушках. Также Вы можете попробовать сделать катушки плоскими, и посмотреть, что получится! Возможности безграничны!!
Шаг 9. Причины, по которым схема может не работать.
С какими проблемами вы можете столкнуться и как их возможно исправить:
- Транзистор слишком сильно нагревается!
Решение: Вы использовали резистор с нужными параметрами? Я не использовал резистор в первый раз, и транзистор у меня задымился. Если это не помогает, попробуйте использовать термоусадку или используйте транзистор более высокого класса.
- Светодиод не горит!
Решение: Может быть очень много причин. Для начала проверьте все соединения. Я случайно поменял базу и коллектор в своем соединении, и это стало большой проблемой для меня. Итак, проверьте все связи в первую очередь. Если у вас есть такой прибор, как мультиметр, можете использовать его, чтобы проверить все соединения. Также убедитесь, что обе катушки у вас одного и того же диаметра. Проверьте, вдруг в вашей сети имеется короткое замыкание.
Я не знаю о каких-либо еще проблемах. Но если вы таки с ними столкнулись, дайте мне знать! Я постараюсь помочь, чем смогу. Кроме того, я ученик 9 класса школы и мои научные познания крайне ограничены, и поэтому, если вы обнаружите у меня ошибки, сообщите мне о них. Предложения по улучшению более чем приветствуется. Удачи вам в вашем проекте!
Регулярно просматривая зарубежные достижения в области радиотехники, наткнулся на неплохое устройство беспроводной передачи электроэнергии, выполненное не на каких-то дефицитных микросхемах, а вполне доступное для самостоятельной сборки. Полную документацию на английском можно будет скачать по ссылке , а здесь приведу краткое содержание на русском, в том числе некоторые схемотехнические решения.
Катушки приёмопередатчика тока
Осциллограмма сигнала
В работе представлены несколько похожих принципиальных схем, отличающихся только напряжением и мощностью. В качестве энергетической "антенны" у них служат небольшие катушки из толстого провода, транзисторы - обычные мощные полевые, так что всё это можно собрать самому.
Сразу предупредим - тут речь идёт не о передачи энергии на много метров, подобные устройства подходят скорее для и других похожих девайсах, где расстояние составит несколько сантиметров. Зато мощность, которая "перелетает" по воздуху, доходит до 100 ватт!
Принцип действия
Резонансный преобразователь обычно работает при постоянной рабочей частоте, которая определяется резонансной частотой LC контура. Как только напряжение постоянного тока подается на цепь, она начинает генерировать с помощью транзисторов. Своеобразный мультивибратор, со смещением фазы на 180°. Транзисторы поочередно подключают концы параллельного резонансного контура к массе, что позволяет этому контуру периодически подзарядиться энергией с последующим её излучением в пространство.
Практические схемы
Базовая схема
Фото готового передатчика-приёмника энергии
Подведя итог заметим, что беспроводная передача энергии всё больше внедряется в области потребительской электроники, промышленного, военного и медицинского оборудования. Как беспроводная локальная сеть и Bluetooth, та и беспроводное питание становится актуальным вариантом. Это позволяет избавится от ненадёжных кнопок, кабелей, силовых разъёмов. Другая область применения связана с трансформаторами, которые должны удовлетворять специальным требованиям - иметь усиленную или двойную изоляцию. И главное: электробезопасность! Многие маломощные сетевые бытовые приборы можно запитывать не через шнуры на 220 В, вилки и розетки, а бесконтактным методом - просто придвигая их к нужной поверхности.
Открыл закон (после названный в честь открывателя законом Ампера), показывающий, что электрический ток производит магнитное поле.
- В 2007 году исследовательская группа под руководством профессора Марина Солячича из передала беспроводным способом на расстояние 2 м энергию мощностю, достаточной для свечения лампочки мощностью 60 ватт , с КПД , равным 40 % , с помощью двух катушек диаметром 60 см .
- В 2008 году фирма «Bombardier» предложила систему для беспроводной передачи энергии, названную «primove» и предназначенную для применения в трамваях и двигателях малотоннажной железной дороги .
- В 2008 году сотрудники фирмы Intel воспроизвели опыты Никола Тесла 1894 года и опыты группы Джона Брауна 1988 года по беспроводной передаче энергии для свечения ламп накаливания с КПД , равным 75 % .
- В 2009 году консорциум заинтересованных компаний, названный «Wireless Power Consortium», разработал стандарт беспроводного питания для малых токов, названный « » . Qi стал применяться в портативной технике.
- В 2009 году норвежская компания «Wireless Power & Communication» представила разработанный ею промышленный фонарь, способный безопасно работать и перезаряжаться бесконтактным способом в атмосфере, насыщенной огнеопасным газом.
- В 2009 году фирма «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) .
- В 2011 году «Wireless Power Consortium» приступил к расширению спецификаций стандарта Qi для средних токов.
- В 2012 году начал работу частный петербургский музей «Гранд Макет Россия », в котором миниатюрные модели автомобилей получали электропитание беспроводным способом через модель дорожного полотна.
- В 2015 году учёные из Вашингтонского университета выяснили, что электричество можно передавать посредством технологии Wi-Fi .
Технологии
Ультразвуковой способ
Ультразвуковой способ передачи энергии изобретён студентами университета Пенсильвании и впервые широкой публике представлен на выставке «The All Things Digital» (D9) в 2011 году. Как и в других способах беспроводной передачи чего-либо, использовался приёмник и передатчик. Передатчик излучал ультразвук; приёмник, в свою очередь, преобразовывал слышимое в электричество. На момент презентации расстояние передачи достигало 7-10 метров , и была необходима прямая видимость приёмника и передатчика. Передаваемое напряжение достигало 8 вольт ; получаемая сила тока не сообщается. Используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Также нет сведений и об отрицательном воздействии ультразвуковых частот на животных.
Метод электромагнитной индукции
При беспроводной передаче энергии методом электромагнитной индукции используется ближнее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны. Энергия ближнего поля сама по себе не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Кроме того, как правило, имеют место и резистивные потери. Благодаря электродинамической индукции, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создаёт 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, всё 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 щёток являются примерами использования принципа электродинамической индукции. Индукционные плиты также используют этот метод. Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приёмник 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 приёмник настроены на одну частоту. Производительность может быть улучшена ещё больше путём 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 приёмная 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 приёмника (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 являющемуся беспроводным передатчиком электрической энергии.
Электростатическая индукция
Лазерный метод
В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к видимой области спектра (от 10 мкм до 10 нм ), энергию можно передать путём её преобразования в луч лазера , который затем может быть направлен на фотоэлемент приёмника.
Лазерная передача энергии по сравнению с другими методами беспроводной передачи обладает рядом преимуществ:
- передача энергии на большие расстояния (за счёт малой величины угла расходимости между узкими пучками монохроматической световой волны);
- удобство применения для небольших изделий (благодаря небольшим размерам твердотельного лазера - фотоэлектрического полупроводникового диода);
- отсутствие радиочастотных помех для существующих средств связи, таких, как Wi-Fi и сотовые телефоны (лазер не создаёт таких помех);
- возможность контроля доступа (получить электроэнергию могут только приёмники, освещённые лазерным лучом).
У данного метода есть и ряд недостатков:
- преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, которым является свет, неэффективно. Преобразование света обратно в электричество также неэффективно, так как КПД фотоэлементов достигает 40-50 % , хотя эффективность преобразования монохроматического света значительно выше, чем эффективность солнечных панелей;
- потери в атмосфере;
- необходимость прямой видимости между передатчиком и приёмником (как и при микроволновой передаче).
Технология передачи мощности с помощью лазера ранее, в основном, исследовалась при разработке новых систем вооружений и в аэрокосмической промышленности, а в настоящее время разрабатывается для коммерческой и потребительской электроники в маломощных устройствах. Системы беспроводной передачи энергии с применением в потребительских целях должны удовлетворять требованиям лазерной безопасности стандарта IEC 60825. Для лучшего понимания лазерных систем следует принимать во внимание то, что распространение лазерного луча гораздо в меньшей степени зависит от дифракционных ограничений, как пространственное и спектральное согласование характеристик лазеров позволяют увеличить рабочую мощность и дистанцию, как длина волны влияет на фокусировку.
Драйденский лётно-исследовательский центр НАСА продемонстрировал полёт лёгкого беспилотного самолёта-модели, питаемого лазерным лучом. Это доказало возможность периодической подзарядки посредством лазерной системы без необходимости приземления летательного аппарата.
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 (3,2-4,8 километрах ) 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 неё и обратно на другой терминал. Электропроводность через слои атмосферы становится возможной благодаря ёмкостному 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 задумывалась как коммерческий проект по трансатлантической беспроводной телефонии и стала 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 успеха 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 приёмниками. Такая система была бы эффективна в случае исключения любого постороннего вмешательства и обеспечения её полной исключительности. Со временем, однако, я осознал, что для эффективной работы устройств такого рода они должны разрабатываться с учётом физических свойств нашей планеты».
Одним из условий создания всемирной беспроводной системы является строительство резонансных приёмников. Заземлённый 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 приёмной катушке Теслы. Это стало частью его беспроводной системы передачи (патент США № 1119732 от 18 января 1902 года, «Аппарат для передачи электрической энергии»). Тесла предложил установить более тридцати приёмо-передающих станций по всему миру. В этой системе приёмная катушка действует как понижающий трансформатор с высоким выходным током. Параметры передающей катушки тождественны приёмной.
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 содействовало бы объединению электрических генераторов в глобальном масштабе.
См. также
- WiTricity
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
- Тетельбаум С. И. О беспроводной передаче электроэнергии на большие расстояния с помощью радиоволн // Электричество. - 1945. - № 5 . - С. 43-46 .
- Костенко А. А. Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития // Радиофизика и радиоастрономия. - 2000. - Т. 5 , № 3 . - С. 231 .
- 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). Проверено 6 сентября 2010. Архивировано 29 февраля 2012 года.
,
Заработал новый способ беспроводной передачи электричества (рус.) . MEMBRANA.RU (8 июня 2007). Проверено 6 сентября 2010. Архивировано 29 февраля 2012 года. - Bombardier PRIMOVE Technology
- Intel imagines wireless power for your laptop (англ.)
- wireless electricity specification nearing completion
- Global Qi Standard Powers Up Wireless Charging - HONG KONG, Sept. 2 /PRNewswire/
- 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). Проверено 6 сентября 2010.
Многие специалисты утверждают, что беспроводное электричество стало известным еще с 1831 года. Это произошло, когда Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. В результате проведения ряда экспериментов стало понятно, что меняющееся магнитное поле, которое порождается электрическим током может индуцировать ток в другом проводнике.
Электроэнергия без проводов
Однако это была только теория и полноценно воплотить идею передачи электричества на расстоянии удалось только Николе Тесла. В 1893 году проводилась всемирная выставка, на которой он показал беспроводную передачу электричества. Он мечтал, что все будут использовать эту технологию, но в те времена она оказалась просто невостребованной. Компания Intel и Sony заинтересовались подобными технологиями только век спустя.
Принцип работы
Если рассмотреть беспроводное электричество более детально, тогда можно понять, что оно предоставляет возможность передавать электрическую энергию на расстояния. Многие сравнивают подобную технологию с радио или сотовой связью. Принцип работы достаточно простой, и он основывается на наличии в системе двух катушек.
Передача электроэнергии на расстояние осуществляется с помощью приемника и передатчика
Теперь пришло время более детально ознакомиться с принципом работы:
- В системе присутствует передатчик и приемник, которые способны генерировать переменное магнитное поле.
- Магнитное поле позволяет создать напряжение в катушке приемника.
- При направлении электрического тока через провод вокруг кабеля может образоваться круговое магнитное поле.
- На мотке проволоки, куда не поступает электрический ток напрямую начнет поступать электрический ток от первой катушки через магнитное поле, что обеспечит индуктивную связь.
Принципы передачи электричества
До последнего времени наиболее оптимальной и популярной считалась магнитно-резонансная система CMRS. Ее создали еще в 2007 году. Благодаря этой технологии специалистам удавалось передавать электричество на расстояние в 2.1 метр. Однако ее не удавалось запустить в массовое производство, так как частота передачи была слишком высокой, а катушки имели сложную конфигурацию и были больших размеров.
Электроэнергия без проводов позволяет заряжать мобильный телефон
Сравнительно недавно ученые из Южной Кореи создали новый передатчик, который позволяет передавать электричество на расстояние в 5 метров. Система не имеет никаких недостатков и при необходимости ее можно будет установить в стены квартиры.
В результате проведения этого эксперимента на частоте в 20 кГц специалистам удалось передать:
- 209 Вт на 5 метров;
- 471 Вт на 4 метра;
- 1403 Вт на 3 метра.
Благодаря беспроводному излучению можно будет запитать большие ЖК телевизоры, которые требуют всего 40 Вт на расстоянии в 5 метров. Сейчас существуют и другие технологии, которые позволяют передавать электроэнергию без проводов. К ним можно отнести:
- Лазерное излучение. Дальность действия достаточно большая. Однако необходима прямая видимость между приемником и передатчиком. Компания Lockheed Martin уже испытала беспилотный летательный аппарат Stalker, который питается от лазерного луча и способен оставаться в воздухе до 48 часов.
- Микроволновое излучение. Этот вид позволяет обеспечивать большую дальность действия, но стоимость оборудования достаточно высока. В качестве передатчика электроэнергии будет использоваться радиоантенна, которая создает микроволновое излучение. А приемнике устанавливают ректенну, которая преобразует электрический ток в принимаемое микроволновое излучение.
При увеличении расстояния передачи значительно увеличивается стоимость и габариты оборудования. В свою очередь микроволновое излучение может приносить вред для окружающей среды. вы можете прочесть про роботов в сфере энергетики.
Особенности технологии
Теперь пришло время рассмотреть все особенности этой популярной технологии:
- Беспроводное питание проводится на основе электромагнитной индукции. Сейчас активно ведутся работы по масштабированию этой технологии, но здесь проявляется вред для здоровья.
- Технологии, которые обеспечивают передачу электроэнергии с помощью ультразвука, лазера и микроволнового излучения также найдут свое применение.
- Орбитальные спутники имеют громоздкие батареи и аккумуляторы. Однако возможно, что в скором времени им начнут передавать электроэнергию с помощью лазера или СВЧ.
- Сейчас все крупнейшие производители телекоммуникационного оборудования начали объединяться между собой. Поэтому начался активный выпуск мобильных телефонов с функцией беспроводной зарядки. Единым стандартом на данный момент является технология Qi.
Беспроводная зарядка с технологией Qi
Применение
- Микроволновый вертолет. Модель этого уникального вертолета имела ректенну и могла подыматься на высоту в 15 метров.
- Беспроводное электричество активно применяется для зубных щеток. Щетка имеет полную герметичность, и вы можете избежать дальнейшего удара током.
- Питание самолетов с помощью лазера.
- В продаже уже появились системы беспроводной зарядки для мобильных телефонов.
- Универсальная зарядная площадка, которая одновременно может питать несколько смартфонов.
Преимущества и недостатки
Беспроводное электричество обладает следующими достоинствами:
- не нужны источники питания;
- можно отказаться от проводов;
- требуется меньшее количество технического обслуживания.
Однако современная технология также имеет и ряд недостатков:
- проработка технологии еще не завершена;
- сейчас существует ограниченность по расстоянию;
- магнитные поля не безопасны для человека;
- стоимость оборудования достаточно высока.
Перспективы
На сегодняшний день многие специалисты ведут работы над крупными проектами, которые будут использовать только беспроводное электропитание. Это питание электромобилей, а также бытовые электросети.