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:
- 209 Вт на 5 м;
- 471 Вт на 4 м;
- 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.
Источник
Применение и перспективы беспроводной передачи электричества
Люди давно искали беспроводной способ передачи электроэнергии. Только представь, во сколько раз бы стала дешевле электроэнергия без затрачиваемых ресурсов на токопроводящую продукцию. С каждый днем мир меняется, научно-техническая революция двигается вперед. Уже сейчас можно судить по новым разработкам в этой сфере, что в скором времени мечта людей сбудется. Вероятно, это будет таким же прорывом, как и развитие компьютеров. А если ты является инвестором, то еще и сможешь зарабатывать с помощью такой технологии большие деньги.
В настоящее время это одна из приоритетных задач, так как отличается огромным потенциалом и способна найти активное применение в гражданской и военной сфере. Она позволит отказаться полностью от проводов, ведь электричество будет поступать по воздуху или земле. Отпадет потребность в громоздких аккумуляторах, приборы будут более компактными. Кроме того, производители предложат усовершенствованные переносные устройства.
К истокам появления
В 1893 году проходила выставка в Чикаго. На ней была демонстрация беспроводного освещения, в которой все действовало за счет люминесцентных ламп. Это работа принадлежала Николе Тесла.
Сейчас эксперимент сможешь повторить и ты – просто встань с лампой дневного света под линией с высоким напряжением. А тогда это было больше похоже на сеанс магии, поэтому изобретатель получил такую популярность.
Сегодня не каждый ученый согласится, что именно Тесле принадлежит идея создания беспроводного электричества. Они считают, что его работы – это доработка уже существующей идеи. Например, за 73 года до выставки, Андре Ампер записал закон, который указывает, что при использовании электротока возникает магнитное поле. Через одиннадцать лет, Майкл Фарадей открыл закон индукции. Был проведен опыт, который показал, что генерируемое в одном проводнике магнитное поле индуцирует ток в другой проводник.
В 1864 году произошло объединение всех теорий. Работа принадлежит Джеймсу Максвеллу. Он пришел к уравнению, которое описывало электромагнитное поле, а также связь с электрозарядами и токами в вакууме.
Спустя двадцать семь лет Тесла модернизировал передатчик волн, который изобрел Герц немного ранее. Он запатентовал его в качестве устройства для радиочастотного энергоснабжения.
Принцип работы
Беспроводная электроэнергия – это в буквальном смысле передача электричества на расстоянии без использования проводов. Чаще такая технология сравнивается с передачей информационных данных, например, с Wi-Fi, мобильным телефоном. Сейчас ведутся разработки специальных методов, которые улучшат процесс и сделают его ровным, без перебоев.
Основой для данной технологии служат магнетизм и электромагнетизм, а также простые принципы работы. Речь идет о наличии системы, которая состоит из двух катушек – передатчика и приемника. Благодаря их совместной работе регенерируется переменное магнитное поле, а затем возникает не постоянный ток. Напряжение в катушке приемника используется, например, чтобы зарядить аккумулятор или питание смартфона. Электроток, проходящий через провод вокруг кабеля, вызывает круговое поле. Тот проволочный моток, который остался без тока, принимает электроток от первой катушки. Так обеспечивается индуктивная связь.
Как происходит передача?
Если рассматривать последние разработки американских и корейских ученых, то ведущая роль в них принадлежит магнитно-резонансным системам CMRS и DCRS. Технология исследователей из Южной Кореи более совершена. Они сумели передать электрическую энергию на пять метров. За счет работы компактных дипольных катушек DCRS, появилась возможность запитать каждого потребителя в помещении средних размеров без использования проводов.
Конечно, современная аппаратура не столь совершенна, так как есть ограничение длины пути электричества по воздуху. Но мировые ученые работают над этим. Уже сегодня можно заметить, как новые достижения входят в повседневную жизнь.
Технологии
Речь идет о наиболее перспективных направлениях, связанных с разработкой новых методов и способом транспортировки электроэнергии без материального контакта.
Ультразвуковой способ
Технологию продемонстрировали десять лет назад. Студенты из университета Пенсильвании воспользовались ультразвуковым передатчиком и приемником, чтобы показать свой эксперимент. Радиус действия достиг десяти метров. Передаваемые частоты не оказали никакого воздействия на человека или животного. Но были и недостатки: низкий КПД и отсутствие прямой видимости между «узлами».
Электромагнитная индукция
Чтобы понять его принцип действия, вспомни, как работает обыкновенный трансформатор. Имеются две катушки и ток, который протекает от первичной обмотки ко вторичной.
У такого метода есть недостаток. Он заключается в близости катушек. Другими словами, много энергии уходит в пространство.
Метод электростатической индукции
Суть в прохождении энергии сквозь тело диэлектрика. Способ носит название «Емкостная связь». Благодаря работе генератора возникает электрополе, возбуждающее разницу потенциалов. Последняя возникает между двумя электродами.
Микроволновое излучение
Ценник на такое оборудование довольно высокий. Но и работа не отстает – отличается большой дальностью действия. Передатчиком выступает радиоантенна. Она отлично справляется с созданием микроволнового излучения. Приемник оснащен ректенной, преобразующей последнее в электроток. Благодаря такой технологии приемник может находиться на дальнем расстоянии от передатчика.
Лазерный метод
Передача энергии происходит за счет преобразования ее в луч. Последний дальше следует на фотоэлемент приемника. Это позволяет передать большой объем. Но есть и нюанс – планы разбиваются об атмосферу и энергия рассеивается. Конечно, не вся, но шестьдесят процентов точно. Такая технология может применяться и в безвоздушном пространстве.
Электропроводность Земли
Гидросфера и залежи металлических руд используются, чтобы передавать ток на низких частотах. Очагом возникновения могут стать огромные залежи кварцевого песка.
Всемирная беспроводная система
Метод возник в 1904 году. Тесла заявил, что создание такой системы при использовании повышенной электропроводности плазмы и Земли, вполне имеет место.
Реальные проекты сегодня
Самый распространенный девайс в наши дни – зарядное устройство. Речь идет не только о смартфоне или планшете. Это может быть, например, робот-пылесос, электрический самокат и зубная щетка.
Перспективы
На данный момент проходят исследования и разработку проектов по созданию электромобилей. Они будут передвигаться с использованием токопровода, индуцирующим ток в моторе транспортного средства.
Многие передовые фирмы разрабатывают беспроводной способ передачи электроэнергии для источников питания. Такие устройства должны будут давать энергию всем потребителям, которые находятся в одном помещении. Перспективным направлением являются и новые трассы, которые за счет беспроводного источника обеспечат перемещение летающего аппарата на существенном расстоянии. Новые материалы, усовершенствованные приборы и многое другое со временем охватят все сферы человеческой деятельности.
Источник
3 способа передачи энергии без проводов — от Теслы до наших дней.
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
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:
Данным способом вы не передадите большие объемы и не сможете подключить мощные приборы. А попытаетесь это сделать, то просто поплавите все обмотки.
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.
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:
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:
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:
- 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.
Источник
