Глава I. История беспроводной энергии.
В конце XIX - начале XX века Никола Тесла, сербский ученый и инженер, внес неоценимый вклад в мировую науку и посвятил много усилий в сфере радио и электротехники. Благодаря его теоретическим работам, а так же патентам, наступил второй этап технической революции. Основные интересы изобретателя заключались в изучении свойств магнетизма и электричества, создании и усовершенствовании устройств, работающих на принципе переменного тока. Большая часть исследований Теслы была посвящена опытам по однопроводной и беспроводной передачи энергии, еще задолго до возникновения электрической сети.
Но история беспроводной передачи энергии началась задолго до знаменитых опытов изобретателя: В1820году, когда Андре Мари Ампер открыл закон (после названный в честь открывателя законом Ампера), показывающий, что электрический ток производит магнитное поле. После этого события было проведено ещё множество опытов другими учёными, проложившими Тесле путь к его невероятному открытию. В 1893году Никола Тесла на всемирной выставке, проходившей в Чикаго, продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами. Посетители выставки изумлялись Николой Тесла. Они с удивлением смотрели, как высокий и худой ученый пропускал через себя электрошок напряжением в два миллиона вольт. От смелого экспериментатора не должно было остаться и следа, но Тесла улыбался, держа в руках ярко горевшие электролампы. Фокус-эксперимент казался чудом. Безумный изобретатель поражал не только простых обывателей, но и именитых коллег-учёных. Это теперь мы знаем, что убивает не само напряжение, а ток и что ток высокой частоты проходит лишь по поверхностным покровам. В эпоху младенчества электричества подобный фокус казался настоящим чудом. Тесла, демонстрируя электрические лампы, горящие у него в руках, всех изумлял.
В1894годуНикола Теслазажёг без проводов фосфорнуюлампу накаливанияв лаборатории наПятой авеню, а позже в лаборатории наХаустон-стрит в Нью-Йорке благодаря «электродинамической индукции», то есть посредством беспроводнойрезонанснойвзаимоиндукции. С достижением существенных открытий в сфере радиотехники, возможность осуществления беспроводной передачи энергии увеличилась во много раз. Но, к сожалению, две Мировые войны откладывают исследования в этой области на второй план, и только в начале шестидесятых они возобновляются. В 1964 году в США был продемонстрирован миниатюрный вертолет, получающий всю энергию по радиоволнам СВЧ-диапазона. В дальнейшем процесс исследований только ускорился, и были проведены опыты по передаче действительно больших мощностей электричества (до десятков кВт), а также разработаны бесконтактные смарт-карты и чипы RFID (системы радиочастотной идентификации). После этих опытов, открытий и изобретений мир видел ещё много других способов передачи энергии.
Их можно классифицировать следующим способом:
1. Ультразвуковой способ
2. Метод электромагнитной индукции
3. Электростатическая индукция
4. Микроволновое излучение
5. Лазерный метод
6. Электропроводимость
А теперь о каждом в подробностях.
Глава II. Технологии беспроводной передачи.
2.1. Ультразвуковой способ.
Ультразвуковой способ передачи энергии изобретён студентами университета Пенсильвании и впервые представлен 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.
Так как способ относительно новый, конкретных цифр мало:
• Расстояние передачи достигает 7-10 метров;
• О необходимости прямой видимости приёмника и передатчика информация разнится в различных источниках. Но по логике она не очень нужна – стены прекрасно проводят ультразвук;
• Передаваемое напряжение — до 8 Вольт;
• Используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека.
Данная технология уже используется на практике компанией uBeam, которая представила свою беспроводную зарядку для различных устройств.
По информации TechCrunch, аппаратура uBeam работает с ультразвуком в диапазоне от 45 до 75 КГц, и способна на передачу мощности минимум в 1,5 Вт, используя выходную мощность звука в промежутке от 145dB до 155dB. Специалисты не видят ничего невозможного в подобной технологии, но трудности с её реализацией присутствуют.
Но практическое применение ультразвука для передачи энергии невозможно из-за очень низкого кпд, ограничений во многих государствах на максимальный уровень звукового давления, не позволяющий передавать приемлемую мощность, и других ограничений.
2.2. Метод электромагнитной индукции.
Способ передачи электрической энергии на расстояние без использования токопроводящей среды называется беспроводной передачей электроэнергии. Уже к 2011 году было реализовано несколько удачных экспериментов в микроволновом диапазоне с мощностями в несколько десятков киловатт, при этом КПД составил около 40%.
Это произошло сначала в 1975 году в Калифорнии и второй раз - в 1997 году на острове Реюньон. Наибольшая дальность составила около одного километра, эксперимент был проведен с целью исследования возможностей энергосбережения одного поселка без использования традиционного кабеля.
Беспроводная передача энергии посредством электромагнитной индукции подразумевает применение ближнего электромагнитного поля на расстояниях соизмеримых с 17% длины волны. Суть в том, что энергия ближнего поля не является излучающей сама по себе, здесь есть лишь небольшие радиационные и резистивные потери.
Электродинамическая индукция работает так. Когда через первичную обмотку проходит переменный электрический ток, вокруг нее существует переменное магнитное поле, которое одновременно действует и на вторичную обмотку, наводя в ней переменную ЭДС и соответственно переменный ток.
Чтобы получить более высокую эффективность, взаимное расположение первичной и вторичной обмоток должно быть достаточно тесным. Если в условиях эксперимента начать отдалять вторичную обмотку от первичной, то часть магнитного поля, достигающего вторичной обмотки и пересекающего ее витки, будет становиться все меньше.
По мере удаления вторичной обмотки, даже на небольшом расстоянии индукционная связь между обмотками в конце концов станет настолько малой, что большая часть передаваемой магнитным полем энергии будет расходоваться чрезвычайно неэффективно и вообще впустую. Чтобы повысить эффективность индукционного метода, полезно внедрить в такую систему явление электрического резонанса, который позволит увеличить расстояние эффективной передачи. С добавлением в резонансную цепь колебательного контура, он своим действием в некоторой степени увеличивает расстояние В бесконтактных зарядниках для мобильной техники, для электрических зубных щеток и в индукционных плитках, реализованы как раз методы электродинамической индукции. Недостаток при передаче энергии таким путем заключается в очень небольшом расстоянии эффективного действия. Для достижения надлежащей эффективности передатчик и приемник необходимо размещать очень-очень близко друг к другу, практически вплотную, чтобы они впринципе могли эффективно взаимодействовать между собой.
Еще больше улучшить производительность такой системы можно коррекцией формы волны управляющего тока, отклонив ее от синусоидальной к переходной несинусоидальной, импульсной.
Импульсная передача энергии производится тогда за несколько циклов, и существенная мощность может быть в таких условиях передана от одного LC-контура - к другому, и с меньшим коэффициентом связи чем без использования резонансных контуров. Формы катушек не изменяются, и в любом случае представляют собой плоские спирали либо однослойные соленоиды с подключенными к ним конденсаторами, необходимыми для настройки принимающего элемента на резонансную частоту передатчика.
Традиционно резонансная электродинамическая индукция используется в беспроводных зарядниках аккумуляторов мобильных устройств, наподобие сотовых телефонов и медицинских имплантатов, а также в электромобилях. В устройствах локализованной зарядки используется выбор определенной катушки передатчика из набора многослойных обмоток.
Явление резонанса работает при этом как в контуре передающей панели зарядного устройства, так и в принимающем контуре зарядного модуля, установленном на заряжаемом устройстве, дабы эффективность передачи и приема энергии получилась максимальной. Технология данной конфигурации универсальна, и может использоваться для беспроводной зарядки различных гаджетов, оснащенных соответствующими резонансными приемниками.
Техника такого плана принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi. Этот стандарт предусматривает два варианта передачи энергии: низкой мощности — от 0 до 5 Ватт и средней мощности — до 10 Ватт. Стандарт разработан после 2008 года Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC) для индукционной передачи энергии на расстояние до 4 см.
Аппаратура с поддержкой Qi включает в себя передатчик с плоской катушкой (она расположена за пластиной), подключаемый к стационарному источнику энергии, и совместимый приёмник, который установлен внутри заряжаемого устройства (также в форме плоской катушки). При использовании зарядника, подключаемое устройство размещают на пластине передатчика. При этом действует принцип электромагнитной индукции между этими двумя плоскими катушками, как в трансформаторе.