Устройства для передачи энергии: ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ • Большая российская энциклопедия

Для того чтобы найти подходящую беспроводную катушку для системы беспроводной передачи энергии, необходимо обратить внимание на следующие вопросы:

• Насколько высок ожидаемый максимальный ток в катушке (реактивный и номинальный ток)?
• Каковы максимально допустимые размеры корпуса устройства (длина, высота и ширина)?

Во избежание нежелательного насыщения или перегрева у катушек всегда должен быть запланирован некий запас, обычно на уровне 30% от расчетного номинального рабочего тока. Если можно использовать несколько вариантов катушек, предпочтение следует отдавать тем катушкам, которые имеют наивысшую индуктивность, поскольку в этом случае конденсатор колебательного контура может быть меньше. Кроме того, такой подход сокращает уровень реактивных токов, возникающих в колебательном контуре. Меньшие токи в контуре приводят к снижению самонагрева и улучшению свойств в части ЭМС.

Максимальный ток в колебательном контуре равен: I_max = πU_in√C/L, где U_in — напряжение на контуре.

Лучший коэффициент связи достигается тогда, когда катушки передатчика и приемника имеют одинаковые геометрические размеры, поэтому здесь рекомендуются катушки с соотношением размеров 1:1. Компоненты семейства WE-WPCC, например 760308102142 (53×53 мм), 760308100143 (∅50 мм), 760308100110 (∅50 мм), были специально разработаны для устройств высокой мощности. Эти катушки могут использоваться в качестве передатчиков и приемников. Они характеризуются весьма низкими значениями сопротивления по постоянному току R_dc, очень высокими значениями добротности Q и очень высокими токами насыщения I_R.

Конденсатор колебательного контура: особенности выбора

Поскольку в параллельном колебательном контуре, как известно из теории, циркулируют большие токи, то при выборе типа используемых в нем конденсаторов подходит далеко не любая технология. В зависимости от приложения пригодны только три типа конденсаторов: MKP (например, WEFTXX и WE-FTBP), с диэлектриком NP0 (в частности, WE-CSGP) или FKP. В связи с их низким уровнем собственных потерь данные типы конденсаторов способны выдерживать высокие переменные токи без перегрева. Однако в зависимости от мощности резонансного преобразователя, для того чтобы уменьшить нагрев, применяют разделение токов, которое достигается параллельным включением нескольких конденсаторов. Здесь следует тщательно следить за тем, чтобы ни один из конденсаторов не нагревался до температуры, превышающей 85 °C. Именно по этой причине конденсаторы с более высокими потерями (особенно следует оценивать уровень диэлектрических потерь) X7R, X5R, MKS и т. д. не подходят для колебательных контуров в резонансных преобразователях. Принимая во внимание размер корпуса, общие затраты и минимально возможный реактивный ток в резонансном контуре, необходимо выбрать максимально низкую емкость конденсатора. Предельными факторами здесь являются максимальная рабочая частота преобразователя, индуктивность катушки передатчика и приемника. Номинальное рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее πV_in плюс дополнительный запас в 20%. Также следует учитывать, что максимально допустимое среднеквадратичное напряжение переменного тока V AC_rms для конденсаторов типа MKP заметно падает на частотах выше 5 кГц.

Коэффициент потерь конденсатора в процентах определяется как:
DF = 2πf×ESR_cap×C×100%.

Индуктивности фильтра: особенности выбора

Колебательный контур с его переменным током отделяют от источника питания две катушки индуктивности (дроссели). Через них подается напряжение от источника питания постоянного тока, при этом они играют роль фильтрующих элементов. Дроссели следует выбирать исходя из максимально возможного номинального тока конкретной схемы. Здесь должен использоваться классический силовой дроссель (например, WE-HCI, WE-PD, WE-LHMI) с воздушным зазором и высокой добротностью. Его номинальная индуктивность должна быть как минимум в 5 раз выше индуктивности катушки колебательного контура. Это требуется для того, чтобы поставить в колебательный контур достаточную энергию. Если пульсация входного (для передатчика) или выходного (для приемника) напряжения все еще слишком высока, то номинальные значения индуктивности дросселя или емкость конденсатора фильтра могут быть увеличены. В качестве альтернативы, для достижения низких уровней пульсаций, можно уменьшить ESR фильтрующих компонентов. Кроме того, более эффективными здесь будут SMD-дроссели (WE-HCF или WE-HCI), преимущество которых заключается в том, что они имеют меньшие потери на больших токах (как постоянных, так и переменных). Поскольку эти дроссели должны постоянно подавать большой переменный ток в колебательный контур, их нагрев происходит из-за наличия гистерезиса и потерь из-за вихревых токов в материале сердечника. Требуемое значение индуктивности дросселя напрямую связано с емкостью фильтрующего конденсатора.

Добротность дросселя Q определяется как: Q_L = X_L/R_dk.

К вопросу выбора МОП-транзисторов

Выбор подходящего N‑канального МОП-транзистора в основном зависит от уровня напряжения питания. Если это лишь 5 В, то для надежного управления может, например, использоваться транзистор с логическими уровнями управления по затвору. Поскольку большинство мощных МОП-транзисторов имеют максимально допустимое напряжение затвор/исток ±20 В, то при использовании напряжения питания выше 20 В необходимо принять меры для защиты затвора. Это может быть, скажем, стабилитрон, включенный с затвора на общий провод, или емкостный делитель напряжения, который удержит напряжение затвора в оптимальном диапазоне. Следует также обратить внимание на то, чтобы напряжение на затворе не было слишком низким, поскольку в таком случае МОП-транзистор резонансного преобразователя может оказаться в режиме линейного усилителя, в результате чего схема перестанет функционировать.

Такой режим, когда транзистор окажется в активной области своей вольт-амперной характеристики, как правило, приводит к перегреву одного из двух МОП-транзисторов. Кроме того, необходимо соблюдать осторожность, чтобы предотвратить превышение напряжения с учетом увеличения напряжения на множитель π. Так, при напряжении питания 20 В МОП-транзисторы должны выдерживать напряжение исток/сток не менее 63 В. В этом случае следует использовать 100‑В транзисторы. Эффективность (КПД) схемы в значительной степени зависит от того, насколько высоки сопротивление канала транзисторов в открытом состоянии R_ds,on и требования по заряду затвора (имеется в виду общий заряд затвора) выбранных МОП-транзисторов. Здесь нужно найти компромисс, поскольку МОП-транзисторы с низким R_ds,on обычно имеют более высокую емкость затвора и, следовательно, требуется высокий общий заряд затвора.

Ток заряда/разряда по затвору МОП-тран-зистора: I_gate = C_gate×(∆V_gate/∆t_sw), где C_gate — емкость затвора транзистора; ∆V_gate — управляющее напряжение на затворе; ∆t_sw — длительность импульса.

При этом коммутационные потери равны: P_V = I²d×R_ds,on, где I_d — ток стока.

Диоды и схема подтяжки

Поскольку МОП-транзисторы необходимо переключать относительно быстро, то в результате появляются связанные с быстрым переключением токи на уровне ампер как следствие заряда и разряда емкости затвора. Такие зарядно-разрядные токи должны поступать через резисторы подтяжки и диоды. Возникающие при этом потери не столь уж малы. Вот почему необходимо принять меры по оптимизации максимально допустимых потерь мощности (P_V), при этом учитывать и токовую нагрузку компонентов в цепи управления затвором. Аналогично защитные диоды транзисторов должны иметь такое же максимально допустимое обратное напряжение, как и МОП-транзисторы. В качестве альтернативы классическим диодам или диодам Шоттки можно использовать диоды, которые имеются в корпусах МОП-транзисторов. В зависимости от типа они способны выдерживать большие нагрузки, сохранять свои характеристики при более высокой температуре, чем та, что обычно указана в спецификации на транзистор. Не следует недооценивать и потери обратного восстановления, их тоже следует учитывать.

Потери мощности в цепи управления затвором: P_V = (U_diode×I)+(I²×R_pull-up), где U_diode — падение напряжения на диоде; R_pull-up — номинальное сопротивление резистора подтяжки.

Входные и выходные конденсаторы в сочетании с дросселями служат в основном как элементы входного и выходного фильтров. Поскольку резонансные частоты в системе беспроводной передачи энергии находятся ниже 200 кГц, то конденсаторы должны быть рассчитаны на более высокие рабочие частоты. Проведенные испытания показали, что значения их номинальных емкостей в зависимости от конкретных решений системы и индуктивности дросселей могут принадлежать к диапазону 10–1000 мкФ. Частота среза по уровню –6 дБ такого LC-фильтра должна составлять около 1/10 от частоты колебательного контура системы. При этом ее ослабление теоретически ожидается с коэффициентом 40 дБ/декада. Принимая во внимание неидеальность реальных компонентов фильтра, на практике следует ожидать уровень затухания 30 дБ/декада. В зависимости от используемого типа дросселя на текущий через него постоянный ток может быть наложен значительный компонент переменного тока. Если этот ток слишком высок, то для работы на больших токах пульсаций вместо обычного алюминиевого электролитического конденсатора лучше использовать полимерный электролитический конденсатор, выдерживающий большие токи переменной составляющей. Полимерные и керамические конденсаторы с присущим им низким ESR также обеспечивают возможность значительного уменьшения амплитуды пульсации отраженного напряжения. Меньшая пульсация напряжения означает, что при измерении помех, влияющих на ЭМС, их уровень будет ниже. Наилучший результат достигается при использовании параллельного соединения алюминиевых электролитных конденсаторов и полимерных или керамических конденсаторов, например WCAP-PTHR или WCAP-PSLC.

Частота среза входного/выходного фильтра:

где L — индуктивность дросселя фильтра; C — емкость конденсатора или суммарная емкость всех конденсаторов фильтра.

Падение напряжения (напряжение пульсаций) на конденсаторе фильтра: U_ripple = ESR×I_AC, где ESR — эквивалентное сопротивление конденсатора или суммарное эквивалентное сопротивление всех конденсаторов фильтра; I_AC — переменная составляющая тока.

Возможные проблемы, которые необходимо учитывать при разработке резонансного преобразователя

На практике, если вы остановили свой выбор на предлагаемой топологии схемы, основа которой, несомненно, удобный для использования генератор Ройера, вам обязательно необходимо рассмотреть два момента, связанных с тем, чтобы исключить защелкивание МОП-транзисторов.

1. Требования кисточнику питания передатчика в момент включения системы беспроводной передачи мощности

Если источник питания не в состоянии обеспечить достаточный пусковой ток во время переходного процесса при включении, произойдет просадка напряжения и может случиться так, что один из двух МОП-транзисторов начнет зависать в режиме линейного усиления, а через напряжение питания постоянно закорачиваться на «землю», что способно привести к перегреву МОП-транзистора и, как следствие, к его выходу из строя. Следует также обратить внимание на то, чтобы конденсатор входного фильтра не имел чрезмерного номинала, поскольку это может еще больше усугубить эффект «защелкивания», ведь блок питания, кроме пускового тока для генератора, должен будет зарядить и этот конденсатор.

На практике подобного негативного эффекта удается избежать, подключив конденсаторы и резонансный контур к рабочему напряжению еще до остальной части схемы. Затем затворы МОП-транзисторов можно переключать с помощью оптопар или транзисторов. Затворами также управляют и через отдельный источник питающего напряжения, например уже упомянутый модуль серии MagI³C, его включение от основного источника питания выполняется с некоторой задержкой.

2. Импеданс, отраженный отстороны приемника к передатчику

С учетом больших скачков нагрузки на стороне приемника и вполне реальных внезапных изменений коэффициентов связи катушек может случиться так, что частично отраженный импеданс накоротко замыкает индуктивность намагничивания со стороны передатчика. Это, в свою очередь, приводит к срыву колебаний, а схема «защелкивается».

Коэффициент связи можно определить как:

где U_sec — напряжение на вторичной обмотке; U_pri — напряжение на первичной обмотке; N_pri — число витков первичной обмотки; N_sec — число витков вторичной обмотки; L_pri — индуктивность первичной обмотки; L_sec — индуктивность вторичной обмотки.

M — коэффициент взаимоиндукции определяется как:

Для противодействия этому негативному эффекту полезно слегка отстроить частоту резонансного контура приемника при помощи подключения дополнительного параллельного конденсатора так, чтобы резонансная частота самого контура приемника была на 10–20% выше частоты контура передатчика. Альтернативно, параллельно катушке передатчика, может быть подсоединена дополнительная индуктивность (дроссель), причем так, чтобы не возникло магнитной связи с каналом передачи энергии. Эта параллельная индуктивность должна быть равна или меньше индуктивности намагничивания катушки передатчика. Дроссель сохраняет энергию во время ZVS-процесса и помогает поддерживать колебания в случае неблагоприятных переходных процессов, связанных с изменением нагрузки.

Отраженный импеданс с параллельной компенсацией:

где f — частота; R_load — сопротивление нагрузки.

Резонансный конденсаторный приемник:

Дополнительная компенсирующая емкость приемника:

На первом этапе, еще при создании прототипа, важно насколько это возможно проверить все ситуации, связанные с изменением нагрузки, что критично для обеспечения надежной конструкции с надлежащей функциональностью.

Оптимизация окружающей среды катушек WPT

Если катушки WPT закреплены на металле, то в этом случае могут возникать индуктивные потери из-за индуцированных вихревых токов, вызванных магнитным полем рассеяния. Кроме того, металл, например медь на печатных платах, способен нагреваться. Мощные магнитные поля рассеяния также могут оказывать непреднамеренное влияние на электронные компоненты схемы. Этот эффект будет увеличиваться при разносе катушек WPT.

Меры предупреждения предполагают максимальное удаление излучающей катушки от элементов печатной платы и металлических частей от катушек, а также использование гибких ферритовых материалов с высокой магнитной проницаемостью, таких как WE-FSFS [4] (код заказа 374006), что позволит сфокусировать магнитный поток в заданном направлении и не превращать его в ненужное тепло. Для рассматриваемого материала на рис. 4 приведены графики поведения действительной и реактивной составляющих относительной магнитной проницаемости.

Рис. 4. Внешний вид и зависимость относительной магнитной проницаемости гибкого ферритового материала типа WE-FSFS

Здесь µ’ — это действительная часть, µ” — реактивная, или мнимая, часть, описывающая зависящие от частоты потери либо, как их называют, потери на гистерезис. Данные потери приводят к разогреву материала и ухудшению его магнитных свойств, более подробно об этом написано в [5].

Пример решения

Примеры решений, которые рассматривались в рамках настоящей статьи, приведены в [1]. На рис. 5 дан пример обратимой схемы, которая может использоваться как передатчик и приемник для беспроводных систем передачи энергии мощностью 100 Вт. (Внимание! В схеме присутствуют напряжения, опасные для прикосновения.)

Рис. 5. Резонансный преобразователь для катушек со средним отводом, который можно использовать на стороне передатчика и на стороне приемника. Изображение взято из [1]

Преимущество схемы, предлагаемой на рис. 5, состоит в том, что здесь требуется только одна катушка фильтра. Центральный отвод увеличивает частоту колебаний в два раза, а уровень пульсаций входного/выходного напряжения становится меньше. Это позволяет использовать менее габаритные дроссели в фильтрах. Кроме того, благодаря наличию двух перекрывающихся катушек снижаются требования по точности сопряжения катушек передающей и приемной стороны. Дополнительное напряжение 8–10 В можно получить из основного рабочего напряжения посредством маломощного линейного стабилизатора или стабилизатора компании Würth Elektronik (код заказа: 171012401). Транзисторы M3 и M4, выполняющие роль диодов, могут быть заменены быстрыми 1‑А диодами Шоттки с номинальным обратным напряжением 100 В.

Если для запитки подтягивающих резисторов применить более низкое напряжение от вспомогательного источника, то удается сократить потери мощности. В качестве конденсаторов C5 и C6 могут быть использованы конденсаторы номинальной емкостью 1 нФ, рассчитанные на рабочее напряжение 50 В, с ТКЕ NP0. Они необходимы для формирования крутых фронтов при переключении транзисторов М1 и М2. Конструктивное исполнение данной схемы приведено на рис. 6.

Рис. 6. Пример конструкции передатчика/приемника, схема которого приведена на рис. 5, с катушками 760308104119, выполненными на одном основании

Заключение

Предложенный вниманию читателей резонансный преобразователь представляет собой очень гибкое решение, которое легко адаптируется к условиям работы самых разнообразных приложений. Он может обеспечить наиболее эффективную беспроводную передачу энергии до нескольких сотен ватт. Если для конкретного приложения необходимо ужесточить требования по безопасности (в частности, отсутствие электрической искры при включении/выключении, обнаружение состояния передачи энергии, например при заряде аккумуляторной батареи и т. д.), то предпочтительным окажется именно представленный вариант. Предложенное в настоящей статье схемотехническое решение может стать основой и легко адаптироваться к специфике проектируемого оборудования. Вместо топологии резонансного преобразователя основой может служить и классическая мостовая схема с активным регулированием. В любом случае измерения на соответствие требованиям стандартов по ЭМС должны выполняться уже на первых прототипах и на самой ранней стадии разработки.

Высокая эффективность, малые габариты и выполнение требований стандартов в части ЭМС в большей степени зависят от схемы генератора, чем от катушек передатчика и приемника. Помимо широкого ассортимента самой разнообразной продукции, компания Würth Elektronik предлагает удобные в применении, полностью собранные катушки с наивысшими значениями добротности Q, которые благодаря высоким значениям индуктивности позволяют использовать малогабаритные конденсаторы.

На катушки намотан высокочастотный специальный многожильный провод, каждая жила которого покрыта изолирующим лаком — литцендратом (от нем. Litzen — пряди, и Draht — провод). Этот провод создан именно для изготовления высокодобротных катушек индуктивности. Данное конструктивное решение позволяет катушкам компании Würth Elektronik работать на большой мощности с низкими потерями на токах частоты преобразования. В сочетании с высококачественными ферритовыми материалами, имеющими высокую магнитную проницаемость, обеспечивается не только максимальная эффективность, но и наилучшие показатели электромагнитной совместимости уже как свойство конечного продукта.

В двух частях настоящей статьи показаны принцип и общее решение устройств беспроводной передачи энергии большой мощности, работающих в условиях индустриальной среды, представлены варианты возможных технических решений, даны рекомендации, приведено перспективное практическое решение. Далее будут рассмотрены аспекты, связанные с электромагнитными помехами (ЭМП), и вытекающие из этого вопросы соответствия представленных устройств требованиям по электромагнитной совместимости. Данная публикация, несомненно, окажется полезной разработчикам систем беспроводной передачи энергии, причем не только однонаправленных, типа зарядных устройств, но и двунаправленных, когда приемник и передатчик энергии могут меняться местами.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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).

Создана технология беспроводной передачи энергии на большие расстояния

Новости

5 августа 2020, 10:50

Создана технология беспроводной передачи энергии на большие расстояния

Первую в мире функциональную систему беспроводной передачи энергии на большие расстояния разработали в Новой Зеландии. Уже сейчас прототип способен работать в любых погодных условиях, направляя энергию между двумя антеннами, разделенными расстоянием в несколько километров. Полевые испытания технологии, повторяющей эксперименты Николы Теслы, начнутся осенью.

Мечта о беспроводной передаче энергии далеко не нова — еще Никола Тесла когда-то доказал, что можно зажигать лампочки с помощь катушки, находящейся в паре километров от них. Правда, при этом он сжег динамо-машину на местной электростанции и погрузил весь Колорадо-Спрингс во тьму. Тесла мечтал построить повсюду вышки, которые обеспечивали бы всех беспроводной энергией. Но инвестор Джон П. Морган зарубил идею на корню одним вопросом: «А куда прикажете поставить счетчик?»

Прошло 120 лет и вот новозеландская компания Emrod убедила второго по величине поставщика энергии в стране концерн Powerco дать беспроводному электричеству шанс. Powerco поверила в технологию передачи энергии и вложила средства в Emrod.

Система состоит из передающей антенны, наборов реле и принимающей ректенны (антенны со встроенным выпрямителем, преобразующем микроволновую энергию в электричество). Для передачи используется безопасный радиодиапазон ISM, зарезервированный для промышленных, научных и медицинских целей.

В отличие от мечты Теслы, энергия передается напрямую между двумя антеннами, а лазерная система безопасности, защищающая периметр луча, тут же отключает его, если периметр пересекает птица, дрон или вертолет. Проблем с размещением счетчиков тоже быть не должно.

Система работает при любых погодных условиях — дождь, туман или пыль ей не помеха. Дистанция передачи ограничена только прямой видимостью, то есть в потенциале может быть сотни километров, а установка и эксплуатация не требуют серьезных вложений.

Пока у инженеров Emrod есть только работающий прототип, но к октябрю они планируют завершить создание устройства для инвестора и начать полевые испытания. Первые устройства будут работать с мощностью в несколько киловатт. Прототип способен передавать энергию на несколько километров, но его легко можно масштабировать. «Мы можем использовать точно такую же технологию для передачи в 100 раз больше энергии на много большее расстояние», — пообещал основатель Emrod Грег Кушнир.

Если полевые испытания технологии пройдут успешно, она сможет преобразить энергосети по всему миру. «Мы планируем использовать эту технологию для доставки электричества в отдаленные места или через районы с труднопроходимой местностью. Она также может быть использована для сохранения энергоподачи клиентам в случаях, когда мы проводим техническое обслуживание нашей существующей инфраструктуры», — рассказал о планах инженер по трансформации сети Powerco Николас Вессио.

Беспроводная передача энергии может стать ключевой технологией и для возобновляемой энергетики, которая, как правило, генерирует энергию далеко не там, где она необходима. А мощность существующих энергосетей не позволяет перебрасывать большие объемы такой энергии достаточно далеко от места генерации. Из-за этого, например, Германия, теряет часть оффшорной выработки ветропарков, так как в пиках не может перенаправить ее с севера в южные земли — не хватает ресурсов энергосети.

Ранее ЭлектроВести писали, что одной из миссий выведенного на орбиту беспилотного космоплана ВВС США X-37B будет проверка идеи физика Джерарда О’Нила о возможности передачи концентрированной солнечной энергии из космоса на Землю. Эксперимент может сыграть революционную роль в будущем всей энергетики, если окажется, что такая передача возможна и она эффективна. Добывать энергию Солнца в космосе проще, чем на Земле, и возможность ее «приземления» откроет гигантские перспективы перед новым видом ВИЭ.

Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber

Прощайте, провода! |

Будущее без проводов становится реальностью. В июне 2007 г. группа ученых под руководством профессора Марина Солячича из Массачусетского института (MIT) провела эксперимент по беспроводной передачи электрической энергии с эффективностью 45%. Ученые обещают: очень скоро для зарядки мобильных телефонов, плееров, ноутбуков и прочих переносных устройств, нуждающихся в постоянной подпитке электроэнергией, не нужно будет никаких проводов.

О том, что хорошо бы было подпитывать всевозможные приборы электроэнергией без путающихся под ногами проводов, ученые задумываются уже очень давно. Как минимум 100 лет. Именно столько времени прошло с того момента, когда данной проблемой заинтересовался гениальный американский ученый и изобретатель Никола Тесла.

ДОРОГА В БУДУЩЕЕ

          Сведений о работах Теслы в сфере беспроводной передачи энергии сохранилось очень мало. По отрывочным сведениям, дошедшим до нас, ему действительно удалось добиться в этой области выдающихся результатов.В 1899 г. в Колорадо-Спрингс он публично продемонстрировал лампы и двигатели, работающие на высокочастотном токе без проводов. Для фантастического эксперимента была построена башня высотой несколько десятков метров, которую венчала “луковка” разрядника – большая медная полусфера. При включении установки возникли искровые разряды длиной до 40 м, сопровождавшиеся громовыми раскатами, которые были слышны за 15 миль. Вокруг башни пылал огромный световой шар. За 25 миль от нее под аплодисменты наблюдателей разом загорелись 200 электрических лампочек. Электрический заряд был передан без всяких проводов!

Опыт в Колорадо-Спрингс весьма сильно впечатлил Джона Пирпонта Моргана, одного из самых богатых людей Америки. По его приглашению Тесла переехал в Нью-Йорк для работы над грандиозным проектом Wardenclyffe – созданием Всемирного центра беспроводной передачи энергии. На Лонг-Айленде строится башня высотой 57 м со стальной шахтой, углубленной в землю на 36 м. Верх башни венчает 55-тонный металлический купол диаметром 20 м. Пробный пуск невиданного сооружения состоялся в 1905 году и произвел потрясающий эффект. Как писали газеты, «Тесла зажег небо над океаном на тысячи миль».

Дальше – больше. Согласно одной из “экзотических” версий, тунгусские события 1908 года были вызваны испытанием энергетического оружия, совершенно случайно созданного Николой Теслой. И действительно, в 1907-1908 гг. Тесла уже писал о разрушительном воздействии своего передатчика энергии. В 1915 г. он прямо заявлял: «Безусловна практическая передача электрической энергии без проводов и производство разрушительного воздействия на расстоянии. Я уже конструировал беспроволочный передатчик, который делает это возможным. Опыты продвинулись так далеко, что воздействия большой разрушительной силы могут быть произведены в любую точку на земном шаре, определенную заранее, с большой точностью».

Очевидно, сам Тесла считал проблему беспроводной передачи энергии решенной. В мае 1917 г., выступая на заседании Американского института инженеров-электриков по случаю получения награды имени Томаса Эдисона, он сказал: «Что касается передачи энергии через пространство, это проект, который я давно считаю абсолютно успешным. Годы назад я мог передавать энергию без проводов на любое расстояние без ограничений, которые накладывались физическими размерами Земли. Эффективность передачи может составлять 96 или 97%, и практически нет потерь, кроме тех, которые неизбежны для работы машины».

Однако как он это делал, остается загадкой. Никаких записей об уникальных экспериментах не сохранялось. После смерти Николы Теслы повторить их не удалось. О передаче энергии без проводов просто забыли на долгие-долгие годы.

НОВЫЕ СТАРЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.

Для профессора Марина Солячича все началось с мобильного телефона, а точнее, с его неисправной батареи, постоянно нуждавшейся в подзарядке. Именно эта надоевшая проблема заставила ученого подумать о способе передачи электроэнергии без проводов. «Раньше просто не было необходимой мотивации, – охотно делится ученый. – Это только в последние годы появилась масса всевозможных портативных устройств, получающих питание от батарей и часто нуждающихся в подзарядке». Тут-то профессору Солячину и пришло в голову, что выходом может стать беспроводная передача электроэнергии.

В принципе идея эта не нова. Однако до сих пор все попытки передать электроэнергию на расстояние, без какого бы то ни было носителя, проваливались из-за низкого КПД. Большая часть передаваемой электроэнергии просто рассеивалась в окружающей среде, до конечного потребителя доходили жалкие крохи. Правда, предпринимались попытки передачи электроэнергии при помощи направленного лазерного луча. Однако в этом случае между источником энергии и приемником не должно было быть никаких физических препятствий, что, понятно, не всегда осуществимо. Профессору Солячичу удалось справиться с проблемой рассеивания электроэнергии. В основе разработанной им технологии WiTricity лежит явление электромагнитного резонанса. По мысли Солячича, для эффективной передачи энергии на расстояние необходимо заставить передатчик и приемник резонировать с одинаковой частотой.

Теоретические выкладки профессора, которые были опубликованы ещё в прошлом году, блестяще реализовали инженеры из Массачусетского технологического института (MIT). В ходе эксперимента, проведенного в июне 2007 г., им удалось заставить светиться 60-ваттную лампу накаливания, находящуюся на расстоянии более 2 м от источника энергии.

Экспериментальное устройство состояло из двух медных катушек диаметром 60 см, передатчика, подключенного к источнику энергии, и приемник с подсоединенной к нему лампой накаливания. Контуры приемника и передатчика были настроены на частоту 10 МГц. В результате воздействия электромагнитного излучения передатчика на приемник в контуре последнего возникал электрический ток, и лампа начинала светиться. Она продолжала гореть, даже когда между катушками находились деревянные или металлические предметы, а также электронные устройства. И хотя потери энергии все еще велики, приемник получает только 40-45% электроэнергии, результаты впечатляют.

Сам Марин Солячич утверждает, что технология не представляет опасности ни для людей, ни для животных. Воздействие такого «зарядника» не влияет на работоспособность кредитных карт, мобильных телефонов и других электронных устройств, чувствительных к электромагнитному полю. Профессор Солячич надеется, что в самом ближайшем будущем технология WiTricity получит самое широкое распространение, а, значит, всевозможные портативные устройства можно будет подзаряжать автоматически, без подключения к сети.

Впрочем, прежде профессору Солячичу и его коллегам из MIT предстоит существенно доработать свое изобретение. Повысить коэффициент эффективности передачи, чтобы большая часть энергии доходила до приемника. Уменьшить размеры прототипа и увеличить расстояние, на которое передается электроэнергия. В ближайшем будущем группа из MIT планирует перевести эксперимент в практическую плоскость – «запитать» от своей системы ноутбук или робот-пылесос.

Впрочем, надо сказать, что профессор Солячич не одинок. Над беспроводной технологией передачи электроэнергии работают и другие изобретатели. Так, Кит Крессин, вице-президент по маркетингу американской компании Powercast, заявил, что устройства, использующие беспроводную передачу энергии, могут появиться уже в следующем году. Разработанная в компании технология передачи энергии по радиоволнам уже прошла сертификацию. В отличие от конкурентных разработок она значительно эффективнее – способна передавать до 70% вырабатываемой энергии (традиционные системы радиопередачи энергии транслируют лишь 10%). К тому же технология позволит многим устройствам обходиться вообще без аккумуляторов, «запитываясь» непосредственно от передатчика.

Другая Энергия

        Максимум через 25 лет на Земле закончатся нефть и газ, и человечество столкнется с глобальным энергетическим кризисом. Пути выхода из него до конца неясны. Впрочем, директор Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства, академик РАСХН, доктор технических наук Дмитрий Стребков смотрит в будущее с оптимизмом. По его мнению, спасение придет откуда не ждали. Надо только хорошенько покопаться в архивах, вспомнить, чем же занимались ученые сто лет тому назад, и сделать ставку на… электричество.

(Интервью брала корреспондент журнала “Мир новостей” Наталия Калинина)

            – Дмитрий Семенович, чтобы обеспечить устойчивое развитие в будущем, человечеству необходимы новые энергетические технологии. Какими, по вашему мнению, они будут?

           – Эпоха дешевой энергии закончилась. Новые энергетические технологии не будут использовать ископаемое топливо, будущее – за солнечной энергией. Глобальная энергетическая система, состоящая из трех солнечных электростанций в Австралии, Африке и Северной Америке, сможет в течение миллионов лет круглосуточно обеспечивать электроэнергией, водородным топливом и теплом все районы Земли. Электростанции же, работающие на ископаемом топливе, можно будет смело переводить в разряд резервных. Уже сейчас максимальный КПД солнечных элементов, разрабатываемых в лабораториях, равен 40%, а практический срок их службы составляет 50 лет. Есть, правда, “маленькая” сложность. Для функционирования глобальной солнечной энергосистемы необходимо организовать трансконтинентальные тераваттные потоки электрической энергии к потребителю. Только в этом случае человечество сможет объединить и сконцентрировать свои энергетические ресурсы и технологии для создания достойных условий жизни для каждого конкретного человека, а также для реализации крупных научно-технических проектов на Земле и в космосе.

– В июне 2007 г. Ваши коллеги из Массачусетского технологического института (США) апробировали технологию WiTricity, сделавшую передачу энергии без проводов реальностью. Возможно, именно она будет положена в основу глобальной энергетической системы?

– Не думаю. Во-первых, у данной системы очень низкий КПД (40-45%). Во-вторых, она просто небезопасна для здоровья человека. Американцы передают электроэнергию на частоте 10 МГц, что “соответствует СВЧ-полям. Вам хочется, чтобы ваша комната превратилась в СВЧ-печь? Пионер беспроводной передачи энергии Никола Тесла, к слову сказать, умел передавать электроэнергию на частоте 1-200 кГц и с гораздо лучшими результатами (потери составляли всего 3-4%). Он вообще был гениальным ученым, предвидевшим направления, в которых будут развиваться электротехника и энергетика на сотни лет вперед. Достаточно сказать, что Никола Тесла удалось получить напряжение в 50 млн вольт простыми аппаратными средствами. Еще в начале XX в. он передавал электрическую энергию на десятки километров, используя в качестве проводящей среды Землю. Именно он изобрел асинхронный электродвигатель, многофазный ток и многое другое. Однако гениальность Теслы сыграла с его современниками дурную шутку. Большинство просто не понимало, что же написано в его трудах. К счастью, наука не стоит на месте. В настоящее время мы практически в полном объеме можем воспроизвести эксперименты Теслы по передаче энергии на большие расстояния с использованием однопроводниковых линий и проводящих сред, развить и усовершенствовать предложенную им резонансную технологию.

– И все-таки, согласитесь, есть здесь нечто странное. Патент на аппарат для передачи электроэнергии беспроводным методом был получен Николой Теслой ещё в 1914 г. Даже не понимая принципа его действия, можно было попытаться внедрить его в реальную жизнь?

– Проект Wardenclyffe, в котором Никола Тесла работал до конца своих дней, изначально задумывался как коммерческий. Предполагалось, что в Нью-Йорке будет создан всемирный центр беспроводной передачи энергии. Однако все работы в этом направлении были очень быстро свернуты, когда стало понятно, какую опасность представляют генераторы Теслы. Я даже не говорю об энергетическом оружии, которое он якобы создал, это неподтвержденные слухи. Но во время его экспериментов у людей светились волосы, у лошадей выскакивали искры из-под копыт, в ближайшей электростанции сгорели генераторы. Все потому, что Никола Тесла использовал в качестве однопроводниковой линии Землю. Подобный способ передачи электроэнергии оказался совершенно неприемлем из экологических соображении.

– Реально ли в таком случае создать безопасную технологию беспроводной передачи энергии на большие расстояния с такими же минимальными потерями, как у Николы Теслы?

– Более чем реально, но с использованием других технологий. Так, в нашем институте разработана совершенно безопасная резонансная технология передачи электрической энергии – по подземным электроизолированным однопроводниковым кабельным линиям. По ним можно передавать гигаваттные и тераваттные потоки электрической энергии с потерями на уровне 3-4%. Однопроводниковые резонансные системы открывают возможности для создания сверхдальних кабельных линий электропередачи и в перспективе замены существующих воздушных линий кабельными однопроводниковыми. Тем самым будет решена одна из важнейших проблем электроэнергетики – повышение надежности электроснабжения. Ещё раз хочу подчеркнуть, что все это стало возможным за счет использования старой электротехники, которая неизвестна современному поколению ученых, и забытых изобретений Николы Теслы. Проще говоря, используется другое электричество, которого нет в наших электрических розетках. Это стационарные волны, резонансные режимы, сдвиг фаз между волнами тока и напряжения 90°, законы электростатической индукции (а не электромагнитной индукции), однопроводниковые линии, повышенная частота 1-20 кГц (а не 50 Гц) и т.д.

– Из ваших слов явствует, что Никола Тесла определил развитие электроэнергетики на сотни лет вперед. Каким видится ее будущее современным ученым?

           – Развитие электроэнергетики, на мой взгляд, связано с развитием резонансных волноводных методов передачи электрической энергии. Уже в XXI в. воздушные линии электропередачи будут заменены подземными волноводными системами. Бесконтактный высокочастотный электрический транспорт будет получать электрическую энергию от однопроводниковой резонансной линии, установленной в дорожном покрытии. На сельскохозяйственных плантациях будут работать электрические машины-роботы с активными рабочими органами. Будет создана глобальная солнечная энергетическая система, производящая электроэнергию, водородное топливо и тепло для каждого человека на Земле. Жидкое топливо и газ будут вырабатываться из биомассы энергетических плантаций. Космические корабли будут стартовать с Земли на электрических ракетных двигателях, имея соотношение массы полезного груза к стартовой массе на уровне 80-90% вместо сегодняшних 5%. Резонансные методы будут использоваться для лечения человека и животных, уничтожения сорняков (вместо пестицидов), обеззараживания питьевой воды и отходов, создания новых особо чистых материалов, в первую очередь солнечного кремния. Надеюсь, будут возможными электроснабжение летательных аппаратов в космическом пространстве и передача электрической энергии на мобильные объекты на Земле безопасными беспроводными методами.

4 типа передачи энергии — механическая, электрическая, гидравлическая и пневматическая (за и против)

Метод передачи — это инженерный метод, который соответствует силовой машине и рабочей части машины с точки зрения конфигурации энергии, скорости движения и движения форма.

Из четырех основных типов трансмиссий (механических, электрических, гидравлических и пневматических), которые используются в настоящее время, ни одна из трансмиссий не идеальна.

Сегодня я поделюсь с вами преимуществами и недостатками четырех методов передачи.

Механическая трансмиссия

01 Зубчатая передача

Зубчатая трансмиссия является наиболее широко используемой формой трансмиссии в механических трансмиссиях.

Его трансмиссия более точная, высокая эффективность, компактная конструкция, надежная работа и длительный срок службы.

Зубчатые передачи можно разделить на множество различных типов в соответствии с различными стандартами.

Плюсы ：

• Компактная конструкция, подходит для передачи на короткие расстояния;
• Широкий диапазон применимых периферийных скоростей и мощностей;
• Передаточное число точное, стабильное и эффективное;
• Высокая надежность и долгий срок службы;
• Он может реализовать передачу между параллельной осью, пересекающейся осью под любым углом и смещенной осью под любым углом.

Минусы ：

• Высокая точность изготовления и монтажа и высокая стоимость;
• Не подходит для передачи между двумя осями на большое расстояние;
• Без защиты от перегрузки.

02 Turbo Vortex Drive

Подходит для движения и мощности между двумя осями с вертикальными и непересекающимися пространствами.

Плюсы ：

• Большое передаточное число;
• Конструкция компактная.

Минусы ：

• Большая осевая сила
• Легко нагревается
• Низкая эффективность
• Только односторонняя передача.

Основными параметрами турбинного привода являются:

• Модуль упругости
• Угол давления
• Индексный круг червячной передачи
• Делительный круг червяка
• Ход шага
• Номер червячной передачи
• Количество червячных головок
• Передаточное число

03 Ременная передача

Ременная передача — это механическая передача, в которой используется гибкий ремень, натянутый на шкив для передачи движения или мощности.

Ременный привод обычно состоит из ведущего колеса, ведомого колеса и бесконечного ремня, натянутого на два колеса.

1) Для случая, когда направление параллельного вращения двух осей одинаково, это называется концепцией открывающего движения, межосевого расстояния и угла охвата.

2) Тип ремня можно разделить на три категории в зависимости от формы поперечного сечения: плоский ремень, клиновой ремень и специальный ремень.

3) В центре внимания приложения:

• расчет передаточного числа;
• расчет напряжения ремня;
• Допустимая мощность одинарного клинового ремня.

Плюсы и минусы ременного привода ：

Плюсы:

• Применимый к трансмиссии с большим межосевым расстоянием между двумя валами, ремень обладает хорошей гибкостью, может смягчать удары и поглощать вибрацию;
• Скольжение при перегрузке для предотвращения повреждения других деталей;
• Простая конструкция и невысокая стоимость.

Минусы:

• Внешние размеры трансмиссии большие;
• Требуется натяжное устройство;
• Из-за проскальзывания фиксированное передаточное число не может быть гарантировано;
• Ремень имеет короткий срок службы;
• КПД трансмиссии низкий.

04 Цепной привод

Цепной привод — это метод передачи, при котором движение и мощность ведущей звездочки, имеющей особую форму зуба, передаются через цепь на ведомую звездочку, имеющую особую форму зуба.

В том числе:

• активная цепь
• ведомая цепь
• круговая цепь

Плюсы:

Цепные приводы имеют много преимуществ по сравнению с ременными приводами,

• Явление неэластичного скольжения и скольжения, точное среднее передаточное число, надежность работоспособность и высокий КПД;
• Мощность передачи велика, устойчивость к перегрузкам высока, а размер передачи при тех же рабочих условиях невелик;
• Требуемое натяжение небольшое, а давление, действующее на вал, небольшое;
• Он может работать в суровых условиях окружающей среды, таких как высокие температуры, влажность, пыль и загрязнения.

По сравнению с зубчатой ​​передачей, цепной привод имеет следующие характеристики:

• Низкие требования к производству и установке;
• Когда межосевое расстояние велико, структура передачи проста;
• Мгновенная скорость цепи и мгновенное передаточное число непостоянны, и передача менее стабильна.

Минусы:

Основными недостатками цепного привода являются:

• Может использоваться только для передачи между двумя параллельными валами
• Высокая стоимость
• Легко изнашивается, легко растягивается, плохая устойчивость трансмиссии
• Дополнительная динамика во время работы возникают нагрузки, вибрация, удары и шум.
• Не следует использовать в быстром реверсивном приводе.

05 Колесная передача

Трансмиссия, состоящая более чем из двух шестерен, называется колесной передачей.

В зависимости от наличия движения оси в колесной передаче зубчатую передачу можно разделить на обычную зубчатую передачу и планетарную зубчатую передачу.

Зубчатая передача, имеющая осевое движение в колесной передаче, называется планетарной передачей.

1) Колесный поезд делится на два типа: поезд с фиксированной осью и планетарный поезд.

2) Отношение угловой скорости (или скорости вращения) входного вала к выходному валу в цепи называется передаточным числом передачи.Он равен отношению произведения количества зубьев всех ведомых шестерен в каждой паре зацепляющих шестерен на количество зубьев всех ведущих шестерен.

3) В планетарной зубчатой ​​передаче шестерня, положение оси которой изменяется, то есть шестерня, которая одновременно вращается и вращается, называется планетарной передачей, а шестерня с фиксированным осевым положением называется центральным колесом или солнечная шестерня.

4) Передаточное число планетарной зубчатой ​​передачи не может быть непосредственно рассчитано методом решения фиксированного передаточного числа осевой передачи.Метод относительного движения (или метод инверсии) должен использоваться для преобразования планетарной зубчатой ​​передачи в гипотетическую неподвижную ось с использованием принципа относительного движения.

Характеристики колесной передачи:

• Подходит для передачи между двумя осями, которые находятся далеко друг от друга;
• Может использоваться как трансмиссия для трансмиссии с регулируемой скоростью;
• Можно получить большее передаточное число;
• Добейтесь синтеза и разложения движения.

Электропривод

Электроприводом называют использование электродвигателей для преобразования электрической энергии в механическую, для привода различных типов производственного оборудования, транспортных средств и предметов, которые необходимо перемещать в жизни.

Высокая точность: Серводвигатель используется в качестве источника энергии, а шариковый винт и зубчатый ремень состоят из простого и эффективного передаточного механизма. Погрешность повторяемости 0,01%. Листогибочный пресс использует этот метод передачи.

Энергосбережение: Энергия, выделяемая в фазе замедления рабочего цикла, может быть преобразована в электрическую энергию для повторного использования, что снижает эксплуатационные расходы, а подключенное электрическое оборудование составляет только 25% силового оборудования, необходимого для гидравлического привода. .

Точное управление: Точное управление в соответствии с заданными параметрами при поддержке высокоточных датчиков, измерительных устройств, компьютерных технологий может значительно превзойти точность управления, которую можно достичь другими методами управления.

Охрана окружающей среды: Благодаря сокращению энергопотребления и оптимизации производительности уменьшается источник загрязнения и снижается шум, что обеспечивает лучшую гарантию защиты окружающей среды на предприятии.

Снижение шума: Уровень рабочего шума составляет менее 70 децибел, что составляет примерно 2/3 от уровня шума литьевой машины с гидравлическим приводом.

Экономия: стоимость гидравлического масла и проблемы устранены. Нет жесткой или мягкой трубы, нет необходимости охлаждать гидравлическое масло, а стоимость охлаждающей воды значительно снижается.

Пневматическая трансмиссия использует сжатый газ в качестве рабочего тела, а гидравлическая передача энергии или информации посредством давления газа.

Плюсы:

• С воздухом в качестве рабочего тела, рабочее тело относительно легко получить, а отработанный воздух сбрасывается в атмосферу, с чем удобно обращаться, и нет необходимости предоставлять рекуперированный топливный бак и трубопровод по сравнению с гидропередачей.
• Поскольку вязкость воздуха очень мала (около одной десятитысячной вязкости гидравлического масла), его потери также невелики, поэтому удобно сосредоточить поставки газа и транспортировку на большие расстояния.Внешние утечки не загрязняют окружающую среду так сильно, как гидравлические приводы.
• По сравнению с гидравлической трансмиссией, пневматическая трансмиссия отличается быстрым действием, быстрым откликом, простым обслуживанием, чистой рабочей средой и отсутствием ее ухудшения.
• Рабочая среда обладает хорошей адаптируемостью, особенно в суровых рабочих условиях, таких как легковоспламеняющиеся, взрывоопасные, пыльные, сильные магнитные поля, излучение, вибрация и т. Д., Что превосходит гидравлическое, электронное и электрическое управление.
• Низкая стоимость, автоматическая защита от перегрузки.

Минусы:

• Из-за сжимаемости воздуха рабочая скорость менее стабильна. Однако использование устройства газожидкостной связи дает удовлетворительные результаты.
• Из-за низкого рабочего давления (обычно 0,31 МПа) и из-за того, что размер конструкции не должен быть слишком большим, общая выходная сила не должна превышать 10 ~ 40 кН.
• Шум большой, а глушитель добавлен на время высокоскоростного выхлопа.
• Скорость передачи газового сигнала в пневматическом устройстве ниже, чем скорость электронов и света в пределах скорости звука. Следовательно, пневматическая система управления не должна использоваться в сложных схемах со слишком большим количеством компонентных ступеней.

Гидравлическая трансмиссия

Гидравлическая трансмиссия — это метод трансмиссии, в котором жидкость используется в качестве рабочего тела для передачи энергии и управления.

Плюсы:

• Со структурной точки зрения выходная мощность на единицу веса и выходная мощность на единицу размера сжимаются под действием силы в четырех типах режимов передачи и имеют большое отношение момента инерции.Объем гидравлической трансмиссии невелик при передаче одинаковой мощности. Легкий вес, низкая инерция, компактная конструкция и гибкая компоновка.
• С точки зрения производительности, скорость, крутящий момент, мощность можно плавно регулировать, быстрая реакция, быстрая коммутация и переключение, широкий диапазон скоростей, диапазон скоростей от 100: 1 до 2000: 1; быстрое действие, управление и регулировка относительно просты, работа удобна и трудозатратна, а также удобно взаимодействовать с электрическим управлением и соединением с центральным процессором (компьютером) для облегчения автоматизации.
• С точки зрения использования и обслуживания компоненты обладают хорошими самосмазывающимися свойствами, легко достигаются защиты от перегрузки и поддержания давления, безопасны и надежны; компоненты легко добиться сериализации, стандартизации и обобщения.
• Все оборудование с гидравлической технологией безопасно и надежно.
• Экономия: пластичность и вариативность гидравлической технологии очень сильны, что может повысить гибкость гибкого производства, а также легко изменить и отрегулировать производственный процесс.Гидравлические компоненты относительно недороги в производстве и обладают относительно высокой адаптируемостью.
• Простое сочетание гидравлической технологии с новыми технологиями, такими как микрокомпьютерное управление, составляет интеграцию «машина-электрическая-гидравлическая-световая», которая стала тенденцией мирового развития и легко реализуется оцифровкой.

У всего есть две стороны, есть достоинства и недостатки. Гидравлические приводы не исключение:

Минусы:

• Гидравлическая трансмиссия неизбежно протекает из-за относительной подвижной поверхности, а масло не является абсолютно несжимаемым.Кроме того, гидравлическая трансмиссия не может получить строгое передаточное отношение и, следовательно, не может использоваться в цепи трансмиссии станков, таких как резьбовые шестерни.
• Имеются потери, такие как общие потери, локальные потери и утечки во время потока масла, а эффективность передачи низкая, что не подходит для передачи на большие расстояния.
• В условиях высоких и низких температур гидравлическая трансмиссия испытывает определенные трудности.
• Чтобы предотвратить утечку масла и удовлетворить определенные требования к производительности, гидравлические компоненты производятся с высокими требованиями к точности, что создает определенные трудности при использовании и техническом обслуживании.
• Трудно проверить наличие неисправностей, особенно для агрегатов, где гидравлическая техника не пользуется популярностью. Это противоречие часто препятствует дальнейшему продвижению и применению гидравлической техники. Техническое обслуживание гидравлического оборудования требует определенного опыта, а обучение специалистов-гидротехников требует более длительного периода времени.