Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергииУченые из Стэнфорда предложили беспроводной метод зарядки электромобилей. Основными элементами системы являются две индукционные катушки. Одна (приемная) располагается в днище автомобиля, а вторая (передающая) встраивается прямо в дорожное покрытие на месте парковки автомобиля. Если автомобиль припаркован правильно, катушки находятся одна над другой, как на рисунке. К нижней (передающей) катушке подается переменный электрический ток, и катушкой создается переменное магнитное поле. Из-за этого, во второй катушке возникают индуцированные токи, которые и заряжают аккумуляторы электромобиля.

Основной недостаток устройств передающих электричества за счет явления электромагнитной индукции – низкий КПД при удалении приемной и передающей катушки друг от друга. В случае с электромобилем, когда расстояние между катушками не превышает 15 см, кпд будет составлять до 80%. Однако,при увеличении расстояния до 0,5 метров – КПД становится ничтожно малым.

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

Впрочем, в лабораторных условиях, удается передавать энергию “по воздуху” с высоким КПД и на расстояния больше метра. Так, на фотографии сверху, большая катушка возбуждает индукционные токи в меньшей.

Передаваемой энергии хватает, чтобы светилась обыкновенная лампочка накаливания. По заверению разработчиков, КПД системы достигает 75%.

Чтобы получить данный результат, катушки должны иметь строго соосное расположение, чуть-чуть зацепить одну из них, и весь эффект теряется.

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

Сегодня явление электромагнитной индукции все чаще используется для беспроводной зарядки мобильных телефонов и других маломощных устройств. В специальной станции (на фото ее роль выполняет подушечка) находится передающая индукционная катушка, а в устройстве – приемная:

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

Это катушка, а не спираль – точки А и В соединены между собой с обратной стороны платы.

Передающая и приемная катушка находятся в непосредственной близости, а высокий КПД при малых мощностях не столь принципиален.

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергииЯвление электромагнитной индукции можно использовать и для паразитного получения энергии от мощных источников электромагнитного излучения. На фотографии один из очередных приборов – “чудо-коробок” заряжает пальчиковую батарейку. На самом деле, автор “чудо-коробка” пользуется неосведомленностью людей. Получить хоть какую-то заметную энергию от мобильного телефона на таком расстоянии просто невозможно. А вот с ЛЭП (линий электропередач) энергию подобным образом действительно снимают, только приемники имеют гораздо большие размеры, и эти действия являются противозаконными.

  1. Почему метод беспроводной передачи электричества за счет явления электромагнитной индукции не получил широкого распространения?
  2. Как устроено зарядное устройство электрических зубных щеток (как на фото)?Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии
  3. Использование электромагнитной энергии ЛЭП считается воровством и преследуется законом. Почему?
  4. Можно ли говорить, что обычные радиоприемники получают электричество от радиостанций?
  5. Какие еще виды беспроводной передачи электричества вы знаете?

Передача электроэнергии на расстояние без проводов

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 Сам Электрик 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

Развитие передачи электроэнергии без проводов на расстояние связано с прогрессом в области радиотехники, так как оба процесса имеют одинаковую природу. Изобретения в обеих областях связаны с исследованием метода электромагнитной индукции и ее воздействия на образование электрического тока.

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

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 закон Фарадея 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:

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

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.

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

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.

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

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.

Рекомендуем просмотреть видео, на котором более подробно рассмотрен вопрос:

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.

Беспроводная передача электроэнергии

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

Самым же известным изобретателем и экспериментатором в сфере передачи электричества «по воздуху» стал родившийся на территории современной Хорватии сербский ученый Никола Тесла. Его опыты с электроустановками были до того масштабны и зрелищны, что современники считали его чуть ли не волшебником. Кое-кто, кстати, даже полагает, что именно работа одного из приборов Теслы вызвала взрыв в сибирской тайге в районе реки Подкаменная Тунгуска 30 июня 1908 года. В XX веке научные работы над передачей электроэнергии «по воздуху» не прекращались. Были изобретены новые (помимо электромагнитной индукции) способы реализации этой идеи — к примеру, передача энергии посредством лазерного или микроволнового излучения. Об этих способах мы расскажем ниже.

Читайте также:  Как из компактной люминесцентной лампы сделать светодиодную

Ведущие ученые из разных стран мира сегодня единогласно называют беспроводную передачу электричества одним из важнейших индустриальных прорывов ближайшего будущего.

С ними согласны и писатели-фантасты — например, Артур Кларк, описавший промышленное использование технологии в своих произведениях. Впрочем, коммерческие продукты, применяющие методы беспроводной передачи электроэнергии, один за другим появляются в розничной продаже уже сегодня.

В основном речь идет об устройствах для зарядки мобильных гаджетов, а также — в гораздо меньшей степени — для подпитки батарей электромобилей.

Как это работает

Беспроводная передача электроэнергии может осуществляться по несколькими технологиям. Наиболее известными и перспективными из них являются следующие три.

Электромагнитная индукция

Преимущество: высокий КПД Недостаток: минимальная дальность действия Электромагнитной индукцией называют явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре под воздействием проходящего через него магнитного поля.

Это означает, что если подать ток на одну индукционную катушку (в случае с гаджетами — встроенную в зарядное устройство), а рядом с ней расположить другую (встроенную в заряжаемое оборудование), то магнитный поток, возникающий под действием подаваемого тока в первой катушке, возбуждает электрический ток во второй. КПД таких систем превышает 80%, но только в тех случаях, когда заряжаемое устройство находится на минимальном расстоянии от зарядного — не более пары сантиметров. При увеличении дистанции КПД резко падает. Тем не менее именно на принципе электромагнитной индукции сегодня основана работа абсолютного большинства беспроводных зарядных устройств.

Лазерное излучение

Преимущества: большая дальность действия; защищенность сетей Недостаток: необходима прямая видимость между передатчиком и приемником Лазерный луч способен передавать не только информацию, но и энергию, причем на большие расстояния конкретному устройству и в строго выверенных объемах, тогда как при применении электромагнитной индукции электричество может получать любой приемник с соответствующими характеристиками, находящийся в зоне действия магнитного поля. Минус в том, что между лазерным передатчиком и фотоэлектрическим элементом приемника должна сохраняться прямая видимость, иначе энергия не будет достигать получателя. Работающие установки, использующие питание от лазерного луча, уже построены. Так, американский производитель самолетов и военной техники Lockheed Martin совместно с компанией LaserMotive испытала беспилотный летательный аппарат Stalker, способный оставаться в воздухе, получая питание от лазерного луча, в течение 48 часов. А Национальное аэрокосмическое агентство США (НАСА) создало небольшую радиоуправляемую модель самолета, получающего энергию от мощной лазерной пушки.

Микроволновое излучение

Преимущество: большая дальность действия Недостаток: высокая стоимость оборудования Для передачи электроэнергии можно использовать радиоантенну, создающую микроволновое излучение. При этом на устройстве-приемнике должна быть установлена ректенна, преобразующая принимаемое микроволновое излучение в электроток.

Эта технология обеспечивает возможность значительного удаления приемника от передатчика и не требует их нахождения  в прямой видимости друг от друга. С увеличением дальности, однако, пропорционально растут размеры и себестоимость оборудования.

К тому же работа установки для передачи электроэнергии с помощью микроволнового излучения большой мощности может, как считается, нанести вред окружающей среде.

Микроволновый вертолет

В 1964 году американский ученый Уильям Браун продемонстрировал модель вертолета, не имеющего иных источников питания, кроме ректенны. Чтобы поднять в воздух на высоту около 15 м модель вертолета массой 2,25 кг, понадобилась ректенна массой 900 г и площадью около 0,4 м2. Диаметр рефлектора антенны-источника составлял несколько метров.

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

Влага нестрашна

Одними из первых массовых бытовых приборов, использующих электромагнитную индукцию для беспроводной зарядки, в 90-е годы прошлого века стали электрические зубные щетки. Чтобы пользователя не ударило током во влажном помещении, крэдл и зубная щетка не имеют разъемов, а их корпуса герметичны — энергия от крэдла к щетке передается бесконтактно.

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии На острие луча

В 2003 году инженеры НАСА создали модель самолета, оборудованного фотоэлектрическим элементом, который при попадании на него луча лазера мощностью 1 кВт давал достаточно энергии для питания небольшого — мощностью всего 6 Ватт — двигателя самолета.

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергииСуществующие решения

Около пяти лет назад в продаже начали появляться первые пригодные для повседневного использования системы беспроводной зарядки мобильных гаджетов. Все они работают по принципу электромагнитной индукции.

Одновременно с выходом этой технологии на массовый рынок крупнейшие производители телекоммуникационного оборудования решили объединиться в Консорциум беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium) — организацию, призванную, помимо прочего, разработать всемирный стандарт для беспроводных зарядных устройств, работающих по принципу электромагнитной индукции. Данный стандарт получил название QI (читается «чи» или «ци» — от китайского «воздух» и «поток духовной энергии»). В настоящее время именно он регламентирует беспроводную передачу энергии на расстоянии до 4 см от заряжающей поверхности к мобильному устройству, оборудованному пластиной-приемником. Из крупных производителей гаджетов поддержку стандарта QI на части своих моделей обеспечивают HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung и Sony. Предполагается, что QI вскоре станет единым стандартом для всех подобных устройств, что позволит, к примеру, создавать зоны подзарядки гаджетов в общественных местах — на транспортных узлах, в кафе и т. д.

В настоящее время на мировом рынке представлено более 150 устройств с поддержкой стандарта QI — все они относятся к числу техники малой мощности (до 5 Ватт). В будущем предполагается появление оборудования средней мощности — до 120 Ватт.

Аксессуары для Nokia Lumia

Для смартфонов компании Nokia, поддерживающих беспроводную зарядку, сегодня разработано немало устройств — к примеру, зарядная площадка Nokia DT-901 Wireless Charging Pillow by Fatboy, выполненная в виде небольшой подушки. Чтобы зарядить смартфон, его необходимо просто на нее положить, не подключая никаких проводов. Сама же подушка подключена проводом к сетевому адаптеру.

Помимо зарядных подушек в продаже доступны и другие аксессуары Nokia с поддержкой беспроводной передачи электричества. Это и зарядная площадка с жесткой поверхностью Nokia DT-900, и аудиосистема Nokia MD-100W JBL PowerUp Wireless Charging Speaker. Последняя, к слову, позволяет во время зарядки смартфона транслировать музыкальные треки из его памяти — тоже по воздуху.

Все вышеупомянутые аксессуары компании Nokia и ее партнеров соответствуют стандарту QI. Кстати, старшая модель Nokia Lumia 920 имеет встроенный QI-приемник, тогда как владельцам младшей Lumia 820 придется купить дополнительную заднюю панель.

Беспроводное электричество. Работа и применение. Особенности

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.

Похожие темы:

Беспроводная передача энергии



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.

Литература:

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, циклотронный преобразователь энергии, передача энергии, устройство, взаимная индукция, помощь лазера, расстояние.

Технологии беспроводной передачи электрического тока на расстоянии как альтернатива устаревшим способам передачи электрического тока

Научный руководитель: Шабаев Р.Б., к.п.н., доцент, Стерлитамакский филиал Башкирского Государственного университета, г.

Стерлитамак Ключевые слова: ЭЛЕКТРИЧЕСТВО; ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА; БЕСПРОВОДНЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА; НОВЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА; ELECTRICITY; TRANSMISSION OF ELECTRICAL CURRENT; WIRELESS WAYS OF TRANSMITTING ELECTRIC CURRENT; NEW WAYS OF TRANSMITTING ELECTRIC CURRENT.

Аннотация: В статье раскрыты основные способы передачи электрического тока на расстоянии. Рассмотрены новые способы передачи электричества на расстоянии: начиная от практически применяемых, заканчивая новыми теоретическими способами. Приведены положительные и отрицательные стороны всех способов передачи.

В 21 веке произошел большой скачек в научно техническом прогрессе. Человек получил доступ к таким технологиям, что раньше даже не представлялись возможными. Так же с помощью современных технологий и последних разработок человечество получило шанс на сотворение в реальности своих давних и самых сокровенных желаний.

Одной из таких вещей стала передача электричества на расстояние. С тех пор как человечество открыло для себя электроэнергию, перед нами встал вопрос передачи электроэнергии на расстояние для обеспечения бесперебойной работы устройств и машин.

Разберем для начала, что такое электрический ток? Электрический ток — это упорядоченное, направленное движение заряженных частиц. Эти частицы отличаются в зависимости от среды в которой протекает ток. В основном частицами служат отрицательно заряженные электроны или положительно и отрицательно заряженные ионы.

Выработка электроэнергии происходит на различных электростанциях. Используемое топливо нагревает воду, которая из жидкого агрегатного состояния переходит в газообразное – водяной пар. Пар по паропроводам движется к турбинам, вращая которые и происходит выработка электричества.

Такие станции подразделяют на несколько групп в зависимости от используемого топливо для получения электричества: АЭС (используют энергию радиоактивного распада), ТЭЦ (в качестве топлива служит уголь, нефть, природный (попутный) газ), СЭС (используют энергию солнечного света).

Но и тут есть исключения на ГЭС используют поток воды, который падая вниз вращает лопасти генератора, на ГеоЭС используют пар который поднимается из недр земли, на ВЭС лопасти генератора толкают воздушные массы.

Все эти станции производят колоссальные объёмы электроэнергии, но как ее доставить до потребителя?

На данный момент электроэнергию доставляют до потребителей по средствам ЛЭП. На электростанции производят ток с низким напряжением, но с большой силой тока. Если такой ток сразу падать на провода к потребителю он не дойдет до него. Необходимо повысить его напряжение. Для этого на станциях есть повышающие трансформаторы, которые существенно поднимают напряжение.

После поднятия напряжения, ток пускают по проводам. Сейчас он способен перемещаться на большие расстояния. По с помощью ЛЭП ток доходит в самые отдаленные города и села. Перемещаясь непосредственно близко к потребителю, он падает в ЦРП. В ЦРП находятся понижающие трансформаторы, которые понижают напряжение до привычных нам значений.

Дальше ток по проводам поступает к потребителю, где мы можем им спокойно пользоваться.

Так же для передачи электроэнергии используют электрические батареи и аккумуляторы. Они созданы для портативных устройств, для которых необходим постоянное потребление электричества. В настоящее время существует большое множество разнообразных форм и классификаций батареек и аккумуляторов.

Это все давно известные и хорошо отлаженные способы передачи электрического тока на расстоянии. Но и ни имеют свои недостатки.

Батарейные блоки и аккумуляторы имеет фиксированную емкость, и когда они разрядятся они бесполезны. Передача тока по ЛЭП тоже имеет свои минусы.

Нет возможности взять прибор с собой и пользоваться, когда необходимо. Для этого надо чтобы он был постоянно подключен к сети, а это невозможно.

Так какие альтернативные способы передачи электрического тока существуют? Альтернативой может выступить бесконтактная передача электрического тока.

Впервые о таком способе передачи тока заговорили еще в 19 веке, когда Ампер открыл свойство электрического поля переходить в магнитное поле. Позже это явление назвали законом Ампера.

На данный момент существует несколько способов бесконтактной передачи электрического тока: метод электрической индукции, электростатическая индукция, ультразвуковой метод, лазерный метод.

Метод электромагнитной индукции. При беспроводной передаче электроэнергии методом электромагнитной индукции используется ближайшее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны.

Энергия ближнего поля сама по себе не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же присутствуют. Так же присутствуют резистивные потери.

Благодаря электродинамической индукции, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создаёт переменное магнитное поле, которое оказывает воздействие на вторичную обмотку, индуцируя в ней электрический ток. Для достижения высокой эффективности взаимодействие должно быть достаточно тесным.

По мере удаления вторичной обмотки от первичной, всё большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. Даже на относительно малых расстояниях индуктивная связь становится очень неэффективной. Это из-за малого КПД такой установки.

Большинство передаваемой энергии теряется по пути, и до вторичной обмотки доходит лишь малая часть. В наше время этот метод применяется для зарядки батарей в технике. С ее помощью отпадает нужна в проводе зарядки и разъёме на технике. Вместо нее используют тонкую пластинку вторичной обмотки, что позволяет уменьшить объём устройств.

Микроволновое излучение. В 20 веке активно начали развивать теории об передаче энергии по средству микроволнового излучения. В том же веке были проведены первые положительные опыты по передачи энергии на большие расстояния по средствам микроволнового излучения.

Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной, значительно увеличив расстояние эффективной передачи энергии путём уменьшения длины волны электромагнитного излучения, как правило, до микроволнового диапазона.

Для обратного преобразования микроволновой энергии в электричество может быть использована ректенна, эффективность преобразования энергии которой превышает 95 %.

Данный способ был предложен для передачи энергии с орбитальных солнечных электростанций на Землю и питания космических кораблей, покидающих земную орбиту.

Лазерный метод. В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к видимой области спектра, энергию можно передать путём её преобразования в луч лазера, который затем может быть направлен на фотоэлемент приёмника.

Лазерный метод позволяет передавать энергию на больше расстояния, из-за сфокусированности луча и малого угла расходимости между пучками световых волн. Так же лазер не создает помех, не оказывает негативного воздействия на радиочастотные приемники и передатчики.

Передача энергии возможна только при освещении приемника, что позволяет четко контролировать передачу энергии. Но и у этого метода имеются свои недостатки. Приемник и передатчик должны быть в прямой видимости для того что бы лазер мог попасть в приемник.

Так же в атмосфере неизбежны потери в энергии. Данный метод пользуется хорошей популярностью в аэрокосмической области.

Таким образом использование бесконтактной передачи электрического тока является приоритетным направлением. В последствии при бурном развитии этого направления мы можем полностью отказаться от метода передачи с помощью ЛЭП.

Список литературы

  1. С.С. Ананичева, П.И. Бартоломей, А.Л. Мызин. Передача электроэнергии на дальние расстояния. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1993, 80 с.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector