Введение в беспроводную передачу электрической энергии

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, углеродное волокно) 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 катушка Тесла. 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 передающей антенне 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 качера Бровина, 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 монохроматический свет в электричество.

Принципы передачи электричества

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:

• 209 Вт на 5 метров;
• 471 Вт на 4 метра;
• 1403 Вт на 3 метра.

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:

1. Лазерное излучение. Дальность действия достаточно большая. Однако необходима прямая видимость между приемником и передатчиком. Компания Lockheed Martin уже испытала беспилотный летательный аппарат Stalker, который питается от лазерного луча и способен оставаться в воздухе до 48 часов.
2. Микроволновое излучение. Этот вид позволяет обеспечивать большую дальность действия, но стоимость оборудования достаточно высока. В качестве передатчика электроэнергии будет использоваться радиоантенна, которая создает микроволновое излучение. А приемнике устанавливают ректенну, которая преобразует электрический ток в принимаемое микроволновое излучение.

При увеличении расстояния передачи значительно увеличивается стоимость и габариты оборудования. В свою очередь микроволновое излучение может приносить вред для окружающей среды. Тут вы можете прочесть про роботов в сфере энергетики.

Реальные проекты в наши дни

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Этакая «звезда смерти» в наших земных реалиях.

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

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

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

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

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

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

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

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.

Технология беспроводной передачи электроэнергии

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).

Изображение из патента Теслы на «устройство для передачи электрической энергии», 1907 год

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.

Технологии беспроводной передачи электрической энергии (WPT)

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 наши дни

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

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

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

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

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

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

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

Рекомендуем просмотреть видео, на котором более подробно рассмотрен вопрос:

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

Похожие материалы:

• Закон Ома простым языком
• Причины потерь электроэнергии на больших расстояниях
• Что такое умные лампы

Беспроводной путь

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.

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.

Способы передачи электроэнергии

Наиболее распространены два способа передачи электроэнергии: с помощью воздушных и кабельных линий. Они отличаются между собой по дальности и среде, в которой находится проводник.

Воздушные линии – это, упрощённо, медные или алюминиевые проводники, подвешенные через изоляторы на металлические или железобетонные опоры. При таком методе возможна передача электричества на большие расстояния и между разными государствами.

Кабельная линия – прокладка проводов под землёй. Отдельные токоведущие жилы расположены, как правило, в резиновой или ПВХ изоляции. Если напряжение высокое, то имеется и броня из металлической ленты. Также она служит в качестве экрана для защиты от помех. Встречается преимущественно в пределах города или предприятия.

Прокладка кабелей

Дополнительная информация. Применяя кабельные линии, возможно транспортировать электроэнергию по дну водоёмов и даже морей. Это позволяет поставлять электричество на острова. Применение ЛЭП таких возможностей не подразумевает.

Передача энергии через катушки

Самый легко реализуемый способ — использование катушек индуктивности.

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

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

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

маленькая мощность

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

небольшое расстояние

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

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

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

Но в какие суммы выльется строительство таких магистралей.

малый КПД

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

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

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

Принципы передачи

В последних разработках учёных из США и Южной Кореи применялись магнитно-резонансные системы CMRS и DCRS. Корейская технология оказалась более совершенной. Удалось передать электроэнергию на 5 метров. Благодаря компактным дипольным катушкам DCRS, можно запитать всех потребителей в помещении средних размеров без проводов.

Несмотря на это, учёные всего мира заняты получением новых технологий, задача которых – передача энергии на расстоянии в десятки и сотни километров. Уже сегодня развиваются и претворяются в жизнь новые достижения науки в области доставки электроэнергии без проводных линий электропередач.

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.

Классификация линий электропередач

Существует множество разновидностей ЛЭП. Каждый из видов заточен под свои определённые нужды и задачи. В соответствии с этим, ПУЭ регламентирует следующую классификацию воздушных линий электропередач.

По классу напряжению ЛЭП бывают:

• низковольтные, до 1 кВ;
• высоковольтные, свыше 1 кВ.

По назначению:

• Межсистемные линии с напряжением от 500 кВ и выше;
• Магистральные, 220-500 кВ;
• Распределительные, 110-220 кВ;
• Линии 35 кВ для питания сельхоз потребителей;
• ЛЭП 1-20 кВ, используемые в пределах одного населённого пункта.

Род электрического тока в ЛЭП подразделяются на:

• переменный (практически все линии);
• постоянный ток (встречается редко, в основном 3,3 кВ контактной сети железной дороги).