В отношении высоких технологий слово «беспроводные» уже никого не удивляет, и, создается впечатление, что подходит оно чуть ли не для любого термина, который касается компьютера. Но несмотря на обилие wireless-усовершенствований, одно из ключевых явлений по-прежнему неизменно: не работать компьютеру без аккумулятора или розетки. Это ученые пытались изменить еще до эпохи создания ПК, но в наши дни, похоже, это им действительно удалось – всерьез стало осуществимым беспроводное энергоснабжение.
Определение понятия
Беспроводное электричество (беспроводная передача энергии) – процесс, который происходит в электрических системах, где энергия передается от ее источника к потребителю без участия соединяющих проводов. Беспроводная передача является оптимальным вариантом в случае, когда необходима продолжительная или кратковременная передача энергии, но применение соединительных проводов является неудобным, опасным или вовсе невозможным.
Существуют два направления применения энергии: передача энергии как способ доставки информации, как в случае с радио, и для энергоснабжения. В первом случае процент переданной энергии сказывается лишь на степени успешности восстановления передаваемого сигнала. Во втором же количество передаваемой энергии имеет более важное значение: ее либо достаточно, либо недостаточно для работы устройства — в этом заключается большая разница двух упомянутых путей.
История открытия
В 1825 г. William Sturgeon изобрел электромагнит: в его варианте электропроводящая проволока наматывалась вокруг металлического сердечника.
В 1831 г. Michael Faraday изобрел принцип электромагнитной индукции, согласно которому изменяющееся магнитное поле способно индуцировать электрически ток в рядом расположенном проводнике.
Основываясь на результатах двух предыдущих открытий, Nicolas Joseph Callan первым продемонстрировал передачу и получение электроэнергии без использования проводов.
Его аппарат состоял из двух изолированных колец, обмотанных металлической проволокой (катушек), в центр которых был помещен металлический стержень. Батарея, периодически подключаемая к первой катушке, индуцировала возникновение электрического напряжения во второй и вызывала тем самым появление искры.
James Clerk Maxwell в 1864 г. создал математическую модель электромагнитного излучения.
Некоторые ранние работы, посвященные беспроводной передаче посредством радиоволн, были выполнены в 1888 г. Heinrich Hertz, который поставил эксперимент, основанный на модели J. С. Maxwell.
Аппарат Hertz, генерировавший электромагнитные волны, был признан первым в мире радиопередатчиком. Несколько лет спустя Guglielmo Marconi опубликовал свои данные работы с модифицированным передатчиком Hertz, в котором он использовал заземление и высоко поднятый над землей проводник.
Оба эти элемента уже некогда применялись и были описаны в 1749 г. Benjamin Franklin и в 1864 г. Mahlon Loomas.
Занимался исследованием передачи/улавливания радиоволн и Nikola Tesla, но в отличие от Marconi он разработал собственный передатчик с возможностью обработки энергии в пять раз превышающей способности устройств-предшественников.
Активно изучалась беспроводная передача энергии и в начале 20го века, когда ученые уделяли большое внимание поиску различных путей беспроводной передачи энергии. Цель исследований была проста – генерировать электрическое поле в одном месте так, чтобы затем можно было его приборами обнаружить на расстоянии. В то же время были предприняты попытки снабжения энергией на расстоянии не только высокочувствительных датчиков для регистрации напряжения, а и значительных потребителей энергии. Так, в 1904 году на выставке St. Louis World’s Fair был вручен приз за успешный запуск самолетного двигателя мощностью 0,1 лошадиной силы, осуществленный на расстоянии 30 м.
Японский исследователь Hidetsugu Yagi для передачи энергии использовал собственной разработки антенну. В феврале 1926 г. он опубликовал результаты своих исследований, в которых описал строение и способ настройки антенны Yagi.
Пока это изобретение не применялось в роли, которую изобретатель надеялся ему придать, но оно было широко адаптировано для применения в области радиовещания и беспроводных коммуникаций.
В 1964 г. William C. Brown продемонстрировал на канале CBS в программе Walter Cronkite News модель вертолета, получавшую достаточную для полета энергию от микроволнового излучателя.
С 1965 по 1975 гг. была успешно завершена научная программа, руководимая Bill Brown, продемонстрировавшая возможность передачи энергии мощностью 30 кВт на расстояние более 1 мили с эффективностью 84%.
В целом, учеными испытывались две принципиально отличающиеся схемы.
-
В индукционной катушке или электрическом трансформаторе, которые имеют металлический или воздушный сердечник, передача энергии осуществляется путем простого электромагнитного соединения, называемого магнитной индукцией. С использованием этого метода передача и получение энергии стали осуществимы на значительном расстоянии, но для получения значительного напряжения подобным путем необходимо было расположить две катушки очень близко.
-
Если же используется магнитное резонансное сцепление, где оба индуктора настроены на взаимную частоту, значительная энергия может быть передана на немалое расстояние.
Использование сегодня
Беспроводная передача энергии на расстояние, превышающее размеры комнат, пока на практике не нашло широкого применения, за исключением RFID-тегов (Radio-frequency identification) – устройств для автоматической идентификации, основанных на хранении и дистационном получении данных. Отчасти это объясняется неоднократно звучавшими предположениями о вреде для здоровья человека систем, обеспечивающих энергоснабжение путем радиопередачи – они пока не опровергнуты.
Однако точно известно, что сфокусированные микроволновые излучатели служат источником опасности. Потому, учитывая вред, связанный с мощным излучением, особенно важное значение обрела проблема точного направления и тщательной фокусировки устройств для улавливания энергетического потока. Но, опять-таки, использование резонансного сцепления вновь обладает преимуществами: длина волны значительно больше, потому оно ни чуть не более опасно, чем радиоволны.
Габариты устройств и параметры излучения
Размер компонентов системы определяется дистанцией от источника до получателя, длиной волны излучения, а также законом дифракции волн, гласящим, что с увеличением расстояния волновое излучение становится менее мощным из-за рассеивания.
Потому, чем больше антенна передатчика (а значит сфокусированнее излучение), тем меньше оно рассеивается с увеличением расстояния.
Уровень возможной передаваемой энергии определяется с учетом этих двух параметров, а также характеристик антенны и прозрачности вещества, через которое волны излучения будут проходить.
Эффективность энергопередающей системы – это процент переданной энергии, достигшей получателя (энергия полученная/энергий выделенная)*100. Беспроводная передача не очень эффективна, так как большая часть энергии либо проходит мимо приемника, либо теряется в виде тепла, в то время как соединительные провода ограничивают поток энергии и точно направляют его. Беспроводная передача эффективнее на коротком расстоянии, хотя на длинных дистанциях также осуществима, если передатчик и приемник больших размеров или энерговолны формируют узкий пучок наподобие лазерного. Минимальная ширина пучка ограничена вновь все той же дифракцией.
Виды волн
Передача энергии посредством микроволнового излучения отличается большей эффективностью, так как оно не так сильно подвержено атмосферному рассеиванию. Но этот тип излучения имеет значительно большую длину волны по сравнению с видимым светом, потому требует пропорционально большие передатчики и приемники, чтобы максимально избежать дифракции при передаче на большие расстояния.
Более эффективна система передачи энергии посредством лазера: на сегодняшний день она использует фотогальванические панели, специально рассчитанные на длину лазерной волны. Потери засчет рассеивания в воздухе могут быть в значительной степени нивелированы засчет использования соответствующей оптики и избегания облачности.
Хотя лазеры и фотогальванические панели стремительно совершенствуются, какого предела эффективности можно достичь до сих пор не ясно. На данный момент самая эффективная лазерная система передачи энергии включает в себя ряд диодных лазеров, обеспечивающих прием 50% энергии. Распространенные же химические лазеры обеспечивают КПД всего в несколько процентов, а порой даже меньше. Перспектива повышения эффективности передачи энергии беспроводным путем скрывается в создании системы из ряда высококогерентных диодных лазеров или похожей технологии. Именно в несоответствии когерентности (степени расхождения лучей) лазеров, входящих в состав систем, скрывается причина наибольшей потери энергии при передаче.
Типы систем беспроводной передачи в зависимости от преодолеваемого расстояния
Короткодистанционная передача
Это ситуация, когда расстояние между приемником и передатчиком составляет порядка нескольких сантиметров, так как основная причина препятствующая индукции – необходимость максимального уменьшения расстояния: приемник должен быть очень близко расположен к передатчику или катушке, чтобы возникла индукционная связь. В данном случае используется электрический преобразователь – простейший путь для беспроводной передачи энергии. Обе его катушки электрически изолированы друг от друга, а передача энергии возникает за счет явления взаимной индукции.
На основании указанной технологии создана система WiPower – редкий пример индукционной зарядки. Специальная панель позволяет пользователю заряжать многие электронные устройства (в основном, портативная электроника и мобильные телефоны), просто положив их на ее поверхность. Причем неважно, каким образом они будут располагаться на панели. Еще одно ее преимущество – использование в отличие от других индукционных систем катушек с воздушной сердцевиной, которые позволяют системе быть встроенной в девайсы совсем маленьких размеров. Эффективность WiPower превосходит даже проводные зарядные устройства, КПД которых около 57%.
Примером короткодистанционной индукции служат и зарядные устройства электрических зубных щеток. Также важное применение данный метод нашел в медицине: им оснащена чрескожная система энергопередачи для водителей сердечного ритма и других хирургически имплантированных устройств.
Среднедистанционная беспроводная передача (подразумевает применение на расстоянии до нескольких метров)
Компания Powercast внедрила технологию беспроводной передачи энергии с использованием радиочастотного излучения. Эта разработка была представлена в 2007 г. на Consumer Electronics Show и стала победителем в номинации новых развивающихся технологий. Система, предложенная Powercast применима для большинства устройств с низким энергопотреблением: LED-дисплеи, компьютерная периферия, беспроводные датчики и медицинские имплантаты — в настоящее время достижимо напряжение в максимум 6 В на расстоянии не многим более метра. Ожидается широкое внедрение данной технологии в самое ближайшее время.
Иная технология предложена Geoffrey A. Landis. Он запатентовал систему беспроводной передачи энергии посредством микроволнового излучения. Она представлена рядом излучателей, которые с помощью специальных датчиков определяют в «поле зрения» устройство, требующее зарядки или энергоснабжения, и максимально точно направляют волны на получатель энергии. При этом, если один из излучателей идентифицирует препятствие на пути, он прекратит испускать энергию до его устранения – важная мера защиты с учетом потенциальной опасности микроволнового излучения. Возможность трансформирования данных в микроволны и обратно в перспективе позволит использовать систему для обмена данными между источником энергии и устройствами-потребителями.
Соединение путем затухающих волн – процесс, при котором гаснущие волны передаются от одного объекта к другому как экспоненциально убывающее электромагнитное поле.
В 2006 г. Marin Soljačić и еще несколько исследователей Массачусетского технологического института продемонстрировали, что путем направления электромагнитных волн на проводник можно добиться появления гаснущих волн, не несущих энергии.
Если же резонансный проводник будет помещен рядом с передатчиком, гаснущие волны объединятся и смогут вызвать в проводнике постоянный ток. Так как происходит тунеллирование электромагнитных волн, они не будут рассеивать энергию в воздухе, не будут повреждать электронные устройства или вызывать поражения у человека, что выгодно отличает данный метод от способов передачи микроволнового и радиочастотного излучения. Ученые предполагают, что осуществимо создание устройства, способного осуществлять передачу энергии на расстояние более 5 м и сейчас работают над его прототипом. А пока, в июне 2007 г. ими было сообщено о разработке системы, в которой 60 Вт лампочка снабжалась от источника, располагавшегося на расстоянии 2 м, причем эффективность составила 40%.
-
резонансная медная катушка, подключенная к розетке
-
розетка
-
препятствие
-
резонансная медная катушка, подключенная к лампочке
Резонансное индукционное соединение (основанное на магнитном резонансе) – та технология, которая могла бы стать решением сразу двух проблем, связанных с не очень удачным применением электромагнитного излучения при передаче энергии на расстоянии: преодоления дистанции и эффективности передачи. Электромагнитная индукция основана на принципе генерации более мощного магнитного поля одной индукционной катушкой, когда в нем оказывается вторая, в ней также создается подобное поле.
Почему магнитный резонанс оказывается эффективным: во время преодоления волнами больших расстояний при нерезонансной индукции тратится слишком много энергии, выделяемой передатчиком. Он же, путем туннелирования магнитного поля на получающую катушку, элиминирует значительные затраты энергии и позволяет увеличить расстояние ее передачи.
Длиннодистационная передача (предполагает энергоснабжение на многокилометровом расстоянии)
Радио- и микроволны (передача энергии на большие расстояния в их случае может быть достаточно точной благодаря меньшей длине электромагнитной волны).
Для преобразования их в электричество используется ректенна (антенна со встроенным выпрямителем — rectifying antenna).
Были созданы экземпляры, КПД которых достигает 95%. В частности, микроволны были предложены специалистами в области космических технологий для передачи энергии на Землю с ее орбитальных спутников уже в 1978 в NASA. Но ученые столкнулись с рядом проблем: антенна-передатчик излучения с частотой 2,45 ГГц должна была иметь диаметр в 1 км, а принимающая ректенна – 10 км.
Это трудно недостижимо, потому проблему решили засчет уменьшения длины волны, хотя в результате достаточно большая часть энергии стала теряться в атмосфере или встречала непреодолимое препятствие в виде капель влаги.
Свет.
Использование лазера для передачи энергии на большие расстояния также себя оправдало: в летном центре NASA Marshall Space был произведен успешный запуск легковесного самолета, питание двигателя которого осуществлялось лазерным лучом, наведенным на фотогальванические панели в фюзиляже самолета.
Технология использования света для передачи электроэнергии в которотком изложении выглядит следующим образом: электричество преобразуется в лазер, лазерный луч фокусируется на ячейке фотогальванического элемента и с эффективностью в 40-50% та трансформирует его в электрический ток. Потери обусловлены, в основном, рассеиванием в атмосфере.
В декабре 2006 г. была создана компания PowerBeam Inc., которая запатентовала и планирует внедрение технологии беспроводной передачи энергии при помощи лазера для различных электронных устройств. В планах компании выйти на рынок уже в начале 2009 г.
Электрическая проводимость
До сих пор мы рассматривали дистанционное энергоснабжение путем использования излучений. Помимо такого пути, существует еще один, обеспечивающий электропередачу посредством тока через естественные проводники: землю, воду, атмосферу – когда достигается напряжение, при котором ионизируется газ.
Например, если подвести высокое напряжение в неоновой трубке, инертный газ становится ионизированным и происходит ток чатиц между расположенными внутри сосуда электродами. На практике данный принцип реализован в высоко мощных ультрафиолетовых излучателях, предназначенных для формирования вертикальных ионных каналов над приемниками и передатчиками крупных станций с целью улучшения характеристик сигнала. Та же схема использована в создании искусственных генераторов молний, лазерного и шокового оружия, используемого, в частности, для вывода из строя средств передвижения, использующих электронику.
Итог
Успехи в исследовании беспроводной передачи электроэнергии были достигнуты уже в начале 20го века, но сейчас эта технология выглядит особенно перспективной и признание открытия Marin Soljačić в области использования магнитного резонанса для передачи энергии в качестве достойного звания Emerging Technologie 2008 – тому подтверждение. Пока беспроводная передача остается неоправданно дорогой: теоретический расчет показал, что она в 201,1 раз дороже по сравнению с традиционной. Но наличие нескольких технологий для реализации беспроводной электропередачи позволит активно развиваться данной отрасли, так как в зависимости от потребностей индустрии есть возможность осуществлять подбор наиболее походящего метода.
Все означенные технологии морально и физически устарели!!!! Сегодняшние технологии позволяют получить электроэнергию в любом количестве на месте не прибегая к громоздким аппаратам непосредственно из среды — ЭФИРА автономно. Читай эфиродинамику Ацуковского и Теслу . А этиваши разработки в мусорный ящик . С приветом Владимир.
Куплю установку, позволяющую «получить электроэнергию в любом количестве на месте не прибегая к громоздким аппаратам непосредственно из сред — ЭФИРА автономно».
Любой современный школьник может получитьэнергиюиз среды.Возьмите пластик трубу диаметром 50 мм намотайте две обмотки одна на другую 1,5 квадрат сечение, начала катушек соедините вместе параллельно одной из катушек подключите конденсатор. Необходимо смещение фаз 180 градусов. Кол витков 80 вкаждойкатушке. К двум своб концам нагрузку лампу. Намотайтесь поверх всего катушку связи с отводом посередине. На катушку связи подайте сигнал с мощного мультивибратора. Если правильно подберете киндер Система заработает и даст прибавку для самозапита через инвертор. C приветом Владимир.
Про катушку связи, подробней пожалуйста…