Способы беспроводной передачи электроэнергии

3 способа передачи энергии без проводов — от Теслы до наших дней.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Читайте также:
Частые неисправности котлов отопления и ремонт

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

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
    большая мощность
    стойкость к перегрузкам
    отсутствие переизлучения
    невысокая цена изготовления

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.

Способ с лазерами хорош только в космосе. На поверхности земли это не очень эффективно. Правда когда другого выхода нет, можно воспользоваться и им.

Зато микроволны дают полет для фантазий. С их помощью можно передавать энергию:

    на земле и в космосе
    с поверхности земли на космический корабль или спутник
    и наоборот, со спутника в космосе обратно на землю

За все последние годы, согласно вышеприведенным технологиям, ученые пытались и пытаются реализовать всего два проекта.

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).

Читайте также:
Степлер мебельный. Что это такое и как устроено.

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.

Применение и перспективы беспроводной передачи электричества

Люди давно искали беспроводной способ передачи электроэнергии. Только представь, во сколько раз бы стала дешевле электроэнергия без затрачиваемых ресурсов на токопроводящую продукцию. С каждый днем мир меняется, научно-техническая революция двигается вперед. Уже сейчас можно судить по новым разработкам в этой сфере, что в скором времени мечта людей сбудется. Вероятно, это будет таким же прорывом, как и развитие компьютеров. А если ты является инвестором, то еще и сможешь зарабатывать с помощью такой технологии большие деньги.

В настоящее время это одна из приоритетных задач, так как отличается огромным потенциалом и способна найти активное применение в гражданской и военной сфере. Она позволит отказаться полностью от проводов, ведь электричество будет поступать по воздуху или земле. Отпадет потребность в громоздких аккумуляторах, приборы будут более компактными. Кроме того, производители предложат усовершенствованные переносные устройства.

К истокам появления

В 1893 году проходила выставка в Чикаго. На ней была демонстрация беспроводного освещения, в которой все действовало за счет люминесцентных ламп. Это работа принадлежала Николе Тесла.

Сейчас эксперимент сможешь повторить и ты – просто встань с лампой дневного света под линией с высоким напряжением. А тогда это было больше похоже на сеанс магии, поэтому изобретатель получил такую популярность.

Сегодня не каждый ученый согласится, что именно Тесле принадлежит идея создания беспроводного электричества. Они считают, что его работы – это доработка уже существующей идеи. Например, за 73 года до выставки, Андре Ампер записал закон, который указывает, что при использовании электротока возникает магнитное поле. Через одиннадцать лет, Майкл Фарадей открыл закон индукции. Был проведен опыт, который показал, что генерируемое в одном проводнике магнитное поле индуцирует ток в другой проводник.

В 1864 году произошло объединение всех теорий. Работа принадлежит Джеймсу Максвеллу. Он пришел к уравнению, которое описывало электромагнитное поле, а также связь с электрозарядами и токами в вакууме.

Спустя двадцать семь лет Тесла модернизировал передатчик волн, который изобрел Герц немного ранее. Он запатентовал его в качестве устройства для радиочастотного энергоснабжения.

Принцип работы

Беспроводная электроэнергия – это в буквальном смысле передача электричества на расстоянии без использования проводов. Чаще такая технология сравнивается с передачей информационных данных, например, с Wi-Fi, мобильным телефоном. Сейчас ведутся разработки специальных методов, которые улучшат процесс и сделают его ровным, без перебоев.

Основой для данной технологии служат магнетизм и электромагнетизм, а также простые принципы работы. Речь идет о наличии системы, которая состоит из двух катушек – передатчика и приемника. Благодаря их совместной работе регенерируется переменное магнитное поле, а затем возникает не постоянный ток. Напряжение в катушке приемника используется, например, чтобы зарядить аккумулятор или питание смартфона. Электроток, проходящий через провод вокруг кабеля, вызывает круговое поле. Тот проволочный моток, который остался без тока, принимает электроток от первой катушки. Так обеспечивается индуктивная связь.

Как происходит передача?

Если рассматривать последние разработки американских и корейских ученых, то ведущая роль в них принадлежит магнитно-резонансным системам CMRS и DCRS. Технология исследователей из Южной Кореи более совершена. Они сумели передать электрическую энергию на пять метров. За счет работы компактных дипольных катушек DCRS, появилась возможность запитать каждого потребителя в помещении средних размеров без использования проводов.

Конечно, современная аппаратура не столь совершенна, так как есть ограничение длины пути электричества по воздуху. Но мировые ученые работают над этим. Уже сегодня можно заметить, как новые достижения входят в повседневную жизнь.

Технологии

Речь идет о наиболее перспективных направлениях, связанных с разработкой новых методов и способом транспортировки электроэнергии без материального контакта.

Ультразвуковой способ

Технологию продемонстрировали десять лет назад. Студенты из университета Пенсильвании воспользовались ультразвуковым передатчиком и приемником, чтобы показать свой эксперимент. Радиус действия достиг десяти метров. Передаваемые частоты не оказали никакого воздействия на человека или животного. Но были и недостатки: низкий КПД и отсутствие прямой видимости между «узлами».

Электромагнитная индукция

Чтобы понять его принцип действия, вспомни, как работает обыкновенный трансформатор. Имеются две катушки и ток, который протекает от первичной обмотки ко вторичной.

Читайте также:
Фанера из березы: инструкция по выбору своими руками, особенности ламинированных изделий

У такого метода есть недостаток. Он заключается в близости катушек. Другими словами, много энергии уходит в пространство.

Метод электростатической индукции

Суть в прохождении энергии сквозь тело диэлектрика. Способ носит название «Емкостная связь». Благодаря работе генератора возникает электрополе, возбуждающее разницу потенциалов. Последняя возникает между двумя электродами.

Микроволновое излучение

Ценник на такое оборудование довольно высокий. Но и работа не отстает – отличается большой дальностью действия. Передатчиком выступает радиоантенна. Она отлично справляется с созданием микроволнового излучения. Приемник оснащен ректенной, преобразующей последнее в электроток. Благодаря такой технологии приемник может находиться на дальнем расстоянии от передатчика.

Лазерный метод

Передача энергии происходит за счет преобразования ее в луч. Последний дальше следует на фотоэлемент приемника. Это позволяет передать большой объем. Но есть и нюанс – планы разбиваются об атмосферу и энергия рассеивается. Конечно, не вся, но шестьдесят процентов точно. Такая технология может применяться и в безвоздушном пространстве.

Электропроводность Земли

Гидросфера и залежи металлических руд используются, чтобы передавать ток на низких частотах. Очагом возникновения могут стать огромные залежи кварцевого песка.

Всемирная беспроводная система

Метод возник в 1904 году. Тесла заявил, что создание такой системы при использовании повышенной электропроводности плазмы и Земли, вполне имеет место.

Реальные проекты сегодня

Самый распространенный девайс в наши дни – зарядное устройство. Речь идет не только о смартфоне или планшете. Это может быть, например, робот-пылесос, электрический самокат и зубная щетка.

Перспективы

На данный момент проходят исследования и разработку проектов по созданию электромобилей. Они будут передвигаться с использованием токопровода, индуцирующим ток в моторе транспортного средства.

Многие передовые фирмы разрабатывают беспроводной способ передачи электроэнергии для источников питания. Такие устройства должны будут давать энергию всем потребителям, которые находятся в одном помещении. Перспективным направлением являются и новые трассы, которые за счет беспроводного источника обеспечат перемещение летающего аппарата на существенном расстоянии. Новые материалы, усовершенствованные приборы и многое другое со временем охватят все сферы человеческой деятельности.

Беспроводная передача электроэнергии

Решить проблему беспроводной передачи электрической энергии на большие расстояния – давнишняя мечта человечества. Можно представить, насколько бы подешевела электроэнергия без затрат на токопроводную продукцию. Научно-техническая революция не стоит на месте. Есть надежда, что эта мечта сбудется в недалёком будущем. Тому свидетельствуют новые разработки в данной сфере.

История беспроводной передачи энергии

Великий французский физик Ампер в 1820 году путём многочисленных опытов пришёл к выводу о том, что магнитное поле может возбуждать в теле металла электрический ток. Так появился основополагающий закон Ампера.

Майкл Фарадей в 1831 открыл закон индукции, который стал базой для развития такой науки, как электромагнетизм.

Джеймс Максвелл после долгих экспериментов систематизировал свои наблюдения, квинтэссенцией которых в 1864 году стало уравнение Максвелла. Формула объясняла поведение электромагнитного поля.

Никола Тесла усовершенствовал аппарат для генерации электромагнитного поля, изобретённый Генрихом Герцем в 1888 году. На Всемирной выставке в 1893 г., состоявшейся в Чикаго, Тесла продемонстрировал свечение фосфорных лампочек без проводов.

Свой вклад в развитие беспроводной передачи энергии сделал русский учёный Александр Попов. В 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества он показал изобретённый им детекторный радиоприёмник.

Далее вплоть до наших дней происходило патентование новых изобретений в области беспроводной передачи электрической энергии. Были произведены масса экспериментов, совершенно большое количество открытий. Последнее достижение в этой сфере – это передача электричества на большие расстояния без проводов с помощью технологии Wi-Fi. В 2017 году изобретён мобильный телефон без батареи.

Как это работает

Беспроводное электричество базируется на таком явлении, как электромагнетизм. В работе участвуют две катушки из металлических проводов. Одна из них подключена к источнику тока, вокруг которой создаётся магнитное поле. Вторая катушка, воспринимая это поле, индуцирует в своей обмотке вторичный электрический ток.

Принципы передачи

В последних разработках учёных из США и Южной Кореи применялись магнитно-резонансные системы CMRS и DCRS. Корейская технология оказалась более совершенной. Удалось передать электроэнергию на 5 метров. Благодаря компактным дипольным катушкам DCRS, можно запитать всех потребителей в помещении средних размеров без проводов.

Важно! Несовершенство современной аппаратуры существенно ограничивает длину пути электричества по воздуху.

Несмотря на это, учёные всего мира заняты получением новых технологий, задача которых – передача энергии на расстоянии в десятки и сотни километров. Уже сегодня развиваются и претворяются в жизнь новые достижения науки в области доставки электроэнергии без проводных линий электропередач.

Технологии

Наиболее перспективными направлениями в разработке новых методов и способов транспортировки электричества без материального контакта являются:

  • ультразвуковой способ;
  • метод электромагнитной индукции;
  • электростатическая индукция;
  • микроволновое излучение;
  • лазерный метод;
  • электропроводность Земли.

Ультразвуковой способ

Студентами Пенсильванского университета (США) на недавней выставке в 2011 году был продемонстрирован способ передачи электротока с помощью ультразвука. Передатчик генерировал акустические волны в ультразвуковом диапазоне, приёмник преобразовывал их в электрический ток. В качестве носителя энергии ультразвук был выбран не случайно. Его воздействие на организм человека абсолютно безвредно.

Читайте также:
Укладка бетона по действующим сводам правил

Несовершенство этого способа заключается в том, что КПД передачи очень низкий, нужны прямая видимость между абонентами и ограниченность расстояния (7-10 метров).

Метод электромагнитной индукции

Работа обыкновенного трансформатора даёт представление о том, как осуществляется передача электричества без проводов методом электромагнитной индукции. В процессе участвуют две катушки. Магнитное поле, возбуждаемое протекающим током по виткам первичной обмотки, индуцирует электрический поток во вторичной обмотке трансформатора.

Примерами использования эффекта электромагнитной индукции могут быть зарядные устройства смартфонов и электрические зубные щётки. Недостатком такого способа передачи энергии является непременная близость катушек. Даже при небольшом увеличении промежутка между обмотками большая часть энергии начинает распыляться в пространстве.

Один из видов электромагнитной индукции – это использование резонанса. Суть способа заключается в том, что приёмник и передатчик функционируют в одном частотном диапазоне. Передающее и приёмное устройства представляют собой соленоид с одним слоем витков. Генерирующий прибор оснащён конденсаторной схемой, с помощью которой он настраивается на частоту приёмника.

Электростатическая индукция

В основе метода заложен принцип прохождения энергии через тело диэлектрика. Способ называют ёмкостной связью. Генератор создаёт в ёмкости электрическое поле, которое возбуждает разницу потенциалов между двумя электродами потребителя.

Никола Тесла для демонстрации беспроводной лампы освещения использовал именно метод электростатической индукции. Лампа получала питание от переменного электрического поля высокой частоты. Она светилась ровно, независимо от её перемещения в пространстве комнаты.

Микроволновое излучение

Специалисты космотехники разработали способ передачи электроэнергии от орбитальных солнечных батарей на космические корабли с помощью радиосигнала микроволнового диапазона. Проблема этого метода состоит в том, что для приёма и передачи пучкового излучения требуются антенны с очень большой диафрагмой.

Учёные НАСА в 1978 году пришли к выводу, что для передачи микроволнового луча частотой 2,45 ГГц излучающая антенна должна иметь диаметр отражающей поверхности 1 км. Приёмная ректенна должна быть диаметром 10 км. Уменьшить эти размеры возможно путём использования сверхкоротких волн. Однако сигналы такого диапазона быстро поглощаются атмосферой или блокируются дождевыми осадками.

Обратите внимание! Безопасная плотность мощности излучаемой энергии равняется 1 мВт/см2. Этой норме отвечает антенна диаметром 10 км с передающей мощностью потенциала 750 МВт.

Лазерный метод

Передачу электроэнергии на большие расстояния без проводов с помощью лазера стали осуществлять сосем недавно. Идея состоит в том, что лазерный луч, несущий в себе энергетический потенциал, попадает на фотоэлемент приёмного устройства, где высокочастотное электромагнитное излучение преобразуется в электрический ток.

Лазерная технология передачи энергии, ранее применяемая в военной области, успешно внедряется в гражданскую сферу деятельности человека. Разработки американских учёных привели к изобретению беспилотного летательного аппарата, получающего энергетическое питание от лазерного луча. В 2006 году был продемонстрирован беспилотник, который мог летать в беспосадочном режиме, питаясь от лазерной установки.

В 2009 году был успешно осуществлён эксперимент в космосе по передаче энергии на один километр мощностью 500Вт.

Электропроводность Земли

Существует теория использования недр и океанов Земли для беспроводной передачи энергии. Электропроводимость гидросферы, залежей металлических руд может быть использована для передачи низкочастотного переменного тока. Электростатическая индукция диэлектрических тел может возникать в огромных залежах кварцевого песка и тому подобных минералов.

Передача электрического тока возможна также через воздушное пространство методом электростатической индукции. Никола Тесла в своё время выдвинул предположение, что в будущем появятся технологии, которые для передачи электроэнергии будут использовать землю, океанические воды и атмосферу планеты.

Всемирная беспроводная система

Впервые о Всемирной беспроводной системе передачи электроэнергии стало известно от великого учёного Теслы. В 1904 году он заявил, что создание ВБС, используя высокую электрическую проводимость плазмы и Земли, вполне осуществимо.

Реальные проекты в наши дни

Из всего того, что на сегодня предлагает рынок электротехники, относятся к беспроводной передаче электроэнергии зарядные устройства для смартфонов, электрические зубные щётки. В них используется принцип электромагнитной индукции.

В авиастроении началось серийное производство летательных беспилотных аппаратов, питающихся за счёт беспроводной передачи электричества. Небольшой микроволновый вертолёт с ректенной может подниматься на высоту до 15 метров над землёй. Появились беспилотники, которые могут летать в зоне видимости лазерного луча.

Китайский производитель бытовой техники Haier Group с 2010 года выпускает беспроводные LCD телевизоры.

Перспективы беспроводной передачи электричества

Сейчас ведутся исследовательские работы, и разрабатываются проекты создания электромобилей, которые будут передвигаться по дорожному покрытию с токопроводом, который индуцирует электрический ток в моторе транспорта.

Ряд передовых фирм заняты разработкой беспроводных источников питания, которые смогут снабжать электроэнергией всех потребителей в пределах одного помещения.

В перспективе появление трасс, состоящих из ряда беспроводных источников электричества, которые смогут обеспечить перемещение летательных аппаратов на большие расстояния.

С появлением новых материалов, усовершенствованных приборов и изобретений беспроводная передача электроэнергии в недалёком будущем охватит все сферы деятельности человека.

Видео

Беспроводное электричество: от идеи до реализации

  • Total 6

Из всех идей, над которыми работал инженер и физик Никола Тесла, а в этом списке были переменный ток, радио, пульт дистанционного управления (и это в конце XIX века), самой фантастической и трудно осуществимой была передача электрической энергии без проводов. И дело не в том, что сербский изобретатель не знал, как осуществить свой проект. Идея беспроводного электричества, как и электродвигатель, созданный в эпоху бурного развития нефтяной промышленности, не была оценена по достоинству и не получила поддержку от инвесторов и научного сообщества. Спустя десятилетия, когда электроприборы стали неотъемлемой частью нашего быта, система беспроводной передачи электричества (БПЭ) снова будоражит умы инженеров по всему миру. Каких результатов уже удалось достичь, и какие способы используется сегодня?

«Когда это будет сделано, вы сможете отправиться в любую точку мира — на вершину горы с видом на вашу ферму, в Арктику или в пустыню — и установить небольшое оборудование, которое даст вам тепло для приготовления пищи, а свет для чтения. Это оборудование поместиться в небольшой сумке, как обычный чемодан. В ближайшие годы беспроводные светильники будут столь же распространены на фермах, как и обычные электрические светильники в наших городах».

Никола Тесла, «The American Magazine», апрель 1921 года

Читайте также:
Экономия электричества с самодельным генератором

Беспроводная передача электричества: что это

«Беспроводной» — одно из самых трендовых слов последнего времени: интернет, мобильные телефоны, наушники, зарядные устройства, радио. Эти технологии тоже можно считать видом беспроводной передачи энергии, но в них главенствующая роль отводиться информации (качеству ее передачи, скорости), а в случае с электричеством показателем эффективности является сохранность передаваемой энергии без использования электрической цепи из токопроводящих элементов.

Кто изобрел беспроводное электричество?

Во время выставки в Чикаго в 1893 году Никола Тесла продемонстрировал беспроводное освещение при помощи люминесцентных ламп. Сегодня подобный эксперимент может повторить кто угодно, достаточно встать с лампой дневного света под линией высокого напряжения. А в то время — было похоже на магический сеанс, поэтому пресса и очевидцы вознесли изобретателя на вершину популярности.

Но в научном мире нет единства, что именно Тесла создал беспроводное электричество: считается, что он доработал идею, которую уже развивали другие ученые.

В 1820 году Андре Мари Ампер записал закон, названный впоследствии в его честь, указывающий на то, что во время использования электрического тока образуется магнитное поле.

Спустя 11 лет Майклом Фарадеем был открыт закон индукции: в ходе опыта установил, что магнитное поле, генерируемое в одном проводнике, способно индуцировать ток в другом проводнике.

В 1864 году Джеймс Максвелл объединил имеющиеся теории, и вывел уравнение, описывающее электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах.

В 1891 году Никола Тесла улучшил передатчик волн, изобретенный Генрихом Герцом тремя годами ранее, и запатентовал его как устройство для радиочастотного энергоснабжения: патент No 454,622; «Система электрического освещения». Параллельно с сербским ученым, исследования электромагнитных волн ведут Александр Попов (Россия), Гульельмо Маркони (Италия), Джагдиш Боше (Индия).

Как работает беспроводное электричество: индукция

Несмотря на то, что последние десятилетия технологии активно развивались, один из самых популярных способов передачи электроэнергии без проводов, мало чем отличается от того, которым пользовался Фарадей. Одна резонансная медная катушка подключается к источнику питания, вторая — играет роль приемника.

Видео работы беспроводного электричества с использованием двух катушек наглядно демонстрирует и простоту технологии, и ее главную проблему – небольшой радиус действия. Также с его помощью невозможно передавать большие объемы энергии (катушки расплавятся) при том, что КПД около 40% (Тесла об этом писал еще в 1899 году).

Однако, нельзя сказать, что магнитная индукция не нашла своего применения. Сегодня технология активно используется для производства беспроводных зарядных устройств. Компания Apple 2017 году презентовала свои беспроводные зарядные устройства, как нечто революционное, хотя фактически этой новинке больше 100 лет.

Беспроводное электричество: популярные технологии

Помимо индукции, на которую делают главные ставки производители электрокаров и гаджетов, известны еще 3 способа: лазеры, микроволны, ультразвук. Ученые убеждены, что каждое из этих направлений может получить развитие в будущем.

  • Лазеры. Энергия передается путем преобразования ее в луч, которые направляется на фотоэлемент приемника. Таким способом можно передавать большие объемы энергии, но эти планы разбиваются об атмосферу Земли, из-за которой большая часть (около 60%) энергии рассеивается. Но в безвоздушных пространствах технология вполне жизнеспособна. Именно поэтому компании, осваивающие космические просторы, продолжают изучение лазерных технологий: в 2009 году NASA даже был организован конкурс с призовым фондом в $900 тыс. по лазерной БПЭ. Первое место заняла Laser Motive: на 1км и 0,5 кВт переданной непрерывной мощности. При том, что конечно цели достигли только 10% энергии, эксперимент назвали успешным.

  • Микроволны. Теоретически радиоволновую передачу энергии можно сделать направленной, используя полупроводники или лампы (циклотронный преобразователь энергии). Полупроводники сейчас активно используются во всем мире, но что касается передачи больших объемов энергии, то необходимо использовать и большее количество полупроводников. Это не только увеличивает стоимость проекта, но и появляется переизлучение, т.е. находиться близко у таких панелей – не безопасно. Но полупроводниковые системы показали высокую эффективность: более 80%. Это доказал еще Вильям Бараун в 1975 году, передав 30 квт на расстояние более 1 км. Создателями циклотронного преобразователя энергии являются советские ученые Владимир Савин и Владимир Ванке, хотя его КПД не превышает 70-80%, надежность достаточно высокая.
  • Ультразвук. Технология была представлена в 2011 году на выставке «The All Things Digital» (D9). Студенты Пенсильванского университета использовали ультразвуковой передатчик и приемник (преобразовывал улавливающее электричество). Радиус действия – около 10 метров. Недостатки: должна быть прямая видимость между «узлами», низкий КПД. Но, передаваемые ультразвуковые частоты, не оказывают воздействия на людей или животных.
Читайте также:
Технология изготовления клинкерной плитки

Беспроводные зарядные устройства: использование в быту и инфраструктуре

Самым востребованным и популярным девайсом с использованием беспроводной передачи электроэнергии являются зарядные устройства. Это может быть не только смартфон или планшет поддерживающий технологию, но и робот-пылесос, электросамокат, электровелосипед и электрическая зубная щетка.

Универсальность беспроводных зарядок – несомненный плюс технологии. Их создают по стандарту Qi (читается как «Ци»), разработанному Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium): заряд на расстоянии до 4 см. Samsung и Xiaomi также выпускают универсальные беспроводные зарядки. Кстати, если Samsung EP-PG950 не может заряжать гаджеты через чехол, то для Xiaomi Mi Wireless Charging Pad – это не проблема.

Индукционные зарядки для электрических электросамокатов (кикскутеров) устанавливают в Германии. Easy Charge, созданная компаниями Metz и Intis, универсальная и может взаимодействовать с устройствами разных производителей, а благодаря тому, что зарядное выпускается в нескольких модификация (на одно или 5 мест), его можно использовать и в общественных местах.

Джошуа Смит (сотрудник компании Intel) совместно с Марин Солджачич – доцент кафедры физики MIT (Massachusetts Institute of Technology) основали проект WiTricity. Они сосредоточили свои силы на разработке системы БПЭ среднего диапазона, за основу взята магнитно-резонансная связь. В результате в 2017 году появились универсальные беспроводные зарядные устройства для электрокаров DRIVE 11. Приемник устанавливается на днище авто, а передатчики – где угодно (в общественных местах, на станциях заправки или в гаражах владельцев электрокаров).

Автомобильный концерн BMW также запустил продажи беспроводной индуктивной зарядки. Комплект состоит из индукционной зарядной станции – GroundPad, которая подходит для помещений и установки на открытом воздухе, второй элемент — CarPad (система зарядки автомобиля). После того, как авто оказывается над зарядкой, GroundPad генерирует магнитное поле, а CarPad индуцирует электрический ток, который затем передается в аккумулятор. За 3,5 часа батарея будет полностью заряжена. Аналогичную систему концерн разрабатывает и для мотоциклов.

В Швеции в 2018 году появилась целая электрифицированная дорога eRoadArlanda. Это 2-км участок дороги вблизи Стокгольма, с установленными отбойниками-троллеями. Пока электрокар находится над этой линией, подвижные токосъемники заряжают батареи.

Использовать ее могут электрогрузовики, разработанные в рамках проекта eRoadArlanda, в будущем технологию будут совершенствовать, чтобы сделать универсальной.

А вот в норвежском Осло разрабатывают систему бесконтактной подзарядки именно для легковых электромобилей в такси. В рамках государственной программы «ElectriCity» будет реализована зарядная система, которая позволит заряжать аккумуляторы, не теряя рабочего времени: например, пока водитель ожидает новый заказ или ждет клиентов.

Инженеры стартапа Emrod пошли дальше: беспроводная система передачи электроэнергии на большие расстояния уже тестируется в Новой Зеландии. Хотя инженеры Emrod не раскрывают точных деталей своей разработки известно, что технология подразумевает использование микроволнового излучения. Устройству, работающему в широком спектре частот, не обязательно находиться вблизи непосредственных потребителей. Это позволяет электрифицировать удаленные населенные пункты, при этом не производить вырубку деревьев для прокладки линии электропередач. Кроме того, технология должна снизить цену на электроэнергию.

Что касается безопасности, то по заверению создателей, излучение неионизирующее (не наносит вред человеку, животным, растительности). Также для дополнительной защиты установки укомплектованы сигнальным, лазерным лучом малой мощности, который сканирует линию передачи на наличие помех, и в случае их выявления, автоматически останавливает работу устройства. Примерно через полгода можно будет сделать выводы о его эффективности и создании полноценной системы. Примечательно, что поддержку стартапу Emrod оказывает один из главных дистрибьюторов электроэнергии в Новой Зеландии – Powerco. Это говорит о том, что крупные игроки энерго-рынка понимают важность поиска альтернатив в «зеленом» сегменте.

В XIX веке, в котором зарождались и беспроводная энергия и беспроводная связь, приоритет был отдан второму открытию. Возможно, теперь, когда связь уже налажена, ученые уделят внимание беспроводным технологиям передачи энергии, сделав их доступнее и дешевле. Это, в свою очередь, ускорило бы переход от двигателей внутреннего сгорания к электрокарам, решив часть проблем экологии.

Способы передачи электроэнергии беспроводными методами

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 15.10.2020 2020-10-15

Статья просмотрена: 250 раз

Библиографическое описание:

Цыганков, А. В. Способы передачи электроэнергии беспроводными методами / А. В. Цыганков, Б. Е. Кивенко, Д. К. Березовский. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 42 (332). — С. 19-23. — URL: https://moluch.ru/archive/332/74121/ (дата обращения: 12.11.2021).

В статье авторы рассказывают о способах передачи электроэнергии беспроводными методами и собирают два устройства способные передавать электричество и электростатическое излучение.

Ключевые слова: беспроводная передача энергии, устройство, электромагнитный импульс, переменный ток, SWER, передача энергии.

Открытия, которые способствовали созданию технологий беспроводной передачи энергии, были открыты ещё в XII веке. Но широкое применение эти открытия нашли только в XXI веке. И в наше время технология беспроводной сети является настоящим и будущем в науке и быту. Беспроводные технологии способны не только улучшить жизнь человечества, но и решить массу экологических проблем, связанных с ресурсами планеты «Земля» и загрязнения экосистемы.

Читайте также:
Холодильник Ока (15 фото): год выпуска, отзывы

Цель работы: выяснить какие бывают способы беспроводной передачи электроэнергии и узнать, как они работают.

В этом способе есть передатчик и приёмник (Рис.1). Передатчик излучает ультразвук; приёмник же в свою очередь преобразовывал слышимый ультразвук в электричество [2]. Передаваемое напряжение достигало 8 вольт на расстоянии 7–10 метров. При этом между приёмником и передатчиком должна быть непосредственная видимость. Доказано что используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Применение передачи электроэнергии при помощи ультразвука не возможна и не целесообразна из-за ограничений во многих государствах, низкого кпд и дороговизны оборудования.

Рис. 1. Пример работы ультразвукового способа передачи электроэнергии [2, с. 3]

Метод электромагнитной индукции

Это простейший и один из самых первых открытых способов передачи энергии беспроводным путём. Но основной минус этого метода кроется в способе его работы. Электромагнитная работает за счёт электромагнитных полей, которые должны располагаться на расстоянии около одной шестой длинны волны. Энергия ближнего поля не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Так же имеют место быть и резистивные потери. При отдалении вторичной обмотки от первичной, большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. То есть даже на относительно небольших расстояниях индуктивная связь становится крайне неэффективной, и расходует большую часть передаваемой энергии в пустую.

Самый простой пример работы электромагнитной индукции это- трансформатор (Рис. 2). У трансформатора есть первичная и вторичная обмотки, которые на прямую не связанны [3]. Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения. В пример можно привести устройства, которые работают по такому же принципу: бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щёток. Индукционные плиты также используют этот метод.

Рис. 2. Электрический трансформатор ↑↑↑ [3 c. 4]

Также для улучшения электромагнитной индукции используют резонанс. Резонансная индукция работает уже за счёт передатчика и приёмника которые настроены на одну частоту, что позволяет току быть уже в виде электромагнитной волны, а не в виде электромагнитного поля. Производительность может быть улучшена ещё больше путём изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка аккумуляторных батарей портативных устройств, таких, как портативные компьютеры и сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили.

Электростатическая или емкостная связь представляет собой прохождение электричества через диэлектрик. В практическом плане это выглядит так, что ток образуется из электрического поля, которое создаётся за счёт двух или более изолированными пластинами, узлами, электродами или клеммами, возвышающимися над проводящей поверхностью. Сама индукция получается из электрического поля наводящееся в пластинах переменным током высокого потенциала и частоты. Расстояние между двумя электродами и питаемым устройством образует разницу потенциалов. Самый известный и распространённый пример применения электростатической индукции это- беспроводные лампы, которые можно располагать в любом месте в пределах электрического поля, которое создаёт источник.

В данном методе основную роль в передаче энергии играют радиоволны. Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной, увеличив расстояние передачи энергии за счёт уменьшения длины волны электромагнитного излучения. Ректенна может использоваться для преобразования микроволновой энергии в электричество, эффективность которой превышает 95 %.

Плюсом этого способа является то, что при любой погоде при передачи данной энергии теряется только 5 %, но при этом его нужно сначала преобразовать в микроволны, а потом обратно в электричество. Но уже существует специальное устройство для преобразования, это магнитрон. Передача энергии при помощи микроволн даёт возможность передачи энергии на довольно большие расстояния и даже не требуется прямая видимость между приёмником и передатчиком, но также стоит отметить, что при увеличении дальности увеличивается и стоимость с размерами оборудования, так же микроволны большой мощности могут причинять вред человеку и окружающей среде.

Данный способ обеспечивает довольно большую дальность действия и в тоже время требуется прямая видимость между приёмником и передатчиком (Рис. 3). Главным плюсом данного метода в том, что он удобен для применения как небольших изделий, так и более крупных, например такие как спутники (Рис. 4). Так же полностью отсутствуют радиочастотные помехи. Так же, чтобы приёмник может получить энергию, нужно лишь навести на него лазерный луч [4].

У данного метода есть и недостатки, к примеру при преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, которым является свет, неэффективна. Так же неэффективно и обратное преобразование, так как КПД фотоэлементов достигает всего лишь 40–50 %.

Ранее передача энергии при помощи лазера (лазерной установки) осуществлялась только в военной отрасли и аэрокосмической, но уже сейчас данный метод используется и в промышленности, в маломощных устройствах [4]. Также лазерная передача энергии не так зависит от дифракционных излучений, так же характеристики лазеров дают возможность увеличивать мощность и дистанцию передачи.

Читайте также:
Способы удаления краски со стекла

Рис. 3. Пример работы лазерного метода передачи электроэнергии [4, c. 7]

Рис. 4. Пример работы лазерного метода передачи электроэнергии в космосе [4, c. 7]

Однопроводная электрическая система SWER (англ. single wire with earth return) основывается на токе земли и одном изолированном проводе. В аварийных случаях высоковольтные линии постоянного тока могут работать в режиме SWER (Рис. 5). Замена изолированного провода на атмосферную обратную связь для передачи мощного высокочастотного переменного тока стала одним из методов беспроводной передачи электроэнергии. Кроме того, исследовалась возможность беспроводной передачи электроэнергии только через землю [5]. Электропроводимость земли может служить для передачи низкочастотного переменного тока, так как сопротивление земли значительно меньше. Электростатическая индукция диэлектрических тел может возникать в больших залежах кварцевого песка в земле и ему подобных. Также переменный ток может передаваться и через слои атмосферы. Ток протекает через нижние слои атмосферы земли где-то в 3,2 километрах над уровнем моря. Стоит отметить, что пучки ультрафиолетового излучения могут быть использованы для ионизации атмосферных газов, приводя к плазменным высоковольтным линиям электропередачи. В итоге образуется поток электрического тока, идущего до тропосферы и через неё на другой терминал. Электропроводность тока через слои атмосферы становится возможной непосредственно благодаря плазменному разряду в ионизированной атмосфере земли.

Земля это-естественный проводник, который образует один проводящий контур. Обратный контур проходит через верхние слои тропосферы и нижние слои стратосферы на высоте примерно 7,2 км [5].

Рис. 5. Схема передачи электричества с помощью электропроводимости земли [5, c.8].

Беспроводной способ передачи электроэнергии. Новейший кейс применения разработки компании Emrod

Пока страны думают, как снизить объемы выбросов CO2 в атмосферу, увеличивая долю ВИЭ и атомной энергии, а десятки компаний ищут идеальный накопитель электроэнергии, новозеландский стартап Emrod презентовал способ беспроводной передачи электроэнергии.

Предприниматель Грег Кушнир задумался о дешевом и надежном способе электроснабжения в обход тяжеловесной инфраструктуры электрических сетей. В ходе исследований изучил работу НАСА и Японского космического агентства, которые планировали собирать солнечную энергию с помощью спутников и транслировать на Землю. Кушнир понял, что способ бесконтактной передачи электроэнергии на расстояния существует. Единичные исследования в этой области натыкались на проблему потерь большей части энергии и прекращались.

Ученый Рэй Симпкин из Callaghan Innovation по заказу Кушнира и при финансовой поддержке государства разработал прототип устройства беспроводной передачи электроэнергии.

Устройство представляет собой выполненные из метаматериалов передающую, принимающую антенны и реле между ними. Электрическая энергия в установке, проходя через передающую антенну, преобразуется в электромагнитные волны, направляется в ретранслирующие экраны, попадает в ректенну и трансформируется обратно в электроэнергию. Дальность действия устройства ограничивается видимостью.

Потеря энергии при передаче на прототипе составляет 30%. Причем эффективность принимающей антенны из радиопоглощающих метаматериалов стремится к 100%.

Прототип разработки с октября тестируется компанией Powerco — вторым по величине поставщиком электроэнергии в Новой Зеландии. Аппарат передает ток мощностью всего 2 кВт, но создатели уверяют, что мощность, как и дальность, легко нарастить.

Для передачи энергии Emrod задействует неионизирующий промышленный, научный и медицинский диапазон частот (ISM). Существуют международные правила безопасности по использованию такой частоты и долгая история применения среди людей без ущерба здоровью.

Представители Emrod утверждают, что установка не угрожает птицам и дронам, оказавшимся на пути электромагнитных волн. Сети лазерных лучей окружают электрический путь, и, если в их периметр попадает объект, передача энергии прерывается, что не сказывается на бесперебойности электроснабжения. Снег, дождь, град, взвеси пыли не приводят к отключению устройства.

Разработчики не планируют вытеснять привычные электрические сети, а предлагают использовать устройство в труднодоступных районах или для быстрого возобновления электроснабжения на аварийных участках сети с помощью машин с антеннами.

Кроме того, установка таких аппаратов позволит передавать энергию станций ВИЭ в регионы с неподходящим для выработки «зеленой энергии» климатом.

15 октября компания написала на официальном сайте о возможном кейсе применения своей разработки для электроснабжении острова Стьюарт. Он расположен в 30 км от Южного острова в Новой Зеландии. 85% территории, а это 1300 квадратных километров, занимает Национальный парк Ракиура. Стьюарт почти полностью покрыт лесом, на острове живут 5 видов пингвинов, коричневая птица киви, редкий вид попугая Нестор-кака.

У национального парка с сохраненной экосистемой есть скелет в шкафу, не гармонирующий с имиджем парка. Потребности в электроэнергии острова покрываются дизельной генерацией и использованием сжиженного нефтяного газа, а годовые выбросы СО2 составляют 820 тонн. Кроме того, стоимость электроэнергии за кВт-ч на полдоллара дороже, чем на территории Новой Зеландии, питающейся от национальных электрических сетей. Люди экономят слишком дорогую энергию, поэтому потребление на человека на острове Стьюарт составляет меньше половины среднего потребления по стране.

Решением проблемы дорогостоящего и неэкологичного энергоснабжения могла бы стать прокладка подводного кабеля или использование энергии солнца и ветра на острове. Однако первый вариант требует огромных затрат, а ВИЭ не покроют потребностей в электроэнергии из-за недостаточной выработки в силу климата. Более того, установки для ВИЭ могут негативно влиять на экосистему. Солнечные панели закроют собой огромную площадь национального парка, а ветряная электростанция создаст вибрацию, к которой чувствительны птицы.

Читайте также:
Фанера из березы: инструкция по выбору своими руками, особенности ламинированных изделий

Emrod предлагает передавать энергию бесконтактно от ВИЭ с Южного острова. Компания подсчитала, что беспроводная передача электроэнергии за счет экономии на инфраструктуре снизит тариф для жителей Стьюарта с 0.6$ за кВт-ч до 0,46$ за кВт-ч. Это самый бюджетный вариант за аналогичную мощность.

Если разработка Emrod докажет жизнеспособность, то станет яркой иллюстрацией прорывных технологий, когда вдруг появляется стартап и кардинально меняет отрасль, устанавливая новые недорогие способы передачи электроэнергии.

Введение в беспроводную передачу электрической энергии

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).

Изображение из патента Теслы на «устройство для передачи электрической энергии», 1907 год

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

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

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

Технологии беспроводной передачи электрической энергии (WPT)

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

Qi зарядка, открытый стандарт для беспроводной зарядки

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

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

Логотип Qi, показанный на беспроводной зарядной панели Qimini

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.

Обзор технологий беспроводной передачи электрической энергии и их охват стандартом 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.

Структурная схема передатчика и приемника беспроводной передачи электрической энергии

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.

Используя WiTricity, изобретенную учеными MIT, электромобили можно заряжать без проводов, а эти автомобили могут без проводов заряжать ваши мобильные телефоны! (Разумеется, используя Qi зарядку.) Эта беспроводная технология более удобна, а также она может заряжать автомобили быстрее, чем подключаемая зарядка.

Беспроводная зарядка электромобиля, встроенная в парковочное место

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.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: