Мы презентуем устройство передачи электроэнергии без проводов с коэффициентом полезного действия (КПД) около 100%. В дальнейшем будет обоснована величина КПД ≈ 100% и, разумеется, мы демонстрируем эту величину нашим экспериментальным устройством.
Важность проблемы беспроводной передачи электроэнергии не подлежит сомнению – преодоление естественных преград (реки, горы и долины); резервное электроснабжение, электротранспорт, решение ряда задач беспроводного электропитания бытовых и промышленных устройств и т.д. – всё это элементы названной проблемы.
Впервые проблему беспроводной передачи электроэнергии обозначил на заре прошлого века Н. Тесла. В основе его демонстрационного устройства был положен метод излучения и приема электромагнитных волн открытым резонансным контуром, который содержит антенну – емкость и катушку провода – индуктивность. Характерные показатели устройства Теслы сводятся к следующим: КПД = 4%, дальность передачи – 42 км, максимальный габарит башни-антенны – 60 м, длина волны – 2000 м. Существенно, что в устройстве Теслы планета Земля рассматривается как один из проводов в передаче электроэнергии, поскольку излучение и прием столь длинных волн без заземления не эффективны.
После экспериментов Теслы, на протяжении прошлого ХХ века все попытки осуществить беспроводную передачу электроэнергии с приемлемым КПД оказались безрезультатными.
В текущем десятилетии прямо или косвенно сообщается о работах в Масачуссетском Технологическом Университете под руководством М. Соля-чича. В основе их работ лежит известный индукционный, при помощи магнитного поля, метод передачи электроэнергии, который реализован резонансными плоскими катушками индуктивности. Этот метод в идеале обеспечивает КПД = 50%, при дальности передачи соизмеримой с габаритами катушек-антенн. Характерные показатели их демонстрационного устройства сводятся к следующим: КПД ≈ 40%, дальность передачи – 2 м, габарит катушек-антенн – 0,6 м, длина волны – 30 м.
В нашем устройстве, как и в устройстве Теслы, переносчиком энергии являются электромагнитные волны, т.е. действует общеизвестный вектор Пойнтинга.
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено следующее: передающая и приемная антенны устройства беспроводной передачи электроэнергии образуют энергетически замкнутую систему, частично включающую в себя и энергию электромагнитного поля Земли; через возбуждение (активацию) электромагнитного поля Земли в этой системе происходит передача электроэнергии от передающей антенны к приемной с КПД ≈ 100% (фиг. 1).
Фиг. 1
Фиг. 2
Пользуясь этой антенной, несложно сформулировать задачу, решение которой обеспечит передачу электроэнергии без проводов:
1. Передающая и приемная антенны должны возбуждать (активировать) электромагнитное поле Земли в локальной (ограниченной) области пространства;
2. Возбужденное электромагнитное поле Земли должно быть также локальным в пространстве и не потреблять энергии (должно представлять собой стоячую электромагнитную волну между передающей и приемной антеннами).
Решение этой задачи нереально с антеннами, созданными на основе пространственных представлений геометрии Эвклида с ее знаменитым 5ым постулатом – постулатом о параллельных прямых. Этот постулат в школьных учебниках гласит: через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести только одну прямую параллельную данной.
фиг. 3
Знаменитость этого постулата состоит в том, что, начиная с І ст. до н.э., на протяжении 2000 лет лучшие умы мира безуспешно пытались доказать его как теорему. И вот в 1826 г. россиянин Лобачевский изложил основы своей геометрии, в которой 5й постулат геометрии Эвклида формулировался, по сути, своим отрицанием: через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести минимум две прямые, параллельные данной.
фиг. 4
И хотя этот постулат не очень согласуется с нашими пространственными представлениями, геометрия Лобачевского непротиворечива и исправно служит физикам в последнее время. Например, геометрия Лобачевского причастна к описанию громадного ряда явлений от колебаний в механических передаточных линиях до взаимодействия элементарных частиц и процессов в мембране живой клетки.
Правда, до 1863 г., на протяжении почти 40 лет, геометрия Лобачевского воспринималась как нечто, не имеющее отношение к реальности. Но, в 1863 г. итальянский математик Бельтрами установил, что все свойства плоскости геометрии Лобачевского реализуются на поверхности псевдосферы – геометрического тела, свойства которого совпадают либо противоположны свойствам сферы. На фиг. 5 изображена псевдосфера, а на фиг. 6 ее образующая – трактриса с асимптотой X’X. При равенстве радиусов больших окружностей (параллелей) псевдосферы и сферы можно количественно сравнивать объемы и площади поверхностей их.
фиг. 5
фиг. 6
Именно в форме полупсевдосфер изготавливаются антенны нашего устройства; нами демонстрируется устройство со следующими характеристиками: КПД = 100%, дальность передачи – 1,8 м, максимальный габарит катушек антенн – 0,2 м, длина волны – 500 м, заземление не обязательно.
Здесь следует отметить, что совокупность названных характеристик демонстрационного устройства противоречит основам классической электродинамики – радиотехники.
Какие же свойства антенн-полупсевдосфер обеспечивают такие характеристики нашего устройства?
Среди более десятка экстраординарных свойств псевдосферы заслуживает внимания прежде всего следующее:
бесконечно протяженное в пространстве тело псевдосферы имеет конечный объем и конечную площадь поверхности.
Именно это свойство псевдосферы позволяет при помощи антенн-полупсевдосфер создать конечную, ограниченную в пространстве, энергетически замкнутую систему, что является необходимым условием для передачи энергии из КПД = 100%.
Вторая фундаментальная задача, которая решается в нашем устройстве, касается среды, заполняющей упомянутую энергетически замкнутую систему. Суть в том, что только в квантовой электродинамике, плодом которой являются лазеры и мазеры, среда рассматривается активной. Напротив, в классической электродинамике среда относится к пассивным объектам; с ней связывается затухание, потери электромагнитной энергии при распространении.
Невероятно, но факт, в нашем устройстве происходит активация электрического и магнитного полей Земли. Эти поля являются объектами среды в нашем устройстве, поскольку заполняют упомянутую энергетически замкнутую систему. Активизация этой среды является также следствием свойств псевдосферы.
Суть в том, что все точки на поверхности псевдосферы являются, как утверждают математики, гиперболическими, разрывными в пространстве. Применительно к антеннам-полупсевдосферам нашего устройства это равносильно разрывам, квантованию электрического и магнитного полей в каждой точке провода намотки катушек антенн-полупсевдосфер. Это ведет к электромагнитным возмущениям – волнам, длина которых соизмерима с диаметром провода намотки катушек антенн-полупсевдосфер, т.е. практически длина таких волн составляет величину порядка 1 мм и меньше. Такие электромагнитные волны, как свидетельствует теория и практика, способны, через поляризацию молекул воздуха или непосредственно, активизировать электромагнитное поле Земли и тем самым компенсировать потери электромагнитной энергии на пути передачи ее в нашем устройстве. Это также необходимо для объяснения КПД = 100%.
Мало этого, нами заявлен генератор избыточной электромагнитной энергии, коэффициент преобразования энергии (КПЭ) которого составляет величину более 400%; т.е. сравнимо из КПЭ известных тепловых насосов.
И о последней, третьей задаче, которая решается в нашем устройстве.
Общеизвестно, что энергия переносится в пространстве только бегущей электромагнитной волной, волной, в которой электрическое и магнитное поле синфазны. Это условие невозможно реализовать на расстоянии 1,8 м при длине волны 500 м. Но, общеизвестно также, что скорость движения бегущей электромагнитной волны вдоль прямолинейного или криволинейного проводника замедляется, уменьшается в сравнении со скоростью в свободном пространстве; уменьшается также длина волны. Этот эффект широко применяется в электрорадиотехнике в так называемых замедляющих системах. Уменьшение длины волны в этих системах составляет от десятых долей единицы с прямолинейными проводами до 30 единиц с криволинейными (спиральными).
Именно эффект замедления, уменьшения длины волны позволяет формировать бегущую волну на небольших расстояниях в нашем устройстве.
Действительно, длина волны нашего демонстрационного устройства уменьшается до длины упомянутой выше длины 
, которая и формирует бегущую, переносящую энергию электромагнитную волну в нашем устройстве. Коэффициент уменьшения волны при этом составляет величину 
единиц. Такое громадное уменьшение длины волны объясняет и тот экспериментальный факт, что наше устройство эффективно работает и без заземления передатчика и приемника электроэнергии.
В работе нашего устройства задействовано еще одно удивительное свойство псевдосферы:
объем псевдосферы составляет половину объема сферы, при этом площади их поверхностей равны.
Из этого свойства следует, что объем сферы, ограниченный собственной площадью поверхности, содержит два объема псевдосферы, ограниченные двумя совмещенными собственными площадями поверхности и третьей площадью упомянутой сферы. Это позволяет представить объем сферы вокруг Земли , заполненный электрическим и магнитным полями Земли, двумя объемами псевдосферы и , каждый из которых ограничен площадями и содержит половины электрического и магнитного полей Земли (фиг. 7). Учитывая этот факт и факт неизбежного нахождения нашего устройства только на одной стороне земли, утверждается что антенны нашего устройства взаимодействуют только из половинами электрического и магнитного полей Земли. При этом, не следует полагать, что вторые половины этих полей бездействуют. В этом убеждает ниже следующее.
фиг. 7
Вспомним, что большинство законов физики сформулированы для инерциальных систем отсчета, в которых время безотносительное (абсолютное), пространство изотропно, скорость прямолинейного движения электромагнитных волн (света) абсолютна и т.д. В рамках инерциальных систем отсчета общеизвестно, что в свободном пространстве при отражении бегущей электромагнитной волны образуется стоячая, в которой различаются отдельно стоячая электрическая волна и отдельно стоячая магнитная волна. При длине бегущей волны, равной , длины стоячих электрической и магнитной волн равны половине длины бегущей, т.е. 
. Существенно также, что период этих стоячих волн равен периоду бегущей волны, т.е. 
, поскольку период стоячей волны состоит из суммы двух полупериодов прямой и отраженной полуволн.
Факт вычисления, а не экспериментального определения, величины с точностью, зависящей от точности определения длительности суток на Земле, позволяет совершенно по-новому взглянуть на ряд проблем физики.
Открыл закон (после названный в честь открывателя законом Ампера), показывающий, что электрический ток производит магнитное поле.
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.
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.
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:
У данного метода есть и ряд недостатков:
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 .
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.
Основы беспроводной зарядки
Беспроводная передача электрической энергии (WPT) дает нам шанс избавиться от тирании кабелей питания. В настоящее время эта технология проникает во все виды устройств и систем. Давайте взглянем на нее!
Большинство современных жилых домов и коммерческих зданий питаются от сетей переменного тока. Электростанции генерируют электричество переменного тока, которое доставляется в дома и офисы с помощью высоковольтных линий электропередачи и понижающих трансформаторов.
Электричество поступает в распределительный щит, а затем электропроводка доставляет электричество к оборудованию и устройствам, которые мы используем каждый день: светильники, кухонная техника, зарядные устройства и так далее.
Все компоненты стандартизованы. Любое устройство, рассчитанное на стандартные ток и напряжение, будет работать от любой розетки по всей стране. Хотя стандарты разных стран и различаются между собой, в конкретной электрической системе любое устройство будет работать при условии соблюдения стандартов данной системы.
Тут кабель, там кабель... Большинство наших электрических устройств обладает кабелем питания от сети переменного тока.
Беспроводная передача электрической энергии (WPT) позволяет подавать питание через воздушный зазор без необходимости использования электрических проводов. Беспроводная передача электроэнергии может обеспечить питание от источника переменного тока для совместимых аккумуляторов или устройств без физических разъемов и проводов. Беспроводная передача электрической энергии может обеспечить заряд мобильных телефонов и планшетных компьютеров, беспилотных летательных аппаратов, автомобилей и прочего транспортного оборудования. Она может даже сделать возможной беспроводную передачу в космосе электроэнергии, полученной от солнечных панелей.
Беспроводная передача электрической энергии начала свое быстрое развитие в области бытовой электроники, заменяя проводные зарядные устройства. На выставке CES 2017 будет показано множество устройств, использующих беспроводную передачу электроэнергии.
Однако концепция передачи электрической энергии бес проводов возникла примерно в 1890-х годах. Никола Тесла в своей лаборатории в Колорадо Спрингс мог без проводов зажечь электрическую лампочку, используя электродинамическую индукцию (используемой в резонансном трансформаторе).
Были зажжены три лампочки, размещенные на расстоянии 60 футов (18 метров) от источника питания, и демонстрация была задокументирована. У Теслы были большие планы, он надеялся, что его башня Ворденклиф , расположенная на Лонг-Айленд, будет без проводов передавать электрическую энергию через Атлантический океан. Этого никогда не произошло из-за различных проблем, в том числе, и с финансированием и сроками.
Беспроводная передача электрической энергии использует поля, создаваемые заряженными частицами, для переноса энергии через воздушный зазор между передатчиками и приемниками. Воздушный зазор закорачивается с помощью преобразования электрической энергии в форму, которая может передаваться по воздуху. Электрическая энергия преобразуется в переменное поле, передается по воздуху, и затем с помощью приемника преобразуется в пригодный для использования электрический ток. В зависимости от мощности и расстояния, электрическая энергия может эффективно передаваться через электрическое поле, магнитное поле или электромагнитные волны, такие как радиоволны, СВЧ излучение или даже свет.
В следующей таблице перечислены различные технологии беспроводной передачи электрической энергии, а также формы передачи энергии.
| Технология | Переносчик электрической энергии | Что позволяет передавать электрическую энергию |
|---|---|---|
| Индуктивная связь | Магнитные поля | Витки провода |
| Резонансная индуктивная связь | Магнитные поля | Колебательные контуры |
| Емкостная связь | Электрические поля | Пары проводящих пластин |
| Магнитодинамическая связь | Магнитные поля | Вращение постоянных магнитов |
| СВЧ излучение | Волны СВЧ | Фазированные ряды параболических антенн |
| Оптическое излучение | Видимый свет / инфракрасное излучение / ультрафиолетовое излучение | Лазеры, фотоэлементы |
В то время как некоторые из компаний, обещающих беспроводную передачу электрической энергии, всё еще работают над своими продуктами, уже существует стандарт Qi (произносится как «ци») зарядки, и уже доступны использующие его устройства. Консорциум беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC), созданный в 2008 году, разработал стандарт Qi для зарядки аккумуляторов. Данный стандарт поддерживает и индуктивные, и резонансные технологии зарядки.
При индуктивной зарядке электрическая энергия передается между катушками индуктивности в передатчике и приемнике, расположенными на близком расстоянии. Индуктивные системы требуют, чтобы катушки индуктивности находились в непосредственной близости и были выровнены друг с другом; обычно устройства находятся в непосредственном контакте с зарядной панелью. Резонансная зарядка не требует тщательного выравнивания, а зарядные устройства могут обнаружить и зарядить устройство на расстоянии до 45 мм; таким образом, резонансные зарядные устройства могут быть встроены в мебель или установлены между полками.
Наличие логотипа Qi означает, что устройство зарегистрировано и сертифицировано Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии WPC.
В начале Qi зарядка обладала небольшой мощностью, около 5 Вт. Первые смартфоны, использующие Qi зарядку, появились в 2011 году. В 2015 году мощность Qi зарядки увеличилась до 15 Вт, что позволяет осуществлять быструю зарядку устройств.
Следующий рисунок от Texas Instruments показывает, что охватывает стандарт Qi.
Совместимость с Qi гарантировано могут обеспечить только те устройства, которые перечислены в регистрационной базе данных Qi . В настоящее время там содержится более 700 продуктов. Важно понимать, что продукты с логотипом Qi были проверены и сертифицированы; и магнитные поля, используемые этими устройствами, не вызовут проблем для таких чувствительных устройств, как мобильные телефоны или электронные паспорта. Зарегистрированные устройства будут гарантировано работать с зарегистрированными зарядными устройствами.
Беспроводная передача электрической энергии для бытовых устройств является новой технологией, но принципы, лежащие в ее основе, известны давно. Там, где участвуют электричество и магнетизм, по-прежнему руководствуются уравнениями Максвелла, и передатчики посылают энергию на приемники так же, как и в других формах беспроводной связи. Однако, беспроводная передача электроэнергии отличается от них основной целью, которая заключается в передаче самой энергии, а не закодированной в ней информации.
Электромагнитные поля, участвующие в беспроводной передаче электрической энергии, могут быть достаточно сильными, и поэтому необходимо принимать во внимание безопасность человека. Воздействие электромагнитного излучения может вызвать проблемы, а также существует возможность того, что поля, создаваемые передатчиками электрической энергии, могут помешать работе носимых или имплантированных медицинских устройств.
Передатчики и приемники встраиваются в устройства беспроводной передачи электрической энергии так же, как и аккумуляторы, которые будут ими заряжаться. Реальные схемы преобразования будут зависеть от используемой технологии. Кроме самой передачи электроэнергии, WPT система должна обеспечить связь между передатчиком и приемником. Это гарантирует, что приемник сможет уведомить зарядное устройство о том, что аккумулятор полностью заряжен. Связь также позволяет передатчику обнаружить и идентифицировать приемник, чтобы подстроить значение мощности, передаваемой на нагрузку, а также контролировать, например, температуру аккумулятора.
В беспроводной передаче электрической энергии имеет значение выбор концепции либо ближнего, либо дальнего поля. Технологии передачи, количество энергии, которое может быть передано, и требования к расстоянию влияют на то, будет ли система использовать излучение ближнего поля или излучение дальнего поля.
Точки, для которых расстояние от антенны значительно меньше одной длины волны, находятся в ближней зоне. Энергия в ближней зоне неизлучающая, и колебания магнитного и электрического полей не зависят друг от друга. Емкостная (электрическая) и индуктивная (магнитная) связи могут использоваться для передачи энергии к приемнику, расположенному в ближнем поле передатчика.
Точки, для которых расстояние от антенны больше примерно двух длин волны, находятся в дальней зоне (между ближней и дальней зонами существует переходная область). Энергия в дальней зоне передается в виде обычного электромагнитного излучения. Перенос энергии в дальней зоне также называют лучом энергии. Примерами передачи в дальней зоне являются системы, которые используют для передачи энергии на большие расстояния мощные лазеры или СВЧ излучение.
Все технологии WPT в настоящее время находятся на стадии активных исследований, большая часть сосредоточена на максимизации эффективности передачи энергии и иследованию технологий для магнитной резонансной связи . Кроме того, самыми амбициозными являются идеи оснащения WPT системой помещений, в которых человек будет находиться, а носимые им устройства будут заряжаться автоматически.
В глобальном плане, электрические автобусы становятся нормой; планируется ввести беспроводную зарядку для культовых двухэтажных автобусов в Лондоне так же, как и у автобусных систем в Южной Корее , в штате Юта США и в Германии .
Уже была продемонстрирована экспериментальная система для беспроводного питания дронов. И, как уже упоминалось ранее, текущие исследования и разработки сосредоточены на перспективе удовлетворении некоторых энергетических потребностей Земли путем использования беспроводной передачи энергии и солнечных панелей, расположенных в космосе.
WPT работает везде!
В то время как мечта Теслы о беспроводной передаче энергии любому потребителю еще далека от реализации, множество устройств и систем используют ту или иную форму беспроводной передачи электроэнергии прямо сейчас. От зубных щеток до мобильных телефонов, от личных автомобилей до общественного транспорта, существует множество применений беспроводной передачи электрической энергии.
Всем известно, что Никола Тесла является изобретателем таких повсеместно используемых вещей как переменный ток и трансформатор. Но далеко не все ученые знакомы с другими изобретениями Теслы.
Мы используем переменный ток. Мы используем трансформаторы. В любой квартире. Трудно представить как можно обходиться без этих изобретений. Но КАК мы их используем? Тесла использовал эти известные нам (как нам кажется) вещи совсем по-другому. Как мы подключаем любой электроприбор в сеть? Вилкой - т.е. двумя проводниками. Если мы подключим только один проводник, тока не будет - цепь не замкнута.
Тесла демонстрировал эффект передачи мощности по одному проводнику. Более того, в других экспериментах он передавал мощность вообще без проводов. Великий изобретатель смог в конце XIX века передать без проводов электрическую энергию на расстояние свыше 40 километров. Поскольку этот широко известный эксперимент Теслы до сих пор не повторен, нашим читателям наверняка будут интересны подробности этой истории, а также современное состояние проблемы передачи электрической энергии без проводов.
Биография американского изобретателя, серба по происхождению, Николы Теслы достаточно известна, и мы на ней останавливаться не будем. Но сразу уточним: прежде чем продемонстрировать свой уникальный эксперимент, Тесла, сначала в 1892 году в Лондоне, а через год в Филадельфии, в присутствии специалистов продемонстрировал возможность передачи электрической энергии по одному проводу, не используя при этом заземления второго полюса источника энергии.
И тогда же у него возникла идея использовать в качестве этого единственного провода... Землю! И в этом же году на съезде ассоциации электрического освещения в Сант-Льюисе он продемонстрировал электрические лампы, горящие без подводящих проводов, и работающий без подключения к электрической сети электромотор. Эту необычную экспозицию он прокомментировал следующим образом: «Несколько слов об идее, постоянно занимающей мои мысли и касающейся всех нас. Я имею в виду передачу сигналов, а также и энергии на любое расстояние без проводов. Мы уже знаем, что электрические колебания могут передаваться по единственному проводнику. Почему же не воспользоваться для этой цели Землей? Если мы сможем установить период колебаний электрического заряда Земли при его возмущении, связанном с действием противоположно заряженной цепи, это будет фактом чрезвычайной важности, который послужит на благо всего человечества».
Увидя столь эффектную демонстрацию, такие известные олигархи, как Дж. Вестингауз и Дж. П. Морган, вложили в это перспективное дело свыше миллиона долларов, купив у Теслы его патенты (громадные, кстати, по тем временам деньги!). На эти средства в конце 90-х годов XIX века Тесла сооружает в Колорадо-Спрингс свою уникальную лабораторию. Подробные сведения об экспериментах в лаборатории Теслы изложены в книге его биографа Джона О’Нейла «Электрический Прометей» (в нашей стране ее перевод был опубликован в журнале «Изобретатель и рационализатор» №4-11 за 1979 год). Приведем здесь лишь краткую выдержку из нее, чтобы не ссылаться на более поздние перепечатки: «В Колорадо-Спрингс Тесла провел первые испытания беспроводной передачи электроэнергии. Он смог питать током, извлекаемым из Земли во время работы гигантского вибратора, 200 электрических лампочек накаливания, расположенных на расстоянии 42 километа от его лаборатории. Мощность каждой составляла 50 ватт, так что суммарный расход энергии составлял 10 кВт, или 13 л.с. Тесла был убежден, что с помощью более мощного вибратора он смог бы зажечь дюжину электрических гирлянд по 200 лампочек в каждой, разбросанных по всему земному шару».
Самого же Теслу настолько вдохновили успехи этих экспериментов, что он заявил в широкой печати, что намерен осветить Всемирную промышленную выставку в Париже, которую предполагалось провести в 1903 году, энергией электростанции, расположенной на Ниагарском водопаде и переданной в Париж без проводов. Известно по многочисленным фотографиям и описаниям очевидцев и помощников изобретателя, что представлял собой генератор энергии, передаваемой на 42 километра без проводов (правда, это чисто журналистский термин: один провод, в качестве которого выступала Земля, в этой цепи присутствует, и об этом прямо говорят и сам Тесла, и его биограф).
То, что Тесла называл вибратором, было гигантским трансформатором его системы, имевшим первичную обмотку из нескольких витков толстого провода, намотанных на ограде диаметром 25 метров, и размещенную внутри нее многовитковую однослойную вторичную обмотку на цилиндре из диэлектрика. Первичная обмотка вместе с конденсатором, индукционной катушкой и искровым промежутком образовывала колебательный контур-преобразователь частоты. Над трансформатором, располагавшимся в центре лаборатории, возвышалась деревянная башня высотой 60 метров, увенчанная большим медным шаром. Один конец вторичной обмотки трансформатора соединялся с этим шаром, другой - заземлялся. Все устройство питалось от отдельной динамо-машины мощностью 300 л.с. В нем возбуждались электромагнитные колебания частотой 150 килогерц (длина волны 2000 метров). Рабочее напряжение в высоковольтной цепи составляло 30 000 В, а резонирующий потенциал шара достигал 100 000 000 В, порождая искусственные молнии длиной в десятки метров! Вот как объясняет работу вибратора Теслы его биограф: «В сущности, Тесла «накачивал» в Землю и извлекал оттуда поток электронов. Частота накачки составляла 150 кГц. Распространяясь концентрическими кругами все дальше от Колорадо-Спрингс, электрические волны сходились затем в диаметрально противоположной точке Земли. Там вздымались и опадали волны большой амплитуды в унисон с поднятыми в Колорадо. Опадая, такая волна посылала электрическое эхо обратно в Колорадо, где электрический вибратор усиливал волну, и она мчалась обратно.
Если привести всю Землю в состояние электрической вибрации, то в каждой точке ее поверхности мы будем обеспечены энергией. Ее можно будет улавливать из мечущихся между электрическими полюсами волн простыми устройствами наподобие колебательных контуров в радиоприемниках, только заземленными и снабженными небольшими антеннами высотой с сельский коттедж. Эта энергия будет обогревать дома и освещать их с помощью трубчатых ламп Теслы, не требующих проводов. Для электромоторов переменного тока понадобились бы только преобразователи частоты».
Сведения об экспериментах Теслы по передаче электроэнергии без проводов вдохновили и других исследователей на работы в этой области. Сообщения об аналогичных экспериментах часто появлялись в печати в начале прошлого века. Стоит привести в связи с этим выдержку из статьи A.M. Горького «Беседы о ремесле», опубликованной в 1930 году: «В текущем году Маркони передал по воздуху электроток из Генуи в Австралию и зажег там электрические лампы на выставке в Сиднее. Это же было сделано 27 лет тому назад у нас, в России, литератором и ученым М.М. Филипповым, который несколько лет работал над передачей электротока по воздуху и в конце концов зажег из Петербурга люстру в Царском Селе (то есть на расстоянии 27 километров. -В.П. ). Тогда на этот факт не было обращено должного внимания, но Филиппова через несколько дней нашли мертвым в своей квартире, а аппараты и бумаги его конфисковала полиция».
Эксперименты Теслы произвели большое впечатление и на другого литератора - Алексея Толстого, бывшего инженером по образованию. А когда Тесла, а затем и Маркони сообщили в печати, что их аппараты принимают странные сигналы внеземного, по-видимому, марсианского происхождения, это вдохновило писателя на написание фантастического романа «Аэлита». В романе марсиане пользуются изобретением Теслы и без проводов передают энергию от расположенных на полюсах Марса электростанций в любую точку планеты. Эта энергия приводит в действие двигатели летающих судов и другие механизмы. Однако построить свою «мировую систему» для обеспечения электроэнергией населения земного шара без использования проводов Тесле не удалось.
Как только в 1900 году он начал возводить на острове Лонг-Айленд под Нью-Йорком научно-исследовательскую лабораторию-городок на 2000 сотрудников и громадную металлическую башню с гигантской медной тарелкой на верхушке, спохватились и «проводные» электрические олигархи: ведь повсеместное внедрение системы Теслы грозило им разорением.
Башня «Уорденклиф» (1902)
На миллиардера Дж.П. Моргана, финансировавшего строительство, последовал жестокий нажим, в том числе и от подкупленных конкурентами правительственных чиновников. (или было наоборот) Начались перебои с поставками оборудования, строительство застопорилось, а когда Морган под этим нажимом прекратил финансирование, и вовсе прекратилось. В начале Первой мировой войны, по наущению тех же конкурентов, правительство США распорядилось взорвать уже готовую башню под надуманным предлогом, что ее могут использовать в целях шпионажа.
Ну а затем электротехника пошла привычным путем.
Долгое время никто не мог повторить эксперименты Теслы хотя бы потому, что потребовалось бы создать аналогичную по размерам и мощности установку. Но в том, что Тесле удалось найти способ передачи электрической энергии на расстояние без проводов, более ста лет назад никто не сомневался. Авторитет Теслы, имевшего рейтинг второго после Эдисона изобретателя, во всем мире был достаточно высок, а его вклад в развитие электротехники переменного тока (в пику Эдисону, ратовавшему за постоянный ток) несомненен. При его экспериментах присутствовало много специалистов, не считая прессы, и никто никогда не пытался уличить его в каких-либо фокусах или подтасовке фактов. О высоком авторитете Теслы свидетельствует и название его именем единицы напряженности магнитного поля. Вот только вывод Теслы о том, что во время эксперимента в Колорадо-Спрингс энергия была передана на расстояние 42 километра с к.п.д., равным около 90%, слишком оптимистичен. Напомним, что общая мощность зажженных на расстоянии ламп составляла 10 кВт, или 13 л.с., в то время как мощность динамо-машины, питавшей вибратор, достигала 300 л.с. То есть можно говорить о к.п.д. всего лишь порядка 4-5%, хотя и эта цифра поразительна. Физическое обоснование экспериментов Теслы по беспроводной передаче электроэнергии до сих пор волнует многих специалистов.
www.elec.ru/news/2003/03/14/1047627665.h tml
Специалисты Массачусетского технологического института сумели заставить гореть лампу накаливания, находящуюся на расстоянии 2-х метров
от источника энергии. rus.newsru.ua/world/08jun2007/tesla.html
Беспроводные зарядники от Intel odessabuy.com/news/item-402.html
"Аргументы и факты" №52, 2008 (24-30 декабря):
НАУКА - Электричество без проводов.
Говорят, что американские ученые сумели передать без проводов электроэнергию мощностью 800 Вт.
Многие специалисты утверждают, что беспроводное электричество стало известным еще с 1831 года. Это произошло, когда Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. В результате проведения ряда экспериментов стало понятно, что меняющееся магнитное поле, которое порождается электрическим током может индуцировать ток в другом проводнике.
Электроэнергия без проводов
Однако это была только теория и полноценно воплотить идею передачи электричества на расстоянии удалось только Николе Тесла. В 1893 году проводилась всемирная выставка, на которой он показал беспроводную передачу электричества. Он мечтал, что все будут использовать эту технологию, но в те времена она оказалась просто невостребованной. Компания Intel и Sony заинтересовались подобными технологиями только век спустя.
Если рассмотреть беспроводное электричество более детально, тогда можно понять, что оно предоставляет возможность передавать электрическую энергию на расстояния. Многие сравнивают подобную технологию с радио или сотовой связью. Принцип работы достаточно простой, и он основывается на наличии в системе двух катушек.
Передача электроэнергии на расстояние осуществляется с помощью приемника и передатчика
Теперь пришло время более детально ознакомиться с принципом работы:
До последнего времени наиболее оптимальной и популярной считалась магнитно-резонансная система CMRS. Ее создали еще в 2007 году. Благодаря этой технологии специалистам удавалось передавать электричество на расстояние в 2.1 метр. Однако ее не удавалось запустить в массовое производство, так как частота передачи была слишком высокой, а катушки имели сложную конфигурацию и были больших размеров.
Электроэнергия без проводов позволяет заряжать мобильный телефон
Сравнительно недавно ученые из Южной Кореи создали новый передатчик, который позволяет передавать электричество на расстояние в 5 метров. Система не имеет никаких недостатков и при необходимости ее можно будет установить в стены квартиры.
В результате проведения этого эксперимента на частоте в 20 кГц специалистам удалось передать:
Благодаря беспроводному излучению можно будет запитать большие ЖК телевизоры, которые требуют всего 40 Вт на расстоянии в 5 метров. Сейчас существуют и другие технологии, которые позволяют передавать электроэнергию без проводов. К ним можно отнести:
При увеличении расстояния передачи значительно увеличивается стоимость и габариты оборудования. В свою очередь микроволновое излучение может приносить вред для окружающей среды. вы можете прочесть про роботов в сфере энергетики.
Теперь пришло время рассмотреть все особенности этой популярной технологии:
Беспроводная зарядка с технологией Qi
Беспроводное электричество обладает следующими достоинствами:
Однако современная технология также имеет и ряд недостатков:
На сегодняшний день многие специалисты ведут работы над крупными проектами, которые будут использовать только беспроводное электропитание. Это питание электромобилей, а также бытовые электросети.
