Беспроводная система передачи электрического тока. Беспроводная передача электричества: технологии, применение и перспективы

был вручен приз за успешный запуск самолетного двигателя мощностью 0,1 лошадиной силы, осуществленный на расстоянии 30 м.

Гуру «электричества» известны многим (William Sturgeon, Michael Faraday, Nicolas Joseph Callan, James Clerk Maxwel, Heinrich Hertz, Mahlon Loomas и др.), но мало кто знает, что японский исследователь Hidetsugu Yagi для передачи энергии использовал собственной разработки антенну. В феврале 1926 г. он опубликовал результаты своих исследований, в которых описал строение и способ настройки антенны Yagi.

Прим: про Никола Тесла (Nikola Tesla) я не упомянул сознательно: написано много и многими.

Очень серьёзные работы и проекты велись в СССР в период 1930-1941 гг и параллельно в Drittes Reich. Естественно, в основном, военного назначения. Естественно, в основном, военного назначения: поражение живой силы противника, уничтожение военной и промышленной инфраструктуры и т.д.
В СССР велись так же серьёзные работы по использованию СВЧ излучения для предотвращения поверхностной коррозии металлических конструкций и изделий.
Но это отдельная история. Опять надо лезть на пыльный чердак.

Один из крупнейших российских физиков прошлого столетия, лауреат Нобелевской премии, академик Пётр Леонидович Капица посвятил часть своей творческой биографии исследованию перспектив использования СВЧ-колебаний и волн для создания новых и высокоэффективных систем передачи энергии. В 1962 году в предисловии к своей монографии он писал

«… я хочу напомнить, что электротехника, прежде чем прийти на службу энергетике, в прошлом веке занималась широко только вопросами электросвязи (телеграф, сигнализация и пр.). Вполне вероятно, что история повторится: теперь электроника используется главным образом для целей радиосвязи, но её будущее лежит в решении крупнейших проблем энергетики».

Из длинного перечня фантастических технических идей, реализованных в ХХ веке, только мечта о беспроводной передаче электрической энергии продолжала оставаться нереализованной. Подробные описания энергетических лучей в фантастических романах дразнили инженеров своей очевидной потребностью, и при этом практической сложностью реализации.
Но ситуация постепенно стала меняться к лучшему.

В 1964 году эксперт в области СВЧ-электроники William C.Brown впервые испытал 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.

В 1964 г. William C. Brown продемонстрировал на канале CBS в программе Walter Cronkite News свою модель вертолета, получавшую достаточную для полета энергию от микроволнового излучателя.

Уже к 1976 году Вильям Браун осуществил передачу СВЧ-пучком мощности в 30 кВт на расстояние в 1,6 км с КПД превышающим 80%.

Испытания проводились в лаборатории и по заказу Raytheon Co.
Подробно (на английском) читать:
Microwave Power Transmission — IOSR Journals
The microwave powered Helicopter. William C. Brown. Raytheon Company.

В 1968 году американский специалист в области космических исследований Питер Е. Глэйзер (Peter E. Glaser) предложил размещать крупные панели солнечных батарей на геостационарной орбите, а вырабатываемую ими энергию (уровня 5-10 ГВт) передавать на поверхность Земли хорошо сфокусированным пучком СВЧ-излучения, преобразовывать её затем в энергию постоянного или переменного тока технической частоты и раздавать потребителям.

Такая схема позволяла использовать интенсивный поток солнечного излучения, существующий на геостационарной орбите (~ 1,4 кВт/кв.м.), и передавать полученную энергию на поверхность Земли непрерывно, вне зависимости от времени суток и погодных условий [2-12]. За счёт естественного наклона экваториальной плоскости к плоскости эклиптики с углом 23,5 град., спутник, расположенный на геостационарной орбите, освещён потоком солнечной радиации практически непрерывно за исключением небольших отрезков времени вблизи дней весеннего и осеннего равноденствия, когда этот спутник попадает в тень Земли. Эти промежутки времени могут точно предсказываться, а в сумме они не превышают 1% от общей продолжительности года.

Частота электромагнитных колебаний СВЧ-пучка должна соответствовать тем диапазонам, которые выделены для использования в промышленности, научных исследованиях и медицине. Если эта частота выбрана равной 2,45 ГГц, то метеорологические условия, включая густую облачность и интенсивные осадки, практически не влияют на КПД передачи энергии. Диапазон 5,8 ГГц заманчив, поскольку дает возможность уменьшить размеры передающей и приемной антенн. Однако влияние метеорологических условий здесь уже требует дополнительного изучения.

Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком значении КПД передачи энергии СВЧ пучком с геостационарной орбиты на поверхность Земли — порядка 70-75%. При этом диаметр передающей антенны обычно бывает выбран равным 1 км, а наземная ректенна имеет размеры 10 км х 13 км для широты местности 35 град. СКЭС с уровнем выходной мощности 5 ГВт имеет плотность излучаемой мощности в центре передающей антенны 23 кВт/кв.м., в центре приемной – 230 Вт/кв.м.

Были исследованы различные типы твёрдотельных и вакуумных СВЧ-генераторов для передающей антенны СКЭС. Вильям Браун показал, в частности, что хорошо освоенные промышленностью магнетроны, предназначенные для СВЧ-печей, могут быть использованы также и в передающих антенных решётках СКЭС, если каждый из них снабдить собственной цепью отрицательной обратной связи по фазе по отношению к внешнему синхронизирующему сигналу (так называемый, Magnetron Directional Amplifier — MDA).

Ректенна – высокоэффективная приёмно-преобразующая система, однако низковольтность диодов и необходимость их последовательной коммутации, может приводить к лавинообразным пробоям. Циклотронный преобразователь энергии позволяет в значительной мере устранить эту проблему.

Передающая антенна СКЭС может представлять собой обратно-переизлучающую активную антенную решётку на основе щелевых волноводов. Её грубая ориентация осуществляется механическим путём, для точного наведения СВЧ-пучка используется пилот-сигнал, излучаемый из центра приёмной ректенны и анализируемый на поверхности передающей антенны сетью соответствующих датчиков.

С 1965 по 1975 гг. была успешно завершена научная программа, руководимая Bill Brown, продемонстрировавшая возможность передачи энергии мощностью 30 кВт на расстояние более 1 мили с эффективностью 84%.

В 1978–1979 годах в США под руководством Министерства энергетики (Department of Energy – DOE) и НАСА (NASA) была выполнена первая государственная научно-исследовательская программа, направленная на определение перспектив СКЭС.

В 1995–1997 годах НАСА вновь вернулось к обсуждению перспектив СКЭС, опираясь на прогресс технологий, достигнутый к тому времени.

Исследования были продолжены в 1999–2000 годах (

).

Наиболее активно и планомерно исследования в области СКЭС проводила Япония. В 1981 году под руководством профессоров М.Нагатомо (Makoto Nagatomo) и С.Сасаки (Susumu Sasaki) в Институте космических исследований Японии были начаты исследования по разработке прототипа СКЭС с уровнем мощности 10 МВт, который мог бы быть создан с использованием существующих ракетоносителей. Создание такого прототипа позволяет накопить технологический опыт и подготовить основу для формирования коммерческих систем.

Проект был назван СКЭС2000 (SPS2000) и получил признание во многих странах мира.

В 2008 доцент кафедры физики Массачусетского Технологического Института (МИТ) Марин Солджачич (Marin Soljačić) был пробуждён от сладкого сна настойчивым пиканьем мобильного телефона. «Телефон не умолкал, требуя, чтобы я поставил его заряжаться», — рассказывает Солджачич. Уставший и не собиравшийся вставать, он стал мечтать о том, чтобы телефон, оказавшись дома, начинал заряжаться сам по себе.

Так появился WiTricity и WiTricity corporation.

В июне 2007 г. Marin Soljačić и еще несколько исследователей Массачусетского технологического института сообщили о разработке системы, в которой 60 Вт лампочка снабжалась от источника, располагавшегося на расстоянии 2 м, причем эффективность составила 40%.

По заявлению авторов изобретения, это не «чистый» резонанс связанных контуров и не трансформатор Теслы, с индуктивной связью. Радиус передачи энергии на сегодня составляет чуть больше двух метров, в перспективе – до 5-7 метров.

В целом, учеными испытывались две принципиально отличающиеся схемы.

Сходные технологии лихорадочно разрабатываются и другими фирмами: компания Intel демонстрировала свою технологию WREL с КПД передачи энергии до 75%. В 2009 году фирма Sony продемонстрировала работу телевизора без сетевого подключения. Настораживает только одно обстоятельство: независимо от способа передачи и технических ухищрений, плотность энергии и напряженность поля в помещениях должна быть достаточно высокой, чтоб питать устройства мощностью несколько десятков ватт. По признанию самих разработчиков, информации о биологическом воздействии на человека подобных систем пока нет. Учитывая недавнее появление, и разный подход к реализации устройств передачи энергии, подобные исследования еще только предстоят, а результаты появятся не скоро. А мы сможем судить об их негативном воздействии только косвенно. Что-то опять исчезнет из наших жилищ, как, например, тараканы.

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 исследованиях профессора Марина Солячича по беспроводной передаче энергии и беспроводном домашнем цифровом интерфейсе (WHDI).

В 2012-2015 гг. инженеры Вашингтонского университета разработали технологию, позволяющую использовать Wi-Fi в качестве источника энергии для питания портативных устройств и зарядки гаджетов. Технология уже признана журналом Popular Science как одна из лучших инноваций 2015 года. Повсеместное распространение технологии беспроводной передачи данных само по себе произвело настоящую революцию. И вот теперь настала очередь беспроводной передачи энергии по воздуху, которую разработчики из Вашингтонского университета назвали PoWiFi (от Power Over WiFi).

На стадии тестирования исследователи сумели успешно заряжать литий-ионные и никель-металл-гидридные аккумуляторы небольшой емкости. Используя роутер Asus RT-AC68U и несколько сенсоров, расположенных на расстоянии 8,5 метров от него. Эти сенсоры как раз и преобразуют энергию электромагнитной волны в постоянный ток напряжением от 1,8 до 2,4 вольта, необходимых для питания микроконтроллеров и сенсорных систем. Особенность технологии в том, что качество рабочего сигнала при этом не ухудшается. Достаточно лишь перепрошить роутер, и можно будет пользоваться им как обычно, плюс подавать питание к маломощным устройствам. На одной из демонстраций была успешно запитана небольшая камера скрытого наблюдения с низким разрешением, расположенная на расстоянии более 5 метров от роутера. Затем на 41% был заряжен фитнес-трекер Jawbone Up24, на это ушло 2,5 часа.

На каверзные вопросы о том, почему эти процессы не сказываются негативно на качестве работы сетевого канала связи, разработчики ответили, что это становится возможным благодаря тому, что перепрошитый роутер, во время своей работы, по незанятым передачей информации каналам рассылает пакеты энергии. К этому решению пришли когда обнаружили, что в периоды молчания энергия попросту утекает из системы, а ведь ее можно направить для питания маломощных устройств.

Во время исследований систему PoWiFi разместили в шести домах, и предложили жильцам пользоваться интернетом как обычно. Загружать веб-страницы, смотреть потоковое видео, а потом рассказать, что изменилось. В результате оказалось, что производительность сети не изменилась никак. То есть интернет работал как обычно, и присутствие добавленной опции не было заметным. И это были лишь первые тесты, когда по Wi-Fi собиралось относительно небольшое количество энергии.

В перспективе технология PoWiFi вполне сможет послужить для питания датчиков, встроенных в бытовую технику и военную технику, чтобы управлять ими беспроводным способом и осуществлять дистанционную зарядку/подзарядку.

Актуальным является передача энергии для БПЛА (вероятнее всего уже по технологии PoWiMax или от радиолокатора самолёта носителя):

→ LOCUST — Swarming Navy Drones
→ Пентагон успешно испытал рой из 103 беспилотников
→ Intel управляла шоу беспилотников во время выступления Леди Гаги в перерыве Суперкубка США

Для БПЛА негатив от закона обратных квадратов (изотропно-излучающая антенна) частично «компенсирует» ширина луча антенны и диаграмма направленности:

Ведь БРЛС ЛА в импульсе может выдавать под 17 кВт энергии ЭМИ.

Это не сотовая связь -где ячейка должна обеспечить связь конечным элементам на 360 градусов.
Допустим такая вариация:
Самолёт носитель ( для Perdix) это F-18 обладает (сейчас) БРЛС AN/APG-65:

максимальная средняя излучаемая мощность по 12000 Вт

или в перспективе будет иметь AN/APG-79 AESA:

в импульсе должен выдавать под 15 кВт энергии ЭМИ

Этого вполне достаточно, что бы продлить активную жизнь Perdix Micro-Drones с нынешних 20 минут до часа, а может и больше.

Скорее всего будет использоваться промежуточный дрон Perdix Middle, которого будет облучать на достаточном расстоянии БРЛС истребителя, а он в свою очередь осуществит «раздачу» энергии для младших братьев Perdix Micro-Drones по PoWiFi/PoWiMax, параллельно обмениваясь с ними информацией (полётно -пилотажной, целевыми задачами, координацией роя).

Возможно вскоре дело дойдет и до зарядки сотовых телефонов, и других мобильных устройств, которые находятся в зоне действия Wi-Fi, Wi-Max или 5G?

Послесловие: 10-20 лет, после широкого внедрения в повседневную жизнь многочисленных электромагнитных излучателей СВЧ (Мобильные телефоны, Микроволновые печи, Компьютеры,WiFi,Blu tools и т.д.) внезапно тараканы в больших городах вдруг превратились в раритет! Теперь таракан- насекомое, которое можно встретить разве что в зоопарке. Они неожиданно исчезли из домов, которые раньше так любили.

ТАРАКАНЫ КАРЛ!
Эти монстры лидеры списка «радиорезистентных организмов» бесстыдно капитулировали!
Справка
LD 50 — средняя летальная доза, то есть доза убивает половину организмов в эксперименте; LD 100 — летальная доза убивает всех организмов в эксперименте.

Кто следующий на очереди?

Допустимые уровни излучения базовых станций мобильной связи (900 и 1800 МГц, суммарный уровень от всех источников) в санитарно-селитебной зоне в некоторых странах заметно различаются:
Украина: 2,5 мкВт/см². (самая жесткая санитарная норма в Европе)
Россия, Венгрия: 10 мкВт/см².
Москва: 2,0 мкВт/см². (норма существовала до конца 2009 года)
США, Скандинавские страны: 100 мкВт/см².
Временно допустимый уровень (ВДУ) от мобильных радиотелефонов (МРТ) для пользователей радиотелефонов в РФ определён 10 мкВт/см² (Раздел IV — Гигиенические требования к подвижным станциям сухопутной радиосвязи СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03 «Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи» ).
В США Сертификат выдается Федеральной комиссией по связи (FCC) на сотовые аппараты, максимальный уровень SAR которых не превышает 1,6 Вт/кг (причем поглощенная мощность излучения приводится к 1 грамму ткани органов человека).
В Европе, согласно международной директиве Комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP), значение SAR мобильного телефона не должно превышать 2 Вт/кг (при этом поглощенная мощность излучения приводится к 10 граммам ткани органов человека).
Сравнительно недавно в Великобритании безопасным уровнем SAR считался уровень равный 10 Вт/кг. Такая же примерно картина наблюдалась и в других странах.
Принятую в стандарте максимальную величину SAR (1,6 Вт/кг) даже нельзя с уверенностью отнести к «жестким» или к «мягким» нормам.
Принятые и в США и в Европе стандарты определения величины SAR (все нормирование микроволнового излучения от сотовых телефонов, о котором идет речь базируется только на термическом эффекте, то есть связанном с нагреванием тканей органов человека).
ПОЛНЫЙ ХАОС.
Медицина до сих пор пока не дала внятного ответа на вопрос: вреден ли мобильный/WiFi и насколько?
А как будет с беспроводной передачей электроэнергии СВЧ технологиями?
Тут мощности не ватты и мили ватты, а уже кВт…

Прим: Типичная WiMAX базовая станция излучает мощность на уровне приблизительно +43 дБм (20 Вт), а станция мобильной связи обычно передает на +23 дБм (200 мВт).

Российские ученые предложили новый способ беспроводной передачи энергии — Наука

МОСКВА, 28 января. /Корр. ТАСС Михаил Петров/. Специалисты лаборатории метаматериалов Университета ИТМО и «НИИ Гириконд» показали, что можно создавать эффективные системы беспроводной передачи энергии при использовании керамических диэлектриков.

Результаты моделирования были проверены экспериментально — без использования проводов удалось зажечь светодиодиодную лампочку на расстоянии 20-30 см.

Результаты работы опубликованы в журнале AppliedPhysicsLetters.

«У нас пока только пионерские работы, но для расстояния в 20 сантиметров и мощности 1 Ватт наша система уже работает», — рассказал ТАСС один из авторов статьи, научный сотрудник Университета ИТМО, Полина Капитанова.

Как работает беспроводная передача энергии сейчас

В 2007 году в журнале Science вышла статья группы профессора Массачусетского технологического института Марин Солячича, в которой ученые рассказали об удачных испытаниях беспроводной системы передачи энергии. На расстоянии более чем в 2,5 метра им удалось зажечь лампочку 60 Вт за счет резонансного взаимодействия двух медных катушек.

Одна из них была подключена к источнику переменного электрического тока, который создавал в ней распространяющееся магнитное поле. Магнитное поле доходило до второй катушки, которая была настроена на ту же самую резонансную частоту и создавало в ней переменный ток, с помощью которого зажигалась лампочка.

Этот принцип стал основной коммерческой технологии WiTricity, которую сейчас используют для беспроводных зарядок мобильного телефона. В продаже такие устройства появились недавно и пока скорее похожи на стационарные базы радиотелефонов, чем на беспроводные точки питания: для подзарядки мобильный телефон нужно аккуратно разместить на подключенной в сеть панели.

В будущем ученые обещают избавиться от необходимости физического контакта с базой, но пока это невозможно по двум причинам. Во-первых, беспроводная передача энергии на основе резонансного метода достаточно эффективна только на маленьких расстояниях (резонансные катушки внутри базы и телефона разделяет несколько сантиметров корпусов этих устройств), во-вторых, для зарядки нужно подобрать правильную взаимную ориентацию источника и приемника в пространстве.

Что сделали российские ученые

Специалисты лаборатории метаматериалов Университета ИТМО и «НИИ Гириконд» использовали тот же резонансный метод, но внесли несколько изменений в конструкцию устройства. Медные катушки они заменили на диэлектрические керамические резонаторы, в которых магнитное поле можно возбуждать с меньшими потерями энергии, а для передачи энергии использовали другие, более высокие частоты резонаторов, на которых магнитное поле обладает более сложной структурой и меньше затухает при распространении в пространстве.

Теоретическая эффективность нового подхода достигает 80%. Кроме того, предложенная российскими учеными система беспроводной передачи энергии более устойчива к изменению взаимной ориентации приемника относительно источника.

В эксперименте ученым пока удалось передать около 1 Вт мощности на расстояние 20-30 см на частотах около 2 ГГц и сейчас они начали новые испытания. «Наши коллеги из «НИИ Гириконд» разработали новые образцы керамики с большим значением диэлектрической проницаемости и малыми потерями, что позволит еще больше увеличить расстояние передачи энергии, а также перейти на рабочие частоты в области десятков МГц, безопасные для человека», — рассказала Капитанова.

Электричество без проводов — Энергетика и промышленность России — № 3 (31) март 2003 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 3 (31) март 2003 года

И в этом же году на съезде ассоциации электрического освещения в Сант-Льюисе он продемонстрировал электрические лампы, горящие без подводящих проводов, и работающий без подключения к электрической сети электромотор. Эту необычную экспозицию он прокомментировал следующим образом:

«Несколько слов об идее, постоянно занимающей мои мысли и касающейся всех нас. Я имею в виду передачу сигналов, а также и энергии на любое расстояние без проводов. Мы уже знаем, что электрические колебания могут передаваться по единственному проводнику. Почему же не воспользоваться для этой цели Землей? Если мы сможем установить период колебаний электрического заряда Земли при его возмущении, связанном с действием противоположно заряженной цепи, это будет фактом чрезвычайной важности, который послужит на благо всего человечества».

Увидя столь эффектную демонстрацию, такие известные олигархи, как Дж. Вестингауз и Дж. П. Морган, вложили в это перспективное дело свыше миллиона долларов, купив у Теслы его патенты (громадные, кстати, по тем временам деньги!). На эти средства в конце 90-х годов XIX века Тесла сооружает в Колорадо-Спрингс свою уникальную лабораторию.

Подробные сведения об экспериментах в лаборатории Теслы изложены в книге его биографа Джона О’Нейла «Электрический Прометей» (в нашей стране ее перевод был опубликован в журнале «Изобретатель и рационализатор» №4-11 за 1979 год). Приведем здесь лишь краткую выдержку из нее, чтобы не ссылаться на более поздние перепечатки:

«В Колорадо-Спрингс Тесла провел первые испытания беспроводной передачи электроэнергии. Он смог питать током, извлекаемым из Земли во время работы гигантского вибратора, 200 электрических лампочек накаливания, расположенных на расстоянии 42 километров от его лаборатории. Мощность каждой составляла 50 ватт, так что суммарный расход энергии составлял 10 кВт, или 13 л.с. Тесла был убежден, что с помощью более мощного вибратора он смог бы зажечь дюжину электрических гирлянд по 200 лампочек в каждой, разбросанных по всему земному шару».

Самого же Теслу настолько вдохновили успехи этих экспериментов, что он заявил в широкой печати, что намерен осветить Всемирную промышленную выставку в Париже, которую предполагалось провести в 1903 году, энергией электростанции, расположенной на Ниагарском водопаде и переданной в Париж без проводов.

Известно по многочисленным фотографиям и описаниям очевидцев и помощников изобретателя, что представлял собой генератор энергии, передаваемой на 42 километра без проводов (правда, это чисто журналистский термин: один провод, в качестве которого выступала Земля, в этой цепи присутствует, и об этом прямо говорят и сам Тесла, и его биограф).

То, что Тесла называл вибратором, было гигантским трансформатором его системы, имевшим первичную обмотку из нескольких витков толстого провода, намотанных на ограде диаметром 25 метров, и размещенную внутри нее многовитковую однослойную вторичную обмотку на цилиндре из диэлектрика. Первичная обмотка вместе с конденсатором, индукционной катушкой и искровым промежутком образовывала колебательный контур-преобразователь частоты.

Над трансформатором, располагавшимся в центре лаборатории, возвышалась деревянная башня высотой 60 метров, увенчанная большим медным шаром. Один конец вторичной обмотки трансформатора соединялся с этим шаром, другой — заземлялся. Все устройство питалось от отдельной динамо-машины мощностью 300 л.с. В нем возбуждались электромагнитные колебания частотой 150 килогерц (длина волны 2000 метров). Рабочее напряжение в высоковольтной цепи составляло 30 000 В, а резонирующий потенциал шара достигал 100 000 000 В, порождая искусственные молнии длиной в десятки метров!

Вот как объясняет работу вибратора Теслы его биограф:

«В сущности, Тесла «накачивал» в Землю и извлекал оттуда поток электронов. Частота накачки составляла 150 кГц. Распространяясь концентрическими кругами все дальше от Колорадо-Спрингс, электрические волны сходились затем в диаметрально противоположной точке Земли. Там вздымались и опадали волны большой амплитуды в унисон с поднятыми в Колорадо. Опадая, такая волна посылала электрическое эхо обратно в Колорадо, где электрический вибратор усиливал волну, и она мчалась обратно.

Если привести всю Землю в состояние электрической вибрации, то в каждой точке ее поверхности мы будем обеспечены энергией. Ее можно будет улавливать из мечущихся между электрическими полюсами волн простыми устройствами наподобие колебательных контуров в радиоприемниках, только заземленными и снабженными небольшими антеннами высотой с сельский коттедж. Эта энергия будет обогревать дома и освещать их с помощью трубчатых ламп Теслы, не требующих проводов. Для электромоторов переменного тока понадобились бы только преобразователи частоты». Сведения об экспериментах Теслы по передаче электроэнергии без проводов вдохновили и других исследователей на работы в этой области. Сообщения об аналогичных экспериментах часто появлялись в печати в начале прошлого века. Стоит привести в связи с этим выдержку из статьи A.M. Горького «Беседы о ремесле», опубликованной в 1930 году:

«В текущем году Маркони передал по воздуху электроток из Генуи в Австралию и зажег там электрические лампы на выставке в Сиднее. Это же было сделано 27 лет тому назад у нас, в России, литератором и ученым М.М. Филипповым, который несколько лет работал над передачей электротока по воздуху и в конце концов зажег из Петербурга люстру в Царском Селе (то есть на расстоянии 27 километров. -В.П.). Тогда на этот факт не было обращено должного внимания, но Филиппова через несколько дней нашли мертвым в своей квартире, а аппараты и бумаги его конфисковала полиция».

Эксперименты Теслы произвели большое впечатление и на другого литератора — Алексея Толстого, бывшего инженером по образованию. А когда Тесла, а затем и Маркони сообщили в печати, что их аппараты принимают странные сигналы внеземного, по-видимому, марсианского происхождения, это вдохновило писателя на написание фантастического романа «Аэлита». В романе марсиане пользуются изобретением Теслы и без проводов передают энергию от расположенных на полюсах Марса электростанций в любую точку планеты. Эта энергия приводит в действие двигатели летающих судов и другие механизмы.

Однако построить свою «мировую систему» для обеспечения электроэнергией населения земного шара без использования проводов Тесле не удалось. Как только в 1900 году он начал возводить на острове Лонг-Айленд под Нью-Йорком научно-исследовательскую лабораторию-городок на 2000 сотрудников и громадную металлическую башню с гигантской медной тарелкой на верхушке, сспохватились и «проводные» электрические олигархи: ведь повсеместное внедрение системы Теслы грозило им разорением. На миллиардера Дж.П. Моргана, финансировавшего строительство, последовал жестокий нажим, в том числе и от подкупленных конкурентами правительственных чиновников.

Начались перебои с поставками оборудования, строительство застопорилось, а когда Морган под этим нажимом прекратил финансирование, и вовсе прекратилось. В начале Первой мировой войны, по наущению тех же конкурентов, правительство США распорядилось взорвать уже готовую башню под надуманным предлогом, что ее могут использовать в целях шпионажа. Ну а затем электротехника пошла привычным путем.

Долгое время никто не мог повторить эксперименты Теслы хотя бы потому, что потребовалось бы создать аналогичную по размерам и мощности установку. Но в том, что Тесле удалось найти способ передачи электрической энергии на расстояние без проводов, более ста лет назад никто не сомневался. Авторитет Теслы, имевшего рейтинг второго после Эдисона изобретателя, во всем мире был достаточно высок, а его вклад в развитие электротехники переменного тока (в пику Эдисону, ратовавшему за постоянный ток) несомненен. При его экспериментах присутствовало много специалистов, не считая прессы, и никто никогда не пытался уличить его в каких-либо фокусах или подтасовке фактов. О высоком авторитете Теслы свидетельствует и название его именем единицы напряженности магнитного поля.

Вот только вывод Теслы о том, что во время эксперимента в Колорадо-Спрингс энергия была передана на расстояние 42 километра с к.п.д., равным около 90%, слишком оптимистичен. Напомним, что общая мощность зажженных на расстоянии ламп составляла 10 кВт, или 13 л.с., в то время как мощность динамо-машины, питавшей вибратор, достигала 300 л.с. То есть можно говорить о к.п.д. всего лишь порядка 4-5%, хотя и эта цифра поразительна.

Физическое обоснование экспериментов Теслы по беспроводной передаче электроэнергии до сих пор волнует многих специалистов. Одним из них было высказано интересное предположение, что своеобразным аккумулятором энергии, возвращавшим в Землю извлеченный из нее заряд, было громадное, сильно ионизированное облако, возникающее вокруг шара на верхушке мачты установки Теслы, с которого во время ее работы били громадные искусственные молнии. Иначе говоря, был создан своеобразный пульсирующий насос, периодически менявший заряд всей Земли (кстати, не такой уж большой). Желающим подсчитать емкость Земли как конденсатора напомним, что емкость шара численно равна его радиусу в сантиметрах, а «сантиметр» емкости условно равен одной пикофараде.

И лишь спустя сто лет после знаменитой демонстрации Теслы появились сведения о первых попытках воспроизвести их на современном оборудовании. Причем пришлось начать сначала — с эксперимента Теслы по передаче электроэнергии по одному проводу. Эксперименты проводились в июле 1990 года в лаборатории Московского энергетического института. В присутствии комиссии из специалистов их проводил инженер С. Авраменко. Источником энергии был модифицированный трансформатор Теслы, к одной из клемм которого подключалась линия длиной около трех метров (опыт был лабораторный). В усложненном варианте опыта линия представляла собой тончайшую вольфрамовую проволоку диаметром 15 микрон и с громадным сопротивлением. Но по ней удалось передать мощность в 1,3 кВт для гирлянды электрических лампочек, а провод при этом оставался холодным, словно он приобрел свойства сверхпроводника.

В более раннем эксперименте 1989 года на опыты Авраменко приехали посмотреть заместитель министра энергетики и начальники главков. Удивлялись и разводили руками точно так же, как и присутствовавшие сто лет назад на демонстрации Теслы в Лондоне тамошние специалисты. Ну а к 1991 году Авраменко увеличил длину линии передачи электроэнергии по одному проводу до 160 метров.

Кстати, характерна в этом отношении история электромобилей, появившихся более ста лет назад и еще тогда по своим параметрам успешно конкурировавших с автомобилями. С современными аккумуляторами они могут успешно соревноваться с ними и сейчас, но автомобильные олигархи делают все, чтобы не выпустить этого, по всем статьям опережающего автомобиль конкурента на мировой рынок.

Прощайте, провода! |

Будущее без проводов становится реальностью. В июне 2007 г. группа ученых под руководством профессора Марина Солячича из Массачусетского института (MIT) провела эксперимент по беспроводной передачи электрической энергии с эффективностью 45%. Ученые обещают: очень скоро для зарядки мобильных телефонов, плееров, ноутбуков и прочих переносных устройств, нуждающихся в постоянной подпитке электроэнергией, не нужно будет никаких проводов.

О том, что хорошо бы было подпитывать всевозможные приборы электроэнергией без путающихся под ногами проводов, ученые задумываются уже очень давно. Как минимум 100 лет. Именно столько времени прошло с того момента, когда данной проблемой заинтересовался гениальный американский ученый и изобретатель Никола Тесла.

ДОРОГА В БУДУЩЕЕ

          Сведений о работах Теслы в сфере беспроводной передачи энергии сохранилось очень мало. По отрывочным сведениям, дошедшим до нас, ему действительно удалось добиться в этой области выдающихся результатов.В 1899 г. в Колорадо-Спрингс он публично продемонстрировал лампы и двигатели, работающие на высокочастотном токе без проводов. Для фантастического эксперимента была построена башня высотой несколько десятков метров, которую венчала “луковка” разрядника – большая медная полусфера. При включении установки возникли искровые разряды длиной до 40 м, сопровождавшиеся громовыми раскатами, которые были слышны за 15 миль. Вокруг башни пылал огромный световой шар. За 25 миль от нее под аплодисменты наблюдателей разом загорелись 200 электрических лампочек. Электрический заряд был передан без всяких проводов!

Опыт в Колорадо-Спрингс весьма сильно впечатлил Джона Пирпонта Моргана, одного из самых богатых людей Америки. По его приглашению Тесла переехал в Нью-Йорк для работы над грандиозным проектом Wardenclyffe – созданием Всемирного центра беспроводной передачи энергии. На Лонг-Айленде строится башня высотой 57 м со стальной шахтой, углубленной в землю на 36 м. Верх башни венчает 55-тонный металлический купол диаметром 20 м. Пробный пуск невиданного сооружения состоялся в 1905 году и произвел потрясающий эффект. Как писали газеты, «Тесла зажег небо над океаном на тысячи миль».

Дальше – больше. Согласно одной из “экзотических” версий, тунгусские события 1908 года были вызваны испытанием энергетического оружия, совершенно случайно созданного Николой Теслой. И действительно, в 1907-1908 гг. Тесла уже писал о разрушительном воздействии своего передатчика энергии. В 1915 г. он прямо заявлял: «Безусловна практическая передача электрической энергии без проводов и производство разрушительного воздействия на расстоянии. Я уже конструировал беспроволочный передатчик, который делает это возможным. Опыты продвинулись так далеко, что воздействия большой разрушительной силы могут быть произведены в любую точку на земном шаре, определенную заранее, с большой точностью».

Очевидно, сам Тесла считал проблему беспроводной передачи энергии решенной. В мае 1917 г., выступая на заседании Американского института инженеров-электриков по случаю получения награды имени Томаса Эдисона, он сказал: «Что касается передачи энергии через пространство, это проект, который я давно считаю абсолютно успешным. Годы назад я мог передавать энергию без проводов на любое расстояние без ограничений, которые накладывались физическими размерами Земли. Эффективность передачи может составлять 96 или 97%, и практически нет потерь, кроме тех, которые неизбежны для работы машины».

Однако как он это делал, остается загадкой. Никаких записей об уникальных экспериментах не сохранялось. После смерти Николы Теслы повторить их не удалось. О передаче энергии без проводов просто забыли на долгие-долгие годы.

НОВЫЕ СТАРЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.

Для профессора Марина Солячича все началось с мобильного телефона, а точнее, с его неисправной батареи, постоянно нуждавшейся в подзарядке. Именно эта надоевшая проблема заставила ученого подумать о способе передачи электроэнергии без проводов. «Раньше просто не было необходимой мотивации, – охотно делится ученый. – Это только в последние годы появилась масса всевозможных портативных устройств, получающих питание от батарей и часто нуждающихся в подзарядке». Тут-то профессору Солячину и пришло в голову, что выходом может стать беспроводная передача электроэнергии.

В принципе идея эта не нова. Однако до сих пор все попытки передать электроэнергию на расстояние, без какого бы то ни было носителя, проваливались из-за низкого КПД. Большая часть передаваемой электроэнергии просто рассеивалась в окружающей среде, до конечного потребителя доходили жалкие крохи. Правда, предпринимались попытки передачи электроэнергии при помощи направленного лазерного луча. Однако в этом случае между источником энергии и приемником не должно было быть никаких физических препятствий, что, понятно, не всегда осуществимо. Профессору Солячичу удалось справиться с проблемой рассеивания электроэнергии. В основе разработанной им технологии WiTricity лежит явление электромагнитного резонанса. По мысли Солячича, для эффективной передачи энергии на расстояние необходимо заставить передатчик и приемник резонировать с одинаковой частотой.

Теоретические выкладки профессора, которые были опубликованы ещё в прошлом году, блестяще реализовали инженеры из Массачусетского технологического института (MIT). В ходе эксперимента, проведенного в июне 2007 г., им удалось заставить светиться 60-ваттную лампу накаливания, находящуюся на расстоянии более 2 м от источника энергии.

Экспериментальное устройство состояло из двух медных катушек диаметром 60 см, передатчика, подключенного к источнику энергии, и приемник с подсоединенной к нему лампой накаливания. Контуры приемника и передатчика были настроены на частоту 10 МГц. В результате воздействия электромагнитного излучения передатчика на приемник в контуре последнего возникал электрический ток, и лампа начинала светиться. Она продолжала гореть, даже когда между катушками находились деревянные или металлические предметы, а также электронные устройства. И хотя потери энергии все еще велики, приемник получает только 40-45% электроэнергии, результаты впечатляют.

Сам Марин Солячич утверждает, что технология не представляет опасности ни для людей, ни для животных. Воздействие такого «зарядника» не влияет на работоспособность кредитных карт, мобильных телефонов и других электронных устройств, чувствительных к электромагнитному полю. Профессор Солячич надеется, что в самом ближайшем будущем технология WiTricity получит самое широкое распространение, а, значит, всевозможные портативные устройства можно будет подзаряжать автоматически, без подключения к сети.

Впрочем, прежде профессору Солячичу и его коллегам из MIT предстоит существенно доработать свое изобретение. Повысить коэффициент эффективности передачи, чтобы большая часть энергии доходила до приемника. Уменьшить размеры прототипа и увеличить расстояние, на которое передается электроэнергия. В ближайшем будущем группа из MIT планирует перевести эксперимент в практическую плоскость – «запитать» от своей системы ноутбук или робот-пылесос.

Впрочем, надо сказать, что профессор Солячич не одинок. Над беспроводной технологией передачи электроэнергии работают и другие изобретатели. Так, Кит Крессин, вице-президент по маркетингу американской компании Powercast, заявил, что устройства, использующие беспроводную передачу энергии, могут появиться уже в следующем году. Разработанная в компании технология передачи энергии по радиоволнам уже прошла сертификацию. В отличие от конкурентных разработок она значительно эффективнее – способна передавать до 70% вырабатываемой энергии (традиционные системы радиопередачи энергии транслируют лишь 10%). К тому же технология позволит многим устройствам обходиться вообще без аккумуляторов, «запитываясь» непосредственно от передатчика.

Другая Энергия

        Максимум через 25 лет на Земле закончатся нефть и газ, и человечество столкнется с глобальным энергетическим кризисом. Пути выхода из него до конца неясны. Впрочем, директор Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства, академик РАСХН, доктор технических наук Дмитрий Стребков смотрит в будущее с оптимизмом. По его мнению, спасение придет откуда не ждали. Надо только хорошенько покопаться в архивах, вспомнить, чем же занимались ученые сто лет тому назад, и сделать ставку на… электричество.

(Интервью брала корреспондент журнала “Мир новостей” Наталия Калинина)

            – Дмитрий Семенович, чтобы обеспечить устойчивое развитие в будущем, человечеству необходимы новые энергетические технологии. Какими, по вашему мнению, они будут?

           – Эпоха дешевой энергии закончилась. Новые энергетические технологии не будут использовать ископаемое топливо, будущее – за солнечной энергией. Глобальная энергетическая система, состоящая из трех солнечных электростанций в Австралии, Африке и Северной Америке, сможет в течение миллионов лет круглосуточно обеспечивать электроэнергией, водородным топливом и теплом все районы Земли. Электростанции же, работающие на ископаемом топливе, можно будет смело переводить в разряд резервных. Уже сейчас максимальный КПД солнечных элементов, разрабатываемых в лабораториях, равен 40%, а практический срок их службы составляет 50 лет. Есть, правда, “маленькая” сложность. Для функционирования глобальной солнечной энергосистемы необходимо организовать трансконтинентальные тераваттные потоки электрической энергии к потребителю. Только в этом случае человечество сможет объединить и сконцентрировать свои энергетические ресурсы и технологии для создания достойных условий жизни для каждого конкретного человека, а также для реализации крупных научно-технических проектов на Земле и в космосе.

– В июне 2007 г. Ваши коллеги из Массачусетского технологического института (США) апробировали технологию WiTricity, сделавшую передачу энергии без проводов реальностью. Возможно, именно она будет положена в основу глобальной энергетической системы?

– Не думаю. Во-первых, у данной системы очень низкий КПД (40-45%). Во-вторых, она просто небезопасна для здоровья человека. Американцы передают электроэнергию на частоте 10 МГц, что “соответствует СВЧ-полям. Вам хочется, чтобы ваша комната превратилась в СВЧ-печь? Пионер беспроводной передачи энергии Никола Тесла, к слову сказать, умел передавать электроэнергию на частоте 1-200 кГц и с гораздо лучшими результатами (потери составляли всего 3-4%). Он вообще был гениальным ученым, предвидевшим направления, в которых будут развиваться электротехника и энергетика на сотни лет вперед. Достаточно сказать, что Никола Тесла удалось получить напряжение в 50 млн вольт простыми аппаратными средствами. Еще в начале XX в. он передавал электрическую энергию на десятки километров, используя в качестве проводящей среды Землю. Именно он изобрел асинхронный электродвигатель, многофазный ток и многое другое. Однако гениальность Теслы сыграла с его современниками дурную шутку. Большинство просто не понимало, что же написано в его трудах. К счастью, наука не стоит на месте. В настоящее время мы практически в полном объеме можем воспроизвести эксперименты Теслы по передаче энергии на большие расстояния с использованием однопроводниковых линий и проводящих сред, развить и усовершенствовать предложенную им резонансную технологию.

– И все-таки, согласитесь, есть здесь нечто странное. Патент на аппарат для передачи электроэнергии беспроводным методом был получен Николой Теслой ещё в 1914 г. Даже не понимая принципа его действия, можно было попытаться внедрить его в реальную жизнь?

– Проект Wardenclyffe, в котором Никола Тесла работал до конца своих дней, изначально задумывался как коммерческий. Предполагалось, что в Нью-Йорке будет создан всемирный центр беспроводной передачи энергии. Однако все работы в этом направлении были очень быстро свернуты, когда стало понятно, какую опасность представляют генераторы Теслы. Я даже не говорю об энергетическом оружии, которое он якобы создал, это неподтвержденные слухи. Но во время его экспериментов у людей светились волосы, у лошадей выскакивали искры из-под копыт, в ближайшей электростанции сгорели генераторы. Все потому, что Никола Тесла использовал в качестве однопроводниковой линии Землю. Подобный способ передачи электроэнергии оказался совершенно неприемлем из экологических соображении.

– Реально ли в таком случае создать безопасную технологию беспроводной передачи энергии на большие расстояния с такими же минимальными потерями, как у Николы Теслы?

– Более чем реально, но с использованием других технологий. Так, в нашем институте разработана совершенно безопасная резонансная технология передачи электрической энергии – по подземным электроизолированным однопроводниковым кабельным линиям. По ним можно передавать гигаваттные и тераваттные потоки электрической энергии с потерями на уровне 3-4%. Однопроводниковые резонансные системы открывают возможности для создания сверхдальних кабельных линий электропередачи и в перспективе замены существующих воздушных линий кабельными однопроводниковыми. Тем самым будет решена одна из важнейших проблем электроэнергетики – повышение надежности электроснабжения. Ещё раз хочу подчеркнуть, что все это стало возможным за счет использования старой электротехники, которая неизвестна современному поколению ученых, и забытых изобретений Николы Теслы. Проще говоря, используется другое электричество, которого нет в наших электрических розетках. Это стационарные волны, резонансные режимы, сдвиг фаз между волнами тока и напряжения 90°, законы электростатической индукции (а не электромагнитной индукции), однопроводниковые линии, повышенная частота 1-20 кГц (а не 50 Гц) и т.д.

– Из ваших слов явствует, что Никола Тесла определил развитие электроэнергетики на сотни лет вперед. Каким видится ее будущее современным ученым?

           – Развитие электроэнергетики, на мой взгляд, связано с развитием резонансных волноводных методов передачи электрической энергии. Уже в XXI в. воздушные линии электропередачи будут заменены подземными волноводными системами. Бесконтактный высокочастотный электрический транспорт будет получать электрическую энергию от однопроводниковой резонансной линии, установленной в дорожном покрытии. На сельскохозяйственных плантациях будут работать электрические машины-роботы с активными рабочими органами. Будет создана глобальная солнечная энергетическая система, производящая электроэнергию, водородное топливо и тепло для каждого человека на Земле. Жидкое топливо и газ будут вырабатываться из биомассы энергетических плантаций. Космические корабли будут стартовать с Земли на электрических ракетных двигателях, имея соотношение массы полезного груза к стартовой массе на уровне 80-90% вместо сегодняшних 5%. Резонансные методы будут использоваться для лечения человека и животных, уничтожения сорняков (вместо пестицидов), обеззараживания питьевой воды и отходов, создания новых особо чистых материалов, в первую очередь солнечного кремния. Надеюсь, будут возможными электроснабжение летательных аппаратов в космическом пространстве и передача электрической энергии на мобильные объекты на Земле безопасными беспроводными методами.

NZ для испытания первой в мире коммерческой беспроводной передачи энергии на большие расстояния

Новозеландский стартап разработал метод безопасной беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния без использования медных проводов и работает над его реализацией со вторым по величине дистрибьютором электроэнергии в стране.

Мечта о беспроводной передаче энергии далеко не нова; Любимый всеми гений электрики Никола Тесла однажды доказал, что он может питать лампочки с расстояния более двух миль с помощью 140-футовой катушки Тесла в 1890-х годах — не говоря уже о том, что при этом он сжег динамо-машину на местной электростанции и погрузил весь город Колорадо-Спрингс в затемнение.

Тесла мечтала разместить по всему миру огромные башни, которые могли бы передавать энергию по беспроводной сети в любую точку земного шара, питая дома, предприятия, промышленные предприятия и даже гигантские электрические корабли в океане. Инвестор Дж. П. Морган убил эту идею одним вопросом: «Где я могу поставить счетчик?»

На это ушло 120 лет, но новозеландская компания Emrod, похоже, наконец убедила крупного дистрибьютора электроэнергии в необходимости перехода на беспроводную связь в коммерческих целях.Powerco, второй по величине дистрибьютор в Новой Зеландии, инвестирует в Emrod, чья технология, по-видимому, позволяет гораздо более эффективно перераспределять большие объемы электроэнергии между любыми двумя точками, которые могут быть соединены с помощью реле прямой видимости.

«Нам интересно посмотреть, сможет ли технология Emrod дополнить устоявшиеся способы доставки электроэнергии», — сказал Николя Вессио, менеджер по трансформации сети Powerco. «Мы планируем использовать это для доставки электричества в отдаленные места или через районы со сложным рельефом.Также есть возможность использовать его, чтобы держать свет для наших клиентов, когда мы проводим техническое обслуживание нашей существующей инфраструктуры ».

Emrod в настоящее время имеет рабочий прототип своего устройства, но будет строить еще один для Powerco, с планами доставки Октябрь, затем проведите несколько месяцев в лабораторных испытаниях, прежде чем перейти к полевым испытаниям. Прототип устройства будет способен выдавать «всего несколько киловатт» мощности, но его можно легко масштабировать. «Мы можем использовать ту же технологию для передачи В 100 раз больше мощности на гораздо больших расстояниях », — сказал основатель Emrod и серийный предприниматель Грег Кушнир.«Беспроводные системы, использующие технологию Emrod, могут передавать любое количество энергии, передаваемой проводными решениями».

В системе используются передающая антенна, ряд реле и приемная выпрямительная антенна (выпрямляющая антенна, способная преобразовывать микроволновую энергию в электрическую). Каждый из этих компонентов выглядит на этих изображениях просто как большие старые квадраты на столбах. Его лучи используют неионизирующий промышленный, научный и медицинский диапазон радиочастотного спектра, включая частоты, обычно используемые в Wi-Fi и Bluetooth.

В отличие от всемирно доступной мечты Теслы о свободной энергии, здесь энергия передается прямо между определенными точками, без излучения вокруг луча, а «маломощный лазерный защитный занавес» немедленно отключает передачу энергии перед любым объектом, например птицей, дрон, вор или вертолет могут коснуться дальнего света. На этот раз разобраться, где разместить счетчик, не составит труда.

Emrod говорит, что он работает в любых атмосферных условиях, включая дождь, туман и пыль, а расстояние передачи ограничено только прямой видимостью между каждым реле, что дает ему возможность передавать мощность на тысячи километров, что составляет долю от затраты на инфраструктуру, затраты на обслуживание и воздействие на окружающую среду, которое оказывает проводное решение.

Действительно, Эмрод рассматривает беспроводную передачу как ключевую технологию для возобновляемой энергии, которая часто вырабатывается далеко от того места, где она необходима. Такая система могла бы быть великолепной для доставки продуктов оффшорного и удаленного производства возобновляемой энергии в городские сети без необходимости в гигантских аккумуляторных батареях и т.п.

Emrod

Это также будет полезно при некоторых незапланированных отключениях; грузовик может быть оснащен ректенной и затем перемещаться в любом месте в пределах видимости реле для создания временного беспроводного подключения к источнику питания.

Компания поддерживала связь с органами управления радиочастотным спектром в Новой Зеландии на протяжении всего процесса разработки с целью соблюдения всех стандартов безопасности, даже когда технология масштабируется вплоть до высоких уровней мощности, процесс, по словам Кушнира, также помог Emrod в разработке. рекомендации для компаний, которые будут использовать эту технологию.

Мы связались с Эмродом, чтобы узнать больше об эффективности, размере, форме и состоянии текущего прототипа, планах на будущее и о том, что на самом деле произойдет, если вы засунете руку в середину балки, и предоставим вам дополнительную информацию, когда мы можем.

Обновление: мы поговорили с основателем Emrod Грегом Кушниром, которому было чем поделиться в нашем интервью.

Источник: Emrod

Беспроводная передача энергии, открывающая мир возможностей

Для многих «беспроводная передача энергии на большие расстояния» звучит как запутанный жаргон, связанный в одно предложение. Для других это звучит как футуристическая фантазия, которая когда-то была не очень успешной несбыточной мечтой Николы Теслы. Для Эмрода это вполне реальное решение некоторых из самых серьезных проблем с энергоснабжением на сегодняшний день с бесконечными возможностями (буквально) изменить ландшафт мира.

Итак, что такое беспроводная передача энергии на большие расстояния (WPT)? И как можно использовать беспроводную мощность в реальных сценариях?

Что такое технология беспроводной передачи энергии и как она работает

Беспроводная передача энергии (WPT) — это, вероятно, то, что вы себе представляете; мощность, передаваемая из одного места в другое, без необходимости использования традиционных медных катушек (или проводов) для передачи ее туда. Как беспроводная зарядка вашего мобильного телефона, но в гораздо большем масштабе.

Энергия передается через электромагнитные волны на большие расстояния с использованием запатентованной Emrod формы луча, метаматериалов и технологии ректенн. Для этой технологии требуется передающая антенна для передачи энергии и приемная антенна (ректенна), чтобы делать то, что предполагает ее название, принимать и преобразовывать луч обратно в электричество. Между двумя антеннами можно использовать реле, чтобы увеличить расстояние, через которое может пройти энергия.

Emrod был основан с целью оказать положительное влияние на как можно большее количество людей, поэтому для широкого распространения беспроводной передачи энергии она также должна быть безопасной.И Эмрод делает именно это. Лучи используют обычные электромагнитные частоты в диапазоне ISM, которые используют такие вещи, как Wi-Fi и Bluetooth. Кроме того, двухточечная передача означает отсутствие утечки энергии вокруг луча. Если по какой-либо причине что-то пересекает луч, как птица, он немедленно отключается. То есть птица никогда не касается ничего, кроме чистого воздуха. Emrod не похож на более актуальный пример, 5G, который распространяет повсюду низкие уровни электромагнитного излучения, неизбежно погружая и поражая человеческое тело.

История технологии беспроводной передачи энергии

Передача энергии с помощью микроволн существует уже несколько десятилетий. Фактически, еще в 1891 году Никола Тесла решил поставлять электроэнергию по беспроводной сети. Это привело его к созданию катушки Тесла — первой системы, которая могла передавать энергию без проводов. Он протестировал беспроводную передачу энергии с помощью радиочастотного резонансного трансформатора катушки Тесла. Ему удалось создать переменные токи высокого напряжения и высокой частоты, которые позволили ему без проводов передавать энергию на короткие расстояния.К сожалению, Тесла так и не добился успеха в дальнейшем развитии своей технологии катушек. Однако его изобретения полностью изменили понимание и использование электричества.

Затем, в 70-х годах, НАСА показало, что может поддерживать беспилотный вертолет в воздухе, заряжая его микроволнами с земли, однако они не развили технологию дальше до точки, когда она была бы коммерчески жизнеспособной… Подсказка Эмрода.

Что больше всего изменилось с тех пор, так это в основном технологии метаматериалов.Новые материалы позволили Эмроду невероятно эффективно преобразовывать энергию обратно в электричество. Таким образом, технология становится жизнеспособной для коммерческого использования.

Варианты использования беспроводной системы передачи энергии:

Доступ к возобновляемым источникам энергии и улучшение передачи в удаленные места

Доступ к надежной электроэнергии является ключом к экономическому прогрессу и процветанию. Тем не менее, острова, фермы, отдаленные населенные пункты и прибрежные ветряные электростанции часто полагаются на подводные кабели или одиночные линии через сложную местность.Кроме того, эти линии и кабели требуют дорогостоящей установки и обслуживания. Неудивительно, что это зачастую непомерно дорого, и многие остаются без надежного источника питания. WPT заменяет необходимость дорогостоящего обновления инфраструктуры или дублирования на сложной местности.

В этих случаях Emrod может снизить затраты на установку и обслуживание до 85%. Делает экономически выгодным использование удаленных устойчивых источников энергии, соединение сообществ и повышение устойчивости сети.

С помощью WPT энергоснабжение природного заповедника, такого как остров Стюарт / Ракиура, может осуществляться за счет излучения устойчиво генерируемой гидроэнергии с Южного острова Новой Зеландии. Или это может позволить островным государствам Тихого океана получить доступ к возобновляемым источникам энергии в прибрежных водах. Уменьшение их зависимости от дизель-генераторов, обеспечение электроэнергией отдаленных населенных пунктов и снижение местных затрат на электроэнергию. Не говоря уже о возможностях открытия для них нового экспортного рынка.

Подача электроэнергии на край распределения

Последняя миля (или километр) распределительной сети является дорогостоящей и часто экономически невыгодной.Например, прибрежный город, окруженный пересеченной местностью, или ферма на другой стороне большой долины. В таких ситуациях установка и обслуживание WPT может быть значительно дешевле по сравнению с традиционными решениями для линий электропередач, батарей или микросетей.

Прекрасным примером Новой Зеландии является Пиха, прибрежный город на западном побережье Окленда. Пиха не только спрятан за гористой местностью, но и выдерживает удар сильных ветров и штормов. Все это затрудняет сохранение целостности и надежности линий электропередач круглый год.

В Новой Зеландии Emrod работает вместе с Powerco над улучшением непрерывности поставок на последней миле и экономической жизнеспособности.

Замена генераторов для беспроводной передачи энергии

Наверное, каждый на каком-то этапе своей жизни слышал громкое жужжание генератора. Хотя шум в лучшем случае раздражает, нам пришлось с ним мириться, потому что это удобное портативное устройство, обеспечивающее источник питания по требованию. Компании, критичные к электроснабжению, такие как телекоммуникационные компании и больницы, часто используют их в качестве систем аварийного резервного копирования.Однако они дороги в эксплуатации, загрязняют окружающую среду, шумны и в случае сбоя требуют времени для развертывания или активации.

Вместо этого для плановых и внеплановых отключений можно использовать беспроводную передачу электроэнергии для устранения «разрыва» в сети, вызванного отключением линий. Мобильные установки на грузовиках или компактные стационарные системы могут передавать электроэнергию тем, кто в ней нуждается. Предлагая решение для сокращения времени простоя и затрат, без шума и загрязнения, присущего традиционному генератору.

Формируя будущее

Выше приведены некоторые способы, которыми беспроводная передача энергии может и поможет миру, но как насчет некоторых из менее очевидных способов использования этой технологии?

Для работы беспроводным системам передачи энергии просто необходима прямая видимость от одного конца до другого для передачи энергии.Имея это в виду, о чем можно пофантазировать?

Мы представляем мир, в котором технология Emrod используется для питания электромобилей и кораблей, а также для питания беспилотных летательных аппаратов в полете над городскими районами или сельскими пейзажами. Для нас не исключены даже бестопливные перелеты на самолетах.

Следите за новостями, мы только начинаем!

Wireless Power — Когда исчезнут все эти кабели?

Беспроводная передача энергии была мечтой Николы Теслы более ста лет назад.Тем не менее, несмотря на значительные усовершенствования его работы и работы многих других с тех пор, настоящая беспроводная мощность все еще кажется чем-то несбыточной мечтой.

Итак, возникает вопрос, когда или будет ли когда-либо создан мир без проводов? Давайте взглянем.

Что такое беспроводная передача энергии?

WPT или беспроводная передача энергии — это передача электроэнергии из одной точки в другую через вакуум или воздух без необходимости использования проводов или других физических средств.Предположительно, WPT можно использовать для обеспечения мгновенной подачи энергии или непрерывной поставки энергии по запросу.

Сегодняшние применения этого вида технологий предлагаются там, где обычная проводка недоступна, опасна или просто менее удобна. Сегодняшние примеры включают беспроводные зарядные устройства для интеллектуальных устройств.

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
• Лазерная передача энергии 9
9013 Первые четыре из них, как правило, применимы только для малых расстояний, в то время как последние два специально разработаны для беспроводной передачи энергии на большие расстояния.

Что такое беспроводная зарядка?

Беспроводная, или индукционная, зарядка — это тип передачи энергии, в котором используется электромагнитная индукция для подачи электричества в портативные устройства, такие как смартфоны и планшеты. Сегодня наиболее распространенной формой является так называемый стандарт беспроводной зарядки Qi для смарт-устройств.

Однако эту технологию также можно найти в некоторых транспортных средствах, электроинструментах, другой бытовой электронике, такой как зубные щетки, и некоторых медицинских устройствах. Для его использования совместимые электронные устройства помещаются рядом с зарядной станцией и заряжаются без необходимости точного выравнивания или электрического контакта с ней.

Вообще говоря, существует три основных типа беспроводной зарядки. Это:

• Зарядные площадки — для работы в них используется сильносвязанная электромагнитная индукционная или неизлучающая зарядка.
• Зарядные стаканы или зарядные устройства сквозного типа — в них используется слабосвязанный или радиационный электромагнитный резонансный заряд для передачи заряда на расстояние в несколько сантиметров.
• Несвязанная радиочастотная (RF) беспроводная зарядка — этот тип системы позволяет осуществлять «капельную» зарядку на расстоянии многих метров.
Источник: Libert Schmidt / Flickr

Все они используют один и тот же принцип для создания изменяющегося во времени магнитного поля для индукции тока в замкнутом контуре провода.

Хотя беспроводная зарядка относительно нова для потребительских товаров, вы можете быть удивлены, узнав, что беспроводная зарядка на самом деле является довольно старой концепцией — ей чуть более 100 лет. Подробнее об этом позже.

Как работает беспроводная зарядка?

В большинстве случаев беспроводная зарядка осуществляется посредством процесса, известного как индуктивная связь.Это включает в себя приложение переменного тока через индукционную катушку в зарядной станции или площадке (также известной как первичная катушка или катушка передачи).

Поскольку любой движущийся электрический заряд создает магнитное поле, передающая катушка создает именно такое поле, интенсивность которого регулярно колеблется, поскольку амплитуда переменного тока постоянно изменяется.

Это изменение напряженности магнитного поля порождает так называемое электродвижущее поле, как это было описано в законе индукции Фарадея.

Этот закон гласит, что индуцированное напряжение в цепи пропорционально скорости изменения во времени магнитного потока, проходящего через эту цепь. Проще говоря, это означает, что чем быстрее изменяется магнитное поле, тем больше напряжение в цепи, и любое изменение направления магнитного поля также определяет направление индуцированного тока.

Таким образом, напряжение в цепи можно увеличить, добавив в цепь больше контуров. Таким образом, катушка с двумя петлями имеет в два раза большее напряжение, чем просто одна петля.Это закон, лежащий в основе конструкции и работы электродвигателей и генераторов, и объясняющий, почему эти устройства, как правило, имеют несколько катушек.

Источник: Tony Webster / Flickr

Именно по этой причине зарядные площадки для смартфонов имеют относительно небольшой радиус действия, поскольку медные катушки внутри них имеют диаметр всего несколько сантиметров.

Увеличивая размер используемых катушек, можно значительно увеличить расстояние и эффективность беспроводной зарядки.Чем больше катушки или их больше, тем больше площадь воздействия.

При беспроводной зарядке магнитное поле, создаваемое передающей катушкой, индуцирует другой переменный ток в другой индукционной катушке портативного устройства. Обычно известный как приемная или вторичная катушка, индуцированный переменный ток затем преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямителя, который, в свою очередь, заряжает аккумулятор устройства или обеспечивает прямое питание устройства.

Может быть одна или несколько приемных катушек (или антенн).

Все хорошо, но такая установка имеет тенденцию к относительно небольшому радиусу действия. Чтобы расширить диапазон, можно использовать резонансную индуктивную связь (или магнитный резонанс). Это включает добавление конденсатора к каждой индукционной катушке для создания, по сути, двух LC-контуров с определенной резонансной частотой.

Величину наведенного тока в приемном токе можно увеличить, используя соответствующую емкость, чтобы гарантировать, что контуры резонируют на одной и той же частоте. Это также позволяет значительно увеличить радиус действия беспроводной зарядки.

Каковы основные вехи на пути к беспроводной энергии?

Чтобы оценить долгую историю беспроводной передачи энергии, давайте кратко рассмотрим некоторые из основных вех в развитии беспроводной зарядки на сегодняшний день.

1. Никола Тесла начинает использовать беспроводную зарядку.

Источник: One Tesla / Wikimedia

В конце 19 века дальновидный изобретатель и инженер Никола Тесла впервые продемонстрировал магнитно-резонансную связь.Это, если вы не знаете, передача электричества по воздуху путем создания магнитного поля между двумя отдельными цепями (передатчик и приемник).

Он смог продемонстрировать это, включив по беспроводной сети люминесцентные лампы и лампы накаливания в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс, а затем в серии публичных лекций. Тесла запатентовал эту технологию под названием «резонансный трансформатор» или «катушка Тесла».

Это устройство было способно производить очень высокие напряжения и частоты, а его усовершенствованные более поздние конструкции позволили использовать технологию очень безопасным и надежным образом.Хотя, как мы видели, индуктивная и емкостная связь являются эффектами «ближнего поля» и не могут использоваться для передачи на большие расстояния. Однако Тесла был убежден, что сможет разработать беспроводную энергию на большие расстояния.

В 1902 году Тесла начал экспериментировать с гораздо более крупной аппаратурой, чтобы увидеть, возможно ли его видение всемирной беспроводной системы доставки энергии. Он предвидел огромную сеть башен, которые могли бы без проводов освещать города, передавать сообщения и, возможно, даже приводить в действие такие вещи, как самолеты в воздухе.

Его первый прототип, Башня Ворденклиф, был многообещающим, но в конечном итоге затея провалилась.

Тем не менее, это была революционная работа, намного опередившая свое время.

2. Изобретение радио помогло продвинуть эту концепцию дальше

Источник: not_Aaron / Flickr

Хотя технически говоря, это не форма беспроводной передачи энергии, радио работает по очень похожей концепции. Выявленный и изученный немецкими физиками Генрихом Герцем в конце 1880-х годов, он настолько распространен сегодня, что мы почти не задумываемся о нем.

Радио работает, передавая по воздуху электромагнитные волны на частотах от десятков до сотен герц. Они генерируются электронными устройствами, называемыми передатчиками, которые излучают радиоволны до тех пор, пока они не будут приняты другой антенной — приемником.

В приемнике радиоволны индуцируют небольшой переменный ток, который затем преобразуется в звук через преобразователь. По сути, весь этот процесс заключается в передаче энергии на расстояние без использования проводов.

Что касается только передачи энергии, то использование радиоволн пока не приносит результатов. Это происходит из-за относительности низкочастотных радиосигналов и того факта, что они распространяются во всех направлениях. Это означает, что на один приемник можно передать очень мало энергии — отсюда и необходимость в усилителе в большинстве ситуаций.

Однако с помощью устройства, называемого выпрямительной антенной. Это тип приемной антенны, которая используется для преобразования электромагнитной энергии в электричество постоянного тока.При использовании ректенны радиоволны, возможно, можно было бы также использовать для передачи электричества на большие расстояния.

Однако текущие работы в этой области могут обеспечить лишь небольшое количество энергии в масштабе микроватт. Хотя он полезен для небольших электронных устройств, таких как светодиоды или кремниевые чипы, он на порядок ниже, чем требуется для ваших умных часов или телевизора. Тем не менее, важно отметить, что беспроводная радиопередача энергии в настоящее время является быстро развивающейся областью.

3.Микроволны использовались для беспроводной передачи энергии еще в 1960-х годах.

Браун создал «вертолетный» аппарат с микроволновым питанием. Источник: Researchgate

Для достижения наилучших результатов для эффективной передачи энергии потребуются передатчики, которые генерируют высокочастотные волны, например микроволны. Для этого микроволны должны быть сфокусированы в узкие лучи для передачи.

Первые шаги в этой области были сделаны во время Второй мировой войны, когда были разработаны такие устройства, как клистрон и магнетронная трубка, а также параболические антенны.

Один интересный пример был сделан Уильямом С. Брауном в 1960-х годах. Он смог продемонстрировать беспроводную передачу энергии на большие расстояния с помощью ректенны, которая могла эффективно преобразовывать микроволны в мощность постоянного тока. В 1964 году ему даже удалось продемонстрировать эту технику, приведя в действие модель «вертолета» с помощью микроволн, излученных с земли!

Браун продолжал совершенствовать эту технику в качестве технического директора программы JPL-Raytheon до своего выхода на пенсию в середине 1980-х годов.Часть его работы позволила его команде передать мощность 30 кВт на расстояние 1 милю (1,6 км) с эффективностью более 80%.

4. Беспроводная передача энергии использовалась в медицинских устройствах в 1960-х годах

Источник: MED-EL

Одним из наиболее важных практических приложений беспроводной передачи энергии было использование индуктивной беспроводной передачи энергии в имплантируемых медицинских устройствах в 1960-е годы. Ранние версии этих устройств использовали только резонансную катушку приемника, в то время как более поздние также поставлялись с катушками резонансного передатчика.

Такие устройства были разработаны для обеспечения высокого КПД с использованием электроники меньшей мощности без необходимости в проводах. Сегодня использование резонансной индуктивной передачи энергии становится все более распространенным явлением со многими коммерчески доступными имплантируемыми медицинскими устройствами, такими как кохлеарные имплантаты.

5. Первые шаги в области беспроводной зарядки в транспортных средствах были сделаны в 1970-х годах

Источник: Momentum Dynamics

В 1970-х годах были предприняты различные попытки обеспечить беспроводную зарядку в транспортных средствах.Например, исследование 1972 года, проведенное профессором Доном Отто из Оклендского университета.

В ходе своего исследования профессор Отто предположил, что автомобиль можно заряжать индуктивно с помощью передатчиков, встроенных в поверхность дороги. Приемники на транспортном средстве, возможно, затем могут использоваться для питания транспортного средства во время его движения.

Позже, в 1978 году, первое применение индуктивной зарядки было продемонстрировано Дж. Болджер и его коллеги. Им удалось создать электромобиль с индуктивным приводом от системы, работающей на частоте 180 Гц, мощностью 20 кВт.

В конце десятилетия в Калифорнии также был представлен автобус с беспроводной зарядкой. Подобные предприятия, основанные на индуктивной зарядке, были пионерами во Франции и Германии примерно в то же время.

Совсем недавно такие компании, как Momentum Dynamics, работали в Норвегии над системами беспроводной зарядки для электромобилей. Используя технологию индуктивной зарядки, они надеются обеспечить беспроводную зарядку электромобилей, таких как автобусы или такси, что позволит им заряжать без необходимости использования зарядных станций.

Это решение позволит электромобилям заряжать свои батареи на холостом ходу, например, ждать, чтобы забрать пассажиров, вместо того, чтобы останавливаться в течение рабочего дня для подзарядки. Компания также работает с другими компаниями в Китае над разработкой аналогичного решения.

6. Зарядка на большие расстояния была продемонстрирована в 2007 году

В 2006 году профессор Массачусетского технологического института Марин Солячич впервые продемонстрировал, что электричество может передаваться на расстояние более 6,6 футов (2 м). Это было достигнуто за счет использования очень резонансной формы магнитной индукции.

Soljačićm продемонстрировал, что можно передавать мощность 60 Вт на аналогичный приемник с двойным резонансом на расстоянии 6,6 футов (2 м). Мало того, это было достигнуто с поразительной эффективностью 40%.

7. Консорциум Wireless Power Consortium был основан в 2008 г.

Источник: Аарон Ю / Flickr

В 2008 г. в ответ на широкомасштабное распространение мобильных телефонов, планшетов и других устройств были достигнуты успехи в исследованиях среднего -расширение беспроводного питания и технологии зарядки, чтобы избавиться от необходимости использовать модем и розетки для зарядки.В рамках этих усилий был создан консорциум Wireless Power Consortium для разработки стандартов взаимодействия в отрасли.

Это в конечном итоге привело к появлению стандарта индуктивной мощности Qi, который был впервые опубликован в 2009 году для высокоэнергетической зарядки и питания портативных устройств мощностью до 5 Вт на расстоянии 1,6 дюйма (4 см).

8. Сфокусированные электромагнитные лучи могут стать будущим беспроводной энергии

Впечатление художника о проекте NASA sps-ALPHA. Источник: SingularityHub / NASA

Одним из интересных направлений исследований беспроводной передачи энергии является использование электромагнитных лучей в качестве основного средства передачи.Например, с микроволнами проводились эксперименты, чтобы обеспечить двухточечную передачу энергии без использования проводов.

НАСА провело исследование в 1960-х годах, чтобы изучить возможность сбора энергии из космоса с помощью спутников, обшитых солнечными панелями, и «направить» энергию обратно на Землю. Работа проводилась в Лаборатории реактивного движения НАСА, где после некоторых проб и ошибок исследователи продемонстрировали передачу 30 кВт на расстояние 1,5 км с использованием микроволн 2,38 GH с эффективностью 80%.

Дальнейшая работа над аналогичной концепцией, получившей название SPS-ALPHA, была позже разработана НАСА в начале 2010-х годов.

В последнее время работа в этой области была сосредоточена на использовании дронов на больших расстояниях. Например, в конце 1980-х Канадскому исследовательскому центру связи удалось разработать небольшой прототип самолета под названием «Стационарная высокогорная релейная платформа (SHARP)».

Этот самолет приводился в действие с помощью микроволн и ректенны и мог пролетать 13 миль (21 км) в воздухе и оставаться в воздухе в течение нескольких месяцев без необходимости подзарядки.Аналогичный, более совершенный аппарат был разработан в Киотском университете в начале 1990-х годов под названием «Эксперимент с подъемом самолета в микроволновую печь» (MILAX).

В начале 2000-х НАСА также удалось разработать первый в мире самолет с лазерным приводом. Был разработан небольшой прототип, работающий от электричества, вырабатываемого фотоэлементами, вырабатывающими энергию наземного ИК-лазера.

9. Различные компании сейчас работают над беспроводной передачей энергии для вашего дома.

Источник: Wi-Charge

В последние годы частный сектор все активнее принимает участие в том, чтобы помочь сделать беспроводную передачу энергии широко распространенной.Различные компании, такие как Wi-Charge, Energous и Ossia, в настоящее время разрабатывают методы безопасного и надежного питания устройств по беспроводной сети с использованием инфракрасных и радиочастотных технологий.

Решение Wi-Charge использует сфокусированные лучи инфракрасного света, направленные на приемник на активированном устройстве, которое преобразует луч в полезную электроэнергию. Energous, с другой стороны, разрабатывает радиоволны, чтобы обеспечить возможность зарядки многих устройств в радиусе 49 футов (15 метров).

Ossia разрабатывает средства беспроводной передачи энергии, специально предназначенные для автомобильного рынка.Они надеются предоставить средства беспроводной зарядки совместимых устройств в автомобиле в будущем.

Эти решения могли бы оставить в прошлом зарядные кабели — что-то, что было бы очень удобно в местах, где электрические кабели потенциально опасны или неудобны, например, в ванных комнатах.

10. Беспроводная передача энергии на большие расстояния может быть буквально за горизонтом

Источник: Emrod

Для беспроводной передачи энергии по сравнению с традиционными проводными источниками энергии необходимы средства для ее передачи на большие расстояния.Именно здесь такие компании, как базирующаяся в Новой Зеландии Emrod, могут вскоре произвести революцию в способах передачи энергии по всему миру.

Они разрабатывают средства безопасного и беспроводного распределения электроэнергии в сотрудничестве с Powerco (вторым по величине дистрибьютором электроэнергии Новой Зеландии). Emrod недавно сообщил о многообещающих результатах своих текущих прототипов, когда большое количество энергии эффективно передается между двумя точками.

В их решении используется серия антенн, реле и приемная ректенна для преобразования микроволновой энергии в электричество.Эти микроволны находятся в неионизирующем промышленном, научном и медицинском диапазоне радиочастотного спектра, который включает частоты, обычно используемые в связи Wi-Fi и Bluetooth.

11. Будущее должно быть быстрее и на больших расстояниях

Последние достижения в области беспроводной передачи энергии впечатляют, но это только начало. Однако важно отметить, что большинство экспертов подчеркивают, что существующие решения не являются полностью беспроводными, поскольку сами передатчики должны каким-либо образом подключаться к электросети.

Не только это, но и количество потребителей в настоящее время несколько ограничено. Когда пользователи начнут доверять и массово покупать , спрос на гибкость и надежность, вероятно, значительно улучшится.

Это давление рынка вынудит производителей разрабатывать более прочные, надежные решения для беспроводной зарядки с большим радиусом действия. В настоящее время для бытовых применений у потребителей есть выбор между малой, но быстрой зарядкой (по аналогии с проводом) или более длительной подзарядкой.

Работа над беспроводным распределением энергии на большие расстояния потенциально очень многообещающая, но это далеко не жизнеспособная альтернатива традиционным медным проводам — ​​по крайней мере, на данный момент.

Однако в ближайшие годы и десятилетия некоторые из наиболее распространенных применений кабелей в вашем доме могут уйти в прошлое, и то же самое может относиться и к вашему электромобилю. Однако крупномасштабное распределение электроэнергии с электростанций или из космоса, скорее всего, будет невозможно в ближайшее время.

Когда-то могут быть решены надежные и безопасные решения для крупномасштабного распределения на большие расстояния для коммунальных предприятий и предприятий, а также решения для ближнего и среднего радиуса действия для потребителей, и преимущества обоих вместе взятых, только тогда беспроводная зарядка станет по-настоящему достичь совершеннолетия.

Беспроводная передача энергии — обзор

1.5.6 Беспроводная передача энергии

Беспроводная передача энергии (WPT) — это передача электроэнергии без проводов, основанная на технологиях, использующих изменяющиеся во времени электрические, магнитные или электромагнитные поля.БПЭ полезен для питания электрических устройств там, где это неудобно или невозможно, как в случае встроенных в тело датчиков, исполнительных механизмов и устройств связи.

Мощность может передаваться на короткие расстояния (передача в ближнем поле) с помощью переменных магнитных полей и индуктивной связи между катушками или с помощью переменных электрических полей и емкостной связи между металлическими электродами. Индуктивная связь является наиболее распространенным методом БПЭ и используется в зарядных устройствах, таких как смартфоны, электробритвы, визуальные протезы и имплантируемые медицинские устройства (кардиостимуляторы, кохлеарные имплантаты) (Sun et al., 2013; Moorey et al., 2014) (рис.16). При расстоянии 20 мм и размере пары катушек диаметр петли и частота играют важную роль в определении характеристик WPT (Celik and Aydin, 2017).

Рис. 16. Емкостная и индуктивная муфты для БПЭ.

(От Sun, TJ, Xie, X., Wang, ZH, 2013. Проблемы проектирования беспроводной передачи энергии для медицинских микросистем. В: IEEE International Wireless Symposium (IWS), 2013 г.) , радиочастотные (RF) и ультразвуковые муфты.Из них индуктивная связь характеризуется высоким КПД и способностью передавать мощность и поэтому превосходит два других (Moutopoulou et al., 2015), см. Таблицу 1. Также, согласно Sun et al. (2013), индуктивная связь считается лучшим выбором для биомедицинских приложений.

Таблица 1. Варианты неемкостных БПЭ

	Опции
Параметры	Индуктивная связь [11] [12]	RF [6] [13]	Ультразвук [14] 90 [12]
Безопасность человека	Зависит от передаваемой энергии	Да	Да
КПД	73%	48%	21% –35%
Макс.	& lt; 1 Вт	100 мВт
Частоты	1 кГц – 100 МГц	30 кГц – 300 ГГц	10 кГц – 10 МГц

Из Moutopoulou, E., Бертос, Г.А., Маблекос-Алексиу, А., Пападопулос, Е.Г., 2015. Возможность создания биомехатронного контроллера протеза верхних конечностей из EPP. Конф. Proc. IEEE Eng. Med. Биол. Soc. 2015, 2454–2457. https://doi.org/10.1109/EMBC.2015.7318890.

Возможные биомедицинские приложения включают искусственное сердце, визуальные протезы, глотательные устройства (Kim et al., 2014) и биомехатронные устройства, встроенные в верхние конечности (Kontogiannopoulos et al., 2018). Имплантируемые нервные протезы обычно имеют требования к питанию, превышающие возможности имплантируемых батарей разумного размера.Следовательно, чрескожная магнитная связь остается методом выбора для питания имплантированных нервных протезов (Troyk and DeMichele, 2003). Полностью беспроводная система регистрации ЭМГ, которая может обеспечивать управление протезом верхней конечности при достижении максимальной эффективности передачи энергии за счет магнитно-резонансной (индуктивной) БПЭ, описана в Bercich et al. (2016). Это решение делает заметный прогресс в эффективности WPT за счет слабосвязанных индуктивных звеньев, специально для протезов верхних конечностей.В качестве дополнительного преимущества индуктивной связи можно передавать данные (Ghovanloo and Najafi, 2004; Troyk and DeMichele, 2003).

Для этих приложений требуются направленность, стабильность, надежность и эффективность системы за счет усовершенствования конструкции катушки беспроводной передачи и рабочих настроек (Kim et al., 2014). Другие важные параметры включают безопасность человека из-за повышения температуры тканей и миниатюризации соответствующей электроники (Moutopoulou et al., 2015).

Методы моделирования, используемые при анализе систем WPT, с особым акцентом на приближениях, ограничивающих их применимость, с целью общего метода моделирования, приведены в Moorey et al. (2014). Исследования в области имплантируемых мощных нейропротезных устройств, таких как визуальные протезы и BCI, сосредоточены на чрескожных индуктивных силовых связях, образованных между парой напечатанных спиральных катушек (PSC), производимых партиями с использованием технологии микромашиностроения. Оптимизация энергоэффективности беспроводной связи является обязательной для минимизации размера внешнего источника энергии, рассеивания тепла в тканях и помех для других устройств.Теоретические основы оптимальной эффективности передачи энергии в индуктивном канале в сочетании с полуэмпирическими моделями привели к созданию двух примеров конструкции на частотах 1 и 5 МГц, достигающих эффективности передачи энергии 41,2% и 85,8%, соответственно, на расстоянии 10 мм (Jow and Ghovanloo , 2007). Метод определения характеристик и оптимизации прямоугольных катушек, используемых в индуктивных связях для общих приложений, описан в Yong-Xi et al. (2011).

Работает ли беспроводная передача энергии?

Представьте себе улицу возле вашего дома.Теперь сотрите линии электропередач. Представьте себе межгосударственные автомагистрали без неприглядных кабельных вышек, которые усеивают обширный ландшафт Соединенных Штатов. Это может быть беспроводное будущее энергетики, если партнерство между правительством Новой Зеландии и стартапом Emrod будет успешным — и все это восходит к самым смелым мечтам Николы Теслы.

Беспроводное электричество звучит как научная фантастика, но технология уже реализована и подготовлена ​​для практического применения в масштабах коммунального предприятия. И в этой первой в своем роде пилотной программе Powerco — второй по величине дистрибьютор электроэнергии Новой Зеландии — протестирует технологию Emrod, начиная с 2021 года.

«Звучит футуристично и фантастично, но со времен Tesla это повторяющийся процесс».

Компании планируют развернуть прототип беспроводной энергетической инфраструктуры на 130-футовом пространстве. Чтобы сделать это возможным, Эмрод использует выпрямляющие антенны, также известные как «ректенны», которые передают микроволны электричества от одной точки пути к другой: решение, хорошо подходящее для гористой местности Новой Зеландии. На промежуточных полюсах установлены специальные квадратные элементы, которые действуют как точки прохода, которые поддерживают гудение электричества, а более широкая поверхность, так сказать, «улавливает» всю волну.

«Мы разработали технологию беспроводной передачи энергии на большие расстояния, — говорит основатель Emrod Грег Кушнир. «Сама технология существует довольно давно. Это звучит футуристично и фантастично, но со времен Tesla это был повторяющийся процесс ».

Связь с Николя Тесла, как признает Кушнир, — это скорее творческий, приятный рассказ, чем настоящая генеалогия. Тесла рассматривал беспроводную энергию в 1890-х годах, когда он работал над своей революционной схемой трансформатора «катушка Тесла», которая вырабатывала электричество переменного тока, но он не смог доказать, что может управлять лучом электричества на большие расстояния.«Сам факт того, что он мог вообразить это, примечателен, но технология, которую он хотел применить, не сработала бы», — говорит Кушнир.

Emrod, напротив, может удерживать луч электричества плотно и сфокусированным с помощью двух технологий. Первый связан с передачей: небольшие радиоэлементы и одиночные волновые диаграммы создают коллимированный луч, что означает, что лучи выровнены параллельно и не будут сильно распространяться по мере распространения. Во-вторых, Эмрод использует искусственно созданные метаматериалы с крошечными узорами, которые эффективно взаимодействуют с этими радиоволнами.

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Беспроводные антенны

Emrod представляют собой носитель, подобный кабелю, а это означает, что их задача — просто подключить источник электропитания к потребителю. Кушнир предполагает разместить технологию Emrod на труднопроходимой местности, которая соединяется с самыми солнечными, ветреными или наиболее благоприятными для воды точками на Земле, поскольку эти сельские места имеют самый большой пробел в электрификации.

Устраняя необходимость в длинных участках традиционной медной проводки, Emrod заявляет, что может обеспечить электричеством эти регионы, которые не могут позволить себе такую ​​инфраструктуру, которая поддерживает энергосистему. Это также может иметь положительные экологические последствия, поскольку многие объекты, у которых нет доступа к электричеству, в конечном итоге полагаются на дизельные генераторы для получения энергии.

Есть даже возможности для поддержки оффшорных ветряных и солнечных электростанций, говорит Кушнир, потому что текущая точка трения для этих форм возобновляемой энергии сводится к стоимости передачи.Например, в проливе Кука, который соединяет Северный и Южный острова Новой Зеландии, морские ветряные электростанции требуют дорогих подводных кабелей.

На данный момент у Кушнира достаточно корпоративной поддержки, чтобы предпринять следующие нормативные шаги и начать распространение технологии Эмрода. По его словам, настоящая проблема будет заключаться в том, чтобы успокоить и просвещать общественность.

«Мы ожидаем большого сопротивления, аналогичного тому, что мы наблюдали с 5G», — говорит он. «Люди подавляют дополнительную радиацию вокруг себя, и это совершенно понятно.«Но, к счастью, — говорит он, — управляемый луч Эмрода не пропускает излучения
». Это не «брызги», как антенна сотового телефона.

Итак, если все пойдет хорошо во время пилотной программы Новой Зеландии в начале 2021 года, беспроводная энергия может быть буквально на горизонте и в США. А когда? Остается только догадываться.

---

Питание без проводов

Изображение любезно предоставлено Emrod

Для беспроводной передачи энергии Emrod генерирует электричество узким и сфокусированным лучом в неионизирующем промышленном, научном и медицинском диапазоне электромагнитного спектра — той части радиодиапазона, которая соответствует частотам Wi-Fi и Bluetooth.

Оттуда передающая антенна передает мощность через различные точки реле на «ректенну», которая может безопасно передавать волны в том же диапазоне частот, что и микроволновая печь в вашем доме. Между тем крошечные лазеры контролируют ректенны, чтобы обнаружить любые препятствия между точками реле. Таким образом, отсутствует внешняя радиация, и
ни одна птица не пострадает при такой передаче энергии.

—Кортни Линдер

---

🎥 Смотри:

Кэролайн Делберт Кэролайн Делберт — писатель, редактор книг, исследователь и заядлый читатель.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Новая Зеландия собирается испытать беспроводную передачу энергии на большие расстояния

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

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

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

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

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

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

Как это работает

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

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

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

Но если он работает, как задумано, луч никогда не будет контактировать ни с чем, кроме пустого воздуха. Система использует сеть лазеров, окружающих луч, для обнаружения препятствий, таких как птица или человек, и автоматически отключает передачу до тех пор, пока препятствие не переместится.

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

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

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

Тест в реальном мире

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

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

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

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

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

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

Источник изображения: Killian Eon / Pexels

Все о беспроводном электричестве

Беспроводное электричество — это буквально передача электроэнергии без проводов.Люди часто сравнивают беспроводную передачу электроэнергии с беспроводной передачей информации, например, по радио, сотовым телефонам или Wi-Fi. Основное различие заключается в том, что при радио- или микроволновых передачах технология фокусируется на восстановлении только информации, а не всей энергии, которую вы изначально передали. Работая с транспортом энергии, вы хотите быть максимально эффективными, близкими или на 100 процентов.

Беспроводное электричество — относительно новая область технологий, но она быстро развивается.Возможно, вы уже используете эту технологию, не зная об этом, например, беспроводную электрическую зубную щетку, которая заряжается в подставке, или новые зарядные устройства, которые вы можете использовать для зарядки своего мобильного телефона. Однако оба этих примера, хотя технически беспроводные устройства не предполагают значительного расстояния, зубная щетка находится в зарядной подставке, а сотовый телефон лежит на зарядной площадке. Разработка методов эффективной и безопасной передачи энергии на расстояние была сложной задачей.

Как работает беспроводное электричество

Есть два важных термина, объясняющих, как работает беспроводное электричество, например, в электрической зубной щетке: «индуктивная связь» и «электромагнетизм». Согласно Консорциуму Wireless Power Consortium, «Беспроводная зарядка, также известная как индуктивная зарядка, основана на нескольких простых принципах. Для этой технологии требуются две катушки: передатчик и приемник. Переменный ток проходит через катушку передатчика, создавая магнитное поле. поле.Это, в свою очередь, вызывает напряжение в катушке приемника; его можно использовать для питания мобильного устройства или зарядки аккумулятора ».

Чтобы объяснить далее, всякий раз, когда вы пропускаете электрический ток через провод, возникает естественное явление: вокруг провода создается круговое магнитное поле. И если вы скручиваете / скручиваете этот провод, магнитное поле этого провода становится сильнее. Если вы возьмете вторую катушку с проводом, через которую не проходит электрический ток, и поместите эту катушку в магнитное поле первой катушки, электрический ток из первой катушки пройдет через магнитное поле и начнет проходить через магнитное поле. вторая катушка, это индуктивная связь.

В электрической зубной щетке зарядное устройство подключено к сетевой розетке, которая посылает электрический ток на спиральный провод внутри зарядного устройства, создавая магнитное поле. Внутри зубной щетки есть вторая катушка, когда вы помещаете зубную щетку в ее подставку для зарядки, электрический ток проходит через магнитное поле и посылает электричество на катушку внутри зубной щетки, эта катушка подключается к аккумулятору, который заряжается. .

История

Беспроводная передача электроэнергии в качестве альтернативы распределению мощности по линиям электропередачи (наша нынешняя система распределения электроэнергии) была впервые предложена и продемонстрирована Никола Тесла.В 1899 году Тесла продемонстрировал беспроводную передачу энергии, запитав поле люминесцентных ламп, расположенных в двадцати пяти милях от источника питания, без использования проводов. Каким бы впечатляющим и дальновидным ни был труд Теслы, в то время на самом деле было дешевле построить медные линии электропередачи, чем строить генераторы того типа, который требовался для экспериментов Теслы. У Tesla закончилось финансирование исследований, и в то время не удалось разработать практичный и экономичный метод беспроводного распределения энергии.

WiTricity Corporation

В то время как Тесла был первым, кто продемонстрировал практические возможности беспроводной энергии в 1899 году, сегодня коммерчески доступно немного больше, чем электрические зубные щетки и зарядные коврики, и в обеих технологиях зубная щетка, телефон и другие небольшие устройства должны быть чрезвычайно надежными. рядом с их зарядными устройствами.

Тем не менее, группа исследователей Массачусетского технологического института во главе с Марином Солячичем изобрела в 2005 году метод беспроводной передачи энергии для домашнего использования, который применим на гораздо больших расстояниях.