Беспроводная передача энергии на расстояние

Беспроводная передача энергии на расстояние

Способ передачи электрической энергии на расстояние без использования токопроводящей среды называется беспроводной передачей электроэнергии. Уже к 2011 году было реализовано несколько удачных экспериментов в микроволновом диапазоне с мощностями в несколько десятков киловатт, при этом КПД составил около 40%.

Это произошло сначала в 1975 году в Калифорнии и второй раз — в 1997 году на острове Реюньон. Наибольшая дальность составила около одного километра, эксперимент был проведен с целью исследования возможностей энергосбережения одного поселка без использования традиционного кабеля.

Технологически принципы передачи электроэнергии на расстояние включают в себя, в зависимости от расстояния передачи, следующие. На малых расстояния при небольших мощностях — индукционный и резонансный методы, как например в RFID-метках и смарт-картах. На больших расстояниях и при больших мощностях — метод направленного электромагнитного излучения в диапазоне от УФ до СВЧ.

Давайте рассмотрим подробно индукционный метод. Беспроводная передача энергии посредством электромагнитной индукции подразумевает применение ближнего электромагнитного поля на расстояниях соизмеримых с 17% длины волны. Суть в том, что энергия ближнего поля не является излучающей сама по себе, здесь есть лишь небольшие радиационные и резистивные потери.

Электродинамическая индукция работает так. Когда через первичную обмотку проходит переменный электрический ток, вокруг нее существует переменное магнитное поле, которое одновременно действует и на вторичную обмотку, наводя в ней переменную ЭДС и соответственно переменный ток.

Чтобы получить более высокую эффективность, взаимное расположение первичной и вторичной обмоток должно быть достаточно тесным. Если в условиях эксперимента начать отдалять вторичную обмотку от первичной, то часть магнитного поля, достигающего вторичной обмотки и пересекающего ее витки, будет становиться все меньше.

По мере удаления вторичной обмотки, даже на небольшом расстоянии индукционная связь между обмотками в конце концов станет настолько малой, что большая часть передаваемой магнитным полем энергии будет расходоваться чрезвычайно неэффективно и вообще впустую.

Подобная система в простейшем виде представлена в классическом электрическом трансформаторе. Ведь трансформатор — простейшее устройство для беспроводной передачи электроэнергии, поскольку его первичная и вторичная обмотки не связаны гальванически друг с другом. Передача энергии от первичной обмотки ко вторичной реализована в нем посредством процесса, называемого взаимная индукция. Главная функция трансформатора — повышение или понижение напряжения, подаваемого на первичную обмотку.

В бесконтактных зарядниках для мобильной техники, для электрических зубных щеток и в индукционных плитках, реализованы как раз методы электродинамической индукции. Недостаток при передаче энергии таким путем заключается в очень небольшом расстоянии эффективного действия. Для достижения надлежащей эффективности передатчик и приемник необходимо размещать очень-очень близко друг к другу, практически вплотную, чтобы они впринципе могли эффективно взаимодействовать между собой.

Чтобы повысить эффективность индукционного метода, полезно внедрить в такую систему явление электрического резонанса, который позволит увеличить расстояние эффективной передачи. С добавлением в резонансную цепь колебательного контура, он своим действием в некоторой степени увеличивает расстояние эффективной передачи. Чтобы возник резонанс, передающий и приемный контур должны быть настроены на одну общую частоту.

Еще больше улучшить производительность такой системы можно коррекцией формы волны управляющего тока, отклонив ее от синусоидальной к переходной несинусоидальной, импульсной.

Импульсная передача энергии производится тогда за несколько циклов, и существенная мощность может быть в таких условиях передана от одного LC-контура — к другому, и с меньшим коэффициентом связи чем без использования резонансных контуров. Формы катушек не изменяются, и в любом случае представляют собой плоские спирали либо однослойные соленоиды с подключенными к ним конденсаторами, необходимыми для настройки принимающего элемента на резонансную частоту передатчика.

Традиционно резонансная электродинамическая индукция используется в беспроводных зарядниках аккумуляторов мобильных устройств, наподобие сотовых телефонов и медицинских имплантатов, а также в электромобилях. В устройствах локализованной зарядки используется выбор определенной катушки передатчика из набора многослойных обмоток.

Явление резонанса работает при этом как в контуре передающей панели зарядного устройства, так и в принимающем контуре зарядного модуля, установленном на заряжаемом устройстве, дабы эффективность передачи и приема энергии получилась максимальной. Технология данной конфигурации универсальна, и может использоваться для беспроводной зарядки различных гаджетов, оснащенных соответствующими резонансными приемниками.

Техника такого плана принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi. Этот стандарт предусматривает два варианта передачи энергии: низкой мощности — от 0 до 5 Ватт и средней мощности — до 10 Ватт. Стандарт разработан после 2008 года Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC) для индукционной передачи энергии на расстояние до 4 см.

Аппаратура с поддержкой Qi включает в себя передатчик с плоской катушкой (она расположена за пластиной), подключаемый к стационарному источнику энергии, и совместимый приёмник, который установлен внутри заряжаемого устройства (также в форме плоской катушки). П ри использовании зарядника, подключаемое устройство размещают на пластине передатчика. При этом действует принцип электромагнитной индукции между этими двумя плоскими катушками, как в трансформаторе.

Qi используется сегодня в некоторых устройствах: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. Цель консорциума — создание единого стандарта для технологии индукционной зарядки, чтобы сделать беспроводные зарядные устройства привычным атрибутом публичных мест, таких как кафе, аэропорты, спортивные арены и т. д.

Электродинамическая индукция с резонансом также используется для прямого беспроводного питания устройств, вовсе не имеющих аккумуляторов внутри. К ним относятся RFID-метки и бесконтактные смарт-карты. Схожий принцип передачи электрической энергии действует в трансформаторе Тесла — от первичного контура — индуктора — к расположенному внутри него резонатору. Сам трансформатор Тесла, в свою очередь, тоже служит беспроводным передатчиком энергии, только более электростатическим, нежели электромагнитным.

Представляется концепция распространения мощности без использования проводов, т. е. передача энергии микроволновым излучением из одного места в другое, чтобы, возможно, уменьшить потери.

Эта концепция известна как беспроводная передача микроволновой энергии.

Также представлены преимущества, недостатки, биологическое воздействие и применение передачи энергии микроволновым излучением.

Читайте также:  Административные здания нормы проектирования

Одной из основных проблем в энергосистеме являются потери, возникающие при распространении и распределении электроэнергии. По мере того как требование в энергии увеличивается день за днем, производство и потери также увеличиваются. Большая часть потерь мощности происходит во время транспортировки и распределения.

Процент потерь мощности при передаче и распределении приблизительно равен 26%. Основной причиной потерь электроэнергии при передаче и распределении является сопротивление проводов, используемых для электросети. Эффективность распределения энергии может быть улучшена к некоторому уровню путем использования высокопрочной смеси сверхпроводящих проводников. Но, распределение энергии все еще неэффективно.

По данным электроэнергетическая сеть имеет высокие потери передачи и распределения в мире – огромные цифры 26%, опубликованные различными учреждениями и 30%, и более 40%. Это связано с техническими потерями, неэффективностью сети и хищениями.

Примеры транспортировки энергии по воздуху

Рассмотренная выше проблема может быть решена путем выбора альтернативного варианта распределения энергии, который мог бы обеспечить гораздо более высокую эффективность, низкую стоимость передачи и избежать хищения энергии. Передача энергии микроволновым излучением является одной из перспективных технологий и может стать достойной альтернативой.

Беспроводной передачей энергии занимался еще Никола Тесла, который показал, что он действительно “отец беспроводной связи”. Никола Тесла первым задумал идею беспроводной передачи энергии и еще в 1891 году продемонстрировал “передачу электрической энергии без проводов”, которая зависела от электропроводности.
В 1893 году Тесла продемонстрировал освещение вакуумных ламп без использования проводов для передачи электроэнергии на Всемирной Колумбийской экспозиции в Чикаго. Башня Уорденклиффа была спроектирована и построена Теслой главным образом для беспроводной передачи электроэнергии, а не телеграфии.

  • В 1904 году дирижабль с двигателем 0,1 лошадиной силы приводился в движение путем передачи мощности через пространство с расстояния не менее 30 метров.
  • В 1961 году была опубликована первая статья, предлагающая микроволновую энергию для передачи энергии, а в 1964 году продемонстрирована модель вертолета с микроволновым питанием, которая получала всю мощность, необходимую для полета от микроволнового луча на частоте 2,45 ГГц из диапазона частот 2,4-2,5 ГГц, который зарезервирован для промышленных, научных и медицинских приложений.
  • Эксперименты по передаче энергии микроволновым излучением без проводов в диапазоне десятков киловатт были проведены в Калифорнии в 1975 году и на острове Реюньон (Индийский океан) в 1997 году.
  • Аналогичным образом, первый в мире самолет без топлива, работающий на микроволновой энергии с земли, был зарегистрирован в 1987 году в Канаде.
  • В 2003 году Центр летных исследований НАСА продемонстрировал модель самолета с лазерным питанием в помещении.
  • В 2004 году Япония предложила беспроводную зарядку электромобилей с помощью микроволновой передачи энергии. Новая компания представила технологию беспроводной передачи энергии на выставке потребительской электроники 2007 года.
  • Исследовательская группа физиков также продемонстрировала беспроводное питание лампочки мощностью 60 Вт с эффективностью 40% на расстоянии 2 м с использованием двух катушек диаметром 60 см.
  • Сейчас уже серийно выпускается беспроводная зарядка для смартфонов и других устройств.
  • Электромобиль Тесла уже имеет встроенную беспроводную зарядку для смартфонов и не горами зарядка самого электромобиля.

Концепция беспроводной передачи энергии микроволновым излучением поясняется функциональной блок-схемой. На передающей стороне источник питания преобразует энергию в микроволны которые контролируются электронными управляемыми схемами. Передающая антенна излучает мощность равномерно через свободное пространство к антенне. На приемной стороне антенна принимает передаваемую мощность и преобразует микроволновую мощность в мощность постоянного тока. Передача осуществляется на частоте 2,45 ГГц или 5,8 ГГц. Другие варианты частот – 8,5 ГГц, 10 ГГц и 35 ГГц.

Самая высокая эффективность около 90% достигнута на частоте 2.45 ГГц.

Преимущества, недостатки и биологическое воздействие

Преимущества

Преимущества беспроводной передачи энергии микроволновым излучением в том, что способ полностью устраняет существующие кабели линий электропередачи высокого напряжения, вышки и подстанции между генерирующей станцией и потребителями и облегчает соединение электрогенерирующих станций в глобальном масштабе.

Способ имеет больше свободы выбора приемника и передатчиков. Даже мобильные передатчики и приемники можно выбрать для этой системы. Стоимость передачи и распределения станет меньше, а стоимость электроэнергии для потребителя также будет снижена. Потери передачи являются незначительными в беспроводной передаче энергии, поэтому эффективность этого способа значительно выше, чем проводная.

Недостатки

Капитальные затраты на практическую реализацию передачи энергии микроволновым излучением кажутся очень высокими и другим недостатком концепции является интерференция СВЧ с существующими системами связи.

Существуют распространенные убеждения, что биологические воздействия микроволнового излучения опасны. Но исследования в этой области неоднократно доказывают, что уровень микроволнового излучения не будет выше дозы, полученной при открытии дверцы микроволновой печи, то есть он немного выше, чем выбросы, создаваемые сотовыми телефонами. Сотовые телефоны работают с высокими плотностями мощности. Таким образом, воздействие микроволновым излучением также будет ниже существующих руководящих принципов безопасности.

Концепции и применение

Существует еще одна концепция генерации энергии путем размещения спутников с гигантскими солнечными батареями на геосинхронной орбите Земли и передача энергии микроволновым излучением на землю, является крупнейшим будущим применением.

Другое применение передачи энергии микроволновым излучением – это движущиеся цели, такие как самолеты без топлива, электромобили без топлива, движущиеся роботы и ракеты без топлива.
Технологические разработки в области передачи энергии микроволновым излучением имеет преимущества, обсуждаются также недостатки, биологическое воздействие и применение.
Эта концепция предлагает большие возможности для распространения мощности с незначительными потерями и легкостью, чем любое изобретение или открытие, сделанное до сих пор. Ученые утверждают: “вам не нужны кабели, трубы или медные провода для получения энергии. Мы можем послать её к вам как звонок сотового телефона – где вы хотите его, когда вы хотите его, в реальное время”.

Читайте также:  Автоматизация технологических процессов и производств компании

Мы можем с уверенностью ожидать, что в ближайшие несколько лет чудеса будут вызваны применением беспроводной передачи энергии, если все условия будут благоприятными.

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

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

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

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

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

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

    как далеко можно передать электроэнергию таким способом
    и какое количество

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

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

Поэтому очень важно не экономить с количеством розеток на кухне.

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

Взять ту же самую кухонную технику. Давайте разбираться подробнее.

Самый легко реализуемый способ — использование катушек индуктивности.

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

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

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

    маленькая мощность

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

    небольшое расстояние

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

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

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

Но в какие суммы выльется строительство таких магистралей.

    малый КПД

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

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

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

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

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

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

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

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


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

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

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

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

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

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

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.

Читайте также:  Quint oring 24dc 2x10 1x20

Он даже дал ей свое название — ректенна.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    надежность
    большая мощность
    стойкость к перегрузкам
    отсутствие переизлучения
    невысокая цена изготовления

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Этакая "звезда смерти" в наших земных реалиях.

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

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

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.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector