Передача энергии на расстояние без проводов: Электричество без проводов — Энергетика и промышленность России — № 3 (31) март 2003 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Содержание

Электричество без проводов — Энергетика и промышленность России — № 3 (31) март 2003 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 3 (31) март 2003 года

Биография американского изобретателя, серба по происхождению, Николы Теслы достаточно известна, и мы на ней останавливаться не будем. Но сразу уточним: прежде чем продемонстрировать свой уникальный эксперимент, Тесла, сначала в 1892 году в Лондоне, а через год в Филадельфии, в присутствии специалистов продемонстрировал возможность передачи электрической энергии по одному проводу, не используя при этом заземления второго полюса источника энергии. И тогда же у него возникла идея использовать в качестве этого единственного провода… Землю!

И в этом же году на съезде ассоциации электрического освещения в Сант-Льюисе он продемонстрировал электрические лампы, горящие без подводящих проводов, и работающий без подключения к электрической сети электромотор. Эту необычную экспозицию он прокомментировал следующим образом:

«Несколько слов об идее, постоянно занимающей мои мысли и касающейся всех нас.

Я имею в виду передачу сигналов, а также и энергии на любое расстояние без проводов. Мы уже знаем, что электрические колебания могут передаваться по единственному проводнику. Почему же не воспользоваться для этой цели Землей? Если мы сможем установить период колебаний электрического заряда Земли при его возмущении, связанном с действием противоположно заряженной цепи, это будет фактом чрезвычайной важности, который послужит на благо всего человечества».

Увидя столь эффектную демонстрацию, такие известные олигархи, как Дж. Вестингауз и Дж. П. Морган, вложили в это перспективное дело свыше миллиона долларов, купив у Теслы его патенты (громадные, кстати, по тем временам деньги!). На эти средства в конце 90-х годов XIX века Тесла сооружает в Колорадо-Спрингс свою уникальную лабораторию.

Подробные сведения об экспериментах в лаборатории Теслы изложены в книге его биографа Джона О’Нейла «Электрический Прометей» (в нашей стране ее перевод был опубликован в журнале «Изобретатель и рационализатор» №4-11 за 1979 год).

Приведем здесь лишь краткую выдержку из нее, чтобы не ссылаться на более поздние перепечатки:

«В Колорадо-Спрингс Тесла провел первые испытания беспроводной передачи электроэнергии. Он смог питать током, извлекаемым из Земли во время работы гигантского вибратора, 200 электрических лампочек накаливания, расположенных на расстоянии 42 километров от его лаборатории. Мощность каждой составляла 50 ватт, так что суммарный расход энергии составлял 10 кВт, или 13 л.с. Тесла был убежден, что с помощью более мощного вибратора он смог бы зажечь дюжину электрических гирлянд по 200 лампочек в каждой, разбросанных по всему земному шару».

Самого же Теслу настолько вдохновили успехи этих экспериментов, что он заявил в широкой печати, что намерен осветить Всемирную промышленную выставку в Париже, которую предполагалось провести в 1903 году, энергией электростанции, расположенной на Ниагарском водопаде и переданной в Париж без проводов.

Известно по многочисленным фотографиям и описаниям очевидцев и помощников изобретателя, что представлял собой генератор энергии, передаваемой на 42 километра без проводов (правда, это чисто журналистский термин: один провод, в качестве которого выступала Земля, в этой цепи присутствует, и об этом прямо говорят и сам Тесла, и его биограф).

То, что Тесла называл вибратором, было гигантским трансформатором его системы, имевшим первичную обмотку из нескольких витков толстого провода, намотанных на ограде диаметром 25 метров, и размещенную внутри нее многовитковую однослойную вторичную обмотку на цилиндре из диэлектрика. Первичная обмотка вместе с конденсатором, индукционной катушкой и искровым промежутком образовывала колебательный контур-преобразователь частоты.

Над трансформатором, располагавшимся в центре лаборатории, возвышалась деревянная башня высотой 60 метров, увенчанная большим медным шаром. Один конец вторичной обмотки трансформатора соединялся с этим шаром, другой — заземлялся. Все устройство питалось от отдельной динамо-машины мощностью 300 л.с. В нем возбуждались электромагнитные колебания частотой 150 килогерц (длина волны 2000 метров). Рабочее напряжение в высоковольтной цепи составляло 30 000 В, а резонирующий потенциал шара достигал 100 000 000 В, порождая искусственные молнии длиной в десятки метров!

Вот как объясняет работу вибратора Теслы его биограф:

«В сущности, Тесла «накачивал» в Землю и извлекал оттуда поток электронов. Частота накачки составляла 150 кГц. Распространяясь концентрическими кругами все дальше от Колорадо-Спрингс, электрические волны сходились затем в диаметрально противоположной точке Земли. Там вздымались и опадали волны большой амплитуды в унисон с поднятыми в Колорадо. Опадая, такая волна посылала электрическое эхо обратно в Колорадо, где электрический вибратор усиливал волну, и она мчалась обратно.

Если привести всю Землю в состояние электрической вибрации, то в каждой точке ее поверхности мы будем обеспечены энергией. Ее можно будет улавливать из мечущихся между электрическими полюсами волн простыми устройствами наподобие колебательных контуров в радиоприемниках, только заземленными и снабженными небольшими антеннами высотой с сельский коттедж. Эта энергия будет обогревать дома и освещать их с помощью трубчатых ламп Теслы, не требующих проводов. Для электромоторов переменного тока понадобились бы только преобразователи частоты». Сведения об экспериментах Теслы по передаче электроэнергии без проводов вдохновили и других исследователей на работы в этой области.

Сообщения об аналогичных экспериментах часто появлялись в печати в начале прошлого века. Стоит привести в связи с этим выдержку из статьи A.M. Горького «Беседы о ремесле», опубликованной в 1930 году:

«В текущем году Маркони передал по воздуху электроток из Генуи в Австралию и зажег там электрические лампы на выставке в Сиднее. Это же было сделано 27 лет тому назад у нас, в России, литератором и ученым М.М. Филипповым, который несколько лет работал над передачей электротока по воздуху и в конце концов зажег из Петербурга люстру в Царском Селе (то есть на расстоянии 27 километров. -В.П.). Тогда на этот факт не было обращено должного внимания, но Филиппова через несколько дней нашли мертвым в своей квартире, а аппараты и бумаги его конфисковала полиция».

Эксперименты Теслы произвели большое впечатление и на другого литератора — Алексея Толстого, бывшего инженером по образованию. А когда Тесла, а затем и Маркони сообщили в печати, что их аппараты принимают странные сигналы внеземного, по-видимому, марсианского происхождения, это вдохновило писателя на написание фантастического романа «Аэлита».

В романе марсиане пользуются изобретением Теслы и без проводов передают энергию от расположенных на полюсах Марса электростанций в любую точку планеты. Эта энергия приводит в действие двигатели летающих судов и другие механизмы.

Однако построить свою «мировую систему» для обеспечения электроэнергией населения земного шара без использования проводов Тесле не удалось. Как только в 1900 году он начал возводить на острове Лонг-Айленд под Нью-Йорком научно-исследовательскую лабораторию-городок на 2000 сотрудников и громадную металлическую башню с гигантской медной тарелкой на верхушке, сспохватились и «проводные» электрические олигархи: ведь повсеместное внедрение системы Теслы грозило им разорением. На миллиардера Дж.П. Моргана, финансировавшего строительство, последовал жестокий нажим, в том числе и от подкупленных конкурентами правительственных чиновников.

Начались перебои с поставками оборудования, строительство застопорилось, а когда Морган под этим нажимом прекратил финансирование, и вовсе прекратилось. В начале Первой мировой войны, по наущению тех же конкурентов, правительство США распорядилось взорвать уже готовую башню под надуманным предлогом, что ее могут использовать в целях шпионажа. Ну а затем электротехника пошла привычным путем.

Долгое время никто не мог повторить эксперименты Теслы хотя бы потому, что потребовалось бы создать аналогичную по размерам и мощности установку. Но в том, что Тесле удалось найти способ передачи электрической энергии на расстояние без проводов, более ста лет назад никто не сомневался. Авторитет Теслы, имевшего рейтинг второго после Эдисона изобретателя, во всем мире был достаточно высок, а его вклад в развитие электротехники переменного тока (в пику Эдисону, ратовавшему за постоянный ток) несомненен. При его экспериментах присутствовало много специалистов, не считая прессы, и никто никогда не пытался уличить его в каких-либо фокусах или подтасовке фактов. О высоком авторитете Теслы свидетельствует и название его именем единицы напряженности магнитного поля.

Вот только вывод Теслы о том, что во время эксперимента в Колорадо-Спрингс энергия была передана на расстояние 42 километра с к.п.д., равным около 90%, слишком оптимистичен. Напомним, что общая мощность зажженных на расстоянии ламп составляла 10 кВт, или 13 л.с., в то время как мощность динамо-машины, питавшей вибратор, достигала 300 л.с. То есть можно говорить о к.п.д. всего лишь порядка 4-5%, хотя и эта цифра поразительна.

Физическое обоснование экспериментов Теслы по беспроводной передаче электроэнергии до сих пор волнует многих специалистов. Одним из них было высказано интересное предположение, что своеобразным аккумулятором энергии, возвращавшим в Землю извлеченный из нее заряд, было громадное, сильно ионизированное облако, возникающее вокруг шара на верхушке мачты установки Теслы, с которого во время ее работы били громадные искусственные молнии. Иначе говоря, был создан своеобразный пульсирующий насос, периодически менявший заряд всей Земли (кстати, не такой уж большой). Желающим подсчитать емкость Земли как конденсатора напомним, что емкость шара численно равна его радиусу в сантиметрах, а «сантиметр» емкости условно равен одной пикофараде.

И лишь спустя сто лет после знаменитой демонстрации Теслы появились сведения о первых попытках воспроизвести их на современном оборудовании. Причем пришлось начать сначала — с эксперимента Теслы по передаче электроэнергии по одному проводу. Эксперименты проводились в июле 1990 года в лаборатории Московского энергетического института. В присутствии комиссии из специалистов их проводил инженер С. Авраменко. Источником энергии был модифицированный трансформатор Теслы, к одной из клемм которого подключалась линия длиной около трех метров (опыт был лабораторный). В усложненном варианте опыта линия представляла собой тончайшую вольфрамовую проволоку диаметром 15 микрон и с громадным сопротивлением. Но по ней удалось передать мощность в 1,3 кВт для гирлянды электрических лампочек, а провод при этом оставался холодным, словно он приобрел свойства сверхпроводника.

В более раннем эксперименте 1989 года на опыты Авраменко приехали посмотреть заместитель министра энергетики и начальники главков. Удивлялись и разводили руками точно так же, как и присутствовавшие сто лет назад на демонстрации Теслы в Лондоне тамошние специалисты. Ну а к 1991 году Авраменко увеличил длину линии передачи электроэнергии по одному проводу до 160 метров.

Кстати, характерна в этом отношении история электромобилей, появившихся более ста лет назад и еще тогда по своим параметрам успешно конкурировавших с автомобилями. С современными аккумуляторами они могут успешно соревноваться с ними и сейчас, но автомобильные олигархи делают все, чтобы не выпустить этого, по всем статьям опережающего автомобиль конкурента на мировой рынок.

Передача электроэнергии без проводов- от начала до наших дней / Хабр

Передача электроэнергии без проводов, это способ передачи электрической энергии без использования токопроводящих элементов в электрической цепи.

В конце XIX века открытие того, что при помощи электричества можно заставить светиться лампочку, вызвало взрыв исследований, целью которых было найти наилучший способ передачи электроэнергии.

Активно изучалась беспроводная передача энергии и в начале 20го века, когда ученые уделяли большое внимание поиску различных путей беспроводной передачи энергии. Цель исследований была проста – генерировать электрическое поле в одном месте так, чтобы затем можно было его приборами обнаружить на расстоянии. В то же время были предприняты попытки снабжения энергией на расстоянии не только высокочувствительных датчиков для регистрации напряжения, а и значительных потребителей энергии. Так, в 1904 году на выставке

St. Louis World’s Fair

был вручен приз за успешный запуск самолетного двигателя мощностью 0,1 лошадиной силы, осуществленный на расстоянии 30 м.

Гуру «электричества» известны многим (William Sturgeon, Michael Faraday, Nicolas Joseph Callan, James Clerk Maxwel, Heinrich Hertz, Mahlon Loomas и др. ), но мало кто знает, что японский исследователь Hidetsugu Yagi для передачи энергии использовал собственной разработки антенну. В феврале 1926 г. он опубликовал результаты своих исследований, в которых описал строение и способ настройки антенны Yagi.

Прим: про Никола Тесла (Nikola Tesla) я не упомянул сознательно: написано много и многими.

Очень серьёзные работы и проекты велись в СССР в период 1930-1941 гг и параллельно в Drittes Reich. Естественно, в основном, военного назначения. Естественно, в основном, военного назначения: поражение живой силы противника, уничтожение военной и промышленной инфраструктуры и т.д.
В СССР велись так же серьёзные работы по использованию СВЧ излучения для предотвращения поверхностной коррозии металлических конструкций и изделий.
Но это отдельная история. Опять надо лезть на пыльный чердак.

Один из крупнейших российских физиков прошлого столетия, лауреат Нобелевской премии, академик Пётр Леонидович Капица посвятил часть своей творческой биографии исследованию перспектив использования СВЧ-колебаний и волн для создания новых и высокоэффективных систем передачи энергии. В 1962 году в предисловии к своей монографии он писал

«… я хочу напомнить, что электротехника, прежде чем прийти на службу энергетике, в прошлом веке занималась широко только вопросами электросвязи (телеграф, сигнализация и пр.). Вполне вероятно, что история повторится: теперь электроника используется главным образом для целей радиосвязи, но её будущее лежит в решении крупнейших проблем энергетики».

Из длинного перечня фантастических технических идей, реализованных в ХХ веке, только мечта о беспроводной передаче электрической энергии продолжала оставаться нереализованной. Подробные описания энергетических лучей в фантастических романах дразнили инженеров своей очевидной потребностью, и при этом практической сложностью реализации.
Но ситуация постепенно стала меняться к лучшему.

В 1964 году эксперт в области СВЧ-электроники William C.Brown впервые испытал устройство (модель вертолета) способное принимать и использовать энергию СВЧ пучка в виде постоянного тока, благодаря антенной решётке, состоящей из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки.

В 1964 г. William C. Brown продемонстрировал на канале CBS в программе Walter Cronkite News свою модель вертолета, получавшую достаточную для полета энергию от микроволнового излучателя.

Уже к 1976 году Вильям Браун осуществил передачу СВЧ-пучком мощности в 30 кВт на расстояние в 1,6 км с КПД превышающим 80%.

Испытания проводились в лаборатории и по заказу Raytheon Co.
Подробно (на английском) читать:
Microwave Power Transmission — IOSR Journals
The microwave powered Helicopter. William C. Brown. Raytheon Company.

В 1968 году американский специалист в области космических исследований Питер Е. Глэйзер (Peter E. Glaser) предложил размещать крупные панели солнечных батарей на геостационарной орбите, а вырабатываемую ими энергию (уровня 5-10 ГВт) передавать на поверхность Земли хорошо сфокусированным пучком СВЧ-излучения, преобразовывать её затем в энергию постоянного или переменного тока технической частоты и раздавать потребителям.

Такая схема позволяла использовать интенсивный поток солнечного излучения, существующий на геостационарной орбите (~ 1,4 кВт/кв. м.), и передавать полученную энергию на поверхность Земли непрерывно, вне зависимости от времени суток и погодных условий [2-12]. За счёт естественного наклона экваториальной плоскости к плоскости эклиптики с углом 23,5 град., спутник, расположенный на геостационарной орбите, освещён потоком солнечной радиации практически непрерывно за исключением небольших отрезков времени вблизи дней весеннего и осеннего равноденствия, когда этот спутник попадает в тень Земли. Эти промежутки времени могут точно предсказываться, а в сумме они не превышают 1% от общей продолжительности года.

Частота электромагнитных колебаний СВЧ-пучка должна соответствовать тем диапазонам, которые выделены для использования в промышленности, научных исследованиях и медицине. Если эта частота выбрана равной 2,45 ГГц, то метеорологические условия, включая густую облачность и интенсивные осадки, практически не влияют на КПД передачи энергии. Диапазон 5,8 ГГц заманчив, поскольку дает возможность уменьшить размеры передающей и приемной антенн. Однако влияние метеорологических условий здесь уже требует дополнительного изучения.

Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком значении КПД передачи энергии СВЧ пучком с геостационарной орбиты на поверхность Земли — порядка 70-75%. При этом диаметр передающей антенны обычно бывает выбран равным 1 км, а наземная ректенна имеет размеры 10 км х 13 км для широты местности 35 град. СКЭС с уровнем выходной мощности 5 ГВт имеет плотность излучаемой мощности в центре передающей антенны 23 кВт/кв.м., в центре приемной – 230 Вт/кв.м.

Были исследованы различные типы твёрдотельных и вакуумных СВЧ-генераторов для передающей антенны СКЭС. Вильям Браун показал, в частности, что хорошо освоенные промышленностью магнетроны, предназначенные для СВЧ-печей, могут быть использованы также и в передающих антенных решётках СКЭС, если каждый из них снабдить собственной цепью отрицательной обратной связи по фазе по отношению к внешнему синхронизирующему сигналу (так называемый, Magnetron Directional Amplifier — MDA).

Ректенна – высокоэффективная приёмно-преобразующая система, однако низковольтность диодов и необходимость их последовательной коммутации, может приводить к лавинообразным пробоям. Циклотронный преобразователь энергии позволяет в значительной мере устранить эту проблему.

Передающая антенна СКЭС может представлять собой обратно-переизлучающую активную антенную решётку на основе щелевых волноводов. Её грубая ориентация осуществляется механическим путём, для точного наведения СВЧ-пучка используется пилот-сигнал, излучаемый из центра приёмной ректенны и анализируемый на поверхности передающей антенны сетью соответствующих датчиков.

С 1965 по 1975 гг. была успешно завершена научная программа, руководимая Bill Brown, продемонстрировавшая возможность передачи энергии мощностью 30 кВт на расстояние более 1 мили с эффективностью 84%.

В 1978–1979 годах в США под руководством Министерства энергетики (Department of Energy – DOE) и НАСА (NASA) была выполнена первая государственная научно-исследовательская программа, направленная на определение перспектив СКЭС.

В 1995–1997 годах НАСА вновь вернулось к обсуждению перспектив СКЭС, опираясь на прогресс технологий, достигнутый к тому времени.

Исследования были продолжены в 1999–2000 годах (

Space Solar Power (SSP) Strategic Research & Technology Program

).

Наиболее активно и планомерно исследования в области СКЭС проводила Япония. В 1981 году под руководством профессоров М.Нагатомо (Makoto Nagatomo) и С.Сасаки (Susumu Sasaki) в Институте космических исследований Японии были начаты исследования по разработке прототипа СКЭС с уровнем мощности 10 МВт, который мог бы быть создан с использованием существующих ракетоносителей. Создание такого прототипа позволяет накопить технологический опыт и подготовить основу для формирования коммерческих систем.

Проект был назван СКЭС2000 (SPS2000) и получил признание во многих странах мира.

В 2008 доцент кафедры физики Массачусетского Технологического Института (МИТ) Марин Солджачич (Marin Soljačić) был пробуждён от сладкого сна настойчивым пиканьем мобильного телефона. «Телефон не умолкал, требуя, чтобы я поставил его заряжаться», — рассказывает Солджачич. Уставший и не собиравшийся вставать, он стал мечтать о том, чтобы телефон, оказавшись дома, начинал заряжаться сам по себе.

Так появился WiTricity и WiTricity corporation.

В июне 2007 г. Marin Soljačić и еще несколько исследователей Массачусетского технологического института сообщили о разработке системы, в которой 60 Вт лампочка снабжалась от источника, располагавшегося на расстоянии 2 м, причем эффективность составила 40%.

По заявлению авторов изобретения, это не «чистый» резонанс связанных контуров и не трансформатор Теслы, с индуктивной связью. Радиус передачи энергии на сегодня составляет чуть больше двух метров, в перспективе – до 5-7 метров.

В целом, учеными испытывались две принципиально отличающиеся схемы.


1. В индукционной катушке или электрическом трансформаторе, которые имеют металлический или воздушный сердечник, передача энергии осуществляется путем простого электромагнитного соединения, называемого магнитной индукцией. С использованием этого метода передача и получение энергии стали осуществимы на значительном расстоянии, но для получения значительного напряжения подобным путем необходимо было расположить две катушки очень близко.
2. Если же используется магнитное резонансное сцепление, где оба индуктора настроены на взаимную частоту, значительная энергия может быть передана на немалое расстояние.

Сходные технологии лихорадочно разрабатываются и другими фирмами: компания Intel демонстрировала свою технологию WREL с КПД передачи энергии до 75%. В 2009 году фирма Sony продемонстрировала работу телевизора без сетевого подключения. Настораживает только одно обстоятельство: независимо от способа передачи и технических ухищрений, плотность энергии и напряженность поля в помещениях должна быть достаточно высокой, чтоб питать устройства мощностью несколько десятков ватт. По признанию самих разработчиков, информации о биологическом воздействии на человека подобных систем пока нет. Учитывая недавнее появление, и разный подход к реализации устройств передачи энергии, подобные исследования еще только предстоят, а результаты появятся не скоро. А мы сможем судить об их негативном воздействии только косвенно. Что-то опять исчезнет из наших жилищ, как, например, тараканы.

В 2010 году Haier Group, китайский производитель бытовой техники, представила на всеобщее обозрение на выставке CES 2010 свой уникальный продукт — полностью беспроводной LCD телевизор, основанный на исследованиях профессора Марина Солячича по беспроводной передаче энергии и беспроводном домашнем цифровом интерфейсе (WHDI).

В 2012-2015 гг. инженеры Вашингтонского университета разработали технологию, позволяющую использовать Wi-Fi в качестве источника энергии для питания портативных устройств и зарядки гаджетов. Технология уже признана журналом Popular Science как одна из лучших инноваций 2015 года. Повсеместное распространение технологии беспроводной передачи данных само по себе произвело настоящую революцию. И вот теперь настала очередь беспроводной передачи энергии по воздуху, которую разработчики из Вашингтонского университета назвали PoWiFi (от Power Over WiFi).

На стадии тестирования исследователи сумели успешно заряжать литий-ионные и никель-металл-гидридные аккумуляторы небольшой емкости. Используя роутер Asus RT-AC68U и несколько сенсоров, расположенных на расстоянии 8,5 метров от него. Эти сенсоры как раз и преобразуют энергию электромагнитной волны в постоянный ток напряжением от 1,8 до 2,4 вольта, необходимых для питания микроконтроллеров и сенсорных систем. Особенность технологии в том, что качество рабочего сигнала при этом не ухудшается. Достаточно лишь перепрошить роутер, и можно будет пользоваться им как обычно, плюс подавать питание к маломощным устройствам. На одной из демонстраций была успешно запитана небольшая камера скрытого наблюдения с низким разрешением, расположенная на расстоянии более 5 метров от роутера. Затем на 41% был заряжен фитнес-трекер Jawbone Up24, на это ушло 2,5 часа.

На каверзные вопросы о том, почему эти процессы не сказываются негативно на качестве работы сетевого канала связи, разработчики ответили, что это становится возможным благодаря тому, что перепрошитый роутер, во время своей работы, по незанятым передачей информации каналам рассылает пакеты энергии. К этому решению пришли когда обнаружили, что в периоды молчания энергия попросту утекает из системы, а ведь ее можно направить для питания маломощных устройств.

Во время исследований систему PoWiFi разместили в шести домах, и предложили жильцам пользоваться интернетом как обычно. Загружать веб-страницы, смотреть потоковое видео, а потом рассказать, что изменилось. В результате оказалось, что производительность сети не изменилась никак. То есть интернет работал как обычно, и присутствие добавленной опции не было заметным. И это были лишь первые тесты, когда по Wi-Fi собиралось относительно небольшое количество энергии.

В перспективе технология PoWiFi вполне сможет послужить для питания датчиков, встроенных в бытовую технику и военную технику, чтобы управлять ими беспроводным способом и осуществлять дистанционную зарядку/подзарядку.

Актуальным является передача энергии для БПЛА (вероятнее всего уже по технологии PoWiMax или от радиолокатора самолёта носителя):

→ LOCUST — Swarming Navy Drones
→ Пентагон успешно испытал рой из 103 беспилотников
→ Intel управляла шоу беспилотников во время выступления Леди Гаги в перерыве Суперкубка США

Для БПЛА негатив от закона обратных квадратов (изотропно-излучающая антенна) частично «компенсирует» ширина луча антенны и диаграмма направленности:

Ведь БРЛС ЛА в импульсе может выдавать под 17 кВт энергии ЭМИ.

Это не сотовая связь -где ячейка должна обеспечить связь конечным элементам на 360 градусов.
Допустим такая вариация:
Самолёт носитель ( для Perdix) это F-18 обладает (сейчас) БРЛС AN/APG-65:

максимальная средняя излучаемая мощность по 12000 Вт

или в перспективе будет иметь AN/APG-79 AESA:

в импульсе должен выдавать под 15 кВт энергии ЭМИ

Этого вполне достаточно, что бы продлить активную жизнь Perdix Micro-Drones с нынешних 20 минут до часа, а может и больше.

Скорее всего будет использоваться промежуточный дрон Perdix Middle, которого будет облучать на достаточном расстоянии БРЛС истребителя, а он в свою очередь осуществит «раздачу» энергии для младших братьев Perdix Micro-Drones по PoWiFi/PoWiMax, параллельно обмениваясь с ними информацией (полётно -пилотажной, целевыми задачами, координацией роя).

Возможно вскоре дело дойдет и до зарядки сотовых телефонов, и других мобильных устройств, которые находятся в зоне действия Wi-Fi, Wi-Max или 5G?

Послесловие: 10-20 лет, после широкого внедрения в повседневную жизнь многочисленных электромагнитных излучателей СВЧ (Мобильные телефоны, Микроволновые печи, Компьютеры,WiFi,Blu tools и т. д.) внезапно тараканы в больших городах вдруг превратились в раритет! Теперь таракан- насекомое, которое можно встретить разве что в зоопарке. Они неожиданно исчезли из домов, которые раньше так любили.

ТАРАКАНЫ КАРЛ!
Эти монстры лидеры списка «радиорезистентных организмов» бесстыдно капитулировали!
Справка
LD 50 — средняя летальная доза, то есть доза убивает половину организмов в эксперименте; LD 100 — летальная доза убивает всех организмов в эксперименте.

Кто следующий на очереди?

Допустимые уровни излучения базовых станций мобильной связи (900 и 1800 МГц, суммарный уровень от всех источников) в санитарно-селитебной зоне в некоторых странах заметно различаются:
Украина: 2,5 мкВт/см². (самая жесткая санитарная норма в Европе)
Россия, Венгрия: 10 мкВт/см².
Москва: 2,0 мкВт/см². (норма существовала до конца 2009 года)
США, Скандинавские страны: 100 мкВт/см².
Временно допустимый уровень (ВДУ) от мобильных радиотелефонов (МРТ) для пользователей радиотелефонов в РФ определён 10 мкВт/см² (Раздел IV — Гигиенические требования к подвижным станциям сухопутной радиосвязи СанПиН 2. 1.8/2.2.4.1190-03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи» ).
В США Сертификат выдается Федеральной комиссией по связи (FCC) на сотовые аппараты, максимальный уровень SAR которых не превышает 1,6 Вт/кг (причем поглощенная мощность излучения приводится к 1 грамму ткани органов человека).
В Европе, согласно международной директиве Комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP), значение SAR мобильного телефона не должно превышать 2 Вт/кг (при этом поглощенная мощность излучения приводится к 10 граммам ткани органов человека).
Сравнительно недавно в Великобритании безопасным уровнем SAR считался уровень равный 10 Вт/кг. Такая же примерно картина наблюдалась и в других странах.
Принятую в стандарте максимальную величину SAR (1,6 Вт/кг) даже нельзя с уверенностью отнести к «жестким» или к «мягким» нормам.
Принятые и в США и в Европе стандарты определения величины SAR (все нормирование микроволнового излучения от сотовых телефонов, о котором идет речь базируется только на термическом эффекте, то есть связанном с нагреванием тканей органов человека).

ПОЛНЫЙ ХАОС.
Медицина до сих пор пока не дала внятного ответа на вопрос: вреден ли мобильный/WiFi и насколько?
А как будет с беспроводной передачей электроэнергии СВЧ технологиями?
Тут мощности не ватты и мили ватты, а уже кВт…

Прим: Типичная WiMAX базовая станция излучает мощность на уровне приблизительно +43 дБм (20 Вт), а станция мобильной связи обычно передает на +23 дБм (200 мВт).


Без проводов и контекста. Японские инженеры сделали еще один шаг к передаче электроэнергии без проводов

В ленте новостей Яндекса этот сюжет выглядел так, словно солнечная энергия до сих пор поступала к нам по толстому, протянутому через 150 миллионов километров космического пространства кабелю. И только разработка японских ученых наконец-то позволила Солнцу передавать свою энергию без отдельной ЛЭП.

Скриншот Яндекс-новостей с сюжетом про передачу «солнечной энергии»

На худой конец, можно было подумать про то, что изобретено зеркало — устройство, которое позволяет направлять солнечную энергию в нужную сторону. Поиск первоисточника, которым оказалось сообщение компании Mitsubishi Heavy Industries, Ltd, расставил все по своим местам.

Специалисты этого концерна, который производит массу промышленных изделий от кондиционеров до космических ракет, испытали новый прототип беспроводной системы энергоснабжения. Как утверждается в сообщении фирмы, система позволяла передать мощность до десяти киловатт на расстояние в полкилометра — это довольно скромный показатель, однако со временем дело может дойти до решения ряда вполне реальных задач. Например, можно будет передавать энергию потребителям в таких местах, куда невозможно или очень сложно проложить обычный кабель. Или можно будет передать энергию, вырабатываемую ветрогенератором в открытом море, на берег.

При чем же здесь Солнце? В отдаленном будущем микроволновая передача энергии может использоваться орбитальными солнечными электростанциями. Если сначала разместить в космосе солнечные батареи и передатчик, потом создать узкий пучок СВЧ-излучения и направить его на наземную приемную станцию, то мы получим электростанцию принципиально нового типа. Висящие на геостационарной орбите солнечные батареи практически не будут попадать в земную тень, так что смогут выдавать энергию почти круглосуточно, без перерывов на ночь и пасмурную погоду. Пучок излучения можно будет перенаправлять с одной приемной станции на другую, гибко подстраиваясь под нужды потребителей. В процессе работы электростанция не будет производить вредных выбросов — в общем, преимуществ у такой технологии довольно много.

Диаграмма, показывающая процент отраженной от атмосферы и задержанной ей по пути к поверхности солнечной энергии. Как можно видеть, в космосе солнечные батареи дадут гораздо большую мощность. Иллюстрация: NASA

Есть и недостатки. Главным является отсутствие проработанной технологии передачи микроволнового излучения: пучок должен быть очень точно сфокусирован, он должен свободно проходить через атмосферу, и наземные приемники должны обладать достаточно высоким КПД. Все эти проблемы пока что не решены окончательно, но японские исследователи отмечают космические солнечные электростанции в качестве своей отдаленной(!) цели.

История вопроса

Обычно ни один материал на тему беспроводной энергии не обходится без упоминания Николы Теслы. Многие пишут про якобы созданные им беспроводные передатчики невиданной мощности, поэтому редакция «Чердака» просто обязана написать это прямо: та самая башня Теслы была обычной радиовышкой. Ее использовали для трансляции радиопередач, телефонных переговоров и в тому подобных прозаических целях. Сам Тесла планировал продемонстрировать и беспроводную передачу энергии, но эти работы не были завершены по финансовым причинам.

Башня Ворденклиф, она же башня Теслы. На вершине — прозаические радиопередатчики.

Уже в 1903 году инвесторы предпочли обойти этот проект стороной. Финансист Джон Морган, выделивший средства на постройку радиоретранслятора, отказался оплачивать сомнительные работы по передаче на расстояние изображений и электроэнергии. И, как считает сейчас большинство ученых, Морган был прав, поскольку заявления Теслы сильно расходились с реальными возможностями.

Первые успешные опыты по передаче энергии на расстояние микроволновым пучком датируются 1960-ми годами: американские инженеры построили небольшой вертолет, устройство размером с типичную радиоуправляемую модель (.pdf).

Далее, в 1980-х, канадские исследователи разработали беспилотный аппарат для стратосферного полета. Программу сворачивают без какого-то радикального прорыва, а в 1990-х небольшой беспилотник и дирижабль с электропитанием по микроволновой линии создают японские конструкторы. В статье New York Times 1987 года упоминаются и некие советские работы, но в открытом доступе про них почти ничего не находится — вероятно, речь идет об оборонных и по сей день засекреченных проектах.

Разработанная японскими исследователями установка. Изображение компании Mitsubishi Heavy Industries

Работы по беспроводной передаче энергии идут достаточно вяло потому, что все предыдущие опыты показали весьма низкий КПД этого процесса (в районе десяти процентов), да и смысла большого в таком электроснабжении в большинстве случаев нет. Чтобы передавать более или менее пригодную для практических целей мощность, необходим пучок излучения, который не уложится ни в одни санитарные нормы и правила, поэтому проще и безопаснее поставить лишний аккумулятор. Единственное приложение «беспроводной передачи энергии», причем уже не в микроволновом диапазоне, — зарядка автомобилей или иных транспортных средств на специально оборудованной дороге. Под асфальтом спрятаны мощные катушки индуктивности, еще одна катушка монтируется внутри машины. Такая экспериментальная линия уже работает в Корее, однако ничего общего с солнечно-микроволновыми электростанциями на орбите она не имеет.

 Алексей Тимошенко

По заветам и технологиям Николы Тесла — беспроводная передача электроэнергии на большие расстояния уже реальность

Сербско-американский физик и изобретатель Никола Тесла более ста лет назад представил технологию беспроводной передачи электроэнергии. Основой технологии был электрический резонансный трансформатор «Катушка Тесла». Технология была работоспособной даже при тех технических возможностях и доступных материалах. На демонстрациях трансформатор передавал энергию на несколько метров, зажигая лампы накаливания. И конечно мечты и стремления Николы Тесла выходили далеко за пределы этого прототипа. Он уже тогда представлял мир будущего, где человечество использует электрические машины во всех сферах жизнедеятельности, а электроэнергия для их работы передаётся без помощи проводов.

В интервью для «The American Magazine» Тесла описал своё видение будущего так: «Может быть, что в ближайшем будущем электричество для коммерческих целей, таких как освещение домов, работа транспорта, будет передаваться без проводов. Я открыл основные принципы этого процесса, и остаётся только развивать их коммерчески. 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 устройство, которое даст вам тепло, чтобы готовить, и свет, чтобы читать».

Башня Уорденклиффа (Wardenclyffe Tower)

К сожалению, мечтам Теслы тогда не суждено было реализоваться. Финансирование проекта строительства передающей «Башни Уорденклиффа» (Wardenclyffe Tower) было прекращено Джей-Пи Морганом, после чего Тесла обанкротился, а проект беспроводной передачи электроэнергии был фактически уничтожен, как и сама башня, в 1917 году. Кто-то на этих основаниях строит конспирологические теории, но на самом деле всё элементарно, и предельно просто и прозаично. Всё дело в деньгах. Примерно в те же годы, появившиеся раньше ДВС, электромобили начали сдавать свои позиции под натиском бензиновых автомобилей. Ведь проще качать нефть и «перегонять» её в бензин, чем строить электростанции, зарядные станции… Просто человечество тогда ещё не было психологически и интеллектуально готово к эре электрификации транспорта, и беспроводной передачи энергии. И на десятилетия города погрузилось в смог от ДВС, и угольных ТЭС, а над головами растянулись паутины линий электропередач, от высоковольтных ЛЭП, до линий питания троллейбусов, трамваев, и железнодорожных поездов.

беспроводная зарядка смартфона

Но всё изменилось в 21-ом веке. Имя Николы Тесла было поднято на знамёна автомобильными компаниями Tesla Илона Маска, и Nikola motor Тревора Милтона, а интерес к технологии «Катушки Тесла» неосознанно, но начали закладывать даже с детсадовского возраста, показывая детям и школьникам «Тесла-шоу».

детские «тесла-шоу»

И история покатилась в новом направлении. Электромобили стали не просто мейнстримом, они постепенно начинают вытеснять ископаемотопливные чадилки из производства, с улиц, и что самое главное, из сознания людей. Беспроводными зарядками сейчас уже никого не удивишь. Так заряжают не только телефоны, но уже существует соответствующее оборудование для беспроводной зарядки электромобилей, и электробусов. Кстати, из городов постепенно исчезают троллейбусы и необходимая им проводная сеть электропередачи. Это тоже признак наступления новой эры, о которой мечтал Тесла.

беспроводная зарядка электробуса

Вообще говоря, беспроводная передача энергии может быть достигнута с помощью различных методов, включая:

  • Индуктивная связь
  • Магнитно-резонансная индукция
  • Электростатическая индукция
  • Резонансная индуктивная связь
  • Передача микроволновой энергии
  • Передача мощности лазера

Первые четыре варианта применимы только для коротких дистанций, в то время как последние два специально разработаны для беспроводной передачи энергии на большие расстояния.

Но что до самой передачи больших объёмов электроэнергии на расстояния?

Технология Николы Тесла не исчезла, и никуда не пропала. В Новой Зеландии стартап Emrod разработал метод безопасной и беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния без использования проводов, и работает по внедрению этой технологии на островах со вторым по величине дистрибьютором электроэнергии в стране, Powerco. Emrod подали заявки на патенты, и представили прототип передающих и принимающих трансформаторов в 2019 году. По сути, это открытие миру доступа к энергии с помощью первой коммерчески жизнеспособной технологии беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния.

установка оборудования Emrod

Emrod — «Нас в Emrod вдохновляет работа Николы Тесла и его мечта о беспроводной энергетической системе. Наша технология значительно отличается от Wardenclyffe Tower Теслы, мы приближаемся к реализации его концепции беспроводной передачи энергии на большие расстояния. Более века назад Никола Тесла попытался воплотить в жизнь свое видение беспроводной передачи энергии, и хотя ему не удалось конкретно реализовать свое видение, он заложил идею, которая захватила воображение многих людей, в том числе и наше.
Нас часто спрашивают о разнице между технологиями беспроводной передачи энергии на большие расстояния (WPT) Emrod и Tesla. Наука и технологии, лежащие в основе этих двух систем, существенно различаются концептуально и технически. Emrod разработал однонаправленную систему WPT, передающую мощность от одной конкретной точки к другой. Тесла разрабатывал всенаправленную систему WPT, предназначенную для передачи энергии во всех направлениях через землю.
За столетие, последовавшее за экспериментами Теслы, было много прорывов, и теперь мы находимся в то время, когда коммерчески жизнеспособные приложения WPT с большим радиусом действия стали реальностью. В Emrod мы разработали эффективную систему WPT для передачи энергии на большие расстояния без проводов и с достаточной эффективностью, чтобы быть жизнеспособной альтернативой линиям электропередач в определенных случаях использования.

Хотя наша технология значительно отличается от того, над чем работал Тесла, мы вдохновлены его работой и разделяем его видение беспроводного будущего. Его изобретения легли в основу многих электронных технологий, которые изменили цивилизацию, включая технологию беспроводной связи. Он открыл умы людей для возможности создания систем беспроводной передачей энергии на большие расстояния. Теперь, более века спустя, это становится реальностью»

Совместный проект Emrod и Powerco должен показать свою эффективности, как технологической, так и с коммерческой точек зрения. В рамках проекта планируется передать энергию от солнечной электростанции на Северном острове клиентам, находящимся в нескольких километрах от неё. Электрическая мощность будет передаваться в виде узкого луча микроволн. Это устранит два фундаментальных недостатка в плане Теслы. Один из них заключался в том, как взимать с людей плату за электричество, которое они могут просто «черпать из воздуха». Другой — необходимость преодолеть закон распространения излучения, который утверждает, что сила сигнала обратно пропорциональна квадрату расстояния, которое он прошёл от передатчика. В результате мощность сигнала резко падает даже на коротких расстояниях. Передача мощности узким лучом вместо излучения во всех направлениях помогает свести к минимуму эту проблему.

Схематическая модель телеэнергетической системы Emrod

Emrod использует лучи в диапазоне ISM (промышленный, научный и медицинский) с частотами, обычно используемыми в WiFi, Bluetooth и RfID. Двухточечная передача означает, что мощность передаётся напрямую между двумя точками. Вокруг луча нет излучения, как при передаче по высоковольтному проводу. Маломощная лазерная защитная завеса (система безопасности) гарантирует, что передающий луч немедленно отключится до того, как какой-либо приходящий объект (например, птица или вертолёт) достигнет  пространства главного луча, гарантируя, что он никогда не коснется чего-либо, кроме чистого воздуха. Система снижает риск поражения электрическим током, что возможно при проводной передачи электроэнергии.

антенна Emrod на арктической станции

Технология энергетического излучения, которую использует Emrod, была опробована и раньше, но в основном для военных целей или для использования в космическом пространстве. В 1975 году НАСА использовало микроволновые излучатели для передачи 34 кВт электроэнергии на расстояние 1,6 км. И это всё ещё является рекордом по мощности и расстоянию передачи.

антенна Emrod — тестовая уксплуатация

Но, как вы понимаете, тогда никто и не думал попробовать применить эту технологию в коммерческих целях. Представляете, сколько денег из-за неё потеряют только металлургические заводы, у которых пропадут заказы на сотни тысяч километров высоковольтных проводов.

По словам основателя Emrod, Грега Кушнира, они начнут с передачи «нескольких киловатт» на 1,8 км, а затем они будут постепенно увеличивать мощность и расстояние. Важнейшей переменной является эффективность, с которой это можно сделать. По словам Кушнира, сейчас это около 60%. Это, как он считает, уже достаточно хорошо, чтобы сделать передачу энергии коммерчески жизнеспособной в некоторых обстоятельствах, например, в удалённых районах, не тратя деньги на дорогостоящие линии электропередачи. Но, чтобы улучшить КПД, у Emrod есть ещё два козыря в рукаве. Один из них — использовать реле. Другой — добавить в приемники так называемые метаматериалы.

никаких проводов на дистанции передачи энергии

Реле, которые представляют собой пассивные устройства, которые не потребляют энергию, работают как линзы, перефокусируя микроволновый луч и отправляя его по своему пути с минимальными потерями при передаче. Они также могут направить его, если необходимо, в новом направлении. Это означает, что передатчик и приёмник не обязательно должны находиться в зоне прямой видимости друг друга.

Метаматериалы — это композиты, содержащие крошечные количества проводящих металлов и изолирующие пластмассы, расположенные таким образом, что они определенным образом взаимодействуют с электромагнитным излучением, таким как микроволны. Они уже используются в так называемых маскирующих устройствах, которые помогают военным кораблям и военным самолётам укрываться от радаров. Но их также можно использовать в приёмной антенне для более эффективного преобразования электромагнитных волн в электричество. То есть тут мы имеем дело с фактически применением стелс-технологии в гражданских целях. И в этом, кстати, нет ничего удивительного. Ранее SpaceX фактически ввело в гражданский обиход технологию фазированной антенной решётки, которая стала основой приёмо-передающей антенны, входящей в комплект абонентского оборудования Starlink. Ранее эта технология, всего каких-то пять лет назад, применялась только военным.

Распространение мощных микроволн по воздуху сопряжено с риском. В конце концов, подобные волны — это средства, с помощью которых микроволновые печи нагревают то, что в них помещено.

Emrod говорит, что кратковременное воздействие его лучей не должно причинить никакого вреда людям или животным, поскольку плотность мощности излучения относительно низкая. Тем не менее, чтобы избежать несчастных случаев, лучи будут окружены так называемыми лазерными завесами. Это маломощные лазерные лучи, которые сами по себе не вредны. Но если «занавес» сдвигается из-за внешнего вмешательства, такого как птицы или низколетящие вертолёты (которые в Новой Зеландии используются для контроля отар овец), это прерывание будет немедленно обнаружено, и микроволновая передача временно отключится. Батареи на принимающей стороне будут заряжаться во время любых отключений.

Идеи Николы Тесла распространяются по миру, и находят всё больше сторонников концепция TransferFi

Разработкой систем беспроводной передачи электроэнергии заняты ещё несколько компаний в мире. К примеру, TransferFi из Сингапура, разрабатывает систему, которая формирует лучи радиоволн, которые обычно имеют более низкую частоту, чем микроволны, для передачи мощности конкретным приёмным устройствам, предназначенным для зарядки гаджетов на фабриках, офисах, и в домах.

концепция PowerLight Technologies

Американская фирма PowerLight Technologies работает с вооруженными силами над использованием лазеров для передачи энергии на удалённые базы, а также для питания беспилотных летательных аппаратов, когда они находятся в воздухе. Компания также уделяет внимание коммерческим приложениям.

Японская Mitsubishi Heavy Industries изучает возможности использования этой технологии для передачи энергии на Землю с геостационарных спутников, оснащенных солнечными панелями. Для этого потребуется передать его на расстояние более 35 000 км.

передача энергии с орбиты

Так что мечты Николы Тесла постепенно сбываются. И как электромобили сейчас, через более чем сто лет, стали магистральным путём развития мирового автопрома, так и технология беспроводной передачи электроэнергии также найдёт свое коммерческое применение, и станет элементом повседневной реальности. Всё только начинается!

___________________________

Уважаемые читатели, чтобы не пропустить наши свежие статьи вы можете подписаться на наш Телеграм-канал. Оставляйте комментарии, ставьте лайки, делайте репосты (кнопки соцсетей есть в конце каждого материала). Ваше участие нам очень важно!

статью прочитали: 1 007

Поделиться ссылкой:

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Похожее

ученые спрогнозировали развитие беспроводных технологий

Спутники, собирающие солнечную энергию, ректенны, лазеры и даже микроволновой метод — исследователи со всего мира пытаются воплотить в жизнь задумку ученого Теслы, который предвидел возможность передачи энергии без проводов.

Беспроводное электричество — мечта столетней давности, которая может стать реальностью в ближайшие годы. Появление беспроводной зарядки, электромобилей, 5G и необходимость внедрения концепции устойчивого развития привели к созданию работоспособных технологий беспроводной передачи данных. Над такими проектами сегодня работают компании из разных стран мира — от американской Wave Inc. до японской Space Power Technologies и новозеландского энергетического стартапа Emrod. Некоторые системы уже проходят испытания, и будет интересно посмотреть, кто окажется первым в этой гонке и предложит эффективное, экономичное и жизнеспособное беспроводное решение для электроснабжения.

ФОКУС в Google Новостях.

Подпишись — и всегда будь в курсе событий.

«Прежде чем перейти к рассмотрению методов беспроводной передачи электроэнергии, стоит разобраться в основной концепции этой технологии», — считает колумнист interestingengineering.com Рупендра Брахамбхатт.

Никола Тесла — автор революционной идеи передачи электроэнергии по воздуху

В 1891 году изобретатель Никола Тесла разработал катушку Теслы (Tesla coil) — резонансный трансформатор, передающий электроэнергию без проводов, но только на короткие расстояния. Из-за ограниченного потенциала она не нашла практического применения. Но ученый не собирался сдаваться и разработал проект энергетической установки, которая могла бы проводить высоковольтную беспроводную передачу энергии (WPT). Экспериментируя со станцией, Тесла пытался передавать с ее помощью сообщения по беспроводной сети на большие расстояния. К сожалению, инвестор JP Morgan отказался предоставить дополнительные средства для тестов, и в 1906 году проект был закрыт, а затем снесен.

Никола Тесла в лаборатории в Колорадо-Спрингс [+–]

Никола Тесла умер в 1943 году, не сумев до конца реализовать свою идею о беспроводном электричестве, но за последние 100 лет ряд экспериментов и исследований доказали, что изобретатель, возможно, был на правильном пути в своем подходе к использованию земли в качестве среды для беспроводной передачи энергии. Сегодня разрабатываются различные методы беспроводной передачи энергии, и продолжаются исследования по их широкомасштабному внедрению. Рассмотрим самые популярные из них.

Солнечная спутниковая передача энергии

Данный метод предполагает использование спутников, выводимых на высокую околоземную орбиту. По идее, спутник должен преобразовывать солнечный свет в энергию, состоящую из микроволн. Эти микроволновые сигналы затем будут передаваться на антенну или на главную станцию ​​энергосистемы, находящуюся на Земле. Оттуда сигналы будут передаваться на базовую станцию ​​электросети, которая преобразует микроволны в электричество постоянного тока. На сетевой станции электричество также будет преобразовано в пакеты энергии, аналогичные пакетам данных в Интернете, которые будут передаваться в отдельные дома и храниться в специальных энергоприемниках.

«Недавно Калифорнийский технологический институт заявил, что пожертвует $100 млн на проект Space Solar Power Project, направленный на создание спутниковой беспроводной сети, работающей на базе микроволнового излучения и способной обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии в любую точку планеты», — пишет Брахамбхатт.

Передача микроволновой энергии

В этом методе микроволновое излучение преобразуется в электроэнергию постоянного тока с помощью микроволнового приемника и выпрямителя постоянного тока. Наивысший КПД, достигнутый при передаче микроволновой энергии, составил 84%, что было зарегистрировано в 1975 году группой ученых из Японии, но системы с более высокой выходной мощностью имели более низкий КПД. Следующая цель — добиться высокоэффективной передачи энергии на большие расстояния.

По словам колумниста, исследование, опубликованное в августе 2021 года в Университете Цукуба (Япония), показывает, что микроволновое излучение высокой энергии может выступать в качестве эффективного беспроводного источника энергии для запуска ракет в космос. Когда ракета отправляется в космос, на долю топлива приходится около 90% ее веса, и эту нагрузку можно устранить, используя эту технологию беспроводной связи на основе микроволновой энергии.

Лазерная передача электричества

Лазерная передача позволяет фотоэлектрическому приемнику принимать лазерные лучи и генерировать из них электрическую энергию. Достоинством лазерной передачи энергии является то, что лазерными лучами можно легче управлять для беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния.

Технология беспроводной передачи электроэнергии на основе ректенн

Энергетический стартап Emrod скоро протестирует прототип беспроводной энергетической инфраструктуры в Новой Зеландии. Если испытание пройдет успешно, это станет большим толчком для реализации планов правительства по созданию беспроводной передачи энергии по всей стране.

Инженеры разработали технологию, в которой используется беспроводная сеть антенн и выпрямляющих антенн (ректенн), переносящих энергию в виде электромагнитных волн дальнего действия от одной точки к другой. По заявлению компании, «лазерная защитная завеса малой мощности гарантирует, что передающий луч немедленно отключается до того, как какой-либо преходящий объект (например, птица или вертолет) достигнет главного луча, гарантируя, что он никогда не коснется чего-либо, кроме чистого воздуха».

«В компании утверждают, что эта технология подходит для гористой местности Новой Зеландии и ее погодных условий. Технология беспроводной передачи электроэнергии на основе ректенн подойдет для регионов, где традиционные электрические сети не могут быть установлены из-за финансовых или географических ограничений. Но препятствия на пути развития инфраструктуры Emrod все же есть: стартапу предстоит убедить людей, что излучение им не навредит», — сообщает колумнист.

Другие новаторские инициативы в области беспроводной передачи энергии

Питание для электрокаров от Wireless Advanced Vehicle Electrification (WAVE)

Американская компания WAVE производит решения для беспроводной связи для электромобилей средней и большой мощности. Зарядные системы могут быть установлены под землей, под дорогами или на парковках, и способны обеспечивать беспроводную мощность до 1 МВт. Данная технология уже проходит тестирование.

Солнечная спутниковая система Beyond Earth

Этот некоммерческий исследовательский институт предложил идею создания полностью функциональной системы передачи энергии через солнечные спутники. Институт утверждает, что предлагаемая беспроводная система может обеспечивать работу промышленных предприятий на Земле, а также поможет покорителям Луны.

Предлагаемая энергетическая система будет состоять из двух основных блоков: спутника, получающего энергию от Солнца и обрабатывающего ее через свои фотоэлектрические элементы, концентраторы и субблоки, и приемника-ректенны, передающего энергию на Землю или Луну в соответствии с требованиями.

Институт планирует завершить строительство предлагаемой солнечной спутниковой беспроводной системы электроснабжения к 2030 году.

Намагниченный бетон Magment

Департамент транспорта Индианы объединил усилия с Университетом Пердью и немецкой компанией Magment для тестирования дорог с намагниченным бетоном, которые могут заряжать электромобили во время движения. Об этом проекте Фокус подробно рассказывал здесь. Испытания намагниченного участка дороги уже начались в Западном Лафайетте (США).

«Наряду с IoT и AI, беспроводная передача энергии также является неизбежным технологическим развитием, которое человечество испытает на совершенно новом уровне в ближайшие годы», — резюмирует автор.

Ранее мы сообщали о том, что японские ученые сконструировали комнату, которая заряжает попавшие в нее гаджеты.

Как сделать наипростейшее устройство для беспроводной передачи энергии

Беспроводная передача энергии – очень актуальная тема в наше время. С каждым днем наблюдается невероятное развитие технологий в самых разных сферах науки. Прогресс не стоит на месте, и некоторые технологии, которые раньше казались новинкой, сейчас являются повседневными участниками нашей жизни. Уже в конце 19 века ученый Никола Тесла показал всему миру возможность передачи электроэнергии на существенное расстояние. Он зажег лампочку на расстоянии трех километров с помощью электромагнитного излучения. В наши дни метод передачи энергии без проводов активно используется, упрощая нам жизнь. Уже сегодня многие телефоны поддерживают функцию беспроводной зарядки, и это очень удобно и практично. Активно используется устройство для беспроводной зарядки аккумуляторов зубной щетки, существуют даже электромобили на беспроводном ходу. Я заинтересовался данной проблемой, ведь эта сфера зародилась совсем недавно. Мне было интересно подробнее изучить эту тему, разобраться в принципе ее работы, самостоятельно, наглядно и эффектно продемонстрировать передачу энергии без проводов в домашних условиях.

Как сделать простейшее устройство для беспроводной передачи энергии

Приступим к изготовлению приспособления для беспроводной передачи энергии. Чтобы наглядно показать передачу электричество без проводов я использовал элементарную схему воздушного трансформатора. Эксперимент получился простым, а главное наглядным и удивительным. Использовать катушки индуктивности было самым эффективным решением, работает метод электромагнитной индукции. Здесь осуществляется простая технология, которая понятна каждому. В основе лежат две медные катушки, расположенные близко к друг другу. Подключаем одну из них к источнику питания, она будет передавать электромагнитные волны. Вторая катушка будет играть роль приемника. Изменяя силу тока в первой катушке, мы достигаем переменного магнитного поля, которое порождает изменение магнитного поля в катушке-приемнике. По закону Максвелла, в приемнике возникает ЭДС (электродвижущая сила), которая прямо пропорционально зависит от скорости изменения этого магнитного потока.

Детали

Для изготовления изделия потребуется: тонкая изолированная медная проволока диаметром 0,1 мм, биполярный транзистор n-p-n типа, светодиод, источник питания, инструменты (паяльник, плоскогубцы, канцелярский нож). Для чего нужен транзистор? Он периодически открывается и закрывается, тем самым порождая переменный ток в катушке, играющей роль источника. Магнитное поле возникает из-за движения заряженных электронов и ионов в проводнике. Только переменный ток порождает переменное электромагнитное поле. Вторичная катушка принимает его и преобразует в электрический ток, которым питается светодиод. Первым этапом стала намотка катушек. Аккуратно, виток к витку намотал три катушки: по 30, 60 и 90 витков. Далее спаял все элементы по схеме.

Необходимо дотронуться до базы транзистора, чтобы открыть его и запустить генератор. Светодиод загорелся, значит, схема собрана правильно и полностью работает. Таким образом, в домашних условиях я добился передачи энергии беспроводным путем.

С помощью этого эксперимента я изучил новую информацию для себя, изучил методы и принцип работы беспроводной передачи энергии, узнал перспективы дальнейшего развития этой технологии. Я на собственном примере доказал, что создание устройства для демонстрации беспроводной передачи электричества не занимает много сил и времени, это даже интересно и познавательно. Считаю, что достойно справился с поставленной целью и решил все поставленные задачи. С помощью дополнительной литературы я разобрался во всех нюансах этой темы, и определил, как объяснить работу беспроводных устройств разных типов. Я своими сделал воздушный трансформатор, устройство отлично работает и справляется со своим предназначением. Приложу к своему исследованию схему и фото своего устройства.

Хочется верить, что за этой перспективной технологией стоит будущее и беспроводная энергия, которая развивается сегодня, будет активно применяться и использоваться в дальнейшем. Это должно упростить и улучшить жизнь человечества.

новозеландский стартап испытает передачу электричества без проводов на большие расстояния

Более ста лет назад гениальный изобретатель Никола Тесла доказал, что электричество можно передавать на большие расстояния без проводов. В ходе опытов в Колорадо-Спрингс учёный зажёг лампочку с помощью электромагнитного поля на удалении свыше 3-х километров. Впрочем, в то время дальше экспериментов дело не пошло. Зато сегодня эти идеи могут воплотиться в жизнь благодаря новозеландскому стартапу и инвестициям второго по величине в стране поставщика электроэнергии.

Как сообщают источники, новозеландская энергетическая компания Powerco решила инвестировать в проект местного стартапа Emrod. Проект Emrod предусматривает беспроводную передачу энергии между приёмником и передатчиком на расстоянии прямой видимости, а это, на самом деле, могут быть десятки километров.

В то же время дальность передачи для этого проекта – не главная цель. Беспроводная передача энергии может помочь в случае ремонта сетей или аварий, что позволит потребителю оставаться подключённым даже во время обесточивания линий, а также в местах, где проведение линий электропередачи осложнено, запрещено или невозможно.

Компания Emrod разработала уникальный прототип приёмника и передающей станции. К октябрю 2020 года будет готов ещё один прототип. На начальном этапе будут проведены лабораторные испытания, а затем начнутся и полевые. Сначала без проводов планируется передавать ток мощностью до 2 кВт. Затем объёмы передаваемой без проводов энергии будут многократно увеличены. Заявлено, что за счёт новых радиопоглощающих материалов КПД приёмной (выпрямляющей) антенны доведён до 100%, а КПД передающей системы приближается к 70%.

Проводные линии передачи электричества также подвержены потерям – примерно до 15%. Но в случае ЛЭП добавляются расходы на инфраструктуру – обслуживание, безопасность, ремонт и прочее. Тем самым беспроводная передача энергии с помощью микроволнового излучения в ряде случаев может заменить проводную. За безопасность работы системы будут отвечать лазеры с датчиками пересечения, которые будут автоматически отключать передачу энергии при попадании в зону канала передачи птиц, дронов, вертолётов или иных объектов. Разработчики предполагают создавать достаточно широкие в пространстве каналы передачи, чтобы плотность передаваемой энергии была не выше плотности энергии солнечного излучения в жаркий полдень на экваторе.

3DNews со ссылкой на New Atlas

Wireless Power — Когда исчезнут все эти кабели?

Беспроводная передача энергии была мечтой Николы Теслы более ста лет назад. Тем не менее, несмотря на значительные усовершенствования его работы и работы многих других с тех пор, настоящая беспроводная мощность все еще кажется чем-то несбыточной мечтой.

Итак, возникает вопрос, когда или будет ли когда-либо создан мир без проводов? Давайте взглянем.

Что такое беспроводная передача энергии?

WPT или беспроводная передача энергии — это передача электроэнергии из одной точки в другую через вакуум или воздух без необходимости использования проводов или других физических средств.Предположительно, WPT можно использовать для обеспечения мгновенной подачи энергии или непрерывной поставки энергии по запросу.

Источник: Chapendra / Flickr

Сегодняшние применения этого вида технологий предлагаются там, где обычная проводка недоступна, опасна или просто менее удобна. Сегодняшние примеры включают беспроводные зарядные устройства для интеллектуальных устройств.

Вообще говоря, беспроводная передача энергии может быть достигнута с помощью различных методов, включая:

  • Индуктивная связь
  • Магнитно-резонансная индукция
  • Электростатическая индукция
  • Резонансная индуктивная связь
  • Передача микроволновой энергии
  • Передача энергии лазера

Первые четыре из них, как правило, применимы только на малых расстояниях, а последние два специально разработаны для беспроводной передачи энергии на большие расстояния.

Что такое беспроводная зарядка?

Беспроводная, или индукционная, зарядка — это тип передачи энергии, в котором используется электромагнитная индукция для подачи электричества в портативные устройства, такие как смартфоны и планшеты. Сегодня наиболее распространенной формой является так называемый стандарт беспроводной зарядки Qi для смарт-устройств.

Однако эту технологию также можно найти в некоторых транспортных средствах, электроинструментах, другой бытовой электронике, такой как зубные щетки, и некоторых медицинских устройствах. Для его использования совместимые электронные устройства размещаются рядом с зарядной станцией и заряжаются без необходимости точного выравнивания или электрического контакта с ней.

Вообще говоря, существует три основных типа беспроводной зарядки. Это:

  • Зарядные площадки — для работы в них используется сильносвязанная электромагнитная индукционная или неизлучающая зарядка.
  • Зарядные стаканы или зарядные устройства сквозного типа — в них используется слабосвязанный или радиационный электромагнитный резонансный заряд для передачи заряда на расстояние в несколько сантиметров.
  • Несвязанная радиочастотная (RF) беспроводная зарядка — этот тип системы позволяет осуществлять «капельную» зарядку на расстоянии многих метров.
Источник: Libert Schmidt / Flickr

Все они используют один и тот же принцип для создания изменяющегося во времени магнитного поля для индукции тока в замкнутом проводном контуре.

Хотя беспроводная зарядка относительно нова для потребительских товаров, вы можете быть удивлены, узнав, что беспроводная зарядка на самом деле является довольно старой концепцией — ей чуть более 100 лет. Подробнее об этом позже.

Как работает беспроводная зарядка?

В большинстве случаев беспроводная зарядка осуществляется посредством процесса, известного как индуктивная связь.Это включает приложение переменного тока через индукционную катушку в зарядной станции или площадке (также известной как первичная катушка или катушка передачи).

Поскольку любой движущийся электрический заряд создает магнитное поле, передающая катушка создает именно такое поле, которое регулярно колеблется по интенсивности, поскольку амплитуда переменного тока постоянно изменяется.

Это изменение напряженности магнитного поля приводит к возникновению так называемого электродвижущего поля, как это было описано в законе индукции Фарадея.

Этот закон гласит, что индуцированное напряжение в цепи пропорционально скорости изменения во времени магнитного потока, проходящего через эту цепь. Проще говоря, это означает, что чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше напряжение в цепи, и любое изменение направления магнитного поля также определяет направление индуцированного тока.

Таким образом, напряжение в цепи можно увеличить, добавив в цепь больше контуров. Таким образом, катушка с двумя петлями имеет в два раза большее напряжение, чем просто одна петля.Это закон, лежащий в основе конструкции и работы электродвигателей и генераторов, и объясняющий, почему эти устройства, как правило, имеют несколько катушек.

Источник: Tony Webster / Flickr

Именно по этой причине зарядные площадки для смартфонов имеют относительно небольшой радиус действия, поскольку медные катушки внутри них имеют диаметр всего несколько сантиметров.

Увеличивая размер используемых катушек, можно значительно увеличить расстояние и эффективность беспроводной зарядки.Чем больше катушки или их больше, тем больше площадь воздействия.

При беспроводной зарядке магнитное поле, создаваемое передающей катушкой, индуцирует другой переменный ток в другой индукционной катушке портативного устройства. Обычно известный как приемная или вторичная катушка, индуцированный переменный ток затем преобразуется в постоянный с помощью выпрямителя, который, в свою очередь, заряжает аккумулятор устройства или обеспечивает прямое питание устройства.

Может быть одна или несколько приемных катушек (или антенн).

Все хорошо, но такая установка имеет тенденцию к относительно небольшому радиусу действия. Чтобы расширить диапазон, можно использовать резонансную индуктивную связь (или магнитный резонанс). Это включает добавление конденсатора к каждой индукционной катушке для создания, по сути, двух LC-контуров с определенной резонансной частотой.

Величину наведенного тока в токе приема можно увеличить, используя соответствующую емкость, чтобы гарантировать, что контуры резонируют на одной и той же частоте. Это также позволяет значительно увеличить радиус действия беспроводной зарядки.

Каковы основные вехи на пути к беспроводной энергии?

Чтобы оценить долгую историю беспроводной передачи энергии, давайте кратко рассмотрим некоторые из основных вех в развитии беспроводной зарядки на сегодняшний день.

1. Никола Тесла отказывается от беспроводной зарядки.

Источник: One Tesla / Wikimedia

В конце 19 века дальновидный изобретатель и инженер Никола Тесла впервые продемонстрировал магнитно-резонансную связь.Это, если вы не знаете, передача электричества по воздуху путем создания магнитного поля между двумя отдельными цепями (передатчик и приемник).

Он смог продемонстрировать это, зажигая по беспроводной сети люминесцентные лампы и лампы накаливания в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс, а затем в серии публичных лекций. Тесла запатентовал эту технологию под названием «резонансный трансформатор» или «катушка Тесла».

Это устройство было способно производить очень высокие напряжения и частоты, а его усовершенствованные более поздние конструкции позволили использовать технологию очень безопасным и надежным образом.Хотя, как мы видели, индуктивная и емкостная связь являются эффектами «ближнего поля» и не могут использоваться для передачи на большие расстояния. Однако Тесла был убежден, что сможет разработать беспроводную энергию на большие расстояния.

В 1902 году Тесла начал экспериментировать с гораздо более крупной аппаратурой, чтобы увидеть, возможно ли его видение всемирной беспроводной системы доставки энергии. Он предвидел огромную сеть башен, которые могли бы без проводов освещать города, передавать сообщения и, возможно, даже приводить в действие такие вещи, как самолеты в воздухе.

Его первый прототип, Башня Ворденклиф, был многообещающим, но в конечном итоге затея провалилась.

Тем не менее, это была революционная работа, намного опередившая свое время.

2. Изобретение радио помогло продвинуть эту концепцию дальше.

Источник: not_Aaron / Flickr

Хотя технически говоря, это не форма беспроводной передачи энергии, радио работает по очень похожей концепции. Выявленный и изученный немецкими физиками Генрихом Герцем в конце 1880-х годов, он настолько распространен сегодня, что мы почти не задумываемся о нем.

Радио работает, передавая по воздуху электромагнитные волны на частотах от десятков до сотен герц. Они генерируются электронными устройствами, называемыми передатчиками, которые излучают радиоволны до тех пор, пока они не будут приняты другой антенной — приемником.

В приемнике радиоволны индуцируют небольшой переменный ток, который затем преобразуется в звук через преобразователь. По сути, весь этот процесс заключается в передаче энергии на расстояние без использования проводов.

Что касается только передачи энергии, то использование радиоволн пока не приносит результатов. Это происходит из-за относительности низкочастотных радиосигналов и того факта, что они распространяются во всех направлениях. Это означает, что на один приемник можно передать очень мало энергии — отсюда и необходимость в усилителе в большинстве ситуаций.

Однако с помощью устройства, называемого выпрямительной антенной. Это тип приемной антенны, которая используется для преобразования электромагнитной энергии в электричество постоянного тока.При использовании ректенны радиоволны, возможно, можно было бы также использовать для передачи электричества на большие расстояния.

Однако текущие работы в этой области могут обеспечить лишь небольшое количество энергии в масштабе микроватт. Хотя он полезен для небольших электронных устройств, таких как светодиоды или кремниевые чипы, он на порядок ниже, чем требуется для ваших умных часов или телевизора. Однако важно отметить, что беспроводная радиопередача энергии в настоящее время является быстро развивающейся областью.

3.

Микроволны использовались для беспроводной передачи энергии еще в 1960-х годах, когда был создан «вертолетный» аппарат Брауна с микроволновым питанием. Источник: Researchgate

Для достижения наилучших результатов для эффективной передачи мощности потребуются передатчики, которые генерируют высокочастотные волны, например микроволны. Для этого микроволны необходимо сфокусировать в узкие лучи для передачи.

Первые шаги в этой области были сделаны во время Второй мировой войны, когда были разработаны такие устройства, как клистрон и магнетронная трубка, а также параболические антенны.

Один интересный пример был сделан Уильямом С. Брауном в 1960-х годах. Он смог продемонстрировать беспроводную передачу энергии на большие расстояния с помощью ректенны, которая могла эффективно преобразовывать микроволны в мощность постоянного тока. В 1964 году ему даже удалось продемонстрировать эту технику, приведя в действие модель «вертолета» с помощью микроволн, излученных с земли!

Браун продолжал совершенствовать эту технику в качестве технического директора программы JPL-Raytheon до своего выхода на пенсию в середине 1980-х годов. Часть его работы позволила его команде передать мощность 30 кВт на расстояние 1 милю (1,6 км) с эффективностью более 80%.

4. Беспроводная передача энергии использовалась в медицинских устройствах в 1960-х годах

Источник: MED-EL

Одним из наиболее важных реальных приложений беспроводной передачи энергии было использование индуктивной беспроводной передачи энергии в имплантируемых медицинских устройствах в 1960-е годы. В ранних версиях этих устройств использовалась только резонансная приемная катушка, в то время как в более поздних версиях также использовались резонансные катушки передатчика.

Такие устройства были разработаны для обеспечения высокого КПД с использованием электроники меньшей мощности без необходимости в проводах. Сегодня использование резонансной индуктивной передачи энергии становится все более распространенным явлением со многими коммерчески доступными имплантируемыми медицинскими устройствами, такими как кохлеарные имплантаты.

5.

Первые шаги в области беспроводной зарядки в транспортных средствах были сделаны в 1970-х годах. Источник: Momentum Dynamics.

В 1970-х годах были предприняты различные попытки обеспечить беспроводную зарядку в транспортных средствах.Например, исследование 1972 года, проведенное профессором Доном Отто из Оклендского университета.

В ходе своего исследования профессор Отто предположил, что автомобиль можно заряжать индуктивно с помощью передатчиков, встроенных в поверхность дороги. Приемники на транспортном средстве, возможно, затем могут использоваться для питания транспортного средства во время его движения.

Позже, в 1978 году, первое применение индуктивной зарядки было продемонстрировано Дж. Болджер и его коллеги. Им удалось создать электромобиль с индуктивным приводом от системы, работающей на частоте 180 Гц, мощностью 20 кВт.

В конце десятилетия в Калифорнии также был представлен автобус с беспроводной зарядкой. Подобные предприятия, основанные на индуктивной зарядке, были пионерами во Франции и Германии примерно в то же время.

Совсем недавно такие компании, как Momentum Dynamics, работали в Норвегии над системами беспроводной зарядки для электромобилей. Используя технологию индукционной зарядки, они надеются обеспечить беспроводную зарядку электромобилей, таких как автобусы или такси, что позволит им заряжать без необходимости использования зарядных станций.

Это решение позволит электромобилям заряжать свои батареи на холостом ходу, например, ждать, чтобы забрать пассажиров, вместо того, чтобы останавливаться в течение рабочего дня для подзарядки. Компания также работает с другими компаниями в Китае над разработкой аналогичного решения.

6. Зарядка на большие расстояния была продемонстрирована в 2007 году.

В 2006 году профессор Массачусетского технологического института Марин Солячич впервые продемонстрировал, что электричество может передаваться на расстояние более 6,6 футов (2 мт). Это было достигнуто за счет использования очень резонансной формы магнитной индукции.

Soljačićm продемонстрировал, что можно передавать мощность 60 Вт на аналогичный приемник с двойным резонансом на расстоянии 6,6 футов (2 м). Мало того, это было достигнуто с поразительной эффективностью 40%.

7. Консорциум Wireless Power Consortium был основан в 2008 г.

Источник: Аарон Ю / Flickr

В 2008 г. в ответ на широкомасштабное распространение мобильных телефонов, планшетов и других устройств были достигнуты успехи в исследованиях среднего бизнеса. -расширение беспроводного питания и технологии зарядки, чтобы избавиться от необходимости использовать модем и розетки для зарядки.В рамках этих усилий был создан консорциум Wireless Power Consortium для разработки стандартов взаимодействия в отрасли.

Это в конечном итоге привело к появлению стандарта индуктивной мощности Qi, который был впервые опубликован в 2009 году для высокоэнергетической зарядки и питания портативных устройств мощностью до 5 Вт на расстоянии 1,6 дюйма (4 см).

8. Сфокусированные электромагнитные лучи могут стать будущим беспроводной энергии

Художественное впечатление о проекте NASA sps-ALPHA. Источник: SingularityHub / NASA

Одним из интересных направлений исследований беспроводной передачи энергии является использование электромагнитных лучей в качестве основного средства передачи.Например, с микроволнами проводились эксперименты, чтобы обеспечить двухточечную передачу энергии без использования проводов.

НАСА провело исследование в 1960-х годах, чтобы изучить возможность сбора энергии из космоса с помощью спутников, обшитых солнечными панелями, и «направить» энергию обратно на Землю. Работа проводилась в Лаборатории реактивного движения НАСА, где после некоторых проб и ошибок исследователи продемонстрировали передачу 30 кВт на расстояние 1,5 км с использованием микроволн 2,38 GH с эффективностью 80%.

Дальнейшая работа над аналогичной концепцией, получившей название SPS-ALPHA, была позже разработана НАСА в начале 2010-х годов.

В последнее время работа в этой области была сосредоточена на использовании дронов на больших расстояниях. Например, в конце 1980-х Канадскому исследовательскому центру связи удалось разработать небольшой прототип самолета под названием «Стационарная высокогорная релейная платформа (SHARP)».

Этот самолет приводился в действие с помощью микроволн и ректенны и мог пролетать 13 миль (21 км) в воздухе и оставаться в воздухе в течение нескольких месяцев без необходимости подзарядки.Аналогичный, более совершенный аппарат был разработан в Киотском университете в начале 1990-х годов под названием «Эксперимент с подъемом самолета в микроволновую печь» (MILAX).

В начале 2000-х НАСА также удалось разработать первый в мире самолет с лазерным приводом. Был разработан небольшой прототип, работающий от электричества, вырабатываемого фотоэлементами, вырабатывающими энергию наземного ИК-лазера.

9. Разные компании сейчас работают над беспроводной передачей энергии для вашего дома.

Источник: Wi-Charge

В последние годы частный сектор все активнее принимает участие в том, чтобы сделать беспроводную передачу энергии повсеместной. Различные компании, такие как Wi-Charge, Energous и Ossia, в настоящее время разрабатывают методы безопасного и надежного питания устройств по беспроводной сети с использованием инфракрасных и радиочастотных технологий.

Wi-Charge использует сфокусированные лучи инфракрасного света, направленные на приемник на активированном устройстве, которое преобразует луч в полезную электроэнергию. Energous, с другой стороны, разрабатывает радиоволны, чтобы обеспечить возможность зарядки многих устройств в радиусе 49 футов (15 метров).

Ossia разрабатывает средства беспроводной передачи энергии, специально предназначенные для автомобильного рынка.Они надеются предоставить средства беспроводной зарядки совместимых устройств в автомобиле в будущем.

Эти решения могли бы оставить в прошлом зарядные кабели — что-то, что было бы очень удобно в местах, где электрические кабели потенциально опасны или неудобны, например, в ванных комнатах.

10. Беспроводная передача энергии на большие расстояния может быть буквально за горизонтом.

Источник: Emrod

Для беспроводной передачи энергии, конкурирующей с традиционной проводной, необходимо средство для ее передачи на большие расстояния.Именно здесь такие компании, как базирующаяся в Новой Зеландии Emrod, могут вскоре произвести революцию в способах передачи энергии по всему миру.

Они разрабатывают средства безопасного и беспроводного распределения электроэнергии в сотрудничестве с Powerco (вторым по величине дистрибьютором электроэнергии Новой Зеландии). Emrod недавно сообщил о многообещающих результатах своих текущих прототипов, когда большое количество энергии эффективно передается между двумя точками.

В их решении используется серия антенн, реле и приемная ректенна для преобразования микроволновой энергии в электричество.Эти микроволны находятся в неионизирующем промышленном, научном и медицинском диапазоне радиочастотного спектра, который включает частоты, обычно используемые в связи Wi-Fi и Bluetooth.

11. Будущее должно быть быстрее и на больших расстояниях

Последние достижения в области беспроводной передачи энергии впечатляют, но это только начало. Однако важно отметить, что большинство экспертов подчеркивают, что существующие решения не являются полностью беспроводными, поскольку сами передатчики должны каким-либо образом подключаться к электросети.

Не только это, но и количество потребителей в настоящее время несколько ограничено. Когда пользователи начнут доверять и массово покупать , спрос на гибкость и надежность, вероятно, значительно улучшится.

Это давление рынка заставит производителей разрабатывать более прочные, надежные решения для беспроводной зарядки с большим радиусом действия. В настоящее время для бытовых применений у потребителей есть выбор между малой, но быстрой зарядкой (по аналогии с проводом) или более длительной подзарядкой.

Работа над беспроводным распределением энергии на большие расстояния потенциально очень многообещающая, но это далеко не жизнеспособная альтернатива традиционным медным проводам — ​​по крайней мере, на данный момент.

Однако в ближайшие годы и десятилетия некоторые из наиболее распространенных применений кабелей в вашем доме могут уйти в прошлое, и то же самое может относиться и к вашему электромобилю. Однако крупномасштабное распределение электроэнергии с электростанций или из космоса, скорее всего, будет невозможно в ближайшее время.

Когда-то могут быть решены надежные и безопасные решения для крупномасштабного распределения на большие расстояния для коммунальных предприятий и предприятий, а также решения для ближнего и среднего радиуса действия для потребителей, и преимущества обоих вместе взятых, только тогда беспроводная зарядка станет по-настоящему достичь совершеннолетия.

Беспроводная передача энергии — обзор

1.5.6 Беспроводная передача энергии

Беспроводная передача энергии (WPT) — это передача электроэнергии без проводов, основанная на технологиях, использующих изменяющиеся во времени электрические, магнитные или электромагнитные поля.БПЭ полезен для питания электрических устройств там, где это неудобно или невозможно, как в случае встроенных в тело датчиков, исполнительных механизмов и устройств связи.

Мощность может передаваться на короткие расстояния (передача в ближнем поле) с помощью переменных магнитных полей и индуктивной связи между катушками или с помощью переменных электрических полей и емкостной связи между металлическими электродами. Индуктивная связь является наиболее распространенным методом БПЭ и используется в зарядных устройствах, таких как смартфоны, электробритвы, визуальные протезы и имплантируемые медицинские устройства (кардиостимуляторы, кохлеарные имплантаты) (Sun et al., 2013; Moorey et al., 2014) (рис.16). При расстоянии 20 мм и размере пары катушек диаметр петли и частота играют важную роль в определении характеристик WPT (Celik and Aydin, 2017).

Рис. 16. Емкостная и индуктивная муфты для БПЭ.

(От Sun, TJ, Xie, X., Wang, ZH, 2013. Проблемы проектирования беспроводной передачи энергии для медицинских микросистем. В: IEEE International Wireless Symposium (IWS), 2013 г.) , радиочастотные (RF) и ультразвуковые муфты.Из них индуктивная связь характеризуется высоким КПД и способностью передавать мощность и поэтому превосходит два других (Moutopoulou et al., 2015), см. Таблицу 1. Также, согласно Sun et al. (2013), индуктивная связь считается лучшим выбором для биомедицинских приложений.

Таблица 1. Варианты неемкостного БПЭ

Опции
Параметры Индуктивная связь [11] [12] RF [6] [13] Ультразвук [14]
Безопасность человека Зависит от передаваемой энергии Да Да
КПД 73% 48% 21% –35%
9024 Макс. & lt; 1 Вт 100 мВт
Частоты 1 кГц – 100 МГц 30 кГц – 300 ГГц 10 кГц – 10 МГц

Из Moutopoulou, E., Бертос, Г.А., Маблекос-Алексиу, А., Пападопулос, Е.Г., 2015. Возможность создания биомехатронного контроллера протеза верхних конечностей из EPP. Конф. Proc. IEEE Eng. Med. Биол. Soc. 2015, 2454–2457. https://doi.org/10.1109/EMBC. 2015.7318890.

Возможные биомедицинские приложения включают искусственное сердце, визуальные протезы, глотательные устройства (Kim et al., 2014) и биомехатронные устройства, встроенные в верхние конечности (Kontogiannopoulos et al., 2018). Имплантируемые нервные протезы обычно имеют требования к питанию, превышающие возможности имплантируемых батарей разумного размера.Следовательно, чрескожная магнитная связь остается методом выбора для питания имплантированных нервных протезов (Troyk and DeMichele, 2003). Полностью беспроводная система регистрации ЭМГ, которая может обеспечить управление протезом верхней конечности при достижении максимальной эффективности передачи энергии за счет магнитно-резонансной (индуктивной) БПЭ, описана в Bercich et al. (2016). Это решение делает заметный прогресс в эффективности WPT за счет слабосвязанных индуктивных звеньев, специально для протезов верхних конечностей.В качестве дополнительного преимущества индуктивной связи можно передавать данные (Ghovanloo and Najafi, 2004; Troyk and DeMichele, 2003).

Для этих приложений требуются направленность, стабильность, надежность и эффективность системы за счет усовершенствования конструкции катушки беспроводной передачи и рабочих настроек (Kim et al., 2014). Другие важные параметры включают безопасность человека из-за повышения температуры тканей и миниатюризации соответствующей электроники (Moutopoulou et al., 2015).

Методы моделирования, используемые при анализе систем WPT, с особым акцентом на приближения, ограничивающие их применимость, с целью общего метода моделирования, приведены в Moorey et al. (2014). Исследования в области имплантируемых мощных нейропротезных устройств, таких как визуальные протезы и ИМК, сосредоточены на чрескожных индуктивных силовых связях, образованных между парой напечатанных спиральных катушек (PSC), производимых партиями с использованием технологии микрообработки. Оптимизация энергоэффективности беспроводной связи является обязательной для минимизации размера внешнего источника энергии, рассеивания тепла в тканях и помех для других устройств. Теоретические основы оптимальной эффективности передачи энергии в индуктивном канале в сочетании с полуэмпирическими моделями привели к созданию двух примеров конструкции на частотах 1 и 5 МГц, достигающих эффективности передачи энергии 41,2% и 85,8%, соответственно, на расстоянии 10 мм (Jow and Ghovanloo , 2007). Метод определения характеристик и оптимизации прямоугольных катушек, используемых в индуктивных связях для общих приложений, описан в Yong-Xi et al. (2011).

Работает ли беспроводная передача энергии?

Представьте себе улицу возле вашего дома.Теперь сотрите линии электропередач. Представьте себе межгосударственные автомагистрали без неприглядных кабельных вышек, которые усеивают обширный ландшафт Соединенных Штатов. Это может быть беспроводное будущее энергетики, если партнерство между правительством Новой Зеландии и стартапом Emrod будет успешным — и все это восходит к самым смелым мечтам Николы Теслы.

Беспроводное электричество звучит как научная фантастика, но технология уже реализована и подготовлена ​​для практического исследования. И в этой первой в своем роде пилотной программе Powerco — второй по величине дистрибьютор электроэнергии Новой Зеландии — протестирует технологию Emrod, начиная с 2021 года.

«Это звучит футуристично и фантастично, но со времен Tesla это повторяющийся процесс».

Компании планируют развернуть прототип беспроводной энергетической инфраструктуры на 130-футовом пространстве. Чтобы сделать это возможным, Эмрод использует выпрямляющие антенны, также известные как «ректенны», которые передают микроволны электричества от одной точки пути к другой: решение, хорошо подходящее для гористой местности Новой Зеландии. На промежуточных полюсах установлены специальные квадратные элементы, которые действуют как точки прохождения, которые поддерживают гудение электричества, а более широкая поверхность, так сказать, «улавливает» всю волну.

«Мы разработали технологию беспроводной передачи энергии на большие расстояния, — говорит основатель Emrod Грег Кушнир. «Сама технология существует довольно давно. Это звучит футуристично и фантастично, но со времен Tesla это был повторяющийся процесс ».

Связь с Николя Тесла, как признает Кушнир, — это скорее творческий, приятный рассказ, чем настоящая генеалогия. Тесла рассматривал беспроводную энергию в 1890-х годах, когда он работал над своей революционной схемой трансформатора «катушка Тесла», которая вырабатывала электричество переменного тока, но он не смог доказать, что может управлять лучом электричества на больших расстояниях.«Сам факт того, что он мог вообразить это, примечателен, но технология, которую он хотел применить, не сработала бы», — говорит Кушнир.

Emrod, напротив, может удерживать луч электричества плотно и сфокусированным с помощью двух технологий. Первый связан с передачей: небольшие радиоэлементы и одиночные волновые диаграммы создают коллимированный луч, что означает, что лучи выровнены параллельно и не будут сильно распространяться по мере распространения. Во-вторых, Эмрод использует искусственно созданные метаматериалы с крошечными узорами, которые эффективно взаимодействуют с этими радиоволнами.

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Беспроводные антенны

Emrod представляют собой носитель, похожий на кабель, а это означает, что их задача — просто подключить источник электропитания к потребителю. Кушнир предполагает разместить технологию Emrod на труднопроходимой местности, которая соединяется с самыми солнечными, ветреными или наиболее благоприятными для воды точками на Земле, поскольку эти сельские места имеют самый большой пробел в электрификации.

Устраняя необходимость в длинных участках традиционной медной проводки, Emrod заявляет, что может обеспечить электричеством эти регионы, которые не могут позволить себе такую ​​инфраструктуру, которая поддерживает энергосистему. Это также может иметь положительные экологические последствия, поскольку многие объекты, у которых нет доступа к электричеству, в конечном итоге полагаются на дизельные генераторы для получения энергии.

Есть даже возможности для поддержки оффшорных ветряных и солнечных электростанций, говорит Кушнир, потому что текущая точка трения для этих форм возобновляемой энергии сводится к стоимости передачи.Например, в проливе Кука, который соединяет Северный и Южный острова Новой Зеландии, морские ветряные электростанции требуют дорогих подводных кабелей.

На данный момент у Кушнира достаточно корпоративной поддержки, чтобы предпринять следующие нормативные шаги и начать распространение технологии Эмрода. По его словам, настоящая проблема будет заключаться в том, чтобы успокоить и просвещать общественность.

«Мы ожидаем большого сопротивления, аналогичного тому, что мы наблюдали с 5G», — говорит он. «Люди подавляют дополнительную радиацию вокруг себя, и это совершенно понятно.«Но, к счастью, — говорит он, — управляемый луч Эмрода не пропускает излучения
». Это не «брызги», как антенна сотового телефона.

Итак, если все пойдет хорошо во время пилотной программы Новой Зеландии в начале 2021 года, беспроводная энергия может быть буквально на горизонте и в США. А когда? Остается только догадываться.


Питание без проводов

Изображение любезно предоставлено Emrod

Для беспроводной передачи энергии Emrod генерирует электричество в виде узкого и сфокусированного луча в неионизирующем промышленном, научном и медицинском диапазоне электромагнитного спектра — той части радиодиапазона, которая соответствует частотам Wi-Fi и Bluetooth.

Оттуда передающая антенна передает мощность через различные точки реле на «ректенну», которая может безопасно передавать волны в том же диапазоне частот, что и микроволновая печь в вашем доме. Между тем крошечные лазеры контролируют ректенны, чтобы обнаружить любые препятствия между точками реле. Таким образом, отсутствует внешняя радиация, и
птиц не пострадает при такой передаче энергии.

—Courtney Linder


🎥 Смотри:

Кэролайн Делберт Кэролайн Делберт — писатель, редактор книг, исследователь и заядлый читатель.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

IE Вопросы: Почему у нас нет беспроводного электричества?

Почему у нас нет беспроводной связи?

Этот вопрос приходит от многих членов нашей аудитории: было бы здорово, если бы мы могли покончить с обширной сетью проводов, больших и малых, которые соединяют электронные устройства, управляющие нашим миром, с электростанциями, вырабатывающими электричество?

На самом деле у нас есть беспроводное электричество.Но это ограничено. На данный момент, по крайней мере, это коммерчески выгодно только на коротких расстояниях (например, миллиметры в метры). Прежде чем мы перейдем к этому, давайте вернемся более чем на сто лет назад, к человеку, мечтающему о беспроводной передаче электричества по всему миру: Николе Тесла.

Существует длинный список технологий, приписываемых Тесле и его исследованиям: радио, рентгеновские лучи, дистанционное управление, электродвигатели и многие другие. Но одна из его величайших амбиций так и не была реализована: передавать электричество по всему миру без проводов.

Его первые эксперименты были связаны с передачей электричества через радиоволны. Но эти эксперименты могли передавать энергию только на короткое расстояние. Тогда у Теслы появилась идея: будет ли связь сильнее, если он пройдет сквозь землю, а не в воздух?

Вот его основная теория: отправить электричество глубоко в землю и использовать Землю как гигантский проводник. Электричество могло беспрепятственно перемещаться на сотни миль, и любой, у кого есть приемник, мог получить к нему доступ, предположил Тесла.

«Электроэнергия может передаваться и никогда не будет передаваться без проводов для всех коммерческих целей, таких как освещение домов и управление самолетами. Я обнаружил основные принципы, и мне осталось только разработать их в коммерческих целях. 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, с помощью которого можно готовить, и свет. читать.Это оборудование будет перевозиться в рюкзаке, не таком большом, как обычный чемодан. В ближайшие годы беспроводное освещение станет таким же обычным явлением на фермах, как обычное электрическое освещение в наших городах ». (Никола Тесла, Американский журнал, апрель 1921 г.)

Тесла перенес свои эксперименты в Колорадо-Спрингс, штат Колорадо, в 1899 году. Согласно лабораторным записям Тесла, ему удалось послать электричество из своей лаборатории в лампочки, стоящие на земле на расстоянии сотен футов.

Но Tesla хотела большего.Он начал строить Башню Уорденклиф в 1901 году на Лонг-Айленде. Wardenclyffe должен был стать центром множества экспериментов по передаче беспроводных радио- и телеграфных сигналов — и отправке беспроводного электричества. Тесла планировал, что 17-этажная башня будет отправлять электричество от угольного генератора в землю через 300 футов металлических стержней, по которым ток будет распространяться на сотни миль.

По сей день никто не уверен, что план Теслы сработал бы, сказал Марк Зайфер, автор книги «Волшебник: жизнь и времена Николы Теслы».Деловой партнер Tesla, Дж. П. Морган, отказался от проекта Wardenclyffe. В конце концов, Tesla обанкротилась, а Wardenclyffe был снесен в 1917 году. Его идея использования земли для передачи электричества на большие расстояния не была полностью проверена, и инженеры-электрики скептически относятся к ее результатам, добавил Сейфер.

Но исследования Теслы повлияли на то, как мы сегодня отправляем электричество без проводов

Со времен Tesla мы знали, что можно передавать электричество по беспроводной сети с помощью магнитной индукции.Или, если быть точным, использовать магнитное поле для генерации электрического тока. Вы уже используете этот тип зарядки, если у вас есть электрическая зубная щетка.

И мечта Tesla о беспроводной энергии во всем мире все еще жива. Японское космическое агентство разрабатывает солнечный спутник, который будет передавать энергию обратно на Землю с помощью микроволн. Их цель по завершению строительства первой солнечной электростанции на орбите? 2031 год — как раз к 175-летнему юбилею Tesla.

Wireless Energy Transfer

Wireless Energy Transfer

Юэ Ма


22 октября 2010 г.

Представлено как курсовая работа по физике 240, Стэнфордский университет, осень 2010 г.

Введение

Фиг.1: Передача энергии через связь по магнитному полю между двумя катушками с одинаковыми резонансная частота.

Беспроводная передача информации принесла много удобства для жизни. Но люди не собираются останавливаться. Мечта дня, когда электрические кабели, розетки и адаптеры больше не Необходимость стимулировала исследования беспроводной передачи энергии.

Какую энергию можно передавать по беспроводной сети? Очевидно, что энергия, хранящаяся в химических связях внутри таких молекул, как глюкоза или метан не может быть передан без перемещения материала сам; Тепло может передаваться по беспроводной сети довольно легко, но Ноутбук использовать тепло не так-то просто.Итак, поговорим об электрическом энергия, которая используется наиболее широко и легко.

Как беспроводная передача информации, беспроводная энергия передача также основана на электромагнитном поле. Разница в том, когда вы передаете энергию, соотношение приема и передачи, а не Соотношение сигнал / шум становится самым важным. И обычно первого добиться гораздо труднее, чем второго. длинные дистанции. На основании того, является ли излучающее электромагнитное поле генерируется, методы беспроводной передачи делятся на два категории: ближнее и дальнее поле.

Рис. 2: Передача энергии через микроволновая печь между двумя станциями.

Передача ближнего поля

Передача ближнего поля основана на соединении двух катушки на расстоянии размера катушек. Фактически трансформатор передает энергию по беспроводной сети через магнитное поле, хотя его изобрели более 100 лет назад. Но если убрать железный сердечник и раздвинуть две катушки, эффективность передачи падает кардинально.[1] Вот почему две катушки должны быть расположены достаточно близко, чтобы друг с другом. Такой метод уже коммерциализирован. Например, большинство электрических зубных щеток сегодня используют беспроводные зарядные устройства, которые намного безопаснее, чем кабельные зарядные устройства во влажной среде.

Однако, если катушки передатчика и приемника имеют та же резонансная частота, которая определяется материалом и форма катушки, эффективность передачи будет снижаться намного медленнее когда они раздвигаются. Группа из Массачусетского технологического института во главе с проф.Марин Солячич удалось передать электрическую энергию (60 Вт) между двумя катушки на расстоянии более двух метров друг от друга из-за неизлучающего электромагнитного поле, как показано на рис. 1. [2]

Так как передача ближнего поля обычно работает на 50 или 60 Гц, практически отсутствуют помехи для сигналов телевидения, радио или Wi-Fi. Основное беспокойство вызывает возможное влияние на здоровье человека. К счастью, почти все материалы, из которых состоит человеческое тело, немагнитны, поэтому они очень слабо взаимодействуют с магнитным полем, даже до нескольких тесла, как что в современном аппарате МРТ.[2,3] Таким образом, такая основанная на магнитном поле перевод вполне безопасен для людей, находящихся в зоне действия трансфера.

Передача в дальнее поле

Для беспроводной передачи энергии на большие расстояния, используется передача в дальней зоне. Передача в дальней зоне основана на электромагнитная волна, которая является излучательной. Использование разных методов электромагнитные волны в разных диапазонах волн. В ранние времена эксперименты проводились с радио и микроволнами, около 1 ГГц. [4] Электрическая энергия передается сильному лучу радио или микроволнового излучения посредством тарелкообразная антенна, проходит через атмосферу и затем принимается другая антенна, которая переводит его обратно в электрический ток переменного тока, как показано на рис 2.

Рис. 3: Схема модели самолета НАСА питание от инфракрасного наземного лазерного луча с центром в панель фотоэлектрических элементов на его брюшной стороне.

Однако, согласно дифракции, чем длиннее длина волны , тем больше должны быть антенны для достижения достаточного направленность. Поскольку скорость света в воздухе составляет примерно 3 x 10 8 м / с, соответствующая длина волны радио и микроволн используется около одного метра, что требует антенны размером от нескольких метров до нескольких километров.Таким образом, мы должны использовать электромагнитное волны с более короткой длиной волны, если мы хотим передать энергию меньшим объекты. Более того, поскольку используемая электромагнитная волна лежит в диапазон волн радио, телевидения, сотового телефона и Wi-Fi, с интенсивностью сигнала на несколько порядков больше, вы, вероятно, не захотите, чтобы он приближался к жилые дома или офисы — фактически, предлагалось использовать в энергетике передача между будущими спутниками солнечной энергии и землей. [5]

А вот и лазер

Использование передовых технологий в обоих твердотельные лазеры и фотоэлектрические элементы (обратите внимание, что монохроматические фотоэлектрические элементы более эффективны, чем обычные солнечные элементы) сегодня, преобразование энергии в лазерные лучи для передачи на большие расстояния — это становлюсь ближе к практике.НАСА изготовило модель самолета с двигателем лазерный луч сфокусирован на панели фотоэлектрических элементов на ее брюшной стороне, см. Рис. 3. [6,7] По сравнению с радио и микроволнами, у лазера есть много такие преимущества, как короткая длина волны (короче нескольких микрометров), хорошая ширина луча, идеальная направленность и отсутствие помех радио, Сигналы телевизора, сотового телефона или Wi-Fi. Но у него все еще есть много недостатков, например относительно более низкий КПД при преобразовании и атмосферном абсорбция.

© Юэ Ма. Автор дает разрешение на копирование, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде с указанием авторства автор, только в некоммерческих целях.Все остальные права, включая коммерческие права принадлежат автору.

Список литературы

[1] E. Waffenschmidt et al. , «Ограничение Индуктивная передача энергии для потребительских приложений », 13-е место в Европе Конференция по силовой электронике (EPE), 8 сентября 09.

[2] Ф. Хэдли, «MIT Demos Wireless Power Трансмиссия, MIT Tech Talk, 13 июня 2007 г.

[3] G. Christoforidis et al. , «Высокое разрешение МРТ анатомии глубоких сосудов головного мозга при 8 тесла: на основе восприимчивости Улучшение венозных структур, «Компьютерный журнал». Томография, 23 , 857 (1999).

[4] Дж. Барретт, Электричество в Колумбии Экспозиция (Р. Р. Доннелли и сыновья, 1894 г.), стр. 168.

[5] Дж. Лэндис, «Лазерное излучение», SPIE. Труды 2121 , 252 (1994).

[6] M. A. Green et al. , кремний с КПД 45% Фотоэлемент в монохроматическом свете, IEEE Electr. Device Lett. 13 , № 6, 314 (1992).

[7] М. Карри, «Лучи Мощность лазера для БПЛА, NASA Dryden Flight Информационные бюллетени Исследовательского центра.

Беспроводная передача энергии может приводить к питанию устройств на расстоянии

Устали от того, что аккумулятор вашего ноутбука умирает во время презентаций или загорается? Мужайтесь: ученые совершенствуют новый метод передачи электроэнергии от базовой станции, используя технику, которая напоминает беспроводное подключение к Интернету. Исследователи говорят, что специально разработанное устройство должно иметь возможность получать энергию от сильного магнитного поля, пронизывающего комнату.

Эффект, который еще не был продемонстрирован, использует стационарное магнитное поле, окружающее заряженную металлическую петлю.Это так называемое ближнее поле может быть мощным — именно оно заставляет вращаться электродвигатель. И в принципе его колебания могут индуцировать электрический ток в другом близлежащем контуре, потому что динамические магнитные поля создают электрические поля и наоборот. Второй контур может действовать как аккумулятор или зарядное устройство, но обычно он получает лишь небольшой ток, потому что ближнее поле быстро затухает с увеличением расстояния.

«Ключом к увеличению индуцированного тока является резонанс», — говорит исследователь фотоники Марин Солячич из Массачусетского технологического института.Солячич и его коллеги предлагают сделать короткий промежуток в металлической петле и прикрепить два небольших диска на каждом конце. Когда такой объект наэлектризован, он имеет естественную, или резонансную, частоту, которая возникает из-за того, что ток течет назад и вперед по петле от одного диска к другому.

Если две петли имеют одинаковую частоту, одна должна иметь возможность получать энергию от другой через магнитное ближнее поле — так же, как два идентичных камертона, поставленные в непосредственной близости, рассуждали участники группы.С расстояния в несколько метров мощность передаваемой таким образом энергии может достигать десятков ватт или достаточной для питания ноутбука, согласно моделированию, которое Солячич представил 14 ноября на заседании Американского института физики. «Результаты сильно обнадеживают, но настоящей проверкой будут эксперименты, над которыми мы сейчас работаем». Солячич говорит.

«Это отличная идея. Я думаю, что многие люди будут очень удивлены», — говорит эксперт по фотонике Джон Пендри из Имперского колледжа Лондона.По его словам, это может быть очень полезно в специализированных приложениях, таких как освоение космоса, например, для питания марсохода в пределах нескольких метров от источника питания. Он сомневается, что люди примут это в своих домах, учитывая опасения по поводу воздействия линий электропередач и сотовых телефонов на организм. «Я думаю, им будет сложно убедить людей, что все в порядке», — говорит он.

Критический взгляд на беспроводное питание

Фото: Холли Линдем

Устрицы , должно быть, были озадачены тем, что они видели на северном берегу Лонг-Айленда в штате Нью-Йорк на рубеже 20-го века.Никола Тесла, сербский иммигрант из современной Хорватии, устроил лабораторию посреди картофельных полей и возвел за ней башню высотой почти 60 метров (200 футов). Тесла заявил, что намеревается использовать его для беспроводной связи по всему миру.

Изображения: Эмили Купер

Идея была амбициозной, но небезосновательной: Гульельмо Маркони только что послал первые пробные сигналы через Атлантику в 1901 году. Но жители Длинных островов, живущие рядом с огромной башней, были бы шокированы больше — возможно, буквально — если бы Тесла осуществил свой второй план, который был настолько дерзким, что он сначала скрывал его даже от Дж.П. Морган, финансист, финансировавший операцию. Тесла хотел использовать башню для беспроводной передачи не только сигналов, но и полезного количества электроэнергии. Его стратегия достижения этого подвига была расплывчатой, но, похоже, он имел представление о передаче энергии по беспроводной сети на такие объекты, как дирижабли в полете и автомобили в движении.

Тесла так и не достроил огромную башню — Моргану надоело, и он отрезал деньги. Тесла покинул лабораторию, которая пришла в упадок, а в 1917 году башню бесцеремонно снесли.

Десятилетия спустя лаборатория Теслы была превращена в фабрику по производству фотобумаги, в результате чего на земле осталось достаточно токсичных отходов, чтобы ее можно было квалифицировать как объект Суперфонда. Сегодня элегантное кирпичное здание лаборатории снова заброшено. Окна покрыты фанерой. Все, что осталось от башни, — это ее огромная восьмиугольная опора, ныне заросшая деревьями.

Ученые и инженеры в наши дни, конечно, ценят огромный, хотя и довольно необычный талант Теслы — он изобрел асинхронный двигатель, с одной стороны, и он отстаивал переменный ток, когда Томас Эдисон не имел его, с другой.Поэтому неудивительно, что некоторые поклонники Теслы стремятся сохранить его старую лабораторию.

«Подумать только, что Тесла ходил здесь, ходил по этой земле и имел свое видение и свою мечту», — говорит Джейн Олкорн, осматривая лабораторию. Алкорн возглавляет некоммерческую группу, цель которой — превратить заброшенное место в музей науки. Она прекрасно знает, какие великие дела Тесла придумал для этого места. «Передача энергии без проводов очень скоро приведет к промышленной революции, невиданной ранее в мире», — написал Тесла в письме Джорджу Вестингаузу в 1906 году.

В то время как видение Теслы сегодня может показаться нелепым, все было иначе до того, как опоры электропередач и линии высокого напряжения стали частью индустриального ландшафта. Тесла продемонстрировал свою способность передавать энергию по беспроводной сети на небольшие расстояния в лаборатории, которую он организовал ранее в Колорадо-Спрингс. Но он потерпел неудачу в своей грандиозной попытке увеличить масштабы усилий. И к тому времени, когда его силовая башня рухнула, люди были слишком заняты прокладкой электрических кабелей, чтобы сильно беспокоиться о том, как с ними покончить.Однако в последнее время некоторые упрямые ученые и инженеры очень тщательно думают о том, как это сделать.

СИЛОВАЯ БАШНЯ: В начале 20 века Никола Тесла планировал использовать эту огромную башню для беспроводной передачи энергии. Фото: Tesla Wardenclyffe Project

В 2006 году, , ровно через 100 лет после того, как Тесла уволил своих сотрудников на Лонг-Айленде, другой иммигрант из Хорватии удивил Америку предложением о передаче электроэнергии по воздуху.Физик Марин Солячич вместе с несколькими своими коллегами из Массачусетского технологического института выполнил теоретический анализ системы для беспроводного проектирования полезного количества энергии с использованием электромагнитной индукции — явления, хорошо известного с тех пор, как Майкл Фарадей впервые описал его в начале 19 века.

В 2007 году команда Солячича пошла дальше и опубликовала статью в престижном журнале Science , в которой описывалась аппаратура, которая могла зажечь 60-ваттную лампу накаливания, используя энергию, передаваемую между двумя катушками, разделенными немного более чем на 2 метра.Изображения этой лампочки, жутко горящей издалека, вызвали значительный резонанс в прессе. Но действующая физика на самом деле не так уж сильно отличалась от того, что происходит в любом электрическом трансформаторе. Там переменный ток, протекающий в одной катушке провода, первичной обмотке, создает колеблющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, индуцирует переменное напряжение в другой катушке, вторичной. В типичном трансформаторе магнитные силовые линии, соединяющие первичную и вторичную обмотки, проходят через железо, обеспечивая плотную связь, которая сводит потери мощности к минимуму.Если вы разделите первичную и вторичную катушки на расстояние, на котором нет ничего, кроме воздуха, эти потери увеличиваются, и передача становится неэффективной.

«Резонанс обеспечивает эффективную передачу энергии», — говорит Солячич, описывая базовую стратегию, которую его команда использовала для передачи значительного количества энергии. Идея не нова: одноименные катушки Теслы используют тот же принцип.

Хороший способ понять, почему резонанс помогает, — это представить механический аналог. Предположим, вы хотите передать механическую энергию через комнату, но все, что у вас есть, чтобы связать источник энергии с нагрузкой, — это длинная и очень слабая пружина.Вам нужно было энергично качать конец пружины, которую вы держали, перемещая ее вперед и назад так быстро и как можно дальше, пока на лбу не выступит пот. Это было бы не очень эффективно, но только при таких усилиях дальний конец пружины немного покачнулся бы.

Чтобы облегчить жизнь, можно, например, прикрепить конец пружины к маятнику, качающемуся по широкой дуге. Теперь ваша рука не будет так сильно болеть, а дальний конец пружины по-прежнему будет шевелиться. Но другая трудность возникнет, когда вы попытаетесь прикрепить этот дальний конец пружины к механической нагрузке.Если бы вы не были осторожны, вы бы обнаружили, что волны энергии, посылаемые по пружине, не поглощаются — большая часть той небольшой энергии, которая доходит до дальнего конца, просто отскакивает обратно. Чтобы решить эту новую проблему, вы можете прикрепить дальний конец пружины ко второму маятнику, построенному точно так же, как и первый. Теперь все, что вам нужно сделать, это слегка ритмично толкнуть первый маятник, пока амплитуда его качания не станет достаточно большой, чтобы дальний конец пружины начал покачиваться вместе с ним.И эти маленькие покачивания, в свою очередь, имели бы правильный момент, чтобы второй маятник качнулся. Несмотря на то, что у вас была только слабая пружина в качестве проводника, вы бы передавали энергию через комнату. Тогда ты сможешь сделать с ним что-нибудь полезное — например, разбить окно.

Эта механическая аналогия может показаться немного запутанной, но на самом деле она обеспечивает очень хорошую параллель для того, что происходит между связанными резонансными электрическими генераторами, используемыми для индуктивной передачи энергии. Механическая версия даже демонстрирует некоторые тонкости беспроводных систем питания — например, то, что связь между первичным и вторичным генераторами вызывает вторую, более высокую частоту резонанса.Что еще более важно, этот мысленный эксперимент помогает проиллюстрировать фундаментальную проблему: по мере увеличения частоты и амплитуды колебаний первичный элемент начинает испытывать значительные потери мощности. Сопротивление воздуха истощило бы энергию качающегося маятника, например. Для электрических генераторов большая часть потерь возникает только из-за сопротивления проводов.

Итак, когда Солячич называет свою систему «эффективной», он говорит в относительных терминах. Фактическая эффективность подключения лампочки к розетке в его демонстрации заставила бы эколога съежиться — она ​​составляла всего 15 процентов.Тем не менее, Солячич и его коллеги были настолько воодушевлены перспективами использования таких индуктивных систем для зарядки мобильных телефонов и ноутбуков на расстоянии, что они основали стартап для коммерциализации технологии. В компании, получившей название WiTricity Corp., расположенной в Уотертауне, штат Массачусетс, сейчас работает около 20 сотрудников.

Как ни странно, даже до того, как работа Солячича появилась в печати, другие сотрудники Массачусетского технологического института изучали проблему беспроводной передачи энергии на короткие расстояния.Джефф Либерман, тогда аспирант в Media Lab Массачусетского технологического института (а теперь ведущий передачи Discovery Channel «Time Warp»), не стремился ни к чему практическому; он просто хотел создать интригующее произведение искусства — левитирующую лампочку, которая загоралась. Таким образом, он столкнулся с той же проблемой, с которой столкнулись Солячич и его коллеги: обеспечить питание чего-либо, не подключая к нему провода. Решение Либермана в деталях отличалось от решения Солячича, но основополагающий подход, который он использовал, был тем же самым.

ЯРКАЯ ИДЕЯ: Система беспроводного питания Intel (вверху) была вдохновлена ​​MIT (внизу). Фото: вверху: Intel; Внизу: Марин Солячич / Science

«Я знал, что существуют принципы индуктивно связанных резонансных систем», — говорит Либерман, который дошел до консультационных заметок, которые Тесла записал в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс. После долгих экспериментов и с помощью Джозефа Старка III, другого аспиранта Массачусетского технологического института, который написал магистерскую диссертацию по беспроводной передаче энергии, Либерману в 2005 году удалось построить плавающую светящуюся лампочку.Но он оставался в неведении о работе Солячича на физическом факультете, пока не вышли научные статьи профессора на эту тему.

Эти статьи привлекли к группе Солячича, а позже и их дочерней компании, много внимания за пределами Массачусетского технологического института. И почему бы нет? Название WiTricity — это, конечно, игра на тему Wi-Fi. Он вызывает в памяти образы беспроводной передачи энергии в домах и офисах так же, как радиосвязи Wi-Fi распространяют доступ в Интернет. Страница на веб-сайте WiTricity, безусловно, воспроизводит это изображение, демонстрируя художественную визуализацию компактной передающей катушки, расположенной на потолке гостиной, которая передает питание на настенный телевизор, различные лампы и ноутбук, установленный на журнальном столике.

Подобные мысли также побудили Intel изучить перспективы беспроводного питания в своих лабораториях в Сиэтле, где исследователи разработали то, что они назвали Wireless Resonant Energy Link. «Нас вдохновила статья Массачусетского технологического института», — говорит Джошуа Р. Смит, инженер Intel, возглавляющий проект. Но в системе, которую Intel впервые продемонстрировала в 2008 году, используются плоские катушки, а не винтовые катушки, описанные Солячичем и его коллегами годом ранее. «Мы не хотели использовать спираль, которую сложно разместить в ноутбуке», — говорит Смит.

Оказывается, не пришлось. Основная причина спиральных катушек Солячича заключается в том, что они обеспечивают не только индуктивность, но и емкость за счет разделения между соседними контурами. Таким образом, на радиочастотах эти катушки резонируют без отдельных конденсаторов. Преимущество, как полагал Солячич при их проектировании, состоит в том, что не будет потерь от конденсаторов, что, возможно, было преувеличено. WiTricity, как и Intel, отошла от оригинальной конструкции спиральной катушки Soljacic, потому что громоздкая форма штопора будет неудобно ограничивать.«Если вы собираетесь питать устройство, вам нужна катушка захвата в устройстве », — говорит Кэти Холл, технический директор WiTricity.

Другое ограничение, однако, кажется менее известным — или, по крайней мере, менее обсуждаемым. Это происходит из-за силы генерируемых электромагнитных полей и того, как они соотносятся с уровнями, которым люди охотно себя подвергают.

Как электромагнитные поля влияют на здоровье — обширная тема, как с точки зрения того, что о нем известно, так и того, что нет.Последняя категория включает множество возможностей, которые могут показаться более или менее разумными, в зависимости от вашей точки зрения. Но на радиочастотах некоторые эффекты неоспоримы.

«Воздействие очень высокой радиочастотной энергии будет нагревать вас — в этом нет никаких сомнений», — говорит Ричард Стрикленд, руководитель консалтинговой компании RF Safety Solutions. Он указывает, что нормы воздействия радиочастотного излучения различаются от места к месту. В Соединенных Штатах, например, многие следуют стандарту IEEE C95.1, тогда как европейцы обычно придерживаются несколько более строгих рекомендаций Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP).

Обсуждение этих ограничений должно отрезвлять любого, кто надеется послать значительное количество энергии с помощью электромагнитных полей. Возьмите рекомендации ICNIRP для радиочастотных полей на частоте 10 мегагерц, частоты системы, созданной Солячичем и его коллегами из Массачусетского технологического института. Для этой частоты в этих рекомендациях указано, что население не должно подвергаться воздействию магнитных полей, превышающих 0,073 ампер на метр, или электрических полей, превышающих 28 вольт на метр. Если бы эта радиочастотная энергия излучалась удаленной антенной, вы могли бы применить только предел магнитного или электрического поля, потому что соотношение полей было бы фиксированной величиной.Но индуктивная передача энергии такого рода происходит в так называемом ближнем поле антенны (катушки), поэтому взаимосвязь между электрическим и магнитным полями не так проста.

Согласно их статье Science 2007 года, Солячич и его коллеги измерили магнитное поле 1 А / м на полпути между передающей и приемной катушками, что почти в 14 раз превышает предел ICNIRP. Электрическое поле составляло 210 В / м, что в 7,5 раз превышает предел ICNIRP.Ситуация становится еще хуже, если рассматривать поля ближе к катушкам. На расстоянии двадцати сантиметров магнитное поле превышало предел ICNIRP более чем в 100 раз, а электрическое поле — в 50 раз.

«Они не смогут заполнить комнату полями и не задавать вопросы», — говорит Грант Кович, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Оклендского университета в Новой Зеландии. Он должен знать: Кович и его коллега из Окленда Джон Бойз уже два десятилетия работают над разработкой таких систем, которые, несмотря на то, что не получили особой огласки, на самом деле широко используются для различных приложений, где шнуры питания были бы проблематичными.

ВНЕШНИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ: Значения магнитного поля (вверху) и значений электрического поля (вверху) для беспроводной системы питания MIT (желтый и красный) значительно превышают пределы ICNIRP (зеленый). Фото: CreativeCommons

Одно из таких приложений — погрузочно-разгрузочные работы. Компания Daifuku Co., базирующаяся в Осаке, Япония, например, имеет лицензионные патенты Оклендского университета на создание гусеничных конвейерных систем с движущимися платформами с беспроводным питанием. Эти системы составляют значительную часть 2 долларов США, которые компания Daifuku получает.Ежегодный объем продаж составляет 5 миллиардов, не образуются мелкие частицы, которые могли бы загрязнить чувствительные процессы, такие как производство микросхем, как это обычно происходит с щеточными электрическими контактами. Такие транспортные средства полезны и в других промышленных условиях. Audi и BMW, например, используют тележки с индуктивным приводом на своих сборочных линиях, и эти системы оказались более надежными, чем системы, использующие щеточные контакты.

Еще одно хорошо зарекомендовавшее себя применение — зарядка электромобилей. Более десяти лет назад злополучный EV1 GM заряжался с помощью индукционной лопасти, вместо того, чтобы подключать его к розетке.В старинном портовом районе Генуи, Италия, вы найдете электрические автобусы, которые заряжаются по беспроводной сети с колоссальной скоростью 60 киловатт в течение 10 минут каждый час за счет парковки над плоскими зарядными катушками, встроенными в дорожное покрытие. Система была построена компанией Conductix-Wampfler из Вайль-на-Рейне, Германия, которая также имеет лицензионные патенты Оклендского университета.

Эти системы давно зарекомендовали себя как способные передавать энергию по беспроводной сети, часто в большом количестве, и с хорошей эффективностью.Это возможно, потому что они передают мощность по воздуху лишь на короткое расстояние — максимум несколько десятков сантиметров — совсем не то, на что стремятся WiTricity и Intel. Ключевой вопрос заключается в том, сделают ли инженерные усовершенствования практичными большие разделения.

«Я скептически отношусь к передаче [энергии] на расстояния, превышающие диаметр катушки», — говорит Менно Трефферс, который работает в Royal Philips Electronics и является главой консорциума Wireless Power Consortium, который существует уже два года. направлена ​​на установление отраслевых стандартов беспроводной зарядки бытовой электроники.Прямо сейчас вы можете получить зарядные устройства для беспроводной зарядки, если купите ноутбук Dell Latitude Z или смартфон Palm Pre. Владельцы BlackBerry и iPhone также могут получить эту функцию, если приобретут специальные зарядные устройства для вторичного рынка.

Идея, которую продвигает консорциум Wireless Power Consortium, заключается в том, что в конечном итоге вы сможете купить одну зарядную панель, которая будет заряжать любое устройство, которое вы разместите наверху, независимо от марки. Трефферс стремится привнести такую ​​функциональную совместимость в то, что он считает процветающей потребительской технологией, но он не ожидает, что это дойдет до того момента, когда вы сможете заряжать свою мобильную штуковину во время ее использования.«Не то чтобы вы могли заряжать свой BlackBerry, сидя на диване», — говорит он.

Эберхард Ваффеншмидт, инженер-электрик Philips, работающий с Treffers, изучил вопрос о том, какие расстояния возможны для резонансной индуктивной зарядки. Его расчеты показывают, что прототипы систем, которые продемонстрировали Intel и WiTricity, раздвигают границы того, что практически можно сделать без падения эффективности до смехотворно низкого уровня. И даже если бы можно было допустить низкую эффективность, уровни радиочастотного поля, необходимые для передачи действительно полезного количества энергии даже на небольшие расстояния, были бы выше тех, которым вы могли бы разумно подвергнуть людей.«Все журналисты пропустили это», — говорит Ваффеншмидт, добавив, что «у зарядных колодок нет этой проблемы».

Нет ли способа увеличить расстояние, на которое можно передавать энергию по беспроводной сети? Конечно, есть, но не индуктивно. Если у вас есть свободный путь, вы можете использовать микроволны или лазерные лучи, как уже много раз демонстрировалось. Или просто сделайте это просто. «Солнечный свет отлично подходит для передачи энергии на большие расстояния», — шутит Трефферс.

Даже если резонансная индукция в конечном итоге будет ограничена короткими расстояниями, она все же может иметь большое влияние, особенно для будущего транспорта.«Теперь у нас [есть средства] для безопасной и эффективной зарядки автомобиля через промежутки от 20 до 40 сантиметров, и мы считаем, что можем встроить это в дорожную систему», — говорит Чович. «Это, вероятно, через десять лет, но у вас должно быть видение, а наше — это дорожные системы».

Небольшой шаг в этом направлении делается в берлинской компании Bombardier Transportation, которая готовится предложить электрический трамвай, который индуктивно питается от проезжей части. Хотя есть и другие способы избежать прокладки кабелей, которые трудно обслуживать в трамвае [см. «Топливные элементы могут привести к возрождению трамвая», IEEE Spectrum, сентябрь 2009 г.], система Bombardier, называемая Primove, позволяет избежать многих проблем, которые возникают у некоторых конкурирующих компаний. решения лицом.

Если этот подход к питанию трамваев приживется, возможно, следующими будут электрические автобусы с более широким диапазоном действия. Есть основания полагать, что через несколько десятилетий частные электромобили также смогут получать хотя бы часть своей энергии по беспроводной сети от соответствующим образом оборудованных дорог.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.