ученые спрогнозировали развитие беспроводных технологий
Спутники, собирающие солнечную энергию, ректенны, лазеры и даже микроволновой метод — исследователи со всего мира пытаются воплотить в жизнь задумку ученого Теслы, который предвидел возможность передачи энергии без проводов.
Related video
Беспроводное электричество — мечта столетней давности, которая может стать реальностью в ближайшие годы. Появление беспроводной зарядки, электромобилей, 5G и необходимость внедрения концепции устойчивого развития привели к созданию работоспособных технологий беспроводной передачи данных. Над такими проектами сегодня работают компании из разных стран мира — от американской Wave Inc. до японской Space Power Technologies и новозеландского энергетического стартапа Emrod. Некоторые системы уже проходят испытания, и будет интересно посмотреть, кто окажется первым в этой гонке и предложит эффективное, экономичное и жизнеспособное беспроводное решение для электроснабжения.
«Прежде чем перейти к рассмотрению методов беспроводной передачи электроэнергии, стоит разобраться в основной концепции этой технологии», — считает колумнист interestingengineering.
com Рупендра Брахамбхатт.
Никола Тесла — автор революционной идеи передачи электроэнергии по воздуху
В 1891 году изобретатель Никола Тесла разработал катушку Теслы (Tesla coil) — резонансный трансформатор, передающий электроэнергию без проводов, но только на короткие расстояния. Из-за ограниченного потенциала она не нашла практического применения. Но ученый не собирался сдаваться и разработал проект энергетической установки, которая могла бы проводить высоковольтную беспроводную передачу энергии (WPT). Экспериментируя со станцией, Тесла пытался передавать с ее помощью сообщения по беспроводной сети на большие расстояния. К сожалению, инвестор JP Morgan отказался предоставить дополнительные средства для тестов, и в 1906 году проект был закрыт, а затем снесен.
Никола Тесла в лаборатории в Колорадо-Спрингс
Никола Тесла умер в 1943 году, не сумев до конца реализовать свою идею о беспроводном электричестве, но за последние 100 лет ряд экспериментов и исследований доказали, что изобретатель, возможно, был на правильном пути в своем подходе к использованию земли в качестве среды для беспроводной передачи энергии.
Солнечная спутниковая передача энергии
Данный метод предполагает использование спутников, выводимых на высокую околоземную орбиту. По идее, спутник должен преобразовывать солнечный свет в энергию, состоящую из микроволн. Эти микроволновые сигналы затем будут передаваться на антенну или на главную станцию энергосистемы, находящуюся на Земле. Оттуда сигналы будут передаваться на базовую станцию электросети, которая преобразует микроволны в электричество постоянного тока. На сетевой станции электричество также будет преобразовано в пакеты энергии, аналогичные пакетам данных в Интернете, которые будут передаваться в отдельные дома и храниться в специальных энергоприемниках.
«Недавно Калифорнийский технологический институт заявил, что пожертвует $100 млн на проект Space Solar Power Project, направленный на создание спутниковой беспроводной сети, работающей на базе микроволнового излучения и способной обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии в любую точку планеты», — пишет Брахамбхатт.
Передача микроволновой энергии
В этом методе микроволновое излучение преобразуется в электроэнергию постоянного тока с помощью микроволнового приемника и выпрямителя постоянного тока. Наивысший КПД, достигнутый при передаче микроволновой энергии, составил 84%, что было зарегистрировано в 1975 году группой ученых из Японии, но системы с более высокой выходной мощностью имели более низкий КПД. Следующая цель — добиться высокоэффективной передачи энергии на большие расстояния.
По словам колумниста, исследование, опубликованное в августе 2021 года в Университете Цукуба (Япония), показывает, что микроволновое излучение высокой энергии может выступать в качестве эффективного беспроводного источника энергии для запуска ракет в космос. Когда ракета отправляется в космос, на долю топлива приходится около 90% ее веса, и эту нагрузку можно устранить, используя эту технологию беспроводной связи на основе микроволновой энергии.
Лазерная передача электричества
Лазерная передача позволяет фотоэлектрическому приемнику принимать лазерные лучи и генерировать из них электрическую энергию.
Достоинством лазерной передачи энергии является то, что лазерными лучами можно легче управлять для беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния.
Технология беспроводной передачи электроэнергии на основе ректенн
Энергетический стартап Emrod скоро протестирует прототип беспроводной энергетической инфраструктуры в Новой Зеландии. Если испытание пройдет успешно, это станет большим толчком для реализации планов правительства по созданию беспроводной передачи энергии по всей стране.
Инженеры разработали технологию, в которой используется беспроводная сеть антенн и выпрямляющих антенн (ректенн), переносящих энергию в виде электромагнитных волн дальнего действия от одной точки к другой. По заявлению компании, «лазерная защитная завеса малой мощности гарантирует, что передающий луч немедленно отключается до того, как какой-либо преходящий объект (например, птица или вертолет) достигнет главного луча, гарантируя, что он никогда не коснется чего-либо, кроме чистого воздуха».
«В компании утверждают, что эта технология подходит для гористой местности Новой Зеландии и ее погодных условий. Технология беспроводной передачи электроэнергии на основе ректенн подойдет для регионов, где традиционные электрические сети не могут быть установлены из-за финансовых или географических ограничений. Но препятствия на пути развития инфраструктуры Emrod все же есть: стартапу предстоит убедить людей, что излучение им не навредит», — сообщает колумнист.
Другие новаторские инициативы в области беспроводной передачи энергии
Питание для электрокаров от Wireless Advanced Vehicle Electrification (WAVE)
Американская компания WAVE производит решения для беспроводной связи для электромобилей средней и большой мощности. Зарядные системы могут быть установлены под землей, под дорогами или на парковках, и способны обеспечивать беспроводную мощность до 1 МВт. Данная технология уже проходит тестирование.
Солнечная спутниковая система Beyond Earth
Этот некоммерческий исследовательский институт предложил идею создания полностью функциональной системы передачи энергии через солнечные спутники.
Институт утверждает, что предлагаемая беспроводная система может обеспечивать работу промышленных предприятий на Земле, а также поможет покорителям Луны.
Предлагаемая энергетическая система будет состоять из двух основных блоков: спутника, получающего энергию от Солнца и обрабатывающего ее через свои фотоэлектрические элементы, концентраторы и субблоки, и приемника-ректенны, передающего энергию на Землю или Луну в соответствии с требованиями.
Институт планирует завершить строительство предлагаемой солнечной спутниковой беспроводной системы электроснабжения к 2030 году.
Намагниченный бетон Magment
Департамент транспорта Индианы объединил усилия с Университетом Пердью и немецкой компанией Magment для тестирования дорог с намагниченным бетоном, которые могут заряжать электромобили во время движения. Об этом проекте Фокус подробно рассказывал здесь. Испытания намагниченного участка дороги уже начались в Западном Лафайетте (США).
«Наряду с IoT и AI, беспроводная передача энергии также является неизбежным технологическим развитием, которое человечество испытает на совершенно новом уровне в ближайшие годы», — резюмирует автор.
Ранее мы сообщали о том, что японские ученые сконструировали комнату, которая заряжает попавшие в нее гаджеты.
Беспроводное будущее и беспощадная физика
Идеи Теслы в космосе
Если не строить воздушных замков, можно скромно надеяться, что микроволновая беспроводная энергосеть сможет дополнить традиционную проводную там, где нельзя проложить электрокабель: в горах или, скажем, на космических автоматических станциях и спутниках. Однако история технологий говорит о том, что порой за воздушный замок принимают прорывную идею. Пример —исследование, опубликованное японским университетом Цукуба в августе 2021 года. Оно показывает, что высокоэнергетическое микроволновое излучение может стать эффективным источником беспроводной энергии для космических запусков. Топливо «крадет» до 90% подъемного веса ракеты, а если вместо него применить беспроводную микроволновую энергию, можно (теоретически) увеличить полезный груз.
Однако больше всех заинтересована в технологиях беспроводной передачи энергии одна из самых молодых отраслей — космическая энергетика.
Космос, где Солнце находится в прямой видимости и его лучи не рассеивает и не ослабляет земная атмосфера, — идеальное место для сбора и использования солнечной энергии. Мир жаждет чистых возобновляемых источников энергии, и даруемая Солнцем энергия слишком хороша, чтобы упустить эту возможность.
В 1968 году американский инженер-исследователь Питер Глейзер представил идею больших спутниковых систем на высоте геостационарной орбиты для сбора и преобразования энергии Солнца в электромагнитный пучок СВЧ и передачи полезной энергии на большие антенны на Земле. (Строго говоря, идею энергетического спутника первым предложил в 1941 году фантаст Айзек Азимов в рассказе «Логика», в котором описывается космическая станция, передающая энергию Солнца на различные планеты с помощью микроволновых лучей.)
Идея П. Глейзера состоит в следующем. Предположим, что на высокой геостационарной орбите имеется сеть спутников, которые собирают свет Солнца при помощи солнечных батарей или иных устройств, преобразуют свет в энергию микроволнового сигнала или лазерного излучателя, а также питают передатчик или излучатель.
Микроволновой сигнал или энергия лазера передаются на ректенну базовой станции на Земле — скорее всего, ее размеры будут огромны. Базовая станция преобразует микроволны в электричество постоянного тока, и так далее.
Концепция сбора солнечной энергии в космическом пространстве (SBSP) и ее передачи на Землю исследуется с начала 1970-х годов. Привлекательность SBSP в том, что солнечные энергосистемы космического базирования преобразуют солнечный свет в микроволны за пределами атмосферы, что позволяет избежать потерь из-за отражения и поглощения энергии.
Все это будет возможно, когда люди избавятся от помех в виде микрометеоритов, научатся поддерживать спутник в постоянном положении (сейчас оно меняется из-за воздействия на развернутые солнечные батареи давления солнечного света), решат проблемы эффективности фотоэлектрики и микрочипов при высоких и сверхнизких температурах, точности и безопасности направленного энергетического луча и еще несколько десятков проблем, одна сложнее другой.
В последние десятилетия, с падением стоимости солнечных батарей и доставки грузов на орбиту, идея снова обрела актуальность. За SBSP как крупномасштабную форму устойчивой «зеленой» энергии ухватилась климатическая инженерия. Современные технологии и инфраструктура космических запусков не позволяют создать даже опытную SBSP, но время идет, и, если появятся радикально новые технологии космических запусков, да еще орбитальные промышленные базы для производства энергетических спутников из астероидов, — то кто знает, может быть, идея воплотится в жизнь.
Исследования в области космической энергетики ведутся в Японии, Китае, России, Великобритании и США. В 2008 году Япония приняла Основной закон о космосе, который объявил космическую солнечную энергию национальной целью.
ЦНИИмаш (флагман исследовательских учреждений Роскосмоса) выступил с инициативой создания экспериментальных космических солнечных электростанций (КСЭС) мощностью 1−10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям.
Американские и японские разработчики пошли по пути использования СВЧ‑излучения.
О еще одном проекте космической солнечной энергетики (Space-based Solar Power Project, SSPP) стало известно в августе. Калифорнийский технологический институт объявил, что Дональд Брен, член совета директоров университета и владелец инвестиционной компании Irvine Company, еще в 2013 году пожертвовал $ 100 млн на создание спутниковой беспроводной сети на базе микроволнового излучения, которая могла бы обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии в любую точку Земли. О пожертвовании стало известно лишь теперь, восемь лет спустя: SSPP хочет представить публике вехи проекта. В начале 2023 года организация запустит демонстрационные прототипы, которые собирают и преобразуют солнечный свет в электрическую энергию и передают ее по беспроводной сети с использованием радиочастот. Прототип состоит из модельной сборки плоских сверхлегких элементов размером 6×6 футов, в которые интегрированы высокопроизводительная фотоэлектрическая система и масштабная система фазированных антенных решеток для передачи энергии.
Интеграция солнечной энергии и радиочастотного преобразования в одном элементе позволяет снизить вес и сложность конструкции. Эта концепция обеспечивает масштабируемость и снижает влияние отказа локальных элементов на другие части системы.
Однако если «взлетит» один из этих проектов или даже все, они столкнутся с проблемой отведения тепла. По расчетам Европейского космического агентства, космическая энергия будет конкурентной по сравнению с ВИЭ, если спутниковая система сможет передавать на Землю энергию мощностью 150 ГВт и больше. Это от трети до половины среднего потребления электроэнергии в Европе. Будем оптимистами и представим, что КПД спутниковой энергосистемы равен 20%. Это значит, что передача к наземной станции 150 ГВт электроэнергии потребует от нас избавиться от 600 ГВт тепла в вакууме. Для этого понадобится теплоотвод. Так где же мы подвесим наши спутники? И не вскипятим ли случайно Тихий океан?
Что же получается? Для того чтобы космическая энергетика стала реальностью, чтобы энергию Солнца передавать на Землю без проводов, одной безумной идеи не хватит.
Нужно две, пять или десяток.
По заветам и технологиям Николы Тесла — беспроводная передача электроэнергии на большие расстояния уже реальность
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».
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.
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».
Присоединяйтесь к нам в TelegramПрисоединяйтесь к нам в Telegram
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.
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.
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.
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.
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.
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 станцииТехнология 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.
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.
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.
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 TechnologiesАмериканская 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.
youtube.com/embed/gRB-4t1w7Kk?feature=oembed» frameborder=»0″ allow=»accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture» allowfullscreen=»»>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 орбитыТак 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, чтобы не пропустить наши свежие статьи вы можете подписаться на наш Телеграм-канал.
Оставляйте комментарии, ставьте лайки, делайте репосты (кнопки соцсетей есть в конце каждого материала).
Ваше участие нам очень важно!
статью прочитали: 2 323
Понравилось это:
Нравится Загрузка…
Эмрод против технологии беспроводной передачи энергии дальнего действия Теслы
Мы в Emrod вдохновлены работой Николы Теслы и его мечтой о беспроводной энергетической системе. Хотя ему не удалось конкретно реализовать свое видение, он подал идею, которая захватила воображение многих людей, в том числе и нашего.
Нас часто спрашивают о разнице между технологией беспроводной передачи энергии (WPT) Emrod и Tesla. Наука и технология, лежащие в основе этих двух систем, существенно различаются концептуально и технически. Компания Emrod разработала однонаправленную систему WPT, передающую мощность из одной точной точки в другую. Tesla разрабатывала всенаправленную систему WPT, предназначенную для передачи энергии во всех направлениях через землю.
В этом блоге описывается одно важное техническое различие между этими двумя системами путем сравнения всенаправленной и однонаправленной систем БПЭ.
Эксперимент Николы Теслы по беспроводной передаче энергии на большие расстояния
Пожалуй, самым известным изобретением Николы Теслы была катушка Теслы. Это была первая известная система, которая могла передавать электричество по беспроводной связи. Катушка Тесла представляет собой радиочастотный генератор, который приводит в действие резонансный трансформатор с воздушным сердечником с двойной настройкой для получения высоких напряжений при малых токах. [1] Тесла продемонстрировал способность катушек Теслы передавать энергию на короткие расстояния без соединительного провода.
В 1901 году, после успеха с катушкой Теслы, Никола Тесла начал работать над системой для передачи большего количества электричества на большие расстояния. Он построил Башню Теслы (также известную как Башня Уорденклиф), систему, которая подавала 300 кВт мощности в большую катушку, соединенную с мачтой высотой 200 футов. Наверху мачты находился шар диаметром 3 фута, который резонировал на частоте 150 кГц и распространял энергию во всех направлениях.
Теория Теслы заключалась в том, что если он введет в Землю электрический ток нужной частоты, он сможет использовать то, что, по его мнению, было собственным электрическим зарядом планеты, и заставить его резонировать на частоте, которая будет усиливаться в виде «стоячих волн», которые могут быть прослушиваются в любой точке планеты для запуска устройств или, посредством модуляции, для передачи сигнала. Его система была больше основана на идеях электропроводности и телеграфии XIX века, а не на более новых теориях воздушных электромагнитных волн, когда электрический заряд проходит через землю и возвращается по воздуху. [2]
Нет веских доказательств того, что Башня Теслы успешно передает мощность, достаточную для того, чтобы сделать эту технологию БПЭ дальнего радиуса действия жизнеспособной для предполагаемого применения. Тем не менее, это было важное событие для дальнейшего развития беспроводных технологий.
За столетие, последовавшее за экспериментами Теслы, было сделано много прорывов, и сейчас мы находимся в то время, когда коммерчески жизнеспособные приложения БПЭ дальнего радиуса действия стали реальностью. В Emrod мы разработали коммерчески жизнеспособную систему WPT для беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния и достаточно эффективно, чтобы в определенных случаях использования она могла стать жизнеспособной альтернативой линиям электропередач.
WPT — это большая и широкая область, содержащая множество различных форм технологий и приложений. При рассмотрении или сравнении различных систем, например, систем Эмрода и Теслы, необходимо учитывать большое количество переменных. Мы обращаемся к одной из этих переменных в этом блоге.
Факторы беспроводной системы передачи энергии
Существует множество способов беспроводной передачи энергии, в зависимости от технологии, используемой для создания, отправки и приема передаваемых волн.
Учитывая применение системы беспроводной передачи энергии, необходимо пойти на определенные компромиссы в отношении характеристик системы. Например, длина волны на рабочей частоте, расстояние, на которое передается мощность, количество передаваемой мощности и размеры передатчика и приемника, и это лишь некоторые из них.
Классификация систем БПЭ на всенаправленные и однонаправленные описывает способ передачи микроволн системы БПЭ. Эта классификация помогает объяснить одно важное различие между технологией, разработанной Emrod и Tesla, и другими технологиями WPT.
Сравнение всенаправленных и однонаправленных микроволновых систем БПЭ
Всенаправленный и однонаправленный описывает способ, которым волны отправляются от передающей антенны.
Всенаправленная микроволновая мощность
Всенаправленная беспроводная система передачи энергии обеспечивает беспроводную мощность для нескольких пользователей без точного обнаружения цели.
Передающая антенна посылает энергию одинаково во всех направлениях. Работа Теслы более века назад является первым известным примером всенаправленной системы беспроводной передачи.
Сбор энергии — еще один пример использования всенаправленной системы. В 2017 году Вашингтонский университет разработал телефон без батареи, использующий сбор радиочастот. Телефон питался за счет сбора и преобразования энергии окружающих радиосигналов, передаваемых базовой станцией на расстоянии до 31 фута.
Существующая технология всенаправленной микроволновой мощности может передавать только минимальное количество энергии, а направление передачи нельзя надежно контролировать. Как гласит история, Дж. П. Морган лихо убил идею Теслы о беспроводной энергии, спросив: «Где мне поставить счетчик?».
Однонаправленная микроволновая мощность
Однонаправленная беспроводная передача энергии фокусируется на одной цели, посылая энергию из одного точного места в другое.
Технология Emrod относится к категории однонаправленных БПЭ. Мощность передается напрямую от одной передающей антенны к приемной антенне, как если бы она шла по виртуальному проводу.
Этот тип системы позволяет передавать большие объемы энергии контролируемым и направленным образом, поэтому он подходит в качестве альтернативы линиям электропередач.
Другие примеры применения БПЭ с узким лучом включают питание дронов в полете, питание удаленных населенных пунктов и передачу энергии из космоса на землю. В 1964 и 1968 Уильям С. Браун применил всенаправленный WPT к летающему дрону. Хироси 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 из одной определенной точки в другую (однонаправленная).
Представление Николы Теслы о 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.
Компания Emrod сосредоточила свои усилия на разработке системы, способной передавать большие объемы энергии на большие расстояния эффективным, надежным, безопасным и коммерчески выгодным способом в качестве альтернативы инфраструктуре линий электропередач. Наша система является однонаправленной и передает мощность по беспроводной сети от передающей антенны к приемной через столбообразный луч со встроенными функциями безопасности. Используя запатентованную релейную технологию, система Emrod способна передавать энергию на огромные расстояния.
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 превратили современное общество в то, чем оно является сегодня, включая технологию беспроводной связи. Он открыл людям возможности мира с беспроводной энергией дальнего действия. Теперь, спустя столетие, это становится реальностью.
Ссылки:
1. https://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_coil
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Wardenclyffe_Tower
Изображение героя — By Margaret57WC — собственная работа, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=95678198
Сеть 5G может реализовать его мечту о беспроводном электричестве спустя столетие после неудачных экспериментов
На пике своей карьеры инженер-новатор-электрик Никола Тесла стал 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.
Все пошло не по плану, и амбиции Теслы по беспроводному глобальному электроснабжению так и не были реализованы. Но сама теория не была опровергнута: просто потребовалось бы невероятное количество энергии, большая часть которой была бы потрачена впустую.
Исследовательский документ предполагает, что архитекторы сети 5G, возможно, невольно построили то, что Tesla не удалось построить на рубеже двадцатого века: «беспроводную энергосистему», которую можно было бы адаптировать для зарядки или питания небольших встроенных устройств. в автомобилях, домах, на рабочих местах и на заводах.
Поскольку 5G опирается на плотную сеть мачт и мощный ряд антенн, вполне возможно, что та же самая инфраструктура с некоторыми изменениями сможет передавать энергию на небольшие устройства. Но передача по-прежнему будет страдать от ключевого недостатка башен Теслы: больших потерь энергии, которые может быть трудно оправдать, учитывая остроту климатического кризиса.
Сети 5G
Одна из башен Теслы, фото 1904 года.
ВикимедиаДесятилетия 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 с местной антенны.
Эта технология 5G призвана обеспечить увеличение пропускной способности в 1000 раз по сравнению с последним поколением, 4G, чтобы обеспечить возможность подключения до одного миллиона пользователей на квадратный километр, что делает моменты поиска сигнала на музыкальных фестивалях или спортивных мероприятиях чем-то особенным. мимо.
Для поддержки этих обновлений 5G использует некоторую инженерную магию, и эта магия состоит из трех частей: очень плотные сети с большим количеством мачт, специальная антенная технология и включение передачи миллиметрового диапазона (mmWave) наряду с более традиционными диапазонами.
Читать далее: 5G: что он предложит и почему это важно?
Последний из них, mmWave, открывает гораздо большую полосу пропускания за счет более коротких расстояний передачи. Для сравнения: большинство WiFi-маршрутизаторов работают в диапазоне 2 ГГц. Если у вашего маршрутизатора есть опция 5 ГГц, вы заметите, что фильмы транслируются более плавно, но вы должны быть ближе к маршрутизатору, чтобы он работал.
Увеличьте частоту еще больше (например, mmWave, которая работает на частоте 30 ГГц и выше), и вы увидите еще большие улучшения в пропускной способности, 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 сгруппированы более плотно, чем их предшественники. Lisic/Shutterstock Последним волшебством является добавление большего количества антенн — от 128 до 1024 по сравнению с гораздо меньшим числом (в некоторых случаях всего двумя) для 4G.
Несколько антенн позволяют мачтам формировать сотни лучей, похожих на карандаши, которые нацелены на определенные устройства, обеспечивая эффективный и надежный доступ в Интернет для вашего телефона в пути.
Это те самые ингредиенты, которые нужны для создания беспроводной энергосистемы. Повышенная плотность сети особенно важна, потому что она открывает возможность использования диапазонов 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 ватта) на расстояние 180 метров.
Для сравнения: обычные устройства Интернета вещей (IoT) потребляют около 5 мкВт, но только в самом глубоком спящем режиме.
Конечно, по мере разработки умных алгоритмов и более эффективной электроники устройства IoT будут потреблять все меньше и меньше энергии, но 6 мкВт — это все еще очень малая мощность.
Это означает, что, по крайней мере, на данный момент беспроводная мощность 5G вряд ли будет практичной для зарядки вашего мобильного телефона в течение дня. Но он может заряжать или питать устройства IoT, такие как датчики и сигналы тревоги, которые, как ожидается, получат широкое распространение в будущем.
Читать далее: Объяснитель: Интернет вещей
На заводах, например, сотни IoT-датчиков, скорее всего, будут использоваться для мониторинга условий на складах, прогнозирования сбоев в работе оборудования или отслеживания движения деталей по производственной линии. Возможность передавать энергию непосредственно на эти устройства IoT будет способствовать переходу к гораздо более эффективным методам производства.
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, что технология 5G может вызвать рак, широко опровергнуты учеными, такое количество энергии, исходящей от мачт, может быть небезопасным. Грубый расчет предполагает, что пользователи должны находиться на расстоянии не менее 16 метров от мачт, чтобы соблюдать правила безопасности, установленные Федеральной комиссией по связи США.
Читать далее: Четыре эксперта расследуют, как началась теория заговора о коронавирусе 5G
Тем не менее, эта технология находится в зачаточном состоянии. Вполне возможно, что будущие подходы, такие как новая антенна с более узкими и более направленными лучами, могли бы значительно снизить потребление энергии — и потери — каждой мачтой.
В настоящее время предлагаемая система скорее напоминает вымышленное «Wonkavision» из романа Роальда Даля «Чарли и шоколадная фабрика», в котором удалось транслировать кондитерские изделия на телевизоры, но для производства гораздо меньших кондитерских изделий приходилось использовать огромную плитку шоколада. один на другом конце.
Поскольку мощность беспроводной сети 5G будет потреблять большое количество энергии по сравнению с мощностью, которую она будет отдавать устройствам, мощность беспроводной сети 5G на данный момент является спекулятивной. Но если инженеры смогут найти более эффективные способы передачи электричества по воздуху, вполне может быть, что мечта Николы Теслы о беспроводной энергии может быть реализована — спустя более 100 лет после того, как его попытки потерпели неудачу.
Электричество может передаваться по воздуху
Наука и технологии | Наследники Теслы
Новозеландская фирма пытается заставить старую идею работать на коммерческой основе
B EHIND НИКОЛА ТЕСЛА бывшая лаборатория в Уорденклиффе на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк. 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. Половина сработало. Как он и предсказывал, беспроводная связь изменила мир. Но ему не удалось заставить электроэнергию путешествовать очень далеко. Как следствие, в течение пяти лет работы были остановлены, а позже башня была списана, чтобы погасить его долги. Тесла — пионер, который, среди прочего, разработал генерацию и передачу переменного тока — исчез в относительной безвестности.
Послушайте эту историю. Наслаждайтесь аудио и подкастами на iOS или Android.
Ваш браузер не поддерживает элемент
Послушайте эту историю
Экономьте время, слушая наши аудио статьи во время многозадачности
И так было до тех пор, пока Илон Маск не возродил имя Tesla в качестве бренда своей компании по производству электромобилей. Теперь видение Tesla беспроводной передачи энергии, похоже, тоже возвращается. Фирма Emrod, базирующаяся в Окленде, в сотрудничестве с Powerco, новозеландским дистрибьютором электроэнергии, разработала прототип системы для использования в закрытом испытательном центре. Затем в рамках отдельного проекта планируется передать энергию от солнечной фермы на Северном острове клиенту, находящемуся в нескольких километрах.
Цель состоит в том, чтобы передавать мощность в виде узкого луча микроволн. Это позволит преодолеть два фундаментальных недостатка в плане Теслы. Один из них заключался в том, как брать с людей плату за электроэнергию, которую они могут просто черпать из воздуха. Другой была необходимость преодолеть закон радиационного распространения, который гласит, что мощность сигнала обратно пропорциональна квадрату расстояния, пройденного им от передатчика. В результате мощность сигнала резко падает даже на коротких расстояниях. Передача мощности узким лучом вместо того, чтобы излучать ее во всех направлениях, помогает свести к минимуму проблему.
Силовые лучи, как известен процесс Эмрода, уже пробовали раньше, но в основном для военных целей или для использования в космосе. В 1975 году NASA , американское космическое агентство, использовало микроволны для передачи 34k Вт электричества на расстояние 1,6 км — рекорд, который стоит до сих пор. Однако он никогда не разрабатывался для коммерческого использования.
Операция Эмрода начнется осторожно. Он начнет с передачи того, что Грег Кушнир, основатель фирмы, описывает как «несколько киловатт» на расстояние 1,8 км. Затем он будет постепенно увеличивать как мощность, так и расстояние. Важнейшей переменной является эффективность, с которой это может быть сделано. По словам г-на Кушнира, сейчас это около 60%. Этого, по его мнению, уже достаточно, чтобы сделать энергетические лучи коммерчески жизнеспособными в некоторых обстоятельствах, например, для охвата отдаленных районов без затрат на дорогостоящие линии электропередач. Но, чтобы улучшить ситуацию, у Эмрода есть еще две хитрости в рукаве. Одним из них является использование реле. Другой — приправить приемники так называемыми метаматериалами.
Реле, представляющие собой пассивные устройства, не потребляющие никакой энергии, работают как линзы, перефокусируя микроволновый луч и направляя его по пути с минимальными потерями при передаче. Они также могут направить его, если необходимо, в новое русло. Это означает, что передатчик и приемник не обязательно должны находиться в прямой видимости друг друга.
Метаматериалы представляют собой композиты, содержащие небольшое количество проводящих металлов и изолирующих пластиков, расположенных таким образом, что они взаимодействуют с электромагнитным излучением, таким как микроволны, определенным образом. Они уже используются в так называемых маскировочных устройствах, помогающих военным кораблям и военным самолетам скрываться от радаров. Но их также можно использовать в приемной антенне для более эффективного преобразования электромагнитных волн в электричество.
Передача мощных микроволн по воздуху сопряжена с риском. Подобные волны, в конце концов, являются средством, с помощью которого микроволновые печи нагревают то, что в них помещают. Эмрод говорит, что кратковременное воздействие его лучей не должно причинить вреда людям или животным, поскольку плотность мощности относительно низкая. Тем не менее, во избежание аварий лучи будут окружены так называемыми лазерными завесами. Это маломощные лазерные лучи, которые сами по себе не вредны. Но если занавес дернется из-за вмешательства таких вещей, как птицы или низколетящие вертолеты (которые в Новой Зеландии используются для отгона овец), это прерывание будет немедленно обнаружено, и микроволновая передача временно прервется. Батареи на принимающей стороне будут заряжаться во время любых отключений.
Если энергетические лучи действительно наберут обороты, Эмрод не останется в своих руках, так как над этой идеей работает ряд других фирм. TransferFi, базирующаяся в Сингапуре, разрабатывает систему, которая формирует лучи радиоволн, которые обычно имеют более низкую частоту, чем микроволны, для передачи мощности на определенные принимающие устройства. Это идея ближнего действия, предназначенная для питания гаджетов на фабриках и домах.
Американская фирма PowerLight Technologies работает с вооруженными силами этой страны над использованием лазеров для передачи энергии на удаленные базы, а также для питания дронов, когда они находятся в воздухе.
