Передача энергии на расстояние без проводов. Беспроводная передача энергии: от идей Теслы до современных технологий — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работает беспроводная передача энергии. Какие основные вехи были достигнуты в этой области. Когда мы сможем полностью избавиться от проводов. Какие перспективы у технологии беспроводной зарядки.

Содержание

История развития беспроводной передачи энергии

Идея беспроводной передачи энергии не нова — первые эксперименты в этой области проводил еще Никола Тесла более 100 лет назад. Однако только в последние десятилетия эта технология начала активно развиваться и находить практическое применение.

Рассмотрим основные вехи в истории беспроводной передачи энергии:

1890-е годы — Никола Тесла проводит первые эксперименты по беспроводной передаче энергии с помощью резонансных трансформаторов
1960-е годы — появление первых медицинских имплантов с беспроводным питанием
1970-е годы — эксперименты по беспроводной зарядке электромобилей
2007 год — демонстрация передачи энергии на расстояние более 2 метров с КПД 40%
2008 год — создание консорциума Wireless Power для разработки стандартов

2009 год — публикация стандарта беспроводной зарядки Qi

Принципы работы беспроводной передачи энергии

В основе беспроводной передачи энергии лежит явление электромагнитной индукции. Как это работает?

В передающем устройстве создается переменное магнитное поле
Это поле наводит ЭДС в приемной катушке
Наведенный ток заряжает аккумулятор или питает устройство

Существует несколько основных методов беспроводной передачи энергии:

Индуктивная связь — для передачи на небольшие расстояния
Резонансная индуктивная связь — позволяет увеличить дальность
Микроволновая передача — для больших расстояний
Лазерная передача — передача энергии узконаправленным лучом

Современные технологии беспроводной зарядки

Наиболее распространенной сегодня является технология индуктивной зарядки по стандарту Qi. Она используется в смартфонах, умных часах и других гаджетах.

Как работает беспроводная зарядка Qi?

В зарядном устройстве создается переменное магнитное поле
В заряжаемом устройстве есть приемная катушка
При совмещении устройств в катушке наводится ток
Этот ток заряжает аккумулятор

Преимущества беспроводной зарядки Qi:

Удобство — не нужно подключать провода
Универсальность — совместимость между разными устройствами
Безопасность — отсутствие открытых контактов

Недостатки:

Низкая эффективность — потери на преобразование энергии
Малая дистанция — необходимо точное позиционирование
Медленная зарядка по сравнению с проводной

Перспективные направления развития беспроводной энергии

Технологии беспроводной передачи энергии продолжают активно развиваться. Какие перспективные направления можно выделить?

Увеличение дальности передачи

Современные технологии позволяют передавать энергию лишь на небольшие расстояния. Ведутся разработки по увеличению дальности:

Использование направленных электромагнитных волн
Применение метаматериалов для фокусировки поля
Разработка эффективных ректенн для приема энергии

Повышение мощности и эффективности

Для практического применения необходимо повысить передаваемую мощность и КПД систем. Над этим работают многие исследовательские группы.

Беспроводная зарядка электромобилей

Одно из самых перспективных направлений — разработка систем беспроводной зарядки для электрического транспорта. Это позволит:

Заряжать автомобили во время движения
Уменьшить емкость и стоимость аккумуляторов
Сделать электротранспорт более удобным

Проблемы и ограничения беспроводной передачи энергии

Несмотря на активное развитие, у технологии беспроводной передачи энергии остается ряд нерешенных проблем:

Низкий КПД по сравнению с проводной передачей
Сложность передачи энергии на большие расстояния
Вопросы электромагнитной совместимости
Потенциальное влияние на здоровье человека
Высокая стоимость оборудования

Для широкого внедрения технологии необходимо решить эти проблемы.

Области применения беспроводной энергии

Где уже сегодня применяется и может применяться в будущем беспроводная передача энергии?

Зарядка мобильных устройств и носимой электроники
Беспроводное питание бытовой техники
Зарядка электромобилей
Питание медицинских имплантов
Передача энергии в труднодоступные места
Питание беспилотных летательных аппаратов
Передача энергии с орбитальных солнечных электростанций

Когда наступит эра беспроводной энергии?

Полностью избавиться от проводов в ближайшем будущем вряд ли удастся. Однако постепенно сфера применения беспроводных технологий будет расширяться.

Что нужно для наступления эры беспроводной энергии?

Повышение эффективности передачи энергии
Увеличение мощности и дальности
Снижение стоимости оборудования
Разработка единых стандартов
Решение вопросов безопасности

По оптимистичным прогнозам, массовое внедрение технологий беспроводной передачи энергии может начаться в 2030-х годах. Однако точные сроки предсказать сложно — слишком много факторов влияет на развитие технологии.

Беспроводное будущее и беспощадная физика

Идеи Теслы в космосе
Если не строить воздушных замков, можно скромно надеяться, что микроволновая беспроводная энергосеть сможет дополнить традиционную проводную там, где нельзя проложить электрокабель: в горах или, скажем, на космических автоматических станциях и спутниках. Однако история технологий говорит о том, что порой за воздушный замок принимают прорывную идею. Пример —исследование, опубликованное японским университетом Цукуба в августе 2021 года. Оно показывает, что высокоэнергетическое микроволновое излучение может стать эффективным источником беспроводной энергии для космических запусков. Топливо «крадет» до 90% подъемного веса ракеты, а если вместо него применить беспроводную микроволновую энергию, можно (теоретически) увеличить полезный груз.

Однако больше всех заинтересована в технологиях беспроводной передачи энергии одна из самых молодых отраслей — космическая энергетика. Космос, где Солнце находится в прямой видимости и его лучи не рассеивает и не ослабляет земная атмосфера, — идеальное место для сбора и использования солнечной энергии. Мир жаждет чистых возобновляемых источников энергии, и даруемая Солнцем энергия слишком хороша, чтобы упустить эту возможность.

В 1968 году американский инженер-исследователь Питер Глейзер представил идею больших спутниковых систем на высоте геостационарной орбиты для сбора и преобразования энергии Солнца в электромагнитный пучок СВЧ и передачи полезной энергии на большие антенны на Земле. (Строго говоря, идею энергетического спутника первым предложил в 1941 году фантаст Айзек Азимов в рассказе «Логика», в котором описывается космическая станция, передающая энергию Солнца на различные планеты с помощью микроволновых лучей.)

Идея П. Глейзера состоит в следующем. Предположим, что на высокой геостационарной орбите имеется сеть спутников, которые собирают свет Солнца при помощи солнечных батарей или иных устройств, преобразуют свет в энергию микроволнового сигнала или лазерного излучателя, а также питают передатчик или излучатель. Микроволновой сигнал или энергия лазера передаются на ректенну базовой станции на Земле — скорее всего, ее размеры будут огромны. Базовая станция преобразует микроволны в электричество постоянного тока, и так далее.

Концепция сбора солнечной энергии в космическом пространстве (SBSP) и ее передачи на Землю исследуется с начала 1970-х годов. Привлекательность SBSP в том, что солнечные энергосистемы космического базирования преобразуют солнечный свет в микроволны за пределами атмосферы, что позволяет избежать потерь из-за отражения и поглощения энергии.

Все это будет возможно, когда люди избавятся от помех в виде микрометеоритов, научатся поддерживать спутник в постоянном положении (сейчас оно меняется из-за воздействия на развернутые солнечные батареи давления солнечного света), решат проблемы эффективности фотоэлектрики и микрочипов при высоких и сверхнизких температурах, точности и безопасности направленного энергетического луча и еще несколько десятков проблем, одна сложнее другой.

В последние десятилетия, с падением стоимости солнечных батарей и доставки грузов на орбиту, идея снова обрела актуальность. За SBSP как крупномасштабную форму устойчивой «зеленой» энергии ухватилась климатическая инженерия. Современные технологии и инфраструктура космических запусков не позволяют создать даже опытную SBSP, но время идет, и, если появятся радикально новые технологии космических запусков, да еще орбитальные промышленные базы для производства энергетических спутников из астероидов, — то кто знает, может быть, идея воплотится в жизнь.

Исследования в области космической энергетики ведутся в Японии, Китае, России, Великобритании и США. В 2008 году Япония приняла Основной закон о космосе, который объявил космическую солнечную энергию национальной целью.

ЦНИИмаш (флагман исследовательских учреждений Роскосмоса) выступил с инициативой создания экспериментальных космических солнечных электростанций (КСЭС) мощностью 1−10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. Американские и японские разработчики пошли по пути использования СВЧ‑излучения.

О еще одном проекте космической солнечной энергетики (Space-based Solar Power Project, SSPP) стало известно в августе. Калифорнийский технологический институт объявил, что Дональд Брен, член совета директоров университета и владелец инвестиционной компании Irvine Company, еще в 2013 году пожертвовал $ 100 млн на создание спутниковой беспроводной сети на базе микроволнового излучения, которая могла бы обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии в любую точку Земли. О пожертвовании стало известно лишь теперь, восемь лет спустя: SSPP хочет представить публике вехи проекта. В начале 2023 года организация запустит демонстрационные прототипы, которые собирают и преобразуют солнечный свет в электрическую энергию и передают ее по беспроводной сети с использованием радиочастот. Прототип состоит из модельной сборки плоских сверхлегких элементов размером 6×6 футов, в которые интегрированы высокопроизводительная фотоэлектрическая система и масштабная система фазированных антенных решеток для передачи энергии. Интеграция солнечной энергии и радиочастотного преобразования в одном элементе позволяет снизить вес и сложность конструкции. Эта концепция обеспечивает масштабируемость и снижает влияние отказа локальных элементов на другие части системы.

Однако если «взлетит» один из этих проектов или даже все, они столкнутся с проблемой отведения тепла. По расчетам Европейского космического агентства, космическая энергия будет конкурентной по сравнению с ВИЭ, если спутниковая система сможет передавать на Землю энергию мощностью 150 ГВт и больше. Это от трети до половины среднего потребления электроэнергии в Европе. Будем оптимистами и представим, что КПД спутниковой энергосистемы равен 20%. Это значит, что передача к наземной станции 150 ГВт электроэнергии потребует от нас избавиться от 600 ГВт тепла в вакууме. Для этого понадобится теплоотвод. Так где же мы подвесим наши спутники? И не вскипятим ли случайно Тихий океан?

Что же получается? Для того чтобы космическая энергетика стала реальностью, чтобы энергию Солнца передавать на Землю без проводов, одной безумной идеи не хватит.

Нужно две, пять или десяток.

Беспроводная передача энергии на 5 метров / Хабр

alizar

18 апр 2014 в 00:16

Время на прочтение 2 мин

Количество просмотров

62K

Беспроводные технологии *

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

В настоящее время самой совершенной технологией передачи энергии считается магнитно-резонансная система (Coupled Magnetic Resonance System, CMRS), разработанная в Массачусетском технологическом институте в 2007 году.

Она обеспечивает передачу тока на расстояние 2,1 метра. С того времени и до сих пор ничего нового в этой области не изобретали, а сама CMRS столкнулась с некоторыми ограничениями, которые не позволили пустить её в массовое производство: например, сложная конфигурация катушек, большие размеры, высокая частота передачи и слишком высокая чувствительность к внешним помехам, таким как присутствие человека.

Учёные из Южной Кореи разработали новый передатчик электроэнергии — резонансную систему из дипольных катушек (Dipole Coil Resonant System, DCRS), работающую на расстоянии до 5 метров между приёмником и передатчиком. На первый взгляд, система лишена многих недостатков CMRS, здесь используются довольно компактные катушки 10х20х300 см, которые вполне можно незаметно вмонтировать в стены квартиры.

Общая конфигурация DCRS

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

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

Теги:

резонансная система
дипольные катушки
Dipole Coil Resonant System
DCRS
кпд

Хабы:

Беспроводные технологии

Всего голосов 35: ↑31 и ↓4 +27

Комментарии 74

Анатолий Ализар @alizar

автор, фрилансер

Комментарии Комментарии 74

Беспроводная мощность

— 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 до сих пор кажется несбыточной мечтой.

Итак, напрашивается вопрос, когда вообще будет создан мир без проводов? Давайте взглянем.

Что такое беспроводная передача энергии?

БПЭ, или беспроводная передача энергии, представляет собой передачу электроэнергии из одной точки в другую через вакуум или воздух без необходимости использования проводов или других физических средств. Предполагается, что БПЭ можно использовать для обеспечения мгновенной подачи энергии или непрерывной подачи энергии по запросу.

Источник: Chapendra/Flickr

Современные технологии такого типа предлагаются там, где обычная проводка недоступна, опасна или просто менее удобна. Примеры сегодня включают беспроводные зарядные устройства для интеллектуальных устройств.

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

Индуктивное соединение
Магнитно-резонансная индукция
Электростатическая индукция
Резонансная индуктивная связь
Микроволновая передача энергии
Лазерная передача энергии

Первые четыре из них, как правило, применимы только для коротких расстояний, а последние два специально разработаны для беспроводной передачи энергии на большие расстояния.

Что такое беспроводная зарядка?

Беспроводная или индуктивная зарядка — это тип передачи энергии, в котором используется электромагнитная индукция для обеспечения электроэнергией портативных устройств, таких как смартфоны и планшеты. Сегодня наиболее распространенной формой является так называемый стандарт беспроводной зарядки Qi для интеллектуальных устройств.

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

Вообще говоря, существует три основных типа беспроводной зарядки. К ним относятся:

Зарядные площадки — в них используется сильно связанная электромагнитная индуктивная или безызлучательная зарядка.
Зарядные стаканы или зарядные устройства сквозного типа — в них используется слабосвязанная или радиационная электромагнитно-резонансная зарядка для передачи заряда на несколько сантиметров.
Несвязанная радиочастотная (РЧ) беспроводная зарядка. Этот тип системы позволяет осуществлять «струйную» зарядку на расстоянии многих метров.

Источник: Libert Schmidt/Flickr

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

Будучи относительно новой для потребительских товаров, вы можете быть удивлены, узнав, что беспроводная зарядка на самом деле является довольно старой концепцией — на самом деле 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 подачу переменного тока через индукционную катушку в зарядной станции или на площадке (также известную как первичная катушка или передающая катушка).

Поскольку любой движущийся электрический заряд создает магнитное поле, передающая катушка создает именно такое поле, интенсивность которого регулярно колеблется по мере постоянного изменения амплитуды переменного тока.

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

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

Самые популярные

Таким образом, напряжение цепи можно увеличить, добавив в цепь больше контуров. Таким образом, катушка с двумя петлями имеет вдвое большее напряжение, чем только одна петля. Этот закон лежит в основе конструкции и работы электрических двигателей и генераторов и объясняет, почему эти устройства, как правило, имеют несколько катушек.

Источник: Tony Webster/Flickr

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

Кроме того, увеличивая размер используемой катушки (катушек), расстояние и эффективность беспроводной зарядки также могут быть заметно увеличены. Чем больше катушки или чем их больше, тем больше площадь воздействия.

При беспроводной зарядке магнитное поле, создаваемое передающей катушкой, индуцирует другой переменный ток в другой индукционной катушке внутри портативного устройства. Индуцированный переменный ток, широко известный как приемная или вторичная катушка, затем преобразуется в постоянный 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 у такой установки обычно относительно небольшой радиус действия. Для расширения диапазона можно использовать резонансную индуктивную связь (или магнитный резонанс). Это включает в себя добавление конденсатора к каждой индукционной катушке для создания двух LC-контуров с определенной резонансной частотой.

Величину индуцированного тока в принимающем токе можно увеличить, используя соответствующую емкость, чтобы контуры резонировали на одной частоте. Это также позволяет значительно увеличить радиус действия беспроводной зарядки.

Каковы основные вехи на пути к беспроводному питанию?

Чтобы оценить долгую историю беспроводной передачи энергии, давайте кратко рассмотрим некоторые основные вехи в развитии беспроводной зарядки на сегодняшний день.

1. Никола Тесла запускает 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 в курсе, передача электричества по воздуху путем создания магнитного поля между двумя отдельными цепями (передатчиком и приемником).

Он смог продемонстрировать это, зажигая беспроводным способом фосфоресцентные лампы и лампы накаливания в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс, а затем в серии публичных лекций. Тесла запатентовал технологию под названием «резонансный трансформатор» или «катушка Теслы».

Это устройство могло производить очень высокие напряжения и частоты, а его усовершенствованные более поздние конструкции позволили использовать эту 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 связь на большие расстояния.

В 1902 году Тесла начал экспериментировать с гораздо более крупным устройством, чтобы увидеть, возможно ли его видение всемирной беспроводной системы доставки энергии. Он предвидел огромную сеть башен, которые могли бы беспроводным образом 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 предприятие провалилось.

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

2. Изобретение радио способствовало дальнейшему развитию концепции

Источник: not_Aaron/Flickr

Хотя с технической точки зрения радио не является формой беспроводной передачи энергии, оно работает по очень похожей концепции. Выявленный и изученный немецкими физиками Генрихом Герцем в конце 1880-х годов, он настолько вездесущ сегодня, что мы даже 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 с помощью преобразователя. Весь этот процесс, по сути, представляет собой передачу энергии на расстояние без использования проводов.

Что касается только передачи энергии, то использование радиоволн еще не доказало свою эффективность. Это происходит из-за относительной низкой частоты радиосигналов и того факта, что они распространяются во всех направлениях. Это означает, что на один приемник может быть передано очень мало энергии — отсюда и необходимость в усилителе в большинстве ситуаций.

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

Однако текущая работа в этой области способна обеспечить только небольшое количество энергии в микроваттном масштабе. Хотя это полезно для небольших электронных устройств, таких как светодиоды или кремниевые чипы, это масштаб меньше, чем требуется для ваших умных часов или телевизора. Тем не менее, важно отметить, что в настоящее время радиоволновая беспроводная передача энергии является быстро развивающейся областью.

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

Источник: Researchgate

Для достижения наилучших результатов для эффективной передачи энергии потребуются передатчики, генерирующие высокочастотные волны, такие как микроволны. Чтобы достичь 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 энергию постоянного тока. В 1964 году ему даже удалось продемонстрировать технику, запустив модель «вертолета» с помощью микроволн, излучаемых с земли!

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

4. Беспроводная передача энергии использовалась в медицинских устройствах в 1960-х годах. 1960-е годы. Ранние версии этих устройств использовали только резонансную приемную катушку, а более поздние также поставлялись с резонансными передающими катушками.

Такие устройства были разработаны для обеспечения высокой эффективности с использованием маломощной электроники без необходимости использования проводов. Сегодня использование резонансной индуктивной передачи энергии становится все более распространенным явлением со многими коммерчески доступными имплантируемыми медицинскими устройствами, такими как кохлеарные имплантаты.

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

Источник: Momentum Dynamics

В 1970-х годах предпринимались различные попытки обеспечить беспроводную зарядку в транспортных средствах. Например, исследование 1972 года профессора Дона Отто из Оклендского университета.

Профессор Отто в своем исследовании предположил, что транспортное средство можно заряжать индуктивно с помощью передатчиков, встроенных в поверхность дороги. Приемники на транспортном средстве, предположительно, могли бы затем использоваться для питания транспортного средства во время его движения.

Позже, в 1978 году, первое применение индукционной зарядки было продемонстрировано Дж.Г. Болджер и его коллеги. Им удалось создать электромобиль с индуктивным питанием, используя систему, работающую на частоте 180 Гц и мощностью 20 кВт.

В конце десятилетия в Калифорнии также был представлен автобус с беспроводной зарядкой. Примерно в то же время аналогичные предприятия, основанные на индуктивной зарядке, были впервые реализованы во Франции и Германии.

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

В этом решении электромобили будут подзаряжать свои аккумуляторы на холостом ходу, например, ожидая посадки 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 г.

В 2006 г. профессор Массачусетского технологического института Марин Солячичм впервые продемонстрировал, что электричество можно передавать на расстояние более 6,6 футов (2 м). Это было достигнуто за счет использования высокорезонансной формы магнитной индукции.

Солячичм продемонстрировал, что можно передать 60 Вт мощности на аналогичный двойной резонансный приемник на расстояние 6,6 футов (2 м). Мало того, это было достигнуто с удивительной эффективностью 40%.

7. Консорциум Wireless Power был основан в 2008 г.

Источник: Aaron Yoo/Flickr

беспроводная технология питания и зарядки для устранения необходимости в модеме и использовании настенных розеток для зарядки. В рамках этих усилий был создан консорциум Wireless Power Consortium для разработки совместимых стандартов в отрасли.

Это в конечном итоге привело к стандарту 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 энергетики

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

Одним из интересных направлений исследований беспроводной передачи энергии является использование электромагнитных лучей в качестве основного средства передачи. Например, были проведены эксперименты с микроволнами для обеспечения передачи энергии от точки к точке без использования проводов.

В 1960-х годах НАСА провело исследование, чтобы изучить возможность сбора энергии из космоса с помощью спутников с солнечными панелями и «передачи» энергии обратно на Землю. Работа проводилась в Лаборатории реактивного движения НАСА, где после некоторых проб и ошибок исследователи продемонстрировали передачу 30 кВт на расстояние 0,93 мили (1,5 км) с использованием микроволн 2,38 ГГц с эффективностью 80%.

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

Совсем недавно работа в этой области была сосредоточена на питании дронов на большом расстоянии. Например, в конце 1980-х годов Канадский исследовательский центр связи смог разработать небольшой прототип самолета, названный Стационарной высотной ретрансляционной платформой (SHARP).

Этот самолет приводился в действие с помощью микроволн и ректенны и мог пролететь 13 миль (21 км) в воздухе и оставаться в воздухе в течение нескольких месяцев без необходимости подзарядки. Аналогичное, более совершенное судно было разработано в Киотском университете в начале XIX века.90-е годы под названием «Эксперимент самолета с микроволновым подъемом» (MILAX).

В начале 2000-х НАСА также удалось разработать первый в мире самолет с лазерным двигателем. Был разработан небольшой прототип, который питался от электричества, генерируемого фотоэлементами, которые генерировали энергию от наземного ИК-лазера.

9. В настоящее время различные компании работают над беспроводным питанием для вашего дома.

Источник: Wi-Charge

В последние годы частный сектор все чаще принимает участие в деятельности, помогающей сделать беспроводную передачу энергии общедоступной. Различные компании, такие как Wi-Charge, Energous и Ossia, в настоящее время разрабатывают безопасные и надежные способы беспроводного питания устройств с использованием инфракрасных и радиочастотных технологий.

Решение Wi-Charge использует сфокусированные лучи ИК-излучения, направленные на приемник включенного устройства, которое преобразует луч в полезную электроэнергию. С другой стороны, Energous разрабатывает радиоволны, позволяющие заряжать многие устройства в радиусе 49 футов (15 метров).

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

Благодаря этим решениям зарядные кабели могли бы уйти в прошлое, 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

Чтобы беспроводная передача энергии могла конкурировать с традиционной проводной, необходимы средства для ее передачи на большие расстояния. Именно здесь такие компании, как Emrod из Новой Зеландии, 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 в Новой Зеландии). Компания Emrod недавно сообщила о многообещающих результатах своих нынешних прототипов, позволяющих эффективно передавать большое количество энергии между двумя точками.

Их решение использует набор антенн, реле и приемную ректенну для преобразования микроволновой энергии в электричество. Эти микроволны находятся в неионизирующем промышленном, научном и медицинском диапазоне радиоспектра, который включает в себя частоты, обычно используемые для связи Wi-Fi и Bluetooth.

11. Будущее должно быть быстрее и на большем расстоянии

Последние разработки в области беспроводной передачи энергии впечатляют, но это только начало. Однако важно отметить, что большинство экспертов подчеркивают, что современные решения не являются полностью беспроводными, поскольку сами передатчики должны быть каким-то образом подключены к сети.

Не только это, но и потребительский спрос в настоящее время несколько ограничен. Когда пользователи начинают доверять и покупаться на это в массовом порядке, спрос на гибкость и надежность, вероятно, значительно улучшится.

Это давление рынка заставит производителей разрабатывать более надежные и долговечные решения для беспроводной зарядки. В настоящее время для бытовых применений потребители могут выбирать между быстрой зарядкой на короткие расстояния (аналогично проводу) или непрерывной зарядкой на большие расстояния.

Работа над беспроводным распределением электроэнергии на большие расстояния потенциально очень перспективна, но она далека от жизнеспособной альтернативы традиционным медным проводам — по крайней мере, на данный момент.

Однако в ближайшие годы и десятилетия некоторые из наиболее распространенных способов использования 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, вероятно, еще не скоро станет возможным.

Как только будут найдены надежные и безопасные решения как для крупномасштабного распределения электроэнергии на большие расстояния для коммунальных служб и предприятий, так и для решений на короткие и средние расстояния для потребителей, а также преимущества обоих сочетаний, только тогда беспроводная зарядка будет по-настоящему достичь совершеннолетия.

For You

Беспроводная передача энергии на короткие и большие расстояния

Беспроводная передача энергии на большие расстояния — это концепция, которая появилась уже давно, с тех пор как Никола Тесла получил патент на катушку Теслы более 120 лет назад.

За последнее десятилетие термин «беспроводная мощность» стал более привычным, и такие компании, как Powerbyproxi и WiTricity, лидируют в области инноваций в области беспроводной технологии малого радиуса действия. То есть способность передавать электроэнергию на короткие расстояния (до нескольких метров), в первую очередь для зарядки потребительских устройств, таких как мобильные телефоны. Эта технология позволяет нам заряжать устройства, не требуя проводов на небольшом расстоянии, например. дома или подъехав к станции зарядки электромобилей.

Следующей эволюцией в освобождении человечества от ограничений, связанных с проводами, является способность передавать большое количество энергии на большие расстояния. Вместо зарядки устройств технология беспроводной передачи на большие расстояния позволит нам снабжать энергией домохозяйства, общины и передавать большие объемы энергии в места, куда слишком сложно и дорого добраться с помощью проводной инфраструктуры. Это технология, над которой работает Emrod, которая будет способствовать внедрению устойчивой энергетики и децентрализации электрических сетей.

В этой статье мы сравниваем беспроводную передачу электроэнергии на короткие и большие расстояния, включая различия в технологиях и вариантах использования.

Во-первых, давайте разберемся, что такое беспроводная передача энергии.

Что такое беспроводная передача энергии?

Беспроводная передача энергии — это передача значительного количества энергии без перемещения или использования массы между передатчиком и приемником. Электромагнитные поля передают энергию через пространство. Это может заменить необходимость в проводах и батареях, чтобы обеспечить более удобный, мобильный и безопасный способ обеспечения энергией.

Согласно ранней истории, Генрих Герц был первым, кто доказал существование электромагнитных волн. Отсюда и название «герц» как единица измерения частоты.

Разницу между передачей мощности на короткие и большие расстояния можно четко определить по расстоянию, на которое передается мощность. Однако что определяет возможности этих различных типов технологий?

Беспроводное питание ближнего действия

Ближний радиус действия — это обычно передача энергии в пределах сантиметров и метров. Наиболее распространенным методом беспроводной передачи энергии является индуктивная передача энергии, при которой мощность передается с использованием магнитного поля с использованием индуктивной связи между двумя катушками провода.

Примеры передачи электроэнергии на короткие расстояния по этому определению включают беспроводное питание устройств в доме или здании и зарядку электромобилей с использованием резонансной магнитной индукционной площадки на земле.

Беспроводная передача энергии на большие расстояния

На большие расстояния обычно передается энергия на сотни метров или километры. Одним из методов передачи энергии является использование антенн для отправки электромагнитных лучей, таких как микроволны или лазеры. Ограничение использования передачи энергии с индуктивной связью на большие расстояния заключается в том, что магнитное поле довольно быстро затухает при увеличении расстояния между передатчиком и приемником. Следовательно, электромагнитное излучение более подходит по этой причине.

Передача энергии на большие расстояния с помощью антенн может быть разделена на две категории: ближняя и дальняя. В ближней зоне можно наблюдать плоские волны с очень небольшой расходимостью пучка или без нее. И наоборот, в дальнем поле наблюдается значительная расходимость луча и обратное квадратичное затухание плотности мощности с расстоянием, чего не наблюдается в ближнем поле.

Для Эмрода мы работаем в ближнем поле, чтобы получить коллимированный луч с незначительными потерями.

Варианты использования для передачи на большие расстояния включают передачу энергии из космоса на землю, зарядку беспилотных летательных аппаратов (без необходимости возвращения БПЛА на базу для зарядки) и передачу энергии по труднопроходимой местности вместо использования проводов, что является проблемой, которую мы решают в Emrod. Узнайте больше о вариантах использования технологии Emrod здесь.

Почему важны эти новые разработки в области технологий дальнего действия?

Чтобы энергия была полезной, она должна перемещаться из места, где она генерируется, туда, где она требуется. Энергия похожа на общение в этом смысле. Чтобы услуги связи были полезными, они должны иметь возможность передавать сообщения от одного человека к другому. В настоящее время наши методы выработки энергии зависят от мест, к которым можно получить экономичный доступ с помощью проводной инфраструктуры (линии и опоры, а также подводные кабели). Многие из лучших мест для производства возобновляемой энергии находятся в труднодоступных местах, например, высоко на холмах или в горах или в прибрежных районах, где много ветра, и это далеко от людей.

С другой стороны, люди, имеющие доступ к энергии, зависят от экономики подключения домохозяйства или общины к источнику энергии. Многие населенные пункты и жилые дома не имеют надежного доступа к электричеству, поскольку они находятся в отдаленных, труднодоступных районах, где прокладка и техническое обслуживание линий электропередач или кабелей экономически нецелесообразно.

За счет снижения затрат и простоты установки и обслуживания инфраструктуры, передающей энергию из одного места в другое, мы можем открыть доступ к энергии и ее поставку.

Варианты использования беспроводной технологии дальнего действия Emrod

Компания Emrod разработала технологию, позволяющую передавать энергию на многие километры. Это первая в мире технология беспроводной передачи энергии на большие расстояния, которая является коммерчески жизнеспособной. Мы используем пассивные реле для передачи энергии на большие расстояния без потерь, которые в противном случае сделали бы передачу на большие расстояния неэффективной и неэкономичной для коммерческих целей.

Применение технологии Emrod широко распространено, но мы в первую очередь сосредоточены на работе с энергораспределительными компаниями и организациями, реализующими проекты в области устойчивой энергетики и децентрализованных сетей.

Беспроводная система Emrod может стать экономичным решением для передачи электроэнергии по местности, где сложно прокладывать и обслуживать линии и кабели электропередач. Например, через леса или водные пути, чтобы облегчить проблемы с правом прохода или уменьшить воздействие опор на окружающую среду, а также для обеспечения резервных систем при выходе из строя линий электропередач, например, при отключении или оказании помощи при стихийных бедствиях.