Беспроводная передача электроэнергии: история, технологии, оборудование. Беспроводная передача электроэнергии. Принцип действия

Открытый Андре Мари Ампером в 1820 году закон взаимодействия электрических токов, положил начало дальнейшему развитию науки об электричестве и магнетизме. Спустя 11 лет, Майкл Фарадей экспериментально установил, что порождаемое электрическим током меняющееся магнитное поле способно индуцировать электрический ток в другом проводнике. Так был создан .

В 1864 году Джеймс Клерк Максвелл окончательно систематизировал экспериментальные данные Фарадея, придав им форму точных математических уравнений, благодаря которым была создана основа классической электродинамики, ведь эти уравнения описывали связь электромагнитного поля с электрическими токами и зарядами, а следствием этого должно было быть существование электромагнитных волн.

В 1888 году Генрих Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом. Его искровой передатчик с прерывателем на основе катушки Румкорфа мог производить электромагнитные волны частотой до 0,5 гигагерц, которые могли быть приняты несколькими приемниками, настроенными в резонанс с передатчиком.

Приемники могли располагаться на расстоянии до 3 метров, и при возникновении искры в передатчике, искры возникали и в приемниках. Так были проведены первые опыты по беспроводной передаче электрической энергии с помощью электромагнитных волн.

В 1891 году , занимаясь исследованием переменных токов высокого напряжения и высокой частоты, приходит к выводу, что крайне важно для конкретных целей подбирать как длину волны, так и рабочее напряжение передатчика, и совсем не обязательно делать частоту слишком высокой.

Ученый отмечает, что нижняя граница частот и напряжений, при которых ему на тот момент удалось добиться наилучших результатов, - от 15000 до 20000 колебаний в секунду при потенциале от 20000 вольт. Тесла получал ток высокой частоты и высокого напряжения, применяя колебательный разряд конденсатора (смотрите - ). Он заметил, что данный вид электрического передатчика пригоден как для производства света, так и для передачи электроэнергии для производства света.

В период с 1891 по 1894 годы ученый многократно демонстрирует беспроводную передачу, и свечение вакуумных трубок в высокочастотном электростатическом поле, при этом отмечая, что энергия электростатического поля поглощается лампой, преобразуясь в свет, а энергия электромагнитного поля, используемая для электромагнитной индукции с целью получения аналогичного результата, в основном отражается, и лишь малая ее доля преобразуется в свет.

Даже применяя резонанс при передаче с помощью электромагнитной волны, значительного количества электрической энергии передать не удастся, утверждал ученый. Его целью в этот период работы была передача именно большого количества электрической энергии беспроводным способом.

Вплоть до 1897 года, параллельно с работой Тесла, исследования электромагнитных волн ведут: Джагдиш Боше в Индии, Александр Попов в России, и Гульельмо Маркони в Италии.

Вслед за публичными лекциями Тесла, Джагдиш Боше выступает в ноябре 1894 года в Калькутте с демонстрацией беспроводной передачи электричества, там он зажигает порох, передав электрическую энергию на расстояние.

После Боше, а именно 25 апреля 1895 года, Александр Попов, используя азбуку Морзе, передал первое радиосообщение, и эта дата (7 мая по новому стилю) отмечается теперь ежегодно в России как «День Радио».

В 1896 году Маркони, приехав в Великобританию, продемонстрировал свой аппарат, передав с помощью азбуки Морзе сигнал на расстояние 1,5 километра с крыши здания почтамта в Лондоне на другое здание. После этого он усовершенствовал свое изобретение и сумел передать сигнал по Солсберийской равнине уже на расстояние 3 километра.

Тесла в 1896 году удачно передает и принимает сигналы на расстоянии между передатчиком и приемником примерно в 48 километров. Однако значительного количества электрической энергии передать на большое расстояние пока никому из исследователей не удалось.

Экспериментируя в Колорадо-Спрингс, в 1899 году Тесла напишет: «Несостоятельность метода индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха». Это станет началом исследований ученого, направленных на передачу электроэнергии на значительные расстояния без использования проводов. В январе 1900 года Тесла сделает в своем дневнике запись об успешной передаче энергии на катушку, «вынесенную далеко в поле», от которой была запитана лампа.

А самым грандиозным успехом ученого станет запуск 15 июня 1903 года башни Ворденклифф на Лонг-Айленде, предназначенной для передачи электрической энергии на значительное расстояние в больших количествах без проводов. Заземленная вторичная обмотка резонансного трансформатора, увенчанная медным сферическим куполом, должна была возбудить заряд земли и проводящие слои воздуха, чтобы стать элементом большой резонансной цепи.

Так ученому удалось запитать 200 ламп по 50 Ватт на расстоянии около 40 километров от передатчика. Однако, исходя из экономической целесообразности, финансирование проекта было прекращено Морганом, который с самого начала вкладывал деньги в проект с целью получить беспроводную связь, а передача бесплатной энергии в промышленных масштабах на расстояние его, как бизнесмена, категорически не устраивала. В 1917 году башня, предназначенная для беспроводной передачи электрической энергии, была разрушена.

Уже намного позже, в период с 1961 по 1964 годы, эксперт в области СВЧ-электроники Вильям Браун экспериментировал в США с трактами передачи энергии СВЧ-пучком.

В 1964 году им было впервые испытано устройство (модель вертолета) способное принимать и использовать энергию СВЧ пучка в виде постоянного тока, благодаря антенной решётке, состоящей из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки. Уже к 1976 году Вильям Браун осуществил передачу СВЧ-пучком мощности в 30 кВт на расстояние в 1,6 км с КПД превышающим 80%.

В 2007 году исследовательская группа Массачусетского технологического института под руководством профессора Марина Солячича сумела передать беспроводным способом энергию на расстояние в 2 метра. Передаваемой мощности было достаточно для питания 60 ваттной лампочки.

В основе их технологии (названной ) лежит явление электромагнитного резонанса. Передатчик и приемник - это резонирующие с одинаковой частотой две медные катушки диаметром 60 см каждая. Передатчик подключен к источнику энергии, а приемник - к лампе накаливания. Контуры настроены на частоту 10 МГц. Приемник в данном случае получает только 40-45% передаваемой электроэнергии.

Примерно в тоже самое время похожую технологию беспроводной передачи электроэнергии продемонстрировала компания Intel.

В 2010 году Haier Group, китайский производитель бытовой техники, представила на всеобщее обозрение на выставке CES 2010 свой уникальный продукт - полностью беспроводной LCD телевизор, основанный на данной технологии.

Если верить истории, революционный технологический проект был заморожен из-за отсутствия у Теслы должных финансовых возможностей (эта проблема преследовала ученого практически все время его работы в Америке). Говоря в целом, основное давление на него оказывалось со стороны другого изобретателя — Томаса Эдисона и его компаний, которые продвигали технологию постоянного тока, в то время как Тесла занимался током переменным (так называемая «Война токов»). История расставила все на свои места: сейчас переменный ток используется в городских электросетях практически повсеместно, хотя отголоски прошлого доходят и до наших дней (например, одна из заявленных причин поломок пресловутых поездов Hyundai - использование на некоторых участках украинской ЖД электролиний постоянного тока).

Башня Ворденклиф, в которой Никола Тесла проводил свои эксперименты с электричеством (фото 1094 года)

Что же касается башни Ворденклиф, то, если верить легенде, Тесла продемонстрировал одному из главных инвесторов Дж.П. Моргану, акционеру первой в мире Ниагарской ГЭС и медных заводов (медь, как известно, используется в проводах), работающую установку по беспроводной передаче тока, стоимость которого для потребителей была бы (заработай такие установки в промышленных масштабах) на порядок дешевле для потребителей, после чего он свернул финансирование проекта. Как бы там ни было, всерьез о беспроводной передаче электроэнергии заговорили только спустя 90 лет, в 2007 году. И хотя до того момента, как линии электропередач полностью исчезнут из городского пейзажа, еще далеко, приятные мелочи вроде беспроводной зарядки мобильного устройства доступны уже сейчас.

Прогресс подкрался незаметно

Если мы просмотрим архивы ИТ-новостей хотя бы двухгодичной давности, то в таких подборках обнаружим разве что редкие сообщения о том, что те или иные компании занимаются разработкой беспроводных зарядных устройств, и ни слова о готовых продуктах и решениях (кроме базовых принципов и общих схем). На сегодняшний же день беспроводная зарядка уже не является чем-то сверхоригинальным или концептуальным. Подобные устройства вовсю продаются (например, свои зарядки на MWC 2013 демонстрировала LG), испытываются для электромобилей (этим занимается Qualcomm) и даже используются в общественных местах (например, на некоторых европейских ЖД-вокзалах). Более того, уже существуют несколько стандартов такой передачи электроэнергии и несколько альянсов, продвигающих и развивающих их.

За беспроводную зарядку мобильных устройств отвечают подобные катушки, одна из которых находится в телефоне, а другая - в самом зарядном устройстве

Самым известным таким стандартом является стандарт Qi, разрабатываемый Wireless Power Consortium, в который входят такие известные компании, как HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Sony и еще около сотни других организаций. Этот консорциум был организован в 2008 году с целью создания универсального зарядного устройства для девайсов различных производителей и торговых марок. В своей работе стандарт использует принцип магнитной индукции, когда базовая станция состоит из индукционной катушки, которая создает электромагнитное поле при поступлении переменного тока из сети. В заряжаемом же устройстве присутствует похожая катушка, которая реагирует на это поле и умеет преобразовывать полученную через него энергию в постоянный ток, который используется для зарядки аккумулятора (подробно ознакомиться с принципом работы можно на сайте консорциума http://www.wirelesspowerconsortium.com/what-we-do/how-it-works/). Кроме того, Qi поддерживает протокол передачи данных между зарядными и заряжаемыми устройствами на скорости 2 кб/с, который используется для передачи данных о необходимом объеме зарядки и выполнении требуемой операции.

Беспроводную зарядку по стандарту Qi на сегодняшний день поддерживают многие смартфоны, а зарядные устройства универсальны для всех аппаратов, поддерживающих данный стандарт

Есть у Qi и серьезный конкурент - Power Matters Alliance, в который входят AT&T, Duracell, Starbucks, PowerKiss и Powermat Technologies. Эти имена находятся далеко не на первых ролях в мире информационных технологий (особенно сеть кофеен Starbucks, которая находится в альянсе из-за того, что собирается повсеместно внедрять в своих заведениях данную технологию), - они специализируются именно на энергетических вопросах. Данный альянс был сформирован не так давно, в марте 2012 года, в рамках одной из программ IEEE (Института инженеров электротехники и электроники). Продвигаемый ими стандарт PMA работает по принципу взаимной индукции - частного примера электромагнитной индукции (которую не следует путать с магнитной индукцией, используемой Qi), когда при изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока через контур второго, созданного магнитным полем, порожденным током в первом проводнике, что вызывает возникновение электродвижущей силы во втором проводнике и (если второй проводник замкнут) индукционного тока. Так же, как и в случае с Qi, этот ток потом преобразуется в постоянный и подается в аккумулятор.

Ну, и не стоит забывать об Alliance for Wireless Power, в которую входят Samsung, Qualcomm, Ever Win Industries, Gill Industries, Peiker Acustic, SK Telecom, SanDisk и т. д. Эта организация пока не представила готовых решений, но среди ее целей, в том числе, - разработка зарядок, которые бы работали через неметаллические поверхности и в которых бы не использовались катушки.

Одна из целей организации Alliance for Wireless Power - возможность зарядки без привязки к конкретному месту и типу поверхности

Из всего вышенаписанного можно сделать простой вывод: через год-два большинство современных устройств смогут подзаряжаться без использования традиционных зарядных устройств. Пока же мощности беспроводной зарядки хватает, в основном, на смартфоны, однако для планшетов и ноутбуков такие устройства тоже скоро появятся (та же Apple не так давно запатентовала беспроводную зарядку для iPad). Это значит, что проблема разрядки устройств будет решена практически полностью - положил или поставил устройство в определенное место, и даже во время работы оно заряжается (или, в зависимости от мощности, разряжается намного медленнее). Со временем, можно не сомневаться, радиус их действия будет расширяться (сейчас необходимо использовать специальный коврик или подставку, на котором лежит устройство, либо оно должно находиться совсем рядом), и они будут повсеместно устанавливаться в автомобили, поезда и даже, возможно, самолеты.

Ну, и еще один вывод - скорее всего, не удастся избежать очередной войны форматов между разными стандартами и альянсами, продвигающими их.

Избавимся ли мы от проводов?

Беспроводная зарядка устройств - штука, конечно, хорошая. Но мощности, которые возникают при ней, достаточны только для заявленных целей. С помощью этих технологий пока невозможно даже осветить дом, не говоря уже о работе крупной бытовой техники. Тем не менее, эксперименты по высокомощной беспроводной передаче электроэнергии ведутся и базируются они, в том числе, и на материалах Теслы. Сам ученый предлагал установить по всему миру (тут, скорее всего, подразумевались развитые на тот момент страны, которых было намного меньше, чем сейчас) более 30 приемо-передающих станций, которые совмещали бы передачу энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, что позволило бы избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало объединению электрических генерирующих в глобальном масштабе.

Сегодня есть несколько методов решения задачи беспроводной передачи энергии, правда, все они пока позволяют добиться несущественных в глобальном плане результатов; речь идет даже не о километрах. Такие методы, как ультразвуковая, лазерная и электромагнитная передача, имеют существенные ограничения (короткие дистанции, необходимость прямой видимости передающих устройств, их размер, а в случае с электромагнитными волнами -очень низкий КПД и вред здоровью от мощного поля). Поэтому самые перспективные разработки связаны с использованием магнитного поля, а точнее - резонансного магнитного взаимодействия. Одна из них - WiTricity, разработкой занимается концерн WiTricity corporation, основанной профессором MIT Марином Солячичем и рядом его коллег.

Так, в 2007 году им удалось передать ток мощностью 60 Вт на расстояние 2 м. Его хватило на свечение лампочки, а КПД составлял 40 %. Но неоспоримым плюсом использовавшейся технологии являлось то, что она практически не взаимодействует ни с живыми существами (сила поля, по заявлению авторов, в 10 тыс. раз слабее, чем то, что царит в сердцевине магнитно-резонансного томографа), ни с медицинским оборудованием (кардиостимуляторы и т. п.), ни с другим излучением, а значит, не помешает, например, работе того же Wi-Fi.

Что самое интересное, на КПД системы WiTricity влияют не только размер, геометрия и настройка катушек, а также дистанция между ними, но и число потребителей, причем в положительном плане. Два приемных прибора, размещенные на расстоянии от 1,6 до 2,7 м по обе стороны от передающей «антенны», показали на 10 % лучший КПД, чем по отдельности - это решает проблему подключения множества устройств к одному источнику питания.

Открыл закон (после названный в честь открывателя законом Ампера), показывающий, что электрический ток производит магнитное поле.

• В 2007 году исследовательская группа под руководством профессора Марина Солячича из передала беспроводным способом на расстояние 2 м энергию мощностю, достаточной для свечения лампочки мощностью 60 ватт , с КПД , равным 40 % , с помощью двух катушек диаметром 60 см .
• В 2008 году фирма «Bombardier» предложила систему для беспроводной передачи энергии, названную «primove» и предназначенную для применения в трамваях и двигателях малотоннажной железной дороги .
• В 2008 году сотрудники фирмы Intel воспроизвели опыты Никола Тесла 1894 года и опыты группы Джона Брауна 1988 года по беспроводной передаче энергии для свечения ламп накаливания с КПД , равным 75 % .
• В 2009 году консорциум заинтересованных компаний, названный «Wireless Power Consortium», разработал стандарт беспроводного питания для малых токов, названный « » . Qi стал применяться в портативной технике.
• В 2009 году норвежская компания «Wireless Power & Communication» представила разработанный ею промышленный фонарь, способный безопасно работать и перезаряжаться бесконтактным способом в атмосфере, насыщенной огнеопасным газом.
• В 2009 году фирма «Haier Group» представила первый в мире полностью беспроводной LCD-телевизор, основанный на исследованиях профессора Марина Солячича по беспроводной передаче энергии и беспроводном домашнем цифровом интерфейсе (WHDI) .
• В 2011 году «Wireless Power Consortium» приступил к расширению спецификаций стандарта Qi для средних токов.
• В 2012 году начал работу частный петербургский музей «Гранд Макет Россия », в котором миниатюрные модели автомобилей получали электропитание беспроводным способом через модель дорожного полотна.
• В 2015 году учёные из Вашингтонского университета выяснили, что электричество можно передавать посредством технологии Wi-Fi .

Технологии

Ультразвуковой способ

Ультразвуковой способ передачи энергии изобретён студентами университета Пенсильвании и впервые широкой публике представлен на выставке «The All Things Digital» (D9) в 2011 году. Как и в других способах беспроводной передачи чего-либо, использовался приёмник и передатчик. Передатчик излучал ультразвук; приёмник, в свою очередь, преобразовывал слышимое в электричество. На момент презентации расстояние передачи достигало 7-10 метров , и была необходима прямая видимость приёмника и передатчика. Передаваемое напряжение достигало 8 вольт ; получаемая сила тока не сообщается. Используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Также нет сведений и об отрицательном воздействии ультразвуковых частот на животных.

Метод электромагнитной индукции

При беспроводной передаче энергии методом электромагнитной индукции используется ближнее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны. Энергия ближнего поля сама по себе не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Кроме того, как правило, имеют место и резистивные потери. Благодаря электродинамической индукции, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создаёт переменное магнитное поле, которое действует 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 небольших расстояниях индуктивная связь становится крайне неэффективной, расходуя большую часть передаваемой энергии впустую.

Электрический трансформатор является простейшим устройством для беспроводной передачи энергии. Первичная и вторичная обмотки трансформатора прямо не связаны. Передача энергии осуществляется посредством процесса, известного как взаимная индукция . Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения. Бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щёток являются примерами использования принципа электродинамической индукции. Индукционные плиты также используют этот метод. Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приёмник должен находиться в непосредственной близости к передатчику для того, чтобы эффективно с ним взаимодействовать.

Использование резонанса несколько увеличивает дальность передачи. При резонансной индукции передатчик и приёмник настроены на одну частоту. Производительность может быть улучшена ещё больше путём изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Импульсная передача энергии происходит в течение нескольких циклов. Таким образом, значительная мощность может быть передана между двумя взаимно настроенными LC-цепями с относительно невысоким коэффициентом связи. Передающая и приёмная катушки, как правило, представляют собой однослойные соленоиды или плоскую спираль с набором конденсаторов, которые позволяют настроить принимающий элемент на частоту передатчика.

Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка аккумуляторных батарей портативных устройств, таких, как портативные компьютеры и сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили. Техника локализованной зарядки использует выбор соответствующей передающей катушки в структуре массива многослойных обмоток. Резонанс используется как в панели беспроводной зарядки (передающем контуре), так и в модуле приёмника (встроенного в нагрузку) для обеспечения максимальной эффективности передачи энергии. Такая техника передачи подходит универсальным беспроводным зарядным панелям для подзарядки портативной электроники, такой, например, как мобильные телефоны. Техника принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi .

Резонансная электродинамическая индукция также используется для питания устройств, не имеющих аккумуляторных батарей, таких, как RFID-метки и бесконтактные смарт-карты, а также для передачи электрической энергии от первичного индуктора винтовому резонатору трансформатора Теслы, также являющемуся беспроводным передатчиком электрической энергии.

Электростатическая индукция

Лазерный метод

В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к видимой области спектра (от 10 мкм до 10 нм ), энергию можно передать путём её преобразования в луч лазера , который затем может быть направлен на фотоэлемент приёмника.

Лазерная передача энергии по сравнению с другими методами беспроводной передачи обладает рядом преимуществ:

• передача энергии на большие расстояния (за счёт малой величины угла расходимости между узкими пучками монохроматической световой волны);
• удобство применения для небольших изделий (благодаря небольшим размерам твердотельного лазера - фотоэлектрического полупроводникового диода);
• отсутствие радиочастотных помех для существующих средств связи, таких, как Wi-Fi и сотовые телефоны (лазер не создаёт таких помех);
• возможность контроля доступа (получить электроэнергию могут только приёмники, освещённые лазерным лучом).

У данного метода есть и ряд недостатков:

• преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, которым является свет, неэффективно. Преобразование света обратно в электричество также неэффективно, так как КПД фотоэлементов достигает 40-50 % , хотя эффективность преобразования монохроматического света значительно выше, чем эффективность солнечных панелей;
• потери в атмосфере;
• необходимость прямой видимости между передатчиком и приёмником (как и при микроволновой передаче).

Технология передачи мощности с помощью лазера ранее, в основном, исследовалась при разработке новых систем вооружений и в аэрокосмической промышленности, а в настоящее время разрабатывается для коммерческой и потребительской электроники в маломощных устройствах. Системы беспроводной передачи энергии с применением в потребительских целях должны удовлетворять требованиям лазерной безопасности стандарта IEC 60825. Для лучшего понимания лазерных систем следует принимать во внимание то, что распространение лазерного луча гораздо в меньшей степени зависит от дифракционных ограничений, как пространственное и спектральное согласование характеристик лазеров позволяют увеличить рабочую мощность и дистанцию, как длина волны влияет на фокусировку.

Драйденский лётно-исследовательский центр НАСА продемонстрировал полёт лёгкого беспилотного самолёта-модели, питаемого лазерным лучом. Это доказало возможность периодической подзарядки посредством лазерной системы без необходимости приземления летательного аппарата.

Переменный ток может передаваться через слои атмосферы, имеющие атмосферное давление менее 135 мм рт. ст . Ток протекает посредством электростатической индукции через нижние слои атмосферы примерно в 2-3 милях (3,2-4,8 километрах ) над уровнем моря и благодаря потоку ионов, то есть электрической проводимости через ионизированную область, расположенную на высоте выше 5 км . Интенсивные вертикальные пучки ультрафиолетового излучения могут быть использованы для ионизации атмосферных газов непосредственно над двумя возвышенными терминалами, приводя к образованию плазменных высоковольтных линий электропередач, ведущих прямо к проводящим слоям атмосферы. В результате между двумя возвышенными терминалами образуется поток электрического тока, проходящий до тропосферы, через неё и обратно на другой терминал. Электропроводность через слои атмосферы становится возможной благодаря ёмкостному плазменному разряду в ионизированной атмосфере .

Никола Тесла обнаружил, что электроэнергия может передаваться и через землю, и через атмосферу. В ходе своих исследований он добился возгорания лампы на умеренных расстояниях и зафиксировал передачу электроэнергии на больших дистанциях. Башня Ворденклиф задумывалась как коммерческий проект по трансатлантической беспроводной телефонии и стала реальной демонстрацией возможности беспроводной передачи электроэнергии в глобальном масштабе. Установка не была завершена из-за недостаточного финансирования .

Земля является естественным проводником и образует один проводящий контур. Обратный контур реализуется через верхние слои тропосферы и нижние слои стратосферы на высоте около 4,5 миль (7,2 км ) .

Глобальная система передачи электроэнергии без проводов, так называемая „Всемирная беспроводная система“, основанная на высокой электропроводности плазмы и высокой электропроводности земли, была предложена Николой Тесла в начале 1904 года и вполне могла стать причиной Тунгусского метеорита , возникшего в результате „короткого замыкания“ между заряженной атмосферой и землей .

Всемирная беспроводная система

Ранние эксперименты известного сербского изобретателя Никола Теслы касались распространения обычных радиоволн, то есть волн Герца, электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве.

В 1919 году Никола Тесла писал: «Считается, что я начал работу над беспроводной передачей в 1893 году, но на самом деле два предыдущих года я проводил исследования и конструировал аппаратуру. Для меня было ясно с самого начала, что успеха можно достичь благодаря ряду радикальных решений. Высокочастотные генераторы и электрические осцилляторы должны были быть созданы в первую очередь. Их энергию необходимо было преобразовать в эффективных передатчиках и принять на расстоянии надлежащими приёмниками. Такая система была бы эффективна в случае исключения любого постороннего вмешательства и обеспечения её полной исключительности. Со временем, однако, я осознал, что для эффективной работы устройств такого рода они должны разрабатываться с учётом физических свойств нашей планеты».

Одним из условий создания всемирной беспроводной системы является строительство резонансных приёмников. Заземлённый винтовой резонатор катушки Теслы и расположенный на возвышении терминал могут быть использованы в качестве таковых. Тесла лично неоднократно демонстрировал беспроводную передачу электрической энергии от передающей к приёмной катушке Теслы. Это стало частью его беспроводной системы передачи (патент США № 1119732 от 18 января 1902 года, «Аппарат для передачи электрической энергии»). Тесла предложил установить более тридцати приёмо-передающих станций по всему миру. В этой системе приёмная катушка действует как понижающий трансформатор с высоким выходным током. Параметры передающей катушки тождественны приёмной.

Целью мировой беспроводной системы Теслы являлось совмещение передачи энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которое бы позволило избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало бы объединению электрических генераторов в глобальном масштабе.

См. также

• WiTricity

Примечания

1. «Electricity at the Columbian Exposition», by John Patrick Barrett. 1894, pp. 168-169 (англ.)
2. Experiments with Alternating Currents of Very High Frequency and Their Application to Methods of Artificial Illumination, AIEE, Columbia College, N.Y., May 20, 1891 (англ.)
3. Experiments with Alternate Currents of High Potential and High Frequency, IEE Address, London, February 1892 (англ.)
4. On Light and Other High Frequency Phenomena, Franklin Institute, Philadelphia, February 1893 and National Electric Light Association, St. Louis, March 1893 (англ.)
5. The Work of Jagdish Chandra Bose: 100 years of mm-wave research (англ.)
6. Jagadish Chandra Bose (англ.)
7. Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power, pp. 26-29. (англ.)
8. June 5, 1899, Nikola Tesla Colorado Spring Notes  1899-1900, Nolit, 1978 (англ.)
9. Nikola Tesla: Guided Weapons & Computer Technology (англ.)
10. The Electrician (London), 1904 (англ.)
11. Scanning the Past: A History of Electrical Engineering from the Past, Hidetsugu Yagi
12. Тетельбаум С. И. О беспроводной передаче электроэнергии на большие расстояния с помощью радиоволн // Электричество. - 1945. - № 5 . - С. 43-46 .
13. Костенко А. А. Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития // Радиофизика и радиоастрономия. - 2000. - Т. 5 , № 3 . - С. 231 .
14. A survey of the elements of power Transmission by microwave beam, in 1961 IRE Int. Conf. Rec., vol.9, part 3, pp.93-105 (англ.)
15. IEEE Microwave Theory and Techniques, Bill Brown’s Distinguished Career (англ.)
16. Power from the Sun: Its Future, Science Vol. 162, pp. 957-961 (1968)
17. Solar Power Satellite patent (англ.)
18. History of RFID (англ.)
19. Space Solar Energy Initiative (англ.)
20. Wireless Power Transmission for Solar Power Satellite (SPS) (Second Draft by N. Shinohara), Space Solar Power Workshop, Georgia Institute of Technology (англ.)
21. W. C. Brown: The History of Power Transmission by Radio Waves: Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on September, 1984, v. 32 (9), pp. 1230-1242 (англ.)
22. Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances (англ.) . Science (7 June 2007). Проверено 6 сентября 2010. Архивировано 29 февраля 2012 года. ,
    Заработал новый способ беспроводной передачи электричества (рус.) . MEMBRANA.RU (8 июня 2007). Проверено 6 сентября 2010. Архивировано 29 февраля 2012 года.
23. Bombardier PRIMOVE Technology
24. Intel imagines wireless power for your laptop (англ.)
25. wireless electricity specification nearing completion
26. Global Qi Standard Powers Up Wireless Charging - HONG KONG, Sept. 2 /PRNewswire/
27. TX40 and CX40, Ex approved Torch and Charger (англ.)
28. Haier’s wireless HDTV lacks wires, svelte profile (video) (англ.) ,
    Беспроводное электричество поразило своих создателей (рус.) . MEMBRANA.RU (16 февраля 2010). Проверено 6 сентября 2010.

Беспроводная передача для доставки электричества имеет возможность поставлять основные достижения в области промышленности и приложениях, зависящих от физического контакта разъема. Оно, в свою очередь, может быть ненадежным и привести к неудачам. Передача беспроводной электроэнергии была впервые продемонстрирована Никола Тесла в 1890-х годах. Однако только в последнее десятилетие технология была использована до такой степени, что она предлагает реальные, ощутимые преимущества для приложений реального мира. В частности, развитие резонансной беспроводной системы питания для рынка бытовой электроники показало, что зарядка по индукции обеспечивает новые уровни удобства для миллионов повседневных устройств.

Рассматриваемая мощность широко известна многими терминами. Включая индуктивную передачу, связь, резонансную беспроводную сеть и такую же отдачу напряжения. Каждое из этих условий, по существу, описывает один и тот же фундаментальный процесс. Беспроводную передачу электроэнергии или мощности от источника питания до напряжения нагрузки без разъемов через воздушный зазор. Основой являются две катушки - передатчика и приемника. Первая возбуждается переменным током для генерации магнитного поля, которое, в свою очередь, индуцирует напряжение во второй.

Как работает рассматриваемая система

Основы беспроводной мощности включают раздачу энергии от передатчика к приемнику через колебательное магнитное поле. Для достижения этого постоянный ток, подаваемый источником питания, преобразуется в высокочастотный переменный. С помощью специально разработанной электроники, встроенной в передатчик. Переменный ток активирует катушку медного провода в раздатчике, которая генерирует магнитное поле. Когда вторая (приемная) обмотка размещается в непосредственной близости. Магнитное поле может вызывать переменный ток в принимающей катушке. Электроника в первом устройстве затем преобразует переменный обратно в постоянный, который становится потребляемой мощностью.

Схема беспроводной передачи электроэнергии

Напряжение «сети» преобразуется в сигнал переменного тока, который затем посылается на катушку передатчика через электронную цепь. Протекающий через обмотку раздатчика, индуцирует магнитное поле. Оно, в свою очередь, может распространяться на катушку приемника, которая находится в относительной близости. Затем магнитное поле генерирует ток, протекающий через обмотку приемного устройства. Процесс, посредством которого энергия распространяется между передающей и приемной катушками, также упоминается как магнитная или резонансная связь. И достигается с помощью обеих обмоток, функционирующих на той же частоте. Ток, текущий в катушке приемника, преобразуется в постоянный с помощью схемы приемника. Затем может использоваться для питания устройства.

Что значит резонанс

Расстояние, на которое может передаваться энергия (или мощность), увеличивается, если катушки передатчика и приемника резонируют на одной и той же частоте. Подобно тому, как настраиваемая вилка колеблется на определенной высоте и может достигать максимальной амплитуды. Это относится к частоте, с которой объект естественным образом вибрирует.

Преимущества беспроводной передачи

В чем заключаются преимущества? Плюсы:

• сокращаются расходы, связанные с поддержанием прямых соединителей (например, в традиционном промышленном скользком кольце);
• большее удобство для зарядки обычных электронных устройств;
• безопасная передача в приложения, которые должны оставаться герметически закрытыми;
• электроника может быть полностью скрыта, что снижает риск коррозии из-за таких элементов как кислород и вода;
• надежная и последовательная подача питания на вращающееся, высокомобильное промышленное оборудование;
• обеспечивает надежную передачу мощности в критически важные системы во влажной, грязной и движущейся среде.

Независимо от приложения, ликвидация физического соединения обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с традиционными разъемами питания кабеля.

Эффективность рассматриваемой передачи энергии

Общая эффективность беспроводной системы питания является самым важным фактором в определении ее производительности. Результативность системы измеряет количество мощности, передаваемой между источником питания (то есть, настенной розеткой) и принимающим устройством. Это, в свою очередь, определяет такие аспекты как скорость зарядки и дальность распространения.

Системы беспроводной связи различаются в зависимости от их уровня эффективности, основанного на таких факторах, как конфигурация и дизайн катушки, расстояние передачи. Менее результативное устройство будет генерировать больше выбросов и приведет к меньшей мощности, проходящей через приемное устройство. Как правило, беспроводные технологии передачи электроэнергии для таких устройств как смартфоны, могут достигать 70% производительности.

Как измеряется эффективность

В смысле, как количество мощности (в процентах), которое передается от источника питания к приемному устройству. То есть, беспроводная передача электроэнергии для смартфона с КПД 80% означает, что 20% входной мощности потеряно между настенной розеткой и батареей для заряжаемого гаджета. Формула для измерения эффективности работы: производительность = постоянный ток исходящий, деленный на входящий, полученный результат умножить на 100%.

Беспроводные способы передачи электроэнергии

Мощность может распространяться по рассматриваемой сети почти по всем неметаллическим материалам, включая, но не ограничиваясь ими. Это такие твердые вещества, как древесина, пластмасса, текстиль, стекло и кирпич, а также газы и жидкости. Когда металлический или электропроводящий материал (то есть, помещается в непосредственной близости от электромагнитного поля, объект поглощает мощность из него и в результате нагревается. Это, в свою очередь, влияет на эффективность системы. Вот как работают индукционные приготовления, к примеру, неэффективная передача мощности из варочной панели создает тепло для приготовления пищи.

Чтобы создать систему беспроводной передачи электроэнергии, необходимо вернуться к истокам рассматриваемой темы. А,точнее, к успешному ученому и изобретателю Никола Тесла, который создал и запатентовал генератор, способный брать питание без различных материалистических проводников. Итак, для реализации беспроводной системы необходимо собрать все важные элементы и части, в результате будет реализована небольшая Это устройство, которое создает электрическое поле высокого напряжения в воздухе, вокруг него. При этом имеется небольшая входная мощность, она обеспечивает беспроводную передачу энергии на расстоянии.

Одним из наиболее важных способов передачи энергии является индуктивная связь. Он в основном используется для ближнего поля. Охарактеризован на том факте, что при прохождении тока по одному проводу на концах другого индуцируется напряжение. Передача мощности осуществляется путем взаимности между двумя материалами. Общий пример - это трансформатор. Микроволновая передача энергии, как идея, была разработана Уильямом Брауном. Вся концепция включает в себя преобразование питания переменного тока в радиочастотное и передачу его в пространстве и повторное в переменную мощность на приемнике. В этой системе напряжение генерируется с использованием микроволновых источников энергии. Таких как клистрон. И эта мощность передается через волновод, который защищает от отраженной мощности. А также тюнер, который соответствует импедансу микроволнового источника с другими элементами. Приемная секция состоит из антенны. Она принимает мощность микроволн и схему согласования импеданса и фильтра. Эта приемная антенна вместе с выпрямляющим устройством может быть диполем. Соответствует выходному сигналу с подобным звуковым оповещением выпрямительного блока. Блок приемника также состоит из подобной секции, состоящей из диодов, которые используются для преобразования сигнала в оповещение постоянного тока. Эта система передачи использует частоты в диапазоне от 2 ГГц до 6 ГГц.

Беспроводная передача электроэнергии с помощью который реализовал генератор с применением подобных магнитных колебаний. Суть заключается в том, что это устройство работало благодаря трем транзисторам.

Использование пучка лазера для передачи мощности в виде световой энергии, которая преобразуется в электрическую на приемном конце. Непосредственно сам материал получает питание с использованием источников, таких как Солнце или любой генератор электроэнергии. И, соответственно, реализует фокусированный свет высокой интенсивности. Размер и форма пучка определяются набором оптики. И этот передаваемый лазерный свет принимается фотогальваническими ячейками, которые преобразуют его в электрические сигналы. Он обычно использует оптоволоконные кабели для передачи. Как и в базовой солнечной энергетической системе, приемник, используемый в распространении на основе лазера, представляет собой массив фотоэлектрических элементов или солнечной панели. Они, в свою очередь, могут преобразовывать бессвязный в электричество.

Сущностные особенности работы устройства

Мощность катушки Тесла заключается в процессе, называемом электромагнитной индукцией. То есть, изменяющееся поле создает потенциал. Он заставляет протекать ток. Когда электричество течет через катушку провода, он генерирует магнитное поле, которое заполняет область вокруг обмотки определенным образом. В отличие от некоторых других экспериментов с высоким напряжением, катушка Тесла выдержала множество проверок и проб. Процесс был достаточно трудоемким и длительным, но результат был успешным, потому и удачно запатентован ученым. Создать подобную катушку можно при наличии определенных составляющих. Для реализации потребуются следующие материалы:

1. длина 30 см ПВХ (чем больше, тем лучше);
2. медная эмалированная проволока (вторичный провод);
3. березовая доска для основания;
4. 2222A транзистор;
5. подсоединение (первичный) провод;
6. резистор 22 кОм;
7. переключатели и соединительные провода;
8. аккумулятор 9 вольт.

Этапы реализации устройства Тесла

Для начала необходимо поместить небольшой слот в верхнюю часть трубы, чтобы обернуть один конец провода вокруг. Медленно и осторожно обматывать катушку, следя за тем, чтобы не перекрывать провода и, при этом, не создавать пробелов. Этот шаг - самая сложная и утомительная часть, но потраченное время даст очень качественную и хорошую катушку. Каждые 20, или около того, поворотов помещаются кольца маскирующей ленты вокруг обмотки. Они выступают в качестве барьера. В случае, если катушка начнет распутываться. По завершении нужно обернуть плотную ленту вокруг верхней и нижней части обмотки и распылить ее 2 или 3 слоями эмали.

Затем необходимо подключить первичный и вторичный аккумулятор к батарее. После - включить транзистор и резистор. Меньшая обмотка является основной, а более длительная обмотка - вторичной. Можно дополнительно установить алюминиевую сферу сверху трубы. Кроме того, соединить открытый конец вторичной с добавленной, которая будет действовать как антенна. Необходимо создавать все с тщательной осторожностью, чтобы не дотрагиваться до вторичного устройства при включении питания.

При самостоятельной реализации существует опасность возгорания. Нужно перевернуть выключатель, установить лампу накаливания рядом с беспроводным устройством передачи энергии и наслаждаться световым шоу.

Беспроводная передача через систему солнечной энергии

Традиционные проводные конфигурации реализации энергии обычно требуют наличия проводов между распределенными устройствами и потребительскими единицами. Это создает множество ограничений как стоимость системных затрат на кабели. Потери, понесенные в передаче. А также растраты в распределении. Только сопротивление линии передачи приводит к потере около 20-30% генерируемой энергии.

Одна из самых современных беспроводных систем передачи энергии основана на передаче солнечной энергии с использованием микроволновой печи или луча лазера. Спутник размещен на геостационарной орбите и состоит из фотоэлектрических элементов. Они преобразуют солнечный свет в электрический ток, который используется для питания микроволнового генератора. И, соответственно, реализует мощность микроволн. Это напряжение передается с использованием радиосвязи и принимается на базовой станции. Она представляет собой комбинацию антенны и выпрямителя. И преобразуется обратно в электричество. Требует питания переменного или постоянного тока. Спутник может передавать до 10 МВт мощности радиочастоты.

Если говорить о системе распространения постоянного тока, то даже это невозможно. Так как для этого требуется разъем между источником питания и устройством. Существует такая картина: система полностью лишена проводов, где можно получить мощность переменного тока в домах без каких-либо дополнительных устройств. Там, где есть возможность зарядить свой мобильный телефон без необходимости физически подключаться к гнезду. Конечно, такая система возможна. И множество современных исследователей пытаются создать нечто модернизированное, при этом, изучив роль разработки новых способов беспроводной передачи электроэнергии на расстоянии. Хотя, с точки зрения экономической составляющей, для государств это будет не совсем выгодно, если внедрять такие устройства повсеместно, и заменять стандартное электричество на природное.

Истоки и примеры беспроводных систем

Эта концепция, на самом деле, не является новой. Вся эта идея была разработана Николасом Тесла в 1893 году. Когда он разработал систему освещающих вакуумных ламп с использованием техники беспроводной передачи. Невозможно себе представить, чтобы мир существовал без различных источников зарядки, которые выражены в материальном виде. Чтобы стали возможными мобильные телефоны, домашние роботы, MP3-плееры, компьютер, ноутбуки и другие транспортируемые гаджеты, которые заряжались бы самостоятельно, без каких-либо дополнительных подключений, освобождая пользователей от постоянных проводов. Некоторые из этих устройств могут даже не требовать большого количества элементов. История беспроводной передачи энергии достаточно насыщена, причем, в основном, благодаря разработкам Тесла, Вольта и др. Но, сегодня это остается лишь данными в физической науке.

Основной принцип заключается в преобразовании питания переменного тока в постоянное напряжение с помощью выпрямителей и фильтров. А затем - в возращение в исходное значение на высокой частоте с использованием инверторов. Эта низковольтная с высшими колебаниями мощность переменного тока затем переходит от первичного трансформатора к вторичному. Преобразуется в постоянное напряжение с использованием выпрямителя, фильтра и регулятора. Сигнал переменного тока становится прямым благодаря звуку тока. А также использованию секции выпрямителя моста. Полученный сигнал постоянного тока проходит через обмотку обратной связи, которая действует как схема генератора. При этом заставляет транзистор его проводить в первичный преобразователь в направлении слева направо. Когда ток проходит через обмотку обратной связи, соответствующий ток протекает к первичной части трансформатора в направлении справа налево.

Таким образом работает ультразвуковой способ передачи энергии. Сигнал формируется через первичный преобразователь для обоих полупериодов оповещения переменного тока. Частота звука зависит от количественных показателей колебаний цепей генератора. Этот сигнал переменного тока появляется на вторичной обмотке трансформатора. А когда он подключен к первичному преобразователю другого объекта, напряжение переменного тока составляет 25 кГц. Появляется показание через него в понижающем трансформаторе.

Это напряжение переменного тока выравнивается с помощью мостового выпрямителя. И затем фильтруется и регулируется, чтобы получить выход 5 В для управления светодиодом. Выходное напряжение 12 В от конденсатора используется для питания двигателя вентилятора постоянного тока для его работы. Итак, с точки зрения физики, передача электроэнергии - достаточно развитая область. Однако, как показывает практика, беспроводные системы не до конца развиты и усовершенствованы.