будущее уже здесь? / Habr
Принципы передачи энергии без проводов были открыты еще в позапрошлом столетии. В 1890-х годах беспроводную передачу энергии на расстоянии осуществлял в своих опытах известный ученый Никола Тесла. В основе принципа действия беспроводной передачи электричества лежит механизм резонанса, то есть явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Однако когда два объекта имеют равные показатели резонанса, то они могут обмениваться энергией.В природе существует масса примеров резонанса. Самый известный — когда несколько одинаковых стеклянных стаканов наполняются разным количеством воды, если по каждому стакану постучать металлической ложкой, то каждый стакан будет издавать уникальный звук. Спустя много лет интерес к этой проблеме возник опять. Вместо акустического резонанса физики используют частотный резонанс электромагнитных волн. В заряжающей установке есть две небольшие электрокатушки, которые резонируют в диапазоне частоты 10 МГц и обмениваются электроэнергией и чем дольше взаимодействие между элементами, тем больше тока прибывает приемнику.
От теории к практике
В созданный в начале 2009 года консорциум по разработке стандарта беспроводной передачи электричества входят компании Fulton Innovation, ConvenientPower, Duracell, Hosiden, Leggett & Platt, National Semiconductor, Olympus, Philips, Samsung, Sanyo, Shenzhen Sangfei Consumer Communications, ST-Ericsson и Texas Instruments.
Отдельно от консорциума над созданием новой технологии, которая позволит заряжать мобильные телефоны от электромагнитного излучения в окружающей среде, работают ученые из исследовательского центра компании Nokia в британском Кембридже.
Позднее в прошлом году компания Qualcomm представила на выставке World Mobile Congress в Барселоне прототип беспроводного зарядного устройства, которое позволит заряжать лежащие на нем предметы, например, мобильный телефон.
Компания Palm также выпустила беспроводное зарядное устройство для своего смартфона Pre. Это устройство, названное Touchstone, нужно по-прежнему вставлять в розетку, однако для подзарядки батареи его владельцам достаточно просто положить телефон на подставку.
Приборчик размером с мобильник собирает сигналы беспроводных сетей Wi-Fi 802.11 (частота 2,4 ГГц) и преобразует их в постоянный ток. Он заряжает встроенный аккумулятор, а уже от него при необходимости можно подзаправить телефон, наладонный компьютер или плеер, для чего Airnergy снабжён разъёмом Micro USB.
Неужели нас ждет беспроводное будущее? Мобильные телефоны, которые не надо подключать к розеткам для перезарядке, беспроводные лампочки, утюги, компьютеры, прочие бытовые приборы?
Беспроводная передача электроэнергии. Принцип действия
Перевел SaorY для mozgochiny.ru
Приветствую, мозгоэкспериментаторы! Хочу поделиться своими знаниями о беспроводной передаче энергии, используя которые можно создать много интересных самоделок.
Сам принцип действия наглядно показан на простой поделке, в которой светодиод может загораться без проводов на расстоянии 2 см от источника энергии. Схема, которая действует как повышающий преобразователь напряжения, а также беспроводные передатчик и приемник электроэнергии, может быть улучшена и реализована во многих
Шаг 1: Нам понадобится
• NPN транзистор — я взял 2N3904, но вы можете использовать любой NPN транзистор ( 337, BC547 и т.д.), PNP транзистор тоже будет работать только соблюдайте полярность соединений.
• обмоточный или изолированный провод — около 3-4 метров ( провода можно «добыть» из многих приборов, трансформаторов, динамиков, моторчиков, реле и т.д.)
• резистор 1 кОм – будет использоваться для защиты транзистора от сгорания в случае перегрузки, также можно использовать резисторы до 5 кОм, можно даже без резистора, но тогда аккумулятор будет разряжаться быстрее.
• батарейка 1.5В – не применяйте батарейки большего вольтажа, чтобы не повредить транзистор.
• ножницы или нож.
• паяльник ( опционально).
• зажигалка( опционально) для удаления изоляции с проводов.
Шаг 2: Смотрим видео процесса
Шаг 3: Резюмируя видео
Итак, на цилиндрический предмет наматываем катушку из 30 витков, это будет катушка А. Далее наматываем вторую катушку того же диаметра, но при этом сначала накручиваем 15 витков и делаем отвод, а затем еще 15 витков, это катушка В. Катушки закрепляем от разматывания любым подходящим способом, например просто делаем узлы из выводов катушек. Важный момент: для правильного функционирования этой
Выводы обеих катушек зачищаем и приступаем к пайке цепи. Определяемся с эмиттером, базой и коллектором своего транзистора и к базе припаиваем резистор. Другой вывод резистора припаиваем к свободному выводу катушки В, не к выводу-отводу. Второй свободный вывод катушки В, снова не отвод, припаиваем к коллектору.
Для удобства можно к эмиттеру припаять небольшой кусочек провода, так буде проще подсоединять батарейку.
Цепь приемника собирается легко: к выводам катушки А припаиваем светодиод. И мозгоподелка готова!
Шаг 4: Принципиальная схема
Шаг 5: Наглядный рисунок
Шаг 6: Тестирование
Для приведения самоделки в работоспособное состояние подключаем отвод катушки В к «плюсу» батарейки, а «минус» к эмиттеру транзистора. Затем подносим катушки параллельно друг к другу и диод светится!
Шаг 7: Пояснение
Немного поясню, как все это функционирует.
Передатчик в нашей поделке это цепь осциллятора. Вы может слышали о «цепи ворующей Джоули», которая поразительна схожа с нашей цепью передатчика. В «цепи ворующей Джоули» электроэнергия от батарейки 1.5В преобразуется в более высокое напряжение, но импульсное. Светодиоду требуется 3В, но благодаря «цепи ворующей Джоули» он прекрасно светится и от 1.5В.
«Цепь, ворующая Джоули» известна как конвертер и генератор, цепь, которую мы создали, также является генератором и конвертером. А энергия на светодиод подается посредством индукции, возникающей в катушках, которую можно пояснить на мозгопримере обычного трансформатора.
Предположим, что трансформатор имеет две одинаковые катушки. Тогда во время прохождения электричества по одной катушке она становится магнитом, вторая катушка попадает в магнитное поле первой и, вследствие этого, по ней тоже начинает течь ток. Если напряжение в первой катушке переменное, следовательно, она импульсно теряет свои магнитные свойства, значит и вторая катушка импульсно попадает в магнитное поле первой, то есть и во второй катушке образуется переменное напряжение.
В нашей самоделке катушка передатчика создает магнитное поле, в которое попадает катушка приемника, соединенная со светодиодом, который преобразует полученную энергию в свет!
Шаг 8: Советы по доработке
Представленная мозгоподелка преобразует полученную энергию в свет, но можно использовать ее более разнообразно. Также можно применять принципы этой самоделки для создания фокусов, забавных подарков или научных проектов. Если варьировать диаметры и число витков на катушках, то можно добиться максимальных значений, или можно изменить форму катушек и т.д., возможности не ограничены!
Шаг 9: Устранение неисправностей
При создании этой самоделки возможны следующие проблемы:
• Транзистор слишком греется – проверьте номинал резистора, возможно его нужно повысить. Я сначала не использовал резистор, и транзистор при этом сгорел. Или как вариант используйте радиатор для транзистора, а может и другой транзистор, с более высоким значением усиления.
• Светодиод не светится – причин может быть много. Проверьте качество соединения, правильно ли распаяли базу и коллектор, убедитесь, что катушки равного диаметра, нет ли короткого замыкания в цепи.
Сегодняшний эксперимент с индукцией закончен, благодарю за внимание и успехов в творчестве!
(A-z Source)
ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ!
About SaorY
Способы беспроводной передачи электроэнергии — Альтернативный взгляд Salik.biz
Открытый Андре Мари Ампером в 1820 году закон взаимодействия электрических токов, положил начало дальнейшему развитию науки об электричестве и магнетизме. Спустя 11 лет, Майкл Фарадей экспериментально установил, что порождаемое электрическим током меняющееся магнитное поле способно индуцировать электрический ток в другом проводнике. Так был создан первый электрический трансформатор.
В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл окончательно систематизировал экспериментальные данные Фарадея, придав им форму точных математических уравнений, благодаря которым была создана основа классической электродинамики, ведь эти уравнения описывали связь электромагнитного поля с электрическими токами и зарядами, а следствием этого должно было быть существование электромагнитных волн.
— Salik.bizВ 1888 году Генрих Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом. Его искровой передатчик с прерывателем на основе катушки Румкорфа мог производить электромагнитные волны частотой до 0,5 гигагерц, которые могли быть приняты несколькими приемниками, настроенными в резонанс с передатчиком.
Приемники могли располагаться на расстоянии до 3 метров, и при возникновении искры в передатчике, искры возникали и в приемниках. Так были проведены первые опыты по беспроводной передаче электрической энергии с помощью электромагнитных волн.
В 1891 году Никола Тесла, занимаясь исследованием переменных токов высокого напряжения и высокой частоты, приходит к выводу, что крайне важно для конкретных целей подбирать как длину волны, так и рабочее напряжение передатчика, и совсем не обязательно делать частоту слишком высокой.
Ученый отмечает, что нижняя граница частот и напряжений, при которых ему на тот момент удалось добиться наилучших результатов, — от 15000 до 20000 колебаний в секунду при потенциале от 20000 вольт. Тесла получал ток высокой частоты и высокого напряжения, применяя колебательный разряд конденсатора (смотрите — Трансформатор Тесла). Он заметил, что данный вид электрического передатчика пригоден как для производства света, так и для передачи электроэнергии для производства света.
В период с 1891 по 1894 годы ученый многократно демонстрирует беспроводную передачу, и свечение вакуумных трубок в высокочастотном электростатическом поле, при этом отмечая, что энергия электростатического поля поглощается лампой, преобразуясь в свет, а энергия электромагнитного поля, используемая для электромагнитной индукции с целью получения аналогичного результата, в основном отражается, и лишь малая ее доля преобразуется в свет.
Даже применяя резонанс при передаче с помощью электромагнитной волны, значительного количества электрической энергии передать не удастся, утверждал ученый. Его целью в этот период работы была передача именно большого количества электрической энергии беспроводным способом.
Вплоть до 1897 года, параллельно с работой Тесла, исследования электромагнитных волн ведут: Джагдиш Боше в Индии, Александр Попов в России, и Гульельмо Маркони в Италии.
Вслед за публичными лекциями Тесла, Джагдиш Боше выступает в ноябре 1894 года в Калькутте с демонстрацией беспроводной передачи электричества, там он зажигает порох, передав электрическую энергию на расстояние.
После Боше, а именно 25 апреля 1895 года, Александр Попов, используя азбуку Морзе, передал первое радиосообщение, и эта дата (7 мая по новому стилю) отмечается теперь ежегодно в России как «День Радио».
В 1896 году Маркони, приехав в Великобританию, продемонстрировал свой аппарат, передав с помощью азбуки Морзе сигнал на расстояние 1,5 километра с крыши здания почтамта в Лондоне на другое здание. После этого он усовершенствовал свое изобретение и сумел передать сигнал по Солсберийской равнине уже на расстояние 3 километра.
Тесла в 1896 году удачно передает и принимает сигналы на расстоянии между передатчиком и приемником примерно в 48 километров. Однако значительного количества электрической энергии передать на большое расстояние пока никому из исследователей не удалось.
Экспериментируя в Колорадо-Спрингс, в 1899 году Тесла напишет: «Несостоятельность метода индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха». Это станет началом исследований ученого, направленных на передачу электроэнергии на значительные расстояния без использования проводов. В январе 1900 года Тесла сделает в своем дневнике запись об успешной передаче энергии на катушку, «вынесенную далеко в поле», от которой была запитана лампа.
А самым грандиозным успехом ученого станет запуск 15 июня 1903 года башни Ворденклифф на Лонг-Айленде, предназначенной для передачи электрической энергии на значительное расстояние в больших количествах без проводов. Заземленная вторичная обмотка резонансного трансформатора, увенчанная медным сферическим куполом, должна была возбудить заряд земли и проводящие слои воздуха, чтобы стать элементом большой резонансной цепи.
Так ученому удалось запитать 200 ламп по 50 Ватт на расстоянии около 40 километров от передатчика. Однако, исходя из экономической целесообразности, финансирование проекта было прекращено Морганом, который с самого начала вкладывал деньги в проект с целью получить беспроводную связь, а передача бесплатной энергии в промышленных масштабах на расстояние его, как бизнесмена, категорически не устраивала. В 1917 году башня, предназначенная для беспроводной передачи электрической энергии, была разрушена.
одробнее об экспериментах Николы Тесла читайте здесь: Резонансный метод беспроводной передачи электрической энергии Николы Тесла.
Уже намного позже, в период с 1961 по 1964 годы, эксперт в области СВЧ-электроники Вильям Браун экспериментировал в США с трактами передачи энергии СВЧ-пучком.
В 1964 году им было впервые испытано устройство (модель вертолета) способное принимать и использовать энергию СВЧ пучка в виде постоянного тока, благодаря антенной решётке, состоящей из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки. Уже к 1976 году Вильям Браун осуществил передачу СВЧ-пучком мощности в 30 кВт на расстояние в 1,6 км с КПД превышающим 80%.
В 2007 году исследовательская группа Массачусетского технологического института под руководством профессора Марина Солячича сумела передать беспроводным способом энергию на расстояние в 2 метра. Передаваемой мощности было достаточно для питания 60 ваттной лампочки.
В основе их технологии (названной WiTricity) лежит явление электромагнитного резонанса. Передатчик и приемник – это резонирующие с одинаковой частотой две медные катушки диаметром 60 см каждая. Передатчик подключен к источнику энергии, а приемник — к лампе накаливания. Контуры настроены на частоту 10 МГц. Приемник в данном случае получает только 40-45% передаваемой электроэнергии.
Примерно в тоже самое время похожую технологию беспроводной передачи электроэнергии продемонстрировала компания Intel.
В 2010 году Haier Group, китайский производитель бытовой техники, представила на всеобщее обозрение на выставке CES 2010 свой уникальный продукт — полностью беспроводной LCD телевизор, основанный на данной технологии.
Андрей Повный
Беспроводная передача энергии | Статья в журнале «Молодой ученый»
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.
Литература:
1. Статья «Передача электроэнергии без проводов — от начала до наших дней» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: https://habr.com/post/373183/
2. Статья «Взаимная индукция» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: http://www.hydromuseum.ru/ru/encyclopedia/glossary/Vzaimnaya_indukciya/
3. Ванке В. А. Статья: «СВЧ-электроника» // Журнал, «Электроэнергетика. Наука. Технология. Бизнес». — № 5 2007 г.
4. Ванке В. А. Статья: «Электроэнергетика из космоса» // Журнал, «Радиоэлектроника» — № 12 2007 г.
5. Статья «Три способа передачи энергии без проводов» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: https://domikelectrica.ru/3-sposoba-peredachi-energii-bez-provodov/
Основные термины (генерируются автоматически): беспроводная передача энергии, микроволновое излучение, электромагнитная индукция, электрический ток, циклотронный преобразователь энергии, передача энергии, устройство, взаимная индукция, помощь лазера, расстояние.
Электричество на расстоянии: способ беспроводной передачи электричества
Со времен открытия электричества человеком многие ученые пытаются изучить удивительное явление токов и повысить полезный коэффициент действия, проводя многочисленные опыты и изобретая более современные материалы, обладающие улучшенными свойствами передачи энергии с нулевым сопротивлением. Наиболее перспективным направлением в подобном научном труде является беспроводная передача электроэнергии на большие расстояния и с минимальными затратами на транспортировку. В данной статье рассмотрены способы передачи энергии на расстояние, а также виды устройств для подобных действий.
Беспроводная передача энергии
Беспроводная передача энергии – это способ транспортировки, при котором не используются какие-либо проводники или сети кабелей, а ток передается на значительное расстояние до потребителя с максимальным коэффициентом полезной мощности по воздуху. Для этого применяются устройства для генерации электричества, а также передатчик, который накапливает в себе ток и рассеивает его во всех направлениях, а также приемник с потребляющим прибором. Приемник улавливает электромагнитные волны и поля и путем их концентрации на коротком участке проводника передает энергию на лампу или любой другой прибор определенной мощности.
Существует множество способов для беспроводной передачи электричества, которые изобретались в процессе изучения токов многими учеными, но наибольших результатов в практическом плане добился Никола Тесла. Он сумел изготовить передатчик и приемник, которые были отдалены друг от друга на расстояние, равное 48 километрам. Но в то время не существовало технологий, которые смогли бы передать электричество на такую дистанцию с коэффициентом выше 50%. В связи с этим ученый выражал большую перспективу не для передачи готовой сгенерированной энергии, а для вырабатывания тока из магнитного поля земли и использования его в бытовых нуждах. Транспортировка подобного электричества должна была осуществляться беспроводным способом, путем передачи по магнитным полям.
Способы беспроводной передачи электричества
Схема магнитной индукции полей
Большинство теоретиков и практиков, изучающих работу электрического тока, предлагали свои методы передачи его на расстояние без использования проводников. В начале подобных исследований многие ученые пытались заимствовать практику из принципа работы радиоприемников, которые используются для передачи азбуки Морзе или коротковолнового радио. Но такие технологии не оправдали себя, так как рассеивание тока было слишком малым и не могло покрыть большие расстояния, к тому же транспортировка электричества по радиоволнам была возможна только при работе с малыми мощностями, не способными приводить в действие даже самый простейший механизм.
В результате экспериментов было выявлено, что для передачи электричества без провода наиболее приемлемы СВЧ волны, которые имеют более устойчивую конфигурацию и напряжение, а также при рассеивании теряют гораздо меньше энергии, чем любой другой метод.
Впервые успешно применить данный способ смог изобретатель и конструктор Вильям Браун, который смоделировал летающую платформу, состоящую из металлической площадки с двигателем, мощностью около 0,1 лошадиной силы. Платформа была выполнена в виде принимающей антенны с сеткой, улавливающей СВЧ волны, которые передавались специально сконструированным генератором. Через всего четырнадцать лет тот же конструктор представил летательный аппарат малой мощности, который принимал энергию от передатчика на расстоянии 1,6 километра, ток передавался сконцентрированным пучком по СВЧ волнам. К сожалению, широкого распространения данный труд не получил, так как на тот момент не существовало технологий, которые могли бы обеспечить транспортировку таким методом тока с высоким напряжением, хотя коэффициент полезного действия приемника и генератора был равен более 80%.
Энергия из космоса
В 1968 году американские ученые разработали проект, подкрепленный научным трудом, в котором предлагалось размещение больших солнечных батарей на околоземной орбите. Приемники энергии должны были быть направлены на солнце, а в их основании размещались накопители тока. После поглощения солнечной радиации и трансформации ее в СВЧ или магнитные волны через специальное устройство ток направлялся на землю. Прием должен был осуществляться специальной антенной большой площади, настроенной на определенную волну и преобразующей волны в постоянный или переменный ток. Такая система была высоко оценена во многих странах как перспективная альтернатива современным источникам электричества.
Питание электрокара беспроводным способом
Многие производители автомобилей, работающих на электрическом токе, проводят разработки альтернативной подзарядки авто без его подключения к сети. Больших успехов в этой области добилась технология зарядки транспорта от специального дорожного полотна, когда машина принимала энергию от покрытия, заряженного магнитным полем или СВЧ волнами. Но подобная подпитка была возможна только при условии, когда расстояние между дорогой и приемным устройством было не более 15 сантиметров, что в современных условиях не всегда исполнимо.
Зарядка автомобиля
Данная система находится на стадии разработок, поэтому можно предполагать, что подобный тип передачи питания без проводника еще получит свое развитие и, возможно, будет внедряться в современную транспортную индустрию.
Современные разработки передачи энергии
В современных реалиях беспроводное электричество вновь становится актуальным направлением изучения и конструирования приборов. Существуют наиболее перспективные пути развития беспроводной передачи энергии, к которым относятся:
- Использование электричества в горной местности, в случаях, когда нет возможности проложить несущие кабеля до потребителя. Несмотря на изученность вопроса электричества, на земле имеются места, в которых нет электроэнергии, и проживающие там люди не могут пользоваться таким благом цивилизации. Конечно, часто там применяются автономные источники питания, такие как солнечные батареи или генераторы, но данный ресурс ограничен и не может восполнить потребности в полном объеме;
- Некоторые производители современной бытовой техники уже внедряют в свою продукцию устройства для передачи энергии без проводов. Например, на рынке предлагается специальный блок, который подключается к сетевому питанию и путем преобразования постоянного тока в СВЧ волны передает их окружающим приборам. Единственное условие использования данного прибора – это наличие у бытовой техники принимающего устройства, преобразующего данные волны в постоянный ток. В продаже имеются телевизоры, которые полностью работают от принимаемой от передатчика беспроводной энергии;
- В военных целях, в большинстве случаев в оборонной сфере, существуют разработки приборов связи и других вспомогательных устройств.
Большой прорыв в данной сфере технологий произошел в 2014 году, когда группа ученых разработала устройство для генерации и приема энергии на расстояние без проводов, используя при этом систему линз, размещенных между передающей и приемной катушками. Ранее считалось, что передача тока без проводника возможна на дистанцию, не превышающую размер приборов, поэтому для транспортировки электричества на большое расстояние требовалось огромное сооружение. Но современные конструкторы изменили принцип работы данного устройства и создали передатчик, направляющий не СВЧ волны, а магнитные поля с низкими частотами. Электроны в данном случае не теряют мощность и передаются на расстояние сконцентрированным пучком, к тому же потребление энергии возможно, не только подключившись к приемной детали, но и просто находясь в зоне действия полей.
Модель бытового прибора
К сведению. Первым прибором, который будет принимать беспроводную энергию, технологи планируют сделать мобильный телефон или планшетный компьютер, разработки такой системы уже ведутся.
Наиболее перспективные направления
Беспроводное электричество постоянно изучается многими физиками, рассматриваются наиболее перспективные направления в данной сфере, к которым относятся:
- Подзарядка мобильных устройств без подключения к кабелю;
- Осуществление питания для беспилотных летательных аппаратов – это направление, которое будет пользоваться большим спросом и в гражданской, и в военной индустрии, так как подобные устройства в последнее время стали часто использоваться для различных целей.
Сама процедура передачи данных на расстояние без использования проводов некоторое время назад считалась прорывом в исследованиях физики и энергетики, сейчас это уже никого не удивляет и стало доступным для любого человека. Благодаря современному развитию технологий и разработкам, транспортировка электроэнергии таким методом становится реальностью и вполне может быть воплощена в жизнь.
Видео
Оцените статью:Статья по теме: «Возможности беспроводной системы передачи электрической энергии в быту»
Автономное учреждение
среднего профессионального образования
Ханты – Мансийского автономного округа — Югры
«Сургутский политехнический колледж»
Структурное подразделение – 4
Энергетическое отделение
Тема: «Возможности беспроводной системы передачи
электрической энергии в быту»
Подготовил: студент 4 курса, Тажимов К.
специальность: 140448 Техническая эксплуатация и
обслуживание электрического и электромеханического
оборудования (по отраслям)
Руководитель:
Преподаватель специальных дисциплин, Филиппова Т.И.
г. Сургут — 2015
Содержание
Введение……………………………………………………………………………..………………….3
Основная часть………………………………………………………………………………………….5
1. Описание структуры беспроводной передачи электроэнергии……………..…………….……..5
1.1. История создания………….…………………………………………………………………………5
2. Эксперимент по беспроводной передаче электрической энергии:
подтверждение идей Н. Тесла………………………………………………………………………….6
2.1. Передатчик……………………………………………………………………………………………………6
2.2. Опыт Фарадея………………………………………………………………………………………..7
2.3. Приёмник………………………………………………………………………………………..8
3. Характеристика устройства беспроводной передачи электрической энергии………………….9
3.1. Предназначение устройства беспроводной передачи
электрической энергии……………………………….……………………………………….….9
3.2. Влияние беспроводной передачи электроэнергии на здоровье человека
и экономическая значимость…………………………………………………………….………..9
Заключение………………………………………………………………………………….…………12
Библиографический список………………………………………………………………………..….13
Введение
Первый этап (2013 – 2014 учебный год) теоретический.
Второй этап (2014 – 2015 учебный год) практический: изготовление передатчика и приёмника электрического; экспериментальные исследования передачи электрического тока без проводов.
Беспроводная передача электрической энергии (БПЭЭ) на сегодняшний день актуальная задача, так как потребление электрической энергии растёт, затраты на её передачу увеличиваются, а при помощи БПЭЭ можно сэкономить средства на передачу и приём электрической энергии от источника к потребителю. Техническим результатом является создание способа и устройства для передачи электрической энергии без проводов и снижение затрат на передачу электроэнергии за счет исключения таких элементов как линия электропередачи, провода, изоляторы, кабели и подстанции. Мы опирались на потребности и возрастающий интерес человека к БПЭЭ.
Новизна работы заключается в том, что изучение БПЭЭ ранее широко не рассматривалось, как сейчас в начале ХХI века.
Цель исследования: обоснование передачи электроэнергии по беспроводной системе.
Объект исследования: процесс беспроводной передачи электрического тока.
Предмет исследования: аналитическое сравнение передачи электрического тока по проводам и без них
Гипотеза: передача электрического тока будет более экономичной и выгодной, если применить беспроводную систему.
Задачи:
1) описать структуры беспроводной передачи электрической энергии;
2) проанализировать беспроводную передачу электрической энергии по
отношению к проводной системе передачи электрической энергии.
Мы изучили историю возникновения БПЭЭ, назначение и устройства передачи БПЭЭ, а также влияние беспроводной передачи электроэнергии на здоровье человека.
Каждый день мы имеем дело с большим количеством проводов и кабелей. Но они имеют множество как отрицательных, так и положительных факторов.
Провели сравнение между проводами и БПЭЭ. Провод — это часть электрической линии, предназначенная для подсоединения к сетям напряжением до 1000 В (чаще до 380 Вольт) приборов, осветительных приспособлений и машин, применяемых в быту или их аналогов. Провод рассчитан на использование в зданиях любого типа.
Применили эмпирический метод – сравнивали все «за» и «против» БПЭЭ.
Преимущество БЭЭП перед проводом заключается в следующем:
- мобильность;
- передача электроэнергии одному или нескольким аппаратам одновременно;
- затраты на проводниковый материал меньше, чем у проводной системы;
- не имеет физических преград;
- меньшая вероятность повреждения человека электрическим током:
- на магнитные волны никакого влияния не оказывает температура окружающей среды.
- в большинстве случаев природно-климатические условия не имеют воздействия на БПЭЭ;
- физический износ проводниковых материалов;
- гуманное отношение к окружающей среде;
- для передачи электроэнергии с помощью проводов или кабелей используются трёхфазная система, а в БПЭЭ – однофазная.
У проводов есть несколько положительных качеств:
- коэффициент полезного действия провода равен, приблизительно,
85 – 90 %, а у БПЭЭ в лучшем случае от 45 -75%;
- прокладка провода зависит от количества проводов, у БПЭЭ 7 – 8 метров от передатчика до приёмника;
- по проводам можно передавать как постоянный, так и переменный ток, а в БПЭЭ только постоянный, который можно преобразовать. Преобразование постоянного тока в переменный производится с помощью инверторов, в которых используются управляемые вентили: транзисторы, тиристоры. Инверторы имеют сравнительно сложную систему автоматического управления, что ведет к повышению их стоимости и уменьшению надежности по сравнению с неуправляемыми выпрямителями.
- магнитное поле отрицательно влияет на здоровье человека и окружающую среду.
Сформировали, выдвинули и попытались проверить гипотезу исследования на основе имеющихся фактов с источников информации. На основании изученной литературы и информационных источников мы пришли к выводу, что наша гипотеза о преимуществе БПЭЭ перед проводной системой передачи электрического тока частично подтвердилась.
В своём исследовании использовали метод анализа и синтеза, в частности, начальный этап исследования — изучение специальной литературы и других информационных источников по нашей теме.
Также использовали метод опроса в виде анкетирования.
Цель анкетирования: получить дополнительные сведения о БПЭЭ, так как изучаемая проблема недостаточно обеспечена документальными источниками информации и предмет исследования почти недоступен для наблюдения.
По результатам анкетирования выявлена тенденция к активному применению БЭЭП в учебной деятельности, стремление к активному применению техники без проводов, желание больше узнать о БПЭЭ.
Вместе с тем выявлен ряд актуальных проблем:
• возможное отрицательное влияние магнитных полей на организм человека;
• недостаток знаний о БПЭЭ.
Основная часть
1. Описание структуры беспроводной передачи электроэнергии
1.1. История создания
Отец беспроводного электричества
В XIX веке, времени бурного технического развития, о беспроводных агрегатах мечтали только сумасшедшие ученые и писатели-фантасты. Но именно тогда миру посчастливилось познакомиться с гениальным человеком, изобретателем и «отцом» электричества – Николой Тесла. И именно американцу (но сербу по происхождению), ученику Эдисона, принадлежат фундаментальные основы развития беспроводной передачи энергии.
Все началось в 1892 году, когда Николе на научной конференции в Лондоне удалось провести ток по одному проводу, то есть по незамкнутой цепи. Медный «шнур» при этом оставался абсолютно холодным (словно это суперпроводник с нулевым сопротивлением и бесконечно малой площадью поперечного сечения), а второй полюс тестовой системы не заземлялся. Пару месяцев спустя в Сант-Льюисе Тесла зажег электрическую лампочку без использования каких-либо проводов и показал прототип первого (и тогда еще единственного) в мире беспроводного электродвигателя. Многие зрители посчитали изобретателя волшебником.
Магнитные передатчики
Используя улавливающие антенны японского изобретателя Хидетсугу Яги, разработанные еще в 1926 году, через 38 лет ученый Билл Браун смог передать 30 киловатт энергии от источника к приемнику на одну милю с КПД 84%. В своем опыте находчивый американец использовал хорошо известное явление магнитной индукции. В одной катушке с металлическим либо воздушным сердечником создается магнитное поле. Если поместить в это поле другую катушку, то в ней также сгенерируется энергия. В результате взаимодействия двух катушек появляется столь необходимое электричество. Расстояние между источником индукции и ее приемником, а также характеристики магнитного поля сильно влияют на конечный КПД передаваемой энергии. Шло время, а новых перспективных способов передачи электричества без проводов так и не прибавилось. Индукция стала весьма популярным средством передачи энергии. При малом расстоянии эффективность такого метода неоспорима. Но вот стоит разнести участников «контакта» на некоторое расстояние, как эффективность и мощность системы заметно падает. Сказывается явление дифракции – рассеивания волн в пространстве. Проблему потери большого количества энергии решили совсем недавно, уже в новом тысячелетии.
Доцент кафедры физики Массачусетского Технологического Университета Марин Солячич совместно со своими коллегами и студентами несколько лет назад начал разработку устройств по передаче электричества на небольшие расстояния с помощью магнитных явлений. Вначале было решено использовать в качестве «телепорта» радиоволны, но большое рассеивание в пространстве (следовательно, очень низкий КПД) сразу же отодвинуло на задний план такую идею. Что хорошо для переноса информации – плохо для электричества. Второй идеей Марина, также признанной негодной, была мысль об использовании оптики. Но при таком способе малейшая преграда на пути лазера – и не быть электричеству в нужном месте и нужное время. К тому же лучи вредны для окружающих предметов. Наконец американский доцент догадался использовать в качестве универсального передатчика явление магнитного резонанса. Магнитный резонанс – это отдельное поглощение устройством или материей электромагнитных волн определенной длины. Эффект обусловлен изменением ориентации электронов, ядер и их моментов. Так, каждая частица расщепляется на несколько подуровней, а затем происходит ориентация их магнитного момента относительно магнитного поля. В результате получается так называемый эффект Зеемана, когда происходит расщепление спектральных линий под действием другого магнитного поля. Если настроить источник индукции и приемник на определенную частоту, то обмен электроэнергией будет осуществляться строго между ними (в пределах погрешности, конечно). Отличным сравнением является момент, когда какой-нибудь оперный певец, стоя перед целым рядом бокалов, наполненных жидкостью до разного уровня, берет ноту и, в зависимости от ее высоты, разбивает определенный стеклянный сосуд. Стоит взять ноту выше или ниже, как тут же разобьется совершенно другой фужер.
Используя явление магнитного резонанса, эффект Зеемана и специальные улавливающие антенны (все «новшества» были придуманы еще в XIX веке ), Солячич смог зажечь 60-ваттную электрическую лампу, находясь в нескольких метрах от источника (такая технология передачи энергии получила название WiTricity). К источнику и приемнику присоединили настроенные на одну и ту же частоту медные катушки. Одна из них (источник) подключалась к розетке, а другая улавливала энергию, даже когда между устройствами находилось тонкое бумажное ограждение. Частота резонирования катушек составляет всего 10 МГц, следовательно, никакой опасности для здоровья живых организмов не наблюдается. В отличие от микроволн. К сожалению, размер катушек внушителен. Чтобы передать 60 ватт электричества на расстояние более двух метров (при комнатном напряжении 220 В) приходится использовать медные магнитные устройства 60 сантиметров в диаметре. Уменьшение их габаритов позволительно лишь с использованием более дорогостоящих проводящих материалов. Именно такой опыт совсем недавно провел процессорный гигант Intel.
Русские разработки
Под занавес тысячелетия инженер МЭИ доработал технологию передачи энергии Тесла средствами одноименного трансформатора. Увеличение КПД системы достигается за счет применения лазерных диодов – лазеров, в которых рабочей областью являются p-n переходы (область проводника с разной проводимостью: p – положительной; n – отрицательной), работающие в электронном газе (например, слое ионосферы). Принцип работы такого лазера аналогичен работе оптических приводов HD DVD и Blu-ray. На анод диода подают положительный потенциал (смещение в прямом направлении). P-область после пропускания через нее электрического тока создает высокую концентрацию неравновесных подвижных, квазичастиц (ионов и электронов) в n-области. Та, в свою очередь, совершает точно такие же действия относительно положительной области. Далее в p-области происходит туннелирование элементарных частиц с выделением фотонной и фононной энергии определенной мощности и длины волны. В результате электрического пробоя и фотоионизации в получившемся «канале» возникает высокая концентрация ионов и электронов, которые под действием кулоновых сил перемещаются от источника (трансформатора Тесла с лазером) к приемнику (устройству) с минимальным рассеиванием электричества. Мощность лазера составляет порядка 100 кВт, а резонирующее напряжение трансформатора Тесла может колебаться в пределе от 2 до 50 миллионов вольт. Несмотря на значительное повышение КПД трансформатора Тесла, применение лазера пагубно влияет на расстояние передаваемой энергии и безопасность системы в целом. Изобретение Авраменко вряд ли пригодится в повседневной жизни (до тех пор, пока не удастся создать миниатюрные источники и приемники), а вот машиностроению и военным министерствам весьма выгодно управлять аппаратурой на расстоянии без постоянной подзарядки двигателей.
Николе Тесла не повезло со временем. В начале ХХ века человечество не нуждалось в его творениях. Люди были озабочены совершенно другими потребностями. Уже сейчас с ростом населения, развитием технического прогресса и истощением природных ресурсов беспроводная передача энергии кажется одним из самых (если не самым) перспективных направлений развития технологий. К тому же это удобно. Можно не беспокоиться о емкости батареи ноутбука и наконец-то не волноваться о том, что аккумулятор телефона «сядет» в самый неподходящий момент.
2. Эксперимент по беспроводной передаче электрической энергии: подтверждение идей Н. Тесла
2.1. Передатчик
С помощью индукции, с резонансом или без него, удается передавать энергию на сравнительно небольшие расстояния. Но существуют проекты, беспроводной передачи энергии, предусматривающие передачу электрической энергии на мили.
Принцип работы передатчика можно понять из простого опыта. Для его проведения понадобятся батарейка, пара провода, компас (см. рис. 1).
Теперь все готово к изготовлению передатчика.
Если проложить провод возле стрелки компаса на расстоянии 3–5 см и затем перемкнуть им полюса батарейки, то в момент подключения можно заметить небольшое отклонение или движение стрелки. Это говорит о том, что получилось магнитное поле из электрического тока (поля). Отклонение стрелки происходит только в момент замыкания и размыкания провода. Это говорит о том, что магнитное поле возникает только при изменении направления тока, в этом случае в начале и прекращении.
Более научно: движение электронов создает электрическое поле в проводнике, изменения которого создают вокруг проводника магнитное поле и это поле влияет на стрелку.
Просто и понятно. Мы открыли явление электромагнитной индукции, которое независимо от нас еще в 1831 сделал Майкл Фарадей.
Рис. 1
2.2. Опыт Фарадея
Усложним опыт. Возьмем два провода и разместим их параллельно на расстоянии примерно 3–5 см друг от друга. В цепь второго провода подключим чувствительный вольтметр (тестер или микроамперметр).
Теперь при подключении первого провода к батарейке, прибор должен фиксировать возникновение тока во втором проводе. Ток конечно очень мал и вашему прибору может не хватить чувствительности, чтобы его зафиксировать. Но он есть. Произошла передача энергии на небольшое расстояние. Это сделал Генрих Герц в 1889.
Итоги:
- напряжение батарейки создает поток электронов в первом проводе;
- движущиеся электроны создают магнитное поле вокруг провода;
- магнитное поле влияет на второй провод и вызывает в нем движение электронов или электрическое поле;
Электрическое поле во втором проводе появляется только тогда, когда изменяется магнитное поле, то есть в момент включения или выключения.
Важный вывод: при изменении электрического поля изменяется магнитное поле, и его энергия может передаваться без проводов. Для того чтобы магнитное поле могло распространиться на большое расстояние, передатчику не хватит мощности. Для дальней радиопередачи нужен мощный генератор переменного тока – устройство, которое бы самостоятельно «включало и выключало» ток или изменяло его полярность. Причем частота колебаний генератора должна быть довольно высокой (например, для средних волн не менее 300 кГц). Чем выше частота генератора, тем меньше энергии будет затрачиваться на передачу и потребуются антенны меньших размеров. Но повышение частоты предъявляет более жесткие требования к элементам радиопередатчика. Нужны более высокочастотные элементы и более стабильный генератор.
Сложность изготовления и настройки элементов и узлов передатчика (и приемника тоже) напрямую зависит от частоты. Больше частота – сложней изготовление и выше стоимость. В свою очередь, отклонение частоты влияет на согласованную работу передатчика и приемника. Например, отклонение частоты средневолнового (300 кГц) передатчика на 1% вызовет изменение частоты на ±3 кГц, что в принципе допустимо. А отклонение на 1% передатчика, работающего на частоте 450 МГц, даст отклонение частоты на ±4.5 МГц. А это по ширине больше длинноволнового, средневолнового и частично коротковолнового диапазонов вместе взятых.
Технологии развивались, и в наши дни полупроводниковые приборы вытеснили искру, генераторы, вакуумные лампы и многое из того, что считалось классическим для своего времени. Но, несмотря на достижения электроники, в современных передатчиках используются те же принципы, что и ранее.
2.3. Приёмник
Во многих теориях, посвященных беспроводной передаче энергии, выпрямляющие антенны занимают центральное место. Они как правило, представляют собой решетку дипольных антенн с положительными и отрицательными полюсами. Эти антенны подключаются к полупроводниковым диодам.
Такая система действует следующим образом:
- Микроволны, являющиеся частью электромагнитного спектра, попадают на дипольные антенны.
- Эти антенны вбирают энергию микроволн и переносят ее к диодам.
- Диоды действуют как ключи. Открываясь или закрываясь в нужный момент, они, подобно турникету, пропускают электроны только в одном направлении. После диодов электроны попадают на схему дисковой выпрямляющей антенны (ректенны).
- Задачей этой схемы является подача электроэнергии на элементы и системы, которые в ней нуждаются.
Другие идеи, решающие задачу передачи энергии на еще большие расстояния, также предусматривают использование ректенн. David Criswell из Хьюстонского университета предложил использовать микроволны для передачи электроэнергии на Землю с солнечных электростанций, расположенных на Луне. Предполагается, что на Земле десятки тысяч приемников будут улавливать эту энергию, а ректенны преобразуют ее в электричество.
Микроволны легко проходят сквозь атмосферу, а ректенны выпрямляют их с образованием электричества очень эффективно. Кроме того, базирующиеся на Земле ректенны могут быть собраны в конструкции, напоминающие сетку, пропускающую к поверхности солнечные лучи и дождь, что сведет к минимуму отрицательное воздействие на окружающую среду. Такая система может обеспечить человечество чистой энергией. Однако у нее есть и некоторые недостатки.
Солнечные электростанции на Луне будут нуждаться в контроле и техническом обслуживании. Иными словами, проект потребует создания жизнеспособных обитаемых лунных станций.
В любой заданный момент времени лишь часть поверхности Земли находится на линии прямой видимости с Луной. Для того, чтобы вся планета была обеспечена стабильным энергоснабжением, нужно, чтобы сеть спутников обеспечивала переадресацию микроволновой энергии.
Многим людям не понравится то, что придется все время находиться под потоком микроволн из космоса, даже если риск для здоровья окажется сравнительно небольшим.
В то время, как ученые построили действующие прототипы самолетов, работающих на микроволновой энергии, крупномасштабные проекты, такие как солнечные электростанции на Луне, все еще не вышли за пределы теории. Однако с ростом численности населения Земли потребности в электроэнергии будут опережать возможности ее производства и распространения. В конечном итоге, может оказаться, что беспроводная передача энергии станет необходимостью, а не просто интересной идеей.
За кажущейся простотой скрыты десятилетия упорных исследований и экспериментов нескольких поколений ученых. И хотя основным принципам передачи и приема электромагнитных волн более 100 лет, до сих пор ученые бьются над повышением и понижением, увеличением и уменьшением, удешевлением и… Но реальность далека от идеала – увеличение в одном месте зачастую приводит к уменьшению в другом. И нет конца процессу усовершенствования.
3. Характеристика устройства беспроводной передачи электрической энергии
3.1. Предназначение устройства беспроводной передачи электрической энергии
1) Электрокары — Источником энергии служит ВЧ (высоко-частотный) генератор достаточно большой мощности. Катушка контура генератора представляет собой один виток алюминиевой трубки. Дроссель состоит из 25 витков медного провода сечением 1,5 мм в двойной волокнистой изоляции, намотанных в один слой на каркасе диаметром 30 мм. Для питания цепей генератора можно использовать выпрямитель от старого телевизора. Приемник снабжен петлей связи из латунной трубки диаметром 3…4 мм. Емкость конденсатора подбирают в пределах 1000… 3000 пФ, чтобы малогабаритный электродвигатель модели получал наибольшую энергию. Диод — лучше всего кремниевый (например, переделанный из транзистора), он может быть также и германиевым типа DOG 50…63, DZG 1…4 . В зависимости от потребляемого двигателем тока соединяют параллельно несколько диодов. Соединено параллельно 5…6 диодов. Величина емкости конденсатора сглаживающего фильтра не критична.
Модель трассы («улицы») размером 1×1 м изготовляют из пластмассы, доски или фанеры. Под ней помещают катушку, генератор ВЧ и блок питания.
Вторичная обмотка (петля связи) модели представляет собой незамкнутый виток медного провода или трубки, уложенный на полу автомобиля. Если бы этот виток был замкнут, то он потреблял бы слишком много ВЧ энергии и сильно нагревался. Вариант модели с кузовом из пластмассы имел привод от электродвигателя на ось задних колес через зубчатую и фрикционную передачи с общим передаточным отношением 40:1. Очень важно, чтобы автомобиль имел как можно меньше металлических частей.
2) Девайсы – Возможность бесперебойной работы электрических бытовых приборов (телевизоры, ноутбуки, сотовые телефоны и др.) без питающих проводов в пределах небольшого радиуса.
3) Авиотехника – самолеты имеющие возможность летать в воздухе долгие месяцы без горючего топлива.
3.2. Влияние беспроводной передачи электроэнергии на здоровье человека
и экономическая значимость
Человеческий организм всегда реагирует на внешнее электромагнитное поле. В силу различного волнового состава и других факторов электромагнитное поле различных источников действует на здоровье человека по-разному. Широкие исследования влияния электромагнитных полей на здоровье были начаты в нашей стране в 60-е годы. Было установлено, что нервная система человека чувствительна к электромагнитному воздействию, а также что поле обладает так называемым информационным действием при воздействии на человека в интенсивностях ниже пороговой величины теплового эффекта (величина напряженности поля, при которой начинает проявляться его тепловое воздействие).
Современные достижения науки доказывают, что мир, в котором мы живём, не является слепым сцеплением атомов, молекул, сил энергии и т.д. Он — единое образование, в котором все части связаны между собой так, что каждая является причиной следующей и следствием предыдущей. В этом едином образовании биологический организм, и человек в частности, представляет собой сложный органический объект, целиком и полностью зависящий от условий окружающей его среды пребывания.
Электрические и магнитные поля являются очень сильными факторами влияния на состояние всех биологических объектов, попадающих в зону их воздействия. При существующей ныне загрязнённой электромагнитной обстановке пагубное влияние паразитных электромагнитных волн на организм человека очень велико. В этих условиях самостоятельно защититься от постоянного разрушительного потока паразитных электромагнитных излучений человеческий организм не может. Безопасный уровень воздействия электромагнитного поля для каждого человека строго индивидуален, поэтому существующие санитарные нормы для огромного количества людей безопасными не являются. Электромагнитные излучения «умеют» накапливаться в биологическом организме и постепенно вызывать различные необратимые процессы. Методы защиты от пагубного влияния электромагнитных волн на биологический организм базируются на одном главном условии — «минимизировать контакт человека с ЭМИ, а в ряде случаев — полностью исключить эту дополнительную нагрузку».
Методы защиты здоровья людей от электромагнитного воздействия. Организационные мероприятия по защите населения от электромагнитных полей. К организационным мероприятиям по защите от действия электромагнитных полей можно отнести:
1. Выбор режимов работы излучающего оборудования, обеспечивающих уровень излучения, не превышающий предельно допустимый.
2. Ограничение места и времени нахождения людей в зоне действия поля.
3. Обозначение и ограждение зон с повышенным уровнем излучения.
Защита временем. Применяется, когда нет возможности снизить интенсивность излучения в данной точке до предельно допустимого уровня. Путем обозначения, оповещения и т.п. ограничивается время нахождения людей в зоне выраженного воздействия электромагнитного поля. В действующих нормативных документах предусмотрена зависимость между интенсивностью плотности потока энергии и временем облучения.
Защита расстоянием. Применяется, если невозможно ослабить воздействие другими мерами, в том числе и защитой временем. Метод основан на падении интенсивности излучения, пропорциональном квадрату расстояния до источника. Защита расстоянием положена в основу нормирования санитарно-защитных зон — необходимого разрыва между источниками поля и жилыми домами, служебными помещениями и т.п. Границы зон определяются расчетами для каждого конкретного случая размещения излучающей установки при работе её на максимальную мощность излучения. В соответствии с ГОСТ 12.1.026-80 зоны с опасными уровнями излучения ограждаются, на ограждениях устанавливаются предупреждающие знаки с надписями: «Не входить, опасно!».
Инженерные мероприятия по защите людей от электромагнитного воздействия.
Инженерные защитные мероприятия строятся на использовании явления экранирования электромагнитных полей, либо на ограничении эмиссионных параметров источника поля (снижении интенсивности излучения). При этом второй метод применяется в основном на этапе проектирования излучающего объекта. Электромагнитные излучения могут проникать в помещения через оконные и дверные проемы (явление дисперсии электромагнитных волн). Для экранирования оконных проемов применяются либо мелкоячеистая металлическая сетка (этот метод защиты не распространён по причине не эстетичности самой сетки и значительного ухудшения вентиляционного газообмена в помещении), либо металлизированное (напылением или горячим прессованием) стекло, обладающее экранирующими свойствами. Металлизированное стекло горячего прессования имеет кроме экранирующих свойств повышенную механическую прочность и используется в особых случаях (например, для наблюдательных окон на атомных регенерационных установках). Для защиты от электромагнитного воздействия населения чаще всего применяется стекло, металлизированное напылением. Напылённая плёнка металлов (олово, медь, никель, серебро) и их оксидов обладает достаточной оптической прозрачностью и химической стойкостью. Нанесенная на одну сторону поверхности стекла, она ослабляет интенсивность излучения в диапазоне [0,8..150] см в 1000 раз. При нанесении плёнки на обе стороны стекла достигается 10- тысячекратное снижение интенсивности.
Экранирование дверных проемов в основном достигается за счет использования дверей из проводящих материалов (стальные двери).
Для защиты населения от воздействия электромагнитных излучений могут применяться специальные строительные конструкции: металлическая сетка, металлический лист или любое другое проводящее покрытие, а также специально разработанные строительные материалы. В ряде случаев (защита помещений, расположенных относительно далеко от источников поля) достаточно использования заземленной металлической сетки, помещаемой под облицовку стен помещения или заделываемой в штукатурку. В сложных случаях (защита конструкций, имеющих модульную или некоробчатую структуру) могут применяться также различные пленки и ткани с электропроводящим покрытием.
Из специальных экранирующих материалов в настоящее время получили широкое распространение металлизированные ткани на основе синтетических волокон. Экранирующие текстильные материалы обладают малой толщиной, легкостью, гибкостью, хорошо закрепляются смолами и синтетическими клеящими составами.
За последние годы количество разнообразных источников электромагнитных излучений во всём частотном диапазоне (вплоть до десятков ГГц) резко увеличилось: радио — и телестанции, средства радиолокации и радиосвязи, в т.ч. мобильной и спутниковой, различных энергетических и энергоёмких установок, появилось множество систем спутниковой и сотовой связи, мобильной радиосвязи, радарные системы, сотни новых телеканалов и радиовещательных станций и т.д. Такой колоссальный рост напряжённости электромагнитных полей (ЭМП) имеет определённые биологические последствия.
За последние десятилетия сформировался новый фактор окружающей среды — электромагнитные поля (ЭМП) антропогенного происхождения. Некоторые специалисты относят ЭМП к числу сильнодействующих экологических факторов с катастрофическими последствиями для всего живого.
Другая распространённая критическая точка зрения, принятая по отношению к системе беспроводной передачи Тесла, касается её возможного воздействия на биосферу. (Это происходит всякий раз во время грозы в разных точках мира). С точки зрения экономической теории, многие страны выиграли бы от применения беспроводной системы. Понадобились бы только частные, географически разбросанные приемные подстанции. Подобно радио или телевидению, необходим только один резонансный приёмник энергии, который может, в конце концов, быть встроенным и в сами приборы, так что необходимость в проводах питания отпадёт! В качестве примера можно привести кабельное или «прямое» телевидение, которое в 21 веке стало очень популярным, а «прямое электричество» Тесла является его точной аналогией.
Мы считаем, что данное исследование следует продолжить, акцентируя особое внимание на практической деятельности, направленной на изготовление передатчика и приёмника электрической энергии без проводов и расчёта затраты для изготовления передатчика и приёмника электрической энергии без проводов.
Заключение
Идея беспроводной передачи электроэнергии не остаётся безнадежной. Ведь ученые из Массачусетского технологического института в рамках работ над проектом WiTricity доказали, что беспроводная передача электроэнергии возможна. Суть технологии в том, что подключенный к источнику питания передатчик, представляющий собой, так называемый долгоживущий резонатор, создает внутри себя электромагнитное поле. Чтобы образовалось электрическое напряжение, необходимо поместить в радиус приема резонатор, настроенный на ту же частоту, что и передатчик.
В природе существует масса примеров резонанса. Самый известный — когда несколько одинаковых стеклянных стаканов наполняются разным количеством воды, если по каждому стакану постучать металлической ложкой, то каждый стакан будет издавать уникальный звук. Спустя много лет интерес к этой проблеме возник опять. Вместо акустического резонанса физики используют частотный резонанс электромагнитных волн. В заряжающей установке есть две небольшие электрокатушки, которые резонируют в диапазоне частоты 10 МГц и обмениваются электроэнергией и чем дольше взаимодействие между элементами, тем больше тока прибывает приемнику. Как известно, к электромагнитному излучению относят радиоволны, оптическое излучение и жёсткие лучи (рентгеновские и гамма). Не секрет, что традиционные системы, излучающие электромагнитные волны, не могут передавать эффективно потоки энергии, поскольку она просто рассеивается во внешней среде. Во избежание таких больших потерь энергии ученые применили специальный класс излучателей, создающих вокруг себя так называемое «неизлучающее» электромагнитное поле. Энергия этого поля может передаваться только объектам, частота вибрации которых совпадает с собственной частотой электромагнитного поля излучателя.
Таким образом, настроив такие излучатели на одну частоту с электронным прибором, поток энергии можно будет подводить к нему с малыми потерями. Учённые провели ряд экспериментов, в которых удалось получить такой результат: передача электроэнергии мощностью в 800 Вт, на расстояние 5 метров, а в некоторых случаях, получалось увеличить расстояние до 15 метров. Также, было замечено, что при увеличении транспортируемых мощностей, потери при передачи значительно понижаются. Повышая КПД. Хоть, это и является относительно малыми расстояниями и невысоким коэффициентом полезного действия, всего в 9-14%, но сам факт даёт большие надежды. Все изобретения и устройства начинали с малых показателей. У любого нового открытия существует естественный путь развития и эволюции, идя по которому, любая вещь на каждом шаге улучшается. В результате прохождения такого пути, она становится совершенней за счёт уменьшения габаритов, улучшения внутренних характеристик, повышение экономности, эффективности и т.д. Подмножество таких технологий с радиусом действия от нескольких миллиметров до одного сантиметра могут найти применение в домашних цифровых приложениях.
Например, для беспроводной зарядки мобильных телефонов. Технологии с радиусом действия от нескольких десятков сантиметров до одного метра могут использоваться для беспроводного питания настольных ПК, цифровых камер, телевизоров. Они смогут передавать “по воздуху” мощность в несколько десятков ватт. Хотя технология беспроводной передачи электроэнергии сейчас не совершенна, но она должна развиваться, ей нельзя останавливаться. Так как эта технология может принести в мир людей большую пользу.
Библиографический список
- Science Magazine — «Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances»(англ.)
- MIT news Office June 7, 2007 «Goodbye wires…»(англ.)
- Рабочие технологии для беспроводной зарядки портативных устройств
- membrana.ru 15 ноября 2006 «Разработан способ беспроводной передачи электроэнергии»
- membrana.ru 18 июня 2007 «Заработал новый способ беспроводной передачи электричества»
- Наталья Ковалевская.«Держатели плазмы» //Власть денег Март 2007 (№ 123)
- Шамиль Гареев.«Электричество будет передаваться без проводов» //Великая Эпоха 12.06.2007
8. Владимир Заманский. «Киевский Тесла» // «Газета по-киевски» 15.09.2007 — Статья об инженере, повторившим опыт Теслы по беспроводной передаче электричества.
9. — «Бесконтактная технология передачи энергии CPS®(Contactless Power System) компании VAHLE»(анг