3 способа беспроводной передачи энергии — Тесла как всегда был прав. Лазеры, микроволны и катушки индуктивности.

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.

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.

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

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

Он даже дал ей свое название – ректенна.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    надежность
    большая мощность
    стойкость к перегрузкам
    отсутствие переизлучения
    невысокая цена изготовления

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.

Резонансный метод беспроводной передачи электрической энергии Николы Тесла

В начале 20 века ученый Никола Тесла, уроженец Хорватии, работавший тогда в Нью-Йорке, разработал новаторский метод передачи электрической энергии на большие расстояния без проводов, с применением явления электрического резонанса, изучению которого ученый уделял тогда особое внимание. До этого он уже в достаточной степени изучил возможности переменного тока, и отчетливо понимал технические перспективы его применения, однако впереди был следующий важный шаг – система беспроводной передачи электрической энергии.

Согласно представлениям ученого, в такой системе передачи электроэнергии планета Земля выступала в роли электрического проводника, в котором с помощью электрических осцилляторов (электрических колебательных систем) можно было возбуждать стоячие волны. К данному выводу Тесла пришел благодаря наблюдениям за электрическими возмущениями, распространявшимися по поверхности земли после разрядов молний во время грозы.

Тесла зафиксировал с помощью своих приборов, что длина волн, порождаемых разрядами молний, варьируется в диапазоне от 25 до 70 километров, и что эти волны распространяются во всех направлениях земного шара. Мало того, ученый понял, что эти волны не только распространяются до самых отдаленных частей планеты, но и отражаются оттуда, и что длина волн непосредственно связана с размерами земного шара.

Тесла решил, что, создавая подобные электрические возмущения искусственным путем, можно передавать электрическую энергию во всех направлениях планеты, используя это ее свойство. Однако, несмотря на понимание наблюдаемого процесса, техническая реализация стала сложной инженерной задачей.

Требовалось обеспечить высокую скорость передачи электричества в Землю, как это происходит в природных условиях, ведь размеры планеты огромны, а возможности экспериментатора казались просто пылью по сравнению с возможностями природы.

Но, совершенствуя схемы питания своих осцилляторов, и проводя исследования в лаборатории, Тесла, в конце концов, находит решение, он вдруг понимает каким образом создать мощные электрические возмущения в Земле, чтобы скорость подачи электроэнергии не уступала природным.

Если очень качественно заземлить многовитковую катушку, длина провода в которой будет равна четверти длины волны колебаний, возбуждаемых осциллятором, и подать эти колебания на катушку, то в этой заземленной катушке возникнут колебания максимальной силы, и действие в точке заземления будет максимально возможным в силу явления электрического резонанса.

Читайте также:  Отделка дома снаружи: способы укрепить здание и сделать фасад привлекательным

Если второй вывод такой заземленной катушки соединить с металлическим предметом достаточной кривизны, чтобы заряд не утекал в атмосферу, а также подходящей электроемкости, и поднять этот предмет на достаточную высоту, то заряд в этой верхней точке будет максимально возможным, ведь в проводе будет иметь место стоячая электрическая волна, узел которой будет находиться в точке заземления, а пучность – на другом, поднятом на высоту конце катушки. Так, экспериментируя с заземленным резонансным контуром, ученому удалось достичь движения электричества через систему со скоростью, превосходящей природную молнию.

Приемник этой энергии представлял собой воздушный (без сердечника) трансформатор, первичная обмотка которого была такой же, как передающая катушка, и тоже располагалась вертикально, также имела поднятый вверх металлический терминал, и тоже была заземлена, а вторичная катушка состояла из нескольких витков относительно толстого провода, которые располагались вблизи заземленного конца первичной обмотки, и служили для подачи энергии на потребитель.

Шагом совершенствования приемника была разработка своеобразного синхронного выпрямителя, состоящего из вращающегося коммутатора, целью работы которого была зарядка конденсатора на выходе приемной катушки, что повышало эффективность применения принятой от передатчика энергии.

Тесла особенно отмечал в своих статьях, что разработанный им метод беспроводной передачи электрической энергии основан на проводимости, а не на излучении. Если бы система была основана на излучении, то было бы просто невозможным передавать сколько-нибудь значительное количество энергии на расстояние.

Энергия в системе Тесла передавалась через землю, а поднятые терминалы, заряжаемые до очень высоких напряжений, взаимодействовали благодаря электрической проводимости воздушных слоев, и передаваемая энергия практически была доступна в любом месте планеты, благодаря электрическому резонансу.

Тесла сумел продемонстрировать это, когда ему удалось зажечь 200 ламп на расстоянии 40 километров от передатчика. Энергия не передавалась излучением, она практически регенерировалась в приемнике. Ученый утверждал, что, развив его технологию, можно будет беспроводным способом принимать электрическую энергию в любом необходимом количестве в любой точке земного шара.

Исследовательская работа «передача электричества без проводов»

Глава II. Практическая часть

2.1. Сборка установки качера Бровин

Рассмотрим этапы сборки данного прибора в домашних условиях.

Базовые элементы Качера:

  1. катушка индуктивности (вторичная обмотка);
  2. индуктор (первичная обмотка);
  3. плата.
  4. корпус

Схема, которой я руководствовался при сборке, выглядит следующим образом:

  1. Полихлорвиниловая (ПВХ) труба диаметром не меньше 25 мм и длиной 30 см(от этого будет зависеть дальность свечения лампочек). Я использовал трубу диаметром около 55 мм.
  2. Для изготовления вторичной обмотки качера я использовал медную проволоку, покрытую двойным слоем лака и диаметром 0,20 мм. Её следует намотать на трубу, не менее 1500 витков. (на моем экземпляре качера намотано около 2000 витков.) Через каждые несколько сантиметров я наносил на свежие витки клей, иначе обмотка может сбиться и перепутаться.
  3. Для изготовления первичной обмотки мне потребовался медный провод диаметром 0,5 см, его надо намотать вокруг вторичной катушки. Необходимо сделать около 4 витков. Все обмотки наматываем в одну сторону! Устанавливаем и закрепляем трубу с обмоткой на фанерке или доске, первичную обмотку растягиваем на 1/3 вторичной. Обмотки не должны соприкасаться! Потом вплавляем в трубу сверху металлическую проволоку, размером со швейную иглу и припаиваем к ней конец обмотки. Далее прикручиваем к платформе рядом с катушками радиатор для транзистора, промазываем основание теплопроводной пастой и прикручиваем транзистор к радиатору металлической панелькой.

Для изготовления платы мне понадобились следующие радиодетали:

  1. дроссель,
  2. конденсатор неполярный (1000 v 3000 μF),
  3. 2 резистора (2,2 кОм и 150 Ом),
  4. транзистор NPN, чем мощнее, тем лучше (их можно найти в обычном блоке питания ПК или на плате старых ламповых телевизоров).

Все монтируется, как показано на схеме (рис. 1). Припаиваем провода питания.

Далее я смастерил корпус для качера из ДВП. Кнопку включения питания разместил на верхней панели и зафиксировал ее термоклеем. Корпус и катушку покрыл бесцветным лаком. Конструкция готова! (рис. 2)

Данное устройство необходимо подключить к блоку питания с напряжением от 12 до 38 v, который я тоже сконструировал самостоятельно (рис. 3)

Проверка качера осуществляется поднесением люминесцентной лампочки к вторичной обмотке, при правильном соединении она загорится. При касании вторичной обмотки металлическим предметом между ними будет разряд. Если качер не работает, то нужно проверить правильность сборки схемы или попробовать поменять концы первичной обмотки.

2.2. Эффекты, наблюдаемые при работе качера Бровина

Рассмотрим эффекты, наблюдаемые при работе Качера Бровина, который я сконструировал в домашних условиях.

  1. Поднесем лампу дневного света к вторичной обмотке, мы видим, что она загорается. (рис. 4) Если поднести к качеру газоразрядную лампу, то она тоже начинает светиться. (рис. 5) Такой же эффект наблюдается и с другими подобными лампами. Так же в обычной лампе накаливания можно увидеть так называемый тлеющий разряд. (рис. 6)

  1. Во время работы качер создаѐт красивые эффекты, связанные с образованием различных видов газовых разрядов – совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Разряды качера Бровина:

Стример (от англ. Streamer) — тускло светящиеся тонкие разветвлѐнные каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщеплѐнные от них свободные электроны. Стример — видимая ионизация воздуха (свечение ионов), создаваемая ВВ – полем Качера. (рис. 7)

Дуговой разряд— образуется во многих случаях. Например, при достаточной мощности трансформатора, если к его терминалу близко поднести заземлѐнный предмет, между ним и терминалом может загореться дуга. Иногда нужно непосредственно прикоснуться предметом к терминалу и потом растянуть дугу, отводя предмет на большее расстояние. (рис. 8)

История развития

Развитие передачи электроэнергии без проводов на расстояние связано с прогрессом в области радиотехники, так как оба процесса имеют одинаковую природу. Изобретения в обеих областях связаны с исследованием метода электромагнитной индукции и ее воздействия на образование электрического тока.

В 1820 году А.М. Ампер открыл закон взаимодействия токов, который заключался, в том, что если по двум близко расположенным проводникам ток течет в одном направлении, то они притягиваются друг к другу, а если в разных, то отталкиваются.

М. Фарадей в 1831 году установил в процессе проведения экспериментов, что переменное (меняющееся по величине и направлении во времени) магнитное поле, порождаемое протеканием электрического тока, наводит (индуцирует) токи в близлежащих проводниках. Т.е. происходит передача электроэнергии без проводов. Подробно закон Фарадея мы рассматривали в статье ранее.

Ну а Дж. К. Максвелл еще через 33 года, в 1864 году перевел экспериментальные данные Фарадея в математический вид, собственно уравнения Максвелла являются основополагающими в электродинамике. Они описывают, как связаны электрический ток и электромагнитное поле.

Существование электромагнитных волн подтвердил в 1888 Г. Герц, в ходе своих экспериментов с искровым передатчиком с прерывателем на катушке Румкорфа. Таким образом производились ЭМ волны с частотой до пол гигагерца. Стоит отметить, что эти волны могли быть приняты несколькими приемниками, но те должны быть настроены в резонанс с передатчиком. Радиус действия установки был в районе 3-х метров. Когда в передатчике возникала искра, такие же возникали и на приемниках. Фактически это и есть первые опыты по передачи электроэнергии без проводов.

Глубокие исследования вел известный ученый Никола Тесла. Он в 1891 году изучал переменный ток высокого напряжения и частоты. В результате чего были сделаны выводы:

Для каждой конкретной цели нужно настраивать установку на соответствующую частоту и напряжение. При этом высокая частота не является обязательным условием. Лучшие результаты удалось добиться при частоте 15-20 кГц и напряжении передатчика 20кВ. Чтобы получить ток высокой частоты и напряжения использовался колебательный разряд конденсатора. Таким образом, можно передавать как электроэнергию, так и производить свет.

Ученный на своих выступлениях и лекциях демонстрировал свечение ламп (вакуумных трубок) под воздействием высокочастотного электростатического поля. Собственно основными заключениями Теслы было то, что даже в случае использования резонансных систем много энергии с помощью электромагнитной волны передать не получится.

Параллельно целый ряд ученных до 1897 года занимались подобными исследованиями: Джагдиш Боше в Индии, Александр Попов в России и Гульельмо Маркони в Италии.

Каждый из них внес свой вклад в развитие беспроводной передачи электроэнергии:

  1. Дж. Боше в 1894 году, зажигал порох, передав электроэнергию на расстояние без проводов. Это он сделал на демонстрации в Калькутте.
  2. А. Попов в 25 апреля (7 мая) 1895 года с помощью азбуки Морзе передал первое сообщение. В России до сих пор этот день, 7 мая, является Днём Радио.
  3. В 1896 году Г. Маркони в Великобритании также передал радиосигнал (азбука Морзе) на расстояние в 1,5 км, позже на 3 км на Солсберийской равнине.

Стоит отметить, что работы Тесла, недооценённые в свое время и потерянные на века, превосходили по параметрам и возможностям работы его современников. В тоже время, а именно в 1896 году его аппараты передавали сигнал на большие расстояния (48 км), к сожалению это было небольшим количеством электроэнергии.

И к 1899 году Тесла приходит к выводу:

Несостоятельность метода индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха.

Эти выводу приведут к другим исследованиям, в 1900 году ему удалось запитать лампу от катушки, вынесенной в поле, а в 1903 году была запущена башня Вондерклифф на Лонг-Айленде. Она состояла из трансформатора с заземленной вторичной обмоткой, а на её вершине стоял медный сферический купол. С её помощью получилось зажечь 200 50-ватных ламп. При этом передатчик находился за 40 км от неё. К сожалению, эти исследования были прерваны, финансирование было прекращено, а бесплатная передача электроэнергии без проводов была экономически не выгодной бизнесменам. Башню разрушили в 1917 году.

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.

Питание электромобиля

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.

Ждать осталось сравнительно недолго. Если японцы сдержат обещания, в 2020 году вся домашняя техника, компьютеры и портативные устройства смогут избавиться от гнета проводов, поработивших человечество. Покупателю нужно будет всего лишь привезти, скажем, новый телевизор домой, повесить его на стену и начать смотреть кино буквально сразу же — не задумываясь о том, за какой ширмой припрятать уродливый черный кабель питания. На улицах, в квартирах, в кафе будут встроены беспроводные передатчики энергии, которые позволят людям забыть о разрядившихся батареях. Конечно, на окончательное воплощение подобных идей в жизнь уйдет далеко не десять лет, но все шансы дожить до светлого будущего у нас есть. Тем более что вполне работоспособные технологии уже существуют. Жаль только, что Никола Тесла не увидит этого дня…

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.

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.

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.

В наши дни

Технологии беспроводной передачи электроэнергии сильно шагнули вперед, в основном в области передачи данных. Так значительных успехов достигла радиосвязь, беспроводные технологии типа Bluetooth и Wi-fi. Особых нововведений не произошло, в основном изменялись частоты, способы шифровки сигнала, представление сигнала перешло из аналогового в цифровой вид.

Если вести речь о передаче электроэнергии без проводов для питания электрооборудования, стоит упомянуть о том, что в 2007 году исследователи из Массачусетского института передали энергию на 2 метра и зажгли 60-ваттную лампочку таким образом. Эта технология получила названия WiTricity, в её основе электромагнитный резонанс приемника и передатчика. Стоит отметить, что приемник получает порядка 40-45% электроэнергии. Обобщенная схема устройства для передачи энергии через магнитное поле изображена на рисунке ниже:

Читайте также:  Как обжать наконечник без инструмента — 3 простых способа

На видео пример применения этой технологии для зарядки электромобиля. Суть заключается в том, что на дно электромобиля крепят приемник, а в гараже или на другом месте устанавливают передатчик на полу.

Вы должны поставить машину так, чтобы приемник располагался над передатчиком. Устройство передает достаточно много электроэнергии без проводов – от 3,6 до 11 кВт в час.

Компания в перспективе рассматривает обеспечение электричеством такой технологией и бытовой техники, а также всей квартиры в целом. В 2010 году компания Haier представила беспроводной телевизор, который получает питание с помощью аналогичной технологии, а также видеосигнал без проводов. Подобные разработки ведут и другие передовые компании, такие как Intel, Sony.

В быту широко распространены технологии беспроводной передачи электроэнергии, например, для зарядки смартфона. Принцип аналогичный – есть передатчик, есть приемник, КПД порядка 50%, т.е. для заряда током в 1А передатчик будет потреблять 2А. Передатчик обычно в таких комплектах называется базой, а та часть, что подключается к телефону – приемником или антенной.

Другой нишей является беспроводная передача электричества с помощью микроволн или лазера. Это обеспечивает больший радиус действия, нежели пара метров, которые обеспечивает магнитная индукция. В микроволновом способе на принимающее устройство устанавливают ректенну (нелинейная антенна для преобразования электромагнитной волны в постоянный ток), а передатчик направляет своё излучение в эту сторону. В таком варианте беспроводной передачи электричества отсутствует необходимость прямой видимости объектов. Минусом является то, что микроволновое излучение небезопасно для окружающей среды.

Рекомендуем просмотреть видео, на котором более подробно рассмотрен вопрос:

В заключение хотелось бы отметить — беспроводная передача электричества, безусловно, удобна для использования в повседневной жизни, но у неё есть свои плюсы и минусы. Если говорить об использовании таких технологий для заряда гаджетов, то плюсом является то, что вам не придется постоянно вставлять и вынимать из разъёма вашего смартфона штекер, соответственно разъём не выйдет из строя. Минусом является низкий КПД, если для смартфона потери энергии не существенны (несколько Ватт), то для беспроводной зарядки электромобиля – это весьма большая проблема. Основной целью развития в этой технологии является повысить КПД установки, ведь на фоне повсеместной гонки за энергосбережением использование технологий с низким КПД весьма сомнительно.

  • Закон Ома простым языком
  • Причины потерь электроэнергии на больших расстояниях
  • Что такое умные лампы

Заключение

Качер Бровина – оригинальный вариант генератора электромагнитных колебаний. В своей работе я доказал, что в домашних условиях можно изготовить действующую модель качера, а также рассмотрел возможности еѐ практического применения. Хочу отметить, что моя работа в этом направлении не закончена. В перспективе я хочу сделать качер Бровина с аудиомодуляцией. Для этого нужно немного усложнить схему, добавив два резистора и транзистор. (рис. 9) Тем самым мы сможем по цепи питания качера проигрывать музыку. На практике это выглядит красиво и интересно.

В результате проведѐнных в данной работе исследований, можно сделать вывод о том, что качер Бровина, является простым в изготовлении и настройке прибором. С помощью которого можно продемонстрировать множество красивых и эффектных экспериментов. Во время работы катушки мы наблюдали два типа разрядов.

Анализируя все выше сказанное можно говорить о том, что Качер Бровина может быть с успехом использован в альтернативной энергетике, например, в устройствах получения бесплатной электроэнергии с использованием постоянных магнитов.

В заключение необходимо подчеркнуть следующее: создание новых технологий на основе описанного физического явления может дать России весьма существенные преимущества по отношению к другим странам. Поскольку, проведя в ближайшее время все необходимые исследования этого физического явления и разработав широкую гамму новых устройств и изделий, функционирующих на его основе и предназначенных для широкого практического применения в различных областях и сферах человеческой деятельности, Россия может осуществить новый качественный скачок в своем дальнейшем технологическом развитии. Внедрение российских ноу-хау кардинально изменит всю инфраструктуру энергетики и социума в целом – когда неожиданно откроется и экспериментально подтвердится новый способ получения энергии.

Почему мы не используем технологию Теслы беспроводной передачи электроэнергии?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Выбор метода определения места повреждения кабеля зависит от характера повреждения и переходного сопротивления в месте повреждения

x

Беспроводная передача энергии микроволновым излучением

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.

Вообще применяются три основных способа беспроводной передачи энергии:

  • через магнитные катушки;
  • лазером;
  • микроволновым излучением.

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 и другие современные авто 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.

Читайте также:  Краска для потолка: существующие виды и нюансы выполнения покрасочных работ

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”.

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

Беспроводная передача энергии

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 30.10.2018 2018-10-30

Статья просмотрена: 1045 раз

Библиографическое описание:

Ларионов Д. В. Беспроводная передача энергии // Молодой ученый. — 2018. — №44. — С. 39-41. — URL https://moluch.ru/archive/230/53420/ (дата обращения: 23.03.2020).

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.

Ссылка на основную публикацию