Беспроводная передача энергии


Беспроводная передача электроэнергии

Решить проблему беспроводной передачи электрической энергии на большие расстояния – давнишняя мечта человечества. Можно представить, насколько бы подешевела электроэнергия без затрат на токопроводную продукцию. Научно-техническая революция не стоит на месте. Есть надежда, что эта мечта сбудется в недалёком будущем. Тому свидетельствуют новые разработки в данной сфере.

Мечта человечества – беспроводная передача электроэнергии

История беспроводной передачи энергии

Великий французский физик Ампер в 1820 году путём многочисленных опытов пришёл к выводу о том, что магнитное поле может возбуждать в теле металла электрический ток. Так появился основополагающий закон Ампера.

Майкл Фарадей в 1831 открыл закон индукции, который стал базой для развития такой науки, как электромагнетизм.

Джеймс Максвелл после долгих экспериментов систематизировал свои наблюдения, квинтэссенцией которых в 1864 году стало уравнение Максвелла. Формула объясняла поведение электромагнитного поля.

Никола Тесла усовершенствовал аппарат для генерации электромагнитного поля, изобретённый Генрихом Герцем в 1888 году. На Всемирной выставке в 1893 г., состоявшейся в Чикаго, Тесла продемонстрировал свечение фосфорных лампочек без проводов.

Свой вклад в развитие беспроводной передачи энергии сделал русский учёный Александр Попов. В 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества он показал изобретённый им детекторный радиоприёмник.

Далее вплоть до наших дней происходило патентование новых изобретений в области беспроводной передачи электрической энергии. Были произведены масса экспериментов, совершенно большое количество открытий. Последнее достижение в этой сфере – это передача электричества на большие расстояния без проводов с помощью технологии Wi-Fi. В 2017 году изобретён мобильный телефон без батареи.

Как это работает

Какие бывают счетчики электроэнергии Нева?

Беспроводное электричество базируется на таком явлении, как электромагнетизм. В работе участвуют две катушки из металлических проводов. Одна из них подключена к источнику тока, вокруг которой создаётся магнитное поле. Вторая катушка, воспринимая это поле, индуцирует в своей обмотке вторичный электрический ток.

Схема передачи электричества без проводов

Принципы передачи

Знакомство с пиковыми и другими зонами тарификации электроэнергии

В последних разработках учёных из США и Южной Кореи применялись магнитно-резонансные системы CMRS и DCRS. Корейская технология оказалась более совершенной. Удалось передать электроэнергию на 5 метров. Благодаря компактным дипольным катушкам DCRS, можно запитать всех потребителей в помещении средних размеров без проводов.

Важно! Несовершенство современной аппаратуры существенно ограничивает длину пути электричества по воздуху.

Несмотря на это, учёные всего мира заняты получением новых технологий, задача которых – передача энергии на расстоянии в десятки и сотни километров. Уже сегодня развиваются и претворяются в жизнь новые достижения науки в области доставки электроэнергии без проводных линий электропередач.

Технологии

Потребление электроэнергии бытовыми приборами

Наиболее перспективными направлениями в разработке новых методов и способов транспортировки электричества без материального контакта являются:

  • ультразвуковой способ;
  • метод электромагнитной индукции;
  • электростатическая индукция;
  • микроволновое излучение;
  • лазерный метод;
  • электропроводность Земли.

Ультразвуковой способ

Студентами Пенсильванского университета (США) на недавней выставке в 2011 году был продемонстрирован способ передачи электротока с помощью ультразвука. Передатчик генерировал акустические волны в ультразвуковом диапазоне, приёмник преобразовывал их в электрический ток. В качестве носителя энергии ультразвук был выбран не случайно. Его воздействие на организм человека абсолютно безвредно.

Несовершенство этого способа заключается в том, что КПД передачи очень низкий, нужны прямая видимость между абонентами и ограниченность расстояния (7-10 метров).

Метод электромагнитной индукции

Работа обыкновенного трансформатора даёт представление о том, как осуществляется передача электричества без проводов методом электромагнитной индукции. В процессе участвуют две катушки. Магнитное поле, возбуждаемое протекающим током по виткам первичной обмотки, индуцирует электрический поток во вторичной обмотке трансформатора.

Примерами использования эффекта электромагнитной индукции могут быть зарядные устройства смартфонов и электрические зубные щётки. Недостатком такого способа передачи энергии является непременная близость катушек. Даже при небольшом увеличении промежутка между обмотками большая часть энергии начинает распыляться в пространстве.

Один из видов электромагнитной индукции – это использование резонанса. Суть способа заключается в том, что приёмник и передатчик функционируют в одном частотном диапазоне. Передающее и приёмное устройства представляют собой соленоид с одним слоем витков. Генерирующий прибор оснащён конденсаторной схемой, с помощью которой он настраивается на частоту приёмника.

Демонстрация метода электромагнитной индукции

Электростатическая индукция

В основе метода заложен принцип прохождения энергии через тело диэлектрика. Способ называют ёмкостной связью. Генератор создаёт в ёмкости электрическое поле, которое возбуждает разницу потенциалов между двумя электродами потребителя.

Никола Тесла для демонстрации беспроводной лампы освещения использовал именно метод электростатической индукции. Лампа получала питание от переменного электрического поля высокой частоты. Она светилась ровно, независимо от её перемещения в пространстве комнаты.

Микроволновое излучение

Специалисты космотехники разработали способ передачи электроэнергии от орбитальных солнечных батарей на космические корабли с помощью радиосигнала микроволнового диапазона. Проблема этого метода состоит в том, что для приёма и передачи пучкового излучения требуются антенны с очень большой диафрагмой.

Учёные НАСА в 1978 году пришли к выводу, что для передачи микроволнового луча частотой 2,45 ГГц излучающая антенна должна иметь диаметр отражающей поверхности 1 км. Приёмная ректенна должна быть диаметром 10 км. Уменьшить эти размеры возможно путём использования сверхкоротких волн. Однако сигналы такого диапазона быстро поглощаются атмосферой или блокируются дождевыми осадками.

Обратите внимание! Безопасная плотность мощности излучаемой энергии равняется 1 мВт/см2. Этой норме отвечает антенна диаметром 10 км с передающей мощностью потенциала 750 МВт.

Лазерный метод

Передачу электроэнергии на большие расстояния без проводов с помощью лазера стали осуществлять сосем недавно. Идея состоит в том, что лазерный луч, несущий в себе энергетический потенциал, попадает на фотоэлемент приёмного устройства, где высокочастотное электромагнитное излучение преобразуется в электрический ток.

Лазерная технология передачи энергии, ранее применяемая в военной области, успешно внедряется в гражданскую сферу деятельности человека. Разработки американских учёных привели к изобретению беспилотного летательного аппарата, получающего энергетическое питание от лазерного луча. В 2006 году был продемонстрирован беспилотник, который мог летать в беспосадочном режиме, питаясь от лазерной установки.

В 2009 году был успешно осуществлён эксперимент в космосе по передаче энергии на один километр мощностью 500Вт.

Электропроводность Земли

Существует теория использования недр и океанов Земли для беспроводной передачи энергии. Электропроводимость гидросферы, залежей металлических руд может быть использована для передачи низкочастотного переменного тока. Электростатическая индукция диэлектрических тел может возникать в огромных залежах кварцевого песка и тому подобных минералов.

Передача электрического тока возможна также через воздушное пространство методом электростатической индукции. Никола Тесла в своё время выдвинул предположение, что в будущем появятся технологии, которые для передачи электроэнергии будут использовать землю, океанические воды и атмосферу планеты.

Всемирная беспроводная система

Впервые о Всемирной беспроводной системе передачи электроэнергии стало известно от великого учёного Теслы. В 1904 году он заявил, что создание ВБС, используя высокую электрическую проводимость плазмы и Земли, вполне осуществимо.

Реальные проекты в наши дни

Из всего того, что на сегодня предлагает рынок электротехники, относятся к беспроводной передаче электроэнергии зарядные устройства для смартфонов, электрические зубные щётки. В них используется принцип электромагнитной индукции.

Бесконтактная зарядка смартфона

В авиастроении началось серийное производство летательных беспилотных аппаратов, питающихся за счёт беспроводной передачи электричества. Небольшой микроволновый вертолёт с ректенной может подниматься на высоту до 15 метров над землёй. Появились беспилотники, которые могут летать в зоне видимости лазерного луча.

Китайский производитель бытовой техники Haier Group с 2010 года выпускает беспроводные LCD телевизоры.

Перспективы беспроводной передачи электричества

Сейчас ведутся исследовательские работы, и разрабатываются проекты создания электромобилей, которые будут передвигаться по дорожному покрытию с токопроводом, который индуцирует электрический ток в моторе транспорта.

Ряд передовых фирм заняты разработкой беспроводных источников питания, которые смогут снабжать электроэнергией всех потребителей в пределах одного помещения.

В перспективе появление трасс, состоящих из ряда беспроводных источников электричества, которые смогут обеспечить перемещение летательных аппаратов на большие расстояния.

С появлением новых материалов, усовершенствованных приборов и изобретений беспроводная передача электроэнергии в недалёком будущем охватит все сферы деятельности человека.

Видео

amperof.ru

Беспроводная передача энергии на 5 метров

Провода от многочисленных электронных устройств к розеткам захламляют многие квартиры. Приходится делать десяток розеток в каждой комнате, чтобы провода были не так заметны. Но если в массовое производство пойдёт изобретение группы физиков из южнокорейского университета KAIST, то достаточно будет одной розетки в каждой комнате. Все приборы будут получать питание от единого хаба, который передаёт энергию на расстояние до 5 метров.

В настоящее время самой совершенной технологией передачи энергии считается магнитно-резонансная система (Coupled Magnetic Resonance System, CMRS), разработанная в Массачусетском технологическом институте в 2007 году. Она обеспечивает передачу тока на расстояние 2,1 метра. С того времени и до сих пор ничего нового в этой области не изобретали, а сама CMRS столкнулась с некоторыми ограничениями, которые не позволили пустить её в массовое производство: например, сложная конфигурация катушек, большие размеры, высокая частота передачи и слишком высокая чувствительность к внешним помехам, таким как присутствие человека. Учёные из Южной Кореи разработали новый передатчик электроэнергии — резонансную систему из дипольных катушек (Dipole Coil Resonant System, DCRS), работающую на расстоянии до 5 метров между приёмником и передатчиком. На первый взгляд, система лишена многих недостатков CMRS, здесь используются довольно компактные катушки 10х20х300 см, которые вполне можно незаметно вмонтировать в стены квартиры.

Общая конфигурация DCRS Как показал эксперимент, на частоте 20 кГц максимальная выходная мощность составила 1403 Вт на расстоянии 3 метра, 471 Вт на 4 м и 209 Вт на 5 м. При работе с мощностью на 100 Вт кпд равняется 36,9% на 3 м, 18,7% на 4 м и 9,2% на 5 м. То есть технология вполне позволяет запитывать даже современные большие ЖК-телевизоры (40 Вт) на расстоянии 5 метров с помощью беспроводной передачи. Другое дело, что из электросети будет при этом «выкачиваться» 400 ватт, но зато никаких проводов.

Даже при низком кпд технология всё равно полезна в некоторых исключительных ситуациях. Например, в марте этого года группа корейских физиков сумела передать 10 Вт на контрольное оборудование, аналогичное установленному на атомной станции в Фукусиме, на расстоянии 7 метров.

Теги:
  • резонансная система
  • дипольные катушки
  • Dipole Coil Resonant System
  • DCRS
  • кпд
  • 27 августа 2019 в 10:00
  • 31 марта 2018 в 12:54
  • 2 июня 2017 в 11:55

habr.com

Беспроводная передача энергии



12 сентября 2017 года компания Apple в рамках традиционной осенней презентации своих новинок представила всему миру собственное беспроводное зарядное устройство. Оно стало самой обсуждаемой новинкой компании того года. Однако данный гаджет не является революционным, первыми из крупных мобильных компаний начали производить смартфоны с поддержкой беспроводной зарядки Nokia и LG, еще в 2012 году. Компания Apple всего лишь подогрела интерес к данного рода устройствам, послужив катализатором массового использования беспроводных зарядных устройств.

Разработки инженеров Nokia, LG, Apple и других производителей гаджитов, связанные с беспроводной передачей энергии, являются далеко не первыми в данной области. Ведь еще более ста лет назад в 1893 году на Колумбовской всемирной выставке, проходившей в Чикаго, Никола Тесла продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами. Это вызвало взрыв исследований, целью которых было найти наилучший способ передачи электроэнергии.

С быстрым развитием радиотехники возможности осуществления беспроводной передачи энергии только увеличивались. Целью исследований являлось — генерировать электрическое поле в одном месте так, чтобы затем можно было приборами обнаружить его на расстоянии.

Но на этом исследования не останавливались, следующим этапом было снабжение энергией не только высокочувствительных датчиков, но и небольших потребителей электрической энергии. Так, в 1904 году на Всемирной выставке в Сент-Луисе был продемонстрирован успешный запуск самолетного двигателя мощностью 0,1 лошадиной силы, осуществленный на расстоянии 30 метров [1]. В дальнейшем исследования беспроводной передачи энергии не прекращались, достигая все новых успехов, однако по различным причинам они не получили массового применения.

Беспроводная передача энергии может быть реализована при помощи различных технологий, основанных на свойствах электромагнитных полей. Такие технологии, в первую очередь, характеризуются расстоянием, на которое может быть передана энергия с максимальной эффективностью. Также немаловажен тип передаваемой электромагнитной энергии.

Выделяют два основных метода передачи. Первый основан на явлении электромагнитной индукции. Основой второго метода является электромагнитное излучение, применяются СВЧ-диапазоны и мощные узконаправленные пучки видимого света (лазеры).

Рассмотрим данные способы беспроводной передачи энергии более подробно.

Метод электромагнитной индукции.

Частным случаем электромагнитной индукции является взаимная индукция. Именно на взаимной индукции основан первый метод беспроводной передачи энергии. Взаимная индукция представляет собой возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников. При изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока, созданного током первого проводника и проходящего через контур второго, что по закону электромагнитной индукции вызывает возникновение ЭДС во втором проводнике. Чем большая часть магнитного поля первой цепи пронизывает вторую цепь, тем сильнее взаимодействие между цепями. Для увеличения плотности магнитного потока используют катушки индуктивности. Чтобы катушки эффективно взаимодействовали, необходимо их близкое расположение, так как в противном случае большая часть энергии поля тратится впустую [2].

Устройства, основанные на данном принципе, уже давно применяются в электрических сетях и даже быту. Описанное устройство представляет собой ничто иное, как трансформатор. Действительно, в трансформаторах обмотки электрически не связаны, а значит, передача энергии происходит беспроводным путем. Но, конечно же, использование трансформаторов на электростанциях и подстанциях не является наглядным применением беспроводной передачи энергии, так как обмотки находятся в общем корпусе. Но также данный способ беспроводной передачи энергии применяется для зарядки мобильных устройств, электромобилей и медицинских имплантатов. КПД таких устройств значительно ниже, чем КПД трансформатор, и составляет 40–50 %.

Метод микроволнового излучения, по сравнению с методом электромагнитной индукции, позволяет во много раз увеличить расстояние, на которое будет передана энергия. Микроволны с длиной волны 12 см, что соответствует частоте 2,45 ГГц, способны проходить через земную атмосферу фактически без потерь (при неблагоприятных погодных условиях потери составляют не более 5 %) — данное явление получило название «окно прозрачности» атмосферы.

Для использования данного метода необходимы два устройства.

Первое, магнетрон — это генератор микроволнового излучения, позволяющий преобразовать электрический ток в микроволновое излучение. Второе, приемная антенна, способная преобразовывать микроволновое излучение обратно в электрический ток.

С первой задачей преобразования электрического тока в микроволны человечество справилось настолько хорошо, что сейчас магнетрон есть практически в каждой квартире, он является неотъемлемой частью микроволновых печей.

Для выполнения второй задачи — обратного преобразования микроволнового излучения в электрический ток, существует два метода, американский и советский. Они были разработаны во второй половине ХХ века. Первая антенна, разработанная в США, получила название ректенна, а вторая, разработанная в Советском Союзе, была названа циклотронный преобразователь энергии.

В 1964 году эксперт в области СВЧ-электроники Вильям Броун впервые испытал устройство, способное преобразовывать микроволны в электрический ток. Данное устройство получило название ректенна.

Ректенна состоит из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки. Ректенны достаточно миниатюрны и имеют высокий КПД до 95 %, однако их нагрузочная способность составляет единицы ватт [1]. Поэтому для передачи больших мощностей из ректенн собирают большие приемные панели, рассчитанные на передачу определенной мощности.

Именно с именем Вильяма Броуна и его изобретением связана самая успешная беспроводная передача энергии. В 1976 году ему удалось передать СВЧ-пучком 30 кВт непрерывной мощности на расстояние 1,6 км с КПД, составляющим 82 %.

Казалось бы, после такого успешного эксперимента данная технология должна была найти широкое применение. Однако, у нее есть существенный недостаток: при небольших перегрузках полупроводниковые диполи сгорают и делают это лавинно, то есть при перегрузке на одном из полупроводников выходит из строя целая приемная панель. Ненадежность ректенн и их дороговизна стали основными факторами, которые не позволили найти применения данному методу вне лабораторных испытаний.

В 70-ых годах ХХ века в стенах МГУ, а именно на физическом факультете в лаборатории микроволновой электроники и беспроводной передачи энергии, профессором Владимиром Александровичем Ванке и доцентом Владимиром Леонидовичем Савиным был разработан циклотронный преобразователь энергии. Данное изобретение стало советским аналогом ректенн. Циклотронный преобразователь основан на возбуждении быстрой циклотронной волны электронного потока за счет подводимой СВЧ-энергии и последующем преобразовании этой энергии в поступательную энергию движения электронов [3].

Принципиальное отличие циклотронного преобразователя энергии от ректенн в том, что в его основе лежит ламповая технология и это делает его более габаритным. Циклотронный преобразователь энергии представляет собой трубку длиной 30–40 см и диаметром сечения 10–15 см. Предложенные конструктивные особенности устройства позволяют получить КПД преобразования до 80 % при уровне подводимой СВЧ-мощности порядка 10 кВт, при этом допустимы значительные колебания уровня подводимой СВЧ-мощности [4]. Данная характеристика позволяет преобразователю легко переносить перегрузки, он не имеет проблем переизлучения и стоит на порядок дешевле американского аналога.

С методами микроволнового излучения связаны два наиболее амбициозных проекта беспроводной передачи энергии.

Первый примечателен тем, что он был практически реализован. На острове Реюньон, это регион Франции, неподалеку от Мадагаскара, возникла потребность в передаче 10 кВт электроэнергии на расстояние 1 км для энергоснабжения поселка, находящегося в ущелье. Из-за сложного рельефа местности представлялось невозможным провести кабельную или воздушную линию электропередач.

Для решения данной задачи был собран целый конгломерат ученых из разных стран, в том числе в него вошли профессор В. А. Ванке и доцент В. Л. Савин. Проект разрабатывался в период с 1997 по 2005 годы, но когда все расчеты были завершены, проект заморозили из-за отсутствия финансирования.

Идея второго проекта была предложена еще в 1968 году американским физиком Питером Е. Глэйзером. Он предложил вывести спутник, укомплектованный солнечными панелями, на геостационарную орбиту Земли, там преобразовать солнечную энергию в пучок СВЧ-волн и пустить его на Землю на приемную антенну. Тогда эта идея казалась научной фантастикой, но в настоящее время о ней вспомнили. Сейчас разработку солнечной космической электростанции ведут США, Япония и Китай. Стоимость проекта оценивается приблизительно в 20–25 млрд. долларов.

Основой следующего метода беспроводной передачи энергии являются мощные узконаправленные пучки видимого света (лазеры).

Луч лазера направляется на фотоэлемент приёмника, где преобразуется в электроэнергию. При данном способе передачи энергии источник и приемник должны находиться в прямой видимости. Максимальный КПД при передаче энергии лазером достигается в безвоздушном пространстве, так как атмосфера поглощает, рассеивает свет. К тому же на КПД значительное влияние оказывают неблагоприятные погодные условия.

Данной технологией активно занимается НАСА. В настоящее время передача энергии при помощи лазера нашла свое применение в беспилотных дронах, ее используют для подзарядки в воздухе при невозможности посадить дрон.

В 2009 году НАСА организовало соревнование по беспроводной передаче энергии лазерным пучком, приз за первое место в котором составлял 900 тыс. долларов. Победителем в данном соревновании стала компания LaserMotive, ее специалистам удалось передать 500 Вт на расстояние 1 км с КПД 10 % [5].

В итоге, мы имеем три способа беспроводной передачи энергии, рассмотренные в данной статье.

Первый — метод электромагнитной индукции, позволяет передавать энергию на очень малые расстояния. В настоящее время данный метод нашел свое применение в быту в беспроводных зарядных устройствах для различных гаджетов. Данный метод обладает небольшой эффективностью из-за невысокого КПД.

Метод микроволнового излучения в настоящее время является одним из самых перспективных. Он обладает высоким КПД и возможностью передачи энергии на Земле, в космосе, с Земли в космос, из космоса на Землю, а также с Земли в космос и обратно на Землю. Именно при помощи метода микроволнового излучения планируется передавать энергию с солнечных космических электростанций.

Заключительный метод передачи энергии при помощи лазера является наименее эффективным, но порой необходимым для подзарядки беспилотных устройств. Однако наука не стоит на месте и, возможно, передача энергии при помощи лазера станет не менее эффективной, чем метод микроволнового излучения. И именно с их помощью будет происходить дальнейшее освоение космоса.

Но когда же все эти технологии станут для нас обыденностью? Сказать сложно. Вряд ли это произойдет в ближайшие 10–15 лет, скорее приходится надеется на вторую половину ХХI века. А пока остается довольствоваться беспроводными зарядными устройствами, основанными на методе электромагнитной индукции.

Литература:

1. Статья «Передача электроэнергии без проводов — от начала до наших дней» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: https://habr.com/post/373183/

2. Статья «Взаимная индукция» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: http://www.hydromuseum.ru/ru/encyclopedia/glossary/Vzaimnaya_indukciya/

3. Ванке В. А. Статья: «СВЧ-электроника» // Журнал, «Электроэнергетика. Наука. Технология. Бизнес». — № 5 2007 г.

4. Ванке В. А. Статья: «Электроэнергетика из космоса» // Журнал, «Радиоэлектроника» — № 12 2007 г.

5. Статья «Три способа передачи энергии без проводов» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: https://domikelectrica.ru/3-sposoba-peredachi-energii-bez-provodov/

Основные термины (генерируются автоматически): беспроводная передача энергии, микроволновое излучение, электромагнитная индукция, электрический ток, циклотронный преобразователь энергии, передача энергии, устройство, взаимная индукция, помощь лазера, расстояние.

moluch.ru

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.

www.asutpp.ru

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 недостаткиБеспроводное 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:

electrosam.ru

Способы беспроводной передачи электроэнергии

Открытый Андре Мари Ампером в 1820 году закон взаимодействия электрических токов, положил начало дальнейшему развитию науки об электричестве и магнетизме. Спустя 11 лет, Майкл Фарадей экспериментально установил, что порождаемое электрическим током меняющееся магнитное поле способно индуцировать электрический ток в другом проводнике. Так был создан первый электрический трансформатор.

В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл окончательно систематизировал экспериментальные данные Фарадея, придав им форму точных математических уравнений, благодаря которым была создана основа классической электродинамики, ведь эти уравнения описывали связь электромагнитного поля с электрическими токами и зарядами, а следствием этого должно было быть существование электромагнитных волн.

В 1888 году Генрих Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом. Его искровой передатчик с прерывателем на основе катушки Румкорфа мог производить электромагнитные волны частотой до 0,5 гигагерц, которые могли быть приняты несколькими приемниками, настроенными в резонанс с передатчиком.

Приемники могли располагаться на расстоянии до 3 метров, и при возникновении искры в передатчике, искры возникали и в приемниках. Так были проведены первые опыты по беспроводной передаче электрической энергии с помощью электромагнитных волн.

В 1891 году Никола Тесла, занимаясь исследованием переменных токов высокого напряжения и высокой частоты, приходит к выводу, что крайне важно для конкретных целей подбирать как длину волны, так и рабочее напряжение передатчика, и совсем не обязательно делать частоту слишком высокой.

Ученый отмечает, что нижняя граница частот и напряжений, при которых ему на тот момент удалось добиться наилучших результатов, - от 15000 до 20000 колебаний в секунду при потенциале от 20000 вольт. Тесла получал ток высокой частоты и высокого напряжения, применяя колебательный разряд конденсатора (смотрите - Трансформатор Тесла). Он заметил, что данный вид электрического передатчика пригоден как для производства света, так и для передачи электроэнергии для производства света.

В период с 1891 по 1894 годы ученый многократно демонстрирует беспроводную передачу, и свечение вакуумных трубок в высокочастотном электростатическом поле, при этом отмечая, что энергия электростатического поля поглощается лампой, преобразуясь в свет, а энергия электромагнитного поля, используемая для электромагнитной индукции с целью получения аналогичного результата, в основном отражается, и лишь малая ее доля преобразуется в свет.

Даже применяя резонанс при передаче с помощью электромагнитной волны, значительного количества электрической энергии передать не удастся, утверждал ученый. Его целью в этот период работы была передача именно большого количества электрической энергии беспроводным способом.

Вплоть до 1897 года, параллельно с работой Тесла, исследования электромагнитных волн ведут: Джагдиш Боше в Индии, Александр Попов в России, и Гульельмо Маркони в Италии.

Вслед за публичными лекциями Тесла, Джагдиш Боше выступает в ноябре 1894 года в Калькутте с демонстрацией беспроводной передачи электричества, там он зажигает порох, передав электрическую энергию на расстояние.

После Боше, а именно 25 апреля 1895 года, Александр Попов, используя азбуку Морзе, передал первое радиосообщение, и эта дата (7 мая по новому стилю) отмечается теперь ежегодно в России как «День Радио».

В 1896 году Маркони, приехав в Великобританию, продемонстрировал свой аппарат, передав с помощью азбуки Морзе сигнал на расстояние 1,5 километра с крыши здания почтамта в Лондоне на другое здание. После этого он усовершенствовал свое изобретение и сумел передать сигнал по Солсберийской равнине уже на расстояние 3 километра.

Тесла в 1896 году удачно передает и принимает сигналы на расстоянии между передатчиком и приемником примерно в 48 километров. Однако значительного количества электрической энергии передать на большое расстояние пока никому из исследователей не удалось.

Экспериментируя в Колорадо-Спрингс, в 1899 году Тесла напишет: «Несостоятельность метода индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха». Это станет началом исследований ученого, направленных на передачу электроэнергии на значительные расстояния без использования проводов. В январе 1900 года Тесла сделает в своем дневнике запись об успешной передаче энергии на катушку, «вынесенную далеко в поле», от которой была запитана лампа.

А самым грандиозным успехом ученого станет запуск 15 июня 1903 года башни Ворденклифф на Лонг-Айленде, предназначенной для передачи электрической энергии на значительное расстояние в больших количествах без проводов. Заземленная вторичная обмотка резонансного трансформатора, увенчанная медным сферическим куполом, должна была возбудить заряд земли и проводящие слои воздуха, чтобы стать элементом большой резонансной цепи.

Так ученому удалось запитать 200 ламп по 50 Ватт на расстоянии около 40 километров от передатчика. Однако, исходя из экономической целесообразности, финансирование проекта было прекращено Морганом, который с самого начала вкладывал деньги в проект с целью получить беспроводную связь, а передача бесплатной энергии в промышленных масштабах на расстояние его, как бизнесмена, категорически не устраивала. В 1917 году башня, предназначенная для беспроводной передачи электрической энергии, была разрушена.

Подробнее об экспериментах Николы Тесла читайте здесь: Резонансный метод беспроводной передачи электрической энергии Николы Тесла

Уже намного позже, в период с 1961 по 1964 годы, эксперт в области СВЧ-электроники Вильям Браун экспериментировал в США с трактами передачи энергии СВЧ-пучком.

В 1964 году им было впервые испытано устройство (модель вертолета) способное принимать и использовать энергию СВЧ пучка в виде постоянного тока, благодаря антенной решётке, состоящей из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки. Уже к 1976 году Вильям Браун осуществил передачу СВЧ-пучком мощности в 30 кВт на расстояние в 1,6 км с КПД превышающим 80%.

В 2007 году исследовательская группа Массачусетского технологического института под руководством профессора Марина Солячича сумела передать беспроводным способом энергию на расстояние в 2 метра. Передаваемой мощности было достаточно для питания 60 ваттной лампочки. 

В основе их технологии (названной WiTricity) лежит явление электромагнитного резонанса. Передатчик и приемник – это резонирующие с одинаковой частотой две медные катушки диаметром 60 см каждая. Передатчик подключен к источнику энергии, а приемник - к лампе накаливания. Контуры настроены на частоту 10 МГц. Приемник в данном случае получает только 40-45% передаваемой электроэнергии.

Примерно в тоже самое время похожую технологию беспроводной передачи электроэнергии продемонстрировала компания Intel. 

В 2010 году Haier Group, китайский производитель бытовой техники, представила на всеобщее обозрение на выставке CES 2010 свой уникальный продукт - полностью беспроводной LCD телевизор, основанный на данной технологии.

Читайте также по этой теме: Стандарт беспроводного питания электронных устройств Qi

Андрей Повный

electrik.info


Смотрите также