Bezdrôtový prenos elektrickej energie. Bezdrôtový prenos elektriny podľa Teslovej teórie

Základy bezdrôtového nabíjania

Bezdrôtový prenos energie (WPT) nám dáva šancu zbaviť sa tyranie napájacích káblov. Táto technológia teraz preniká do všetkých druhov zariadení a systémov. Poďme sa na ňu pozrieť!

Bezdrôtovým spôsobom

Väčšina moderných obytných a komerčných budov je napájaná striedavým prúdom. Elektrárne vyrábajú striedavú elektrinu, ktorá sa dodáva do domácností a kancelárií pomocou vysokonapäťových prenosových vedení a znižovacích transformátorov.

Elektrina vstupuje do rozvádzača a potom elektrické vedenie dodáva elektrinu zariadeniam a zariadeniam, ktoré používame každý deň: svetlá, kuchynské spotrebiče, nabíjačky atď.

Všetky komponenty sú štandardizované. Akékoľvek zariadenie dimenzované na štandardný prúd a napätie bude fungovať z akejkoľvek zásuvky v celej krajine. Hoci sa normy v jednotlivých krajinách líšia, každé zariadenie v danom elektrickom systéme bude fungovať, pokiaľ bude spĺňať normy pre daný systém.

Kábel sem, kábel tam... Väčšina našich elektrických zariadení má napájací kábel striedavého prúdu.

Technológia bezdrôtového prenosu energie

Bezdrôtový prenos energie (WPT) umožňuje napájanie cez vzduchovú medzeru bez potreby elektrických káblov. Bezdrôtový prenos energie môže poskytnúť striedavé napájanie kompatibilným batériám alebo zariadeniam bez fyzických konektorov alebo káblov. Bezdrôtový prenos elektrickej energie môže zabezpečiť nabíjanie mobilných telefónov a tabletových počítačov, bezpilotných lietadiel, automobilov a iných dopravných zariadení. Dokonca by mohol umožniť bezdrôtový prenos elektriny zo solárnych panelov vo vesmíre.

Bezdrôtový prenos elektrickej energie začal svoj rýchly rozvoj v oblasti spotrebnej elektroniky, keď nahradil káblové nabíjačky. CES 2017 predstaví mnohé zariadenia využívajúce bezdrôtový prenos energie.

Koncept bezdrôtového prenosu elektrickej energie však vznikol okolo 90. rokov 19. storočia. Nikola Tesla vo svojom laboratóriu v Colorado Springs dokázal zapáliť žiarovku bezdrôtovo pomocou elektrodynamickej indukcie (využívanej v rezonančnom transformátore).

Rozsvietili sa tri žiarovky umiestnené 60 stôp (18 metrov) od zdroja energie a demonštrácia bola zdokumentovaná. Tesla mal veľké plány, dúfal, že jeho veža Wardenclyffe, ktorá sa nachádza na Long Islande, bude bezdrôtovo prenášať elektrickú energiu cez Atlantický oceán. To sa nikdy nestalo kvôli rôznym problémom vrátane financovania a načasovania.

Bezdrôtový prenos elektrickej energie využíva polia vytvorené nabitými časticami na prenos energie cez vzduchovú medzeru medzi vysielačmi a prijímačmi. Vzduchová medzera je skratovaná premenou elektrickej energie na formu, ktorú je možné prenášať vzduchom. Elektrická energia sa premieňa na striedavé pole, prenáša sa vzduchom a potom sa premieňa prijímačom na využiteľný elektrický prúd. V závislosti od výkonu a vzdialenosti môže byť elektrická energia efektívne prenášaná prostredníctvom elektrického poľa, magnetického poľa alebo elektromagnetických vĺn, ako sú rádiové vlny, mikrovlnné žiarenie alebo dokonca svetlo.

V nasledujúcej tabuľke sú uvedené rôzne technológie bezdrôtového prenosu elektrickej energie, ako aj formy prenosu energie.

Bezdrôtové technológie prenosu energie (WPT)

technológie	Nosič elektrickej energie	Čo umožňuje prenos elektrickej energie
indukčná väzba	Magnetické polia	zvitky drôtu
Rezonančná indukčná väzba	Magnetické polia	Oscilačné obvody
kapacitná väzba	elektrické polia	Páry vodivých dosiek
Magnetodynamické spojenie	Magnetické polia	Rotácia permanentných magnetov
mikrovlnného žiarenia	mikrovlnné vlny	Fázované polia parabolických antén
optické žiarenie	Viditeľné svetlo / infračervené / ultrafialové	Lasery, fotobunky

Nabíjanie Qi, otvorený štandard pre bezdrôtové nabíjanie

Zatiaľ čo niektoré spoločnosti sľubujúce bezdrôtový prenos energie stále pracujú na svojich produktoch, štandard nabíjania Qi (vyslov „qi“) už existuje a zariadenia, ktoré ho používajú, sú už dostupné. Wireless Power Consortium (WPC), založené v roku 2008, vyvinulo štandard Qi pre nabíjanie batérií. Tento štandard podporuje technológie indukčného aj rezonančného nabíjania.

Pri indukčnom nabíjaní sa elektrická energia prenáša medzi induktormi vo vysielači a prijímači umiestnenými v tesnej blízkosti. Indukčné systémy vyžadujú, aby boli induktory v tesnej blízkosti a navzájom zarovnané; zariadenia sú zvyčajne v priamom kontakte s nabíjacou podložkou. Rezonančné nabíjanie si nevyžaduje starostlivé zarovnanie a nabíjačky dokážu rozpoznať a nabiť zariadenie až do vzdialenosti 45 mm; teda rezonančné nabíjačky možno zabudovať do nábytku alebo umiestniť medzi police.

Prítomnosť loga Qi znamená, že zariadenie je registrované a certifikované WPC Wireless Electromagnetic Energy Consortium.

Na začiatku Qi malo nabíjanie malý výkon, asi 5 wattov. Prvé smartfóny využívajúce nabíjanie Qi sa objavili v roku 2011. V roku 2015 sa nabíjací výkon Qi zvýšil na 15W, čo umožňuje rýchle nabíjanie zariadení.

Nasledujúci obrázok od Texas Instruments ukazuje, čo pokrýva štandard Qi.

Iba zariadenia uvedené v registračnej databáze Qi môžu zaručiť, že budú kompatibilné s Qi. V súčasnosti obsahuje viac ako 700 produktov. Je dôležité pochopiť, že produkty s logom Qi boli testované a certifikované; a magnetické polia používané týmito zariadeniami nespôsobia problémy citlivým zariadeniam, ako sú mobilné telefóny alebo elektronické pasy. Registrované zariadenia budú zaručene fungovať s registrovanými nabíjačkami.

Fyzika bezdrôtového prenosu elektrickej energie

Bezdrôtový prenos elektrickej energie pre domáce spotrebiče je nová technológia, ale princípy, na ktorých je založený, sú známe už dlho. Tam, kde ide o elektrinu a magnetizmus, stále platia Maxwellove rovnice a vysielače posielajú energiu do prijímačov rovnakým spôsobom ako v iných formách bezdrôtovej komunikácie. Bezdrôtový prenos elektriny sa však od nich líši hlavným účelom, ktorým je prenos samotnej energie a nie informácií v nej zakódovaných.

Elektromagnetické polia, ktoré sa podieľajú na bezdrôtovom prenose elektrickej energie, môžu byť dosť silné, a preto treba brať ohľad na bezpečnosť ľudí. Vystavenie elektromagnetickému žiareniu môže spôsobiť problémy a existuje aj možnosť, že polia generované vysielačmi elektrickej energie môžu rušiť činnosť nositeľných alebo implantovaných zdravotníckych zariadení.

Vysielače a prijímače sú zabudované do zariadení na bezdrôtový prenos elektrickej energie rovnako ako batérie, ktoré sa nimi budú nabíjať. Skutočné schémy konverzie budú závisieť od použitej technológie. Okrem samotného prenosu energie musí systém WPT zabezpečiť komunikáciu medzi vysielačom a prijímačom. To zaisťuje, že prijímač môže oznámiť nabíjačke, že batéria je plne nabitá. Komunikácia tiež umožňuje vysielaču detekovať a identifikovať prijímač, aby upravil množstvo energie dodávanej do záťaže, ako aj napríklad monitoruje teplotu batérie.

Pri bezdrôtovom prenose elektrickej energie záleží na výbere koncepcie blízkeho poľa alebo vzdialeného poľa. Prenosové technológie, množstvo energie, ktorú je možné preniesť, a požiadavky na vzdialenosť ovplyvňujú, či systém bude využívať žiarenie blízkeho poľa alebo žiarenie vzdialeného poľa.

Body, pre ktoré je vzdialenosť od antény výrazne menšia ako jedna vlnová dĺžka, sú v blízkom poli. Energia v blízkej zóne je nežiarivá a oscilácie magnetického a elektrického poľa sú navzájom nezávislé. Na prenos energie do prijímača umiestneného v blízkom poli vysielača je možné použiť kapacitnú (elektrickú) a indukčnú (magnetickú) väzbu.

Body, pre ktoré je vzdialenosť od antény väčšia ako približne dve vlnové dĺžky, sú vo vzdialenej zóne (medzi blízkou a vzdialenou oblasťou je prechodová oblasť). Energia vo vzdialenom poli sa prenáša vo forme konvenčného elektromagnetického žiarenia. Prenos energie vo vzdialenom poli sa nazýva aj energetický lúč. Príkladmi diaľkového prenosu sú systémy, ktoré využívajú vysokovýkonné lasery alebo mikrovlny na prenos energie na veľké vzdialenosti.

Kde funguje bezdrôtový prenos energie (WPT)?

Všetky technológie WPT sú v súčasnosti v aktívnom výskume, väčšina z nich je zameraná na maximalizáciu účinnosti prenosu energie a výskum technológií pre magnetickú rezonančnú väzbu. Najambicióznejšie sú navyše nápady vybaviť WPT systémom miestností, v ktorých sa človek bude nachádzať a zariadenia, ktoré nosí, sa budú automaticky nabíjať.

Globálne sa elektrobusy stávajú štandardom; existujú plány na zavedenie bezdrôtového nabíjania pre ikonické poschodové autobusy v Londýne podobným spôsobom ako autobusové systémy v Južnej Kórei, americkom štáte Utah a Nemecku.

Experimentálny systém pre bezdrôtovo napájané drony už bol demonštrovaný. A ako už bolo spomenuté, súčasný výskum a vývoj je zameraný na perspektívu splnenia niektorých energetických potrieb Zeme pomocou bezdrôtového prenosu energie a solárnych panelov umiestnených vo vesmíre.

WPT funguje všade!

Záver

Zatiaľ čo Teslov sen o bezdrôtovom prenose energie akémukoľvek spotrebiteľovi nie je ani zďaleka realizovaný, množstvo zariadení a systémov práve teraz používa nejakú formu bezdrôtového prenosu energie. Od zubných kefiek po mobilné telefóny, od súkromných áut po verejnú dopravu, existuje mnoho aplikácií na bezdrôtový prenos elektrickej energie.

Bezdrôtová elektrina je známa od roku 1831, kedy Michael Faraday objavil fenomén elektromagnetickej indukcie. Experimentálne zistil, že meniace sa magnetické pole generované elektrickým prúdom môže indukovať elektrický prúd v inom vodiči. Uskutočnilo sa množstvo experimentov, vďaka ktorým sa objavil prvý elektrický transformátor. Iba Nikola Tesla však dokázal plne realizovať myšlienku prenosu elektriny na diaľku v praktickej aplikácii.

Na svetovej výstave v Chicagu v roku 1893 ukázal bezdrôtový prenos elektriny rozsvietením fosforových žiaroviek, ktoré boli od seba vzdialené. Tesla predviedol mnoho variácií prenosu elektriny bez drôtov, snívajúc o tom, že v budúcnosti táto technológia umožní ľuďom prenášať energiu v atmosfére na veľké vzdialenosti. Ale v tom čase sa tento vynález vedca ukázal ako nevyžiadaný. Len o storočie neskôr sa o technológie Nikolu Teslu začali zaujímať Intel a Sony a potom aj ďalšie spoločnosti.

Ako to funguje

Bezdrôtová elektrina je doslova prenos elektrickej energie bez drôtov. Často sa táto technológia porovnáva s prenosom informácií, napríklad s Wi-Fi, mobilnými telefónmi a rádiom. Bezdrôtové napájanie je relatívne nová a dynamicky sa rozvíjajúca technológia. Dnes sa vyvíjajú metódy na bezpečný a efektívny prenos energie na diaľku bez prerušenia.

Technológia je založená na magnetizme a elektromagnetizme a je založená na množstve jednoduchých princípov fungovania. V prvom rade ide o prítomnosť dvoch cievok v systéme.

• Systém pozostáva z vysielača a prijímača, ktoré spolu vytvárajú striedavé magnetické pole s nekonštantným prúdom.
• Toto pole vytvára napätie v cievke prijímača, napríklad na nabíjanie batérie alebo napájanie mobilného zariadenia.
• Keď je elektrický prúd nasmerovaný cez drôt, okolo kábla sa objaví kruhové magnetické pole.
• Na cievke drôtu, ktorá nie je priamo napájaná elektrickým prúdom, začne prúdiť elektrický prúd z prvej cievky cez magnetické pole, vrátane druhej cievky, čím sa vytvorí indukčná väzba.

Princípy prenosu

Systém magnetickej rezonancie CMRS, vytvorený v roku 2007 na Massachusetts Institute of Technology, bol donedávna považovaný za najpokročilejšiu technológiu prenosu elektriny. Táto technológia zabezpečovala prenos prúdu na vzdialenosť až 2,1 metra. Niektoré obmedzenia však zabránili jeho uvedeniu do sériovej výroby, napríklad vysoká prenosová frekvencia, veľké rozmery, zložitá konfigurácia cievky a vysoká citlivosť na vonkajšie rušenie vrátane prítomnosti osoby.

Vedci z Južnej Kórey však vytvorili nový vysielač elektriny, ktorý umožní prenášať energiu až na 5 metrov. A všetky spotrebiče v miestnosti budú napájané z jediného rozbočovača. Rezonančný systém DCRS dipólových cievok je schopný prevádzky až do 5 metrov. Systém nemá množstvo nevýhod CMRS, vrátane použitia pomerne kompaktných cievok s rozmermi 10x20x300 cm, môžu byť diskrétne inštalované v stenách bytu.

Experiment umožnil vysielať na frekvencii 20 kHz:

1. 209 W pri 5 m;
2. 471 W pri 4 m;
3. 1403 W pri 3 m.

Bezdrôtová elektrina vám umožňuje napájať moderné veľké LCD televízory, ktoré vyžadujú 40 wattov zo vzdialenosti 5 metrov. Jediná vec zo siete bude "odčerpaná" 400 wattov, ale nebudú žiadne drôty. Elektromagnetická indukcia poskytuje vysokú účinnosť, ale na krátku vzdialenosť.

Existujú aj iné technológie, ktoré umožňujú prenášať elektrickú energiu bez drôtov. Najsľubnejšie z nich sú:

• laserové žiarenie . Poskytuje bezpečnosť siete, ako aj dlhý dosah. Vyžaduje sa však priama viditeľnosť medzi prijímačom a vysielačom. Už boli vytvorené pracovné inštalácie poháňané laserovým lúčom. Americký výrobca vojenského vybavenia a lietadiel Lockheed Martin otestoval bezpilotné lietadlo Stalker, ktoré je poháňané laserovým lúčom a vo vzduchu vydrží 48 hodín.
• mikrovlnného žiarenia . Poskytuje veľký dosah, ale má vysoké náklady na vybavenie. Rádiová anténa sa používa ako vysielač elektriny, ktorá vytvára mikrovlnné žiarenie. Na prijímacom zariadení je rectenna, ktorá premieňa prijaté mikrovlnné žiarenie na elektrický prúd.

Táto technológia umožňuje výrazne odstrániť prijímač od vysielača, vrátane absencie priamej potreby priamej viditeľnosti. So zvyšujúcim sa rozsahom sa však úmerne zvyšujú náklady a veľkosť zariadenia. Zároveň môže byť mikrovlnné žiarenie s vysokým výkonom generované inštaláciou škodlivé pre životné prostredie.

Zvláštnosti

• Najrealistickejšia z technológií je bezdrôtová elektrina založená na elektromagnetickej indukcii. Existujú však obmedzenia. Pracuje sa na rozširovaní technológie, existujú však zdravotné problémy.
• Rozvinúť sa budú aj technológie na prenos elektriny pomocou ultrazvuku, lasera a mikrovlnného žiarenia, ktoré si tiež nájdu svoje niky.
• Obiehajúce satelity s obrovskými solárnymi poľami potrebujú iný prístup, bude si to vyžadovať cielený prenos elektriny. Tu je vhodný laser a mikrovlnná rúra. Momentálne neexistuje ideálne riešenie, no možností je veľa s ich pre a proti.
• V súčasnosti sa najväčší výrobcovia telekomunikačných zariadení spojili do konzorcia bezdrôtovej elektromagnetickej energie s cieľom vytvoriť celosvetový štandard pre bezdrôtové nabíjačky, ktoré fungujú na princípe elektromagnetickej indukcie. Z hlavných výrobcov Sony, Samsung, Nokia, Motorola Mobility, LG Electronics, Huawei, HTC poskytujú podporu štandardu QI na množstve svojich modelov. QI sa čoskoro stane jednotným štandardom pre všetky takéto zariadenia. Vďaka tomu bude možné vytvárať zóny bezdrôtového nabíjania pre gadgety v kaviarňach, dopravných uzloch a na iných verejných miestach.

Aplikácia

• Mikrovlnný vrtuľník. Model vrtuľníka mal rectennu a týčil sa do výšky 15 m.
• Bezdrôtová elektrina sa používa na napájanie elektrických zubných kefiek. Zubná kefka má úplne utesnené telo a nemá žiadne konektory, čo zabraňuje úrazu elektrickým prúdom.
• Poháňanie lietadla laserom.
• V predaji sa objavili bezdrôtové nabíjacie systémy pre mobilné zariadenia, ktoré je možné používať každý deň. Fungujú na báze elektromagnetickej indukcie.
• Univerzálna nabíjacia podložka. Umožňujú napájať väčšinu obľúbených modelov smartfónov, ktoré nie sú vybavené modulom bezdrôtového nabíjania, vrátane bežných telefónov. Okrem samotnej nabíjacej podložky si budete musieť kúpiť puzdro na prijímač. K smartfónu sa pripája cez USB port a cez neho sa nabíja.
• V súčasnosti sa na svetovom trhu predáva viac ako 150 zariadení do 5 wattov, ktoré podporujú štandard QI. V budúcnosti sa objavia zariadenia so stredným výkonom do 120 wattov.

vyhliadky

Dnes sa pracuje na veľkých projektoch, ktoré budú využívať bezdrôtovú elektrinu. Toto je napájanie elektrických vozidiel „vzduchom“ a elektrických sietí pre domácnosť:

• Hustá sieť autonabíjacích bodov umožní znížiť počet batérií a výrazne znížiť náklady na elektromobily.
• V každej miestnosti budú inštalované napájacie zdroje, ktoré budú prenášať elektrickú energiu do audio a video zariadení, gadgetov a domácich spotrebičov vybavených príslušnými adaptérmi.

Výhody a nevýhody

Bezdrôtová elektrina má nasledujúce výhody:

• Nie sú potrebné žiadne napájacie zdroje.
• Úplný nedostatok drôtov.
• Eliminujte potrebu batérií.
• Menšia potreba údržby.
• Obrovské vyhliadky.

Medzi nevýhody patrí aj:

• Nedostatočný rozvoj technológií.
• Vzdialenosť obmedzená.
• Magnetické polia nie sú pre človeka úplne bezpečné.
• Vysoké náklady na vybavenie.

V 70. rokoch totiž technicky zrealizoval sny NATO a Spojených štátov amerických o neustálych leteckých hliadkach v Iraku (Líbyi, Sýrii atď.) s dronmi s kamerami, lovom (alebo opravovaním) „teroristov“ on-line 24 hodín. .

V roku 1968 americký špecialista na kozmický výskum Peter E. Glaser navrhol umiestniť veľké solárne panely na geostacionárnu obežnú dráhu a prenášať energiu, ktorú generujú (úroveň 5-10 GW) na zemský povrch pomocou dobre zaostreného lúča mikrovlnného žiarenia, potom previesť premeniť na energiu jednosmerného alebo striedavého prúdu technickej frekvencie a distribuovať ju spotrebiteľom.

Takáto schéma umožnila využiť intenzívny tok slnečného žiarenia, ktorý existuje na geostacionárnej obežnej dráhe (~ 1,4 kW/m2) a prenášať prijatú energiu na zemský povrch nepretržite, bez ohľadu na dennú dobu a poveternostné podmienky. . V dôsledku prirodzeného sklonu rovníkovej roviny k rovine ekliptiky s uhlom 23,5 stupňa je satelit nachádzajúci sa na geostacionárnej dráhe osvetľovaný tokom slnečného žiarenia takmer nepretržite, s výnimkou krátkych časových úsekov v blízkosti dní r. jarná a jesenná rovnodennosť, kedy tento satelit padá do zemského tieňa. Tieto časové úseky sa dajú presne predpovedať a celkovo nepresahujú 1 % celkovej dĺžky roka.

Frekvencia elektromagnetických oscilácií mikrovlnného lúča musí zodpovedať tým rozsahom, ktoré sú pridelené na použitie v priemysle, vedeckom výskume a medicíne. Ak sa táto frekvencia zvolí na 2,45 GHz, potom meteorologické podmienky vrátane hustej oblačnosti a silných zrážok majú malý vplyv na účinnosť prenosu energie. Pásmo 5,8 GHz je lákavé, pretože umožňuje zmenšiť veľkosť vysielacej a prijímacej antény. Vplyv meteorologických podmienok si tu však už vyžaduje ďalšie štúdium.

Súčasná úroveň rozvoja mikrovlnnej elektroniky umožňuje hovoriť o pomerne vysokej účinnosti prenosu energie mikrovlnným lúčom z geostacionárnej dráhy na zemský povrch - asi 70% ÷ 75%. Priemer vysielacej antény sa v tomto prípade zvyčajne volí 1 km a pozemná rectenna má rozmery 10 km x 13 km pre zemepisnú šírku 35 stupňov. SCES s úrovňou výstupného výkonu 5 GW má hustotu vyžiareného výkonu v strede vysielacej antény 23 kW/m², v strede prijímacej antény - 230 W/m².

Boli skúmané rôzne typy polovodičových a vákuových mikrovlnných generátorov pre vysielaciu anténu SCES. William Brown ukázal najmä to, že magnetróny, dobre vyvinuté v priemysle, navrhnuté pre mikrovlnné rúry, sa môžu použiť aj pri prenosových anténnych poliach SCES, ak je každý z nich vybavený vlastným obvodom so zápornou spätnou väzbou vo fáze vzhľadom na externý synchronizačný signál (tzv. Magnetron Directional Amplifier - MDA).

Najaktívnejší a najsystematickejší výskum v oblasti SCES vykonalo Japonsko. V roku 1981 sa pod vedením profesorov M. Nagatomo (Makoto Nagatomo) a S. Sasaki (Susumu Sasaki) začal výskum v Inštitúte pre výskum vesmíru v Japonsku s cieľom vyvinúť prototyp SCES s výkonom 10 MW, ktorý by mohol byť vytvorené pomocou existujúcich nosných rakiet. Vytvorenie takéhoto prototypu umožňuje zhromaždiť technologické skúsenosti a pripraviť základ pre vytvorenie komerčných systémov.

Projekt dostal názov SKES2000 (SPS2000) a získal uznanie v mnohých krajinách sveta.

V roku 2008 Marina Soljačića, odborného asistenta fyziky na Massachusetts Institute of Technology (MIT), prebudilo zo sladkého spánku vytrvalé pípanie mobilného telefónu. "Telefón sa nezastavil a požadoval, aby som ho nabil," povedal Soljacic. Unavený a nechcel vstať začal snívať o tom, že keď bude telefón doma, začne sa sám nabíjať.

V rokoch 2012-2015 Inžinieri z Washingtonskej univerzity vyvinuli technológiu, ktorá umožňuje využívať Wi-Fi ako zdroj energie na napájanie prenosných zariadení a nabíjanie zariadení. Táto technológia už bola ocenená časopisom Popular Science ako jedna z najlepších inovácií roku 2015. Všadeprítomnosť technológie bezdrôtového prenosu dát sama o sebe spôsobila skutočnú revolúciu. A teraz je na rade bezdrôtový prenos energie vzduchom, ktorý vývojári z Washingtonskej univerzity nazvali (z Power Over WiFi).

Počas testovacej fázy sa výskumníkom podarilo úspešne nabiť malokapacitné lítium-iónové a nikel-metal hydridové batérie. Pomocou routeru Asus RT-AC68U a niekoľkých senzorov umiestnených vo vzdialenosti 8,5 metra od neho. Tieto senzory len premieňajú energiu elektromagnetickej vlny na jednosmerný prúd s napätím 1,8 až 2,4 voltu, ktorý je potrebný na napájanie mikrokontrolérov a senzorových systémov. Zvláštnosťou technológie je, že kvalita pracovného signálu sa nezhoršuje. Stačí len preflashovať router a môžete ho používať ako obvykle a navyše napájať zariadenia s nízkou spotrebou. Jedna demonštrácia úspešne napájala malú skrytú sledovaciu kameru s nízkym rozlíšením umiestnenú viac ako 5 metrov od smerovača. Potom sa fitness tracker Jawbone Up24 nabil na 41 %, trvalo to 2,5 hodiny.

Na zložité otázky, prečo tieto procesy negatívne neovplyvňujú kvalitu sieťového komunikačného kanála, vývojári odpovedali, že je to možné vďaka skutočnosti, že flashovaný smerovač počas svojej práce na neobsadených kanáloch prenosu informácií vysiela energetické pakety. K tomuto rozhodnutiu dospeli, keď zistili, že počas obdobia ticha energia jednoducho prúdi zo systému a v skutočnosti ju možno nasmerovať na napájanie zariadení s nízkou spotrebou energie.

Počas štúdie bol systém PoWiFi umiestnený v šiestich domoch a obyvatelia boli vyzvaní, aby používali internet ako zvyčajne. Načítajte webové stránky, sledujte streamované video a potom im povedzte, čo sa zmenilo. V dôsledku toho sa ukázalo, že výkon siete sa nijako nezmenil. To znamená, že internet fungoval ako zvyčajne a prítomnosť pridanej možnosti nebola viditeľná. A to boli len prvé testy, kedy sa cez Wi-Fi nazbieralo relatívne malé množstvo energie.

Technológia PoWiFi môže v budúcnosti dobre poslúžiť na napájanie senzorov zabudovaných do domácich spotrebičov a vojenských zariadení, aby ich bolo možné bezdrôtovo ovládať a vykonávať diaľkové nabíjanie/dobíjanie.

Relevantný je prenos energie pre UAV (s najväčšou pravdepodobnosťou už technológiou alebo z nosného lietadla):

Predstava vyzerá celkom lákavo. Namiesto dnešných 20-30 minút letu:
→
→

→ Intel spustil dronovú show počas polčasového vystúpenia Lady Gaga v US Super Bowl-
získate 40-80 minút bezdrôtovým nabíjaním dronov.

Nechaj ma vysvetliť:
-výmena m/y dronov je stále potrebná (algoritmus roja);
- nevyhnutná je aj výmena m / y dronov a lietadla (lona) (riadiace stredisko, korekcia vedomostnej základne, presmerovanie, eliminačný príkaz, ktorý zabraňuje „priateľskej paľbe“, prenos spravodajských informácií a príkazov na použitie).

Kto je ďalší v poradí?

Poznámka: Typická základňová stanica WiMAX vyžaruje rýchlosťou približne +43 dBm (20 W), zatiaľ čo mobilná stanica zvyčajne vysiela rýchlosťou +23 dBm (200 mW).

Prípustné úrovne žiarenia z mobilných základňových staníc (900 a 1800 MHz, celková úroveň zo všetkých zdrojov) v hygienicko-obytnej zóne sa v niektorých krajinách výrazne líšia:
Ukrajina: 2,5 µW/cm². (najprísnejší hygienický štandard v Európe)
Rusko, Maďarsko: 10 µW/cm².
Moskva: 2,0 µW/cm². (norma existovala do konca roku 2009)
USA, škandinávske krajiny: 100 µW/cm².

Dočasná povolená úroveň (TDU) z mobilných rádiotelefónov (MRT) pre používateľov rádiotelefónov v Ruskej federácii je definovaná ako 10 μW / cm² (časť IV – Hygienické požiadavky na mobilné pozemné rádiové stanice SanPiN 2.1.8 / 2.2.4.1190-03) .

V USA sa certifikácia FCC vydáva pre mobilné zariadenia s maximálnou úrovňou SAR nižšou ako 1,6 W/kg (absorbovaná sila žiarenia vychádza z 1 gramu ľudského tkaniva).

V Európe by podľa medzinárodnej smernice Komisie na ochranu pred neionizujúcim žiarením (ICNIRP) hodnota SAR mobilného telefónu nemala presiahnuť 2 W / kg (v tomto prípade sa výkon absorbovaného žiarenia udáva na 10 gramov ľudské tkanivo).

Nedávno sa v Spojenom kráľovstve úroveň 10 W/kg považovala za bezpečnú úroveň SAR. Podobný model bol pozorovaný aj v iných krajinách. Maximálnu hodnotu SAR akceptovanú v norme (1,6 W/kg) nemožno bezpečne priradiť ani „tvrdým“ alebo „mäkkým“ normám. Normy na určovanie hodnoty SAR prijaté v USA aj v Európe (celá predmetná regulácia mikrovlnného žiarenia z mobilných telefónov je založená len na tepelnom efekte, teda spojenom so zahrievaním ľudských tkanív).

ÚPLNÝ CHAOS.

Medicína zatiaľ nedala jasnú odpoveď na otázku: škodí mobil / WiFi a koľko? A čo bezdrôtový prenos elektriny mikrovlnnou technológiou?

Tu výkon nie sú watty a míle wattov, ale už kW ...

Odkazy, použité dokumenty, fotografie a videá:
"(VESTNÍK RÁDIOELEKTRONIKY!" N 12, 2007 (ELEKTRICKÁ ENERGIA Z VESMÍRU - SLNEČNÉ VESMÍRNE ELEKTRÁRNY, V. A. Banke)
„Mikrovlnná elektronika – perspektívy vesmírnej energie“ V. Banke, Ph.D.
www.nasa.gov
www. whdi.org
www.defense.gov
www.witricity.com
www.ru.pinterest.com
www. raytheon.com
www. ausairpower.net
www. wikipedia.org
www.slideshare.net
www.homes.cs.washington.edu
www.dailywireless.org
www.digimedia.ru
www. powercoup.by
www.researchgate.net
www. proelektro.info
www.youtube.com

Pri pravidelnom prezeraní zahraničných úspechov v oblasti rádiového inžinierstva som narazil na dobré zariadenie na bezdrôtový prenos energie, vyrobené nie na niektorých vzácnych mikroobvodoch, ale celkom cenovo dostupné na vlastnú montáž. Úplnú dokumentáciu v angličtine si môžete stiahnuť z odkazu a tu uvediem zhrnutie v ruštine vrátane niektorých riešení obvodov.

Aktuálne cievky transceivera

Priebeh signálu

V príspevku je uvedených niekoľko podobných schém zapojenia, ktoré sa líšia iba napätím a výkonom. Ako energetickú „anténu“ používajú malé cievky z hrubého drôtu, tranzistory sú obyčajné výkonné poľné, takže si to všetko môžete zostaviť sami.

Hneď vás upozorníme - nejde o prenos energie na mnoho metrov, takéto zariadenia sú vhodnejšie pre iné podobné zariadenia, kde je vzdialenosť niekoľko centimetrov. Ale výkon, ktorý „letí“ vzduchom, dosahuje 100 wattov!

Princíp fungovania

Rezonančný menič zvyčajne pracuje s konštantnou pracovnou frekvenciou, ktorá je určená rezonančnou frekvenciou LC obvodu. Akonáhle sa do obvodu privedie jednosmerné napätie, začne sa generovať pomocou tranzistorov. Druh multivibrátora s fázovým posunom o 180 °. Tranzistory striedavo pripájajú konce paralelného rezonančného obvodu k hmote, čo umožňuje tomuto obvodu periodicky sa nabíjať energiou a následne jej vyžarovanie do priestoru.

Praktické schémy

Základná schéma

Fotografia hotového vysielača-prijímača energie

Stručne povedané, konštatujeme, že bezdrôtový prenos energie sa čoraz viac zavádza v oblasti spotrebnej elektroniky, priemyselných, vojenských a lekárskych zariadení. Rovnako ako bezdrôtová sieť LAN a Bluetooth sa aj bezdrôtové napájanie stáva horúcou voľbou. To vám umožní zbaviť sa nespoľahlivých tlačidiel, káblov, napájacích konektorov. Ďalšou oblasťou použitia sú transformátory, ktoré musia spĺňať špeciálne požiadavky - mať zosilnenú alebo dvojitú izoláciu. A čo je najdôležitejšie: elektrická bezpečnosť! Mnohé domáce spotrebiče s nízkym výkonom môžu byť napájané nie cez 220 V káble, zástrčky a zásuvky, ale bezkontaktným spôsobom - jednoducho ich premiestnením na požadovaný povrch.

Predstavujeme zariadenie na prenos elektriny bez drôtov s koeficientom výkonu (COP) okolo 100 %. V budúcnosti bude podložená hodnota účinnosti ≈ 100% a samozrejme túto hodnotu demonštrujeme na našom experimentálnom zariadení.

O dôležitosti problému bezdrôtového prenosu elektriny nemožno pochybovať - ​​prekonávanie prírodných bariér (rieky, hory a údolia); záložné napájanie, elektrická doprava, riešenie množstva problémov bezdrôtového napájania domácich a priemyselných zariadení a pod. - to všetko sú prvky pomenovaného problému.

Trochu histórie

Prvýkrát problém bezdrôtového prenosu elektriny identifikoval na úsvite minulého storočia N. Tesla. Jeho demonštračné zariadenie bolo založené na metóde vysielania a prijímania elektromagnetických vĺn otvoreným rezonančným obvodom, ktorý obsahuje anténu - kapacitu a cievku drôtu - indukčnosť. Charakteristické ukazovatele Teslovho zariadenia sú redukované na nasledovné: účinnosť = 4%, dosah vysielania - 42 km, maximálny rozmer anténnej veže - 60 m, vlnová dĺžka - 2000 m. Je príznačné, že v Teslovom zariadení sa uvažuje s planétou Zem. ako jeden z drôtov pri prenose elektriny, pretože vysielanie a príjem takýchto dlhých vĺn bez uzemnenia nie je efektívne.

Po Teslových experimentoch sa v priebehu posledného dvadsiateho storočia všetky pokusy o bezdrôtový prenos elektriny s prijateľnou účinnosťou ukázali ako bezvýsledné.

V súčasnom desaťročí je práca priamo alebo nepriamo hlásená na Massachusetts Institute of Technology pod vedením M. Solya-chich. Ich práca je založená na známej indukčnej, pomocou magnetického poľa, spôsobe prenosu elektriny, ktorý je realizovaný rezonančnými plochými tlmivkami. Táto metóda v ideálnom prípade poskytuje účinnosť = 50% s dosahom prenosu zodpovedajúcim rozmerom cievok antény. Charakteristické ukazovatele ich demonštračného zariadenia sú nasledovné: účinnosť ≈ 40%, dosah prenosu - 2 m, veľkosť cievky antény - 0,6 m, vlnová dĺžka - 30 m.

Energeticky uzavretý systém

V našom zariadení, rovnako ako v Teslovom zariadení, sú nosičom energie elektromagnetické vlny, t.j. funguje známy Poyntingov vektor.

Teoreticky je podložené a experimentálne potvrdené: vysielacia a prijímacia anténa zariadenia na bezdrôtový prenos energie tvoria energeticky uzavretý systém, čiastočne zahŕňajúci energiu elektromagnetického poľa Zeme; Prostredníctvom vybudenia (aktivácie) elektromagnetického poľa Zeme v tomto systéme dochádza k prenosu elektriny z vysielacej antény na prijímaciu anténu s účinnosťou ≈ 100 % (obr. 1).

Obr. jeden

Obr. 2

Pomocou tejto antény je ľahké formulovať problém, ktorého riešenie zabezpečí prenos elektriny bez drôtov:

1. Vysielacie a prijímacie antény musia budiť (aktivovať) elektromagnetické pole Zeme v lokálnej (obmedzenej) oblasti priestoru;

2. Vybudené elektromagnetické pole Zeme musí byť aj lokálne v priestore a nespotrebovať energiu (musí ísť o stojaté elektromagnetické vlnenie medzi vysielacou a prijímacou anténou).

Riešenie tohto problému je nereálne s anténami vytvorenými na základe priestorových zobrazení Euklidovej geometrie s jej slávnym 5. postulátom - postulátom rovnobežných čiar. Tento postulát v školských učebniciach znie: Cez bod, ktorý nie je na danej priamke, možno nakresliť iba jednu priamku rovnobežnú s danou priamkou.

obr. 3

Známosť tohto postulátu spočíva v tom, že od 1. stor. pred Kristom sa to najlepšie mysle sveta 2000 rokov neúspešne pokúšali dokázať ako vetu. A v roku 1826 Rus Lobačevskij načrtol základy svojej geometrie, v ktorej bol 5. postulát Euklidovej geometrie formulovaný v skutočnosti jej negáciou: Cez bod, ktorý nie je na danej priamke, možno nakresliť aspoň dve priamky rovnobežné s danou priamkou.

obr. štyri

A hoci tento postulát nie je veľmi v súlade s našimi priestorovými predstavami, Lobačevského geometria je konzistentná a v poslednom čase pravidelne slúži fyzikom. Napríklad geometria Lobačevského sa podieľa na opise obrovského množstva javov od vibrácií v mechanických prenosových vedeniach až po interakciu elementárnych častíc a procesov v membráne živej bunky.

Pseudosféra

Pravda, do roku 1863, takmer 40 rokov, bola Lobačevského geometria vnímaná ako niečo, čo nemá nič spoločné s realitou. Ale v roku 1863 taliansky matematik Beltrami zistil, že všetky vlastnosti geometrie Lobačevského roviny sa realizujú na povrchu pseudosféry - geometrického telesa, ktorého vlastnosti sa zhodujú alebo sú opačné ako vlastnosti gule. Na obr. 5 znázorňuje pseudosféru a obr. 6 jej tvoriaca čiara je traktrix s asymptotou X'X. Ak sú polomery veľkých kružníc (rovnobežiek) pseudosféry a gule rovnaké, je možné kvantitatívne porovnávať objemy a plochy ich povrchov.

obr. 5

obr. 6

Antény nášho zariadenia sú vyrobené vo forme polopseudosfér; predvádzame zariadenie s charakteristikami: účinnosť = 100%, dosah prenosu - 1,8 m, maximálna veľkosť cievky antény - 0,2 m, vlnová dĺžka - 500 m, uzemnenie nie je potrebné.

Tu treba poznamenať, že súhrn menovaných charakteristík demonštračného zariadenia odporuje základom klasickej elektrodynamiky - rádiotechniky.

Aké vlastnosti polopseudosférických antén poskytujú také vlastnosti nášho zariadenia?

Spomedzi viac ako tucta mimoriadnych vlastností pseudosféry si pozornosť zasluhuje predovšetkým:

Teleso pseudosféry, nekonečne rozšírené v priestore, má konečný objem a konečný povrch.

Práve táto vlastnosť pseudosféry umožňuje pomocou polopseudosférických antén vytvárať konečný, priestorovo obmedzený, energeticky uzavretý systém, ktorý je nevyhnutnou podmienkou prenosu energie z účinnosti = 100%.

Druhý zásadný problém, ktorý je v našom zariadení riešený, sa týka média, ktoré napĺňa spomínaný energeticky uzavretý systém. Pointa je, že iba v kvantovej elektrodynamike, ktorej plodom sú lasery a masery, sa médium považuje za aktívne. Naopak, v klasickej elektrodynamike médium označuje pasívne objekty; je spojená s útlmom, stratou elektromagnetickej energie pri šírení.

Neuveriteľné, ale pravdivé, v našom zariadení je aktivácia elektrických a magnetických polí Zeme. Tieto polia sú objektmi prostredia v našom zariadení, keďže napĺňajú spomínaný energeticky uzavretý systém. Aktivácia tohto média je tiež dôsledkom vlastností pseudosféry.

Pointa je, že všetky body na povrchu pseudosféry sú podľa matematikov hyperbolické, nespojité v priestore. S ohľadom na polopseudosférické antény nášho zariadenia sa to rovná diskontinuite, kvantovaniu elektrických a magnetických polí v každom bode navíjacieho drôtu cievok polopseudosférických antén. To vedie k elektromagnetickým poruchám - vlnám, ktorých dĺžka je primeraná priemeru drôtu vinutia cievok polopseudosférových antén, t.j. v praxi je dĺžka takýchto vĺn rádovo 1 mm alebo menej. Takéto elektromagnetické vlny, ako dokazuje teória i prax, sú schopné prostredníctvom polarizácie molekúl vzduchu alebo priamo aktivovať elektromagnetické pole Zeme a tým kompenzovať stratu elektromagnetickej energie na ceste jej prenosu v našom zariadení. To je tiež potrebné na vysvetlenie účinnosti = 100%.

A nielen to, deklarovali sme generátor prebytočnej elektromagnetickej energie, ktorého koeficient premeny energie (KPI) je viac ako 400 %; tie. porovnateľné s KPI známych tepelných čerpadiel.

A o poslednej, tretej úlohe, ktorá je vyriešená v našom zariadení.

Je dobre známe, že energia sa vo vesmíre prenáša iba postupujúcou elektromagnetickou vlnou, vlnou, v ktorej sú elektrické a magnetické polia vo fáze. Túto podmienku nie je možné realizovať na vzdialenosť 1,8 m pri vlnovej dĺžke 500 m. Ale je tiež dobre známe, že rýchlosť postupujúcej elektromagnetickej vlny po priamom alebo zakrivenom vodiči sa spomaľuje, znižuje v porovnaní s rýchlosťou vo voľnom priestor; vlnová dĺžka tiež klesá. Tento efekt je široko používaný v elektrotechnike a rádiotechnike v takzvaných retardačných systémoch. Zníženie vlnovej dĺžky v týchto systémoch sa pohybuje od desatín jednotky s rovnými drôtmi až po 30 jednotiek s krivočiarymi (špirálami).

Je to účinok spomalenia, zníženia vlnovej dĺžky, ktorý nám umožňuje vytvoriť putujúcu vlnu na krátke vzdialenosti v našom zariadení.

Vlnová dĺžka nášho demo zariadenia je skutočne znížená na vlnovú dĺžku uvedenú vyššie , ktorý v našom zariadení vytvára putujúcu, energiu nesúcu elektromagnetickú vlnu. V tomto prípade je koeficient redukcie vlny rovný Jednotky. Takýto obrovský pokles vlnovej dĺžky vysvetľuje aj experimentálny fakt, že naše zariadenie funguje efektívne aj bez uzemnenia vysielača a prijímača elektriny.

Ďalšia úžasná vlastnosť pseudosféry sa podieľa na prevádzke nášho zariadenia:

objem pseudosféry je polovičný ako objem gule, pričom plochy ich povrchov sú rovnaké.

Z tejto vlastnosti vyplýva, že objem gule ohraničený vlastným povrchom obsahuje dva pseudosférické objemy ohraničené dvomi kombinovanými vlastnými povrchmi a treťou oblasťou uvedenej gule. To nám umožňuje znázorniť objem gule okolo Zeme naplnenú elektrickými a magnetickými poľami Zeme, dva objemy pseudosféry a , z ktorých každý je obmedzený plochami a obsahuje polovicu elektrických a magnetických polí Zeme. (obr. 7). Vzhľadom na túto skutočnosť a skutočnosť, že naše zariadenie je nevyhnutne umiestnené iba na jednej strane Zeme, sa tvrdí, že antény nášho zariadenia interagujú iba s polovicou elektrických a magnetických polí Zeme. Zároveň by sme nemali predpokladať, že druhé polovice týchto polí sú neaktívne. Potvrdzuje to nasledovné.

obr. 7

Pripomeňme, že väčšina fyzikálnych zákonov je formulovaná pre inerciálne referenčné sústavy, v ktorých je čas irelevantný (absolútny), priestor je izotropný, rýchlosť priamočiareho pohybu elektromagnetických vĺn (svetlo) je absolútna atď. V rámci inerciálnych vzťažných sústav je známe, že vo voľnom priestore pri odraze postupujúcej elektromagnetickej vlny vzniká stojatá vlna, v ktorej sa rozlišuje samostatne stojaca elektrická vlna a samostatne stojaca magnetická vlna. Pri dĺžke postupujúcej vlny rovnej , sú dĺžky stojatých elektrických a magnetických vĺn rovné polovici dĺžky postupujúcej vlny, t.j. . Podstatné je aj to, že perióda týchto stojatých vĺn sa rovná perióde postupnej vlny, t.j. , keďže perióda stojatej vlny pozostáva zo súčtu dvoch polperiód priamej a odrazenej polvlny.

Skutočnosť, že sa namiesto experimentálneho určovania množstva vypočítava s presnosťou, ktorá závisí od presnosti určenia trvania dňa na Zemi, nám umožňuje úplne nový pohľad na množstvo problémov vo fyzike.