Передача эл энергии без проводов. Введение в беспроводную передачу электрической энергии

Питающиеся неосязаемым способом бытовые приборы, освобождённые от электрических проводов, не первый раз будоражат умы изобретателей. Но именно теперь специалисты подошли к тому, чтобы научить серийные пылесосы, торшеры, телевизоры, автомобили, имплантаты, мобильные роботы и лэптопы эффективно и безопасно получать ток из беспроводного источника.

Недавно команда учёных из Массачусетского технологического института (MIT), возглавляемая Марином Солячичем (Marin Soljačic), совершила очередной шаг на пути превращения технологии беспроводного электричества из лабораторного «фокуса» в пригодную для тиражирования технологию. Совершенно неожиданно они обнаружили эффект, позволяющий поднять КПД передачи. Но прежде чем рассказать о новом эксперименте, стоит сделать отступление.

В качестве переносчика энергии в данном случае используется ближнее магнитное поле, осциллирующее с высокой частотой в несколько мегагерц. Для переброски необходимы две магнитные катушки, настроенные на одинаковую частоту резонанса. Перекачку энергии между ними учёные сравнивают с разрушением резонирующего стеклянного бокала, когда он «слышит» звук строго определённой частоты.

Идеализированные (на данном рисунке) магнитные катушки (жёлтый цвет), окружённые своими полями (красный и синий), передают друг другу энергию на расстоянии D, многократно большем, чем размер самих катушек. Это учёные и называют резонансной магнитной связью (или сцеплением) – Resonant Magnetic Coupling (иллюстрация WiTricity).

В результате взаимодействия катушек и получается то, что было названо «Беспроводным электричеством» (WiTricity). Кстати, слово это — торговая марка, которая принадлежит одноимённой корпорации , основанной Солячичем и рядом его коллег из MIT. Корпорация указывает, что данный термин применим только к её технологии и к продуктам, созданным на её основе. Большая просьба – не использовать «уайтрисити» как синоним беспроводной передачи энергии вообще.

Изобретатели также просят не путать WiTricity с передачей энергии посредством электромагнитных волн: мол, новый метод — «неизлучающий».

И ещё несколько важных «не», указанных создателями. WiTricity — не аналог трансформатора с разведёнными на несколько метров обмотками (последний в таком случае перестаёт работать). Это не улучшенная электрическая зубная щётка: она хоть и умеет заряжаться без электрического контакта, но всё равно требует помещения в «док-станцию» для сближения передающей и приёмной индуктивных катушек до расстояния в миллиметр. «Уайтрисити» – не микроволновка, способная поджарить живой объект, поскольку пульсирующее магнитное поле, работающее в системе WiTricity, на человека не влияет. Наконец, «Беспроводное электричество» – даже не «таинственная и ужасная» башня Теслы (Wardenclyffe Tower), при помощи которой великий изобретатель намеревался продемонстрировать передачу энергии на большое расстояние.

Первый опыт по беспроводной передаче энергии методом WiTricity на 60-ваттную лампочку, удалённую на два с лишним метра от источника, Марин и его коллеги провёли в 2007 году . КПД был невелик – порядка 40%, зато уже тогда изобретатели указывали на ощутимый плюс новинки — безопасность.

Применяемое в системе поле в 10 тысяч раз слабее, чем то, что царит в сердцевине магнитно-резонансного томографа. Так что ни живые организмы, ни медицинские имплантаты, ни кардиостимуляторы и прочая чувствительная техника такого рода, ни бытовая электроника почувствовать на себе действие этого поля не могут.

Главные авторы WiTricity: Марин Солячич (слева), Аристеидис Каралис (Aristeidis Karalis) и Джон Иоаннополус (John Joannopoulos). Справа: принципиальная схема WiTricity. Передающая катушка (левая) включена в розетку. Приёмная – соединена с потребителем. Линии магнитного поля первой катушки (голубой цвет) способны огибать относительно небольшие проводящие препятствия (а дерево, ткань, стекло, бетон или человека они и вовсе не замечают), успешно переправляя энергию (жёлтые линии) к приёмному кольцу (фото MIT/Donna Coveney, иллюстрация WiTricity).

Теперь же Солячич и его соратники открыли, что на КПД системы WiTricity влияют не только размер, геометрия и настройка катушек, а также дистанция между ними, но и число потребителей. Парадоксально, на первый взгляд, однако два приёмных прибора, размещённые на расстоянии от 1,6 до 2,7 метра по обе стороны от передающей «антенны», показали на 10% лучший КПД, чем в случае если связь осуществлялась только между одним источником и потребителем, как было в предыдущих опытах.

Причём улучшение прослеживалось независимо от того, каков был КПД для пар передатчик-приёмник по отдельности. Учёные предположили, что при дальнейшем добавлении новых потребителей КПД будет ещё повышаться, хотя пока не вполне ясно — насколько. (Детали эксперимента раскрывает в Applied Physics Letters.)

Передающая катушка в новом эксперименте насчитывала площадь в 1 квадратный метр, а приёмные — всего по 0,07 м 2 каждая. И это тоже интересно: громоздкость «приёмников» в прежних опытах ставила под сомнение желание производителей техники снабжать такими системами свою аппаратуру — едва ли вам понравился бы самозаряжающийся ноутбук, блок WiTricity которого по размеру сопоставим с самим компьютером.

Слева: 1 – специальная схема переводит обычный переменный ток в высокочастотный, он питает передающую катушку, создающую осциллирующее магнитное поле. 2 – приёмная катушка в устройстве-потребителе должна быть настроена на ту же частоту. 3 – резонансная связь между катушками превращает магнитное поле обратно в электрический ток, который питает лампочку.
Справа: по мнению авторов системы, одна катушка на потолке может снабжать энергией все приборы и устройства в комнате – от нескольких светильников и телевизора до ноутбука и DVD-проигрывателя (иллюстрация WiTricity).

Но главное – эффект улучшения общего КПД при одновременной работе с несколькими потребителями означает зелёную улицу для голубой мечты Солячича — дома, заполненного разнообразной техникой, получающей питание из невидимых «неизлучающих излучателей», спрятанных в потолках или стенах комнат.

А может быть, и не только в комнатах, но и в гараже? Конечно, зарядить электромобиль можно и обычным способом. Но прелесть WiTricity в том, что ничего никуда не нужно подключать и даже помнить об этом — теоретически машину можно научить самой по прибытию в гараж (или на автостоянку компании) посылать «запрос» системе и подпитывать аккумулятор от магнитной катушки, уложенной в полу.

Кстати, в некоторых экспериментах специалисты WiTricity довели мощность передачи до трёх киловатт (а начинали, напомним, с 60-ваттной лампочки). КПД же варьируется в зависимости от целого набора параметров, однако, как утверждает корпорация, при достаточно близких катушках он может превышать 95%.

Нетрудно догадаться, что перспективный метод передачи электроэнергии на несколько метров без проводов и необходимости в прицеливании каких-нибудь «силовых лучей» должен заинтересовать широкий спектр компаний. Некоторые уже работают в этом направлении самостоятельно.

Например, отталкиваясь от принципов, обоснованных и испытанных Солячичем и его коллегами, Intel ныне развивает свою модификацию резонансной передачи электроэнергии — Wireless Resonant Energy Link (WREL). Ещё в 2008 году компания достигла на данном поприще блестящего результата, продемонстрировав «магнитную» передачу тока с КПД 75% .

Одна из опытных установок Intel WREL, без проводов передающая электропитание (наряду с аудиосигналом) с MP3-плеера на небольшую колонку (фото с сайта gizmodo.com).

Собственные опыты, воспроизводящие эксперименты физиков из Массачусетского технологического, ставит сейчас и Sony .

Однако Солячич уверен, что его инновация не затеряется среди продукции коллег-конкурентов. Ведь именно первооткрыватели технологии больше всех набили с ней шишек и готовы к углублённому её изучению и совершенствованию. Скажем, настройка даже пары катушек не так проста, как кажется на поверхностный взгляд. Учёный несколько лет подряд ставил опыты в лаборатории, прежде чем построил систему, которая работает действительно надёжно.

Демонстрационный образец ЖК-экрана, получающего электрическое питание через первый прототип бытового набора WiTricity. Передающая катушка лежит на полу, приёмная – на столе (фото WiTricity).

«Беспроводное электричество», по словам его авторов, изначально задумывалось как OEM-продукт . Потому в будущем можно ожидать появления данной технологии в товарах других компаний.

И пробный шар в сторону потенциальных потребителей уже запущен. В январе в Лас-Вегасе на выставке CES 2010 китайская компания Haier показала первый в мире полностью беспроводной HDTV-телевизор. На его экран по воздуху передавался не только видеосигнал с проигрывателя (для чего применялся официально родившийся буквально месяцем раньше стандарт Wireless Home Digital Interface), но и электропитание. Последнее обеспечивала именно технология WiTricity.

А ещё компания Солячича ведёт переговоры с производителями мебели об установке катушек в столы и стены шкафов. Первое объявление о серийном продукте партнёра WiTricity ожидается к концу 2010 года.

Вообще же специалисты предсказывают появление на рынке настоящих бестселлеров — новых продуктов со встроенным приёмником WiTricity. Причём никто ещё не может уверенно сказать — что это будут за вещи.

Компания Haier является одним из крупнейших в мире производителей бытовой электроники. Неудивительно, что её инженеры заинтересовались возможностью соединить новейшие технологии беспроводной передачи HDTV-сигнала и беспроводного электропитания и даже ухитрились первыми показать такой прибор в действии (фотографии engadget.com, gizmodo.com).

Любопытно, что история WiTricity началась несколько лет назад с ряда досадных пробуждений Марина. Несколько раз в течение месяца его будил сигнал разряженного телефона, просящего «поесть». Забывавший вовремя подключить мобильник к розетке учёный удивлялся: разве не смешно, что телефон находится в нескольких метрах от электрической сети, но не в состоянии получить эту энергию. После очередного пробуждения в три часа ночи Солячич подумал: было бы здорово, если б телефон смог позаботиться о своей зарядке сам.

Заметим, речь сразу пошла не о новом варианте "ковриков" для зарядки карманных приборов. Такие системы работают, только если устройство положить непосредственно на «коврик», а это ведь для забывчивых людей ничуть не лучше, чем необходимость просто втыкать проводок в розетку. Нет, телефон должен был получать электроэнергию в любом месте комнаты, а то и квартиры, и не важно, бросили ли вы его на столе, диване или подоконнике.

Тут обычная электромагнитная индукция, направленные микроволновые лучи и "осторожные" инфракрасные лазеры — не годились. Марин взялся за поиск других вариантов. Едва ли он тогда мог подумать, что через некоторое время пищащий и «голодный» телефон приведёт его к созданию собственной компании и появлению технологии, способной «делать заголовки» и, что куда важнее, заинтересовать промышленных партнёров.

Добавим, что о принципах, истории и будущем WiTricity некогда довольно подробно рассказал исполнительный директор корпорации Эрик Гилер (Eric Giler).

Мы презентуем устройство передачи электроэнергии без проводов с коэффициентом полезного действия (КПД) около 100%. В дальнейшем будет обоснована величина КПД ≈ 100% и, разумеется, мы демонстрируем эту величину нашим экспериментальным устройством.

Важность проблемы беспроводной передачи электроэнергии не подлежит сомнению – преодоление естественных преград (реки, горы и долины); резервное электроснабжение, электротранспорт, решение ряда задач беспроводного электропитания бытовых и промышленных устройств и т.д. – всё это элементы названной проблемы.

Немного истории

Впервые проблему беспроводной передачи электроэнергии обозначил на заре прошлого века Н. Тесла. В основе его демонстрационного устройства был положен метод излучения и приема электромагнитных волн открытым резонансным контуром, который содержит антенну – емкость и катушку провода – индуктивность. Характерные показатели устройства Теслы сводятся к следующим: КПД = 4%, дальность передачи – 42 км, максимальный габарит башни-антенны – 60 м, длина волны – 2000 м. Существенно, что в устройстве Теслы планета Земля рассматривается как один из проводов в передаче электроэнергии, поскольку излучение и прием столь длинных волн без заземления не эффективны.

После экспериментов Теслы, на протяжении прошлого ХХ века все попытки осуществить беспроводную передачу электроэнергии с приемлемым КПД оказались безрезультатными.

В текущем десятилетии прямо или косвенно сообщается о работах в Масачуссетском Технологическом Университете под руководством М. Соля-чича. В основе их работ лежит известный индукционный, при помощи магнитного поля, метод передачи электроэнергии, который реализован резонансными плоскими катушками индуктивности. Этот метод в идеале обеспечивает КПД = 50%, при дальности передачи соизмеримой с габаритами катушек-антенн. Характерные показатели их демонстрационного устройства сводятся к следующим: КПД ≈ 40%, дальность передачи – 2 м, габарит катушек-антенн – 0,6 м, длина волны – 30 м.

Энергетически замкнутая система

В нашем устройстве, как и в устройстве Теслы, переносчиком энергии являются электромагнитные волны, т.е. действует общеизвестный вектор Пойнтинга.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено следующее: передающая и приемная антенны устройства беспроводной передачи электроэнергии образуют энергетически замкнутую систему, частично включающую в себя и энергию электромагнитного поля Земли; через возбуждение (активацию) электромагнитного поля Земли в этой системе происходит передача электроэнергии от передающей антенны к приемной с КПД ≈ 100% (фиг. 1).

Фиг. 1

Фиг. 2

Пользуясь этой антенной, несложно сформулировать задачу, решение которой обеспечит передачу электроэнергии без проводов:

1. Передающая и приемная антенны должны возбуждать (активировать) электромагнитное поле Земли в локальной (ограниченной) области пространства;

2. Возбужденное электромагнитное поле Земли должно быть также локальным в пространстве и не потреблять энергии (должно представлять собой стоячую электромагнитную волну между передающей и приемной антеннами).

Решение этой задачи нереально с антеннами, созданными на основе пространственных представлений геометрии Эвклида с ее знаменитым 5ым постулатом – постулатом о параллельных прямых. Этот постулат в школьных учебниках гласит: через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести только одну прямую параллельную данной.

фиг. 3

Знаменитость этого постулата состоит в том, что, начиная с І ст. до н.э., на протяжении 2000 лет лучшие умы мира безуспешно пытались доказать его как теорему. И вот в 1826 г. россиянин Лобачевский изложил основы своей геометрии, в которой 5й постулат геометрии Эвклида формулировался, по сути, своим отрицанием: через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести минимум две прямые, параллельные данной.

фиг. 4

И хотя этот постулат не очень согласуется с нашими пространственными представлениями, геометрия Лобачевского непротиворечива и исправно служит физикам в последнее время. Например, геометрия Лобачевского причастна к описанию громадного ряда явлений от колебаний в механических передаточных линиях до взаимодействия элементарных частиц и процессов в мембране живой клетки.

Псевдосфера

Правда, до 1863 г., на протяжении почти 40 лет, геометрия Лобачевского воспринималась как нечто, не имеющее отношение к реальности. Но, в 1863 г. итальянский математик Бельтрами установил, что все свойства плоскости геометрии Лобачевского реализуются на поверхности псевдосферы – геометрического тела, свойства которого совпадают либо противоположны свойствам сферы. На фиг. 5 изображена псевдосфера, а на фиг. 6 ее образующая – трактриса с асимптотой X’X. При равенстве радиусов больших окружностей (параллелей) псевдосферы и сферы можно количественно сравнивать объемы и площади поверхностей их.

фиг. 5

фиг. 6

Именно в форме полупсевдосфер изготавливаются антенны нашего устройства; нами демонстрируется устройство со следующими характеристиками: КПД = 100%, дальность передачи – 1,8 м, максимальный габарит катушек антенн – 0,2 м, длина волны – 500 м, заземление не обязательно.

Здесь следует отметить, что совокупность названных характеристик демонстрационного устройства противоречит основам классической электродинамики – радиотехники.

Какие же свойства антенн-полупсевдосфер обеспечивают такие характеристики нашего устройства?

Среди более десятка экстраординарных свойств псевдосферы заслуживает внимания прежде всего следующее:

бесконечно протяженное в пространстве тело псевдосферы имеет конечный объем и конечную площадь поверхности.

Именно это свойство псевдосферы позволяет при помощи антенн-полупсевдосфер создать конечную, ограниченную в пространстве, энергетически замкнутую систему, что является необходимым условием для передачи энергии из КПД = 100%.

Вторая фундаментальная задача, которая решается в нашем устройстве, касается среды, заполняющей упомянутую энергетически замкнутую систему. Суть в том, что только в квантовой электродинамике, плодом которой являются лазеры и мазеры, среда рассматривается активной. Напротив, в классической электродинамике среда относится к пассивным объектам; с ней связывается затухание, потери электромагнитной энергии при распространении.

Невероятно, но факт, в нашем устройстве происходит активация электрического и магнитного полей Земли. Эти поля являются объектами среды в нашем устройстве, поскольку заполняют упомянутую энергетически замкнутую систему. Активизация этой среды является также следствием свойств псевдосферы.

Суть в том, что все точки на поверхности псевдосферы являются, как утверждают математики, гиперболическими, разрывными в пространстве. Применительно к антеннам-полупсевдосферам нашего устройства это равносильно разрывам, квантованию электрического и магнитного полей в каждой точке провода намотки катушек антенн-полупсевдосфер. Это ведет к электромагнитным возмущениям – волнам, длина которых соизмерима с диаметром провода намотки катушек антенн-полупсевдосфер, т.е. практически длина таких волн составляет величину порядка 1 мм и меньше. Такие электромагнитные волны, как свидетельствует теория и практика, способны, через поляризацию молекул воздуха или непосредственно, активизировать электромагнитное поле Земли и тем самым компенсировать потери электромагнитной энергии на пути передачи ее в нашем устройстве. Это также необходимо для объяснения КПД = 100%.

Мало этого, нами заявлен генератор избыточной электромагнитной энергии, коэффициент преобразования энергии (КПЭ) которого составляет величину более 400%; т.е. сравнимо из КПЭ известных тепловых насосов.

И о последней, третьей задаче, которая решается в нашем устройстве.

Общеизвестно, что энергия переносится в пространстве только бегущей электромагнитной волной, волной, в которой электрическое и магнитное поле синфазны. Это условие невозможно реализовать на расстоянии 1,8 м при длине волны 500 м. Но, общеизвестно также, что скорость движения бегущей электромагнитной волны вдоль прямолинейного или криволинейного проводника замедляется, уменьшается в сравнении со скоростью в свободном пространстве; уменьшается также длина волны. Этот эффект широко применяется в электрорадиотехнике в так называемых замедляющих системах. Уменьшение длины волны в этих системах составляет от десятых долей единицы с прямолинейными проводами до 30 единиц с криволинейными (спиральными).

Именно эффект замедления, уменьшения длины волны позволяет формировать бегущую волну на небольших расстояниях в нашем устройстве.

Действительно, длина волны нашего демонстрационного устройства уменьшается до длины упомянутой выше длины , которая и формирует бегущую, переносящую энергию электромагнитную волну в нашем устройстве. Коэффициент уменьшения волны при этом составляет величину единиц. Такое громадное уменьшение длины волны объясняет и тот экспериментальный факт, что наше устройство эффективно работает и без заземления передатчика и приемника электроэнергии.

В работе нашего устройства задействовано еще одно удивительное свойство псевдосферы:

объем псевдосферы составляет половину объема сферы, при этом площади их поверхностей равны.

Из этого свойства следует, что объем сферы, ограниченный собственной площадью поверхности, содержит два объема псевдосферы, ограниченные двумя совмещенными собственными площадями поверхности и третьей площадью упомянутой сферы. Это позволяет представить объем сферы вокруг Земли , заполненный электрическим и магнитным полями Земли, двумя объемами псевдосферы и , каждый из которых ограничен площадями и содержит половины электрического и магнитного полей Земли (фиг. 7). Учитывая этот факт и факт неизбежного нахождения нашего устройства только на одной стороне земли, утверждается что антенны нашего устройства взаимодействуют только из половинами электрического и магнитного полей Земли. При этом, не следует полагать, что вторые половины этих полей бездействуют. В этом убеждает ниже следующее.

фиг. 7

Вспомним, что большинство законов физики сформулированы для инерциальных систем отсчета, в которых время безотносительное (абсолютное), пространство изотропно, скорость прямолинейного движения электромагнитных волн (света) абсолютна и т.д. В рамках инерциальных систем отсчета общеизвестно, что в свободном пространстве при отражении бегущей электромагнитной волны образуется стоячая, в которой различаются отдельно стоячая электрическая волна и отдельно стоячая магнитная волна. При длине бегущей волны, равной , длины стоячих электрической и магнитной волн равны половине длины бегущей, т.е. . Существенно также, что период этих стоячих волн равен периоду бегущей волны, т.е. , поскольку период стоячей волны состоит из суммы двух полупериодов прямой и отраженной полуволн.

Факт вычисления, а не экспериментального определения, величины с точностью, зависящей от точности определения длительности суток на Земле, позволяет совершенно по-новому взглянуть на ряд проблем физики.

Беспроводное электричествостало известно с 1831 года, когда Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Он экспериментально установил, что меняющееся магнитное поле, порождаемое электрическим током, может индуцировать электрический ток в ином проводнике. Проводились многочисленные опыты, благодаря чему появился первый электрический трансформатор. Однако полноценно воплотить идею передачи электричества на расстоянии в практическом применении удалось лишь Николе Тесла.

На Всемирной выставке в Чикаго в 1893-м году он показал беспроводную передачу электричества, зажигая фосфорные лампочки, которые отстояли друг от друга. Тесла продемонстрировал множество вариаций по передаче электричества без проводов, мечтая, что в будущем данная технология позволит людям передавать энергию в атмосфере на большие расстояния. Но в это время это изобретение ученого оказалось невостребованным. Лишь век спустя технологиями Николы Теслы заинтересовались компании Intel и Sony, а за тем и иные компании.

Как это работает

Беспроводное электричество в буквальном смысле представляет передачу электрической энергии без проводов. Часто эту технологию сравнивают с передачей информации, к примеру, с Wi-Fi, сотовыми телефонами и радио. Беспроводная электроэнергия – это сравнительно новая и динамично развивающаяся технология. Сегодня разрабатываются методы, как безопасно и эффективно передавать на расстоянии энергию без перебоев.

Технология основана на магнетизме и электромагнетизме и базируется на ряде простых принципов работы. В первую очередь это касается наличия в системе двух катушек.

• Система состоит из передатчика и приемника, генерирующих вместе переменное магнитное поле непостоянного тока.
• Это поле создает напряжение в катушке приемника, к примеру, для зарядки аккумулятора или питания мобильного устройства.
• При направлении электрического тока через провод вокруг кабеля появляется круговое магнитное поле.
• На мотке проволоки, куда не поступает электрический ток напрямую, начнет поступать электрический ток от первой катушки через магнитное поле, в том числе вторую катушку, обеспечивая индуктивную связь.

Принципы передачи

До последнего времени наиболее совершенной технологией передачи электроэнергии считалась магнитно-резонансная система CMRS, созданная в 2007 году в Массачусетском технологическом институте. Данная технология обеспечивала передачу тока на расстояние до 2,1 метра. Однако запустить ее в массовое производство мешали некоторые ограничения, к примеру, высокая частота передачи, большие размеры, сложная конфигурация катушек, а также высокая чувствительность к внешним помехам, в том числе к присутствию человека.

Однако ученые из Южной Кореи создали новый передатчик электроэнергии, который позволит передавать энергию до 5 метров. А все приборы в комнате будут питаться от единого хаба. Резонансная система из дипольных катушек DCRS способна работать до 5 метров. Система лишена целого ряда недостатков CMRS, в том числе применяются довольно компактные катушки размерами 10х20х300 см, их можно незаметно установить в стены квартиры.

Эксперимент позволил передать на частоте 20 кГц:

1. 209 Вт на 5 м;
2. 471 Вт на 4 м;
3. 1403 Вт на 3 м.

Беспроводное электричество позволяет запитывать современные большие ЖК-телевизоры, требующих 40 Вт, на расстоянии 5 метров. Единственное из электросети будет «выкачиваться» 400 ватт, однако не будет никаких проводов. Электромагнитная индукция обеспечивает высокий КПД, но на малом расстоянии.

Существуют и иные технологии, которые позволяют передавать электроэнергию без проводов. Наиболее перспективными из них являются:

• Лазерное излучение . Обеспечивает защищенность сетей, а также большую дальность действия. Однако требуется прямая видимость между приемником и передатчиком. Работающие установки, применяющие питание от лазерного луча, уже созданы. Lockheed Martin, американский производитель военной техники и самолетов, испытал беспилотный летательный аппарат Stalker, который питается от лазерного луча и остается в воздухе в течение 48 часов.
• Микроволновое излучение . Обеспечивает большую дальность действия, но имеет высокую стоимость оборудования. В качестве передатчика электроэнергии применяется радиоантенна, которая создает микроволновое излучение. На устройстве-приемнике стоит ректенна, которая преобразует в электроток принимаемое микроволновое излучение.

Данная технология дает возможность существенного удаления приемника от передатчика, в том числе нет прямой нужды прямой видимости. Но с увеличением дальности пропорционально увеличивается себестоимость и размеры оборудования. В то же время микроволновое излучение большой мощности, создаваемое установкой, может наносить вред окружающей среде.

Особенности

• Самая реалистичная из технологий — беспроводное электричество на основе электромагнитной индукции. Но существуют ограничения. Ведутся работы по масштабированию технологии, но здесь появляются вопросы безопасности для здоровья.
• Технологии передачи электричества при помощи ультразвука, лазера и микроволнового излучения также будут развиваться и тоже найдут свои ниши.
• Орбитальные спутники с громадными солнечными батареями нуждаются в ином подходе, потребуется прицельная передача электроэнергии. Здесь уместен лазер и СВЧ. На данный момент нет идеального решения, однако имеется много вариантов со своими плюсами и минусами.
• В настоящее время крупнейшие производители телекоммуникационного оборудования объединились в консорциум беспроводной электромагнитной энергии с целью создания всемирного стандарта для беспроводных зарядных устройств, которые действуют по принципу электромагнитной индукции. Из крупных производителей поддержку стандарта QI на ряде своих моделей обеспечивают Sony, Samsung, Nokia, Motorola Mobility, LG Electronics, Huawei, HTC. В скором времени QI станет единым стандартом для любых подобных устройств. Благодаря этому можно будет создавать беспроводные зоны подзарядки гаджетов в кафе, на транспортных узлах и в иных общественных местах.

Применение

• Микроволновый вертолет. Модель вертолета имела ректенну и поднималась на высоту 15 м.
• Беспроводное электричество применяется для питания электрических зубных щеток. Зубная щетка имеет полную герметичность корпуса и не имеет разъемов, что позволяет избежать удара током.
• Питание самолетов при помощи лазера.
• В продаже появились системы беспроводной зарядки мобильных устройств, которые можно использовать повседневно. Они работают на базе электромагнитной индукции.
• Универсальная зарядная площадка. Они позволяют питать энергией большую часть популярных моделей смартфонов, которые не оборудованы модулем для беспроводной зарядки, в том числе обычные телефоны. Кроме самой зарядной площадки будет нужно купить чехол-приемник для гаджета. Он соединяется со смартфоном через USB-порт и через него заряжается.
• На текущий момент на мировом рынке продается свыше 150 устройств до 5 Ватт, которые поддерживают стандарт QI. В будущем появится оборудование средней мощности до 120 Ватт.

Перспективы

Сегодня ведутся работы над крупными проектами, которые будут использовать беспроводное электричество. Это питание электромобилей «по воздуху» и бытовые электросети:

• Густая сеть автозарядных точек позволит уменьшить аккумуляторы и значительно снизить себестоимость электромобилей.
• В каждой комнате будут устанавливаться источники питания, которые будут передавать электроэнергию аудио- и видеоаппаратуре, гаджетам и бытовым приборам, оборудованными соответствующими адаптерами.

Достоинства и недостатки

Беспроводное электричество имеет следующие преимущества:

• Не требуются источники питания.
• Полное отсутствие проводов.
• Упразднение необходимости использования батарей.
• Требуется меньше технического обслуживания.
• Огромные перспективы.

К недостаткам также можно отнести:

• Недостаточная проработанность технологий.
• Ограниченность по расстоянию.
• Магнитные поля не являются полностью безопасными для человека.
• Высокая стоимость оборудования.

Со времен открытия электричества человеком многие ученые пытаются изучить удивительное явление токов и повысить полезный коэффициент действия, проводя многочисленные опыты и изобретая более современные материалы, обладающие улучшенными свойствами передачи энергии с нулевым сопротивлением. Наиболее перспективным направлением в подобном научном труде является беспроводная передача электроэнергии на большие расстояния и с минимальными затратами на транспортировку. В данной статье рассмотрены способы передачи энергии на расстояние, а также виды устройств для подобных действий.

Беспроводная передача энергии – это способ транспортировки, при котором не используются какие-либо проводники или сети кабелей, а ток передается на значительное расстояние до потребителя с максимальным коэффициентом полезной мощности по воздуху. Для этого применяются устройства для генерации электричества, а также передатчик, который накапливает в себе ток и рассеивает его во всех направлениях, а также приемник с потребляющим прибором. Приемник улавливает электромагнитные волны и поля и путем их концентрации на коротком участке проводника передает энергию на лампу или любой другой прибор определенной мощности.

Существует множество способов для беспроводной передачи электричества, которые изобретались в процессе изучения токов многими учеными, но наибольших результатов в практическом плане добился Никола Тесла. Он сумел изготовить передатчик и приемник, которые были отдалены друг от друга на расстояние, равное 48 километрам. Но в то время не существовало технологий, которые смогли бы передать электричество на такую дистанцию с коэффициентом выше 50%. В связи с этим ученый выражал большую перспективу не для передачи готовой сгенерированной энергии, а для вырабатывания тока из магнитного поля земли и использования его в бытовых нуждах. Транспортировка подобного электричества должна была осуществляться беспроводным способом, путем передачи по магнитным полям.

Способы беспроводной передачи электричества

Большинство теоретиков и практиков, изучающих работу электрического тока, предлагали свои методы передачи его на расстояние без использования проводников. В начале подобных исследований многие ученые пытались заимствовать практику из принципа работы радиоприемников, которые используются для передачи азбуки Морзе или коротковолнового радио. Но такие технологии не оправдали себя, так как рассеивание тока было слишком малым и не могло покрыть большие расстояния, к тому же транспортировка электричества по радиоволнам была возможна только при работе с малыми мощностями, не способными приводить в действие даже самый простейший механизм.

В результате экспериментов было выявлено, что для передачи электричества без провода наиболее приемлемы СВЧ волны, которые имеют более устойчивую конфигурацию и напряжение, а также при рассеивании теряют гораздо меньше энергии, чем любой другой метод.

Впервые успешно применить данный способ смог изобретатель и конструктор Вильям Браун, который смоделировал летающую платформу, состоящую из металлической площадки с двигателем, мощностью около 0,1 лошадиной силы. Платформа была выполнена в виде принимающей антенны с сеткой, улавливающей СВЧ волны, которые передавались специально сконструированным генератором. Через всего четырнадцать лет тот же конструктор представил летательный аппарат малой мощности, который принимал энергию от передатчика на расстоянии 1,6 километра, ток передавался сконцентрированным пучком по СВЧ волнам. К сожалению, широкого распространения данный труд не получил, так как на тот момент не существовало технологий, которые могли бы обеспечить транспортировку таким методом тока с высоким напряжением, хотя коэффициент полезного действия приемника и генератора был равен более 80%.

В 1968 году американские ученые разработали проект, подкрепленный научным трудом, в котором предлагалось размещение больших солнечных батарей на околоземной орбите. Приемники энергии должны были быть направлены на солнце, а в их основании размещались накопители тока. После поглощения солнечной радиации и трансформации ее в СВЧ или магнитные волны через специальное устройство ток направлялся на землю. Прием должен был осуществляться специальной антенной большой площади, настроенной на определенную волну и преобразующей волны в постоянный или переменный ток. Такая система была высоко оценена во многих странах как перспективная альтернатива современным источникам электричества.

Питание электрокара беспроводным способом

Многие производители автомобилей, работающих на электрическом токе, проводят разработки альтернативной подзарядки авто без его подключения к сети. Больших успехов в этой области добилась технология зарядки транспорта от специального дорожного полотна, когда машина принимала энергию от покрытия, заряженного магнитным полем или СВЧ волнами. Но подобная подпитка была возможна только при условии, когда расстояние между дорогой и приемным устройством было не более 15 сантиметров, что в современных условиях не всегда исполнимо.

Данная система находится на стадии разработок, поэтому можно предполагать, что подобный тип передачи питания без проводника еще получит свое развитие и, возможно, будет внедряться в современную транспортную индустрию.

Современные разработки передачи энергии

В современных реалиях беспроводное электричество вновь становится актуальным направлением изучения и конструирования приборов. Существуют наиболее перспективные пути развития беспроводной передачи энергии, к которым относятся:

1. Использование электричества в горной местности, в случаях, когда нет возможности проложить несущие кабеля до потребителя. Несмотря на изученность вопроса электричества, на земле имеются места, в которых нет электроэнергии, и проживающие там люди не могут пользоваться таким благом цивилизации. Конечно, часто там применяются автономные источники питания, такие как солнечные батареи или генераторы, но данный ресурс ограничен и не может восполнить потребности в полном объеме;
2. Некоторые производители современной бытовой техники уже внедряют в свою продукцию устройства для передачи энергии без проводов. Например, на рынке предлагается специальный блок, который подключается к сетевому питанию и путем преобразования постоянного тока в СВЧ волны передает их окружающим приборам. Единственное условие использования данного прибора – это наличие у бытовой техники принимающего устройства, преобразующего данные волны в постоянный ток. В продаже имеются телевизоры, которые полностью работают от принимаемой от передатчика беспроводной энергии;
3. В военных целях, в большинстве случаев в оборонной сфере, существуют разработки приборов связи и других вспомогательных устройств.

Большой прорыв в данной сфере технологий произошел в 2014 году, когда группа ученых разработала устройство для генерации и приема энергии на расстояние без проводов, используя при этом систему линз, размещенных между передающей и приемной катушками. Ранее считалось, что передача тока без проводника возможна на дистанцию, не превышающую размер приборов, поэтому для транспортировки электричества на большое расстояние требовалось огромное сооружение. Но современные конструкторы изменили принцип работы данного устройства и создали передатчик, направляющий не СВЧ волны, а магнитные поля с низкими частотами. Электроны в данном случае не теряют мощность и передаются на расстояние сконцентрированным пучком, к тому же потребление энергии возможно, не только подключившись к приемной детали, но и просто находясь в зоне действия полей.

К сведению. Первым прибором, который будет принимать беспроводную энергию, технологи планируют сделать мобильный телефон или планшетный компьютер, разработки такой системы уже ведутся.

Наиболее перспективные направления

Беспроводное электричество постоянно изучается многими физиками, рассматриваются наиболее перспективные направления в данной сфере, к которым относятся:

1. Подзарядка мобильных устройств без подключения к кабелю;
2. Осуществление питания для беспилотных летательных аппаратов – это направление, которое будет пользоваться большим спросом и в гражданской, и в военной индустрии, так как подобные устройства в последнее время стали часто использоваться для различных целей.

Сама процедура передачи данных на расстояние без использования проводов некоторое время назад считалась прорывом в исследованиях физики и энергетики, сейчас это уже никого не удивляет и стало доступным для любого человека. Благодаря современному развитию технологий и разработкам, транспортировка электроэнергии таким методом становится реальностью и вполне может быть воплощена в жизнь.

Видео

Вопросом передачи электричества без проводов ученые занимаются уже третий век. В последнее время вопрос не то чтобы не потерял актуальности, а наоборот сделал шаг вперед, что только радует. Читателям сайта мы решили подробно рассказать как развивалась беспроводная передача электроэнергии на расстояния от начала и до наших дней, а также какие технологии уже практикуются.

История развития

Передача электроэнергии на расстояние без проводов рука об руку развивается с прогрессом в области радиопередачи, потому что принцип действия в этих явлениях во многом схож, если не сказать одинаков. Большая часть изобретений основывается на методе электромагнитной индукции, а также электростатического поля.

В 1820 году А.М. Ампер открыл закон взаимодействия токов, который заключался, в том, что если по двум близко расположенным проводникам ток течет в одном направлении, то они притягиваются друг к другу, а если в разных, то отталкиваются.

М. Фарадей в 1831 году установил в процессе проведения экспериментов, что переменное (меняющееся по величине и направлении во времени) магнитное поле, порождаемое протеканием электрического тока, наводит (индуцирует) токи в близлежащих проводниках. Т.е. происходит передача электроэнергии без проводов. Подробно мы рассматривали в статье ранее.

Ну а Дж. К. Максвелл еще через 33 года, в 1864 году перевел экспериментальные данные Фарадея в математический вид, собственно уравнения Максвелла являются основополагающими в электродинамике. Они описывают, как связаны электрический ток и электромагнитное поле.

Существование электромагнитных волн подтвердил в 1888 Г. Герц, в ходе своих экспериментов с искровым передатчиком с прерывателем на катушке Румкорфа. Таким образом производились ЭМ волны с частотой до пол гигагерца. Стоит отметить, что эти волны могли быть приняты несколькими приемниками, но те должны быть настроены в резонанс с передатчиком. Радиус действия установки был в районе 3-х метров. Когда в передатчике возникала искра, такие же возникали и на приемниках. Фактически это и есть первые опыты по передачи электроэнергии без проводов.

Глубокие исследования вел известный ученый Никола Тесла. Он в 1891 году изучал переменный ток высокого напряжения и частоты. В результате чего были сделаны выводы:

Для каждой конкретной цели нужно настраивать установку на соответствующую частоту и напряжение. При этом высокая частота не является обязательным условием. Лучшие результаты удалось добиться при частоте 15-20 кГц и напряжении передатчика 20кВ. Чтобы получить ток высокой частоты и напряжения использовался колебательный разряд конденсатора. Таким образом, можно передавать как электроэнергию, так и производить свет.

Ученный на своих выступлениях и лекциях демонстрировал свечение ламп (вакуумных трубок) под воздействием высокочастотного электростатического поля. Собственно основными заключениями Теслы было то, что даже в случае использования резонансных систем много энергии с помощью электромагнитной волны передать не получится.

Параллельно целый ряд ученных до 1897 года занимались подобными исследованиями: Джагдиш Боше в Индии, Александр Попов в России и Гульельмо Маркони в Италии.

Каждый из них внес свой вклад в развитие беспроводной передачи электроэнергии:

1. Дж. Боше в 1894 году, зажигал порох, передав электроэнергию на расстояние без проводов. Это он сделал на демонстрации в Калькутте.
2. А. Попов в 25 апреля (7 мая) 1895 года с помощью азбуки Морзе передал первое сообщение. В России до сих пор этот день, 7 мая, является Днём Радио.
3. В 1896 году Г. Маркони в Великобритании также передал радиосигнал (азбука Морзе) на расстояние в 1,5 км, позже на 3 км на Солсберийской равнине.

Стоит отметить, что работы Тесла, недооценённые в свое время и потерянные на века, превосходили по параметрам и возможностям работы его современников. В тоже время, а именно в 1896 году его аппараты передавали сигнал на большие расстояния (48 км), к сожалению это было небольшим количеством электроэнергии.

И к 1899 году Тесла приходит к выводу:

Несостоятельность метода индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха.

Эти выводу приведут к другим исследованиям, в 1900 году ему удалось запитать лампу от катушки, вынесенной в поле, а в 1903 году была запущена башня Вондерклифф на Лонг-Айленде. Она состояла из трансформатора с заземленной вторичной обмоткой, а на её вершине стоял медный сферический купол. С её помощью получилось зажечь 200 50-ватных ламп. При этом передатчик находился за 40 км от неё. К сожалению, эти исследования были прерваны, финансирование было прекращено, а бесплатная передача электроэнергии без проводов была экономически не выгодной бизнесменам. Башню разрушили в 1917 году.

В наши дни

Технологии беспроводной передачи электроэнергии сильно шагнули вперед, в основном в области передачи данных. Так значительных успехов достигла радиосвязь, беспроводные технологии типа Bluetooth и Wi-fi. Особых нововведений не произошло, в основном изменялись частоты, способы шифровки сигнала, представление сигнала перешло из аналогового в цифровой вид.

Если вести речь о передаче электроэнергии без проводов для питания электрооборудования, стоит упомянуть о том, что в 2007 году исследователи из Массачусетского института передали энергию на 2 метра и зажгли 60-ваттную лампочку таким образом. Эта технология получила названия WiTricity, в её основе электромагнитный резонанс приемника и передатчика. Стоит отметить, что приемник получает порядка 40-45% электроэнергии. Обобщенная схема устройства для передачи энергии через магнитное поле изображена на рисунке ниже:

На видео пример применения этой технологии для зарядки электромобиля. Суть заключается в том, что на дно электромобиля крепят приемник, а в гараже или на другом месте устанавливают передатчик на полу.

Вы должны поставить машину так, чтобы приемник располагался над передатчиком. Устройство передает достаточно много электроэнергии без проводов – от 3,6 до 11 кВт в час.

Компания в перспективе рассматривает обеспечение электричеством такой технологией и бытовой техники, а также всей квартиры в целом. В 2010 году компания Haier представила беспроводной телевизор, который получает питание с помощью аналогичной технологии, а также видеосигнал без проводов. Подобные разработки ведут и другие передовые компании, такие как Intel, Sony.

В быту широко распространены технологии беспроводной передачи электроэнергии, например, для зарядки смартфона. Принцип аналогичный – есть передатчик, есть приемник, КПД порядка 50%, т.е. для заряда током в 1А передатчик будет потреблять 2А. Передатчик обычно в таких комплектах называется базой, а та часть, что подключается к телефону – приемником или антенной.

Другой нишей является беспроводная передача электричества с помощью микроволн или лазера. Это обеспечивает больший радиус действия, нежели пара метров, которые обеспечивает магнитная индукция. В микроволновом способе на принимающее устройство устанавливают ректенну (нелинейная антенна для преобразования электромагнитной волны в постоянный ток), а передатчик направляет своё излучение в эту сторону. В таком варианте беспроводной передачи электричества отсутствует необходимость прямой видимости объектов. Минусом является то, что микроволновое излучение небезопасно для окружающей среды.

В заключение хотелось бы отметить — беспроводная передача электричества, безусловно, удобна для использования в повседневной жизни, но у неё есть свои плюсы и минусы. Если говорить об использовании таких технологий для заряда гаджетов, то плюсом является то, что вам не придется постоянно вставлять и вынимать из разъёма вашего смартфона штекер, соответственно разъём не выйдет из строя. Минусом является низкий КПД, если для смартфона потери энергии не существенны (несколько Ватт), то для беспроводной зарядки электромобиля – это весьма большая проблема. Основной целью развития в этой технологии является повысить КПД установки, ведь на фоне повсеместной гонки за энергосбережением использование технологий с низким КПД весьма сомнительно.

Похожие материалы:

Нравится(0 ) Не нравится(0 )