Беспроводная передача электричества

Содержание

Почему мы не используем технологию Теслы беспроводной передачи электроэнергии?

Во-первых, мы должны взглянуть на патентную модель Теслы. Сам Тесла утверждал, что эта технология не имеет никакого отношения к радио. Готовясь к посещению ведомства, Тесла установил в своей лаборатории пару маленьких трансформаторов, а затем соединил высоковольтные выводы вместе, используя … флуоресцентную трубку! Длинная стеклянная трубка была откачана почти до вакуума, и образовывала плазму при включении одного трансформатора. Второй трансформатор понижал напряжение, чтобы на нем могли работать обычные вещи, типа освещения и двигателей.

Другими словами, он использовал неоновую вывеску в качестве линии электропередачи. Нет проводов. Просто стеклянная трубка, полная плазмы.

Это было его великое изобретение. Это была модель, которую руководитель Патентного Бюро Америки пришел осмотреть в лаборатории Теслы в Нью-Йорке. Устройство, которое убедило его позволить Тесле продвинуть патент на беспроводную передачу электроэнергии.

Итак, как сказал Тесла, это никак не связано с радио. Закон обратных квадратов не ограничивает его, и даже не применяется к технологии вообще. Но его проблемы были намного сложнее! Тесла предлагал использовать ультра-высокое напряжение для создания вертикального плазменного столба, который соединяется с… САМИМ НЕБОМ, МУА-ХА-ХА!

Нет, серьезно.

Плазма является проводником, и Тесла планировал ионизировать небо (если оно еще не было ионизировано, и оказалось, что оно уже само по себе ионизировано). Тесла, очевидно, планировал создать вертикальный проводящий плазменный поток, столб, который будет действовать как огромный кабель, чтобы соединить гигантскую катушку Тесла с проводящей ионосферой высоко в небе. Затем он будет питать ионосферу мегавольтами переменного тока 5-10 кГц. И тогда в любой точке Земли люди могли поднять металлическую пластину на деревянном столбе, подключить ее к заземленному резонансному трансформатору и привести в действие электрические часы и, возможно, несколько лампочек. (Я имею в виду люминесцентные лампы. Не те расточительные, неэффективные лампы накаливания из угольной электростанции Эдисона.)

Так почему же никто не сделал этого после того, как Тесла перестал получать финансирование? Кто-то пытался, еще в 1920 году. Вот их предложение, найденное в журнале Electrical Experimenter. Оказалось, не работает. Ультрафиолетовые прожекторы не могут образовывать достаточно длинные ионизированные потоки:

Сравните вышесказанное с рекламным искусством Теслы с начала 1900-х годов ниже. Обратите особое внимание на дирижабль с лучами плазменного проводника, направленными вверх и вниз. Также обратите внимание на город на заднем плане, с похожими гигантскими «плазменными антеннами», выступающими вверх. Но все в то время просто предполагали, что это были прожекторы! Да, это типичный Тесла, готовящийся к будущим патентным битвам, выставляя свою технологию на всеобщее обозрение, но все секреты в безопасности, потому что никто не знает, на что они смотрят. Даже у самолетов Теслы есть плазменные лучи. Это имеет смысл, если вы используете металлический фюзеляж и крылья в качестве емкостной приемной пластины, поскольку резонансная катушка внутри любого летательного аппарата также нуждается в проводящем соединении с землей.

Итак, почему никто не финансировал это? Даже не создал небольшую версию? Все просто. Никто не знает, как создать ста(100!!)-мегавольтный, 30-ти километровый вертикальный плазменный поток. Гигантский потрескивающий луч непрерывной молнии. Все, что меньше, не будет работать. «Настольная модель» не будет работать, если у вас также не будет настольной модели атмосферы Земли, включая изолирующий воздух и проводящую ионосферу выше. Тесла никогда не раскрывал, как он собирается это сделать. Ученые сегодня предполагают, что это невозможно.

Интересно, что репортер расспросил Теслу по этому поводу, спросив, будут ли в его системе использованы ультрафиолетовые лучи. Тесла ушел от ответа. Позже, в 1915 году, Тесла описал историю изобретения, сказав, что в течение многих лет он пытался заставить его работать с помощью ультрафиолетовых прожекторов, но он потерпел тотальную неудачу, пока не отказался от дуговых ламп и не обнаружил совершенно другой метод. Он отправился в Колорадо из-за высоты и низкого давления воздуха, но затем нашел способ заставить его работать на уровне моря. Он утверждал, что его новый метод позволил ему освещать небо ночью, как если бы это была гигантская люминесцентная лампа. Действительно ли он сделал это? Нам понадобятся свидетельства очевидцев из того места, где оно предположительно произошло: 1899, Колорадо-Спрингс. Возможно, он также работал в Wardenclyffe, так как упомянул, что если бы местные жители не ложились спать так рано, они бы действительно что-то увидели. Плазменные лучи высотой 30 км? Или гигантское сияние по небу, как изображено другом Теслы Хьюго Гернсбеком в «Электрическом экспериментаторе» от мая 1913?

Тем временем Музей Теслы в Белграде недавно опубликовал концепцию этого художника о беспроводной системе Тесла в действии – запитывание судов в море. Сравните с двумя приведенными выше иллюстрациями.

Технология Теслы будет работать только с плазменными лучами. Получить которые можно только в теории. В наше время.

И еще, последнее замечание. 3-х фазная электросеть, каковы процентные потери? Какие потери должна преодолеть система Теслы? Я нахожу различные цифры. По данным МОЭСК и Россетей, 8-20% электрической энергии от генераторов тратится на нагрев проводов и потери при трансформации. И это в новых сетях. В старых может доходить до 30-40%. Тесла утверждал, что его измерения в Колорадо Спрингс показывают 3% потерь для его «Мировой системы». Может быть, это было преувеличено. Но даже в этом случае, потерь меньше, затрат на строительство сетей меньше, и вообще. Разве не здорово было бы повсюду наблюдать плазменные потоки энергии, как в Звездных Войнах. Работа электролабораторий перешла бы на совершенно другой уровень=)

Беспроводное электричество. Работа и применение. Особенности

Беспроводное электричество стало известно с 1831 года, когда Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Он экспериментально установил, что меняющееся магнитное поле, порождаемое электрическим током, может индуцировать электрический ток в ином проводнике. Проводились многочисленные опыты, благодаря чему появился первый электрический трансформатор. Однако полноценно воплотить идею передачи электричества на расстоянии в практическом применении удалось лишь Николе Тесла.

На Всемирной выставке в Чикаго в 1893-м году он показал беспроводную передачу электричества, зажигая фосфорные лампочки, которые отстояли друг от друга. Тесла продемонстрировал множество вариаций по передаче электричества без проводов, мечтая, что в будущем данная технология позволит людям передавать энергию в атмосфере на большие расстояния. Но в это время это изобретение ученого оказалось невостребованным. Лишь век спустя технологиями Николы Теслы заинтересовались компании Intel и Sony, а за тем и иные компании.

Как это работает

Беспроводное электричество в буквальном смысле представляет передачу электрической энергии без проводов. Часто эту технологию сравнивают с передачей информации, к примеру, с Wi-Fi, сотовыми телефонами и радио. Беспроводная электроэнергия – это сравнительно новая и динамично развивающаяся технология. Сегодня разрабатываются методы, как безопасно и эффективно передавать на расстоянии энергию без перебоев.

Технология основана на магнетизме и электромагнетизме и базируется на ряде простых принципов работы. В первую очередь это касается наличия в системе двух катушек.

  • Система состоит из передатчика и приемника, генерирующих вместе переменное магнитное поле непостоянного тока.
  • Это поле создает напряжение в катушке приемника, к примеру, для зарядки аккумулятора или питания мобильного устройства.
  • При направлении электрического тока через провод вокруг кабеля появляется круговое магнитное поле.
  • На мотке проволоки, куда не поступает электрический ток напрямую, начнет поступать электрический ток от первой катушки через магнитное поле, в том числе вторую катушку, обеспечивая индуктивную связь.
Принципы передачи

До последнего времени наиболее совершенной технологией передачи электроэнергии считалась магнитно-резонансная система CMRS, созданная в 2007 году в Массачусетском технологическом институте. Данная технология обеспечивала передачу тока на расстояние до 2,1 метра. Однако запустить ее в массовое производство мешали некоторые ограничения, к примеру, высокая частота передачи, большие размеры, сложная конфигурация катушек, а также высокая чувствительность к внешним помехам, в том числе к присутствию человека.

Однако ученые из Южной Кореи создали новый передатчик электроэнергии, который позволит передавать энергию до 5 метров. А все приборы в комнате будут питаться от единого хаба. Резонансная система из дипольных катушек DCRS способна работать до 5 метров. Система лишена целого ряда недостатков CMRS, в том числе применяются довольно компактные катушки размерами 10х20х300 см, их можно незаметно установить в стены квартиры.

Эксперимент позволил передать на частоте 20 кГц:
  1. 209 Вт на 5 м;
  2. 471 Вт на 4 м;
  3. 1403 Вт на 3 м.

Беспроводное электричество позволяет запитывать современные большие ЖК-телевизоры, требующих 40 Вт, на расстоянии 5 метров. Единственное из электросети будет «выкачиваться» 400 ватт, однако не будет никаких проводов. Электромагнитная индукция обеспечивает высокий КПД, но на малом расстоянии.

Существуют и иные технологии, которые позволяют передавать электроэнергию без проводов. Наиболее перспективными из них являются:
  • Лазерное излучение. Обеспечивает защищенность сетей, а также большую дальность действия. Однако требуется прямая видимость между приемником и передатчиком. Работающие установки, применяющие питание от лазерного луча, уже созданы. Lockheed Martin, американский производитель военной техники и самолетов, испытал беспилотный летательный аппарат Stalker, который питается от лазерного луча и остается в воздухе в течение 48 часов.
  • Микроволновое излучение. Обеспечивает большую дальность действия, но имеет высокую стоимость оборудования. В качестве передатчика электроэнергии применяется радиоантенна, которая создает микроволновое излучение. На устройстве-приемнике стоит ректенна, которая преобразует в электроток принимаемое микроволновое излучение.

Данная технология дает возможность существенного удаления приемника от передатчика, в том числе нет прямой нужды прямой видимости. Но с увеличением дальности пропорционально увеличивается себестоимость и размеры оборудования. В то же время микроволновое излучение большой мощности, создаваемое установкой, может наносить вред окружающей среде.

Особенности
  • Самая реалистичная из технологий — беспроводное электричество на основе электромагнитной индукции. Но существуют ограничения. Ведутся работы по масштабированию технологии, но здесь появляются вопросы безопасности для здоровья.
  • Технологии передачи электричества при помощи ультразвука, лазера и микроволнового излучения также будут развиваться и тоже найдут свои ниши.
  • Орбитальные спутники с громадными солнечными батареями нуждаются в ином подходе, потребуется прицельная передача электроэнергии. Здесь уместен лазер и СВЧ. На данный момент нет идеального решения, однако имеется много вариантов со своими плюсами и минусами.
  • В настоящее время крупнейшие производители телекоммуникационного оборудования объединились в консорциум беспроводной электромагнитной энергии с целью создания всемирного стандарта для беспроводных зарядных устройств, которые действуют по принципу электромагнитной индукции. Из крупных производителей поддержку стандарта QI на ряде своих моделей обеспечивают Sony, Samsung, Nokia, Motorola Mobility, LG Electronics, Huawei, HTC. В скором времени QI станет единым стандартом для любых подобных устройств. Благодаря этому можно будет создавать беспроводные зоны подзарядки гаджетов в кафе, на транспортных узлах и в иных общественных местах.
Применение
  • Микроволновый вертолет. Модель вертолета имела ректенну и поднималась на высоту 15 м.
  • Беспроводное электричество применяется для питания электрических зубных щеток. Зубная щетка имеет полную герметичность корпуса и не имеет разъемов, что позволяет избежать удара током.
  • Питание самолетов при помощи лазера.
  • В продаже появились системы беспроводной зарядки мобильных устройств, которые можно использовать повседневно. Они работают на базе электромагнитной индукции.
  • Универсальная зарядная площадка. Они позволяют питать энергией большую часть популярных моделей смартфонов, которые не оборудованы модулем для беспроводной зарядки, в том числе обычные телефоны. Кроме самой зарядной площадки будет нужно купить чехол-приемник для гаджета. Он соединяется со смартфоном через USB-порт и через него заряжается.
  • На текущий момент на мировом рынке продается свыше 150 устройств до 5 Ватт, которые поддерживают стандарт QI. В будущем появится оборудование средней мощности до 120 Ватт.
Перспективы

Сегодня ведутся работы над крупными проектами, которые будут использовать беспроводное электричество. Это питание электромобилей «по воздуху» и бытовые электросети:

  • Густая сеть автозарядных точек позволит уменьшить аккумуляторы и значительно снизить себестоимость электромобилей.
  • В каждой комнате будут устанавливаться источники питания, которые будут передавать электроэнергию аудио- и видеоаппаратуре, гаджетам и бытовым приборам, оборудованными соответствующими адаптерами.
Достоинства и недостатки
Беспроводное электричество имеет следующие преимущества:
  • Не требуются источники питания.
  • Полное отсутствие проводов.
  • Упразднение необходимости использования батарей.
  • Требуется меньше технического обслуживания.
  • Огромные перспективы.
К недостаткам также можно отнести:
  • Недостаточная проработанность технологий.
  • Ограниченность по расстоянию.
  • Магнитные поля не являются полностью безопасными для человека.
  • Высокая стоимость оборудования.

Передача электроэнергии на расстояние

Схема электропередачи

В общем случае схему электропередачи (рис. 1) можно представить в виде простой замкнутой цепи. Источник ЭДС () обладает внутренним сопротивлением . Всех потребителей тока можно представить как общую нагрузку сопротивлением . Соединительные провода линий передач обладают электрическим сопротивлением .

Рис. 1. Схема электропередачи

Согласование сопротивлений

Значение тока в цепи будет определяться законом Ома для полной цепи:

Обычно внутренним сопротивлением источника можно пренебречь, поскольку оно намного меньше сопротивлений проводов и нагрузки:

Так, ЭДС источника можно определить по соотношению:

Умножим полученное выражение на величину тока:

Каждое из слагаемых в полученном выражении имеет определенный смысл. Так, в левой части равенства стоит мощность сторонних сил или мощность источника. Первое слагаемое в правой части равенства представляет собой мощность, передаваемую потребителям, – полезную мощность. Второе слагаемое – потеря мощности.

При передаче электроэнергии важно максимально увеличить полезную мощность, сведя к минимуму при этом потери. Попытаемся этого достичь. Зависимость полезной мощности от сопротивления нагрузки (рис. 2) имеет вид:

Рис. 2. График зависимости полезной мощности от сопротивления нагрузки

Можно показать, что полезная мощность как функция сопротивления нагрузки будет иметь максимум при условии равенства сопротивления нагрузки и сопротивления подводящих проводов – согласование сопротивлений.

Если сопротивление источника сопоставимо с сопротивлением проводов, то условие максимума полезной мощности будет представлять собой равенство сопротивления нагрузки и суммы сопротивлений проводов и источника. Таким образом, потребителю доставляется максимальная мощность, если сопротивление нагрузки равно сумме сопротивлений подводящих проводов и источника.

Причины потерь мощности

Рассмотрим причины, от которых зависят потери мощности. При заданной мощности источника ток в цепи будет равен отношению мощности источника к ЭДС:

Если внутренним сопротивлением источника пренебречь, то напряжение на полюсах источника будет равно ЭДС источника:

Тогда мощность потерь в проводах будет пропорциональна квадрату мощности источника и обратно пропорциональна квадрату напряжения на источнике.

Из этого выражения видим, что для уменьшения мощности потерь необходимо либо уменьшать сопротивление подводящих проводов, либо увеличивать напряжение на электростанции.

Экономические расчеты потерь мощности

Рассмотрим, почему так важно уменьшать потери. Крупный город потребляет мощность порядка МВт. Из-за потерь мощности станция должна вырабатывать существенно больше, чем МВт. Сопротивление проводов линий электропередач равно примерно .

При передаче электроэнергии при напряжении потери мощности в проводах составят около .

Мощность на нагрузке равна: .

Ток через нагрузку равен: .

Ток в проводниках будет такой же, как и ток через нагрузку, поэтому мощность потерь в проводах будет иметь вид:

При передаче на потери мощности составят за один час . При стоимости потери мощности составят .

Чтобы избежать таких колоссальных потерь, целесообразно существенно повысить предаваемое напряжение. Например, если повысить передаваемое напряжение с до , то указанные потери уменьшатся в . Поэтому передача электроэнергии на расстояние требует повышения напряжения до 400 или 500 кВ, а затем его снижения до потребительского уровня 220 В. Однако сконструировать электростанции, вырабатывающие сразу высокое напряжение, затруднительно. Электростанции вырабатывают, как правило, невысокое напряжение порядка . Поэтому сначала необходимо повысить напряжение до , а затем снизить до . Подобные модификации представляют собой технически крайне сложную задачу при использовании постоянного тока. В случае же переменного тока эта задача решается гораздо проще. Именно этим объясняется то, что все электростанции и линии передач работают на переменном токе.

Список литературы

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет-портал «Allbest.ru» (Источник).
  2. Интернет-портал «Хижина» (Источник).
  3. Интернет-портал «Radiobank.ru» (Источник).

Домашнее задание

  1. Касьянов В.А., Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 416 с.: ил., 8 л. цв. вкл., §37, ст. 136, в.1-5.
  2. Почему при передаче электроэнергии на большие расстояния прежде всего уделяют внимание повышению напряжения, а не уменьшению сопротивления проводов?
  3. *Потребителю передается полезная мощность 200 кВт. Сопротивление линии электропередачи – 5 Ом, напряжение на шинах станции – 2000 В. На сколько изменится КПД электропередачи, если напряжение на шинах электростанции увеличить в 2,5 раза, а передаваемую потребителю мощность оставить прежней?

Беспроводная передача энергии на расстоянии(Проект обучающихся 11 класса Денисова А. и Глебов С.)

Исследовательская работа

по физике

на тему

Беспроводная передача энергии

на расстоянии

Выполнили:

Ученики 11 «Г» класса

ГБОУ Лицея г.Сызрани

Денисов Артём и Глебов Сергей

Руководитель:

Белоусова Елена Валентиновна

2016г.

Введение…………………………………………………3

Глава I. История беспроводной передачи энергии

Глава II. Технологии передачи энергии

2.1. Ультразвуковой способ ………………………………..

2.2. Метод электромагнитной индукции………………..

2.3. Электростатическая индукция………………………

2.4. Микроволновое излучение……………………………

2.5. Лазерный метод………………………………………..

2.6. Электропроводимость………………………………….

Глава III. Всемирная беспроводная система.

Глава IV. Наш опыт.

Актуальность изучаемой темы.

Мечта о беспроводной передаче энергии и информации возникла у физиков и инженеров с самых первых шагов практической электротехники. О том, что, эта мечта не бесплодна, убедительно свидетельствуют достижения современной радиотехники, обеспечивающей революцию в развитии средств связи. Благодаря радиоволнам мы не только передаем сигналы на любые нужные нам расстояния, но и получаем информацию о самых удаленных областях вселенной. Естественно предположить, что и беспроводная передача энергии принесет человечеству не менее великие достижения.

Трудности беспроводной передачи энергии пропорциональны её передаваемому количеству. Ведь даже передача большого количества энергии по проводам уже представляет собой настолько сложную задачу, что для ее решения требуются предельные возможности техники. Но именно трудности проводной передачи заставляют искать пути отказа от нее. Сегодня необходимость таких поисков начинают осознавать многие, хотя для большинства данная задача кажется фантастической. Но не так давно фантастичной казалось задача освоения космоса, поставленная Циолковским.В электротехнике тоже был свой гений, живший, как и Циолковский, намного впереди своего века, — Никола Тесла, сербский учёный, живший и работавший в США. Именно его эксперименты и доказывают реальность беспроводной передачи энергии.

Актуальность выбранной темы обосновывается тем, что на сегодняшний день потребление электроэнергии возрастает с каждым днем и вся эта нагрузка ложится на передающие линии. Это в свою очередь требует постоянной модернизации электросетей, а значит новых затрат.

Цель нашей работы заключается в изучении альтернативных методов, способов и технологий передачи энергии, таких как беспроводная передача.

Основные задачи работы:

− Проанализировать научно−методическую литературу по вопросам передачи энергии альтернативным способом.

− Собрать действующую модель.

− Выяснить возможность передачи энергии без проводов на практике.

Глава I. История беспроводной энергии.

С самого начала открытия электричества возникла проблема его передачи конечному потребителю. Развитие промышленного производства привело к резкому увеличению спроса на электроэнергию. Провода и столбы линий электрических передач стали неотъемлемым элементом пейзажей. Но только специалисты знают, сколько средств и усилий тратится на поддержание этих линий в работоспособном состоянии, и сколько энергии в них теряется, прежде чем она дойдёт до потребителя.

Ископаемые ресурсы постепенно иссякают, и проблемы энергообеспечения становятся всё существенней. Современное человеческое общество вошло в эру освоения космоса, поэтому наши взгляды обращаются к очевидному источнику неисчерпаемой энергии – Солнцу. Этот термоядерный реактор миллиардами лет излучает невероятное количество энергии, малой части которой хватило бы человечеству на долгие годы. Но возникает вопрос: как передать полученную энергию потребителю на Землю?

С этого момента и начинается серьезный разговор о возможностях осчастливить человечество неограниченными ресурсами. До недавнего времени в перечне средств современных космических технологий было два пути решения проблемы. Один связан с передачей энергии лазерными лучами на наземные приемные терминалы. Второй — с передачей энергии СВЧ-излучением.

Передача энергии лазерным излучением сталкивается с несколькими принципиальными трудностями. Первая связана с эффективностью первичного преобразования излучения Солнца в когерентное лазерное излучение. А вторая упирается в КПД передачи энергии из космоса на Землю. По первой проблеме наметился прогресс: ученые из Японии сообщили о преобразовании энергии Солнца в излучение лазера с КПД, равным 42%. Но передача энергии на поверхность сопряжена с рядом задач, которые с трудом поддаются решению.

Ослабление лазерного луча, диаметр которого у поверхности Земли может составлять сотни метров. Его интенсивность зависит от погодных условий, точности наведения на приемный терминал и еще массы параметров. Пролетающие самолеты или стаи птиц, попавших в силовой луч, исказят или ослабят его мощность. Если для самолета подобный инцидент пройдет незаметно, то птицы пострадают значительно: интенсивность излучения вблизи поверхности Земли будет в десятки раз мощнее полуденного Солнца.

Второй путь передачи энергии – это радиоволны СВЧ диапазона с частотами от 2,4 до 5,8ГГц. Здесь существует атмосферное «окно», в котором ослабление энергии минимально. Но приемная часть энергии очень сложна и требует разработки современных компонент антенны. По оценкам ученых, для передачи с высоты 36000 км (геостационарная орбита) мощности 5 МВт, потребуется передающая антенна размером 1 км и приемная в поперечнике 10 км. Такие сооружения в ближайшее время для человечества не по карману.

В этой ситуации прогресс начался с другой стороны. Развитие современных средств связи и мобильных вычислительных устройств потребовал частой подзарядки их аккумуляторов. В принципе, особой проблемы это не представляет, особенно когда у вас одно или два таких устройства. Но если в семье или офисе их десятки, то непрерывный поиск зарядных блоков, совместимых с изделиями, отвлекает и раздражает.

Именно это обстоятельство натолкнуло учёного Марина Солячича, сотрудника Массачусетского университета, на идею способа передачи энергии без проводов. После того, как его среди ночи несколько раз разбудил сигнал разряженного мобильного телефона, он решил серьезно заняться проблемой беспроводной зарядки своих мобильных устройств.

В результате появилась совершенно новая технология передачи энергии из сети в мобильные устройства. Метод заключается в резонансном связывании с помощью магнитного поля приемника и передатчика. За непонятным названием и не менее неясным механизмом (метод запатентован и держится в секрете), скрывается способ передачи энергии без проводников с эффективностью более 40%. Технология получила название «WiTricity».

Помимо этих способов, существует ряд других, которые мы и рассмотрим в дальнейшем.

Глава II. Технологии беспроводной передачи.

2.1. Ультразвуковой способ.

Ультразвуковой способ передачи энергии изобретён студентами университета Пенсильвании и впервые широкой публике представлен на выставке «The All Things Digital» (D9) в 2011 году. Как и в других способах беспроводной передачи чего-либо, использовался приёмник и передатчик. Передатчик излучал ультразвук; приёмник, в свою очередь, преобразовывал слышимое в электричество. Так как способ относительно новый,конкретных цифр мало:

  • расстояние передачи достигает 7-10 метров;

  • о необходимости прямой видимости приёмника и передатчика информация разнится в различных источниках. Но по логике она не очень нужна – стены прекрасно проводят ультразвук;

  • передаваемое напряжение — до 8 вольт, но сила тока или мощность — неизвестны;

  • используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека;

  • также нет сведений и об отрицательном воздействии на животных. Хотя эта информация подвергается сомнению: в докладе говорится, что крыс отгонять не получится. Наверняка это зависит от частоты ультразвука и здесь надо проводить дополнительные исследования.

Почему стоит обратить внимание на эту технологию?

Потому что, в отличие от других, здесь не используются электромагнитные явления, и потому будет меньше радиошума. То есть нет опасности того, что зарядное устройство будет мешать обмениваться информацией между датчиками и устройствами.

Данная технология уже используется на практике компанией uBeam, которая представила свою беспроводную зарядку для различных устройств в прошлом году.

2.2. Метод электромагнитной индукции.

При беспроводной передаче энергии методом электромагнитной индукции используется ближнее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны. Энергия ближнего поля сама по себе не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Кроме того, как правило, имеют место и резистивные потери. Благодаря электродинамической индукции, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создаёт переменное магнитное поле, которое действует на вторичную обмотку, индуцируя в ней электрический ток. Для достижения высокой эффективности взаимодействие должно быть достаточно тесным. По мере удаления вторичной обмотки от первичной, всё большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. Даже на относительно небольших расстояниях индуктивная связь становится крайне неэффективной, расходуя большую часть передаваемой энергии впустую.

Электрический трансформатор является простейшим устройством для беспроводной передачи энергии. Первичная и вторичная обмотки трансформатора прямо не связаны. Передача энергии осуществляется посредством процесса, известного как взаимная индукция. Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения. Бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щёток являются примерами использования принципа электродинамической индукции. Индукционные плиты также используют этот метод. Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приёмник должен находиться в непосредственной близости к передатчику для того, чтобы эффективно с ним взаимодействовать.

Использование резонанса несколько увеличивает дальность передачи. При резонансной индукции передатчик и приёмник настроены на одну частоту. Производительность может быть улучшена ещё больше путём изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Импульсная передача энергии происходит в течение нескольких циклов. Таким образом, значительная мощность может быть передана между двумя взаимно настроенными LC-цепями с относительно невысоким коэффициентом связи. Передающая и приёмная катушки, как правило, представляют собой однослойные соленоиды или плоскую спираль с набором конденсаторов, которые позволяют настроить принимающий элемент на частоту передатчика.

Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка аккумуляторных батарей портативных устройств, таких, как портативные компьютеры и сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили. Техника локализованной зарядки использует выбор соответствующей передающей катушки в структуре массива многослойных обмоток. Резонанс используется как в панели беспроводной зарядки (передающем контуре), так и в модуле приёмника (встроенного в нагрузку) для обеспечения максимальной эффективности передачи энергии. Такая техника передачи подходит универсальным беспроводным зарядным панелям для подзарядки портативной электроники, такой, например, как мобильные телефоны. Техника принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi.

Резонансная электродинамическая индукция также используется для питания устройств, не имеющих аккумуляторных батарей, таких, как RFID-метки и бесконтактные смарт-карты, а также для передачи электрической энергии от первичного индуктора винтовому резонатору трансформатора Теслы, также являющемуся беспроводным передатчиком электрической энергии.

2.3. Электростатическая индукция.

Электростатическая или ёмкостная связь представляет собой прохождение электроэнергии через диэлектрик. На практике это градиент электрического поля или дифференциальная ёмкость между двумя или более изолированными клеммами, пластинами, электродами или узлами, возвышающимися над проводящей поверхностью. Электрическое поле создается за счёт заряда пластин переменным током высокой частоты и высокого потенциала. Ёмкость между двумя электродами и питаемым устройством образует разницу потенциалов.

Электрическая энергия, передаваемая с помощью электростатической индукции, может быть использована в приёмном устройстве, например, таком, как беспроводные лампы. Тесла продемонстрировал беспроводное питание ламп освещения энергией, передаваемой переменным электрическим полем.

Вместо того чтобы полагаться на электродинамическую индукцию для питания лампы на расстоянии, идеальным способом освещения зала или комнаты будет создание таких условий, при которых осветительный прибор можно было бы переносить и размещать в любом месте, и он работал, независимо от того, где он находится, и без проводного подключения. Можно продемонстрировать это, создав в помещении мощное переменное электрическое поле высокой частоты. Для этой цели можно прикрепить изолированную металлическую пластину к потолку и подключить её к одной клемме индукционной катушки, другая клемма заземлена. В другом случае подключаются две пластины, каждую к разным концам индукционной катушки, тщательно подобрав их размеры. Газоразрядная лампа может перемещаться в любое место помещения между металлическими пластинами или даже на некоторое расстояние за ними, излучая при этом свет без перерыва.

Принцип электростатической индукции применим к методу беспроводной передачи. В случаях, когда требуется передача небольшого количества энергии, необходимость в расположении электродов на возвышении снижается, особенно в случае токов высокой частоты, когда достаточное количество энергии может быть получено терминалом путём электростатической индукции из верхних слоев воздуха, создаваемой передающим терминалом.

2.4. Микроволновое излучение.

Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной, значительно увеличив расстояние эффективной передачи энергии путём уменьшения длины волны электромагнитного излучения, как правило, до микроволнового диапазона. Для обратного преобразования микроволновой энергии в электричество может быть использована ректенна (устройство, представляющее собой нелинейную антенну, предназначенную для преобразования энергии поля падающей на неё волны в энергию постоянного тока. Простейшим вариантом конструкции может быть полуволновый вибратор, между плечами которого устанавливается устройство с односторонней проводимостью, например, диод), эффективность преобразования энергии которой превышает 95 %. Данный способ был предложен для передачи энергии с орбитальных солнечных электростанций на Землю и питания космических кораблей, покидающих земную орбиту.

Сложностью в создании энергетического микроволнового луча является то, что для использования его в космических программах из-за дифракции, ограничивающей направленность антенны, необходима диафрагма большого размера. Например, согласно исследованию НАСА 1978 года, для микроволнового луча частотой 2,45 ГГц понадобится передающая антенна диаметром в 1 км, а приёмной ректенны диаметром в 10 км. Эти размеры могут быть снижены путём использования более коротких длин волн, однако короткие волны могут поглощаться атмосферой, а также блокироваться дождём или каплями воды. Из-за «проклятия узкого пучка» невозможно сузить луч, объединяя пучки от нескольких меньших спутников без пропорциональной потери в мощности. Для применения на земле антенна диаметром 10 км позволит достичь значительного уровня мощности при сохранении низкой плотности пучка, что важно по соображениям безопасности для человека и окружающей среды. Безопасный для человека уровень плотности мощности составляет 1 мВт/см2, что на площади круга диаметром 10 км соответствует мощности в 750 МВт. Этот уровень соответствует мощности современных электростанций.

Японский исследователь Хидэцугу Яги исследовал беспроводную передачу энергии с помощью созданной им направленной антенной решётки. В феврале 1926 года им была опубликована работа об устройстве, известном сейчас как антенна Яги. Хотя она оказалась неэффективной для передачи энергии, сегодня её широко используют в радиовещании и беспроводных телекоммуникациях из-за её превосходных рабочих характеристик.

В 1945 году советский учёный Семён Тетельбаум опубликовал статью, в которой впервые рассматривал эффективность микроволновой линии для беспроводной передачи электроэнергии. После Второй мировой войны, когда началось развитие мощных СВЧ-излучателей, известных под названием магнетрон, идея использования микроволн для передачи энергии была развита.

В 1964 году был продемонстрирован миниатюрный вертолёт, к которому энергия передавалась с помощью СВЧ-излучения.

Беспроводная передача энергии высокой мощности с использованием микроволн подтверждена экспериментально. Опыты по передаче десятков киловатт электроэнергии проводились в обсерватории Голдстоун (Goldstone, штат Калифорния) в 1975 году и в 1997 году в Гранд Бассине (Grand Bassin) на острове Реюньон. В ходе экспериментов достигнута передача энергии на расстояние порядка одного километра.

Экспериментами по беспроводной передаче энергии с помощью СВЧ-излучения занимался также академик Пётр Капица.

2.5. Лазерный метод

В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к видимой области спектра (от 10 мкм до 10 нм), энергию можно передать путём её преобразования в луч лазера, который затем может быть направлен на фотоэлемент приёмника.

Лазерная передача энергии по сравнению с другими методами беспроводной передачи обладает рядом преимуществ:

  • передача энергии на большие расстояния (за счёт малой величины угла расходимости между узкими пучками монохроматической световой волны);

  • удобство применения для небольших изделий (благодаря небольшим размерам твердотельного лазера — фотоэлектрического полупроводникового диода);

  • отсутствие радиочастотных помех для существующих средств связи, таких, как Wi-Fi и сотовые телефоны (лазер не создаёт таких помех);

  • возможность контроля доступа (получить электроэнергию могут только приёмники, освещённые лазерным лучом).

У данного метода есть и ряд недостатков:

  • преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, которым является свет, неэффективно. Преобразование света обратно в электричество также неэффективно, так как КПД фотоэлементов достигает 40-50 %, хотя эффективность преобразования монохроматического света значительно выше, чем эффективность солнечных панелей;

  • потери в атмосфере;

  • необходимость прямой видимости между передатчиком и приёмником (как и при микроволновой передаче).

Технология передачи мощности с помощью лазера ранее, в основном, исследовалась при разработке новых систем вооружений и в аэрокосмической промышленности, а в настоящее время разрабатывается для коммерческой и потребительской электроники в маломощных устройствах. Системы беспроводной передачи энергии с применением в потребительских целях должны удовлетворять требованиям лазерной безопасности стандарта IEC 60825. Для лучшего понимания лазерных систем следует принимать во внимание то, что распространение лазерного луча гораздо в меньшей степени зависит от дифракционных ограничений, как пространственное и спектральное согласование характеристик лазеров позволяют увеличить рабочую мощность и дистанцию, как длина волны влияет на фокусировку.

Драйденский лётно-исследовательский центр НАСА продемонстрировал полёт лёгкого беспилотного самолёта-модели, питаемого лазерным лучом. Это доказало возможность периодической подзарядки посредством лазерной системы без необходимости приземления летательного аппарата.

Кроме того, подразделение НАСА, названное «Litehouse DEV», совместно с Университетом штата Мэриленд разрабатывает лазерную систему питания небольших БПЛА, безопасную для глаз.

С 2006 года компания PowerBeam, изобретшая лазерную технологию, безопасную для глаз, также разрабатывает готовые для коммерческого применения узлы для различных потребительских и промышленных электронных устройств.

В 2009 году в соревновании НАСА по передаче энергии лазером первое место и приз в $900 тыс. получила компания LaserMotive, продемонстрировав собственную разработку, способную действовать на расстоянии в один километр. Лазер победителя смог передать мощность в 500 Вт на расстояние в 1 км с 10 % КПД.

Глава III. Всемирная беспроводная система

Когда компания Apple представила свое первое беспроводное зарядное устройство для сотовых телефонов и гаджетов, многие посчитали это революцией и огромным скачком вперед в беспроводных способах передачи энергии.

Но были ли они первопроходцами или еще до них, кому-то удавалось проделать нечто похожее, правда без должного маркетинга и пиара? Оказывается были, притом очень давно и изобретателей таких было множество.

Так еще в далеком 1893г прославленный Никола Тесла, продемонстрировал изумленной публике свечение люминесцентных ламп. При том, что все они были без проводов.

Сейчас такой фокус может повторить любой школьник, выйдя в чистое поле и встав с лампой дневного света под линию высокого напряжения от 220кв и выше.

Чуть попозже, Тесла уже сумел зажечь таким же беспроводным способом фосфорную лампочку накаливания.

В России в 1895г А.Попов показал в работе первый в мире радиоприемник. А ведь по большому счету это тоже является беспроводной передачей энергии.

Самый главный вопрос и одновременно проблема всей технологии беспроводных зарядок и подобных методов заключается в двух моментах:

  • как далеко можно передать электроэнергию таким способом
  • и какое количество

Для начала давайте разберемся, какую мощность имеют приборы и бытовая техника нас окружающие. Например для телефона, смартчасов или планшета требуется максимум 10-12Вт.

У ноутбука запросы уже побольше — 60-80Вт. Это можно сравнить со средней лампочкой накаливания. А вот бытовая техника, особенно кухонная, кушает уже несколько тысяч ватт.

Поэтому очень важно не экономить с количеством розеток на кухне.

Так какие же методы и способы для передачи эл.энергии без применения кабелей или любых других проводников, придумало человечество за все эти годы. И самое главное, почему они до сих пор не внедрены столь активно в нашу жизнь, как того хотелось бы.

Взять ту же самую кухонную технику. Давайте разбираться подробнее.

Передача энергии через катушки

Самый легко реализуемый способ — использование катушек индуктивности.

Здесь принцип очень простой. Берутся 2 катушки и размещаются недалеко друг от друга. На одну из них подается питание. Другая играет роль приемника.

Когда в источнике питания регулируется или изменяется сила тока, на второй катушке магнитный поток автоматически также изменяется. Как гласят законы физики, при этом будет возникать ЭДС и она будет напрямую зависеть от скорости изменения этого потока.

Казалось бы все просто. Но недостатки портят всю радужную картинку. Минусов три:

  • маленькая мощность

Данным способом вы не передадите большие объемы и не сможете подключить мощные приборы. А попытаетесь это сделать, то просто поплавите все обмотки.

  • небольшое расстояние

Даже не задумывайтесь здесь о передаче электричества на десятки или сотни метров. Такой способ имеет ограниченное действие.

Чтобы физически понять, насколько все плохо, возьмите два магнита и прикиньте, как далеко их нужно развести, чтобы они перестали притягиваться или отталкиваться друг от друга. Вот примерно такая же эффективность и у катушек.

Можно конечно исхитриться и добиться того, чтобы эти два элемента всегда были близко друг от друга. Например электромобиль и специальная подзаряжающая дорога.

Но в какие суммы выльется строительство таких магистралей.

  • малый КПД

Еще одна проблема это низкий КПД. Он не превышает 40%. Получается, что таким способом передать много эл.энергии на большие расстояния вы не сможете.

Тот же Н.Тесла указал на это еще в 1899г. Позже он перешел на эксперименты с атмосферным электричеством, рассчитывая в нем найти разгадку и решение проблемы.

Однако какими бы не казались бесполезными все эти штуки, с их помощью до сих пор можно устраивать красивые светомузыкальные представления.

Или подзаряжать технику гораздо большую чем телефоны. Например электрические велосипеды.

Лазерная передача энергии

Но как же передать больше энергии на большее расстояние? Задумайтесь, в каких фильмах подобную технологию мы видим очень часто.

Первое что приходит на ум даже школьнику — это «Звездные войны», лазеры и световые мечи.

Безусловно, с их помощью можно передать большое количество эл.энергии на очень приличные расстояния. Но опять все портит маленькая проблемка.

К нашему счастью, но несчастью для лазера, на Земле есть атмосфера. А она как раз таки хорошо глушит и кушает большую часть всей энергии лазерного излучения. Поэтому с данной технологией нужно идти в космос.

На Земле также были попытки и эксперименты по проверке работоспособности метода. Nasa даже устраивали состязания по лазерной беспроводной передаче энергии с призовым фондом чуть менее 1млн.$.

В итоге выиграла компания Laser Motive. Их победный результат — 1км и 0,5квт переданной непрерывной мощности. Правда при этом в процессе передачи, ученые потеряли 90% всей изначальной энергии.



Но все равно, даже с КПД в десять процентов, результат посчитали успешным.

Напомним, что у простой лампочки полезной энергии, которая идет непосредственно на свет, и того меньше. Поэтому из них и выгодно изготавливать инфракрасные обогреватели.

Микроволны

Неужели нет другого реально работающего способа передать электричество без проводов. Есть, и его изобрели еще до попыток и детских игр в звездные войны.

Оказывается, что специальные микроволны с длиной в 12см (частота 2,45Ггц), являются как бы прозрачными для атмосферы и она им не мешает в распространении.

Какой бы ни была плохой погода, при передаче с помощью микроволн, вы потеряете всего пять процентов! Но для этого вы сначала должны преобразовать электрический ток в микроволны, затем их поймать и опять вернуть в первоначальное состояние.

Первую проблему ученые решили очень давно. Они изобрели для этого специальное устройство и назвали его магнетрон.

Причем это было сделано настолько профессионально и безопасно, что сегодня каждый из вас у себя дома имеет такой аппарат. Зайдите на кухню и обратите внимание на свою микроволновку.

У нее внутри стоит тот самый магнетрон с КПД равным 95%.

Но вот как сделать обратное преобразование? И тут было выработано два подхода:

  • Американский
  • Советский

В США еще в шестидесятых годах ученый У.Браун придумал антенну, которая и выполняла требуемую задачу. То есть преобразовывала падающее на него излучение, обратно в электрический ток.

Он даже дал ей свое название — ректенна.

После изобретения последовали опыты. И в 1975г при помощи ректенны, было передано и принято целых 30 квт мощности на расстоянии более одного километра. Потери при передаче составили всего 18%.

Спустя почти полвека, этот опыт до сих так никто и не смог превзойти. Казалось бы метод найден, так почему же эти ректенны не запустили в массы?

И тут опять всплывают недостатки. Ректенны были собраны на основе миниатюрных полупроводников. Нормальная работа для них — это передача всего нескольких ватт мощности.

А если вы захотите передать десятки или сотни квт, то готовьтесь собирать гигантские панели.

И вот тут как раз таки появляются не разрешимые сложности. Во-первых, это переизлучение.

Мало того, что вы потеряете из-за него часть энергии, так еще и приблизиться к панелям без потери своего здоровья не сможете.

Вторая головная боль — нестабильность полупроводников в панелях. Достаточно из-за малой перегрузки перегореть одному, и остальные выходят из строя лавинообразно, подобно спичкам.

В СССР все было несколько иначе. Не зря наши военные были уверены, что даже при ядерном взрыве, вся зарубежная техника сразу выйдет из строя, а советская нет. Весь секрет тут в лампах.

В МГУ два наших ученых В.Савин и В.Ванке, сконструировали так называемый циклотронный преобразователь энергии. Он имеет приличные размеры, так как собран на основе ламповой технологии.

Внешне это что-то вроде трубки длиной 40см и диаметром 15см. КПД у этого лампового агрегата чуть меньше, чем у американской полупроводниковой штуки — до 85%.

Но в отличие от полупроводниковых детекторов, циклотронный преобразователь энергии имеет ряд существенных достоинств:

  • надежность
  • большая мощность
  • стойкость к перегрузкам
  • отсутствие переизлучения
  • невысокая цена изготовления

Однако несмотря на все вышесказанное, во всем мире передовым считаются именно полупроводниковые методы реализации проектов. Здесь тоже присутствует свой элемент моды.

После первого появления полупроводников, все резко начали отказываться от ламповых технологий. Но практические испытания говорят о том, что это зачастую неправильный подход.

Конечно, ламповые сотовые телефоны по 20кг или компьютеры, занимающие целые комнаты никому не интересны.

Но иногда только проверенные старые методы, могут нас выручить в безвыходных ситуациях.

В итоге на сегодняшний день, мы имеем три возможности передать энергию без проводов. Самый первый из рассмотренных ограничен как расстоянием, так и мощностью.

Но этого вполне хватит, чтобы зарядить батарейку смартфона, планшета или чего-то побольше. КПД хоть и маленький, но метод все же рабочий.

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

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

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

Реальные проекты в наши дни

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

Первый из них начинался очень обнадеживающе. В 2000-х годах на о.Реюньон, возникла потребность в постоянной передаче 10кВт мощности на расстояние в 1км.

Горный рельеф и местная растительность, не позволяли проложить там ни воздушные линии электропередач, ни кабельные.

Все перемещения на острове в эту точку осуществлялось исключительно на вертолетах.

Для решения проблемы в одну команду были собраны лучшие умы из разных стран. В том числе и ранее упоминавшиеся в статье, наши ученые из МГУ В.Ванке и В.Савин.

Однако в момент, когда должны были приступать к практической реализации и строительству передатчиков и приемников энергии, проект заморозили и остановили. А с началом кризиса в 2008 году и вовсе забросили.

На самом деле это очень обидно, так как теоретическая работа там была проделана колоссальная и достойная реализации.

Второй проект, выглядит более безумным чем первый. Однако на него выделяются реальные средства. Сама идея была высказана еще в 1968г физиком из США П.Глэйзером.

Он предложил на тот момент не совсем нормальную идею — вывести на геостационарную орбиту в 36000 км над землей огромный спутник. На нем расположить солнечные панели, которые будут собирать бесплатную энергию солнца.

Затем все это должно преобразовываться в пучок СВЧ волн и передаваться на землю.

Этакая «звезда смерти» в наших земных реалиях.

На земле пучок нужно поймать гигантскими антеннами и преобразовать в электричество.

Насколько огромны должны быть эти антенны? Представьте, что если спутник будет в диаметре 1км, то на земле приемник должен быть в 5 раз больше — 5км (размер Садового кольца).

Но размеры это всего лишь малая часть проблем. После всех расчетов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы электричество мощностью в 5ГВт. При достижении земли оставалось бы всего 2ГВт. К примеру Красноярская ГЭС дает 6ГВт.

Поэтому его идею рассмотрели, посчитали и отложили в сторонку, так как все изначально упиралось в цену. Стоимость космического проекта в те времена вылезла за 1трлн.$.

Но наука к счастью не стоит на месте. Технологии совершенствуются и дешевеют. Сейчас разработку такой солнечной космической станции уже ведут несколько стран. Хотя в начале двадцатого века для беспроводной передачи электроэнергии хватало всего одного гениального человека.

Общая цена проекта упала от изначальной до 25млрд.$. Остается вопрос — увидим ли мы в ближайшее время его реализацию?

К сожалению никто вам четкого ответа не даст. Ставки делают только на вторую половину нынешнего столетия. Поэтому пока давайте довольствоваться беспроводными зарядками для смартфонов и надеяться что ученым удастся повысить их КПД. Ну или в конце концов на Земле родится второй Никола Тесла.

Поделись с друзьями: