Передача энергии беспроводным способом проект. Беспроводная передача электричества

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.

Принцип работы

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:

В системе присутствует передатчик и приемник, которые способны генерировать переменное магнитное поле.
Магнитное поле позволяет создать напряжение в катушке приемника.
При направлении электрического тока через провод вокруг кабеля может образоваться круговое магнитное поле.
На мотке проволоки, куда не поступает электрический ток напрямую начнет поступать электрический ток от первой катушки через магнитное поле, что обеспечит индуктивную связь.

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:

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.
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. вы можете прочесть про роботов в сфере энергетики.

Особенности технологии

Теперь пришло время рассмотреть все особенности этой популярной технологии:

Беспроводное питание проводится на основе электромагнитной индукции. Сейчас активно ведутся работы по масштабированию этой технологии, но здесь проявляется вред для здоровья.
Технологии, которые обеспечивают передачу электроэнергии с помощью ультразвука, лазера и микроволнового излучения также найдут свое применение.
Орбитальные спутники имеют громоздкие батареи и аккумуляторы. Однако возможно, что в скором времени им начнут передавать электроэнергию с помощью лазера или СВЧ.
Сейчас все крупнейшие производители телекоммуникационного оборудования начали объединяться между собой. Поэтому начался активный выпуск мобильных телефонов с функцией беспроводной зарядки. Единым стандартом на данный момент является технология Qi.

Беспроводная зарядка с технологией Qi

Применение

Микроволновый вертолет. Модель этого уникального вертолета имела ректенну и могла подыматься на высоту в 15 метров.
Беспроводное электричество активно применяется для зубных щеток. Щетка имеет полную герметичность, и вы можете избежать дальнейшего удара током.
Питание самолетов с помощью лазера.
В продаже уже появились системы беспроводной зарядки для мобильных телефонов.
Универсальная зарядная площадка, которая одновременно может питать несколько смартфонов.

Преимущества и недостатки

Беспроводное электричество обладает следующими достоинствами:

не нужны источники питания;
можно отказаться от проводов;
требуется меньшее количество технического обслуживания.

Однако современная технология также имеет и ряд недостатков:

проработка технологии еще не завершена;
сейчас существует ограниченность по расстоянию;
магнитные поля не безопасны для человека;
стоимость оборудования достаточно высока.

Перспективы

На сегодняшний день многие специалисты ведут работы над крупными проектами, которые будут использовать только беспроводное электропитание. Это питание электромобилей, а также бытовые электросети.

При своем появлении переменный электрический ток казался фантастикой. Его изобретатель, гениальный физик Никола Тесла, еще на рубеже XIX и XX столетий исследовал проблему беспроводной передачи электричества на большие расстояния. Пока что эта проблема решена не до конца, но полученные результаты обнадеживают.

Ультразвук для передачи энергии

Любая волна переносит энергию, в том числе и звуковые волны высокой частоты. Существует три подхода к беспроводной передаче электричества:

передача электрической энергии через преобразование в другой вид энергии в источнике и обратное преобразование в электричество в приемном устройстве;
создание и использование альтернативных проводников электричества (плазменных каналов, столбов ионизированного воздуха и т. д.);
использование токопроводящих свойств литосферы Земли.

Метод применения ультразвука относится к первому подходу. В источнике ультразвука особого вида при подаче электропитания возникает направленный пучок звуковых волн высокой частоты. При их попадании на приемник энергия звуковых волн преобразуется в электрический ток.

Максимальное расстояние передачи электроэнергии без проводов составляет 10 метров. Результат получен в 2011 году представителями университета Пенсильвании во время презентации в рамках выставки «The All Things Digital». Этот метод не считается перспективным из-за нескольких его недостатков: низкий КПД, малое получаемое напряжение и ограничение на силу излучения ультразвука санитарными нормами.

Применение электромагнитной индукции

Хотя большинство людей даже и не подозревает об этом, этот метод используется уже очень давно, практически с самого начала использования переменного тока. Самый обычный трансформатор переменного тока является простейшим устройством беспроводной передачи электроэнергии, только расстояние передачи при этом очень маленькое.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора не соединены в одну цепь, а при протекании переменного тока в первичной обмотке возникает электроток во вторичной. Перенос энергии при этом происходит посредством электромагнитного поля. Поэтому этот метод беспроводной передачи электроэнергии использует преобразование энергии из одного вида в другой.

Уже разработаны и успешно используются в быту ряд приборов, работа которых основана на этом методе. Это и беспроводные зарядные устройства для мобильных телефонов и других гаджетов, и бытовые электроприборы с низким потреблением электроэнергии при работе (компактные камеры видеонаблюдения, всевозможные датчики и даже телевизоры с жидкокристаллическими экранами).

Многие специалисты утверждают, что электротранспорт будущего будет использовать беспроводные технологии зарядки аккумуляторов или получения электроэнергии для движения. В дороги будут вмонтированы индукционные катушки (аналоги первичной обмотки трансформатора). Они будут создавать переменное электромагнитное поле, которое при проезде транспорта над ним вызовет течение электротока во встроенной приемной катушке. Первые эксперименты уже проведены и полученные результаты вызывают сдержанный оптимизм.

Из достоинств такого способа можно отметить:

высокий КПД для небольших расстояний (порядка нескольких метров);
простота конструкции и освоенная технология применения;
относительная безопасность для здоровья людей.

Недостаток метода - малое расстояние, на котором передача энергии эффективна - существенно снижает область применения беспроводного электричества на основе электромагнитной индукции.

Использование различных микроволн

Этот метод также основан на преобразовании разных видов энергии. В роли переносчика энергии служат электромагнитные волны сверхвысокой частоты. Впервые этот метод описал и практически реализовал в своей установке японский физик и радиотехник Хидэцугу Яги в двадцатых годах прошлого века. Частота радиоволн для передачи электроэнергии без проводов находится в диапазоне от 2,4 до 5,8 ГГц. Уже протестирована и получила положительные отзывы экспериментальная установка, которая одновременно раздает Wi-Fi и запитывает слабомощные бытовые электроприборы.

Лазерный луч также является электромагнитным излучением, но с особым свойством - когерентностью. Оно уменьшает потери энергии при передаче и тем самым повышает КПД. Из достоинств можно отметить следующие:

возможность передачи на большие расстояния (десятки километров в атмосфере Земли);
удобство и простота установки для маломощных приборов;
наличие визуального контроля процесса передачи - лазерный луч виден невооруженным глазом.

Лазерный метод имеет и недостатки, а именно: сравнительно низкий КПД (45−50%), потери энергии из-за атмосферных явлений (дождь, туман, пылевые тучи) и необходимость нахождения передатчика и приемника в поле видимости.

Интенсивность солнечного света за пределами земной атмосферы в несколько десятков раз выше, чем на поверхности Земли. Поэтому в перспективе, как считают футурологи, солнечные электростанции будут располагаться на околоземной орбите. А передача накопленной электроэнергии, по их мнению, будет производиться без токоведущих проводов. Будет разработан и применен способ передачи, копирующий разряды молний, тем или иным способом планируется производить ионизацию воздуха. И первые опыты в этом направлении уже проведены. Этот метод основан на создании альтернативных беспроводных проводников электротока.

Полученное таким способом с околоземной орбиты беспроводное электричество носит импульсивный характер. Поэтому для его практического применения нужны мощные и недорогие конденсаторы, а также необходимо будет разработать способ их постепенной разрядки.

Наиболее эффективный метод

Планета Земля является огромным конденсатором. Литосфера, в основном, проводит электричество за исключением небольших ее участков. Существует теория, что беспроводная передача энергии может осуществляться через земную кору. Суть такова: источник тока надежно контактирует с поверхностью земли, переменный ток определенной частоты перетекает с источника в кору и распространяется во всех направлениях, через определенные промежутки в земле размещаются приемники электротока, с которых он передается потребителям.

Суть теории в том, чтобы принимать и использовать ток только одной заданной частоты. Как в радиоприемнике настраивается частота приема радиоволн, так и в таких электроприемниках будет регулироваться частота принимаемого тока. Теоретически таким методом возможно будет передавать электроэнергию на очень большие расстояния, если частота переменного тока будет низкой, порядка нескольких Гц.

Перспективы беспроводной передачи электричества

В близкой перспективе ожидается массовое внедрение в быт системы PoWiFi, состоящей из роутеров с функцией передачи электроэнергии на несколько десятков метров, и бытовых приборов, питание которых осуществляется за счет приема электричества из радиоволн. Такая система в данный момент активно тестируется и готовится к широкому использованию. Детали не разглашаются, но по имеющейся информации «изюминка» заключается в том, что используется синхронизация электромагнитных полей источника и приемника беспроводного электричества.

В очень отдаленной перспективе рассматривается вариант отказа от использования традиционных электростанций в глобальном масштабе - будут использоваться солнечные станции на околоземной орбите , преобразующие энергию солнечного света в электрическую. На поверхность планеты электричество предположительно передаваться будет через ионизированный воздух или плазменные каналы. А на самой земной поверхности исчезнут обычные линии электропередачи, их место займут более компактные и эффективные системы передачи электричества через литосферу.

До сих пор не решена проблема передачи энергии на расстояние. Хотя была поставлена на рубеже веков. Первым, кто смог осуществить эту мечту стал Никола Тесла: "Передача энергии без проводов - не теория и не просто вероятность, как это представляется большинству людей, но явление, которое я экспериментально демонстрировал в течение ряда лет. Сама идея появилась у меня не сразу, а в результате длительного и постепенного развития и стала логическим следствием моих исследований, которые были убедительно продемонстрированы в 1893 году, когда я впервые представил миру схему моей системы беспроводной передачи энергии для всевозможных целей. Мои опыты с токами высокой частоты были первыми за всё время, проведенными публично, и они вызвали острейший интерес по причине тех возможностей, которые они открывали, а также поразительной природы самих явлений. Немногие из специалистов, знакомых с современной аппаратурой, по достоинству оценят трудность задачи, когда у меня в распоряжении были примитивные устройства”.

В 1891 Никола Тесла сконструировал резонансный трансфоpматоp (тpансфоpматоp Тесла), позволяющий получать высокочастотные колебания напряжения с амплитудой до миллиона вольт, и первым указал на физиологическое воздействие токов высокой частоты. Наблюдаемые во время грозы стоячие волны электрического поля привели Тесла к идее о возможности создания системы для обеспечения электроэнеpгией удаленных от генеpатоpа потребителей энергии без использования проводов. Изначально катушка Тесла использовалась с целью передачи энергии на большие расстояния без проводов, но вскоре эта идея отошла на последний план, так как передать таким образом энергию на расстояние практически невозможно, причиной этому является маленький КПД катушки Тесла.

Трансформатор Тесла, или катушка Тесла, - единственное из изобретений Николы Тесла, носящих его имя сегодня. Это классический резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение при высокой частоте. Это устройство использовалось ученым в нескольких размерах и вариациях для его экспериментов. Прибор был заявлен патентом № 568176 от 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».

Существует 3 вида катушек Тесла:

SGTC-spark gap Tesla coil - катушка Тесла на искровом промежутке.
VTTC-vacuum tube Tesla coil - катушка Тесла на радиолампе.
SSTC-solid state Tesla coil - катушка тесла на более сложных деталях.

Описание конструкции трансформатора. В элементарной форме состоит из двух катушек - первичной и вторичной, а также обвязки, состоящей из разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатора и терминала (на схеме показан как «выход»). В отличие от многих других трансформаторов, здесь нет никакого ферримагнитного сердечника. Таким образом, взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у обычных трансформаторов с ферримагнитным сердечником. У данного трансформатора также практически отсутствует магнитный гистерезис, явления задержки изменения магнитной индукции относительно изменения тока и другие недостатки, вносимые присутствием в поле трансформатора ферромагнетика. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент - разрядник (искровой промежуток). Разрядник, в простейшем случае, обыкновенный газовый; выполненный обычно из массивных электродов.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора выполняет ёмкостная связь между тороидом, оконечным устройством, витками самой катушки и другими электропроводящими элементами контура с Землей. Оконечное устройство (терминал) может быть выполнено в виде диска, заточенного штыря или сферы. Терминал предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины. Геометрия и взаимное положение частей трансформатора Тесла сильно влияют на его работоспособность, что аналогично проблематике проектирования любых высоковольтных и высокочастотных устройств.

Ещё одно интересное устройство - генератор Ван де Граафа. Это генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Первый генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 и позволял получать разность потенциалов до 80 киловольт. В 1931 и 1933 были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения до 7 миллионов вольт. Схема генератора Ван де Граафа:

Большой полый металлический электрод, имеющий вид полусферического купола, установлен на высоковольтной изолирующей колонне. В полость электрода заходит верхний конец ленточного транспортера электрических зарядов, представляющий собой бесконечный резиновый ремень на текстильной основе, натянутый на два металлических шкива и движущийся обычно со скоростью 20 - 40 м/сек. Нижний шкив, установленный на металлической плите, вращается электродвигателем. Верхний шкив размещается под высоковольтным электродом-куполом и находится под полным напряжением машины. Там же находится система питания источника ионов и сам источник. Нижний конец ленты проходит мимо электрода поддерживаемого обычным высоковольтным источником под высоким относительно земли напряжением до 100 кВ. В результате коронного разряда электроны с ленты переносятся на электрод. Положительный заряд поднимаемой транспортером ленты компенсируется вверху электронами купола, который получает положительный заряд. Максимально достижимый потенциал ограничивается изолирующими свойствами колонны и воздуха вокруг нее. Чем больше электрод, тем выше потенциал он может выдержать. Если установка герметически закрыта и внутреннее пространство наполнено сухим сжатым газом, размеры электрода для данного потенциала могут быть уменьшены. Заряженные частицы ускоряются в откачанной трубке, расположенной между высоковольтным электродом и «землей» или между электродами, если их два. С помощью генератора Ван-де-Граафа может быть получен очень высокий потенциал, что позволяет ускорять электроны, протоны и дейтроны до энергии 10 Мэв, а альфа-частицы, несущие двойной заряд до 20 Мэв. Энергию заряженных частиц на выходе генератора можно легко контролировать с большой точностью, что делает возможными точные измерения. Ток пучка протонов в постоянном режиме 50 мкА, а в импульсном режиме может быть доведен до 5 мА.

Питающиеся неосязаемым способом бытовые приборы, освобождённые от электрических проводов, не первый раз будоражат умы изобретателей. Но именно теперь специалисты подошли к тому, чтобы научить серийные пылесосы, торшеры, телевизоры, автомобили, имплантаты, мобильные роботы и лэптопы эффективно и безопасно получать ток из беспроводного источника.

Недавно команда учёных из Массачусетского технологического института (MIT), возглавляемая Марином Солячичем (Marin Soljačic), совершила очередной шаг на пути превращения технологии беспроводного электричества из лабораторного «фокуса» в пригодную для тиражирования технологию. Совершенно неожиданно они обнаружили эффект, позволяющий поднять КПД передачи. Но прежде чем рассказать о новом эксперименте, стоит сделать отступление.

В качестве переносчика энергии в данном случае используется ближнее магнитное поле, осциллирующее с высокой частотой в несколько мегагерц. Для переброски необходимы две магнитные катушки, настроенные на одинаковую частоту резонанса. Перекачку энергии между ними учёные сравнивают с разрушением резонирующего стеклянного бокала, когда он «слышит» звук строго определённой частоты.

Идеализированные (на данном рисунке) магнитные катушки (жёлтый цвет), окружённые своими полями (красный и синий), передают друг другу энергию на расстоянии D, многократно большем, чем размер самих катушек. Это учёные и называют резонансной магнитной связью (или сцеплением) – Resonant Magnetic Coupling (иллюстрация WiTricity).

В результате взаимодействия катушек и получается то, что было названо «Беспроводным электричеством» (WiTricity). Кстати, слово это — торговая марка, которая принадлежит одноимённой корпорации , основанной Солячичем и рядом его коллег из MIT. Корпорация указывает, что данный термин применим только к её технологии и к продуктам, созданным на её основе. Большая просьба – не использовать «уайтрисити» как синоним беспроводной передачи энергии вообще.

Изобретатели также просят не путать WiTricity с передачей энергии посредством электромагнитных волн: мол, новый метод — «неизлучающий».

И ещё несколько важных «не», указанных создателями. WiTricity — не аналог трансформатора с разведёнными на несколько метров обмотками (последний в таком случае перестаёт работать). Это не улучшенная электрическая зубная щётка: она хоть и умеет заряжаться без электрического контакта, но всё равно требует помещения в «док-станцию» для сближения передающей и приёмной индуктивных катушек до расстояния в миллиметр. «Уайтрисити» – не микроволновка, способная поджарить живой объект, поскольку пульсирующее магнитное поле, работающее в системе WiTricity, на человека не влияет. Наконец, «Беспроводное электричество» – даже не «таинственная и ужасная» башня Теслы (Wardenclyffe Tower), при помощи которой великий изобретатель намеревался продемонстрировать передачу энергии на большое расстояние.

Первый опыт по беспроводной передаче энергии методом WiTricity на 60-ваттную лампочку, удалённую на два с лишним метра от источника, Марин и его коллеги провёли в 2007 году . КПД был невелик – порядка 40%, зато уже тогда изобретатели указывали на ощутимый плюс новинки — безопасность.

Применяемое в системе поле в 10 тысяч раз слабее, чем то, что царит в сердцевине магнитно-резонансного томографа. Так что ни живые организмы, ни медицинские имплантаты, ни кардиостимуляторы и прочая чувствительная техника такого рода, ни бытовая электроника почувствовать на себе действие этого поля не могут.

Главные авторы WiTricity: Марин Солячич (слева), Аристеидис Каралис (Aristeidis Karalis) и Джон Иоаннополус (John Joannopoulos). Справа: принципиальная схема WiTricity. Передающая катушка (левая) включена в розетку. Приёмная – соединена с потребителем. Линии магнитного поля первой катушки (голубой цвет) способны огибать относительно небольшие проводящие препятствия (а дерево, ткань, стекло, бетон или человека они и вовсе не замечают), успешно переправляя энергию (жёлтые линии) к приёмному кольцу (фото MIT/Donna Coveney, иллюстрация WiTricity).

Теперь же Солячич и его соратники открыли, что на КПД системы WiTricity влияют не только размер, геометрия и настройка катушек, а также дистанция между ними, но и число потребителей. Парадоксально, на первый взгляд, однако два приёмных прибора, размещённые на расстоянии от 1,6 до 2,7 метра по обе стороны от передающей «антенны», показали на 10% лучший КПД, чем в случае если связь осуществлялась только между одним источником и потребителем, как было в предыдущих опытах.

Причём улучшение прослеживалось независимо от того, каков был КПД для пар передатчик-приёмник по отдельности. Учёные предположили, что при дальнейшем добавлении новых потребителей КПД будет ещё повышаться, хотя пока не вполне ясно — насколько. (Детали эксперимента раскрывает в Applied Physics Letters.)

Передающая катушка в новом эксперименте насчитывала площадь в 1 квадратный метр, а приёмные — всего по 0,07 м 2 каждая. И это тоже интересно: громоздкость «приёмников» в прежних опытах ставила под сомнение желание производителей техники снабжать такими системами свою аппаратуру — едва ли вам понравился бы самозаряжающийся ноутбук, блок WiTricity которого по размеру сопоставим с самим компьютером.

Слева: 1 – специальная схема переводит обычный переменный ток в высокочастотный, он питает передающую катушку, создающую осциллирующее магнитное поле. 2 – приёмная катушка в устройстве-потребителе должна быть настроена на ту же частоту. 3 – резонансная связь между катушками превращает магнитное поле обратно в электрический ток, который питает лампочку.
Справа: по мнению авторов системы, одна катушка на потолке может снабжать энергией все приборы и устройства в комнате – от нескольких светильников и телевизора до ноутбука и DVD-проигрывателя (иллюстрация WiTricity).

Но главное – эффект улучшения общего КПД при одновременной работе с несколькими потребителями означает зелёную улицу для голубой мечты Солячича — дома, заполненного разнообразной техникой, получающей питание из невидимых «неизлучающих излучателей», спрятанных в потолках или стенах комнат.

А может быть, и не только в комнатах, но и в гараже? Конечно, зарядить электромобиль можно и обычным способом. Но прелесть WiTricity в том, что ничего никуда не нужно подключать и даже помнить об этом — теоретически машину можно научить самой по прибытию в гараж (или на автостоянку компании) посылать «запрос» системе и подпитывать аккумулятор от магнитной катушки, уложенной в полу.

Кстати, в некоторых экспериментах специалисты WiTricity довели мощность передачи до трёх киловатт (а начинали, напомним, с 60-ваттной лампочки). КПД же варьируется в зависимости от целого набора параметров, однако, как утверждает корпорация, при достаточно близких катушках он может превышать 95%.

Нетрудно догадаться, что перспективный метод передачи электроэнергии на несколько метров без проводов и необходимости в прицеливании каких-нибудь «силовых лучей» должен заинтересовать широкий спектр компаний. Некоторые уже работают в этом направлении самостоятельно.

Например, отталкиваясь от принципов, обоснованных и испытанных Солячичем и его коллегами, Intel ныне развивает свою модификацию резонансной передачи электроэнергии — Wireless Resonant Energy Link (WREL). Ещё в 2008 году компания достигла на данном поприще блестящего результата, продемонстрировав «магнитную» передачу тока с КПД 75% .

Одна из опытных установок Intel WREL, без проводов передающая электропитание (наряду с аудиосигналом) с MP3-плеера на небольшую колонку (фото с сайта gizmodo.com).

Собственные опыты, воспроизводящие эксперименты физиков из Массачусетского технологического, ставит сейчас и Sony .

Однако Солячич уверен, что его инновация не затеряется среди продукции коллег-конкурентов. Ведь именно первооткрыватели технологии больше всех набили с ней шишек и готовы к углублённому её изучению и совершенствованию. Скажем, настройка даже пары катушек не так проста, как кажется на поверхностный взгляд. Учёный несколько лет подряд ставил опыты в лаборатории, прежде чем построил систему, которая работает действительно надёжно.

Демонстрационный образец ЖК-экрана, получающего электрическое питание через первый прототип бытового набора WiTricity. Передающая катушка лежит на полу, приёмная – на столе (фото WiTricity).

«Беспроводное электричество», по словам его авторов, изначально задумывалось как OEM-продукт . Потому в будущем можно ожидать появления данной технологии в товарах других компаний.

И пробный шар в сторону потенциальных потребителей уже запущен. В январе в Лас-Вегасе на выставке CES 2010 китайская компания Haier показала первый в мире полностью беспроводной HDTV-телевизор. На его экран по воздуху передавался не только видеосигнал с проигрывателя (для чего применялся официально родившийся буквально месяцем раньше стандарт Wireless Home Digital Interface), но и электропитание. Последнее обеспечивала именно технология WiTricity.

А ещё компания Солячича ведёт переговоры с производителями мебели об установке катушек в столы и стены шкафов. Первое объявление о серийном продукте партнёра WiTricity ожидается к концу 2010 года.

Вообще же специалисты предсказывают появление на рынке настоящих бестселлеров — новых продуктов со встроенным приёмником WiTricity. Причём никто ещё не может уверенно сказать — что это будут за вещи.

Компания Haier является одним из крупнейших в мире производителей бытовой электроники. Неудивительно, что её инженеры заинтересовались возможностью соединить новейшие технологии беспроводной передачи HDTV-сигнала и беспроводного электропитания и даже ухитрились первыми показать такой прибор в действии (фотографии engadget.com, gizmodo.com).

Любопытно, что история WiTricity началась несколько лет назад с ряда досадных пробуждений Марина. Несколько раз в течение месяца его будил сигнал разряженного телефона, просящего «поесть». Забывавший вовремя подключить мобильник к розетке учёный удивлялся: разве не смешно, что телефон находится в нескольких метрах от электрической сети, но не в состоянии получить эту энергию. После очередного пробуждения в три часа ночи Солячич подумал: было бы здорово, если б телефон смог позаботиться о своей зарядке сам.

Заметим, речь сразу пошла не о новом варианте "ковриков" для зарядки карманных приборов. Такие системы работают, только если устройство положить непосредственно на «коврик», а это ведь для забывчивых людей ничуть не лучше, чем необходимость просто втыкать проводок в розетку. Нет, телефон должен был получать электроэнергию в любом месте комнаты, а то и квартиры, и не важно, бросили ли вы его на столе, диване или подоконнике.

Тут обычная электромагнитная индукция, направленные микроволновые лучи и "осторожные" инфракрасные лазеры — не годились. Марин взялся за поиск других вариантов. Едва ли он тогда мог подумать, что через некоторое время пищащий и «голодный» телефон приведёт его к созданию собственной компании и появлению технологии, способной «делать заголовки» и, что куда важнее, заинтересовать промышленных партнёров.

Добавим, что о принципах, истории и будущем WiTricity некогда довольно подробно рассказал исполнительный директор корпорации Эрик Гилер (Eric Giler).

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

В 1831 году Майкл Фарадей открыл закон индукции , важный базовый закон электромагнетизма .

В 1864 году Джеймс Максвелл систематизировал результаты наблюдений и экспериментов, изучил уравнения по электричеству, магнетизму и оптике, создал теорию и составил строгое математическое описание поведения электромагнитного поля (см. уравнения Максвелла).

В 1888 году Генрих Герц подтвердил существование электромагнитного поля. «Аппарат для генерации электромагнитного поля » Герца представлял собой искровой передатчик «радиоволн» и создавал волны в диапазонах частот СВЧ или УВЧ .

В 1891 году Никола Тесла улучшил и запатентовал (патент номер 454,622; «Система электрического освещения») передатчик волн Герца для радиочастотного энергоснабжения.

В 1893 году Никола Тесла на всемирной выставке , проходившей в 1893 году в Чикаго , продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами .

В 1894 году Никола Тесла зажёг без проводов фосфорную лампу накаливания в лаборатории на Пятой авеню , а позже в лаборатории на Хаустон-стрит в Нью-Йорке с помощью «электродинамической индукции », то есть посредством беспроводной резонансной взаимоиндукции .

В 1894 году Джагдиш Чандра Боше дистанционно воспламенил порох , что привело к удару по колоколу, с использованием электромагнитных волн, показывая, что сигналы связи можно посылать без проводов .

25 апреля (7 мая) года Александр Попов продемонстрировал изобретённый им радиоприёмник на заседании физического отделения Русского физико-химического общества .

В 1895 году Боше передал сигнал на расстояние около одной мили .

2 июня 1896 года Гульельмо Маркони подал заявку на изобретение радио.

В 1896 году Тесла передал сигнал на расстояние около 48 километров .

В 1897 году Гульельмо Маркони передал текстовое сообщение азбукой Морзе на расстояние около 6 км, используя для этого радиопередатчик.

В 1897 году зарегистрирован первый из патентов Тесла по применению беспроводной передачи.

В 1899 году в Колорадо-Спрингс Тесла писал: «Несостоятельность метода индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха » .

В 1900 году Гульельмо Маркони не смог получить патент на изобретение радио в Соединённых Штатах.

В 1901 году Маркони передал сигнал через Атлантический океан , используя аппарат Тесла.

В 1902 году Тесла и Реджинальд Фессенден конфликтовали из-за американского патента номер 21,701 («Система передачи сигналов (беспроводная). Избирательное включение ламп накаливания, электронные логические элементы в целом») .

В 1904 году на Всемирной выставке, проходившей в Сент-Луисе , предложена премия за успешную попытку управления двигателем дирижабля мощностью 0,1 л.с. (75 Вт ) от энергии, передаваемой дистанционно на расстояние менее 100 футов (30 м ) .

В 1917 году разрушена Башня Ворденклиф , построенная Никола Тесла для проведения опытов по беспроводной передаче больших мощностей.

В 1926 году Синтаро Уда и Хидэцугу Яги опубликовали первую статью «о регулируемом направленном канале связи с высоким усилением » , хорошо известном как «антенна Яги-Уда» или антенна «волновой канал ».

В 1945 году Семён Тетельбаум опубликовал статью «О беспроводной передаче электроэнергии на большие расстояния с помощью радиоволн», в которой впервые рассматривал эффективность микроволновой линии для беспроводной передачи электроэнергии .

В 1961 году Уильям Браун опубликовал статью по исследованию возможности передачи энергии посредством микроволн .

В 1964 году Уильям Браун и Уолтер Кроникт в эфире телеканала CBS News продемонстрировали модель вертолёта, получающего всю необходимую ему энергию от микроволнового луча.

В 1968 году Питер Глейзер предложил использовать беспроводную передачу солнечной энергии из космоса с помощью технологии «Энергетический луч» . Это считается первым описанием орбитальной энергетической системы .

В 1973 году в Лос-Аламосской Национальной лаборатории продемонстрирована первая в мире пассивная система RFID .

В 1975 году на комплексе дальней космической связи обсерватории Голдстоун проведены эксперименты по передаче мощности в десятки киловатт .

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

«Electricity at the Columbian Exposition», by John Patrick Barrett. 1894, pp. 168-169 (англ.)
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.)
Experiments with Alternate Currents of High Potential and High Frequency, IEE Address, London, February 1892 (англ.)
On Light and Other High Frequency Phenomena, Franklin Institute, Philadelphia, February 1893 and National Electric Light Association, St. Louis, March 1893 (англ.)
The Work of Jagdish Chandra Bose: 100 years of mm-wave research (англ.)
Jagadish Chandra Bose (англ.)
Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power, pp. 26-29. (англ.)
June 5, 1899, Nikola Tesla Colorado Spring Notes 1899-1900, Nolit, 1978 (англ.)
Nikola Tesla: Guided Weapons & Computer Technology (англ.)
The Electrician (London), 1904 (англ.)
Scanning the Past: A History of Electrical Engineering from the Past, Hidetsugu Yagi
Тетельбаум С. И. О беспроводной передаче электроэнергии на большие расстояния с помощью радиоволн // Электричество. - 1945. - № 5 . - С. 43-46 .
Костенко А. А. Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития // Радиофизика и радиоастрономия. - 2000. - Т. 5 , № 3 . - С. 231 .
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.)
IEEE Microwave Theory and Techniques, Bill Brown’s Distinguished Career (англ.)
Power from the Sun: Its Future, Science Vol. 162, pp. 957-961 (1968)
Solar Power Satellite patent (англ.)
History of RFID (англ.)
Space Solar Energy Initiative (англ.)
Wireless Power Transmission for Solar Power Satellite (SPS) (Second Draft by N. Shinohara), Space Solar Power Workshop, Georgia Institute of Technology (англ.)
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.)
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.
Bombardier PRIMOVE Technology
Intel imagines wireless power for your laptop (англ.)
wireless electricity specification nearing completion
Global Qi Standard Powers Up Wireless Charging - HONG KONG, Sept. 2 /PRNewswire/
TX40 and CX40, Ex approved Torch and Charger (англ.)
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.