Transmission af elektricitet over en afstand uden ledninger. Transmission af elektricitet over en afstand trådløst

Hvornår Apple selskab introducerede sin første trådløse oplader til mobiltelefoner og gadgets, mange betragtede det som en revolution og et stort spring fremad inden for trådløse energioverførselsmetoder.

Men var de pionerer, eller endda før dem, lykkedes det nogen at gøre noget lignende, dog uden ordentlig markedsføring og PR? Det viser sig, at der var, og for meget længe siden, og der var mange sådanne opfindere.

Så tilbage i 1893 demonstrerede den berømte Nikola Tesla en glød til det forbløffede publikum lysstofrør. På trods af at de alle var trådløse.

Nu kan dette trick gentages af ethvert skolebarn ved at gå ud i en åben mark og stå med et lysstofrør under en højspændingsledning på 220 kV og derover.

Lidt senere lykkedes det Tesla at tænde det samme trådløst fosfor glødepære.

I Rusland i 1895 viste A. Popov verdens første radiomodtager i drift. Men i det store og hele er dette også en trådløs overførsel af energi.

Mest hovedspørgsmål og på samme tid ligger problemet med hele teknologien til trådløs opladning og lignende metoder i to punkter:

• hvor langt kan elektricitet overføres på denne måde?

• og hvilken mængde

Lad os først finde ud af, hvilken strøm enhederne og husholdningsapparaterne omkring os har. For eksempel kræver en telefon, smartwatch eller tablet maksimalt 10-12W.

Den bærbare computer har allerede højere krav - 60-80W. Dette kan sammenlignes med den gennemsnitlige glødepære. Men husholdningsapparater, især køkkenmaskiner, bruger allerede flere tusinde watt.

Derfor er det meget vigtigt ikke at spare på antallet af stikkontakter i køkkenet.

Så hvilke metoder og metoder til at overføre elektrisk energi uden brug af kabler eller andre ledere har menneskeheden fundet på i alle disse år? Og vigtigst af alt, hvorfor er de stadig ikke implementeret så aktivt i vores liv, som vi gerne ville?

Tag de samme køkkenmaskiner. Lad os se nærmere.

Overførsel af energi gennem spoler

Den lettest implementerede metode er at bruge induktorer.

Princippet her er meget enkelt. Tag 2 spoler og læg dem tæt på hinanden. En af dem er forsynet med strøm. Den anden spiller rollen som modtager.

Når strømmen i strømkilden justeres eller ændres, ændres den magnetiske flux i den anden spole automatisk også. Som fysikkens love siger, vil der i dette tilfælde opstå en EMF, og det vil direkte afhænge af ændringshastigheden af ​​denne strøm.

Det ser ud til, at alt er enkelt. Men manglerne ødelægger hele det rosenrøde billede. Tre ulemper:

• lav strøm

Ved at bruge denne metode overfører du ikke store mængder og vil ikke være i stand til at forbinde kraftfulde enheder. Hvis du prøver at gøre dette, vil du simpelthen smelte alle viklingerne.

• kort afstand

Tænk ikke engang på at overføre elektricitet over ti eller hundreder af meter her. Denne metode har begrænset effekt.

For fysisk at forstå, hvor slemt det er, skal du tage to magneter og finde ud af, hvor langt fra hinanden de skal være, før de holder op med at tiltrække eller frastøde hinanden. Effektiviteten af ​​spoler er omtrent den samme.

Du kan selvfølgelig være kreativ og sikre, at disse to elementer altid er tæt på hinanden. For eksempel en elbil og en særlig ladevej.

Men hvor meget vil anlæggelsen af ​​sådanne motorveje koste?

• lav effektivitet

Et andet problem er lav effektivitet. Det overstiger ikke 40 %. Det viser sig, at du på denne måde ikke vil være i stand til at overføre en masse elektrisk energi over lange afstande.

Den samme N. Tesla påpegede dette tilbage i 1899. Senere gik han over til eksperimenter med atmosfærisk elektricitet, i håb om at finde en løsning og en løsning på problemet.

Men uanset hvor ubrugelige alle disse ting kan virke, kan du med deres hjælp stadig organisere smukke lys- og musikforestillinger.

Eller genoplad udstyr, der er meget større end telefoner. For eksempel elcykler.

Laser energioverførsel

Men hvordan kan mere energi overføres over en større afstand? Tænk på, hvilke film vi ser denne form for teknologi meget ofte.

Det første, der kommer til at tænke på selv for en skoledreng, er " Star wars", lasere og lyssværd.

Selvfølgelig er det med deres hjælp muligt at overføre en stor mængde elektrisk energi over meget lange afstande. Men igen er alt spoleret af et lille problem.

Heldigvis for os, men desværre for laseren, har Jorden en atmosfære. Og det gør bare et godt stykke arbejde med at jamme og spise det meste af laserstrålingens samlede energi. Derfor skal vi med denne teknologi ud i rummet.

Der har også været forsøg og eksperimenter på Jorden for at teste funktionaliteten af ​​metoden. Nasa afholdt endda en konkurrence om trådløs laserenergioverførsel med en præmiefond på lige under $1 million.

I sidste ende vandt Laser Motive. Deres vinderresultat er 1 km og 0,5 kW transmitteret kontinuerlig effekt. Men under overførselsprocessen mistede videnskabsmænd 90% af al den oprindelige energi.

Men alligevel, selv med en effektivitet på ti procent, blev resultatet betragtet som vellykket.

Lad os huske, at en simpel pære har endnu mindre nyttig energi, der går direkte ind i lyset. Derfor er det rentabelt at lave infrarøde varmeapparater fra dem.

Mikrobølgeovn

Er der virkelig ingen anden virkelig fungerende måde at overføre elektricitet på uden ledninger? Der er, og det blev opfundet allerede før forsøg og børns spil i star wars.

Det viser sig, at specielle mikrobølger med en længde på 12 cm (frekvens 2,45 GHz) er gennemsigtige for atmosfæren, og det forstyrrer ikke deres udbredelse.

Uanset hvor dårligt vejret er, vil du kun miste fem procent, når du sender ved hjælp af mikrobølger! Men for at gøre dette skal du først konvertere elektricitet ind i mikrobølgeovne, fang dem derefter og bring dem tilbage til deres oprindelige tilstand igen.

Forskere løste det første problem for længe siden. De opfandt en speciel enhed til dette og kaldte den en magnetron.

Desuden blev dette gjort så professionelt og sikkert, at hver af jer i dag har sådan en enhed derhjemme. Gå ind i køkkenet og tag et kig på din mikroovn.

Den har den samme magnetron indeni med en effektivitet på 95%.

Men hvordan gør man den omvendte transformation? Og her blev der udviklet to tilgange:

• amerikansk

• sovjetisk

I USA, tilbage i tresserne, fandt videnskabsmanden W. Brown op med en antenne, der udførte den påkrævede opgave. Det vil sige, at den konverterede den stråling, der faldt på den, tilbage til elektrisk strøm.

Han gav den endda sit eget navn - rectenna.

Efter opfindelsen fulgte eksperimenter. Og i 1975 blev der ved hjælp af en rektenna transmitteret og modtaget hele 30 kW effekt i en afstand på mere end en kilometer. Transmissionstab var kun 18%.

Næsten et halvt århundrede senere har ingen kunnet overgå denne oplevelse. Det ser ud til, at metoden er blevet fundet, så hvorfor blev disse rektenner ikke frigivet til masserne?

Og her viser manglerne sig igen. Rectennaer blev samlet ved hjælp af miniature halvledere. Normal drift for dem er det kun overførsel af nogle få watt effekt.

Og hvis du vil overføre titusinder eller hundredevis af kW, så gør dig klar til at samle gigantiske paneler.

Og det er her, uløselige vanskeligheder opstår. For det første er dette re-emission.

Ikke alene vil du miste noget af din energi på grund af det, men du vil heller ikke være i stand til at komme tættere på panelerne uden at miste dit helbred.

Den anden hovedpine er ustabiliteten af ​​halvledere i panelerne. Det er nok, at én brænder ud på grund af en lille overbelastning, og resten fejler som en lavine, som tændstikker.

I USSR var alt noget anderledes. Det var ikke for ingenting, at vores militær var overbevist om, at selv i tilfælde af en atomeksplosion ville alt udenlandsk udstyr straks svigte, men sovjetisk udstyr ville ikke. Hele hemmeligheden ligger i lamperne.

På Moscow State University har to af vores videnskabsmænd, V. Savin og V. Vanke, designet den såkaldte cyklotron-energikonverter. Den har anstændige dimensioner, da den er samlet baseret på lampeteknologi.

Udvendigt er det noget i retning af et rør 40 cm langt og 15 cm i diameter. Effektiviteten af ​​denne lampenhed er lidt mindre end den amerikanske halvleder-ting - op til 85%.

Men i modsætning til halvlederdetektorer har en cyklotronenergikonverter en række væsentlige fordele:

• pålidelighed

• høj effekt

• overbelastningsmodstand

• ingen re-emission

• lave produktionsomkostninger

På trods af alt ovenstående anses halvledermetoder til projektimplementering dog for at være avancerede over hele verden. Her er også et element af mode.

Efter den første optræden af ​​halvledere begyndte alle brat at opgive rørteknologier. Men praktiske test tyder på, at dette ofte er den forkerte tilgang.

Selvfølgelig er ingen interesseret i 20 kg rørmobiltelefoner eller computere, der fylder hele rum.

Men nogle gange kan kun gennemprøvede gamle metoder hjælpe os i håbløse situationer.

Som følge heraf har vi i dag tre muligheder for at overføre energi trådløst. Den allerførste diskuterede er begrænset af både afstand og magt.

Men det er nok til at oplade batteriet på en smartphone, tablet eller noget større. Selv om effektiviteten er lille, er den stadig en arbejdsmetode.

Den første af dem startede meget opmuntrende. I 2000'erne opstod der på Reunion Island et behov for konstant transmission af 10 kW effekt over en afstand på 1 km.

Det bjergrige terræn og den lokale vegetation tillod ikke lægning af luftledninger eller kabler der.

Alle bevægelser på øen til dette punkt blev udelukkende udført med helikoptere.

For at løse problemet, de bedste sind fra forskellige lande. Herunder dem, der tidligere er nævnt i artiklen, vores forskere fra Moskvas statsuniversitet V. Vanke og V. Savin.

Men i det øjeblik, hvor den praktiske implementering og konstruktion af energisendere og -modtagere skulle være begyndt, blev projektet fastfrosset og stoppet. Og med krisens begyndelse i 2008 opgav de den fuldstændig.

Faktisk er dette meget skuffende, da det teoretiske arbejde, der blev udført der, var kolossalt og værdigt til at blive implementeret.

Det andet projekt ser mere skørt ud end det første. Der er dog afsat reelle midler til det. Selve ideen blev udtrykt tilbage i 1968 af den amerikanske fysiker P. Glaser.

Han foreslog en ikke helt normal idé på det tidspunkt - at opsende en enorm satellit i geostationær bane 36.000 km over jorden. Placer solpaneler på det, der vil indsamle gratis energi fra solen.

Så skal alt dette omdannes til en stråle af mikrobølgebølger og sendes til jorden.

En slags "dødsstjerne" i vores jordiske realiteter.

På jorden skal strålen fanges af gigantiske antenner og omdannes til elektricitet.

Hvor store skal disse antenner være? Forestil dig, at hvis satellitten er 1 km i diameter, så skal modtageren på jorden være 5 gange større - 5 km (størrelsen af ​​Haveringen).

Men størrelsen er kun en lille del af problemet. Efter alle beregningerne viste det sig, at sådan en satellit ville generere elektricitet med en kapacitet på 5 GW. Når man nåede jorden ville der kun være 2GW tilbage. For eksempel producerer Krasnoyarsk vandkraftværk 6 GW.

Derfor blev hans idé overvejet, kalkuleret og lagt til side, da alt i første omgang kom ned på prisen. Omkostningerne ved rumprojektet nåede dengang $1 billion.

Men videnskaben står heldigvis ikke stille. Teknologier forbedres og bliver billigere. Flere lande er allerede ved at udvikle sådan en solar rumstation. Selvom i begyndelsen af ​​det tyvende århundrede, var kun en genial person nok til trådløs transmission af elektricitet.

Den samlede pris for projektet faldt fra den oprindelige til 25 milliarder dollars. Spørgsmålet er stadig - vil vi se dens implementering i den nærmeste fremtid?

Desværre vil ingen give dig et klart svar. Indsatser placeres kun i anden halvdel af dette århundrede. Lad os derfor indtil videre nøjes med trådløse opladere til smartphones og håbe på, at forskerne vil være i stand til at øge deres effektivitet. Nå, eller i sidste ende vil en anden Nikola Tesla blive født på Jorden.

Trådløs transmission til el-levering har evnen til at levere store fremskridt inden for industrier og applikationer afhængig af fysisk kontakt stik Dette kan til gengæld være upålidelig og føre til fiasko. Trådløs kraftoverførsel blev først demonstreret af Nikola Tesla i 1890'erne. Det er dog først i det sidste årti, at teknologien er blevet udnyttet til det punkt, hvor den giver reelle, håndgribelige fordele for applikationer i den virkelige verden. Især har udviklingen af ​​resonans trådløse strømsystemer til forbrugerelektronikmarkedet vist, at induktiv opladning bringer nye niveauer af bekvemmelighed til millioner af dagligdags enheder.

Den pågældende magt er almindeligt kendt af mange udtryk. Inklusive induktiv transmission, kobling, resonans trådløst netværk og samme spændingsretur. Hver af disse betingelser beskriver i det væsentlige den samme grundlæggende proces. Trådløs transmission af elektricitet eller strøm fra strømkilden til belastningsspændingen uden stik gennem en luftspalte. Grundlaget er to spoler - en sender og en modtager. Den første exciteres af en vekselstrøm for at generere et magnetfelt, som igen inducerer en spænding i den anden.

Hvordan fungerer det pågældende system?

Det grundlæggende i trådløs strøm involverer distribution af energi fra en sender til en modtager gennem et oscillerende magnetfelt. For at opnå dette konverteres den jævnstrøm, der leveres af strømforsyningen, til højfrekvent vekselstrøm. Brug af specialdesignet elektronik indbygget i senderen. Vekselstrømmen aktiverer en spole af kobbertråd i dispenseren, som genererer et magnetfelt. Når den anden (modtagende) vikling er placeret i umiddelbar nærhed. Magnetfeltet kan inducere en vekselstrøm i modtagespolen. Elektronikken i den første enhed konverterer derefter AC'en tilbage til DC, som bliver strømindgangen.

Trådløst strømtransmissionskredsløb

"Netspændingen" omdannes til et signal vekselstrøm, som derefter sendes til senderspolen gennem et elektronisk kredsløb. Strømning gennem fordelerviklingen inducerer et magnetfelt. Dette kan igen sprede sig til modtagerspolen, som er i relativ nærhed. Det magnetiske felt genererer derefter en strøm, der løber gennem modtagerviklingen. Processen, hvorved energi udbredes mellem sende- og modtagespolerne, kaldes også magnetisk eller resonanskobling. Og dette opnås ved at bruge begge viklinger, der arbejder med samme frekvens. Strømmen, der flyder i modtagerspolen, omdannes til jævnstrøm af modtagerkredsløbet. Den kan derefter bruges til at drive enheden.

Hvad betyder resonans?

Den afstand, som energi (eller effekt) kan transmitteres over, øges, hvis sender- og modtagerspolerne resonerer med samme frekvens. Ligesom en stemmegaffel svinger i en bestemt højde og kan nå en maksimal amplitude. Dette refererer til den frekvens, hvormed et objekt naturligt vibrerer.

Fordele ved trådløs transmission

Hvad er fordelene? Fordele:

• Reducerer omkostninger forbundet med at vedligeholde lige konnektorer (såsom i en traditionel industriel glidering);
• større bekvemmelighed ved opladning af almindelige elektroniske enheder;
• sikker overførsel til applikationer, der skal forblive hermetisk lukkede;
• elektronik kan være helt skjult, hvilket reducerer risikoen for korrosion fra elementer som ilt og vand;
• Pålidelig og ensartet strømforsyning til roterende, meget mobilt industrielt udstyr;
• sikrer pålidelig kraftoverførsel i kritiske situationer vigtige systemer i våde, snavsede og bevægelige omgivelser.

Uanset applikationen giver eliminering af den fysiske forbindelse en række fordele i forhold til traditionelle kabelstrømstik.

Effektiviteten af ​​den pågældende energioverførsel

Den overordnede effektivitet af et trådløst strømsystem er den vigtigste faktor for at bestemme dets ydeevne. Systemeffektivitet måler mængden af ​​strøm, der overføres mellem strømkilden (dvs. stikkontakten) og den modtagende enhed. Dette bestemmer igen aspekter som opladningshastighed og udbredelsesområde.

Trådløse kommunikationssystemer varierer afhængigt af deres effektivitet baseret på faktorer som spolekonfiguration og design, transmissionsafstand. En mindre effektiv enhed vil generere flere emissioner og resultere i, at mindre strøm passerer gennem den modtagende enhed. Typisk kan trådløse strømtransmissionsteknologier til enheder som smartphones opnå 70 % ydeevne.

Hvordan måles effektivitet?

I den forstand, som mængden af ​​strøm (i procent), der overføres fra strømkilden til den modtagende enhed. Det vil sige, at trådløs strømoverførsel til en smartphone med en virkningsgrad på 80 % betyder, at 20 % af indgangsstrømmen går tabt mellem stikkontakten og batteriet til den gadget, der oplades. Formlen til måling af driftseffektivitet er: produktivitet = udgående jævnstrøm, divideret med indgående, det opnåede resultat ganget med 100%.

Trådløse metoder til at overføre elektricitet

Strøm kan forplante sig gennem det pågældende netværk på tværs af næsten alle ikke-metalliske materialer, inklusive men ikke begrænset til. Disse omfatter faste stoffer som træ, plast, tekstiler, glas og mursten samt gasser og væsker. Når metallisk eller elektrisk ledende materiale (dvs. er placeret i umiddelbar nærhed af elektromagnetisk felt, objektet absorberer strøm fra det og opvarmes som et resultat. Dette påvirker igen systemets effektivitet. Sådan fungerer induktionsmagning, for eksempel skaber den ineffektive overførsel af kraft fra kogepladen varme til madlavningen.

For at skabe et trådløst strømtransmissionssystem er det nødvendigt at vende tilbage til oprindelsen af ​​det aktuelle emne. Eller mere præcist til den succesrige videnskabsmand og opfinder Nikola Tesla, som skabte og patenterede en generator, der er i stand til at tage strøm uden forskellige materialistiske ledere. Så for at implementere et trådløst system skal du samle alt vigtige elementer og dele, vil resultatet være en lille Dette er en enhed, der skaber et højspændings elektrisk felt i luften omkring den. Samtidig er der en lille indgangseffekt, den giver trådløs energioverførsel over en afstand.

En af de mest vigtige måder energioverførsel er induktiv kobling. Det bruges hovedsageligt til nærfelt. Det er kendetegnet ved, at når strøm passerer gennem en ledning, induceres en spænding i enderne af den anden. Kraftoverførsel sker gennem gensidighed mellem de to materialer. Generelt eksempel- dette er en transformer. Mikrobølgeenergitransmission som en idé blev udviklet af William Brown. Hele konceptet involverer at konvertere vekselstrøm til RF-strøm og transmittere det gennem rummet og tilbage til variabel effekt på modtageren. I dette system genereres spænding ved hjælp af mikrobølgeenergikilder. Såsom klystronen. Og denne kraft transmitteres gennem en bølgeleder, som beskytter mod reflekteret effekt. Og også en tuner, der matcher mikrobølgekildens impedans med andre elementer. Modtagesektionen består af en antenne. Den accepterer mikrobølgeeffekt og et impedans- og filtertilpasningskredsløb. Denne modtageantenne kan sammen med ensretteranordningen være en dipol. Svarer til udgangssignalet med en lignende lydmeddelelse fra ensretterenheden. Modtagerblokken består også af en lignende sektion bestående af dioder, som bruges til at konvertere signalet til en alarm jævnstrøm. Dette transmissionssystem bruger frekvenser i området fra 2 GHz til 6 GHz.

Trådløs transmission af elektricitet ved hjælp af en generator implementeret ved hjælp af lignende magnetiske vibrationer. Den nederste linje er, at denne enhed fungerede takket være tre transistorer.

Brug af en laserstråle til at overføre strøm i form af lysenergi, som omdannes til elektrisk energi i den modtagende ende. Selve materialet modtager strøm ved hjælp af kilder som Solen eller enhver el-generator. Og følgelig realiserer den fokuseret lys af høj intensitet. Strålens størrelse og form bestemmes af optiksættet. Og dette transmitterede laserlys modtages af fotovoltaiske celler, som omdanner det til elektriske signaler. Han plejer at bruge fiberoptiske kabler til transmission. Samme som grundlæggende solenergi energisystem, Modtageren, der bruges til laserbaseret udbredelse, er en række fotovoltaiske celler eller solpaneler. Disse kan til gengæld konvertere vandretur til elektricitet.

Enhedens væsentlige funktioner

Effekten af ​​en Tesla-spole kommer fra en proces kaldet elektromagnetisk induktion. Det vil sige, at et felt i forandring skaber potentiale. Det får strøm til at flyde. Når elektricitet strømmer gennem en trådspole, genererer den et magnetfelt, der fylder området omkring spolen på en bestemt måde. I modsætning til nogle andre højspændingseksperimenter modstod Tesla-spolen mange tests og forsøg. Processen var ret arbejdskrævende og tidskrævende, men resultatet var vellykket og blev derfor med succes patenteret af videnskabsmanden. Du kan oprette en sådan spole, hvis du har visse komponenter. Til implementering skal du bruge følgende materialer:

1. længde 30 cm PVC (jo længere jo bedre);
2. emaljeret kobbertråd (sekundær tråd);
3. birkeplade til basen;
4. 2222A transistor;
5. forbindelse (primær) ledning;
6. modstand 22 kOhm;
7. afbrydere og forbindelsesledninger;
8. batteri 9 volt.

Stadier af implementering af Tesla-enheden

Først skal du placere en lille spalte i øverste del rør til at vikle den ene ende af ledningen rundt om. Vikl spolen langsomt og forsigtigt, og pas på ikke at overlappe ledningerne eller skabe mellemrum. Dette trin er den mest vanskelige og kedelige del, men den brugte tid vil give en meget høj kvalitet og god rulle. Hver 20 eller deromkring drejninger placeres ringe af malertape rundt om viklingen. De fungerer som en barriere. I tilfælde af at spolen begynder at trævle ud. Når du er færdig, vikler du noget kraftigt tape rundt om toppen og bunden af ​​omslaget og spray det med 2 eller 3 lag emalje.

Derefter skal du tilslutte det primære og sekundære batteri til batteriet. Tænd derefter transistoren og modstanden. Den mindre vikling er den primære vikling, og den længere vikling er den sekundære vikling. Du kan desuden installere en aluminiumskugle oven på røret. Forbind også den åbne ende af den sekundære til den tilføjede, som vil fungere som en antenne. Alt skal skabes med stor omhu for at undgå berøring sekundær enhed når du tænder for strømmen.

Ved selvstændig brug er der risiko for brand. Du skal dreje på kontakten, installere en glødelampe ved siden af ​​den trådløse strømtransmissionsenhed og nyde lysshowet.

Trådløs transmission via solenergianlæg

Traditionelle kabelforbundne enerkræver typisk ledninger mellem distribuerede enheder og forbrugerenheder. Dette skaber mange begrænsninger, såsom omkostningerne til systemkabelomkostninger. Tab i forbindelse med transmission. Og også affald i distributionen. Transmissionsledningsmodstand alene resulterer i et tab på omkring 20-30% af den genererede energi.

Et af de mest moderne trådløse strømtransmissionssystemer er baseret på transmission af solenergi ved hjælp af en mikrobølgeovn eller en laserstråle. Satellitten er placeret i geostationær bane og består af solcelleceller. De omdanner sollys til elektrisk strøm, som bruges til at drive en mikrobølgegenerator. Og følgelig indser den styrken af ​​mikrobølger. Denne spænding transmitteres ved hjælp af radiokommunikation og modtages på basestationen. Det er en kombination af en antenne og en ensretter. Og omdannes tilbage til elektricitet. Kræver AC eller DC strøm. Satellitten kan transmittere op til 10 MW radiofrekvenseffekt.

Hvis vi taler om et DC-distributionssystem, så er selv dette umuligt. Fordi dette kræver et stik mellem strømforsyningen og enheden. Der er et billede: et system fuldstændigt blottet for ledninger, hvor du kan få vekselstrøm ind i hjemmet uden nogen yderligere enheder. Hvor det er muligt at oplade sin mobiltelefon uden fysisk at skulle tilsluttes en stikkontakt. Selvfølgelig er et sådant system muligt. Og mange moderne forskere forsøger at skabe noget moderniseret, mens de studerer rollen af ​​at udvikle nye metoder til trådløs transmission af elektricitet over en afstand. Selvom det ud fra den økonomiske komponents synspunkt ikke vil være helt rentabelt for staterne, hvis sådanne enheder introduceres overalt, og standardelektricitet erstattes med naturlig elektricitet.

Oprindelse og eksempler på trådløse systemer

Dette koncept er faktisk ikke nyt. Hele denne idé blev udviklet af Nicholas Tesla i 1893. Da han udviklede et system til belysning af vakuumrør ved hjælp af trådløse transmissionsteknikker. Det er umuligt at forestille sig, at verden ville eksistere uden forskellige kilder til opladning, som er udtrykt i materiel form. For at gøre det muligt for mobiltelefoner, hjemmerobotter, MP3-afspillere, computere, bærbare computere og andre transportable gadgets at oplade selvstændigt uden nogen yderligere forbindelser, der befrier brugere fra konstante ledninger. Nogle af disse enheder kræver muligvis ikke engang stor mængde elementer. Historien om trådløs energioverførsel er ret rig, hovedsageligt takket være udviklingen af ​​Tesla, Volta og andre. Men i dag er dette kun data inden for fysisk videnskab.

Grundprincippet er at konvertere vekselstrøm til konstant tryk ved hjælp af ensrettere og filtre. Og så - for at vende tilbage til den oprindelige værdi ved høj frekvens ved hjælp af invertere. Denne lavspændings, højfluktuerende vekselstrøm overføres derefter fra den primære transformer til den sekundære. Konverterer til jævnspænding ved hjælp af ensretter, filter og regulator. AC-signalet bliver direkte på grund af lyden af ​​strømmen. Og også brugen af ​​broensrettersektionen. Det resulterende DC-signal passerer gennem viklingen feedback, der fungerer som et oscillatorkredsløb. Samtidig tvinger den transistoren til at lede den ind i den primære konverter i retningen fra venstre mod højre. Når strømmen passerer gennem tilbagekoblingsviklingen, løber en tilsvarende strøm til transformatorens primære i retning fra højre mod venstre.

Sådan fungerer ultralydsmetoden til energioverførsel. Signalet genereres gennem den primære konverter for begge halvcyklusser af AC-alarmen. Lydens frekvens afhænger af de kvantitative indikatorer for svingningerne i generatorkredsløbene. Dette AC-signal vises på transformatorens sekundære vikling. Og når den er forbundet til den primære konverter på et andet objekt, er AC-spændingen 25 kHz. En aflæsning vises gennem den i nedtrapningstransformatoren.

Denne AC-spænding udlignes ved hjælp af en broensretter. Og derefter filtreret og reguleret for at producere en 5V udgang til at drive LED'en. Udgangsspænding 12V fra kondensatoren bruges til at drive DC-blæsermotoren til at betjene den. Så fra et fysiksynspunkt er eltransmission et ret udviklet område. Men som praksis viser, trådløse systemer ikke fuldt udviklet og forbedret.

I 1968 foreslog den amerikanske rumforskningsspecialist Peter E. Glaser at placere store paneler solpaneler i geostationær kredsløb, og den energi, de genererer (5-10 GW niveau) transmitteres til jordens overflade med en velfokuseret stråle af mikrobølgestråling, omdannes derefter til jævn- eller vekselstrømsenergi af en teknisk frekvens og distribueres til forbrugerne .

Denne ordning gjorde det muligt at bruge den intense flux af solstråling, der eksisterer i geostationær kredsløb (~ 1,4 kW/sq.m.) og overføre den resulterende energi til jordens overflade kontinuerligt, uanset tidspunktet på dagen og vejrforholdene. På grund af ækvatorialplanets naturlige hældning i forhold til det ekliptiske plan med en vinkel på 23,5 grader, belyses en satellit, der befinder sig i en geostationær bane, næsten kontinuerligt af strømmen af ​​solstråling, med undtagelse af korte tidsperioder nær dagene med forårs- og efterårsjævndøgn, når denne satellit falder i jordens skygge. Disse tidsperioder kan forudsiges nøjagtigt, og i alt overstiger de ikke 1 % af årets samlede længde.

Frekvensen af ​​elektromagnetiske oscillationer af mikrobølgestrålen skal svare til de områder, der er tildelt til brug i industrien, videnskabelig undersøgelse og medicin. Hvis denne frekvens vælges til at være 2,45 GHz, så har meteorologiske forhold, herunder tykke skyer og intens nedbør, stort set ingen indflydelse på effektiviteten af ​​kraftoverførslen. 5,8 GHz-båndet er attraktivt, fordi det giver mulighed for at reducere størrelsen på sende- og modtageantennerne. Men påvirkningen af ​​meteorologiske forhold her kræver yderligere undersøgelse.

Det nuværende udviklingsniveau for mikrobølgeelektronik giver os mulighed for at tale om en ret høj effektivitet af energioverførsel med en mikrobølgestråle med geostationær bane til jordens overflade - omkring 70-75%. I dette tilfælde vælges diameteren af ​​sendeantennen normalt til at være 1 km, og jordrektennen har dimensioner på 10 km x 13 km for en breddegrad på 35 grader. En SCES med et udgangseffektniveau på 5 GW har en udstrålet effekttæthed i midten af ​​sendeantennen på 23 kW/sq.m., og i midten af ​​modtagerantennen – 230 W/sq.m.

Blev undersøgt Forskellige typer solid state- og vakuummikrobølgegeneratorer til SKES-sendeantennen. William Brown viste især, at magnetroner, veludviklede af industrien, beregnet til mikrobølgeovne, også kan bruges til at sende antennearrays af SKES, hvis hver af dem er udstyret med sit eget negative feedback-kredsløb i fase ift. eksternt synkroniseringssignal (såkaldt Magnetron Directional Amplifier - MDA).

Den mest aktive og systematiske forskning inden for SCES blev udført af Japan. I 1981, under ledelse af professorerne M. Nagatomo og S. Sasaki ved Space Research Institute of Japan, begyndte forskningen i udviklingen af ​​en prototype SCES med et effektniveau på 10 MW, som kunne skabes ved hjælp af eksisterende løfteraketter. Oprettelsen af ​​en sådan prototype giver mulighed for at akkumulere teknologisk erfaring og forberede grundlaget for dannelsen af ​​kommercielle systemer.

Projektet fik navnet SKES2000 (SPS2000) og modtog anerkendelse i mange lande rundt om i verden.

I 2008 blev lektor i fysik ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) Marin Soljačić vækket fra en sød søvn af en vedvarende biplyd. mobiltelefon. "Telefonen holdt ikke op med at tale og krævede, at jeg satte den på opladning," siger Soljacic. Træt og ikke ved at stå op, begyndte han at drømme om, at telefonen, når den først var hjemme, ville begynde at oplade af sig selv.

I 2012-2015 Ingeniører ved University of Washington har udviklet teknologi, der gør det muligt at bruge Wi-Fi som en energikilde bærbare enheder og opladning af gadgets. Teknologien er allerede blevet anerkendt af magasinet Popular Science som en af ​​de bedste innovationer i 2015. Allestedsnærværelsen af ​​trådløs datatransmissionsteknologi har i sig selv produceret en reel revolution. Og nu er det turen til trådløs energitransmission over luften, som udviklere fra University of Washington kaldte PoWiFi (fra Power Over WiFi).

Under testfasen var forskerne i stand til med succes at oplade lithium-ion- og nikkel-metalhydrid-batterier med lille kapacitet. Ved brug af Asus router RT-AC68U og flere sensorer placeret i en afstand af 8,5 meter fra den. Disse sensorer konverterer præcist energien fra den elektromagnetiske bølge til jævnstrøm med en spænding på 1,8 til 2,4 volt, nødvendig for at forsyne mikrocontrollere og sensoriske systemer. Det særlige ved teknologien er, at kvaliteten af ​​arbejdssignalet ikke forringes. Du skal blot genopfriske routeren, og du kan bruge den som normalt, plus strømforsyning til enheder med lavt strømforbrug. Ved en af ​​demonstrationerne blev den med succes drevet lille kamera skjult overvågning med lav opløsning, placeret i en afstand på mere end 5 meter fra routeren. Så blev Jawbone Up24 fitness trackeren opladet til 41 %, hvilket tog 2,5 timer.

Til vanskelige spørgsmål om, hvorfor disse processer ikke påvirker kvaliteten af ​​netværkskommunikationskanalen negativt, svarede udviklerne, at dette bliver muligt på grund af det faktum, at den reflashed router under sin drift sender energipakker gennem kanaler, der ikke er optaget af informationstransmission. De kom til denne beslutning, da de opdagede, at i perioder med stilhed strømmer energi simpelthen ud af systemet, men det kan bruges til at forsyne enheder med lav effekt.

Under forskningen blev PoWiFi-systemet placeret i seks huse, og beboerne blev bedt om at bruge internettet som normalt. Indlæs websider, se streamingvideoer, og fortæl os derefter, hvad der er ændret. Som et resultat viste det sig, at netværkets ydeevne overhovedet ikke ændrede sig. Det vil sige, at internettet fungerede som normalt, og tilstedeværelsen af ​​den tilføjede mulighed var ikke mærkbar. Og det var kun de første test, hvor en relativt lille mængde energi blev opsamlet via Wi-Fi.

I fremtiden kunne PoWiFi-teknologi meget vel tjene til at drive sensorer indbygget husholdningsapparater og militært udstyr til at styre dem trådløst og udføre fjernopladning/genopladning.

Aktuel er overførsel af energi til UAV'er (mest sandsynligt ved hjælp af PoWiMax-teknologi eller fra radaren på luftfartøjet):

For en UAV er det negative fra den omvendte kvadratiske lov (isotropisk udstrålende antenne) delvist "kompenseret" af antennens strålebredde og strålingsmønster:

Et flys radar kan trods alt producere 17 kW EMP-energi i en puls.

Er ikke cellulære-hvor cellen skal levere 360 ​​graders kommunikation til endeelementerne.
Lad os antage denne variation:
Luftfartøjet (til Perdix) denne F-18 har (nu) AN/APG-65 radar:


maksimal gennemsnitlig udstrålet effekt på 12000 W

Eller i fremtiden vil den have AN/APG-79 AESA:


i en puls skulle den producere 15 kW EMP-energi

Dette er ganske nok til at forlænge Perdix Micro-Drones aktive levetid fra de nuværende 20 minutter til en time, og måske mere.

Der vil højst sandsynligt blive brugt en mellemliggende Perdix Middle drone, som vil blive bestrålet i tilstrækkelig afstand af jagerens radar, og den vil til gengæld "distribuere" energi til de yngre brødre af Perdix Micro-Drones via PoWiFi/PoWiMax , mens de samtidig udveksler information med dem (flyvning, kunstflyvning, mål, sværmkoordination).

Måske kommer det snart til at oplade mobiltelefoner og andre mobile enheder, der er i området Wi-Fi-handlinger, Wi-Max eller 5G?

Efterord: 10-20 år, efter udbredt implementering i daglig liv talrige elektromagnetiske mikrobølgeemittere (mobiltelefoner, mikrobølgeovne, computere, WiFi, Blu-værktøjer osv.) pludselig blev kakerlakker i storbyerne til en sjældenhed! Nu er kakerlakken et insekt, der kun kan findes i en zoologisk have. De forsvandt pludselig fra de hjem, de engang elskede så højt.

KAKKERLAKER CARL!
Disse monstre, ledere af listen over "radioresistente organismer", kapitulerede skamløst!
Reference
LD 50 er den gennemsnitlige dødelige dosis, det vil sige, at dosen dræber halvdelen af ​​organismerne i forsøget; LD 100 - dødelig dosis dræber alle organismer i forsøget.

Hvem er den næste i rækken?

Tilladte strålingsniveauer fra basestationer mobil kommunikation(900 og 1800 MHz, samlet niveau fra alle kilder) i sanitære og boligområder i nogle lande adskiller sig markant:
Ukraine: 2,5 µW/cm². (den strengeste sanitære standard i Europa)
Rusland, Ungarn: 10 µW/cm².
Moskva: 2,0 µW/cm². (normen eksisterede indtil udgangen af ​​2009)
USA, skandinaviske lande: 100 µW/cm².
Midlertidigt tilladt niveau (TAL) fra mobile radiotelefoner(MRI) for radiotelefonbrugere i Den Russiske Føderation, er 10 μW/cm² fastsat (Afsnit IV - Hygiejniske krav til mobile SanPiN 2.1.8/2.2.4.1190-03 "Hygiejniske krav til placering og drift af landmobile radiokommunikationsudstyr").
I USA er certifikatet udstedt af Federal Communications Commission (FCC) for mobilenheder, maksimalt niveau SAR hvoraf ikke overstiger 1,6 W/kg (og den absorberede strålingseffekt reduceres til 1 gram menneskeligt organvæv).
I Europa bør SAR-værdien af ​​en mobiltelefon ifølge det internationale direktiv fra Kommissionen om ikke-ioniserende strålingsbeskyttelse (ICNIRP) ikke overstige 2 W/kg (den absorberede strålingseffekt reduceres til 10 gram menneskeligt organvæv) .
For nylig er det blevet sikkert i Storbritannien SAR niveau niveauet blev betragtet som lig med 10 W/kg. Et lignende billede blev observeret i andre lande.
Den maksimale SAR-værdi, der er vedtaget i standarden (1,6 W/kg), kan ikke engang med sikkerhed tilskrives "hårde" eller "bløde" standarder.
De standarder, der er vedtaget i både USA og Europa til bestemmelse af værdien af ​​SAR (al regulering af mikrobølgestråling fra mobiltelefoner, som diskuteres, er kun baseret på den termiske effekt, det vil sige forbundet med opvarmning af væv i menneskelige organer).
KOMPLET KAOS.
Medicin har endnu ikke givet et klart svar på spørgsmålet: er mobil/WiFi skadeligt og i hvilket omfang?
Hvad vil der ske med den trådløse transmission af elektricitet ved hjælp af mikrobølgeteknologier?
Her er effekten ikke watt og miles af watt, men kW...

Bemærk: En typisk WiMAX-basestation udsender effekt ved ca. +43 dBm (20 W), og en mobilstation sender typisk ved +23 dBm (200 mW).

Tags:

• Elektricitet
• Mikrobølgeovn
• PoWiFi
• droner
• UAV

Tilføj tags

I mange år har forskere kæmpet med spørgsmålet om at minimere elektriske omkostninger. Spise forskellige veje og forslag, men alligevel er den mest berømte teori den trådløse transmission af elektricitet. Vi foreslår at overveje, hvordan det udføres, hvem der er dets opfinder, og hvorfor det endnu ikke er blevet implementeret.

Teori

Trådløs elektricitet er bogstaveligt talt transmission elektrisk energi uden ledninger. Folk sammenligner ofte trådløs transmission af elektrisk energi med transmission af information, såsom radioer, mobiltelefoner eller Wi-Fi adgang på internettet. Den største forskel er, at radio- eller mikrobølgetransmission er en teknologi, der har til formål at gendanne og transportere information, og ikke den energi, der oprindeligt blev brugt på transmission.

Trådløs elektricitet er relativt nyt område teknologi, men ret dynamisk udviklende. Der udvikles nu metoder til effektivt og sikkert at overføre energi over en afstand uden afbrydelser.

Hvordan fungerer trådløs elektricitet?

Hovedværket er specifikt baseret på magnetisme og elektromagnetisme, som det er tilfældet med radioudsendelser. Trådløs oplader, også kendt som induktiv opladning, er baseret på nogle få enkle driftsprincipper, især teknologien kræver to spoler. En sender og modtager, som tilsammen genererer et magnetisk vekselfelt af ikke-jævnstrøm. Til gengæld forårsager dette felt en spænding i modtagerspolen; det kan bruges til ernæring mobil enhed eller opladning af batteriet.

Sender man elektrisk strøm gennem en ledning, skabes et cirkulært magnetfelt omkring kablet. På trods af at magnetfeltet påvirker både sløjfen og spolen, er det mest udtalt på kablet. Når vi tager en anden trådspole, der ikke modtager nogen elektrisk strøm, der passerer gennem den, og et sted, hvor vi placerer en spole i magnetfeltet på den første spole, vil den elektriske strøm fra den første spole blive transmitteret gennem magnetfeltet og gennem den anden spole, hvilket skaber en induktiv kobling.

Lad os tage en elektrisk tandbørste som eksempel. I den er opladeren forbundet til en stikkontakt, som sender elektrisk strøm til den snoede ledning indeni oplader, der skaber et magnetfelt. Der er en anden spole inde i tandbørsten, når strømmen begynder at strømme, og takket være den dannede MF begynder børsten at oplade uden at være direkte forbundet til en 220 V strømforsyning.

Historie

Trådløs strømtransmission, som et alternativ til transmission og distribution af elektriske linjer, blev først foreslået og demonstreret af Nikola Tesla. I 1899 præsenterede Tesla den trådløse transmission af strøm til et felt af fluorescerende lamper placeret femogtyve miles fra strømkilden uden brug af ledninger. Men dengang var det billigere at lave ledninger af kobbertråde 25 miles, frem for at bygge de specielle elektriske generatorer, som Teslas erfaring kræver. Han fik aldrig patent, og opfindelsen forblev i videnskabens fordybninger.

Mens Tesla var den første person til at demonstrere de praktiske muligheder for trådløs kommunikation tilbage i 1899, er der i dag meget få enheder til salg, såsom trådløse børster, hovedtelefoner, telefonopladere og lignende.

Trådløs teknologi

Trådløs energioverførsel involverer overførsel af elektrisk energi eller strøm over en afstand uden ledninger. Kerneteknologien ligger således på begreberne elektricitet, magnetisme og elektromagnetisme.

Magnetisme

Det er en fundamental naturkraft, der får visse typer materiale til at tiltrække eller frastøde hinanden. De eneste permanente magneter er jordens poler. Fluxstrømmen i sløjfen genererer magnetiske felter, der adskiller sig fra oscillerende magnetiske felter i den hastighed og tid, der kræves for at generere vekselstrøm (AC). De kræfter, der opstår i dette tilfælde, er afbildet i diagrammet nedenfor.

Sådan opstår magnetisme

Elektromagnetisme er den indbyrdes afhængighed af vekslende elektriske og magnetiske felter.

Magnetisk induktion

Hvis den ledende sløjfe er forbundet til en vekselstrømskilde, vil den generere et oscillerende magnetfelt i og omkring sløjfen. Hvis det andet ledende kredsløb er tæt nok, vil det fange en del af dette oscillerende magnetfelt, som igen genererer eller inducerer en elektrisk strøm i den anden spole.

Video: hvordan trådløs elektricitetsoverførsel sker

Således sker det elektrisk transmission strøm fra en cyklus eller spole til en anden, hvilket er kendt som magnetisk induktion. Eksempler på dette fænomen bruges i elektriske transformere og generatorer. Dette koncept er baseret på Faradays love om elektromagnetisk induktion. Der udtaler han, at når der er en ændring i den magnetiske flux, der forbinder til en spole, er den emf, der induceres i spolen, lig med produktet af antallet af vindinger af spolen og hastigheden af ​​ændring af flux.

Strømkobling

Denne del er nødvendig, når en enhed ikke kan overføre energi til en anden enhed.

Magnetisk kobling genereres, når et objekts magnetfelt er i stand til at inducere en elektrisk strøm til andre enheder inden for dets rækkevidde.

To enheder siges at være gensidigt induktivt koblede eller magnetisk koblede, når de er arrangeret således, at en ændring i strøm som en ledning inducerer en spænding ved enderne af den anden ledning ved hjælp af elektromagnetisk induktion. Dette skyldes gensidig induktans

Teknologi

Induktivt koblingsprincip

To enheder, der er gensidigt induktivt koblede eller magnetisk koblede, er designet således, at ændringen i strøm, når en ledning inducerer en spænding ved enderne af den anden ledning, frembringes ved elektromagnetisk induktion. Dette skyldes gensidig induktans.
Induktiv kobling foretrækkes på grund af dens evne til at fungere trådløst samt dens modstandsdygtighed over for stød.

Resonant induktiv kobling er en kombination af induktiv kobling og resonans. Ved hjælp af resonansbegrebet kan man få to objekter til at virke afhængigt af hinandens signaler.

Som det kan ses af diagrammet ovenfor, tilvejebringes resonans af spolens induktans. Kondensatoren er forbundet parallelt med viklingen. Energi vil bevæge sig frem og tilbage mellem det magnetiske felt, der omgiver spolen, og det elektriske felt omkring kondensatoren. Her vil strålingstabet være minimalt.

Der er også konceptet med trådløs ioniseret kommunikation.

Det kan også implementeres, men det kræver lidt mere indsats. Denne teknik findes allerede i naturen, men det er næppe muligt at implementere den, da den kræver et højt magnetfelt, fra 2,11 M/m. Det blev udviklet af den geniale videnskabsmand Richard Walras, udvikleren af ​​en hvirvelgenerator, der sender og transmitterer varmeenergi over store afstande, især ved hjælp af specielle samlere. Det enkleste eksempel på en sådan forbindelse er lyn.

Fordele og ulemper

Selvfølgelig har denne opfindelse sine fordele og ulemper i forhold til kablede metoder. Vi inviterer dig til at overveje dem.

Fordelene omfatter:

1. Fuldstændig fravær af ledninger;
2. Ingen behov for strømforsyninger;
3. Behovet for et batteri er elimineret;
4. Energi overføres mere effektivt;
5. Der kræves væsentligt mindre vedligeholdelse.

Ulemperne omfatter følgende:

• Afstanden er begrænset;
• magnetiske felter er ikke så sikre for mennesker;
• trådløs transmission af elektricitet ved hjælp af mikrobølger eller andre teorier er praktisk talt umuligt hjemme og med dine egne hænder;
• høje installationsomkostninger.

Når jeg jævnligt kiggede gennem udenlandske resultater inden for radioteknik, stødte jeg på en god enhed til trådløs strømtransmission, lavet ikke på nogle knappe mikrokredsløb, men ganske overkommelig for selvmontering. Fuld dokumentation på engelsk kan downloades fra linket, og her vil jeg give Resumé på russisk, herunder nogle kredsløbsløsninger.

Nuværende transceiver-spoler

Signaloscillogram

Værket præsenterer flere lignende kredsløbsdiagrammer, der kun adskiller sig i spænding og effekt. De bruger små spoler af tyk tråd som en energi-"antenne"; transistorerne er almindelige kraftige felteffekter, så du kan samle alt dette selv.

Lad os advare dig med det samme - her taler vi ikke om at overføre energi over mange meter; sådanne enheder er mere egnede til andre lignende enheder, hvor afstanden er flere centimeter. Men kraften der "flyver" gennem luften når op til 100 watt!

Driftsprincip

En resonansomformer arbejder typisk ved en konstant driftsfrekvens, som er bestemt af LC-kredsløbets resonansfrekvens. Når DC-spænding er påført kredsløbet, begynder det at generere ved hjælp af transistorer. En slags multivibrator, med en faseforskydning på 180°. Transistorer forbinder skiftevis enderne af et parallelt resonanskredsløb til massen, hvilket tillader dette kredsløb periodisk at genoplade med energi og derefter udstråle det ud i rummet.

Praktiske ordninger

Grundordning

Foto af den færdige energi sender-modtager

For at opsummere, bemærker vi, at trådløs energitransmission i stigende grad bliver introduceret i området forbrugerelektronik, industrielt, militært og medicinsk udstyr. Ligesom trådløst LAN og Bluetooth, begge dele trådløs strøm bliver en relevant mulighed. Dette giver dig mulighed for at slippe af med upålidelige knapper, kabler og strømstik. Et andet anvendelsesområde vedrører transformere, som skal opfylde særlige krav såsom forstærket eller dobbelt isolering. Og vigtigst af alt: elektrisk sikkerhed! Mange lavstrømsnetværk Hårde hvidevarer kan strømforsynes ikke gennem 220 V-ledninger, stik og stikkontakter, men ved hjælp af en berøringsfri metode - blot ved at flytte dem til den ønskede overflade.