Беспроводное электричество тесла: Создана технология беспроводной передачи энергии на большие расстояния

Содержание

Создана технология беспроводной передачи энергии на большие расстояния

Первую в мире функциональную систему беспроводной передачи энергии на большие расстояния разработали в Новой Зеландии. Уже сейчас прототип способен работать в любых погодных условиях, направляя энергию между двумя антеннами, разделенными расстоянием в несколько километров. Полевые испытания технологии, повторяющей эксперименты Николы Теслы, начнутся осенью.

Мечта о беспроводной передаче энергии далеко не нова — еще Никола Тесла когда-то доказал, что можно зажигать лампочки с помощь катушки, находящейся в паре километров от них. Правда, при этом он сжег динамо-машину на местной электростанции и погрузил весь Колорадо-Спрингс во тьму. Тесла мечтал построить повсюду вышки, которые обеспечивали бы всех беспроводной энергией. Но инвестор Джон П. Морган зарубил идею на корню одним вопросом: «А куда прикажете поставить счетчик?»

Прошло 120 лет и вот новозеландская компания Emrod убедила второго по величине поставщика энергии в стране концерн Powerco дать беспроводному электричеству шанс. Powerco поверила в технологию передачи энергии и вложила средства в Emrod, сообщает New Atlas.

Система состоит из передающей антенны, наборов реле и принимающей ректенны (антенны со встроенным выпрямителем, преобразующем микроволновую энергию в электричество). Для передачи используется безопасный радиодиапазон ISM, зарезервированный для промышленных, научных и медицинских целей.

В отличие от мечты Теслы, энергия передается напрямую между двумя антеннами, а лазерная система безопасности, защищающая периметр луча, тут же отключает его, если периметр пересекает птица, дрон или вертолет. Проблем с размещением счетчиков тоже быть не должно.

Система работает при любых погодных условиях — дождь, туман или пыль ей не помеха. Дистанция передачи ограничена только прямой видимостью, то есть в потенциале может быть сотни километров, а установка и эксплуатация не требуют серьезных вложений.

Пока у инженеров Emrod есть только работающий прототип, но к октябрю они планируют завершить создание устройства для инвестора и начать полевые испытания. Первые устройства будут работать с мощностью в несколько киловатт. Прототип способен передавать энергию на несколько километров, но его легко можно масштабировать. «Мы можем использовать точно такую же технологию для передачи в 100 раз больше энергии на много большее расстояние», — пообещал основатель Emrod Грег Кушнир.

Если полевые испытания технологии пройдут успешно, она сможет преобразить энергосети по всему миру. «Мы планируем использовать эту технологию для доставки электричества в отдаленные места или через районы с труднопроходимой местностью. Она также может быть использована для сохранения энергоподачи клиентам в случаях, когда мы проводим техническое обслуживание нашей существующей инфраструктуры», — рассказал о планах инженер по трансформации сети Powerco Николас Вессио.

Беспроводная передача энергии может стать ключевой технологией и для возобновляемой энергетики, которая, как правило, генерирует энергию далеко не там, где она необходима. А мощность существующих энергосетей не позволяет перебрасывать большие объемы такой энергии достаточно далеко от места генерации. Из-за этого, например, Германия, теряет часть оффшорной выработки ветропарков, так как в пиках не может перенаправить ее с севера в южные земли — не хватает ресурсов энергосети.

К середине августа компания Electreon Wireless запустит первый в Израиле участок трассы с возможностью беспроводной подзарядки электротранспорта на ходу. Она же начала работы по аналогичному проекту на шведском острове Готланд.

Беспроводное электричество. Работа и применение. Особенности

Беспроводное электричество стало известно с 1831 года, когда Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Он экспериментально установил, что меняющееся магнитное поле, порождаемое электрическим током, может индуцировать электрический ток в ином проводнике. Проводились многочисленные опыты, благодаря чему появился первый электрический трансформатор. Однако полноценно воплотить идею передачи электричества на расстоянии в практическом применении удалось лишь Николе Тесла.

На Всемирной выставке в Чикаго в 1893-м году он показал беспроводную передачу электричества, зажигая фосфорные лампочки, которые отстояли друг от друга. Тесла продемонстрировал множество вариаций по передаче электричества без проводов, мечтая, что в будущем данная технология позволит людям передавать энергию в атмосфере на большие расстояния. Но в это время это изобретение ученого оказалось невостребованным. Лишь век спустя технологиями Николы Теслы заинтересовались компании Intel и Sony, а за тем и иные компании.

Как это работает

Беспроводное электричество в буквальном смысле представляет передачу электрической энергии без проводов. Часто эту технологию сравнивают с передачей информации, к примеру, с Wi-Fi, сотовыми телефонами и радио. Беспроводная электроэнергия – это сравнительно новая и динамично развивающаяся технология. Сегодня разрабатываются методы, как безопасно и эффективно передавать на расстоянии энергию без перебоев.

Технология основана на магнетизме и электромагнетизме и базируется на ряде простых принципов работы. В первую очередь это касается наличия в системе двух катушек.

  • Система состоит из передатчика и приемника, генерирующих вместе переменное магнитное поле непостоянного тока.
  • Это поле создает напряжение в катушке приемника, к примеру, для зарядки аккумулятора или питания мобильного устройства.
  • При направлении электрического тока через провод вокруг кабеля появляется круговое магнитное поле.
  • На мотке проволоки, куда не поступает электрический ток напрямую, начнет поступать электрический ток от первой катушки через магнитное поле, в том числе вторую катушку, обеспечивая индуктивную связь.
Принципы передачи

До последнего времени наиболее совершенной технологией передачи электроэнергии считалась магнитно-резонансная система CMRS, созданная в 2007 году в Массачусетском технологическом институте. Данная технология обеспечивала передачу тока на расстояние до 2,1 метра. Однако запустить ее в массовое производство мешали некоторые ограничения, к примеру, высокая частота передачи, большие размеры, сложная конфигурация катушек, а также высокая чувствительность к внешним помехам, в том числе к присутствию человека.

Однако ученые из Южной Кореи создали новый передатчик электроэнергии, который позволит передавать энергию до 5 метров. А все приборы в комнате будут питаться от единого хаба. Резонансная система из дипольных катушек DCRS способна работать до 5 метров. Система лишена целого ряда недостатков CMRS, в том числе применяются довольно компактные катушки размерами 10х20х300 см, их можно незаметно установить в стены квартиры.

Эксперимент позволил передать на частоте 20 кГц:
  1. 209 Вт на 5 м;
  2. 471 Вт на 4 м;
  3. 1403 Вт на 3 м.

Беспроводное электричество позволяет запитывать современные большие ЖК-телевизоры, требующих 40 Вт, на расстоянии 5 метров. Единственное из электросети будет «выкачиваться» 400 ватт, однако не будет никаких проводов. Электромагнитная индукция обеспечивает высокий КПД, но на малом расстоянии.

Существуют и иные технологии, которые позволяют передавать электроэнергию без проводов. Наиболее перспективными из них являются:
  • Лазерное излучение. Обеспечивает защищенность сетей, а также большую дальность действия. Однако требуется прямая видимость между приемником и передатчиком. Работающие установки, применяющие питание от лазерного луча, уже созданы. Lockheed Martin, американский производитель военной техники и самолетов, испытал беспилотный летательный аппарат Stalker, который питается от лазерного луча и остается в воздухе в течение 48 часов.
  • Микроволновое излучение. Обеспечивает большую дальность действия, но имеет высокую стоимость оборудования. В качестве передатчика электроэнергии применяется радиоантенна, которая создает микроволновое излучение. На устройстве-приемнике стоит ректенна, которая преобразует в электроток принимаемое микроволновое излучение.

Данная технология дает возможность существенного удаления приемника от передатчика, в том числе нет прямой нужды прямой видимости. Но с увеличением дальности пропорционально увеличивается себестоимость и размеры оборудования. В то же время микроволновое излучение большой мощности, создаваемое установкой, может наносить вред окружающей среде.

Особенности
  • Самая реалистичная из технологий — беспроводное электричество на основе электромагнитной индукции. Но существуют ограничения. Ведутся работы по масштабированию технологии, но здесь появляются вопросы безопасности для здоровья.
  • Технологии передачи электричества при помощи ультразвука, лазера и микроволнового излучения также будут развиваться и тоже найдут свои ниши.
  • Орбитальные спутники с громадными солнечными батареями нуждаются в ином подходе, потребуется прицельная передача электроэнергии. Здесь уместен лазер и СВЧ. На данный момент нет идеального решения, однако имеется много вариантов со своими плюсами и минусами.
  • В настоящее время крупнейшие производители телекоммуникационного оборудования объединились в консорциум беспроводной электромагнитной энергии с целью создания всемирного стандарта для беспроводных зарядных устройств, которые действуют по принципу электромагнитной индукции. Из крупных производителей поддержку стандарта QI на ряде своих моделей обеспечивают Sony, Samsung, Nokia, Motorola Mobility, LG Electronics, Huawei, HTC. В скором времени QI станет единым стандартом для любых подобных устройств. Благодаря этому можно будет создавать беспроводные зоны подзарядки гаджетов в кафе, на транспортных узлах и в иных общественных местах.
Применение
  • Микроволновый вертолет. Модель вертолета имела ректенну и поднималась на высоту 15 м.
  • Беспроводное электричество применяется для питания электрических зубных щеток. Зубная щетка имеет полную герметичность корпуса и не имеет разъемов, что позволяет избежать удара током.
  • Питание самолетов при помощи лазера.
  • В продаже появились системы беспроводной зарядки мобильных устройств, которые можно использовать повседневно. Они работают на базе электромагнитной индукции.
  • Универсальная зарядная площадка. Они позволяют питать энергией большую часть популярных моделей смартфонов, которые не оборудованы модулем для беспроводной зарядки, в том числе обычные телефоны. Кроме самой зарядной площадки будет нужно купить чехол-приемник для гаджета. Он соединяется со смартфоном через USB-порт и через него заряжается.
  • На текущий момент на мировом рынке продается свыше 150 устройств до 5 Ватт, которые поддерживают стандарт QI. В будущем появится оборудование средней мощности до 120 Ватт.
Перспективы

Сегодня ведутся работы над крупными проектами, которые будут использовать беспроводное электричество. Это питание электромобилей «по воздуху» и бытовые электросети:

  • Густая сеть автозарядных точек позволит уменьшить аккумуляторы и значительно снизить себестоимость электромобилей.
  • В каждой комнате будут устанавливаться источники питания, которые будут передавать электроэнергию аудио- и видеоаппаратуре, гаджетам и бытовым приборам, оборудованными соответствующими адаптерами.
Достоинства и недостатки
Беспроводное электричество имеет следующие преимущества:
  • Не требуются источники питания.
  • Полное отсутствие проводов.
  • Упразднение необходимости использования батарей.
  • Требуется меньше технического обслуживания.
  • Огромные перспективы.
К недостаткам также можно отнести:
  • Недостаточная проработанность технологий.
  • Ограниченность по расстоянию.
  • Магнитные поля не являются полностью безопасными для человека.
  • Высокая стоимость оборудования.
Похожие темы:

Беспроводное электричество: от идеи до реализации

Из всех идей, над которыми работал инженер и физик Никола Тесла, а в этом списке были переменный ток, радио, пульт дистанционного управления (и это в конце XIX века), самой фантастической и трудно осуществимой была передача электрической энергии без проводов. И дело не в том, что сербский изобретатель не знал, как осуществить свой проект. Идея беспроводного электричества, как и электродвигатель, созданный в эпоху бурного развития нефтяной промышленности, не была оценена по достоинству и не получила поддержку от инвесторов и научного сообщества. Спустя десятилетия, когда электроприборы стали неотъемлемой частью нашего быта, система беспроводной передачи электричества (БПЭ) снова будоражит умы инженеров по всему миру. Каких результатов уже удалось достичь, и какие способы используется сегодня?

«Когда это будет сделано, вы сможете отправиться в любую точку мира — на вершину горы с видом на вашу ферму, в Арктику или в пустыню — и установить небольшое оборудование, которое даст вам тепло для приготовления пищи, а свет для чтения. Это оборудование поместиться в небольшой сумке, как обычный чемодан. В ближайшие годы беспроводные светильники будут столь же распространены на фермах, как и обычные электрические светильники в наших городах».

Никола Тесла, «The American Magazine», апрель 1921 года

Беспроводная передача электричества: что это

«Беспроводной» — одно из самых трендовых слов последнего времени: интернет, мобильные телефоны, наушники, зарядные устройства, радио. Эти технологии тоже можно считать видом беспроводной передачи энергии, но в них главенствующая роль отводиться информации (качеству ее передачи, скорости), а в случае с электричеством показателем эффективности является сохранность передаваемой энергии без использования электрической цепи из токопроводящих элементов.

Кто изобрел беспроводное электричество?

Во время выставки в Чикаго в 1893 году Никола Тесла продемонстрировал беспроводное освещение при помощи люминесцентных ламп. Сегодня подобный эксперимент может повторить кто угодно, достаточно встать с лампой дневного света под линией высокого напряжения. А в то время — было похоже на магический сеанс, поэтому пресса и очевидцы вознесли изобретателя на вершину популярности.

Но в научном мире нет единства, что именно Тесла создал беспроводное электричество: считается, что он доработал идею, которую уже развивали другие ученые.

В 1820 году Андре Мари Ампер записал закон, названный впоследствии в его честь, указывающий на то, что во время использования электрического тока образуется магнитное поле.

Спустя 11 лет Майклом Фарадеем был открыт закон индукции: в ходе опыта установил, что магнитное поле, генерируемое в одном проводнике, способно индуцировать ток в другом проводнике.

В 1864 году Джеймс Максвелл объединил имеющиеся теории, и вывел уравнение, описывающее электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах.

В 1891 году Никола Тесла улучшил передатчик волн, изобретенный Генрихом Герцом тремя годами ранее, и запатентовал его как устройство для радиочастотного энергоснабжения: патент No 454,622; «Система электрического освещения». Параллельно с сербским ученым, исследования электромагнитных волн ведут Александр Попов (Россия), Гульельмо Маркони (Италия), Джагдиш Боше (Индия).

Как работает беспроводное электричество: индукция

Несмотря на то, что последние десятилетия технологии активно развивались, один из самых популярных способов передачи электроэнергии без проводов, мало чем отличается от того, которым пользовался Фарадей. Одна резонансная медная катушка подключается к источнику питания, вторая — играет роль приемника.

Видео работы беспроводного электричества с использованием двух катушек наглядно демонстрирует и простоту технологии, и ее главную проблему – небольшой радиус действия. Также с его помощью невозможно передавать большие объемы энергии (катушки расплавятся) при том, что КПД около 40% (Тесла об этом писал еще в 1899 году).

Однако, нельзя сказать, что магнитная индукция не нашла своего применения. Сегодня технология активно используется для производства беспроводных зарядных устройств. Компания Apple 2017 году презентовала свои беспроводные зарядные устройства, как нечто революционное, хотя фактически этой новинке больше 100 лет.

Беспроводное электричество: популярные технологии

Помимо индукции, на которую делают главные ставки производители электрокаров и гаджетов, известны еще 3 способа: лазеры, микроволны, ультразвук. Ученые убеждены, что каждое из этих направлений может получить развитие в будущем.

  • Лазеры. Энергия передается путем преобразования ее в луч, которые направляется на фотоэлемент приемника. Таким способом можно передавать большие объемы энергии, но эти планы разбиваются об атмосферу Земли, из-за которой большая часть (около 60%) энергии рассеивается. Но в безвоздушных пространствах технология вполне жизнеспособна. Именно поэтому компании, осваивающие космические просторы, продолжают изучение лазерных технологий: в 2009 году NASA даже был организован конкурс с призовым фондом в $900 тыс. по лазерной БПЭ. Первое место заняла Laser Motive: на 1км и 0,5 кВт переданной непрерывной мощности. При том, что конечно цели достигли только 10% энергии, эксперимент назвали успешным.
  • Микроволны. Теоретически радиоволновую передачу энергии можно сделать направленной, используя полупроводники или лампы (циклотронный преобразователь энергии). Полупроводники сейчас активно используются во всем мире, но что касается передачи больших объемов энергии, то необходимо использовать и большее количество полупроводников. Это не только увеличивает стоимость проекта, но и появляется переизлучение, т.е. находиться близко у таких панелей – не безопасно. Но полупроводниковые системы показали высокую эффективность: более 80%. Это доказал еще Вильям Бараун в 1975 году, передав 30 квт на расстояние более 1 км. Создателями циклотронного преобразователя энергии являются советские ученые Владимир Савин и Владимир Ванке, хотя его КПД не превышает 70-80%, надежность достаточно высокая.
  • Ультразвук. Технология была представлена в 2011 году на выставке «The All Things Digital» (D9). Студенты Пенсильванского университета использовали ультразвуковой передатчик и приемник (преобразовывал улавливающее электричество). Радиус действия – около 10 метров. Недостатки: должна быть прямая видимость между «узлами», низкий КПД. Но, передаваемые ультразвуковые частоты, не оказывают воздействия на людей или животных.

Беспроводные зарядные устройства: использование в быту и инфраструктуре

Самым востребованным и популярным девайсом с использованием беспроводной передачи электроэнергии являются зарядные устройства. Это может быть не только смартфон или планшет поддерживающий технологию, но и робот-пылесос, электросамокат, электровелосипед и электрическая зубная щетка.

Универсальность беспроводных зарядок – несомненный плюс технологии. Их создают по стандарту Qi (читается как «Ци»), разработанному Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium): заряд на расстоянии до 4 см. Samsung и Xiaomi также выпускают универсальные беспроводные зарядки. Кстати, если Samsung EP-PG950 не может заряжать гаджеты через чехол, то для Xiaomi Mi Wireless Charging Pad – это не проблема.

Индукционные зарядки для электрических электросамокатов (кикскутеров) устанавливают в Германии. Easy Charge, созданная компаниями Metz и Intis, универсальная и может взаимодействовать с устройствами разных производителей, а благодаря тому, что зарядное выпускается в нескольких модификация (на одно или 5 мест), его можно использовать и в общественных местах.

Джошуа Смит (сотрудник компании Intel) совместно с Марин Солджачич – доцент кафедры физики MIT (Massachusetts Institute of Technology) основали проект WiTricity. Они сосредоточили свои силы на разработке системы БПЭ среднего диапазона, за основу взята магнитно-резонансная связь. В результате в 2017 году появились универсальные беспроводные зарядные устройства для электрокаров DRIVE 11. Приемник устанавливается на днище авто, а передатчики – где угодно (в общественных местах, на станциях заправки или в гаражах владельцев электрокаров). 

Автомобильный концерн BMW также запустил продажи беспроводной индуктивной зарядки. Комплект состоит из индукционной зарядной станции – GroundPad, которая подходит для помещений и установки на открытом воздухе, второй элемент — CarPad (система зарядки автомобиля). После того, как авто оказывается над зарядкой, GroundPad генерирует магнитное поле, а CarPad индуцирует электрический ток, который затем передается в аккумулятор. За 3,5 часа батарея будет полностью заряжена. Аналогичную систему концерн разрабатывает и для мотоциклов.

В Швеции в 2018 году появилась целая электрифицированная дорога eRoadArlanda. Это 2-км участок дороги вблизи Стокгольма, с установленными отбойниками-троллеями. Пока электрокар находится над этой линией, подвижные токосъемники заряжают батареи.

Использовать ее могут электрогрузовики, разработанные в рамках проекта eRoadArlanda, в будущем технологию будут совершенствовать, чтобы сделать универсальной.

А вот в норвежском Осло разрабатывают систему бесконтактной подзарядки именно для легковых электромобилей в такси. В рамках государственной программы «ElectriCity» будет реализована зарядная система, которая позволит заряжать аккумуляторы, не теряя рабочего времени: например, пока водитель ожидает новый заказ или ждет клиентов.

Инженеры стартапа Emrod пошли дальше: беспроводная система передачи электроэнергии на большие расстояния уже тестируется в Новой Зеландии. Хотя инженеры Emrod не раскрывают точных деталей своей разработки известно, что технология подразумевает использование микроволнового излучения. Устройству, работающему в широком спектре частот, не обязательно находиться вблизи непосредственных потребителей. Это позволяет электрифицировать удаленные населенные пункты, при этом не производить вырубку деревьев для прокладки линии электропередач. Кроме того, технология должна снизить цену на электроэнергию.

Что касается безопасности, то по заверению создателей, излучение неионизирующее (не наносит вред человеку, животным, растительности). Также для дополнительной защиты установки укомплектованы сигнальным, лазерным лучом малой мощности, который сканирует линию передачи на наличие помех, и в случае их выявления, автоматически останавливает работу устройства. Примерно через полгода можно будет сделать выводы о его эффективности и создании полноценной системы. Примечательно, что поддержку стартапу Emrod оказывает один из главных дистрибьюторов электроэнергии в Новой Зеландии – Powerco. Это говорит о том, что крупные игроки энерго-рынка понимают важность поиска альтернатив в «зеленом» сегменте.

В XIX веке, в котором зарождались и беспроводная энергия и беспроводная связь, приоритет был отдан второму открытию. Возможно, теперь, когда связь уже налажена, ученые уделят внимание беспроводным технологиям передачи энергии, сделав их доступнее и дешевле. Это, в свою очередь, ускорило бы переход от двигателей внутреннего сгорания к электрокарам, решив часть проблем экологии.

Беспроводная передача электричества: теория, видео — Asutpp

Многие годы ученые бьются над вопросом минимизации электрических расходов. Есть разные способы и предложения, но все, же самой известной теорией является беспроводная передача электричества. Предлагаем рассмотреть, как она выполняется, кто является её изобретателем и почему пока что её не воплотили в жизнь.

Теория

Беспроводное электричество – это буквально передача электрической энергии без проводов. Люди часто сравнивают беспроводную передачу электрической энергии с передачей информации, например, радио, сотовые телефоны, или Wi-Fi доступ в Интернет. Основное различие заключается в том, что с радио-или СВЧ-передач – это технология, направленная на восстановление и транспортировку именно информации, а не энергии, которая изначально была затрачена на передачу.

Беспроводной электроэнергии является относительно новой областью технологии, но достаточно динамично развивающейся. Сейчас разрабатываются методы, как эффективно и безопасно передавать энергию на расстоянии без перебоев.

Как работает беспроводное электричество

Основная работа основана именно на магнетизме и электромагнетизме, как и в случае с радиовещанием. Беспроводная зарядка, также известна как индуктивная зарядка, основана на нескольких простых принципах работы, в частности технология требует наличия двух катушек. Передатчика и приемника, которые вместе генерируют переменное магнитное поле непостоянного тока. В свою очередь это поле вызывает напряжение в катушке приемника; это может быть использовано для питания мобильного устройства или зарядки аккумулятора.

Если направить электрический ток через провод, то вокруг кабеля создается круговое магнитное поле. Несмотря на то, что магнитное поле воздействует и на петлю, и на катушку сильнее всего оно проявляется именно на кабеле. Когда возьмете второй моток проволоки, на который не поступает электрический ток, проходящий через него, и место, в которое мы установим катушку в магнитном поле первой катушки, электрический ток от первой катушки будет передаваться через магнитное поле и через вторую катушку, создавая индуктивную связь.

Как пример возьмем электрическую зубную щетку. В ней зарядное устройство подключено к розетке, которая отправляет электрический ток на витой провод внутри зарядного устройства, создающего магнитное поле. Существует вторая катушка внутри зубной щетки, когда ток начинает поступать и на неё, благодаря образовавшемуся МП, начинается заряд щетки без её непосредственного подключения к сети питания 220 В.

История

Беспроводная передача энергии в качестве альтернативы передачи и распределения электрических линий, впервые была предложена и продемонстрирована Никола Тесла. В 1899 году Тесла презентовал беспроводную передачу на питание поля люминесцентных ламп, расположенных в двадцати пяти милях от источника питания без использования проводов. Но в то время было дешевле сделать проводку из медных проводов на 25 миль, а не строить специальные электрогенераторы, которых требует опыт Тесла. Патент ему так и не выдали, а изобретение осталось в закромах науки.

В то время как Тесла был первым человеком, который смог продемонстрировать практические возможности беспроводной связи еще в 1899 году, сегодня, в продаже есть совсем немного приборов, это беспроводные щетки наушники, зарядки для телефонов и прочее.

Технология беспроводной связи

Беспроводной передачи энергии включает в себя передачу электрической энергии или мощности на расстоянии без проводов. Таким образом, основная технология лежит на концепции электроэнергии, магнетизма и электромагнетизма.

Магнетизм

Это фундаментальная сила природы, которая провоцирует определенные типы материала притягивать или отталкивать друг друга. Единственными постоянными магнитами считаются полюса Земли. Ток потока в контуре генерирует магнитные поля, которые отличаются от осциллирующих магнитных полей скоростью и временем, потребным для генерации переменного тока (AC). Силы, которые при этом появляются, изображает схема ниже.

Так появляется магнетизм

Электромагнетизм – это взаимозависимость переменных электрических и магнитных полей.

Магнитная индукция

Если проводящий контур подключен к источнику питания переменного тока, он будет генерировать колебательное магнитное поле внутри и вокруг петли. Если второй проводящий контур расположен достаточно близко, он захватит часть этого колеблющегося магнитного поля, которое в свою очередь порождает или индуцирует электрический ток во второй катушке.

Видео: как происходит беспроводная передача электричества

Таким образом, происходит электрическая передача мощности от одного цикла или катушки к другой, что известно как магнитная индукция. Примеры такого явления используются в электрических трансформаторах и генератора. Это понятие основано на законах электромагнитной индукции Фарадея. Там, он утверждает, что, когда есть изменение магнитного потока, соединяющегося с катушкой ЭДС, индуцированного в катушке, то величина равна произведению числа витков катушки и скорости изменения потока.

Электрический трансформатор

Мощностная муфта

Эта деталь необходима, когда одно устройство не может передавать энергию на другой прибор.

Магнитная связь генерируется, когда магнитное поле объекта способно индуцировать электрический ток с другими устройствами в поле его досягаемости.

Два устройства, как говорят, взаимно индуктивно-связанной или магнитную связь, когда они выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивности

Технология

Принцип индуктивной связи

Два устройства, взаимно индуктивно-связанные или имеющие магнитную связь, выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода, производится посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивностью.
Индуктивная связь является предпочтительной из-за её способности работать без проводов, а также устойчивости к ударам.

Резонансная индуктивная связь является сочетанием индуктивной связи и резонанса. Используя понятие резонанса можно заставить два объекта работать зависимо от сигналов друг друга.

Концепция резонанса индуктивной связи

Как видно из схемы выше, резонанс обеспечивает индуктивность катушки. Конденсатор подключен параллельно к обмотке. Энергия будет перемещаться назад и вперед между магнитным полем, окружающим катушку и электрическим полем вокруг конденсатора. Здесь потери на излучение будет минимальными.

Существует также концепция беспроводной ионизированной связи.

Она тоже воплотима в жизнь, но здесь необходимо приложить немного больше усилий. Эта техника уже существует в природе, но вряд ли есть целесообразность ее реализации, поскольку она нуждается в высоком магнитном поле, от 2,11 М /м [10] . Её разработал гениальный ученый Ричард Волрас, разработчик вихревого генератора, который посылает и передает энергию тепла на огромные расстояния, в частности при помощи специальных коллекторов. Самой простой пример такой связи – это молния.

Плюсы и минусы

Конечно, у этого изобретения есть свои преимущества перед проводными методиками, и недостатки. Предлагаем их рассмотреть.

К достоинствам относятся:

  1. Полное отсутствие проводов;
  2. Не нужны источники питания;
  3. Необходимость батареи упраздняется;
  4. Более эффективно передается энергия;
  5. Значительно меньше нужно технического обслуживания.

К недостаткам же можно отнести следующее:

  • Расстояние ограничено;
  • магнитные поля не так уж и безопасны для человека;
  • беспроводная передача электричества, с помощью микроволн или прочих теорий практически неосуществима в домашних условиях и своими руками;
  • высокая стоимость монтажа.

Никола Тесла и передача электроэнергии переменным током

АЛЕКСАНДР МИКЕРОВ, д. т. н., проф. каф. систем автоматического управления СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Почти весь XIX век в практических применениях безраздельно господствовал постоянный ток. Главным препятствием широкой электрификации в то время была невозможность передачи электроэнергии на большие расстояния, а переходу на переменные токи мешало отсутствие эффективных электродвигателей переменного тока. Решение было найдено в новаторских работах гениального электротехника Николы Тесла.

Причин популярности постоянного тока тогда было несколько. Прежде всего, источниками тока служили гальванические батареи, и все производимые генераторы и моторы также были постоянного тока. Инженеры мыслили электрогидравлическими аналогиями, в которые не укладывалась идея потоков, меняющих свое направление, поэтому, например, приверженность Эдисона постоянным токам казалась вполне оправданной. Между тем недостатки устройств постоянного тока становились все более очевидными в связи с плохой работой коллектора электрических машин (искрением и износом), проблемами освещения и, главное, невозможностью передачи электроэнергии на большие расстояния.

Электрическое освещение стали использовать после появления дуговых ламп, среди которых наиболее простой была свеча Яблочкова в виде двух вертикально расположенных угольных электродов, разделенных слоем изолирующего материала [1–4]. Вскоре выяснилось, что на постоянном токе разнополярные электроды сгорают неодинаково, поэтому Яблочков предложил питать свечи переменным током, для чего совместно с известным французским заводом Грамма разработал специальный генератор переменного тока, конструкция которого оказалась столь удачной, что его производство доходило до 1000 штук в год [2]. Другое важное изобретение Яблочкова — это схема «дробления света» с использованием индукционной катушки (прообраза современного трансформатора) для параллельного питания от одного генератора любого числа свечей, подобно газовому освещению.

Однако эксплуатация выявила серьезные недостатки дугового освещения, особенно в быту: необходимость замены свечей через каждые два часа, шум, мерцание, большая дороговизна по сравнению даже с газом. Поэтому уже с начала 1890-х гг. электрические свечи были почти повсеместно вытеснены лампами накаливания Эдисона и применялись только в прожекторах или для больших пространств. Тем не менее, именно Яблочкову мы обязаны введением переменных токов в практическую электротехнику, что, в конечном счете, привело к решению острой проблемы дальней передачи электроэнергии, называемой тогда проблемой «распределения света».

Освещение по системе Эдисона имело низкое напряжение, 110 В, поэтому в каждом районе требовалось строить свою электростанцию. Например, в Петербурге из-за дороговизны земли такие электростанции ставились на баржах, стоящих в реках Мойке и Фонтанке [2]. Было ясно, что крупные генерирующие станции выгоднее строить вблизи рек и угольных бассейнов, вдали от городов. Но тогда для дальней передачи нужно или увеличивать сечение подводящих проводов, или повышать напряжение. Для проверки первого подхода на практике русский изобретатель Федор Апполонович Пироцкий предлагал использовать железнодорожные рельсы. Второй путь (повышение напряжения) был испробован французским инженером, впоследствии академиком Марселем Депре (Marcel Deprez), построившим несколько линий передачи постоянного тока с напряжением до 6 кВ. Первая из них, с напряжением 2 кВ, имела длину 57 км и питала двигатель постоянного тока с насосом для искусственного водопада на Мюнхенской электротехнической выставке 1882 г. [2, 4]. Однако для систем освещения такое высокое напряжение было непригодно.

Более простое решение — переход на однофазный переменный ток с повышающими и понижающими трансформаторами — было предложено известной компанией «Ганц и Ко» из Будапешта для освещения оперных театров в Будапеште, Вене и Одессе [2]. Талантливые инженеры этой компании, Микша Дери (Miksa Dèri), Отто Блати (Otto Blathy) и Карой Циперновски (Karoly Zipernowsky), создали в 1884 г. наиболее совершенные конструкции трансформатора (и они же придумали сам этот термин). Отто Блати также изобрел первый электрический счетчик электроэнергии и прославился как выдающийся шахматист.

Рис. 1. Дистанционная передача Депре

Однако развитие промышленности требовало мощных приводов, которые не могли быть созданы на базе электродвигателей переменного тока с питанием от однофазной осветительной сети. Эта проблема формулировалась как «электрическая передача механической энергии» или «передача силы»[4]. Одно из ее первых решений было предложено Депре в 1879 г. в виде дистанционной передачи в опытный вагон движения поршней паровой машины (рис. 1) [5].

У нее был датчик в виде щеточного коммутатора (1) и приемник (2), содержащий ротор (3) с двумя взаимно перпендикулярными катушками, который в свою очередь был подключен к коммутатору (4) и находился в поле магнита (5). Устройство работало со скоростью до 3000 об/мин и с моментом до 5 Нм. Эта идея позднее получила свое развитие в виде сельсинных передач и шаговых двигателей, однако подходила для использования только в приборных системах.

Решение этой проблемы в целом пришло из-за океана, где появился деятельный человек, интуитивно осознавший грядущий переход на переменный ток. Это был Джордж Вестингауз (George Westinghouse) (рис. 2) — видный американский промышленник в сфере оборудования железных дорог, основатель компании Westinghouse, решивший заняться еще и электротехническим бизнесом [2, 4].

 

Рис. 2. Джордж Вестингауз (1846–1914)

Для того чтобы выйти на рынок со своей продукцией, ему нужны были новые патенты, поскольку основные патенты в этой области принадлежали Эдисону, Вернеру Сименсу (Verner Siemens) и другим конкурентам. Перевести освещение на переменный ток было сравнительно просто, и Вестингауз легко вышел на этот рынок, закупив европейские генераторы и трансформаторы и запатентовав ряд своих ламп накаливания. В 1893 г. он получи большой подряд на электрификацию Всемирной выставки в Чикаго, установив там 180 тыс. ламп накаливания и тысячи дуговых ламп [4].Однако электрические машины были совсем другим делом, поэтому для их разработки он подыскал через патентное ведомство никому не известного изобретателя Николу Теслу, имевшего десятки патентов на системы переменного тока. На встрече в Нью-Йорке в 1888 г. Вестингауз предложил Тесле уступить ему все уже полученные и будущие патенты в обмен на один миллион долларов, пост технического руководителя завода в Питтсбурге и один доллар за каждую л. с. двигателей и генераторов по системе Теслы, установленных на территории США в течение ближайших 15 лет. Третье условие соглашения сыграло в дальнейшем важную роль. Тесла все эти условия принял, и так началось его плодо­творное сотрудничество с Вестингаузом [4].
Будущий великий электротехник Никола Тесла (рис. 3) родился в семье сербского священника, жившей в Хорватии. Учился в Градском политехникуме и Пражском университете, но, не закончив их, поступил на работу в отделение компании Эдисона в Париже, откуда перебрался в США с рекомендательным письмом от директора отделения самому Эдисону.

Письмо гласило: «Я знаю двух великих людей: один из них вы, а второй — молодой человек, которого я вам рекомендую». Разумеется, Тесла был принят незамедлительно, и ему поручили самую ответственную работу с электротехническим оборудованием, включая ликвидацию аварий.

Рис. 3. Никола Тесла (1856 – 1943)

Впрочем, работа в этой компании продолжалась недолго. Поводом к расставанию якобы послужил отказ Эдисона выплатить обещанную премию в 50 тысяч долларов за совершенствование генераторов постоянного тока. Когда Тесла напомнил об этом шефу, тот сказал: «Молодой человек, вы не понимаете американского юмора» [4]. Однако скорее всего причиной ухода Теслы было упорное нежелание Эдисона разрешать молодому сербу заниматься бесколлекторным электродвигателем переменного тока, с мечтой о котором Тесла прибыл из Европы. Поэтому, разумеется, Тесла с радостью принял предложение Вестингауза, которое предоставляло ему прекрасные возможности для работы над своей идеей.

Еще в мае 1888 г. Тесла получил семь патентов США на системы переменного тока и бесщеточные двигатели [4]. Главным в них было новаторское предложение строить всю цепочку генерации, передачи, распределения и использования электроэнергии как многофазную систему переменного тока, включающую генератор, линию передачи и двигатель переменного тока, названный Теслой «индукционным». Пример такой системы показан на рис. 4.

Здесь: 1 — синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и с двумя взаимно перпендикулярными фазами обмотки ротора (2), соединенными через контактные кольца (3) и линию передачи (4) с двухфазным индукционным двигателем (5) с обмоткой статора (6) и ротором (7) в виде стального цилиндра со срезанными сегментами [4]. Действие такого двигателя, называемого теперь асинхронным, объяснялось формированием «перемещающегося», а по современной терминологии вращающегося магнитного поля. Для линии дальней передачи предлагалось включение двухфазных повышающего и понижающего трансформаторов. В мае того же года Тесла выступил с большим докладом о многофазных системах на семинаре Американского института инженеров-электриков AIEE (предшественника IEEE). Продолжая исследования, он вскоре реализовал и другие идеи: двухфазный и трехфазный асинхронный двигатель с обмоткой в звезду, трехфазный генератор с нейтралью и без, трех- и четырехпроводные линии электропередачи и т. д. Всего по многофазным системам у Теслы был 41 патент [2].

Рис. 4. Двухфазная система Теслы

Несомненно,Тесле принадлежит патентный, а Вестингаузу промышленный приоритет на многофазные системы переменного тока, поскольку им сразу же было развернуто массовое производство двигателей, генераторов и другой аппаратуры таких систем. Вершиной этой бурной деятельности было строительство в 1895 г. самой крупной по тем временам Ниагарской электростанции на американском берегу Ниагарского водопада, высота которого составляла 48 метров. На плотине было установлено 10 двухфазных генераторов по 3,7 мВт каждый, а также проложена линия электропередачи 11 кВ длиной 40 км в Буффало, где был создан промышленный район с многочисленными потребителями электроэнергии переменного тока [2, 4].

Рис. 5. Опыт Теслы

Однако Теслу тяготила производственная деятельность, и он ушел от Вестингауза, желая и дальше развивать идею дальней передачи электроэнергии, но уже без проводов. Этим он и стал с увлечением заниматься в собственной лаборатории.Его первой мыслью было создать с помощью высоковольтного и высокочастотного излучателя мощное электрическое поле, действующее на значительные расстояния, из которого потребитель мог бы черпать электроэнергию. Тесла изобретает первый электромеханический СВЧ-генератор, использованный позднее в первых радиостанциях и для индукционного нагрева, передающую и приемную антенны, а также резонансный контур приемника для выделения определенной частоты. Всех поразил опыт Теслы, когда при включении генератора безо всяких проводов в его руках загоралась электрическая лампа, как показано на рис. 5.

Тесла был в одном шаге от изобретения радио, но не пошел по этому пути, поскольку его занимала мысль о передаче электроэнергии, а не информации. Однако именно ему принадлежит приоритет в создании телемеханики, реализованной в 1898 г. в виде дистанционно управляемого водяного катера.

Тем временем, многочисленные опыты показывали, что электролампу удается зажигать только на расстоянии не более нескольких сотен метров. Тесла попытался реализовать другой способ передачи электро­энергии: не через атмосферу, а прямо сквозь землю путем возбуждения в земном шаре, как огромном конденсаторе, поверхностных стоячих волн, в пучности которых можно было отбирать энергию в любой точке поверхности Земли. Для этого он построил в местечке Уорденклиф под Нью-Йорком огромную антенну с мощным надземным и подземным возбудителями, подключенными к отдельной электростанции, как показано на рис. 6. Опыты с этой башней по беспроводной передаче электроэнергии в период с 1899 по 1905 г., судя по всему, не дали желаемого эффекта, поскольку Тесла их неожиданно забросил, не опубликовав результатов. И ученые до сих пор спорят, чего же все-таки достиг Тесла в этом эксперименте, поскольку он работал без помощников и не оставил никаких записей [4, 6].

Рис. 6. Башня Уорденклифф

Задача беспроводной передачи электроэнергии не решена до сих пор. Последние достижения используют узконаправленные микроволновое или лазерное излучения для удаленного электропитания космических аппаратов от спутника с солнечными батареями или от управляемых дронов [7]. Экспериментально доказана возможность передачи порядка десятка киловатт на расстояние километров. Другое направление разработок — это лазерное оружие, предвозвестником которого был знаменитый «Гиперболоид инженера Гарина».
Тем не менее заслуги Теслы были всемирно признаны. В честь него единица индукции магнитного поля в системе SI названа «тесла», он был избран членом и почетным доктором наук многих академий и университетов. Одна из самых престижных наград IEEE — медаль Теслы — ежегодно присуждается за выдающиеся заслуги в области производства и использования электроэнергии. Тесле принадлежит около 800 патентов, причем, в отличие от патентов Эдисона, они считаются более новаторскими. Существует несколько памятников Тесле и посвященных ему музеев, среди которых самый впечатляющий находится в Белграде, выпущены банкноты с его портретом (рис. 7).

Рис. 7. Банкнота Сербии

Однако личная жизнь Теслы сложилась неудачно [4, 6]. В конце XIX в. в США разразился экономический кризис, поставивший компанию Вестингауза на грань разорения. Узнав об этом, Тесла явился в штаб-квартиру своего бывшего патрона и публично разорвал их первичное соглашение, потеряв около 10 млн долларов, причитавшихся ему в соответствии с третьим пунктом этого договора. Буквально через две недели после этого великодушного жеста дотла сгорела его великолепная лаборатория, и он остался без средств. В отличие от Эдисона, он не был бизнесменом и вложил все, что у него имелось, в эту лабораторию. После этого Тесла был вынужден проводить свои дальнейшие исследования на различные гранты и пожертвования, в частности, башня Уорденклифф была построена на деньги американского финансиста Моргана.

Биограф Теслы Велимир Абрамович писал: «Пытаясь представить себе Теслу, я не вижу его улыбающимся, а наоборот, грустным…» [6]. Тесла не пил вина, никогда не знал женщин, не имел семьи и умер в одиночестве и бедности в отеле «Нью-Йоркер» [4].


Потребность в передаче электроэнергии на большие расстояния возникла в конце XIX в., прежде всего в связи с широким внедрением систем освещения.

  • Такая передача на постоянном токе была технически целесообразной только при высоком напряжении и практически неприемлемой для низковольтного освещения.

  • Линии передачи переменного тока с трансформаторами удовлетворяли задачам освещения, однако для промышленности требовались мощные электродвигатели, все известные конструкции которых были постоянного тока.

  • Решение этой комплексной проблемы было предложено изобретателем Теслой и предпринимателем Вестингаузом, создавшими многофазные системы переменного тока с синхронными генераторами, линиями передачи и асинхронными двигателями.

  • Исследования же Теслы по беспроводной передаче электроэнергии до сих пор не получили практического завершения.

 

 

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Литература
  1. Микеров А. Г. Торжество постоянного тока и роль Томаса Эдисона. Control Engineering Россия. 2016. № 4 (64).
  2. История электротехники / Под ред. И. А. Глебова. М.: Изд-во МЭИ. 1999.
  3. Шателен М. А. Русские электротехники XIX века.  М.-Л.: Госэнергоиздат. 1955.
  4. Цверава Г. К. Никола Тесла (1856–1943). Л.: Наука. 1974.
  5. Электродвигатель в его историческом развитии / Сост. Д. В. Ефремов, М. И. Радовский. Под ред. В. Ф. Миткевича. М.-Л.: Изд-во АН СССР. 1936.
  6. Абрамович В. Метафизика и космология ученого Николы Теслы. http://nowimir.ru/DATA/030025_3_3.htm
  7. Wireless power. https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_power

Беспроводной способ передачи электроэнергии. Новейший кейс применения разработки компании Emrod

Пока страны думают, как снизить объемы выбросов CO2 в атмосферу, увеличивая долю ВИЭ и атомной энергии, а десятки компаний ищут идеальный накопитель электроэнергии, новозеландский стартап Emrod презентовал способ беспроводной передачи электроэнергии.

1683 просмотров

Фото с официального сайта компании Emrod

Предприниматель Грег Кушнир задумался о дешевом и надежном способе электроснабжения в обход тяжеловесной инфраструктуры электрических сетей. В ходе исследований изучил работу НАСА и Японского космического агентства, которые планировали собирать солнечную энергию с помощью спутников и транслировать на Землю. Кушнир понял, что способ бесконтактной передачи электроэнергии на расстояния существует. Единичные исследования в этой области натыкались на проблему потерь большей части энергии и прекращались.

Ученый Рэй Симпкин из Callaghan Innovation по заказу Кушнира и при финансовой поддержке государства разработал прототип устройства беспроводной передачи электроэнергии.

Устройство беспроводной передачи энергии. Из чего состоит и как работает

Устройство представляет собой выполненные из метаматериалов передающую, принимающую антенны и реле между ними. Электрическая энергия в установке, проходя через передающую антенну, преобразуется в электромагнитные волны, направляется в ретранслирующие экраны, попадает в ректенну и трансформируется обратно в электроэнергию. Дальность действия устройства ограничивается видимостью.

Фото с официального сайта компании Emrod

Потеря энергии при передаче на прототипе составляет 30%. Причем эффективность принимающей антенны из радиопоглощающих метаматериалов стремится к 100%.

Прототип разработки с октября тестируется компанией Powerco — вторым по величине поставщиком электроэнергии в Новой Зеландии. Аппарат передает ток мощностью всего 2 кВт, но создатели уверяют, что мощность, как и дальность, легко нарастить.

Для передачи энергии Emrod задействует неионизирующий промышленный, научный и медицинский диапазон частот (ISM). Существуют международные правила безопасности по использованию такой частоты и долгая история применения среди людей без ущерба здоровью.

Представители Emrod утверждают, что установка не угрожает птицам и дронам, оказавшимся на пути электромагнитных волн. Сети лазерных лучей окружают электрический путь, и, если в их периметр попадает объект, передача энергии прерывается, что не сказывается на бесперебойности электроснабжения. Снег, дождь, град, взвеси пыли не приводят к отключению устройства.

Планы компании Emrod

Разработчики не планируют вытеснять привычные электрические сети, а предлагают использовать устройство в труднодоступных районах или для быстрого возобновления электроснабжения на аварийных участках сети с помощью машин с антеннами.

Кроме того, установка таких аппаратов позволит передавать энергию станций ВИЭ в регионы с неподходящим для выработки «зеленой энергии» климатом.

15 октября компания написала на официальном сайте о возможном кейсе применения своей разработки для электроснабжении острова Стьюарт. Он расположен в 30 км от Южного острова в Новой Зеландии. 85% территории, а это 1300 квадратных километров, занимает Национальный парк Ракиура. Стьюарт почти полностью покрыт лесом, на острове живут 5 видов пингвинов, коричневая птица киви, редкий вид попугая Нестор-кака.

Фото с официального сайта компании Emrod

У национального парка с сохраненной экосистемой есть скелет в шкафу, не гармонирующий с имиджем парка. Потребности в электроэнергии острова покрываются дизельной генерацией и использованием сжиженного нефтяного газа, а годовые выбросы СО2 составляют 820 тонн. Кроме того, стоимость электроэнергии за кВт-ч на полдоллара дороже, чем на территории Новой Зеландии, питающейся от национальных электрических сетей. Люди экономят слишком дорогую энергию, поэтому потребление на человека на острове Стьюарт составляет меньше половины среднего потребления по стране.

Решением проблемы дорогостоящего и неэкологичного энергоснабжения могла бы стать прокладка подводного кабеля или использование энергии солнца и ветра на острове. Однако первый вариант требует огромных затрат, а ВИЭ не покроют потребностей в электроэнергии из-за недостаточной выработки в силу климата. Более того, установки для ВИЭ могут негативно влиять на экосистему. Солнечные панели закроют собой огромную площадь национального парка, а ветряная электростанция создаст вибрацию, к которой чувствительны птицы.

Emrod предлагает передавать энергию бесконтактно от ВИЭ с Южного острова. Компания подсчитала, что беспроводная передача электроэнергии за счет экономии на инфраструктуре снизит тариф для жителей Стьюарта с 0.6$ за кВт-ч до 0,46$ за кВт-ч. Это самый бюджетный вариант за аналогичную мощность.

Если разработка Emrod докажет жизнеспособность, то станет яркой иллюстрацией прорывных технологий, когда вдруг появляется стартап и кардинально меняет отрасль, устанавливая новые недорогие способы передачи электроэнергии.

Алексей Голиков

По заветам и технологиям Николы Тесла — беспроводная передача электроэнергии на большие расстояния уже реальность | Зелёная Точка Старта

Сербско-американский физик и изобретатель Никола Тесла более ста лет назад представил технологию беспроводной передачи электроэнергии. Основой технологии был электрический резонансный трансформатор «Катушка Тесла». Технология была работоспособной даже при тех технических возможностях и доступных материалах. На демонстрациях трансформатор передавал энергию на несколько метров, зажигая лампы накаливания. И конечно мечты и стремления Николы Тесла выходили далеко за пределы этого прототипа. Он уже тогда представлял мир будущего, где человечество использует электрические машины во всех сферах жизнедеятельности, а электроэнергия для их работы передаётся без помощи проводов.

В интервью для «The American Magazine» Тесла описал своё видение будущего так: «Может быть, что в ближайшем будущем электричество для коммерческих целей, таких как освещение домов, работа транспорта, будет передаваться без проводов. Я открыл основные принципы этого процесса, и остаётся только развивать их коммерчески. Когда это будет сделано, вы сможете отправиться в любую точку мира — на вершину горы с видом на вашу ферму, в Арктику или в пустыню — и установить небольшое устройство, которое даст вам тепло, чтобы готовить, и свет, чтобы читать».
Башня Уорденклиффа (Wardenclyffe Tower)

Башня Уорденклиффа (Wardenclyffe Tower)

К сожалению, мечтам Теслы тогда не суждено было реализоваться. Финансирование проекта строительства передающей «Башни Уорденклиффа» (Wardenclyffe Tower) было прекращено Джей-Пи Морганом, после чего Тесла обанкротился, а проект беспроводной передачи электроэнергии был фактически уничтожен, как и сама башня, в 1917 году. Кто-то на этих основаниях строит конспирологические теории, но на самом деле всё элементарно, и предельно просто и прозаично. Всё дело в деньгах. Примерно в те же годы, появившиеся раньше ДВС, электромобили начали сдавать свои позиции под натиском бензиновых автомобилей. Ведь проще качать нефть и «перегонять» её в бензин, чем строить электростанции, зарядные станции… Просто человечество тогда ещё не было психологически и интеллектуально готово к эре электрификации транспорта, и беспроводной передачи энергии. И на десятилетия города погрузилось в смог от #ДВС , и угольных #ТЭС , а над головами растянулись паутины линий электропередач, от высоковольтных ЛЭП, до линий питания троллейбусов, трамваев, и железнодорожных поездов.

беспроводная зарядка смартфона

беспроводная зарядка смартфона

Но всё изменилось в 21-ом веке. Имя Николы Тесла было поднято на знамёна автомобильными компаниями #Tesla Илона Маска, и #Nikola motor Тревора Милтона, а интерес к технологии «Катушки Тесла» неосознанно, но начали закладывать даже с детсадовского возраста, показывая детям и школьникам #Тесла-шоу .

детские «тесла-шоу»

детские «тесла-шоу»

И история покатилась в новом направлении. #Электромобили стали не просто мейнстримом, они постепенно начинают вытеснять ископаемотопливные чадилки из производства, с улиц, и что самое главное, из сознания людей. Беспроводными зарядками сейчас уже никого не удивишь. Так заряжают не только телефоны, но уже существует соответствующее оборудование для беспроводной зарядки электромобилей, и электробусов. Кстати, из городов постепенно исчезают троллейбусы и необходимая им проводная сеть электропередачи. Это тоже признак наступления новой эры, о которой мечтал Тесла.

беспроводная зарядка электробуса

беспроводная зарядка электробуса

Вообще говоря, #беспроводная передача энергии может быть достигнута с помощью различных методов, включая:

  • Индуктивная связь
  • Магнитно-резонансная индукция
  • Электростатическая индукция
  • Резонансная индуктивная связь
  • Передача микроволновой энергии
  • Передача мощности лазера

Первые четыре варианта применимы только для коротких дистанций, в то время как последние два специально разработаны для беспроводной передачи энергии на большие расстояния.

Но что до самой передачи больших объёмов электроэнергии на расстояния?

Технология Николы Тесла не исчезла, и никуда не пропала.

В Новой Зеландии стартап Emrod разработал метод безопасной и беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния без использования проводов, и работает по внедрению этой технологии на островах со вторым по величине дистрибьютором электроэнергии в стране, Powerco. Emrod подали заявки на патенты, и представили прототип передающих и принимающих трансформаторов в 2019 году. По сути, это открытие миру доступа к энергии с помощью первой коммерчески жизнеспособной технологии #беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния.

установка оборудования Emrod

установка оборудования Emrod

Emrod — «Нас в Emrod вдохновляет работа Николы Тесла и его мечта о беспроводной энергетической системе. Наша технология значительно отличается от Wardenclyffe Tower Теслы, мы приближаемся к реализации его концепции беспроводной передачи энергии на большие расстояния. Более века назад Никола Тесла попытался воплотить в жизнь свое видение беспроводной передачи энергии, и хотя ему не удалось конкретно реализовать свое видение, он заложил идею, которая захватила воображение многих людей, в том числе и наше.
Нас часто спрашивают о разнице между технологиями беспроводной передачи энергии на большие расстояния (WPT) Emrod и Tesla. Наука и технологии, лежащие в основе этих двух систем, существенно различаются концептуально и технически. Emrod разработал однонаправленную систему WPT, передающую мощность от одной конкретной точки к другой. Тесла разрабатывал всенаправленную систему WPT, предназначенную для передачи энергии во всех направлениях через землю.
За столетие, последовавшее за экспериментами Теслы, было много прорывов, и теперь мы находимся в то время, когда коммерчески жизнеспособные приложения WPT с большим радиусом действия стали реальностью. В Emrod мы разработали эффективную систему WPT для передачи энергии на большие расстояния без проводов и с достаточной эффективностью, чтобы быть жизнеспособной альтернативой линиям электропередач в определенных случаях использования.
Хотя наша технология значительно отличается от того, над чем работал Тесла, мы вдохновлены его работой и разделяем его видение беспроводного будущего. Его изобретения легли в основу многих электронных технологий, которые изменили цивилизацию, включая технологию беспроводной связи. Он открыл умы людей для возможности создания систем беспроводной передачей энергии на большие расстояния. Теперь, более века спустя, это становится реальностью»

Совместный проект Emrod и Powerco должен показать свою эффективности, как технологической, так и с коммерческой точек зрения. В рамках проекта планируется передать энергию от солнечной электростанции на Северном острове клиентам, находящимся в нескольких километрах от неё. Электрическая мощность будет передаваться в виде узкого луча микроволн. Это устранит два фундаментальных недостатка в плане Теслы. Один из них заключался в том, как взимать с людей плату за электричество, которое они могут просто «черпать из воздуха«. Другой — необходимость преодолеть закон распространения излучения, который утверждает, что сила сигнала обратно пропорциональна квадрату расстояния, которое он прошёл от передатчика. В результате мощность сигнала резко падает даже на коротких расстояниях. Передача мощности узким лучом вместо излучения во всех направлениях помогает свести к минимуму эту проблему.

Схематическая модель телеэнергетической системы Emrod

Схематическая модель телеэнергетической системы Emrod

Emrod использует лучи в диапазоне ISM (промышленный, научный и медицинский) с частотами, обычно используемыми в #WiFi , #Bluetooth и RfID. Двухточечная передача означает, что мощность передаётся напрямую между двумя точками. Вокруг луча нет излучения, как при передаче по высоковольтному проводу. Маломощная лазерная защитная завеса (система безопасности) гарантирует, что передающий луч немедленно отключится до того, как какой-либо приходящий объект (например, птица или вертолёт) достигнет пространства главного луча, гарантируя, что он никогда не коснется чего-либо, кроме чистого воздуха. Система снижает риск поражения электрическим током, что возможно при проводной передачи электроэнергии.

антенна Emrod на арктической станции

антенна Emrod на арктической станции

Технология энергетического излучения, которую использует Emrod, была опробована и раньше, но в основном для военных целей или для использования в космическом пространстве. В 1975 году НАСА использовало микроволновые излучатели для передачи 34 кВт электроэнергии на расстояние 1,6 км. И это всё ещё является рекордом по мощности и расстоянию передачи.

антенна Emrod — тестовая уксплуатация

антенна Emrod — тестовая уксплуатация

Но, как вы понимаете, тогда никто и не думал попробовать применить эту технологию в коммерческих целях. Представляете, сколько денег из-за неё потеряют только металлургические заводы, у которых пропадут заказы на сотни тысяч километров высоковольтных проводов.

По словам основателя Emrod, Грега Кушнира, они начнут с передачи «нескольких киловатт» на 1,8 км, а затем они будут постепенно увеличивать мощность и расстояние. Важнейшей переменной является эффективность, с которой это можно сделать. По словам Кушнира, сейчас это около 60%. Это, как он считает, уже достаточно хорошо, чтобы сделать передачу энергии коммерчески жизнеспособной в некоторых обстоятельствах, например, в удалённых районах, не тратя деньги на дорогостоящие линии электропередачи. Но, чтобы улучшить КПД, у Emrod есть ещё два козыря в рукаве. Один из них — использовать реле. Другой — добавить в приемники так называемые метаматериалы.

никаких проводов на дистанции передачи энергии

никаких проводов на дистанции передачи энергии

Реле, которые представляют собой пассивные устройства, которые не потребляют энергию, работают как линзы, перефокусируя микроволновый луч и отправляя его по своему пути с минимальными потерями при передаче. Они также могут направить его, если необходимо, в новом направлении. Это означает, что передатчик и приёмник не обязательно должны находиться в зоне прямой видимости друг друга.

Метаматериалы — это композиты, содержащие крошечные количества проводящих металлов и изолирующие пластмассы, расположенные таким образом, что они определенным образом взаимодействуют с электромагнитным излучением, таким как микроволны. Они уже используются в так называемых маскирующих устройствах, которые помогают военным кораблям и военным самолётам укрываться от радаров. Но их также можно использовать в приёмной антенне для более эффективного преобразования электромагнитных волн в электричество. То есть тут мы имеем дело с фактически применением стелс-технологии в гражданских целях. И в этом, кстати, нет ничего удивительного. Ранее SpaceX фактически ввело в гражданский обиход технологию фазированной антенной решётки, которая стала основой приёмо-передающей антенны, входящей в комплект абонентского оборудования Starlink. Ранее эта технология, всего каких-то пять лет назад, применялась только военным.

Распространение мощных микроволн по воздуху сопряжено с риском. В конце концов, подобные волны — это средства, с помощью которых микроволновые печи нагревают то, что в них помещено.

Emrod говорит, что кратковременное воздействие его лучей не должно причинить никакого вреда людям или животным, поскольку плотность мощности излучения относительно низкая. Тем не менее, чтобы избежать несчастных случаев, лучи будут окружены так называемыми лазерными завесами. Это маломощные лазерные лучи, которые сами по себе не вредны. Но если «занавес» сдвигается из-за внешнего вмешательства, такого как птицы или низколетящие вертолёты (которые в Новой Зеландии используются для контроля отар овец), это прерывание будет немедленно обнаружено, и микроволновая передача временно отключится. Батареи на принимающей стороне будут заряжаться во время любых отключений.

Идеи Николы Тесла распространяются по миру, и находят всё больше сторонников

концепция TransferFi

концепция TransferFi

Разработкой систем беспроводной передачи электроэнергии заняты ещё несколько компаний в мире. К примеру, TransferFi из Сингапура, разрабатывает систему, которая формирует лучи радиоволн, которые обычно имеют более низкую частоту, чем микроволны, для передачи мощности конкретным приёмным устройствам, предназначенным для зарядки гаджетов на фабриках, офисах, и в домах.

концепция PowerLight Technologies

концепция PowerLight Technologies

Американская фирма PowerLight Technologies работает с вооруженными силами над использованием лазеров для передачи энергии на удалённые базы, а также для питания беспилотных летательных аппаратов, когда они находятся в воздухе. Компания также уделяет внимание коммерческим приложениям.

Японская Mitsubishi Heavy Industries изучает возможности использования этой технологии для передачи энергии на Землю с геостационарных спутников, оснащенных солнечными панелями. Для этого потребуется передать его на расстояние более 35 000 км.

передача энергии с орбиты

передача энергии с орбиты

Так что мечты Николы Тесла постепенно сбываются. И как электромобили сейчас, через более чем сто лет, стали магистральным путём развития мирового автопрома, так и технология беспроводной передачи электроэнергии также найдёт свое коммерческое применение, и станет элементом повседневной реальности.

Всё только начинается!

___________________________

Уважаемые читатели, не забывайте кликнуть кнопку «Подписаться » на наш канал здесь в Дзене по прочтении статьи .

Можете подписаться и на наш Телеграм-канал , чтобы не пропустить новые материалы, и делиться ссылками на них со своими друзьями в новом мессенджерах . Оставляйте комментарии, ставьте лайки, делайте репосты.

Ваше участие нам очень важно!

Сеть

5G могла воплотить в жизнь его мечту о беспроводном электричестве спустя столетие после неудачных экспериментов

На пике своей карьеры первопроходец-электрик Никола Тесла был одержим идеей. Он предположил, что электричество может передаваться по воздуху на большие расстояния по беспроводной сети — либо через серию стратегически расположенных башен, либо через систему подвешенных воздушных шаров.

Дела пошли не по плану, и амбиции Tesla по созданию беспроводного глобального электроснабжения так и не были реализованы.Но сама теория не была опровергнута: для этого просто потребовалось бы невероятное количество энергии, большая часть которой была бы потрачена впустую.

Теперь в исследовательской работе высказывается предположение, что архитекторы сети 5G, возможно, невольно построили то, что Tesla не смогла построить на рубеже двадцатого века: «беспроводную энергосистему», которую можно было бы адаптировать для зарядки или питания небольших устройств, встроенных в автомобили, дома, рабочие места и фабрики.

Поскольку 5G полагается на плотную сеть мачт и мощную серию антенн, вполне возможно, что та же самая инфраструктура, с некоторыми настройками, могла бы передавать мощность на небольшие устройства.Но передача по-прежнему будет страдать от основного недостатка башен Тесла: больших потерь энергии, которые может быть трудно оправдать с учетом безотлагательности климатического кризиса.

Сети 5G

Одна из башен Теслы, снятая в 1904 году. Викимедиа

Десятилетия назад было обнаружено, что сильно сфокусированный радиолуч может передавать энергию на относительно большие расстояния без использования провода для переноса заряда. Та же технология теперь используется в сети 5G: технология последнего поколения для передачи интернет-соединения на ваш телефон с помощью радиоволн, передаваемых от местной антенны.

Эта технология 5G направлена ​​на увеличение пропускной способности в 1000 раз по сравнению с последним поколением 4G, что позволяет подключать до одного миллиона пользователей на квадратный километр, что делает моменты поиска сигнала на музыкальных фестивалях или спортивных мероприятиях в прошлом. .

Для поддержки этих обновлений в 5G используется некоторая инженерная магия, и эта магия состоит из трех частей: очень плотных сетей с большим количеством мачт, специальной антенной технологии и включения передачи миллиметровых волн (mmWave) наряду с более традиционными диапазонами.


Читать далее: 5G: что он предлагает и почему это важно?


Последний из них, mmWave, открывает гораздо большую полосу пропускания за счет более коротких расстояний передачи. Для контекста, большинство маршрутизаторов WiFi работают в диапазоне 2 ГГц. Если у вашего маршрутизатора есть опция 5 ГГц, вы заметите, что поток фильмов идет более плавно, но вам нужно быть ближе к маршрутизатору, чтобы он работал.

Увеличьте частоту еще больше (например, mmWave, которая работает на 30 ГГц или более), и вы увидите еще большее улучшение полосы пропускания, но вам нужно быть ближе к базовой станции, чтобы получить к ней доступ.Вот почему мачты 5G расположены более плотно, чем мачты 4G.

Мачты 5G расположены более плотно, чем их предшественники. Lisic / Shutterstock

Последнее чудо — добавить намного больше антенн — от 128 до 1024 по сравнению с гораздо меньшим числом (в некоторых случаях всего двумя) для 4G. Множественные антенны позволяют мачтам образовывать сотни карандашных лучей, нацеленных на определенные устройства, обеспечивая эффективный и надежный доступ в Интернет для вашего телефона в дороге.

Это те же самые сырые ингредиенты, которые необходимы для создания беспроводной электросети.Повышенная плотность сети особенно важна, поскольку открывает возможность использования миллиметровых волн для передачи различных радиоволн, которые могут передавать как подключение к Интернету, так и электроэнергию.

Эксперименты с мощностью 5G

В экспериментах использовались новые типы антенн для облегчения беспроводной зарядки. В лаборатории исследователи смогли передать мощность 5G на относительно короткое расстояние, чуть более 2 метров, но они ожидают, что будущая версия их устройства сможет передавать 6 мкВт (6 миллионных долей ватта) на расстояние 180 метров.

Чтобы представить это в контексте, обычные устройства Интернета вещей (IoT) потребляют около 5 мкВт — но только в самом глубоком спящем режиме. Конечно, устройства IoT будут требовать все меньше и меньше энергии для работы по мере разработки умных алгоритмов и более эффективной электроники, но 6 мкВт по-прежнему очень малое количество энергии.

Это означает, что, по крайней мере, на данный момент, беспроводное питание 5G вряд ли будет практичным для зарядки вашего мобильного телефона в повседневной жизни. Но он может заряжать или питать устройства IoT, такие как датчики и сигнализация, которые, как ожидается, получат широкое распространение в будущем.


Читать далее: Объяснитель: Интернет вещей


Например, на заводах сотни датчиков Интернета вещей могут использоваться для мониторинга условий на складах, для прогнозирования отказов в оборудовании или для отслеживания движения деталей по производственной линии. Возможность передавать питание напрямую на эти устройства IoT будет стимулировать переход к гораздо более эффективным производственным технологиям.

Проблемы с прорезыванием зубов

Но до этого нужно будет преодолеть трудности.Для обеспечения беспроводной связи мачты 5G будут потреблять около 31 кВт энергии, что эквивалентно 10 чайникам с постоянно кипящей водой.

Хотя опасения по поводу того, что технология 5G может вызвать рак, были широко опровергнуты учеными, такое количество энергии, исходящее от мачт, может быть небезопасным. Приблизительный расчет предполагает, что пользователей необходимо будет держать на расстоянии не менее 16 метров от мачт, чтобы соответствовать правилам безопасности, установленным Федеральной комиссией по связи США.


Читать далее: Четыре эксперта исследуют, как зародилась теория заговора о коронавирусе 5G


Тем не менее, эта технология находится в зачаточном состоянии.Безусловно, возможно, что будущие подходы, такие как новая антенна с более узкими и направленными лучами, могут значительно снизить энергию, требуемую — и теряемую — каждой мачтой.

В настоящее время предлагаемая система скорее напоминает вымышленную «Wonkavision» в «Чарли и шоколадной фабрике» Роальда Даля, в которой удалось превратить кондитерские изделия в телевизоры — но пришлось использовать огромный блок шоколада для производства гораздо меньшего. на другом конце.

Поскольку он потребляет большое количество энергии по сравнению с мощностью, которую он поставляет устройствам, беспроводное питание 5G на данный момент является спекулятивным.Но если инженеры смогут найти более эффективные способы передачи электричества по воздуху, вполне возможно, что мечта Николы Теслы о беспроводной энергии может быть реализована — спустя более 100 лет после того, как его попытки потерпели неудачу.

Tesla’s Wireless Power — Научный центр Tesla в Wardenclyffe

Спустя более века после его смерти открытие Теслы в области беспроводной связи редко ему приписывают. Томас Эдисон чаще ассоциируется с изобретением электричества; однако его эксперименты не увенчались успехом.Фактически, переменные токи переменного тока Теслы оказались более надежным методом проведения электричества.

Вопреки теории, контакт металла с металлом необходим для проведения электричества, Тесла успешно передавал токи через пластик на короткие расстояния, используя магнитную индукцию. Лаборатория Тесла в Ворденклиффе была его последним местом экспериментов с 185-футовой башней с металлическими прутьями, простирающимися под землей. Сегодня на ум приходит изображение электрических болтов, идущих от вершины башни, где катушки обмениваются электрическими токами.

Эксперименты Tesla с беспроводной связью

В конце 19 века в работе Теслы над башней исследовалась электрическая передача с использованием радиочастотного резонанса для создания электрической энергии через две катушки для генерации высокого напряжения и высокочастотных токов. В его экспериментах использовались индуктивная и емкостная связи в ближнем поле. Индуктивное поле ближнего поля — это беспроводной физический уровень малого радиуса действия, который передает маломощное, нераспространяющееся магнитное поле между устройствами. Емкостные муфты передают мощность между двумя сетями путем смещения токов, создаваемых электрическими полями.

Tesla продемонстрировала перед толпой демонстрацию того, как лампы накаливания можно зажигать без проводов, когда они находятся рядом с катушкой. По мере продвижения своих исследований он тестировал передачу на большие расстояния с использованием LC-цепей.

Тесла продолжил свои исследования по разработке метода передачи на большие расстояния на большой высоте в Колорадо-Спрингс. Его теория заключалась в том, что воздух низкого давления, присутствующий на высоте 30 000 футов, позволит электрической передаче перемещаться на гораздо большие расстояния. Он предположил, что может использовать всю планету для проведения электричества, посылая импульсы переменного тока в землю.Наши учебники по истории на сегодняшний день не отражают, что он добился каких-либо успехов в доказательстве этой теории.

Тем не менее, он точно предсказал успех Интернета и сотовых телефонов, работающих с использованием беспроводной связи на большие расстояния. Он считал, что беспроводная передача данных может решить множество глобальных проблем, предоставляя средства мгновенной связи, «будет сделан большой шаг к объединению и гармоничному существованию различных рас, населяющих земной шар».

Современные приложения беспроводной технологии Tesla

Катушка

Тесла все еще используется в некоторых наших теле- и радиотехнических конструкциях, но не имеет большого практического применения.Однако его метод резонансной индуктивной связи применяется в наших беспроводных системах малого радиуса действия.

На пороге предоставления бесплатной энергии всем исследование Tesla было подавлено влиятельными людьми, которые не хотели, чтобы энергия стала бесплатным товаром. Банкиры отказали Тесле в финансировании, и его теория о всемирной передаче данных была опровергнута; однако его исследование имело такое значение, что после его смерти оно было конфисковано ФБР.

Исследования Tesla в области беспроводного электропитания по-прежнему имеют потенциал для будущих инноваций, поскольку наша технология развивается с учетом новых технологий искусственного интеллекта.

Никола Тесла и его работа в области беспроводной энергии и передачи энергии — Contemporary Sci & Innovation

Никола Тесла хотел создать способ подачи энергии без переплетения проводов. Он почти достиг своей цели, когда его эксперимент привел его к созданию катушки Тесла. Это была первая система, которая могла передавать электричество без проводов. С 1891 по 1898 год он экспериментировал с передачей электроэнергии с помощью радиочастотного резонансного трансформатора катушки Тесла, который вырабатывает переменные токи высокого напряжения и высокой частоты.При этом он мог передавать энергию на короткие расстояния без подключения проводов. Однако катушка Тесла больше не имеет большого практического применения, изобретение Теслы полностью изменило способ понимания и использования электричества. Радиоприемники и телевизоры до сих пор используют вариации катушки Тесла.

В 1901 году Тесла начал работу над большой высоковольтной беспроводной станцией передачи энергии под названием Wardenclyffe Tower. Мелкомасштабная беспроводная передача энергии в качестве прототипа передатчика для «Всемирной беспроводной системы», которая должна была транслировать информацию и энергию по всему миру, была продемонстрирована инвесторам, но они отказались от этого, и объект так и не был завершен.Хотя Тесла заявил, что его идеи были доказаны, у него была история неудач в подтверждении своих идей экспериментом, но похоже, что у него не было доказательств того, что он когда-либо передавал значимую силу за пределами коротких демонстраций выше. За 110 лет, прошедших после его экспериментов, попытки использовать подобное оборудование не привели к передаче энергии на большие расстояния. Ученые согласились, что его система World Wireless не сработала бы.

Вот видео, объясняющее концепцию беспроводной передачи энергии:

Передача мощности на устройство без проводов.Хотя беспроводная передача электромагнитной энергии в виде аудио-, видео-сигналов и сигналов данных является обычным явлением, беспроводная передача электроэнергии является относительно новой. Некоторые устройства уже используют беспроводную передачу энергии без использования металлических контактов. Мощность передается через пластиковые корпуса с помощью магнитной индукции. Ожидается, что с помощью магнитных полей в какой-то момент в будущем электромобили будут заправляться в пределах трех футов от зарядной станции.

«Беспроводная передача энергии» Энциклопедия терминов .Журнал ПК Ziff-Davis. 2014. Проверено 15 декабря 2014.

.

«Беспроводное электричество? Как работает катушка Тесла ». Живая наука . N.p., n.d. Интернет. 17 февраля 2016 г.

«Беспроводная передача энергии». ПК . N.p., n.d. Интернет. 17 февраля 2016 г.

Новая Зеландия собирается испытать беспроводную передачу энергии на большие расстояния

Известное изображение изобретателя Николы Теслы показывает, как он небрежно сидит на стуле, скрестив ноги, и делает записи, не обращая внимания на обилие искусственных молний, ​​раздирающих воздух на несколько метров.К тому времени Тесла и чистое электричество были похожи на старую супружескую пару.

Эксперименты, проведенные в Колорадо, привели к одному из самых смелых предложений Теслы: обеспечить мир без проводов. Он попал в заголовки газет с планами создания «всемирной беспроводной системы» и получил финансирование от JP Morgan на строительство первой из нескольких огромных опор передачи.

Но мечта Теслы о беспроводной энергии вскоре умерла. JP Morgan отменил дополнительное финансирование. Башню снесли. Позже ученые скептически относились к планам Теслы (которые были немного расплывчатыми) сработали бы.

Между тем, коллега Теслы Гульельмо Маркони преследовал параллельную мечту с гораздо большим успехом: беспроводная передача информации на радиоволнах. Сегодняшний мир, конечно, наводнен беспроводной информацией.

Теперь, если новозеландский стартап Emrod добьется своего, мечты Теслы и Маркони могут слиться воедино. Компания создает систему для беспроводной передачи энергии на большие расстояния. Ранее в этом месяце Emrod получил финансирование от Powerco, второй по величине энергокомпании Новой Зеландии, для проведения испытаний своей системы на коммерческой электростанции, подключенной к сети.

Компания надеется доставлять энергию в общины, удаленные от сети, или передавать энергию из удаленных возобновляемых источников, таких как морские ветряные электростанции.

Как это работает

Система состоит из четырех компонентов: источника питания, передающей антенны, нескольких (или более) передающих реле и ректенны.

Во-первых, передающая антенна преобразует электричество в микроволновую энергию — электромагнитную волну, похожую на радиоволны Маркони, только немного более энергичные, — и фокусирует ее в цилиндрический луч.СВЧ-луч проходит через серию реле, пока не попадает в ректенну, которая снова преобразует его в электричество.

Помня о безопасности, Emrod использует энергию в промышленном, научном и медицинском (ISM) диапазоне, сохраняя при этом низкую плотность мощности. «Дело не только в том, сколько энергии вы передаете, а в том, сколько энергии вы передаете на квадратный метр», — сказал основатель Emrod Грег Кушнир New Atlas . «Уровни плотности, которые мы используем, относительно низкие. На данный момент это примерно эквивалентно пребыванию на улице в полдень на солнце, около 1 кВт на квадратный метр.”

Но если он сработает, как задумано, луч никогда не коснется ничего, кроме пустого воздуха. Система использует сеть лазеров, окружающих луч, для обнаружения препятствий, таких как птица или человек, и автоматически отключает передачу до тех пор, пока препятствие не переместится.

Технология передачи энергии с помощью микроволновой энергии существует уже несколько десятилетий. Но чтобы сделать его коммерчески выгодным, необходимо минимизировать потери энергии. Кушнир сказал, что метаматериалы, разработанные в последние годы, создают разницу.

Компания использует метаматериалы для более эффективного преобразования микроволнового луча обратно в электричество. Реле, которые похожи на «линзы», расширяющие луч за пределы прямой видимости путем его перефокусировки, практически без потерь. По словам Кушнира, большая часть потерь происходит на другом конце, где электричество преобразуется в микроволновую энергию. В целом, он сказал, что эффективность системы составляет около 70%, что недостаточно для медных проводов, но в некоторых областях экономически целесообразно. И это те области, к которым стремится компания.

«… мы не предвидим в ближайшем будущем ситуации, когда можно было бы сказать, что все медные провода можно заменить беспроводными», — сказал Кушнир. «По сути, у него будет более низкий уровень эффективности. Речь идет не о замене всей инфраструктуры, а о ее расширении там, где это имеет смысл ».

Тест в реальном мире

Прототип компании в настоящее время может передавать несколько ватт энергии на расстояние около 130 футов. Для проекта Powerco они работают над большей версией, способной излучать несколько киловатт.Планируется доставить новую систему в Powerco в октябре, протестировать ее в лаборатории в течение нескольких месяцев, а затем, если все пойдет по плану, опробовать ее в полевых условиях. Испытания будут направлены на проверку того, сколько энергии система может передать на какое расстояние.

Хотя текущая модель скромна, Кушнир говорит, что ее следует масштабировать.

«Мы можем использовать ту же самую технологию для передачи в 100 раз больше энергии на гораздо большие расстояния», — сказал он в пресс-релизе. «Беспроводные системы, использующие технологию Emrod, могут передавать любое количество энергии, передаваемой проводными решениями.”

Рэй Симпкин, главный научный сотрудник Emrod, сообщил IEEE Spectrum , что компания также изучает возможность передачи энергии через 30 километров воды от материковой части Новой Зеландии до острова Стюарт. Он сказал, что система может стоить всего 60 процентов подводного кабеля.

В конечном счете, эта технология может помочь обеспечить электроэнергией сельские районы или передавать энергию от прибрежных ветряных электростанций, причем в обоих случаях строительство физической инфраструктуры для подключения к сети или ее питания обходится дорого.В других случаях, например, в национальных парках, режим беспроводной передачи может иметь меньшее воздействие на окружающую среду и требовать меньшего обслуживания. Или его можно использовать для обеспечения электроэнергией после стихийных бедствий, в результате которых была повреждена физическая инфраструктура.

Это не «всемирная беспроводная система» Теслы, но она может превратить беспроводную связь на большие расстояния в коммерческую реальность в недалеком будущем.

Источник изображения: Killian Eon / Pexels

IE Вопросы: Почему у нас нет беспроводного электричества?

Почему у нас нет беспроводной связи?

Этот вопрос приходит от многих членов нашей аудитории: было бы здорово, если бы мы могли покончить с обширной сетью проводов, больших и малых, которые соединяют электронные устройства, управляющие нашим миром, с электростанциями, вырабатывающими электричество?

На самом деле у нас есть беспроводное электричество.Но это ограничено. На данный момент, по крайней мере, это коммерчески выгодно только на коротких расстояниях (например, миллиметры в метры). Прежде чем мы перейдем к этому, давайте вернемся более чем на сто лет назад, к человеку, мечтающему о беспроводной передаче электричества по всему миру: Николе Тесла.

Существует длинный список технологий, приписываемых Тесле и его исследованиям: радио, рентгеновские лучи, дистанционное управление, электродвигатели и многие другие. Но одна из его самых больших амбиций так и не была реализована: передавать электричество по всему миру без проводов.

Его первые эксперименты были связаны с передачей электричества через радиоволны. Но эти эксперименты могли передавать энергию только на короткое расстояние. Тогда у Теслы появилась идея: будет ли связь сильнее, если он пройдет сквозь землю, а не в воздух?

Вот его основная теория: отправить электричество глубоко в землю и использовать Землю как гигантский проводник. Электричество могло беспрепятственно перемещаться на сотни миль, и любой, у кого есть приемник, мог получить к нему доступ, предположил Тесла.

«Электроэнергия может передаваться и никогда не будет передаваться без проводов для всех коммерческих целей, таких как освещение домов и управление самолетами. Я обнаружил основные принципы, и мне осталось только разработать их в коммерческих целях. Когда это будет сделано, вы сможете отправиться в любую точку мира — на вершину горы с видом на вашу ферму, в Арктику или в пустыню — и установить небольшое оборудование, которое даст вам тепло, с помощью которого можно готовить, и свет. читать.Это оборудование будет перевозиться в рюкзаке, не таком большом, как обычный чемодан. В ближайшие годы беспроводное освещение будет таким же обычным явлением на фермах, как обычное электрическое освещение в наших городах ». (Никола Тесла, Американский журнал, апрель 1921 г.)

Тесла перенес свои эксперименты в Колорадо-Спрингс, штат Колорадо, в 1899 году. Согласно лабораторным записям Тесла, ему удалось отправить электричество из своей лаборатории в лампочки, расположенные на земле на расстоянии сотен футов.

Но Tesla хотела большего.Он начал строить Башню Уорденклиф в 1901 году на Лонг-Айленде. Wardenclyffe должен был стать центром множества экспериментов по передаче беспроводных радио- и телеграфных сигналов — и отправке беспроводного электричества. Тесла планировал, что 17-этажная башня будет отправлять электричество от угольного генератора в землю через 300 футов металлических стержней, по которым ток будет распространяться на сотни миль.

По сей день никто не уверен, что план Теслы сработал бы, сказал Марк Зайфер, автор книги «Волшебник: жизнь и времена Николы Теслы».Деловой партнер Tesla, Дж. П. Морган, отказался от проекта Wardenclyffe. В конце концов, Tesla обанкротилась, а Wardenclyffe снесли в 1917 году. Его идея использования земли для передачи электричества на большие расстояния не была тщательно проверена, и инженеры-электрики скептически относятся к ее результатам, добавил Сейфер.

Но исследования Теслы повлияли на то, как сегодня мы отправляем электричество без проводов

Со времен Tesla мы знали, что можно передавать электричество по беспроводной сети с помощью магнитной индукции.Или, если быть точным, использовать магнитное поле для генерации электрического тока. Вы уже используете этот тип зарядки, если у вас есть электрическая зубная щетка.

И мечта Tesla о беспроводной энергии во всем мире все еще жива. Японское космическое агентство разрабатывает солнечный спутник, который будет передавать энергию обратно на Землю с помощью микроволн. Их цель по завершению строительства первой солнечной электростанции на орбите? 2031 год — как раз к 175-летию со дня рождения Tesla.

Электроэнергия может передаваться по воздуху

B EHIND NIKOLA TESLA’S Бывшая лаборатория в Ворденклиффе на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, является старым фундаментом.Это все, что осталось от 57-метровой башни, которую Тесла начал строить в 1901 году в рамках эксперимента по беспроводной передаче информации и электричества на большие расстояния. Это наполовину сработало. Как он и предсказывал, беспроводная связь изменила мир. Но ему не удалось заставить электричество путешествовать очень далеко. Как следствие, в течение пяти лет работы прекратились, а башня была позже списана, чтобы помочь ему выплатить долги. Тесла — пионер, который, среди прочего, разработал генерацию и передачу переменного тока, — исчез в относительной безвестности.

Послушайте эту историю

Ваш браузер не поддерживает элемент

Больше аудио и подкастов на iOS или Android.

И так оставалось до тех пор, пока Илон Маск не возродил имя Tesla в качестве бренда его компании по производству электромобилей. Теперь видение Теслы о беспроводной передаче энергии, похоже, тоже возвращается. Фирма Emrod из Окленда в сотрудничестве с Powerco, дистрибьютором электроэнергии в Новой Зеландии, разработала прототип системы для использования в закрытом испытательном центре.Затем, в рамках отдельного проекта, планируется передать энергию от солнечной фермы на Северном острове клиенту в нескольких километрах.

Цель состоит в том, чтобы передавать мощность в виде узкого луча микроволн. Это устранит два фундаментальных недостатка в плане Теслы. Один из них — как взимать с людей плату за электричество, которое они могут просто черпать из воздуха. Другой — необходимость преодолеть закон распространения излучения, который гласит, что сила сигнала обратно пропорциональна квадрату расстояния, которое он прошел от передатчика.В результате мощность сигнала резко падает даже на коротких расстояниях. Передача мощности узким лучом вместо излучения во всех направлениях помогает свести к минимуму проблему.

Энергетическое излучение, как известен процесс Эмрода, было опробовано и раньше, но в основном для военных приложений или для использования в космическом пространстве. В 1975 году NASA , американское космическое агентство, использовало микроволны, чтобы послать 34k Вт электроэнергии на расстояние 1,6 км — рекорд, который все еще сохраняется. Однако он никогда не разрабатывался для коммерческого использования.

Операция Эмрода начнется осторожно. Он начнется с передачи того, что Грег Кушнир, основатель фирмы, описывает как «несколько киловатт» на 1,8 км. Затем он будет постепенно увеличивать мощность и расстояние. Важнейшей переменной является эффективность, с которой это можно сделать. По словам Кушнира, сейчас это около 60%. Этого, как он считает, уже достаточно, чтобы сделать передачу энергии коммерчески жизнеспособной в некоторых обстоятельствах, например, в удаленных районах, не тратя деньги на дорогостоящие линии электропередачи.Но, чтобы улучшить положение, у Эмрода есть еще две уловки в рукаве. Один из них — использовать реле. Другой — приправить приемники так называемыми метаматериалами.

Реле, которые представляют собой пассивные устройства, которые не потребляют никакой энергии, работают как линзы, перефокусируя микроволновый луч и отправляя его по своему пути с минимальными потерями при передаче. Они также могут направить его, если необходимо, в новом направлении. Это означает, что передатчик и приемник не обязательно должны находиться в зоне прямой видимости друг друга.

Метаматериалы — это композиты, содержащие крошечные количества проводящих металлов и изолирующие пластмассы, расположенные таким образом, что они определенным образом взаимодействуют с электромагнитным излучением, таким как микроволны. Они уже используются в так называемых маскирующих устройствах, которые помогают военным кораблям и военным самолетам укрываться от радаров. Но их также можно использовать в приемной антенне для более эффективного преобразования электромагнитных волн в электричество.

Распространение мощных микроволн по воздуху сопряжено с риском.В конце концов, подобные волны — это средства, с помощью которых микроволновые печи нагревают то, что в них помещено. Эмрод говорит, что кратковременное воздействие его лучей не должно причинить никакого вреда людям или животным, поскольку плотность мощности относительно низкая. Тем не менее, чтобы избежать несчастных случаев, лучи будут окружены так называемыми лазерными завесами. Это маломощные лазерные лучи, которые сами по себе не вредны. Но если занавес сдвигается из-за вмешательства таких вещей, как птицы или низколетящие вертолеты (которые в Новой Зеландии используются для задержания овец), это прерывание будет немедленно обнаружено, и микроволновая передача временно отключена.Батареи на принимающей стороне будут заряжаться во время любых отключений.

Если power-beaming действительно получит успех, у Emrod не будет этой области, так как ряд других фирм работают над этой идеей. TransferFi, базирующаяся в Сингапуре, разрабатывает систему, которая формирует лучи радиоволн, которые обычно имеют более низкую частоту, чем микроволны, для передачи мощности конкретным приемным устройствам. Это краткосрочная идея, разработанная для питания гаджетов на фабриках и в домах.

Американская компания PowerLight Technologies работала с вооруженными силами этой страны над использованием лазеров для передачи энергии на удаленные базы, а также для питания беспилотных летательных аппаратов в воздухе.Компания также уделяет внимание коммерческим приложениям. Так же поступает и японская инжиниринговая фирма Mitsubishi Heavy Industries. В частности, у Mitsubishi большие амбиции. Помимо промышленного применения на Земле, он изучает возможности использования этой технологии для передачи энергии на землю с геостационарных спутников, оснащенных солнечными панелями. Для этого потребуется передать его на расстояние более 35 000 км. Не столько «поднять меня, Скотти», сколько «поднять». ■

Примечание редактора (23 февраля 2020 г.): В эту статью были внесены поправки, чтобы прояснить, что Эмрод реализует два отдельных проекта.

Эта статья появилась в разделе «Наука и технологии» печатного издания под заголовком «Смотри, никаких проводов!»

Emrod против технологии беспроводной связи Tesla

Этот тип системы позволяет передавать большие объемы энергии управляемым и направленным образом, поэтому он подходит в качестве альтернативы линиям электропередач.

Другие примеры применения БПЭ с узким лучом включают питание беспилотных летательных аппаратов в полете, питание удаленных населенных пунктов и передачу энергии из космоса на землю.В 1964 и 1968 годах Уильям С. Браун применил всенаправленную WPT к летающему дрону. Хироши Мацумото успешно привел в действие небольшой самолет в 1992 году. С тех пор было проведено множество успешных экспериментов с различными уровнями мощности, расстояния и эффективности.

Заключение

Беспроводная передача энергии — это обширная область, в которой существует множество различных приложений и технологий. Существуют значительные различия между различными технологиями в этой области, которые необходимо учитывать при сравнении двух систем и их приложений.Характеристика, которую мы рассмотрели в этой статье, всенаправленная или однонаправленная, описывает, передает ли система мощность без точного обнаружения цели (всенаправленная) или от одной определенной точки к другой (однонаправленная).

Видение Николы Теслы в отношении беспроводной энергии описывается как «собирать и распределять энергию со всего мира с основным использованием для питания изолированных домов». Первоначальная технология, которую он разработал для достижения этой цели, Башня Тесла, была всенаправленной системой WPT.

В Emrod мы сосредоточили наши усилия на разработке системы, которая может передавать большие объемы энергии на большие расстояния эффективным, надежным, безопасным и коммерчески рентабельным способом в качестве альтернативы инфраструктуре линий электропередач. Наша система является однонаправленной, передавая энергию по беспроводной сети от передающей антенны к приемной антенне через столбчатый луч со встроенными функциями безопасности. Используя запатентованную технологию реле, система Emrod может передавать мощность на большие расстояния.

Хотя наша технология значительно отличается от того, над чем работал Тесла, мы вдохновлены его работой и разделяем его видение беспроводного будущего.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.