Беспроводные источники энергии. Передача электроэнергии без проводов- от начала до наших дней
Открытый Андре Мари Ампером в 1820 году закон взаимодействия электрических токов, положил начало дальнейшему развитию науки об электричестве и магнетизме. Спустя 11 лет, Майкл Фарадей экспериментально установил, что порождаемое электрическим током меняющееся магнитное поле способно индуцировать электрический ток в другом проводнике. Так был создан .
Итак, что ждет будущее?
Его система основана на использовании ультразвука для передачи энергии через воздух. В пользу, которая способна путешествовать на большие расстояния по воздуху. Напротив, он не способен проходить сквозь стены, что могут сделать другие технологии. Маловероятно, что будущее принесет нам мир, в котором энергия переносится полностью беспроводной, подобно тому, как Тесла проектировал ее с его башней Варденклиффа. Даже небезопасно, что в ближайшем будущем мы сможем избавиться от всех кабелей, которые у нас есть дома, но через несколько лет мы, безусловно, сможем.
В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл окончательно систематизировал экспериментальные данные Фарадея, придав им форму точных математических уравнений, благодаря которым была создана основа классической электродинамики, ведь эти уравнения описывали связь электромагнитного поля с электрическими токами и зарядами, а следствием этого должно было быть существование электромагнитных волн.
Просто перенося его в карман или руку и находясь рядом с беспроводным передатчиком. Даже система освещения дома может быть основана на беспроводной системе, способной размещать огни, где мы хотим, без установки или подключения.
- Заряжайте мобильный телефон с поддержкой на столе или даже без него.
- Он оказался привязан к стене, потому что батареи нет.
- Когда вы вернетесь домой, вам не придется подключать электрический автомобиль.
В 1888 году Генрих Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом. Его искровой передатчик с прерывателем на основе катушки Румкорфа мог производить электромагнитные волны частотой до 0,5 гигагерц, которые могли быть приняты несколькими приемниками, настроенными в резонанс с передатчиком.
Возможность передачи электричества через воздух - без необходимости в кабелях - была одной из навязчивых идей блестящего изобретателя Никола Тесла. Его первые попытки почти так же стара, как электричество переменного тока - тот, который используется в обычных пробок - или радио, еще одно из его изобретений.
Его великое стремление заключалось в том, что электричество течет по воздуху, свободно доступное для всех. Однако спустя столетие электрический кабель по-прежнему остается единственным кабелем, который продолжает связывать многие электронные устройства: компьютеры, ноутбуки, мобильные телефоны, принтеры и даже телевизоры или жесткие диски. Любое устройство, способное осуществлять связь по радио, может работать без какого-либо физического соединения. За исключением, временно или постоянно, для, в настоящий момент, незаменимого кабеля питания.
Приемники могли располагаться на расстоянии до 3 метров, и при возникновении искры в передатчике, искры возникали и в приемниках. Так были проведены первые опыты по беспроводной передаче электрической энергии с помощью электромагнитных волн.
В 1891 году , занимаясь исследованием переменных токов высокого напряжения и высокой частоты, приходит к выводу, что крайне важно для конкретных целей подбирать как длину волны, так и рабочее напряжение передатчика, и совсем не обязательно делать частоту слишком высокой.
Самое близкое к электричеству без проводов можно найти, например, в электрических зубных щетках с индукционной зарядкой, которые заряжаются при их размещении на их основе. Что-то подобное предлагает некоторые производители для зарядки мобильных телефонов, которые заряжаются при размещении на определенной поверхности. Но в обоих случаях база нагрузки также подключается к сети.
Тем не менее, передача электричества без кабелей требует, чтобы ни в коем случае не было необходимости подключать электрическое устройство к сети или что оно должно быть помещено на конкретное основание или поверхность. Резонанс - это принцип, используемый для передачи энергии без проводов. Это в основном состоит из соединения двух медных катушек с одинаковой резонансной частотой.
Ученый отмечает, что нижняя граница частот и напряжений, при которых ему на тот момент удалось добиться наилучших результатов, - от 15000 до 20000 колебаний в секунду при потенциале от 20000 вольт. Тесла получал ток высокой частоты и высокого напряжения, применяя колебательный разряд конденсатора (смотрите - ). Он заметил, что данный вид электрического передатчика пригоден как для производства света, так и для передачи электроэнергии для производства света.
Один из них, источник, питается электрической энергией, которая передается как электромагнитное поле в другую, где снова часть ее преобразуется в электричество. Получить электричество «с воздуха». То есть, без необходимости генерировать определенные электромагнитные поля для случая. Мощность, полученная с воздуха, слишком низкая: всего около 5 милливатт.
Это примерно в десять раз меньше минимального, необходимого для того, чтобы начать рассматривать это как вариант. Возможность передачи электроэнергии без кабелей - это не только вопрос удобства. Это также практический вопрос, особенно учитывая, что батареи в настоящее время являются самым слабым местом для мобильных устройств из-за ограниченной емкости хранилища, которую они предлагают.
В период с 1891 по 1894 годы ученый многократно демонстрирует беспроводную передачу, и свечение вакуумных трубок в высокочастотном электростатическом поле, при этом отмечая, что энергия электростатического поля поглощается лампой, преобразуясь в свет, а энергия электромагнитного поля, используемая для электромагнитной индукции с целью получения аналогичного результата, в основном отражается, и лишь малая ее доля преобразуется в свет.
Производство высокоэффективных батарей также экономически и экологически дорого и требует использования невозобновляемого сырья, некоторые из которых не особенно обильны. Помимо прочего, электричество без проводов будет способствовать развитию электромобилей, которые могут получать энергию индукции непосредственно из катушек, установленных под асфальтом, как во время движения, так и при их парковке.
Свидетель - это не только ожидаемый предмет современных технологий, но, как ожидал сто лет назад Никола Тесла, все больше становится необходимостью для справедливого и беспрепятственного развития общества на основе зависимых технологий. Гений физики Никола Тесла со специальными аргументами подчеркнул, что «беспроводная передача электроэнергии на любом расстоянии» является самым эффективным и экономичным источником власти для обеспечения «пищи, мира и труда» в человечестве.
Даже применяя резонанс при передаче с помощью электромагнитной волны, значительного количества электрической энергии передать не удастся, утверждал ученый. Его целью в этот период работы была передача именно большого количества электрической энергии беспроводным способом.
Вплоть до 1897 года, параллельно с работой Тесла, исследования электромагнитных волн ведут: Джагдиш Боше в Индии, Александр Попов в России, и Гульельмо Маркони в Италии.
Выдающийся ученый сербского происхождения определил эту свободную энергию наряду с двумя другими способами использования жизненной силы Солнца: огонь, сжигая энергию, хранящуюся в древесине или угле, и «эффективное использование энергии окружающей среды».
«Утром, когда мы встаем, мы не можем не заметить, что все объекты, которые нас окружают, производятся машинами», - писал он в документе, озаглавленном «Проблема увеличения человеческой энергии», опубликованном в июне. они отдают свои знаменитые слова в честь Солнца.
Откуда берутся все двигатели? Вся эта энергия исходит из единого центра, одного источника, Солнца. Солнце - это весна, которая водит всех. Солнце поддерживает всю человеческую жизнь и поставляет всю человеческую энергию. Затем Тесла планировал использовать эту энергию природы, обеспечиваемую Солнцем, с построением высокоскоростных башен для передачи больших потоков электроэнергии из окружающей среды и для связи на расстоянии. Он беспокоился о более эффективных способах получения использованных металлов и электрических разрядов, которые он предложил получить из атмосферы неограниченным количеством свободного азота для удобрения Земли.
Вслед за публичными лекциями Тесла, Джагдиш Боше выступает в ноябре 1894 года в Калькутте с демонстрацией беспроводной передачи электричества, там он зажигает порох, передав электрическую энергию на расстояние.
После Боше, а именно 25 апреля 1895 года, Александр Попов, используя азбуку Морзе, передал первое радиосообщение, и эта дата (7 мая по новому стилю) отмечается теперь ежегодно в России как «День Радио».
В этой связи он отметил, что наблюдение чрезвычайно быстрых электрических колебаний заставило его разработать серию специальных машин, адаптированных для его исследований. Они имеют чрезвычайно высокую норму и действуют необычайно на организм человека.
Никола Тесла в своей лаборатории. Электрические удары, с которыми они работали, были настолько сильными, что они расплавили кабели и проводящие материалы, прикрепленные к телу. Экспериментальные результаты заставили нынешних врачей воспользоваться экстраординарным нахождением для их лечения, до такой степени, - прокомментировал Тесла, - что они создали специализированные отделы в этой области.
В 1896 году Маркони, приехав в Великобританию, продемонстрировал свой аппарат, передав с помощью азбуки Морзе сигнал на расстояние 1,5 километра с крыши здания почтамта в Лондоне на другое здание. После этого он усовершенствовал свое изобретение и сумел передать сигнал по Солсберийской равнине уже на расстояние 3 километра.
Даже это доказало, среди других ценных наблюдений, что свет может быть произведен более экономически, чем с вакуумными трубками, без необходимости использования ламп с лампами накаливания. Кроме того, было замечено, что эффективность этого света увеличивается пропорционально скорости колебаний.
Но все же потребовались годы, предупреждает гений: «Необходимо было совершенствовать новое генерирующее устройство, способное выдерживать огромные электрические напряжения с полной безопасностью от опасностей высоковольтных токов». Морган, который потратил $ 000 на проект, прекратил финансирование Башни, потому что изобретение обеспечило свободную энергию, не принося большую коммерческую прибыль его бизнесу.
Тесла в 1896 году удачно передает и принимает сигналы на расстоянии между передатчиком и приемником примерно в 48 километров. Однако значительного количества электрической энергии передать на большое расстояние пока никому из исследователей не удалось.
Экспериментируя в Колорадо-Спрингс, в 1899 году Тесла напишет: «Несостоятельность метода индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха». Это станет началом исследований ученого, направленных на передачу электроэнергии на значительные расстояния без использования проводов. В январе 1900 года Тесла сделает в своем дневнике запись об успешной передаче энергии на катушку, «вынесенную далеко в поле», от которой была запитана лампа.
Его лаборатория была демонтирована спустя годы по приказу правительства. Мечта Теслы о свободной энергии с приемником или коллектором с усиливающими качествами не разрушалась. На дистанционной связи было очень продвинуто: мои измерения и расчеты показали, что вполне возможно произвести электрическое движение на нашей планете такой величины, что, без сомнения, его эффект будет заметен в некоторых наших ближайших планетах, таких как Венера и Марс. Таким образом, по простой причине межпланетная коммуникация вступила в стадию вероятности.
Человек - не единственное существо в Бесконечности, наделенное умом. Мы немного углубим беспроводную энергию с самого ее начала и до настоящего момента, используя вопрос безопасности и влияния, которое может иметь или не иметь для нашего здоровья. В последние годы беспроводная энергия достигла определенного прогресса, доказательством чего являются многочисленные демонстрации на различных технологических ярмарках на всех типах устройств.
А самым грандиозным успехом ученого станет запуск 15 июня 1903 года башни Ворденклифф на Лонг-Айленде, предназначенной для передачи электрической энергии на значительное расстояние в больших количествах без проводов. Заземленная вторичная обмотка резонансного трансформатора, увенчанная медным сферическим куполом, должна была возбудить заряд земли и проводящие слои воздуха, чтобы стать элементом большой резонансной цепи.
Когда новые технологии созревают, некоторые проблемы легитимно поднимаются как с точки зрения здоровья, так и с точки зрения безопасности. Как уже упоминалось, модель, принятая в последние достижения, была модель Никола Тесла. Для доказательства существования передачи мощности была использована начальная версия современной люминесцентной лампы.
С тех пор, с последовательными достижениями в нескольких областях передачи и индукции энергии, было создано несколько методов передачи. Метод электродинамической индукции - метод беспроводной передачи на расстоянии около одной шестой используемой длины волны. Метод электростатической индукции - это прохождение электрической энергии через диэлектрик. Микроволновый метод - это метод передачи, который преобразует энергию СВЧ в электрическую. Лазерный метод - энергия может передаваться путем преобразования электричества в лазерный луч, который, в свою очередь, направлен на фотогальванический приемник. Привязанная линия передачи с атмосферным возвратом - Земля - естественно проводящее тело, поэтому для передачи энергии из одной точки в другую она использует верхнюю тропосферу и нижнюю стратосферу как путь. Наземная проводящая поверхность с волноводной линией - использует тот же передатчик, что и для атмосферной передачи. Использует частоту заземления для передачи мощности. . Все эти методы были разработаны в различных областях передачи данных и энергии и за эти годы увеличили их эффективность на более высоких расстояниях и улучшили количество и качество передачи.
Так ученому удалось запитать 200 ламп по 50 Ватт на расстоянии около 40 километров от передатчика. Однако, исходя из экономической целесообразности, финансирование проекта было прекращено Морганом, который с самого начала вкладывал деньги в проект с целью получить беспроводную связь, а передача бесплатной энергии в промышленных масштабах на расстояние его, как бизнесмена, категорически не устраивала. В 1917 году башня, предназначенная для беспроводной передачи электрической энергии, была разрушена.
С новыми инвестициями в эту область были созданы несколько форм беспроводной передачи. С поверхностей, которые переносят устройства на частотную передачу через приемник, который может питаться от телевизора даже до автомобиля. Но эта технология используется не только для электроники. Мир рекламы уже начинает внимательно изучать возможности, которые он может предложить.
В основном он использовал поверхность, которая передавала энергию коробке зерновых культур, которая, в свою очередь, освещала соответствующий логотип огнями и цветами, чтобы придать больший упор на продукт. Когда этот продукт был помещен на специальную поверхность на кухонной полке, данные передавались в кухонную систему о продукте, таком как срок годности или информация о питании.
Уже намного позже, в период с 1961 по 1964 годы, эксперт в области СВЧ-электроники Вильям Браун экспериментировал в США с трактами передачи энергии СВЧ-пучком.
В 1964 году им было впервые испытано устройство (модель вертолета) способное принимать и использовать энергию СВЧ пучка в виде постоянного тока, благодаря антенной решётке, состоящей из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки. Уже к 1976 году Вильям Браун осуществил передачу СВЧ-пучком мощности в 30 кВт на расстояние в 1,6 км с КПД превышающим 80%.
В 2007 году исследовательская группа Массачусетского технологического института под руководством профессора Марина Солячича сумела передать беспроводным способом энергию на расстояние в 2 метра. Передаваемой мощности было достаточно для питания 60 ваттной лампочки.
В основе их технологии (названной ) лежит явление электромагнитного резонанса. Передатчик и приемник - это резонирующие с одинаковой частотой две медные катушки диаметром 60 см каждая. Передатчик подключен к источнику энергии, а приемник - к лампе накаливания. Контуры настроены на частоту 10 МГц. Приемник в данном случае получает только 40-45% передаваемой электроэнергии.
Примерно в тоже самое время похожую технологию беспроводной передачи электроэнергии продемонстрировала компания Intel.
В 2010 году Haier Group, китайский производитель бытовой техники, представила на всеобщее обозрение на выставке CES 2010 свой уникальный продукт - полностью беспроводной LCD телевизор, основанный на данной технологии.
Основы беспроводной зарядки
Беспроводная передача электрической энергии (WPT) дает нам шанс избавиться от тирании кабелей питания. В настоящее время эта технология проникает во все виды устройств и систем. Давайте взглянем на нее!
Беспроводной путь
Большинство современных жилых домов и коммерческих зданий питаются от сетей переменного тока. Электростанции генерируют электричество переменного тока, которое доставляется в дома и офисы с помощью высоковольтных линий электропередачи и понижающих трансформаторов.
Электричество поступает в распределительный щит, а затем электропроводка доставляет электричество к оборудованию и устройствам, которые мы используем каждый день: светильники, кухонная техника, зарядные устройства и так далее.
Все компоненты стандартизованы. Любое устройство, рассчитанное на стандартные ток и напряжение, будет работать от любой розетки по всей стране. Хотя стандарты разных стран и различаются между собой, в конкретной электрической системе любое устройство будет работать при условии соблюдения стандартов данной системы.
Тут кабель, там кабель... Большинство наших электрических устройств обладает кабелем питания от сети переменного тока.
Технология беспроводной передачи электроэнергии
Беспроводная передача электрической энергии (WPT) позволяет подавать питание через воздушный зазор без необходимости использования электрических проводов. Беспроводная передача электроэнергии может обеспечить питание от источника переменного тока для совместимых аккумуляторов или устройств без физических разъемов и проводов. Беспроводная передача электрической энергии может обеспечить заряд мобильных телефонов и планшетных компьютеров, беспилотных летательных аппаратов, автомобилей и прочего транспортного оборудования. Она может даже сделать возможной беспроводную передачу в космосе электроэнергии, полученной от солнечных панелей.
Беспроводная передача электрической энергии начала свое быстрое развитие в области бытовой электроники, заменяя проводные зарядные устройства. На выставке CES 2017 будет показано множество устройств, использующих беспроводную передачу электроэнергии.
Однако концепция передачи электрической энергии бес проводов возникла примерно в 1890-х годах. Никола Тесла в своей лаборатории в Колорадо Спрингс мог без проводов зажечь электрическую лампочку, используя электродинамическую индукцию (используемой в резонансном трансформаторе).
Были зажжены три лампочки, размещенные на расстоянии 60 футов (18 метров) от источника питания, и демонстрация была задокументирована. У Теслы были большие планы, он надеялся, что его башня Ворденклиф , расположенная на Лонг-Айленд, будет без проводов передавать электрическую энергию через Атлантический океан. Этого никогда не произошло из-за различных проблем, в том числе, и с финансированием и сроками.
Беспроводная передача электрической энергии использует поля, создаваемые заряженными частицами, для переноса энергии через воздушный зазор между передатчиками и приемниками. Воздушный зазор закорачивается с помощью преобразования электрической энергии в форму, которая может передаваться по воздуху. Электрическая энергия преобразуется в переменное поле, передается по воздуху, и затем с помощью приемника преобразуется в пригодный для использования электрический ток. В зависимости от мощности и расстояния, электрическая энергия может эффективно передаваться через электрическое поле, магнитное поле или электромагнитные волны, такие как радиоволны, СВЧ излучение или даже свет.
В следующей таблице перечислены различные технологии беспроводной передачи электрической энергии, а также формы передачи энергии.
| Технология | Переносчик электрической энергии | Что позволяет передавать электрическую энергию |
|---|---|---|
| Индуктивная связь | Магнитные поля | Витки провода |
| Резонансная индуктивная связь | Магнитные поля | Колебательные контуры |
| Емкостная связь | Электрические поля | Пары проводящих пластин |
| Магнитодинамическая связь | Магнитные поля | Вращение постоянных магнитов |
| СВЧ излучение | Волны СВЧ | Фазированные ряды параболических антенн |
| Оптическое излучение | Видимый свет / инфракрасное излучение / ультрафиолетовое излучение | Лазеры, фотоэлементы |
Qi зарядка, открытый стандарт для беспроводной зарядки
В то время как некоторые из компаний, обещающих беспроводную передачу электрической энергии, всё еще работают над своими продуктами, уже существует стандарт Qi (произносится как «ци») зарядки, и уже доступны использующие его устройства. Консорциум беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC), созданный в 2008 году, разработал стандарт Qi для зарядки аккумуляторов. Данный стандарт поддерживает и индуктивные, и резонансные технологии зарядки.
При индуктивной зарядке электрическая энергия передается между катушками индуктивности в передатчике и приемнике, расположенными на близком расстоянии. Индуктивные системы требуют, чтобы катушки индуктивности находились в непосредственной близости и были выровнены друг с другом; обычно устройства находятся в непосредственном контакте с зарядной панелью. Резонансная зарядка не требует тщательного выравнивания, а зарядные устройства могут обнаружить и зарядить устройство на расстоянии до 45 мм; таким образом, резонансные зарядные устройства могут быть встроены в мебель или установлены между полками.
Наличие логотипа Qi означает, что устройство зарегистрировано и сертифицировано Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии WPC.
В начале Qi зарядка обладала небольшой мощностью, около 5 Вт. Первые смартфоны, использующие Qi зарядку, появились в 2011 году. В 2015 году мощность Qi зарядки увеличилась до 15 Вт, что позволяет осуществлять быструю зарядку устройств.
Следующий рисунок от Texas Instruments показывает, что охватывает стандарт Qi.
Совместимость с Qi гарантировано могут обеспечить только те устройства, которые перечислены в регистрационной базе данных Qi . В настоящее время там содержится более 700 продуктов. Важно понимать, что продукты с логотипом Qi были проверены и сертифицированы; и магнитные поля, используемые этими устройствами, не вызовут проблем для таких чувствительных устройств, как мобильные телефоны или электронные паспорта. Зарегистрированные устройства будут гарантировано работать с зарегистрированными зарядными устройствами.
Физика беспроводной передачи электрической энергии
Беспроводная передача электрической энергии для бытовых устройств является новой технологией, но принципы, лежащие в ее основе, известны давно. Там, где участвуют электричество и магнетизм, по-прежнему руководствуются уравнениями Максвелла, и передатчики посылают энергию на приемники так же, как и в других формах беспроводной связи. Однако, беспроводная передача электроэнергии отличается от них основной целью, которая заключается в передаче самой энергии, а не закодированной в ней информации.
Электромагнитные поля, участвующие в беспроводной передаче электрической энергии, могут быть достаточно сильными, и поэтому необходимо принимать во внимание безопасность человека. Воздействие электромагнитного излучения может вызвать проблемы, а также существует возможность того, что поля, создаваемые передатчиками электрической энергии, могут помешать работе носимых или имплантированных медицинских устройств.
Передатчики и приемники встраиваются в устройства беспроводной передачи электрической энергии так же, как и аккумуляторы, которые будут ими заряжаться. Реальные схемы преобразования будут зависеть от используемой технологии. Кроме самой передачи электроэнергии, WPT система должна обеспечить связь между передатчиком и приемником. Это гарантирует, что приемник сможет уведомить зарядное устройство о том, что аккумулятор полностью заряжен. Связь также позволяет передатчику обнаружить и идентифицировать приемник, чтобы подстроить значение мощности, передаваемой на нагрузку, а также контролировать, например, температуру аккумулятора.
В беспроводной передаче электрической энергии имеет значение выбор концепции либо ближнего, либо дальнего поля. Технологии передачи, количество энергии, которое может быть передано, и требования к расстоянию влияют на то, будет ли система использовать излучение ближнего поля или излучение дальнего поля.
Точки, для которых расстояние от антенны значительно меньше одной длины волны, находятся в ближней зоне. Энергия в ближней зоне неизлучающая, и колебания магнитного и электрического полей не зависят друг от друга. Емкостная (электрическая) и индуктивная (магнитная) связи могут использоваться для передачи энергии к приемнику, расположенному в ближнем поле передатчика.
Точки, для которых расстояние от антенны больше примерно двух длин волны, находятся в дальней зоне (между ближней и дальней зонами существует переходная область). Энергия в дальней зоне передается в виде обычного электромагнитного излучения. Перенос энергии в дальней зоне также называют лучом энергии. Примерами передачи в дальней зоне являются системы, которые используют для передачи энергии на большие расстояния мощные лазеры или СВЧ излучение.
Где работает беспроводная передача электрической энергии (WPT)
Все технологии WPT в настоящее время находятся на стадии активных исследований, большая часть сосредоточена на максимизации эффективности передачи энергии и иследованию технологий для магнитной резонансной связи . Кроме того, самыми амбициозными являются идеи оснащения WPT системой помещений, в которых человек будет находиться, а носимые им устройства будут заряжаться автоматически.
В глобальном плане, электрические автобусы становятся нормой; планируется ввести беспроводную зарядку для культовых двухэтажных автобусов в Лондоне так же, как и у автобусных систем в Южной Корее , в штате Юта США и в Германии .
Уже была продемонстрирована экспериментальная система для беспроводного питания дронов. И, как уже упоминалось ранее, текущие исследования и разработки сосредоточены на перспективе удовлетворении некоторых энергетических потребностей Земли путем использования беспроводной передачи энергии и солнечных панелей, расположенных в космосе.
WPT работает везде!
Заключение
В то время как мечта Теслы о беспроводной передаче энергии любому потребителю еще далека от реализации, множество устройств и систем используют ту или иную форму беспроводной передачи электроэнергии прямо сейчас. От зубных щеток до мобильных телефонов, от личных автомобилей до общественного транспорта, существует множество применений беспроводной передачи электрической энергии.