Как передать энергию на расстоянии

3 способа передачи энергии без проводов — от Теслы до наших дней.

Когда компания Apple представила свое первое беспроводное зарядное устройство для сотовых телефонов и гаджетов, многие посчитали это революцией и огромным скачком вперед в беспроводных способах передачи энергии.

Но были ли они первопроходцами или еще до них, кому-то удавалось проделать нечто похожее, правда без должного маркетинга и пиара? Оказывается были, притом очень давно и изобретателей таких было множество.

Так еще в далеком 1893г прославленный Никола Тесла, продемонстрировал изумленной публике свечение люминесцентных ламп. При том, что все они были без проводов.

Сейчас такой фокус может повторить любой школьник, выйдя в чистое поле и встав с лампой дневного света под линию высокого напряжения от 220кв и выше.

Чуть попозже, Тесла уже сумел зажечь таким же беспроводным способом фосфорную лампочку накаливания.

В России в 1895г А.Попов показал в работе первый в мире радиоприемник. А ведь по большому счету это тоже является беспроводной передачей энергии.

Самый главный вопрос и одновременно проблема всей технологии беспроводных зарядок и подобных методов заключается в двух моментах:

• как далеко можно передать электроэнергию таким способом

• и какое количество

Для начала давайте разберемся, какую мощность имеют приборы и бытовая техника нас окружающие. Например для телефона, смартчасов или планшета требуется максимум 10-12Вт.

У ноутбука запросы уже побольше — 60-80Вт. Это можно сравнить со средней лампочкой накаливания. А вот бытовая техника, особенно кухонная, кушает уже несколько тысяч ватт.

Поэтому очень важно не экономить с количеством розеток на кухне.

Так какие же методы и способы для передачи эл.энергии без применения кабелей или любых других проводников, придумало человечество за все эти годы. И самое главное, почему они до сих пор не внедрены столь активно в нашу жизнь, как того хотелось бы.

Взять ту же самую кухонную технику. Давайте разбираться подробнее.

Передача энергии через катушки

Самый легко реализуемый способ — использование катушек индуктивности.

Здесь принцип очень простой. Берутся 2 катушки и размещаются недалеко друг от друга. На одну из них подается питание. Другая играет роль приемника.

Когда в источнике питания регулируется или изменяется сила тока, на второй катушке магнитный поток автоматически также изменяется. Как гласят законы физики, при этом будет возникать ЭДС и она будет напрямую зависеть от скорости изменения этого потока.

Казалось бы все просто. Но недостатки портят всю радужную картинку. Минусов три:

• маленькая мощность

Данным способом вы не передадите большие объемы и не сможете подключить мощные приборы. А попытаетесь это сделать, то просто поплавите все обмотки.

• небольшое расстояние

Даже не задумывайтесь здесь о передаче электричества на десятки или сотни метров. Такой способ имеет ограниченное действие.

Чтобы физически понять, насколько все плохо, возьмите два магнита и прикиньте, как далеко их нужно развести, чтобы они перестали притягиваться или отталкиваться друг от друга. Вот примерно такая же эффективность и у катушек.

Можно конечно исхитриться и добиться того, чтобы эти два элемента всегда были близко друг от друга. Например электромобиль и специальная подзаряжающая дорога.

Но в какие суммы выльется строительство таких магистралей.

• малый КПД

Еще одна проблема это низкий КПД. Он не превышает 40%. Получается, что таким способом передать много эл.энергии на большие расстояния вы не сможете.

Тот же Н.Тесла указал на это еще в 1899г. Позже он перешел на эксперименты с атмосферным электричеством, рассчитывая в нем найти разгадку и решение проблемы.

Однако какими бы не казались бесполезными все эти штуки, с их помощью до сих пор можно устраивать красивые светомузыкальные представления.

Или подзаряжать технику гораздо большую чем телефоны. Например электрические велосипеды.

Лазерная передача энергии

Но как же передать больше энергии на большее расстояние? Задумайтесь, в каких фильмах подобную технологию мы видим очень часто.

Первое что приходит на ум даже школьнику — это «Звездные войны», лазеры и световые мечи.

Безусловно, с их помощью можно передать большое количество эл.энергии на очень приличные расстояния. Но опять все портит маленькая проблемка.

К нашему счастью, но несчастью для лазера, на Земле есть атмосфера. А она как раз таки хорошо глушит и кушает большую часть всей энергии лазерного излучения. Поэтому с данной технологией нужно идти в космос.

На Земле также были попытки и эксперименты по проверке работоспособности метода. Nasa даже устраивали состязания по лазерной беспроводной передаче энергии с призовым фондом чуть менее 1млн.$.

В итоге выиграла компания Laser Motive. Их победный результат — 1км и 0,5квт переданной непрерывной мощности. Правда при этом в процессе передачи, ученые потеряли 90% всей изначальной энергии.

Но все равно, даже с КПД в десять процентов, результат посчитали успешным.

Напомним, что у простой лампочки полезной энергии, которая идет непосредственно на свет, и того меньше. Поэтому из них и выгодно изготавливать инфракрасные обогреватели.

Микроволны

Неужели нет другого реально работающего способа передать электричество без проводов. Есть, и его изобрели еще до попыток и детских игр в звездные войны.

Оказывается, что специальные микроволны с длиной в 12см (частота 2,45Ггц), являются как бы прозрачными для атмосферы и она им не мешает в распространении.

Какой бы ни была плохой погода, при передаче с помощью микроволн, вы потеряете всего пять процентов! Но для этого вы сначала должны преобразовать электрический ток в микроволны, затем их поймать и опять вернуть в первоначальное состояние.

Первую проблему ученые решили очень давно. Они изобрели для этого специальное устройство и назвали его магнетрон.

Причем это было сделано настолько профессионально и безопасно, что сегодня каждый из вас у себя дома имеет такой аппарат. Зайдите на кухню и обратите внимание на свою микроволновку.

У нее внутри стоит тот самый магнетрон с КПД равным 95%.

Но вот как сделать обратное преобразование? И тут было выработано два подхода:

• Американский

• Советский

В США еще в шестидесятых годах ученый У.Браун придумал антенну, которая и выполняла требуемую задачу. То есть преобразовывала падающее на него излучение, обратно в электрический ток.

Он даже дал ей свое название — ректенна.

После изобретения последовали опыты. И в 1975г при помощи ректенны, было передано и принято целых 30 квт мощности на расстоянии более одного километра. Потери при передаче составили всего 18%.

Спустя почти полвека, этот опыт до сих так никто и не смог превзойти. Казалось бы метод найден, так почему же эти ректенны не запустили в массы?

И тут опять всплывают недостатки. Ректенны были собраны на основе миниатюрных полупроводников. Нормальная работа для них — это передача всего нескольких ватт мощности.

А если вы захотите передать десятки или сотни квт, то готовьтесь собирать гигантские панели.

И вот тут как раз таки появляются не разрешимые сложности. Во-первых, это переизлучение.

Мало того, что вы потеряете из-за него часть энергии, так еще и приблизиться к панелям без потери своего здоровья не сможете.

Вторая головная боль — нестабильность полупроводников в панелях. Достаточно из-за малой перегрузки перегореть одному, и остальные выходят из строя лавинообразно, подобно спичкам.

В СССР все было несколько иначе. Не зря наши военные были уверены, что даже при ядерном взрыве, вся зарубежная техника сразу выйдет из строя, а советская нет. Весь секрет тут в лампах.

В МГУ два наших ученых В.Савин и В.Ванке, сконструировали так называемый циклотронный преобразователь энергии. Он имеет приличные размеры, так как собран на основе ламповой технологии.

Внешне это что-то вроде трубки длиной 40см и диаметром 15см. КПД у этого лампового агрегата чуть меньше, чем у американской полупроводниковой штуки — до 85%.

Но в отличие от полупроводниковых детекторов, циклотронный преобразователь энергии имеет ряд существенных достоинств:

• надежность

• большая мощность

• стойкость к перегрузкам

• отсутствие переизлучения

• невысокая цена изготовления

Однако несмотря на все вышесказанное, во всем мире передовым считаются именно полупроводниковые методы реализации проектов. Здесь тоже присутствует свой элемент моды.

После первого появления полупроводников, все резко начали отказываться от ламповых технологий. Но практические испытания говорят о том, что это зачастую неправильный подход.

Конечно, ламповые сотовые телефоны по 20кг или компьютеры, занимающие целые комнаты никому не интересны.

Но иногда только проверенные старые методы, могут нас выручить в безвыходных ситуациях.

В итоге на сегодняшний день, мы имеем три возможности передать энергию без проводов. Самый первый из рассмотренных ограничен как расстоянием, так и мощностью.

Но этого вполне хватит, чтобы зарядить батарейку смартфона, планшета или чего-то побольше. КПД хоть и маленький, но метод все же рабочий.

Способ с лазерами хорош только в космосе. На поверхности земли это не очень эффективно. Правда когда другого выхода нет, можно воспользоваться и им.

Зато микроволны дают полет для фантазий. С их помощью можно передавать энергию:

• на земле и в космосе

• с поверхности земли на космический корабль или спутник

• и наоборот, со спутника в космосе обратно на землю

Реальные проекты в наши дни

За все последние годы, согласно вышеприведенным технологиям, ученые пытались и пытаются реализовать всего два проекта.

Первый из них начинался очень обнадеживающе. В 2000-х годах на о.Реюньон, возникла потребность в постоянной передаче 10кВт мощности на расстояние в 1км.

Горный рельеф и местная растительность, не позволяли проложить там ни воздушные линии электропередач, ни кабельные.

Все перемещения на острове в эту точку осуществлялось исключительно на вертолетах.

Для решения проблемы в одну команду были собраны лучшие умы из разных стран. В том числе и ранее упоминавшиеся в статье, наши ученые из МГУ В.Ванке и В.Савин.

Однако в момент, когда должны были приступать к практической реализации и строительству передатчиков и приемников энергии, проект заморозили и остановили. А с началом кризиса в 2008 году и вовсе забросили.

На самом деле это очень обидно, так как теоретическая работа там была проделана колоссальная и достойная реализации.

Второй проект, выглядит более безумным чем первый. Однако на него выделяются реальные средства. Сама идея была высказана еще в 1968г физиком из США П.Глэйзером.

Он предложил на тот момент не совсем нормальную идею — вывести на геостационарную орбиту в 36000 км над землей огромный спутник. На нем расположить солнечные панели, которые будут собирать бесплатную энергию солнца.

Затем все это должно преобразовываться в пучок СВЧ волн и передаваться на землю.

Этакая «звезда смерти» в наших земных реалиях.

На земле пучок нужно поймать гигантскими антеннами и преобразовать в электричество.

Насколько огромны должны быть эти антенны? Представьте, что если спутник будет в диаметре 1км, то на земле приемник должен быть в 5 раз больше — 5км (размер Садового кольца).

Но размеры это всего лишь малая часть проблем. После всех расчетов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы электричество мощностью в 5ГВт. При достижении земли оставалось бы всего 2ГВт. К примеру Красноярская ГЭС дает 6ГВт.

Поэтому его идею рассмотрели, посчитали и отложили в сторонку, так как все изначально упиралось в цену. Стоимость космического проекта в те времена вылезла за 1трлн.$.

Но наука к счастью не стоит на месте. Технологии совершенствуются и дешевеют. Сейчас разработку такой солнечной космической станции уже ведут несколько стран. Хотя в начале двадцатого века для беспроводной передачи электроэнергии хватало всего одного гениального человека.

Общая цена проекта упала от изначальной до 25млрд.$. Остается вопрос — увидим ли мы в ближайшее время его реализацию?

К сожалению никто вам четкого ответа не даст. Ставки делают только на вторую половину нынешнего столетия. Поэтому пока давайте довольствоваться беспроводными зарядками для смартфонов и надеяться что ученым удастся повысить их КПД. Ну или в конце концов на Земле родится второй Никола Тесла.

Энергия без проводов. К новому миру беспроводного электричества

В конце XIX века открытие того, что при помощи электричества можно заставить светиться лампочку, вызвало взрыв исследований, целью которых было найти наилучший способ передачи электроэнергии. Во главе гонки оказался знаменитый физик и изобретатель Никола Тесла, который разработал грандиозный проект. Не в состоянии поверить в реальность создания колоссальной сети проводов, охватывающих все города, улицы, здания и комнаты, Тесла пришёл к выводу, что единственный реализуемый способ передачи — беспроводной. Он спроектировал башню высотой примерно 57 метров, которая должна была транслировать энергию на расстояние в многие километры, и даже начал строить её на Лонг-Айленде. Был проведён ряд экспериментов, но нехватка денег не позволила достроить башню. Идея с передачей энергии по воздуху рассеялась, как только оказалось, что промышленность в состоянии разработать и реализовать проводную инфраструктуру.

И вот, несколько лет назад, 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.

Солджачич взялся за исследование способов передачи энергии без проводов. Он отказался от проектов передачи энергии на дальние расстояния наподобие проекта Тесла и сосредоточился на способах передачи энергии на небольшие расстояния, которые позволяли бы заряжать или даже включать портативные устройства — мобильные телефоны, карманные компьютеры, ноутбуки.

Вначале он рассматривал возможность использования радиоволн, которые столь эффективно передают информацию на расстоянии, но обнаружил, что в этом случае большая часть энергии будет рассеиваться в пространстве. Использование лазера требовало, чтобы источник энергии и подзаряжаемое устройство находились в поле зрения друг друга без каких-бы то ни было препятствий между ними. Кроме того, этот метод был чреват повреждениями для объектов, оказавшихся на линии передачи. Поэтому Солджачич стал искать способ передачи, который был бы одновременно эффективен, то есть способен передавать энергию без её рассеивания, и безопасен.

В конце концов он остановился на явлении резонансной связи, когда два настроенных на одну и ту же частоту объекта интенсивно обмениваются энергией между собой, при этом лишь слабо взаимодействуя с другими объектами. Классической иллюстрацией этого эффекта является опыт с несколькими бокалами, наполненными вином каждый до своего отличного от остальных уровня. В результате для каждого бокала существует уникальная частота звука, вызывающая вибрацию. Если певец возьмёт ноту соответствующей частоты, один из бокалов может получить такую дозу акустической энергии, что он рассыплется, при этом остальные бокалы останутся неповреждёнными.

Солджачич понял, что магнитный резонанс является многообещающим способом передачи электроэнергии. Магнитное поле свободно распространяется в пространстве и, при правильно выбранных частотах, безвредно для живых существ. Работая совместно с профессорами физики МИТ Джоном Иоаннопулосом (John Joannopoulos) и Питером Фишером (Peter Fisher) и тремя студентами, он разработал простое устройство, которое без проводов зажигало 60-ваттную электрическую лампочку.

Устройство состояло из двух настроенных в резонанс медных катушек, подвешенных с потолка на расстоянии примерно в два метра. Одна катушка подключалась к источнику переменного тока и создавала магнитное поле. Вторая катушка, настроенная на ту же частоту и подключённая к лампочке, резонируя в магнитном поле, генерировала зажигающий лампочку ток. Устройство работало даже когда между катушками помещали тонкую стенку.

Наиболее эффективное из созданных к этому моменту устройств состоит из 60-сантиметровых медных катушек и магнитного поля частотой в 10 мегагерц. Оно позволяет передавать энергию на расстояние в два метра с 50-процентной эффективностью. Проводятся исследования с серебром и другими материалами с целью уменьшить размер катушек и увеличить эффективность. Солджачич надеется достичь 70-80 процентной эффективности передачи.

В настоящее время исследуются и ряд других способов беспроводной перезарядки аккумуляторов. Такие стартапы как Powercast, Fulton Innovation, и WildCharge начали продвижение на рынок адаптеров, позволяющих беспроводную подзарядку мобильных телефонов, MP3-плейеров и других устройств дома или в машине. Но подход Солджачича отличается тем, что он позволяет обеспечить автоматическую подзарядку устройств, как только они попадают в поле действия беспроводного передатчика.

Работа группы Солджачича привлекла внимание компаний, выпускающих электронные устройства, а также автомобильной промышленности. Исследования финансировались Министерством обороны США, рассчитывавшим получить технологию беспроводной автоматической подзарядки аккумуляторов. Однако Солджачич предпочитает не распространяться относительно возможного промышленного применения своей технологии.

В сегодняшнем управляемом батареями мире есть очень много потенциальных приложений, где наша технология может использоваться», — говорит он. — «Это очень мощный метод».

• электричество
• энергия
• новые технологии
• передача энергии без

Беспроводная передача энергии

Ларионов, Д. В. Беспроводная передача энергии / Д. В. Ларионов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 44 (230). — С. 39-41. — URL: https://moluch.ru/archive/230/53420/ (дата обращения: 24.01.2024).

12 сентября 2017 года компания Apple в рамках традиционной осенней презентации своих новинок представила всему миру собственное беспроводное зарядное устройство. Оно стало самой обсуждаемой новинкой компании того года. Однако данный гаджет не является революционным, первыми из крупных мобильных компаний начали производить смартфоны с поддержкой беспроводной зарядки Nokia и LG, еще в 2012 году. Компания Apple всего лишь подогрела интерес к данного рода устройствам, послужив катализатором массового использования беспроводных зарядных устройств.

Разработки инженеров Nokia, LG, Apple и других производителей гаджитов, связанные с беспроводной передачей энергии, являются далеко не первыми в данной области. Ведь еще более ста лет назад в 1893 году на Колумбовской всемирной выставке, проходившей в Чикаго, Никола Тесла продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами. Это вызвало взрыв исследований, целью которых было найти наилучший способ передачи электроэнергии.

С быстрым развитием радиотехники возможности осуществления беспроводной передачи энергии только увеличивались. Целью исследований являлось — генерировать электрическое поле в одном месте так, чтобы затем можно было приборами обнаружить его на расстоянии.

Но на этом исследования не останавливались, следующим этапом было снабжение энергией не только высокочувствительных датчиков, но и небольших потребителей электрической энергии. Так, в 1904 году на Всемирной выставке в Сент-Луисе был продемонстрирован успешный запуск самолетного двигателя мощностью 0,1 лошадиной силы, осуществленный на расстоянии 30 метров [1]. В дальнейшем исследования беспроводной передачи энергии не прекращались, достигая все новых успехов, однако по различным причинам они не получили массового применения.

Беспроводная передача энергии может быть реализована при помощи различных технологий, основанных на свойствах электромагнитных полей. Такие технологии, в первую очередь, характеризуются расстоянием, на которое может быть передана энергия с максимальной эффективностью. Также немаловажен тип передаваемой электромагнитной энергии.

Выделяют два основных метода передачи. Первый основан на явлении электромагнитной индукции. Основой второго метода является электромагнитное излучение, применяются СВЧ-диапазоны и мощные узконаправленные пучки видимого света (лазеры).

Рассмотрим данные способы беспроводной передачи энергии более подробно.

Метод электромагнитной индукции.

Частным случаем электромагнитной индукции является взаимная индукция. Именно на взаимной индукции основан первый метод беспроводной передачи энергии. Взаимная индукция представляет собой возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников. При изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока, созданного током первого проводника и проходящего через контур второго, что по закону электромагнитной индукции вызывает возникновение ЭДС во втором проводнике. Чем большая часть магнитного поля первой цепи пронизывает вторую цепь, тем сильнее взаимодействие между цепями. Для увеличения плотности магнитного потока используют катушки индуктивности. Чтобы катушки эффективно взаимодействовали, необходимо их близкое расположение, так как в противном случае большая часть энергии поля тратится впустую [2].

Устройства, основанные на данном принципе, уже давно применяются в электрических сетях и даже быту. Описанное устройство представляет собой ничто иное, как трансформатор. Действительно, в трансформаторах обмотки электрически не связаны, а значит, передача энергии происходит беспроводным путем. Но, конечно же, использование трансформаторов на электростанциях и подстанциях не является наглядным применением беспроводной передачи энергии, так как обмотки находятся в общем корпусе. Но также данный способ беспроводной передачи энергии применяется для зарядки мобильных устройств, электромобилей и медицинских имплантатов. КПД таких устройств значительно ниже, чем КПД трансформатор, и составляет 40–50 %.

Метод микроволнового излучения, по сравнению с методом электромагнитной индукции, позволяет во много раз увеличить расстояние, на которое будет передана энергия. Микроволны с длиной волны 12 см, что соответствует частоте 2,45 ГГц, способны проходить через земную атмосферу фактически без потерь (при неблагоприятных погодных условиях потери составляют не более 5 %) — данное явление получило название «окно прозрачности» атмосферы.

Для использования данного метода необходимы два устройства.

Первое, магнетрон — это генератор микроволнового излучения, позволяющий преобразовать электрический ток в микроволновое излучение. Второе, приемная антенна, способная преобразовывать микроволновое излучение обратно в электрический ток.

С первой задачей преобразования электрического тока в микроволны человечество справилось настолько хорошо, что сейчас магнетрон есть практически в каждой квартире, он является неотъемлемой частью микроволновых печей.

Для выполнения второй задачи — обратного преобразования микроволнового излучения в электрический ток, существует два метода, американский и советский. Они были разработаны во второй половине ХХ века. Первая антенна, разработанная в США, получила название ректенна, а вторая, разработанная в Советском Союзе, была названа циклотронный преобразователь энергии.

В 1964 году эксперт в области СВЧ-электроники Вильям Броун впервые испытал устройство, способное преобразовывать микроволны в электрический ток. Данное устройство получило название ректенна.

Ректенна состоит из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки. Ректенны достаточно миниатюрны и имеют высокий КПД до 95 %, однако их нагрузочная способность составляет единицы ватт [1]. Поэтому для передачи больших мощностей из ректенн собирают большие приемные панели, рассчитанные на передачу определенной мощности.

Именно с именем Вильяма Броуна и его изобретением связана самая успешная беспроводная передача энергии. В 1976 году ему удалось передать СВЧ-пучком 30 кВт непрерывной мощности на расстояние 1,6 км с КПД, составляющим 82 %.

Казалось бы, после такого успешного эксперимента данная технология должна была найти широкое применение. Однако, у нее есть существенный недостаток: при небольших перегрузках полупроводниковые диполи сгорают и делают это лавинно, то есть при перегрузке на одном из полупроводников выходит из строя целая приемная панель. Ненадежность ректенн и их дороговизна стали основными факторами, которые не позволили найти применения данному методу вне лабораторных испытаний.

В 70-ых годах ХХ века в стенах МГУ, а именно на физическом факультете в лаборатории микроволновой электроники и беспроводной передачи энергии, профессором Владимиром Александровичем Ванке и доцентом Владимиром Леонидовичем Савиным был разработан циклотронный преобразователь энергии. Данное изобретение стало советским аналогом ректенн. Циклотронный преобразователь основан на возбуждении быстрой циклотронной волны электронного потока за счет подводимой СВЧ-энергии и последующем преобразовании этой энергии в поступательную энергию движения электронов [3].

Принципиальное отличие циклотронного преобразователя энергии от ректенн в том, что в его основе лежит ламповая технология и это делает его более габаритным. Циклотронный преобразователь энергии представляет собой трубку длиной 30–40 см и диаметром сечения 10–15 см. Предложенные конструктивные особенности устройства позволяют получить КПД преобразования до 80 % при уровне подводимой СВЧ-мощности порядка 10 кВт, при этом допустимы значительные колебания уровня подводимой СВЧ-мощности [4]. Данная характеристика позволяет преобразователю легко переносить перегрузки, он не имеет проблем переизлучения и стоит на порядок дешевле американского аналога.

С методами микроволнового излучения связаны два наиболее амбициозных проекта беспроводной передачи энергии.

Первый примечателен тем, что он был практически реализован. На острове Реюньон, это регион Франции, неподалеку от Мадагаскара, возникла потребность в передаче 10 кВт электроэнергии на расстояние 1 км для энергоснабжения поселка, находящегося в ущелье. Из-за сложного рельефа местности представлялось невозможным провести кабельную или воздушную линию электропередач.

Для решения данной задачи был собран целый конгломерат ученых из разных стран, в том числе в него вошли профессор В. А. Ванке и доцент В. Л. Савин. Проект разрабатывался в период с 1997 по 2005 годы, но когда все расчеты были завершены, проект заморозили из-за отсутствия финансирования.

Идея второго проекта была предложена еще в 1968 году американским физиком Питером Е. Глэйзером. Он предложил вывести спутник, укомплектованный солнечными панелями, на геостационарную орбиту Земли, там преобразовать солнечную энергию в пучок СВЧ-волн и пустить его на Землю на приемную антенну. Тогда эта идея казалась научной фантастикой, но в настоящее время о ней вспомнили. Сейчас разработку солнечной космической электростанции ведут США, Япония и Китай. Стоимость проекта оценивается приблизительно в 20–25 млрд. долларов.

Основой следующего метода беспроводной передачи энергии являются мощные узконаправленные пучки видимого света (лазеры).

Луч лазера направляется на фотоэлемент приёмника, где преобразуется в электроэнергию. При данном способе передачи энергии источник и приемник должны находиться в прямой видимости. Максимальный КПД при передаче энергии лазером достигается в безвоздушном пространстве, так как атмосфера поглощает, рассеивает свет. К тому же на КПД значительное влияние оказывают неблагоприятные погодные условия.

Данной технологией активно занимается НАСА. В настоящее время передача энергии при помощи лазера нашла свое применение в беспилотных дронах, ее используют для подзарядки в воздухе при невозможности посадить дрон.

В 2009 году НАСА организовало соревнование по беспроводной передаче энергии лазерным пучком, приз за первое место в котором составлял 900 тыс. долларов. Победителем в данном соревновании стала компания LaserMotive, ее специалистам удалось передать 500 Вт на расстояние 1 км с КПД 10 % [5].

В итоге, мы имеем три способа беспроводной передачи энергии, рассмотренные в данной статье.

Первый — метод электромагнитной индукции, позволяет передавать энергию на очень малые расстояния. В настоящее время данный метод нашел свое применение в быту в беспроводных зарядных устройствах для различных гаджетов. Данный метод обладает небольшой эффективностью из-за невысокого КПД.

Метод микроволнового излучения в настоящее время является одним из самых перспективных. Он обладает высоким КПД и возможностью передачи энергии на Земле, в космосе, с Земли в космос, из космоса на Землю, а также с Земли в космос и обратно на Землю. Именно при помощи метода микроволнового излучения планируется передавать энергию с солнечных космических электростанций.

Заключительный метод передачи энергии при помощи лазера является наименее эффективным, но порой необходимым для подзарядки беспилотных устройств. Однако наука не стоит на месте и, возможно, передача энергии при помощи лазера станет не менее эффективной, чем метод микроволнового излучения. И именно с их помощью будет происходить дальнейшее освоение космоса.

Но когда же все эти технологии станут для нас обыденностью? Сказать сложно. Вряд ли это произойдет в ближайшие 10–15 лет, скорее приходится надеется на вторую половину ХХI века. А пока остается довольствоваться беспроводными зарядными устройствами, основанными на методе электромагнитной индукции.

1. Статья «Передача электроэнергии без проводов — от начала до наших дней» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: https://habr.com/post/373183/

2. Статья «Взаимная индукция» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: http://www.hydromuseum.ru/ru/encyclopedia/glossary/Vzaimnaya_indukciya/

3. Ванке В. А. Статья: «СВЧ-электроника» // Журнал, «Электроэнергетика. Наука. Технология. Бизнес». — № 5 2007 г.

4. Ванке В. А. Статья: «Электроэнергетика из космоса» // Журнал, «Радиоэлектроника» — № 12 2007 г.

5. Статья «Три способа передачи энергии без проводов» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: https://domikelectrica.ru/3-sposoba-peredachi-energii-bez-provodov/

Основные термины (генерируются автоматически): беспроводная передача энергии, микроволновое излучение, электромагнитная индукция, электрический ток, передача энергии, устройство, циклотронный преобразователь энергии, взаимная индукция, помощь лазера, расстояние.

Способы передачи электроэнергии беспроводными методами

Цыганков, А. В. Способы передачи электроэнергии беспроводными методами / А. В. Цыганков, Б. Е. Кивенко, Д. К. Березовский. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 42 (332). — С. 19-23. — URL: https://moluch.ru/archive/332/74121/ (дата обращения: 24.01.2024).

В статье авторы рассказывают о способах передачи электроэнергии беспроводными методами и собирают два устройства способные передавать электричество и электростатическое излучение.

Ключевые слова: беспроводная передача энергии, устройство, электромагнитный импульс, переменный ток, SWER, передача энергии.

Открытия, которые способствовали созданию технологий беспроводной передачи энергии, были открыты ещё в XII веке. Но широкое применение эти открытия нашли только в XXI веке. И в наше время технология беспроводной сети является настоящим и будущем в науке и быту. Беспроводные технологии способны не только улучшить жизнь человечества, но и решить массу экологических проблем, связанных с ресурсами планеты «Земля» и загрязнения экосистемы.

Цель работы: выяснить какие бывают способы беспроводной передачи электроэнергии и узнать, как они работают.

В этом способе есть передатчик и приёмник (Рис.1). Передатчик излучает ультразвук; приёмник же в свою очередь преобразовывал слышимый ультразвук в электричество [2]. Передаваемое напряжение достигало 8 вольт на расстоянии 7–10 метров. При этом между приёмником и передатчиком должна быть непосредственная видимость. Доказано что используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Применение передачи электроэнергии при помощи ультразвука не возможна и не целесообразна из-за ограничений во многих государствах, низкого кпд и дороговизны оборудования.

Рис. 1. Пример работы ультразвукового способа передачи электроэнергии [2, с. 3]

Метод электромагнитной индукции

Это простейший и один из самых первых открытых способов передачи энергии беспроводным путём. Но основной минус этого метода кроется в способе его работы. Электромагнитная работает за счёт электромагнитных полей, которые должны располагаться на расстоянии около одной шестой длинны волны. Энергия ближнего поля не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Так же имеют место быть и резистивные потери. При отдалении вторичной обмотки от первичной, большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. То есть даже на относительно небольших расстояниях индуктивная связь становится крайне неэффективной, и расходует большую часть передаваемой энергии в пустую.

Самый простой пример работы электромагнитной индукции это- трансформатор (Рис. 2). У трансформатора есть первичная и вторичная обмотки, которые на прямую не связанны [3]. Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения. В пример можно привести устройства, которые работают по такому же принципу: бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щёток. Индукционные плиты также используют этот метод.

Рис. 2. Электрический трансформатор ↑↑↑ [3 c. 4]

Также для улучшения электромагнитной индукции используют резонанс. Резонансная индукция работает уже за счёт передатчика и приёмника которые настроены на одну частоту, что позволяет току быть уже в виде электромагнитной волны, а не в виде электромагнитного поля. Производительность может быть улучшена ещё больше путём изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка аккумуляторных батарей портативных устройств, таких, как портативные компьютеры и сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили.

Электростатическая или емкостная связь представляет собой прохождение электричества через диэлектрик. В практическом плане это выглядит так, что ток образуется из электрического поля, которое создаётся за счёт двух или более изолированными пластинами, узлами, электродами или клеммами, возвышающимися над проводящей поверхностью. Сама индукция получается из электрического поля наводящееся в пластинах переменным током высокого потенциала и частоты. Расстояние между двумя электродами и питаемым устройством образует разницу потенциалов. Самый известный и распространённый пример применения электростатической индукции это- беспроводные лампы, которые можно располагать в любом месте в пределах электрического поля, которое создаёт источник.

В данном методе основную роль в передаче энергии играют радиоволны. Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной, увеличив расстояние передачи энергии за счёт уменьшения длины волны электромагнитного излучения. Ректенна может использоваться для преобразования микроволновой энергии в электричество, эффективность которой превышает 95 %.

Плюсом этого способа является то, что при любой погоде при передачи данной энергии теряется только 5 %, но при этом его нужно сначала преобразовать в микроволны, а потом обратно в электричество. Но уже существует специальное устройство для преобразования, это магнитрон. Передача энергии при помощи микроволн даёт возможность передачи энергии на довольно большие расстояния и даже не требуется прямая видимость между приёмником и передатчиком, но также стоит отметить, что при увеличении дальности увеличивается и стоимость с размерами оборудования, так же микроволны большой мощности могут причинять вред человеку и окружающей среде.

Данный способ обеспечивает довольно большую дальность действия и в тоже время требуется прямая видимость между приёмником и передатчиком (Рис. 3). Главным плюсом данного метода в том, что он удобен для применения как небольших изделий, так и более крупных, например такие как спутники (Рис. 4). Так же полностью отсутствуют радиочастотные помехи. Так же, чтобы приёмник может получить энергию, нужно лишь навести на него лазерный луч [4].

У данного метода есть и недостатки, к примеру при преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, которым является свет, неэффективна. Так же неэффективно и обратное преобразование, так как КПД фотоэлементов достигает всего лишь 40–50 %.

Ранее передача энергии при помощи лазера (лазерной установки) осуществлялась только в военной отрасли и аэрокосмической, но уже сейчас данный метод используется и в промышленности, в маломощных устройствах [4]. Также лазерная передача энергии не так зависит от дифракционных излучений, так же характеристики лазеров дают возможность увеличивать мощность и дистанцию передачи.

Рис. 3. Пример работы лазерного метода передачи электроэнергии [4, c. 7]

Рис. 4. Пример работы лазерного метода передачи электроэнергии в космосе [4, c. 7]

Электропроводимость земли

Однопроводная электрическая система SWER (англ. single wire with earth return) основывается на токе земли и одном изолированном проводе. В аварийных случаях высоковольтные линии постоянного тока могут работать в режиме SWER (Рис. 5). Замена изолированного провода на атмосферную обратную связь для передачи мощного высокочастотного переменного тока стала одним из методов беспроводной передачи электроэнергии. Кроме того, исследовалась возможность беспроводной передачи электроэнергии только через землю [5]. Электропроводимость земли может служить для передачи низкочастотного переменного тока, так как сопротивление земли значительно меньше. Электростатическая индукция диэлектрических тел может возникать в больших залежах кварцевого песка в земле и ему подобных. Также переменный ток может передаваться и через слои атмосферы. Ток протекает через нижние слои атмосферы земли где-то в 3,2 километрах над уровнем моря. Стоит отметить, что пучки ультрафиолетового излучения могут быть использованы для ионизации атмосферных газов, приводя к плазменным высоковольтным линиям электропередачи. В итоге образуется поток электрического тока, идущего до тропосферы и через неё на другой терминал. Электропроводность тока через слои атмосферы становится возможной непосредственно благодаря плазменному разряду в ионизированной атмосфере земли.

Земля это-естественный проводник, который образует один проводящий контур. Обратный контур проходит через верхние слои тропосферы и нижние слои стратосферы на высоте примерно 7,2 км [5].

Рис. 5. Схема передачи электричества с помощью электропроводимости земли [5, c.8].

1. Иродов И. Е. т.3. Основные законы электромагнетизма. (7-е изд, 2009)
2. Иродов И. Е. т.4. Основные законы. Волновые процессы. (1999)
3. Матвеев А. Н. (Курс общей физики. Т. 3) Электричество и магнетизм. (1983.)
4. Савельев И. В. Курс общей физики. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. (2-е изд., 1982)
5. [Электронный ресурс]. — ссылка доступа: URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводная_передача_электричества

Основные термины (генерируются автоматически): SWER, передача энергии, беспроводная передача электроэнергии, вторичная обмотка, переменный ток, электрическое поле, электромагнитная индукция, электростатическая индукция, беспроводная передача энергии, прямая видимость.

Ключевые слова

устройство, переменный ток, беспроводная передача энергии, электромагнитный импульс, SWER, передача энергии

беспроводная передача энергии, устройство, электромагнитный импульс, переменный ток, SWER, передача энергии

Похожие статьи

«Умные сети» Smart Grid — перспективное будущее.

 создание водородных систем аккумулирования энергии и покрытия неравномерностей графика нагрузки.

Данный проект построения гибкой электрической сети стал связующим звеном для

Интеллектуальные энергосистемы — это системы передачи электроэнергии от.

• Как издать спецвыпуск?
• Правила оформления статей
• Оплата и скидки