Беспроводная передача электричества по теории Тесла
Многие годы ученые бьются над вопросом минимизации электрических расходов. Есть разные способы и предложения, но все, же самой известной теорией является беспроводная передача электричества. Предлагаем рассмотреть, как она выполняется, кто является её изобретателем и почему пока что её не воплотили в жизнь.
Теория
Беспроводное электричество – это буквально передача электрической энергии без проводов. Люди часто сравнивают беспроводную передачу электрической энергии с передачей информации, например, радио, сотовые телефоны, или Wi-Fi доступ в Интернет. Основное различие заключается в том, что с радио-или СВЧ-передач – это технология, направленная на восстановление и транспортировку именно информации, а не энергии, которая изначально была затрачена на передачу.
Беспроводной электроэнергии является относительно новой областью технологии, но достаточно динамично развивающейся. Сейчас разрабатываются методы, как эффективно и безопасно передавать энергию на расстоянии без перебоев.
Как работает беспроводное электричество
Основная работа основана именно на магнетизме и электромагнетизме, как и в случае с радиовещанием. Беспроводная зарядка, также известна как индуктивная зарядка, основана на нескольких простых принципах работы, в частности технология требует наличия двух катушек. Передатчика и приемника, которые вместе генерируют переменное магнитное поле непостоянного тока. В свою очередь это поле вызывает напряжение в катушке приемника; это может быть использовано для питания мобильного устройства или зарядки аккумулятора.
Если направить электрический ток через провод, то вокруг кабеля создается круговое магнитное поле. Несмотря на то, что магнитное поле воздействует и на петлю, и на катушку сильнее всего оно проявляется именно на кабеле. Когда возьмете второй моток проволоки, на который не поступает электрический ток, проходящий через него, и место, в которое мы установим катушку в магнитном поле первой катушки, электрический ток от первой катушки будет передаваться через магнитное поле и через вторую катушку, создавая индуктивную связь.
Как пример возьмем электрическую зубную щетку. В ней зарядное устройство подключено к розетке, которая отправляет электрический ток на витой провод внутри зарядного устройства, создающего магнитное поле. Существует вторая катушка внутри зубной щетки, когда ток начинает поступать и на неё, благодаря образовавшемуся МП, начинается заряд щетки без её непосредственного подключения к сети питания 220 В.
История
Беспроводная передача энергии в качестве альтернативы передачи и распределения электрических линий, впервые была предложена и продемонстрирована Никола Тесла. В 1899 году Тесла презентовал беспроводную передачу на питание поля люминесцентных ламп, расположенных в двадцати пяти милях от источника питания без использования проводов. Но в то время было дешевле сделать проводку из медных проводов на 25 миль, а не строить специальные электрогенераторы, которых требует опыт Тесла. Патент ему так и не выдали, а изобретение осталось в закромах науки.
В то время как Тесла был первым человеком, который смог продемонстрировать практические возможности беспроводной связи еще в 1899 году, сегодня, в продаже есть совсем немного приборов, это беспроводные щетки наушники, зарядки для телефонов и прочее.
Технология беспроводной связи
Беспроводной передачи энергии включает в себя передачу электрической энергии или мощности на расстоянии без проводов. Таким образом, основная технология лежит на концепции электроэнергии, магнетизма и электромагнетизма.
Магнетизм
Это фундаментальная сила природы, которая провоцирует определенные типы материала притягивать или отталкивать друг друга. Единственными постоянными магнитами считаются полюса Земли. Ток потока в контуре генерирует магнитные поля, которые отличаются от осциллирующих магнитных полей скоростью и временем, потребным для генерации переменного тока (AC). Силы, которые при этом появляются, изображает схема ниже.
Так появляется магнетизм
Электромагнетизм – это взаимозависимость переменных электрических и магнитных полей.
Магнитная индукция
Если проводящий контур подключен к источнику питания переменного тока, он будет генерировать колебательное магнитное поле внутри и вокруг петли. Если второй проводящий контур расположен достаточно близко, он захватит часть этого колеблющегося магнитного поля, которое в свою очередь порождает или индуцирует электрический ток во второй катушке.
Видео: как происходит беспроводная передача электричества
Таким образом, происходит электрическая передача мощности от одного цикла или катушки к другой, что известно как магнитная индукция. Примеры такого явления используются в электрических трансформаторах и генератора. Это понятие основано на законах электромагнитной индукции Фарадея. Там, он утверждает, что, когда есть изменение магнитного потока, соединяющегося с катушкой ЭДС, индуцированного в катушке, то величина равна произведению числа витков катушки и скорости изменения потока.
Электрический трансформатор
Мощностная муфта
Эта деталь необходима, когда одно устройство не может передавать энергию на другой прибор.
Магнитная связь генерируется, когда магнитное поле объекта способно индуцировать электрический ток с другими устройствами в поле его досягаемости.
Два устройства, как говорят, взаимно индуктивно-связанной или магнитную связь, когда они выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивности
Технология
Принцип индуктивной связи
Два устройства, взаимно индуктивно-связанные или имеющие магнитную связь, выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода, производится посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивностью.
Индуктивная связь является предпочтительной из-за её способности работать без проводов, а также устойчивости к ударам.
Резонансная индуктивная связь является сочетанием индуктивной связи и резонанса. Используя понятие резонанса можно заставить два объекта работать зависимо от сигналов друг друга.
Концепция резонанса индуктивной связи
Как видно из схемы выше, резонанс обеспечивает индуктивность катушки. Конденсатор подключен параллельно к обмотке. Энергия будет перемещаться назад и вперед между магнитным полем, окружающим катушку и электрическим полем вокруг конденсатора. Здесь потери на излучение будет минимальными.
Существует также концепция беспроводной ионизированной связи.
Она тоже воплотима в жизнь, но здесь необходимо приложить немного больше усилий. Эта техника уже существует в природе, но вряд ли есть целесообразность ее реализации, поскольку она нуждается в высоком магнитном поле, от 2,11 М /м [10] . Её разработал гениальный ученый Ричард Волрас, разработчик вихревого генератора, который посылает и передает энергию тепла на огромные расстояния, в частности при помощи специальных коллекторов. Самой простой пример такой связи – это молния.
Плюсы и минусы
Конечно, у этого изобретения есть свои преимущества перед проводными методиками, и недостатки. Предлагаем их рассмотреть.
Беспроводная передача электроэнергии: трудная история становления
Из длинного перечня фантастических технических идей, реализованных сегодня, только мечта о беспроводной передаче электрической энергии продолжает оставаться неприступной. Подробные описания энергетических лучей в фантастических романах дразнят инженеров своей очевидной потребностью, и при этом практической невозможностью реализации. Но ситуация постепенно меняется к лучшему.
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.
Ископаемые ресурсы постепенно иссякают, и проблемы энергообеспечения настойчиво стучатся в двери энергетики. Современное человеческое общество вошло в эру освоения космоса, поэтому наши взгляды обращаются к очевидному источнику неисчерпаемой энергии – Солнцу. Этот термоядерный реактор миллиардами лет излучает фантастические количества энергии, малой части которой хватило бы человечеству на долгие годы. Но одна «маленькая» проблема: как передать полученную энергию потребителю на Землю?
С этого момента и начинается серьезный разговор о возможностях осчастливить человечество неограниченными ресурсами. Пока в перечне средств современных космических технологий есть 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.
По слухам, именно это обстоятельство натолкнуло 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».
Принцип действия технологии передачи энергии без проводов «WiTricity»
Беспроводное зарядное устройство для мобильного телефона «WiTricity»
По заявлению авторов изобретения, это не «чистый» резонанс связанных контуров и не трансформатор Теслы, с индуктивной связью. Радиус передачи энергии на сегодня составляет чуть больше двух метров, в перспективе – до 5-7 метров.
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.
Демонстрация технологии WiTricity:
Демонстрация технологии беспроводной передачи электроэнергии WREL от Intel:
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.
Не пытаясь вникнуть в тонкости технологий передачи энергии, можно сказать, что на уровне расстояний до 10 метров уже в ближайшее время беспроводные устройства передачи энергии станут реальностью. Можно будет смотреть телевизор, использовать компьютер и заряжать мобильные устройства, не заботясь о наличии шнуров и розеток.
Но начинали мы с проблем передачи не десятков и сотен ватт, а более серьезных мощностей. К сожалению, на сегодняшний день лучшее достижение в этом направлении – это опытная передача 30 киловатт мощности на расстояние до 2 километров (1 миля). Произошло это событие в далеком 1975 году и с тех пор серьезного прогресса не достигнуто. Поэтому в ближайшие десятилетия ожидать прорыва в области беспроводной передачи энергии не стоит ожидать. Фантасты пока могут спать спокойно.
Беспроводная передача электроэнергии
Решить проблему беспроводной передачи электрической энергии на большие расстояния – давнишняя мечта человечества. Можно представить, насколько бы подешевела электроэнергия без затрат на токопроводную продукцию. Научно-техническая революция не стоит на месте. Есть надежда, что эта мечта сбудется в недалёком будущем. Тому свидетельствуют новые разработки в данной сфере.
История беспроводной передачи энергии
Великий французский физик Ампер в 1820 году путём многочисленных опытов пришёл к выводу о том, что магнитное поле может возбуждать в теле металла электрический ток. Так появился основополагающий закон Ампера.
Майкл Фарадей в 1831 открыл закон индукции, который стал базой для развития такой науки, как электромагнетизм.
Джеймс Максвелл после долгих экспериментов систематизировал свои наблюдения, квинтэссенцией которых в 1864 году стало уравнение Максвелла. Формула объясняла поведение электромагнитного поля.
Никола Тесла усовершенствовал аппарат для генерации электромагнитного поля, изобретённый Генрихом Герцем в 1888 году. На Всемирной выставке в 1893 г., состоявшейся в Чикаго, Тесла продемонстрировал свечение фосфорных лампочек без проводов.
Свой вклад в развитие беспроводной передачи энергии сделал русский учёный Александр Попов. В 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества он показал изобретённый им детекторный радиоприёмник.
Далее вплоть до наших дней происходило патентование новых изобретений в области беспроводной передачи электрической энергии. Были произведены масса экспериментов, совершенно большое количество открытий. Последнее достижение в этой сфере – это передача электричества на большие расстояния без проводов с помощью технологии Wi-Fi. В 2017 году изобретён мобильный телефон без батареи.
Как это работает
Беспроводное электричество базируется на таком явлении, как электромагнетизм. В работе участвуют две катушки из металлических проводов. Одна из них подключена к источнику тока, вокруг которой создаётся магнитное поле. Вторая катушка, воспринимая это поле, индуцирует в своей обмотке вторичный электрический ток.
Принципы передачи
В последних разработках учёных из США и Южной Кореи применялись магнитно-резонансные системы CMRS и DCRS. Корейская технология оказалась более совершенной. Удалось передать электроэнергию на 5 метров. Благодаря компактным дипольным катушкам DCRS, можно запитать всех потребителей в помещении средних размеров без проводов.
Важно! Несовершенство современной аппаратуры существенно ограничивает длину пути электричества по воздуху.
Несмотря на это, учёные всего мира заняты получением новых технологий, задача которых – передача энергии на расстоянии в десятки и сотни километров. Уже сегодня развиваются и претворяются в жизнь новые достижения науки в области доставки электроэнергии без проводных линий электропередач.
Технологии
Наиболее перспективными направлениями в разработке новых методов и способов транспортировки электричества без материального контакта являются:
- ультразвуковой способ;
- метод электромагнитной индукции;
- электростатическая индукция;
- микроволновое излучение;
- лазерный метод;
- электропроводность Земли.
Ультразвуковой способ
Студентами Пенсильванского университета (США) на недавней выставке в 2011 году был продемонстрирован способ передачи электротока с помощью ультразвука. Передатчик генерировал акустические волны в ультразвуковом диапазоне, приёмник преобразовывал их в электрический ток. В качестве носителя энергии ультразвук был выбран не случайно. Его воздействие на организм человека абсолютно безвредно.
Несовершенство этого способа заключается в том, что КПД передачи очень низкий, нужны прямая видимость между абонентами и ограниченность расстояния (7-10 метров).
Метод электромагнитной индукции
Работа обыкновенного трансформатора даёт представление о том, как осуществляется передача электричества без проводов методом электромагнитной индукции. В процессе участвуют две катушки. Магнитное поле, возбуждаемое протекающим током по виткам первичной обмотки, индуцирует электрический поток во вторичной обмотке трансформатора.
Примерами использования эффекта электромагнитной индукции могут быть зарядные устройства смартфонов и электрические зубные щётки. Недостатком такого способа передачи энергии является непременная близость катушек. Даже при небольшом увеличении промежутка между обмотками большая часть энергии начинает распыляться в пространстве.
Один из видов электромагнитной индукции – это использование резонанса. Суть способа заключается в том, что приёмник и передатчик функционируют в одном частотном диапазоне. Передающее и приёмное устройства представляют собой соленоид с одним слоем витков. Генерирующий прибор оснащён конденсаторной схемой, с помощью которой он настраивается на частоту приёмника.
Электростатическая индукция
В основе метода заложен принцип прохождения энергии через тело диэлектрика. Способ называют ёмкостной связью. Генератор создаёт в ёмкости электрическое поле, которое возбуждает разницу потенциалов между двумя электродами потребителя.
Никола Тесла для демонстрации беспроводной лампы освещения использовал именно метод электростатической индукции. Лампа получала питание от переменного электрического поля высокой частоты. Она светилась ровно, независимо от её перемещения в пространстве комнаты.
Микроволновое излучение
Специалисты космотехники разработали способ передачи электроэнергии от орбитальных солнечных батарей на космические корабли с помощью радиосигнала микроволнового диапазона. Проблема этого метода состоит в том, что для приёма и передачи пучкового излучения требуются антенны с очень большой диафрагмой.
Учёные НАСА в 1978 году пришли к выводу, что для передачи микроволнового луча частотой 2,45 ГГц излучающая антенна должна иметь диаметр отражающей поверхности 1 км. Приёмная ректенна должна быть диаметром 10 км. Уменьшить эти размеры возможно путём использования сверхкоротких волн. Однако сигналы такого диапазона быстро поглощаются атмосферой или блокируются дождевыми осадками.
Обратите внимание! Безопасная плотность мощности излучаемой энергии равняется 1 мВт/см2. Этой норме отвечает антенна диаметром 10 км с передающей мощностью потенциала 750 МВт.
Лазерный метод
Передачу электроэнергии на большие расстояния без проводов с помощью лазера стали осуществлять сосем недавно. Идея состоит в том, что лазерный луч, несущий в себе энергетический потенциал, попадает на фотоэлемент приёмного устройства, где высокочастотное электромагнитное излучение преобразуется в электрический ток.
Лазерная технология передачи энергии, ранее применяемая в военной области, успешно внедряется в гражданскую сферу деятельности человека. Разработки американских учёных привели к изобретению беспилотного летательного аппарата, получающего энергетическое питание от лазерного луча. В 2006 году был продемонстрирован беспилотник, который мог летать в беспосадочном режиме, питаясь от лазерной установки.
В 2009 году был успешно осуществлён эксперимент в космосе по передаче энергии на один километр мощностью 500Вт.
Электропроводность Земли
Существует теория использования недр и океанов Земли для беспроводной передачи энергии. Электропроводимость гидросферы, залежей металлических руд может быть использована для передачи низкочастотного переменного тока. Электростатическая индукция диэлектрических тел может возникать в огромных залежах кварцевого песка и тому подобных минералов.
Передача электрического тока возможна также через воздушное пространство методом электростатической индукции. Никола Тесла в своё время выдвинул предположение, что в будущем появятся технологии, которые для передачи электроэнергии будут использовать землю, океанические воды и атмосферу планеты.
Всемирная беспроводная система
Впервые о Всемирной беспроводной системе передачи электроэнергии стало известно от великого учёного Теслы. В 1904 году он заявил, что создание ВБС, используя высокую электрическую проводимость плазмы и Земли, вполне осуществимо.
Реальные проекты в наши дни
Из всего того, что на сегодня предлагает рынок электротехники, относятся к беспроводной передаче электроэнергии зарядные устройства для смартфонов, электрические зубные щётки. В них используется принцип электромагнитной индукции.
В авиастроении началось серийное производство летательных беспилотных аппаратов, питающихся за счёт беспроводной передачи электричества. Небольшой микроволновый вертолёт с ректенной может подниматься на высоту до 15 метров над землёй. Появились беспилотники, которые могут летать в зоне видимости лазерного луча.
Китайский производитель бытовой техники Haier Group с 2010 года выпускает беспроводные LCD телевизоры.
Перспективы беспроводной передачи электричества
Сейчас ведутся исследовательские работы, и разрабатываются проекты создания электромобилей, которые будут передвигаться по дорожному покрытию с токопроводом, который индуцирует электрический ток в моторе транспорта.
Ряд передовых фирм заняты разработкой беспроводных источников питания, которые смогут снабжать электроэнергией всех потребителей в пределах одного помещения.
В перспективе появление трасс, состоящих из ряда беспроводных источников электричества, которые смогут обеспечить перемещение летательных аппаратов на большие расстояния.
С появлением новых материалов, усовершенствованных приборов и изобретений беспроводная передача электроэнергии в недалёком будущем охватит все сферы деятельности человека.
Видео
Беспроводная передача электроэнергии
Многие годы ученые бьются над вопросом минимизации электрических расходов. Есть разные способы и предложения, но все, же самой известной теорией является беспроводная передача электроэнергии. Предлагаем рассмотреть, как она выполняется, кто является её изобретателем и почему пока что её не воплотили в жизнь.
Возможность передачи электроэнергии на расстояние впервые обнаружил Стивен Грей в 1720-е годы. В опытах Грея заряд передавался по шёлковому проводу на расстояние до 800 футов.
Закон открытый Андре Мари Ампером в 1820 году, о взаимодействии электрических токов, положил начало дальнейшему развитию науки об электричестве и магнетизме.
Спустя 11 лет, Майкл Фарадей экспериментально установил, что порождаемое электрическим током меняющееся магнитное поле способно индуцировать электрический ток в другом проводнике. Так был создан первый электрический трансформатор.
В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл окончательно систематизировал экспериментальные данные Фарадея, придав им форму точных математических уравнений. Благодаря которым была создана основа классической электродинамики, ведь эти уравнения описывали связь электромагнитного поля с электрическими токами и зарядами. А следствием этого должно было быть существование электромагнитных волн.
Беспроводная передача электроэнергии, первые опыты
В 1888 году Генрих Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом. Его искровой передатчик с прерывателем на основе катушки Румкорфа мог производить электромагнитные волны частотой до 0,5 гигагерц. Которые могли быть приняты несколькими приемниками, настроенными в резонанс с передатчиком.
Генрих Герц и его творение
Приемники могли располагаться на расстоянии до 3 метров, и при возникновении искры в передатчике, искры возникали и в приемниках. Так были проведены первые опыты по беспроводной передаче электрической энергии с помощью электромагнитных волн.
В 1891 году Никола Тесла, занимаясь исследованием переменных токов высокого напряжения и высокой частоты, приходит к выводу, что крайне важно для конкретных целей подбирать как длину волны, так и рабочее напряжение передатчика, и совсем не обязательно делать частоту слишком высокой. Ученый отмечает, что нижняя граница частот и напряжений, при которых ему на тот момент удалось добиться наилучших результатов, — от 15000 до 20000 колебаний в секунду при потенциале от 20000 вольт.
Никола Тесла
Тесла получал ток высокой частоты и высокого напряжения, применяя колебательный разряд конденсатора. Он заметил, что данный вид электрического передатчика пригоден как для производства света, так и для передачи электроэнергии для производства света.
В период с 1891 по 1894 годы ученый многократно демонстрирует беспроводную передачу, и свечение вакуумных трубок в высокочастотном электростатическом поле. При этом отмечая, что энергия электростатического поля поглощается лампой, преобразуясь в свет. А энергия электромагнитного поля, используемая для электромагнитной индукции с целью получения аналогичного результата, в основном отражается, и лишь малая ее доля преобразуется в свет. Даже применяя резонанс при передаче с помощью электромагнитной волны, значительного количества электрической энергии передать не удастся, утверждал ученый. Его целью в этот период работы была передача именно большого количества электрической энергии беспроводным способом.
Вплоть до 1897 года, параллельно с работой Тесла, исследования электромагнитных волн ведут: Джагдиш Боше в Индии, Александр Попов в России, и Гульельмо Маркони в Италии.
Вслед за публичными лекциями Тесла, Джагдиш Боше выступает в ноябре 1894 года в Калькутте с демонстрацией беспроводной передачи электричества, там он зажигает порох, передав электрическую энергию на расстояние.
После Боше, а именно 25 апреля 1895 года, Александр Попов, используя азбуку Морзе, передал первое радиосообщение, и эта дата (7 мая по новому стилю) отмечается теперь ежегодно в России как «День Радио».
В 1896 году Маркони, приехав в Великобританию, продемонстрировал свой аппарат, передав с помощью азбуки Морзе сигнал на расстояние 1,5 километра с крыши здания почтамта в Лондоне на другое здание. После этого он усовершенствовал свое изобретение и сумел передать сигнал по Солсберийской равнине уже на расстояние 3 километра.
Успешная беспроводная передача электроэнергии
Тесла в 1896 году удачно передает и принимает сигналы на расстоянии между передатчиком и приемником примерно в 48 километров. Однако значительного количества электрической энергии передать на большое расстояние пока никому из исследователей не удалось. Экспериментируя в Колорадо-Спрингс, в 1899 году Тесла напишет: «Несостоятельность метода индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха». Это станет началом исследований ученого, направленных на передачу электроэнергии на значительные расстояния без использования проводов.
В январе 1900 года Тесла сделает в своем дневнике запись об успешной передаче энергии на катушку, «вынесенную далеко в поле», от которой была запитана лампа. А самым грандиозным успехом ученого станет запуск 15 июня 1903 года башни Ворденклифф на Лонг-Айленде. Она была предназначена для передачи электрической энергии на значительное расстояние в больших количествах без проводов. Заземленная вторичная обмотка резонансного трансформатора, увенчанная медным сферическим куполом, должна была возбудить заряд земли и проводящие слои воздуха, чтобы стать элементом большой резонансной цепи. Так ученому удалось запитать 200 ламп по 50 Ватт на расстоянии около 40 километров от передатчика. Однако, исходя из экономической целесообразности, финансирование проекта было прекращено Морганом. Который с самого начала вкладывал деньги в проект с целью получить беспроводную связь. А передача бесплатной энергии в промышленных масштабах на расстояние его, как бизнесмена, категорически не устраивала. В 1917 году башня, предназначенная для беспроводной передачи электрической энергии, была разрушена.
БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ. ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ.
В работе исследована история беспроводной передачи энергии и рассмотрены перспективы этого научного направления. В дополнение к докладу предлжена демонстрация действующего трансформатора Тесла, собранного Пасухиным Владимиром.
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
| Фотоматериалы к докладу | 921 КБ |
| Текстовое сопровождение презентации | 41 КБ |
Предварительный просмотр:
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ. ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ. Выполнили: Крайнова Т.,Пасухин В., студенты Кстовского нефтяного техникума им.Б.И.Корнилова
Устройства с беспроводным питанием
Устройства с беспроводным питанием
Устройства с беспроводным питанием
Предварительный просмотр:
В последнее время человечество достигло больших успехов в беспроводных технологиях. Почти все телефоны обладают Bluetooth, WiFi модулями, возможна организация сети между компьютерами без прокладки десятков метров кабеля по чердакам и потолкам, можно бесплатно пользоваться интернетом в кафе, отправить по Bluetooth или WiFi на печать фотографии принтеру, стоящему в другой комнате, “поделить” интернет в офисе или квартире без путницы проводов. Это замечательно! Но остается зависимость от розетки. И над преодолением этой зависимости уже несколько лет бьются многие компании.
Научные исследования и эксперименты по беспроводной передаче энергии впервые были проведены Николой Тесла в первой половине 20-го века. Нельзя не упомянуть и предшественников Тесла в этих исследованиях – Андре Мари Ампера, открывшего закон, показывающий, что электрический ток производит магнитное поле и Майкла Фарадея и его закон электромагнитной индукции.
В настоящее время в разных странах существует ряд программ, целью которых является разработка систем беспроводной передачи электричества.
Например, в Калифорнии одобрен проект получения к 2016 году электричества из космоса компании Solaren, который предполагает сооружение космической станции с крыльями-панелями, которая 24 часа 7 дней в неделю будет вырабатывать электрический ток.
Ученые из Японского космического агентства впервые опытным путем подтвердили возможность передачи электроэнергии из космического пространства на землю, не используя проводники. Специальный датчик смог передать при помощи микроволнового излучения энергию мощностью примерно 2 киловатта на расстояние 55 километров. Этой мощности достаточно для того, чтобы довести до кипения воду в обычном чайнике.
Подобные планы были еще в 70-е годы XX века, реализовать их хотели к 90-м годам того же века. Почему не получилось?
1) первая причина – дорогивизна;
2) вторая, и главная, – способ доставки энергии на Землю. Кабель не протянешь, всю энергию придется передавать при помощи электромагнитных волн. Вариантов два: лазер и СВЧ-излучение.
Лазер
Лазер – устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Таким образом, мы получаем почти нерасходящийся пучок света с большой плотностью энергии, что облегчает прием луча и преобразование его в электричество. Но при прохождении расстояния до поверхности Земли этот луч заметно расфокусируется и в диаметре будет несколько сотен метров, и греть он будет значительно сильнее Солнца. Могут пострадать, например, пассажиры самолетов и птицы.
Другая проблема – низкий КПД. Потери случаются в трех местах: при преобразовании солнечного света в лазерный, при прохождении им атмосферы и при преобразовании лазерного луча в электричество. На выходе мы получаем лишь небольшую долю изначальной энергии. К тому же на лазер влияют и погодные условия
СВЧ-излучение
Второй способ доставки электричества на Землю – радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ), они проходят атмосферу с невысокими потерями и достаточно эффективно преобразуются в электричество. Это преобразование выполняет ректенна – выпрямляющая антенна.
Учеными подсчитано, что для передачи с орбиты 5ГВт мощности придется строить передатчик в космосе диаметром 1км и приемник на Земле диаметром 10км.
Сейчас идут работы по повышению КПД устройств приема-передачи. Вопрос безопасности решается выделением ненаселённых пространств под прием луча. Например, пустыня.
Можно будет отказаться от атомной энергетики, оставить остатки полезных ископаемых в покое, а нынешние электростанции держать на случай непредвиденных сбоев.
В текущем десятилетии прямо или косвенно сообщается о работах в Масачуссетском Технологическом Университете под руководством М. Солячича. В основе их работ лежит известный индукционный, при помощи магнитного поля, метод передачи электроэнергии, который реализован резонансными плоскими катушками индуктивности. Этот метод в идеале обеспечивает КПД=50%. Характерные показатели их демонстрационного устройства: КПД ≈ 40%, дальность передачи – 2 м, габарит катушек-антенн – 0,6 м, длина волны – 30 м.
Краткий дайджест существующих устройств с беспроводным питанием.
Компания Panasonic выпускает электрическую зубную щетку, которую можно мыть под водой. Это возможно благодаря отсутствию контактов на щетке. А заряжается она с помощью индукционного тока, когда находится в своей подставке.
Компьютерная мышь
Этот грызун от компании A4Tech не имеет проводов, но он привязан к своему коврику, от которого и питается индукционным электричеством.
Телевизор
Компания Sony продемонстрировала 22-дюймовый телевизор, который питается беспроводным способом на расстоянии 50см от передатчика.
Индукционная зарядная панель
Достаточно положить на нее телефон, и он будет заряжаться. И никаких зарядников!
WREL от Intel
WREL – Wireless Resonant Energy Link (беспроводная резонансная передача энергии) – собственная разработка компании Intel.
Разработчики заставили гореть 60Вт-ю лампочку с расстояния чуть меньше метра, а чуть позже продемонстрировали возможность работы нетбука без использования аккумулятора и работу стереосистемы (необходимые аудиосигнал и электроэнергия подавались по воздуху).
Чего ждать в будущем?
Представьте, вы приходите домой, а ваши телефон и плеер в кармане и ноутбук в рюкзаке сами начинает заряжаться; никакой возни с зарядными устройствами! Больше не нужно искать по всей квартире разрядившуюся трубку радиотелефона. И батарейки в телевизионном пульте менять не придется – их вообще не будет! Все это возможно, если появится передатчик с необходимой мощностью хотя бы на радиус 6-8 метров. Его можно будет разместить где-нибудь в центре квартиры и он обеспечит электричеством ваше жилище. А если у вас отключат электричество, всегда можно сходить в ближайшее кафе с бесплатной точкой WiTricity! Но тут возникает новая проблема – защита вашего электричества от недобросовестных соседей и студентов с ноутбуками, обтирающих стену под вашим окном. Придётся грамотно рассчитать необходимый радиус действия беспроводного электричества.
Перспективы открываются чудесные. Однако, как уже говорилось выше, влияние на здоровье человека мало изучено. Сильные магнитные поля являются источником электромагнитного излучения. И хотя разработчики утверждают, что технология безопасна для человека, никто не может предугадать, как скажется на здоровье человека такое облучение в течение долгого времени.
Беспроводная передача энергии
Ларионов, Д. В. Беспроводная передача энергии / Д. В. Ларионов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 44 (230). — С. 39-41. — URL: https://moluch.ru/archive/230/53420/ (дата обращения: 04.02.2022).
12 сентября 2017 года компания Apple в рамках традиционной осенней презентации своих новинок представила всему миру собственное беспроводное зарядное устройство. Оно стало самой обсуждаемой новинкой компании того года. Однако данный гаджет не является революционным, первыми из крупных мобильных компаний начали производить смартфоны с поддержкой беспроводной зарядки Nokia и LG, еще в 2012 году. Компания Apple всего лишь подогрела интерес к данного рода устройствам, послужив катализатором массового использования беспроводных зарядных устройств.
Разработки инженеров Nokia, LG, Apple и других производителей гаджитов, связанные с беспроводной передачей энергии, являются далеко не первыми в данной области. Ведь еще более ста лет назад в 1893 году на Колумбовской всемирной выставке, проходившей в Чикаго, Никола Тесла продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами. Это вызвало взрыв исследований, целью которых было найти наилучший способ передачи электроэнергии.
С быстрым развитием радиотехники возможности осуществления беспроводной передачи энергии только увеличивались. Целью исследований являлось — генерировать электрическое поле в одном месте так, чтобы затем можно было приборами обнаружить его на расстоянии.
Но на этом исследования не останавливались, следующим этапом было снабжение энергией не только высокочувствительных датчиков, но и небольших потребителей электрической энергии. Так, в 1904 году на Всемирной выставке в Сент-Луисе был продемонстрирован успешный запуск самолетного двигателя мощностью 0,1 лошадиной силы, осуществленный на расстоянии 30 метров [1]. В дальнейшем исследования беспроводной передачи энергии не прекращались, достигая все новых успехов, однако по различным причинам они не получили массового применения.
Беспроводная передача энергии может быть реализована при помощи различных технологий, основанных на свойствах электромагнитных полей. Такие технологии, в первую очередь, характеризуются расстоянием, на которое может быть передана энергия с максимальной эффективностью. Также немаловажен тип передаваемой электромагнитной энергии.
Выделяют два основных метода передачи. Первый основан на явлении электромагнитной индукции. Основой второго метода является электромагнитное излучение, применяются СВЧ-диапазоны и мощные узконаправленные пучки видимого света (лазеры).
Рассмотрим данные способы беспроводной передачи энергии более подробно.
Метод электромагнитной индукции.
Частным случаем электромагнитной индукции является взаимная индукция. Именно на взаимной индукции основан первый метод беспроводной передачи энергии. Взаимная индукция представляет собой возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников. При изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока, созданного током первого проводника и проходящего через контур второго, что по закону электромагнитной индукции вызывает возникновение ЭДС во втором проводнике. Чем большая часть магнитного поля первой цепи пронизывает вторую цепь, тем сильнее взаимодействие между цепями. Для увеличения плотности магнитного потока используют катушки индуктивности. Чтобы катушки эффективно взаимодействовали, необходимо их близкое расположение, так как в противном случае большая часть энергии поля тратится впустую [2].
Устройства, основанные на данном принципе, уже давно применяются в электрических сетях и даже быту. Описанное устройство представляет собой ничто иное, как трансформатор. Действительно, в трансформаторах обмотки электрически не связаны, а значит, передача энергии происходит беспроводным путем. Но, конечно же, использование трансформаторов на электростанциях и подстанциях не является наглядным применением беспроводной передачи энергии, так как обмотки находятся в общем корпусе. Но также данный способ беспроводной передачи энергии применяется для зарядки мобильных устройств, электромобилей и медицинских имплантатов. КПД таких устройств значительно ниже, чем КПД трансформатор, и составляет 40–50 %.
Метод микроволнового излучения, по сравнению с методом электромагнитной индукции, позволяет во много раз увеличить расстояние, на которое будет передана энергия. Микроволны с длиной волны 12 см, что соответствует частоте 2,45 ГГц, способны проходить через земную атмосферу фактически без потерь (при неблагоприятных погодных условиях потери составляют не более 5 %) — данное явление получило название «окно прозрачности» атмосферы.
Для использования данного метода необходимы два устройства.
Первое, магнетрон — это генератор микроволнового излучения, позволяющий преобразовать электрический ток в микроволновое излучение. Второе, приемная антенна, способная преобразовывать микроволновое излучение обратно в электрический ток.
С первой задачей преобразования электрического тока в микроволны человечество справилось настолько хорошо, что сейчас магнетрон есть практически в каждой квартире, он является неотъемлемой частью микроволновых печей.
Для выполнения второй задачи — обратного преобразования микроволнового излучения в электрический ток, существует два метода, американский и советский. Они были разработаны во второй половине ХХ века. Первая антенна, разработанная в США, получила название ректенна, а вторая, разработанная в Советском Союзе, была названа циклотронный преобразователь энергии.
В 1964 году эксперт в области СВЧ-электроники Вильям Броун впервые испытал устройство, способное преобразовывать микроволны в электрический ток. Данное устройство получило название ректенна.
Ректенна состоит из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки. Ректенны достаточно миниатюрны и имеют высокий КПД до 95 %, однако их нагрузочная способность составляет единицы ватт [1]. Поэтому для передачи больших мощностей из ректенн собирают большие приемные панели, рассчитанные на передачу определенной мощности.
Именно с именем Вильяма Броуна и его изобретением связана самая успешная беспроводная передача энергии. В 1976 году ему удалось передать СВЧ-пучком 30 кВт непрерывной мощности на расстояние 1,6 км с КПД, составляющим 82 %.
Казалось бы, после такого успешного эксперимента данная технология должна была найти широкое применение. Однако, у нее есть существенный недостаток: при небольших перегрузках полупроводниковые диполи сгорают и делают это лавинно, то есть при перегрузке на одном из полупроводников выходит из строя целая приемная панель. Ненадежность ректенн и их дороговизна стали основными факторами, которые не позволили найти применения данному методу вне лабораторных испытаний.
В 70-ых годах ХХ века в стенах МГУ, а именно на физическом факультете в лаборатории микроволновой электроники и беспроводной передачи энергии, профессором Владимиром Александровичем Ванке и доцентом Владимиром Леонидовичем Савиным был разработан циклотронный преобразователь энергии. Данное изобретение стало советским аналогом ректенн. Циклотронный преобразователь основан на возбуждении быстрой циклотронной волны электронного потока за счет подводимой СВЧ-энергии и последующем преобразовании этой энергии в поступательную энергию движения электронов [3].
Принципиальное отличие циклотронного преобразователя энергии от ректенн в том, что в его основе лежит ламповая технология и это делает его более габаритным. Циклотронный преобразователь энергии представляет собой трубку длиной 30–40 см и диаметром сечения 10–15 см. Предложенные конструктивные особенности устройства позволяют получить КПД преобразования до 80 % при уровне подводимой СВЧ-мощности порядка 10 кВт, при этом допустимы значительные колебания уровня подводимой СВЧ-мощности [4]. Данная характеристика позволяет преобразователю легко переносить перегрузки, он не имеет проблем переизлучения и стоит на порядок дешевле американского аналога.
С методами микроволнового излучения связаны два наиболее амбициозных проекта беспроводной передачи энергии.
Первый примечателен тем, что он был практически реализован. На острове Реюньон, это регион Франции, неподалеку от Мадагаскара, возникла потребность в передаче 10 кВт электроэнергии на расстояние 1 км для энергоснабжения поселка, находящегося в ущелье. Из-за сложного рельефа местности представлялось невозможным провести кабельную или воздушную линию электропередач.
Для решения данной задачи был собран целый конгломерат ученых из разных стран, в том числе в него вошли профессор В. А. Ванке и доцент В. Л. Савин. Проект разрабатывался в период с 1997 по 2005 годы, но когда все расчеты были завершены, проект заморозили из-за отсутствия финансирования.
Идея второго проекта была предложена еще в 1968 году американским физиком Питером Е. Глэйзером. Он предложил вывести спутник, укомплектованный солнечными панелями, на геостационарную орбиту Земли, там преобразовать солнечную энергию в пучок СВЧ-волн и пустить его на Землю на приемную антенну. Тогда эта идея казалась научной фантастикой, но в настоящее время о ней вспомнили. Сейчас разработку солнечной космической электростанции ведут США, Япония и Китай. Стоимость проекта оценивается приблизительно в 20–25 млрд. долларов.
Основой следующего метода беспроводной передачи энергии являются мощные узконаправленные пучки видимого света (лазеры).
Луч лазера направляется на фотоэлемент приёмника, где преобразуется в электроэнергию. При данном способе передачи энергии источник и приемник должны находиться в прямой видимости. Максимальный КПД при передаче энергии лазером достигается в безвоздушном пространстве, так как атмосфера поглощает, рассеивает свет. К тому же на КПД значительное влияние оказывают неблагоприятные погодные условия.
Данной технологией активно занимается НАСА. В настоящее время передача энергии при помощи лазера нашла свое применение в беспилотных дронах, ее используют для подзарядки в воздухе при невозможности посадить дрон.
В 2009 году НАСА организовало соревнование по беспроводной передаче энергии лазерным пучком, приз за первое место в котором составлял 900 тыс. долларов. Победителем в данном соревновании стала компания LaserMotive, ее специалистам удалось передать 500 Вт на расстояние 1 км с КПД 10 % [5].
В итоге, мы имеем три способа беспроводной передачи энергии, рассмотренные в данной статье.
Первый — метод электромагнитной индукции, позволяет передавать энергию на очень малые расстояния. В настоящее время данный метод нашел свое применение в быту в беспроводных зарядных устройствах для различных гаджетов. Данный метод обладает небольшой эффективностью из-за невысокого КПД.
Метод микроволнового излучения в настоящее время является одним из самых перспективных. Он обладает высоким КПД и возможностью передачи энергии на Земле, в космосе, с Земли в космос, из космоса на Землю, а также с Земли в космос и обратно на Землю. Именно при помощи метода микроволнового излучения планируется передавать энергию с солнечных космических электростанций.
Заключительный метод передачи энергии при помощи лазера является наименее эффективным, но порой необходимым для подзарядки беспилотных устройств. Однако наука не стоит на месте и, возможно, передача энергии при помощи лазера станет не менее эффективной, чем метод микроволнового излучения. И именно с их помощью будет происходить дальнейшее освоение космоса.
Но когда же все эти технологии станут для нас обыденностью? Сказать сложно. Вряд ли это произойдет в ближайшие 10–15 лет, скорее приходится надеется на вторую половину ХХI века. А пока остается довольствоваться беспроводными зарядными устройствами, основанными на методе электромагнитной индукции.
1. Статья «Передача электроэнергии без проводов — от начала до наших дней» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: https://habr.com/post/373183/
2. Статья «Взаимная индукция» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: http://www.hydromuseum.ru/ru/encyclopedia/glossary/Vzaimnaya_indukciya/
3. Ванке В. А. Статья: «СВЧ-электроника» // Журнал, «Электроэнергетика. Наука. Технология. Бизнес». — № 5 2007 г.
4. Ванке В. А. Статья: «Электроэнергетика из космоса» // Журнал, «Радиоэлектроника» — № 12 2007 г.
5. Статья «Три способа передачи энергии без проводов» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: https://domikelectrica.ru/3-sposoba-peredachi-energii-bez-provodov/
Основные термины (генерируются автоматически): беспроводная передача энергии, микроволновое излучение, электромагнитная индукция, электрический ток, передача энергии, устройство, циклотронный преобразователь энергии, взаимная индукция, помощь лазера, расстояние.
По заветам и технологиям Николы Тесла — беспроводная передача электроэнергии на большие расстояния уже реальность
Сербско-американский физик и изобретатель Никола Тесла более ста лет назад представил технологию беспроводной передачи электроэнергии. Основой технологии был электрический резонансный трансформатор «Катушка Тесла». Технология была работоспособной даже при тех технических возможностях и доступных материалах. На демонстрациях трансформатор передавал энергию на несколько метров, зажигая лампы накаливания. И конечно мечты и стремления Николы Тесла выходили далеко за пределы этого прототипа. Он уже тогда представлял мир будущего, где человечество использует электрические машины во всех сферах жизнедеятельности, а электроэнергия для их работы передаётся без помощи проводов.
В интервью для «The American Magazine» Тесла описал своё видение будущего так: «Может быть, что в ближайшем будущем электричество для коммерческих целей, таких как освещение домов, работа транспорта, будет передаваться без проводов. Я открыл основные принципы этого процесса, и остаётся только развивать их коммерчески. Когда это будет сделано, вы сможете отправиться в любую точку мира — на вершину горы с видом на вашу ферму, в Арктику или в пустыню — и установить небольшое устройство, которое даст вам тепло, чтобы готовить, и свет, чтобы читать».
К сожалению, мечтам Теслы тогда не суждено было реализоваться. Финансирование проекта строительства передающей «Башни Уорденклиффа» (Wardenclyffe Tower) было прекращено Джей-Пи Морганом, после чего Тесла обанкротился, а проект беспроводной передачи электроэнергии был фактически уничтожен, как и сама башня, в 1917 году. Кто-то на этих основаниях строит конспирологические теории, но на самом деле всё элементарно, и предельно просто и прозаично. Всё дело в деньгах. Примерно в те же годы, появившиеся раньше ДВС, электромобили начали сдавать свои позиции под натиском бензиновых автомобилей. Ведь проще качать нефть и «перегонять» её в бензин, чем строить электростанции, зарядные станции… Просто человечество тогда ещё не было психологически и интеллектуально готово к эре электрификации транспорта, и беспроводной передачи энергии. И на десятилетия города погрузилось в смог от ДВС, и угольных ТЭС, а над головами растянулись паутины линий электропередач, от высоковольтных ЛЭП, до линий питания троллейбусов, трамваев, и железнодорожных поездов.
Но всё изменилось в 21-ом веке. Имя Николы Тесла было поднято на знамёна автомобильными компаниями Tesla Илона Маска, и Nikola motor Тревора Милтона, а интерес к технологии «Катушки Тесла» неосознанно, но начали закладывать даже с детсадовского возраста, показывая детям и школьникам «Тесла-шоу».
И история покатилась в новом направлении. Электромобили стали не просто мейнстримом, они постепенно начинают вытеснять ископаемотопливные чадилки из производства, с улиц, и что самое главное, из сознания людей. Беспроводными зарядками сейчас уже никого не удивишь. Так заряжают не только телефоны, но уже существует соответствующее оборудование для беспроводной зарядки электромобилей, и электробусов. Кстати, из городов постепенно исчезают троллейбусы и необходимая им проводная сеть электропередачи. Это тоже признак наступления новой эры, о которой мечтал Тесла.
Вообще говоря, беспроводная передача энергии может быть достигнута с помощью различных методов, включая:
- Индуктивная связь
- Магнитно-резонансная индукция
- Электростатическая индукция
- Резонансная индуктивная связь
- Передача микроволновой энергии
- Передача мощности лазера
Первые четыре варианта применимы только для коротких дистанций, в то время как последние два специально разработаны для беспроводной передачи энергии на большие расстояния.
Но что до самой передачи больших объёмов электроэнергии на расстояния?
Технология Николы Тесла не исчезла, и никуда не пропала. В Новой Зеландии стартап Emrod разработал метод безопасной и беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния без использования проводов, и работает по внедрению этой технологии на островах со вторым по величине дистрибьютором электроэнергии в стране, Powerco. Emrod подали заявки на патенты, и представили прототип передающих и принимающих трансформаторов в 2019 году. По сути, это открытие миру доступа к энергии с помощью первой коммерчески жизнеспособной технологии беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния.
Emrod — «Нас в Emrod вдохновляет работа Николы Тесла и его мечта о беспроводной энергетической системе. Наша технология значительно отличается от Wardenclyffe Tower Теслы, мы приближаемся к реализации его концепции беспроводной передачи энергии на большие расстояния. Более века назад Никола Тесла попытался воплотить в жизнь свое видение беспроводной передачи энергии, и хотя ему не удалось конкретно реализовать свое видение, он заложил идею, которая захватила воображение многих людей, в том числе и наше.
Нас часто спрашивают о разнице между технологиями беспроводной передачи энергии на большие расстояния (WPT) Emrod и Tesla. Наука и технологии, лежащие в основе этих двух систем, существенно различаются концептуально и технически. Emrod разработал однонаправленную систему WPT, передающую мощность от одной конкретной точки к другой. Тесла разрабатывал всенаправленную систему WPT, предназначенную для передачи энергии во всех направлениях через землю.
За столетие, последовавшее за экспериментами Теслы, было много прорывов, и теперь мы находимся в то время, когда коммерчески жизнеспособные приложения WPT с большим радиусом действия стали реальностью. В Emrod мы разработали эффективную систему WPT для передачи энергии на большие расстояния без проводов и с достаточной эффективностью, чтобы быть жизнеспособной альтернативой линиям электропередач в определенных случаях использования.
Хотя наша технология значительно отличается от того, над чем работал Тесла, мы вдохновлены его работой и разделяем его видение беспроводного будущего. Его изобретения легли в основу многих электронных технологий, которые изменили цивилизацию, включая технологию беспроводной связи. Он открыл умы людей для возможности создания систем беспроводной передачей энергии на большие расстояния. Теперь, более века спустя, это становится реальностью»
Emrod использует лучи в диапазоне ISM (промышленный, научный и медицинский) с частотами, обычно используемыми в WiFi, Bluetooth и RfID. Двухточечная передача означает, что мощность передаётся напрямую между двумя точками. Вокруг луча нет излучения, как при передаче по высоковольтному проводу. Маломощная лазерная защитная завеса (система безопасности) гарантирует, что передающий луч немедленно отключится до того, как какой-либо приходящий объект (например, птица или вертолёт) достигнет пространства главного луча, гарантируя, что он никогда не коснется чего-либо, кроме чистого воздуха. Система снижает риск поражения электрическим током, что возможно при проводной передачи электроэнергии.
Технология энергетического излучения, которую использует Emrod, была опробована и раньше, но в основном для военных целей или для использования в космическом пространстве. В 1975 году НАСА использовало микроволновые излучатели для передачи 34 кВт электроэнергии на расстояние 1,6 км. И это всё ещё является рекордом по мощности и расстоянию передачи.
Но, как вы понимаете, тогда никто и не думал попробовать применить эту технологию в коммерческих целях. Представляете, сколько денег из-за неё потеряют только металлургические заводы, у которых пропадут заказы на сотни тысяч километров высоковольтных проводов.
По словам основателя Emrod, Грега Кушнира, они начнут с передачи «нескольких киловатт» на 1,8 км, а затем они будут постепенно увеличивать мощность и расстояние. Важнейшей переменной является эффективность, с которой это можно сделать. По словам Кушнира, сейчас это около 60%. Это, как он считает, уже достаточно хорошо, чтобы сделать передачу энергии коммерчески жизнеспособной в некоторых обстоятельствах, например, в удалённых районах, не тратя деньги на дорогостоящие линии электропередачи. Но, чтобы улучшить КПД, у Emrod есть ещё два козыря в рукаве. Один из них — использовать реле. Другой — добавить в приемники так называемые метаматериалы.
Реле, которые представляют собой пассивные устройства, которые не потребляют энергию, работают как линзы, перефокусируя микроволновый луч и отправляя его по своему пути с минимальными потерями при передаче. Они также могут направить его, если необходимо, в новом направлении. Это означает, что передатчик и приёмник не обязательно должны находиться в зоне прямой видимости друг друга.
Метаматериалы — это композиты, содержащие крошечные количества проводящих металлов и изолирующие пластмассы, расположенные таким образом, что они определенным образом взаимодействуют с электромагнитным излучением, таким как микроволны. Они уже используются в так называемых маскирующих устройствах, которые помогают военным кораблям и военным самолётам укрываться от радаров. Но их также можно использовать в приёмной антенне для более эффективного преобразования электромагнитных волн в электричество. То есть тут мы имеем дело с фактически применением стелс-технологии в гражданских целях. И в этом, кстати, нет ничего удивительного. Ранее SpaceX фактически ввело в гражданский обиход технологию фазированной антенной решётки, которая стала основой приёмо-передающей антенны, входящей в комплект абонентского оборудования Starlink. Ранее эта технология, всего каких-то пять лет назад, применялась только военным.
Распространение мощных микроволн по воздуху сопряжено с риском. В конце концов, подобные волны — это средства, с помощью которых микроволновые печи нагревают то, что в них помещено.
Emrod говорит, что кратковременное воздействие его лучей не должно причинить никакого вреда людям или животным, поскольку плотность мощности излучения относительно низкая. Тем не менее, чтобы избежать несчастных случаев, лучи будут окружены так называемыми лазерными завесами. Это маломощные лазерные лучи, которые сами по себе не вредны. Но если «занавес» сдвигается из-за внешнего вмешательства, такого как птицы или низколетящие вертолёты (которые в Новой Зеландии используются для контроля отар овец), это прерывание будет немедленно обнаружено, и микроволновая передача временно отключится. Батареи на принимающей стороне будут заряжаться во время любых отключений.
Идеи Николы Тесла распространяются по миру, и находят всё больше сторонников
Разработкой систем беспроводной передачи электроэнергии заняты ещё несколько компаний в мире. К примеру, TransferFi из Сингапура, разрабатывает систему, которая формирует лучи радиоволн, которые обычно имеют более низкую частоту, чем микроволны, для передачи мощности конкретным приёмным устройствам, предназначенным для зарядки гаджетов на фабриках, офисах, и в домах.
Американская фирма PowerLight Technologies работает с вооруженными силами над использованием лазеров для передачи энергии на удалённые базы, а также для питания беспилотных летательных аппаратов, когда они находятся в воздухе. Компания также уделяет внимание коммерческим приложениям.
Так что мечты Николы Тесла постепенно сбываются. И как электромобили сейчас, через более чем сто лет, стали магистральным путём развития мирового автопрома, так и технология беспроводной передачи электроэнергии также найдёт свое коммерческое применение, и станет элементом повседневной реальности. Всё только начинается!
Уважаемые читатели, чтобы не пропустить наши свежие статьи вы можете подписаться на наш Телеграм-канал . Оставляйте комментарии, ставьте лайки, делайте репосты (кнопки соцсетей есть в конце каждого материала). Ваше участие нам очень важно!
