Если верить истории, революционный технологический проект был заморожен из-за отсутствия у Теслы должных финансовых возможностей (эта проблема преследовала ученого практически все время его работы в Америке). Говоря в целом, основное давление на него оказывалось со стороны другого изобретателя — Томаса Эдисона и его компаний, которые продвигали технологию постоянного тока, в то время как Тесла занимался током переменным (так называемая «Война токов»). История расставила все на свои места: сейчас переменный ток используется в городских электросетях практически повсеместно, хотя отголоски прошлого доходят и до наших дней (например, одна из заявленных причин поломок пресловутых поездов Hyundai - использование на некоторых участках украинской ЖД электролиний постоянного тока).
Башня Ворденклиф, в которой Никола Тесла проводил свои эксперименты с электричеством (фото 1094 года)
Что же касается башни Ворденклиф, то, если верить легенде, Тесла продемонстрировал одному из главных инвесторов Дж.П. Моргану, акционеру первой в мире Ниагарской ГЭС и медных заводов (медь, как известно, используется в проводах), работающую установку по беспроводной передаче тока, стоимость которого для потребителей была бы (заработай такие установки в промышленных масштабах) на порядок дешевле для потребителей, после чего он свернул финансирование проекта. Как бы там ни было, всерьез о беспроводной передаче электроэнергии заговорили только спустя 90 лет, в 2007 году. И хотя до того момента, как линии электропередач полностью исчезнут из городского пейзажа, еще далеко, приятные мелочи вроде беспроводной зарядки мобильного устройства доступны уже сейчас.
Прогресс подкрался незаметно
Если мы просмотрим архивы ИТ-новостей хотя бы двухгодичной давности, то в таких подборках обнаружим разве что редкие сообщения о том, что те или иные компании занимаются разработкой беспроводных зарядных устройств, и ни слова о готовых продуктах и решениях (кроме базовых принципов и общих схем). На сегодняшний же день беспроводная зарядка уже не является чем-то сверхоригинальным или концептуальным. Подобные устройства вовсю продаются (например, свои зарядки на MWC 2013 демонстрировала LG), испытываются для электромобилей (этим занимается Qualcomm) и даже используются в общественных местах (например, на некоторых европейских ЖД-вокзалах). Более того, уже существуют несколько стандартов такой передачи электроэнергии и несколько альянсов, продвигающих и развивающих их.
За беспроводную зарядку мобильных устройств отвечают подобные катушки, одна из которых находится в телефоне, а другая - в самом зарядном устройстве
Самым известным таким стандартом является стандарт Qi, разрабатываемый Wireless Power Consortium, в который входят такие известные компании, как HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Sony и еще около сотни других организаций. Этот консорциум был организован в 2008 году с целью создания универсального зарядного устройства для девайсов различных производителей и торговых марок. В своей работе стандарт использует принцип магнитной индукции, когда базовая станция состоит из индукционной катушки, которая создает электромагнитное поле при поступлении переменного тока из сети. В заряжаемом же устройстве присутствует похожая катушка, которая реагирует на это поле и умеет преобразовывать полученную через него энергию в постоянный ток, который используется для зарядки аккумулятора (подробно ознакомиться с принципом работы можно на сайте консорциума http://www.wirelesspowerconsortium.com/what-we-do/how-it-works/). Кроме того, Qi поддерживает протокол передачи данных между зарядными и заряжаемыми устройствами на скорости 2 кб/с, который используется для передачи данных о необходимом объеме зарядки и выполнении требуемой операции.
Беспроводную зарядку по стандарту Qi на сегодняшний день поддерживают многие смартфоны, а зарядные устройства универсальны для всех аппаратов, поддерживающих данный стандарт
Есть у Qi и серьезный конкурент - Power Matters Alliance, в который входят AT&T, Duracell, Starbucks, PowerKiss и Powermat Technologies. Эти имена находятся далеко не на первых ролях в мире информационных технологий (особенно сеть кофеен Starbucks, которая находится в альянсе из-за того, что собирается повсеместно внедрять в своих заведениях данную технологию), - они специализируются именно на энергетических вопросах. Данный альянс был сформирован не так давно, в марте 2012 года, в рамках одной из программ IEEE (Института инженеров электротехники и электроники). Продвигаемый ими стандарт PMA работает по принципу взаимной индукции - частного примера электромагнитной индукции (которую не следует путать с магнитной индукцией, используемой Qi), когда при изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока через контур второго, созданного магнитным полем, порожденным током в первом проводнике, что вызывает возникновение электродвижущей силы во втором проводнике и (если второй проводник замкнут) индукционного тока. Так же, как и в случае с Qi, этот ток потом преобразуется в постоянный и подается в аккумулятор.
Ну, и не стоит забывать об Alliance for Wireless Power, в которую входят Samsung, Qualcomm, Ever Win Industries, Gill Industries, Peiker Acustic, SK Telecom, SanDisk и т. д. Эта организация пока не представила готовых решений, но среди ее целей, в том числе, - разработка зарядок, которые бы работали через неметаллические поверхности и в которых бы не использовались катушки.
Одна из целей организации Alliance for Wireless Power - возможность зарядки без привязки к конкретному месту и типу поверхности
Из всего вышенаписанного можно сделать простой вывод: через год-два большинство современных устройств смогут подзаряжаться без использования традиционных зарядных устройств. Пока же мощности беспроводной зарядки хватает, в основном, на смартфоны, однако для планшетов и ноутбуков такие устройства тоже скоро появятся (та же Apple не так давно запатентовала беспроводную зарядку для iPad). Это значит, что проблема разрядки устройств будет решена практически полностью - положил или поставил устройство в определенное место, и даже во время работы оно заряжается (или, в зависимости от мощности, разряжается намного медленнее). Со временем, можно не сомневаться, радиус их действия будет расширяться (сейчас необходимо использовать специальный коврик или подставку, на котором лежит устройство, либо оно должно находиться совсем рядом), и они будут повсеместно устанавливаться в автомобили, поезда и даже, возможно, самолеты.
Ну, и еще один вывод - скорее всего, не удастся избежать очередной войны форматов между разными стандартами и альянсами, продвигающими их.
Избавимся ли мы от проводов?
Беспроводная зарядка устройств - штука, конечно, хорошая. Но мощности, которые возникают при ней, достаточны только для заявленных целей. С помощью этих технологий пока невозможно даже осветить дом, не говоря уже о работе крупной бытовой техники. Тем не менее, эксперименты по высокомощной беспроводной передаче электроэнергии ведутся и базируются они, в том числе, и на материалах Теслы. Сам ученый предлагал установить по всему миру (тут, скорее всего, подразумевались развитые на тот момент страны, которых было намного меньше, чем сейчас) более 30 приемо-передающих станций, которые совмещали бы передачу энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, что позволило бы избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало объединению электрических генерирующих в глобальном масштабе.
Сегодня есть несколько методов решения задачи беспроводной передачи энергии, правда, все они пока позволяют добиться несущественных в глобальном плане результатов; речь идет даже не о километрах. Такие методы, как ультразвуковая, лазерная и электромагнитная передача, имеют существенные ограничения (короткие дистанции, необходимость прямой видимости передающих устройств, их размер, а в случае с электромагнитными волнами -очень низкий КПД и вред здоровью от мощного поля). Поэтому самые перспективные разработки связаны с использованием магнитного поля, а точнее - резонансного магнитного взаимодействия. Одна из них - WiTricity, разработкой занимается концерн WiTricity corporation, основанной профессором MIT Марином Солячичем и рядом его коллег.
Так, в 2007 году им удалось передать ток мощностью 60 Вт на расстояние 2 м. Его хватило на свечение лампочки, а КПД составлял 40 %. Но неоспоримым плюсом использовавшейся технологии являлось то, что она практически не взаимодействует ни с живыми существами (сила поля, по заявлению авторов, в 10 тыс. раз слабее, чем то, что царит в сердцевине магнитно-резонансного томографа), ни с медицинским оборудованием (кардиостимуляторы и т. п.), ни с другим излучением, а значит, не помешает, например, работе того же Wi-Fi.
Что самое интересное, на КПД системы WiTricity влияют не только размер, геометрия и настройка катушек, а также дистанция между ними, но и число потребителей, причем в положительном плане. Два приемных прибора, размещенные на расстоянии от 1,6 до 2,7 м по обе стороны от передающей «антенны», показали на 10 % лучший КПД, чем по отдельности - это решает проблему подключения множества устройств к одному источнику питания.
Со времен открытия электричества человеком многие ученые пытаются изучить удивительное явление токов и повысить полезный коэффициент действия, проводя многочисленные опыты и изобретая более современные материалы, обладающие улучшенными свойствами передачи энергии с нулевым сопротивлением. Наиболее перспективным направлением в подобном научном труде является беспроводная передача электроэнергии на большие расстояния и с минимальными затратами на транспортировку. В данной статье рассмотрены способы передачи энергии на расстояние, а также виды устройств для подобных действий.
Беспроводная передача энергии – это способ транспортировки, при котором не используются какие-либо проводники или сети кабелей, а ток передается на значительное расстояние до потребителя с максимальным коэффициентом полезной мощности по воздуху. Для этого применяются устройства для генерации электричества, а также передатчик, который накапливает в себе ток и рассеивает его во всех направлениях, а также приемник с потребляющим прибором. Приемник улавливает электромагнитные волны и поля и путем их концентрации на коротком участке проводника передает энергию на лампу или любой другой прибор определенной мощности.
Существует множество способов для беспроводной передачи электричества, которые изобретались в процессе изучения токов многими учеными, но наибольших результатов в практическом плане добился Никола Тесла. Он сумел изготовить передатчик и приемник, которые были отдалены друг от друга на расстояние, равное 48 километрам. Но в то время не существовало технологий, которые смогли бы передать электричество на такую дистанцию с коэффициентом выше 50%. В связи с этим ученый выражал большую перспективу не для передачи готовой сгенерированной энергии, а для вырабатывания тока из магнитного поля земли и использования его в бытовых нуждах. Транспортировка подобного электричества должна была осуществляться беспроводным способом, путем передачи по магнитным полям.
Способы беспроводной передачи электричества
Большинство теоретиков и практиков, изучающих работу электрического тока, предлагали свои методы передачи его на расстояние без использования проводников. В начале подобных исследований многие ученые пытались заимствовать практику из принципа работы радиоприемников, которые используются для передачи азбуки Морзе или коротковолнового радио. Но такие технологии не оправдали себя, так как рассеивание тока было слишком малым и не могло покрыть большие расстояния, к тому же транспортировка электричества по радиоволнам была возможна только при работе с малыми мощностями, не способными приводить в действие даже самый простейший механизм.
В результате экспериментов было выявлено, что для передачи электричества без провода наиболее приемлемы СВЧ волны, которые имеют более устойчивую конфигурацию и напряжение, а также при рассеивании теряют гораздо меньше энергии, чем любой другой метод.
Впервые успешно применить данный способ смог изобретатель и конструктор Вильям Браун, который смоделировал летающую платформу, состоящую из металлической площадки с двигателем, мощностью около 0,1 лошадиной силы. Платформа была выполнена в виде принимающей антенны с сеткой, улавливающей СВЧ волны, которые передавались специально сконструированным генератором. Через всего четырнадцать лет тот же конструктор представил летательный аппарат малой мощности, который принимал энергию от передатчика на расстоянии 1,6 километра, ток передавался сконцентрированным пучком по СВЧ волнам. К сожалению, широкого распространения данный труд не получил, так как на тот момент не существовало технологий, которые могли бы обеспечить транспортировку таким методом тока с высоким напряжением, хотя коэффициент полезного действия приемника и генератора был равен более 80%.
В 1968 году американские ученые разработали проект, подкрепленный научным трудом, в котором предлагалось размещение больших солнечных батарей на околоземной орбите. Приемники энергии должны были быть направлены на солнце, а в их основании размещались накопители тока. После поглощения солнечной радиации и трансформации ее в СВЧ или магнитные волны через специальное устройство ток направлялся на землю. Прием должен был осуществляться специальной антенной большой площади, настроенной на определенную волну и преобразующей волны в постоянный или переменный ток. Такая система была высоко оценена во многих странах как перспективная альтернатива современным источникам электричества.
Питание электрокара беспроводным способом
Многие производители автомобилей, работающих на электрическом токе, проводят разработки альтернативной подзарядки авто без его подключения к сети. Больших успехов в этой области добилась технология зарядки транспорта от специального дорожного полотна, когда машина принимала энергию от покрытия, заряженного магнитным полем или СВЧ волнами. Но подобная подпитка была возможна только при условии, когда расстояние между дорогой и приемным устройством было не более 15 сантиметров, что в современных условиях не всегда исполнимо.
Данная система находится на стадии разработок, поэтому можно предполагать, что подобный тип передачи питания без проводника еще получит свое развитие и, возможно, будет внедряться в современную транспортную индустрию.
Современные разработки передачи энергии
В современных реалиях беспроводное электричество вновь становится актуальным направлением изучения и конструирования приборов. Существуют наиболее перспективные пути развития беспроводной передачи энергии, к которым относятся:
- Использование электричества в горной местности, в случаях, когда нет возможности проложить несущие кабеля до потребителя. Несмотря на изученность вопроса электричества, на земле имеются места, в которых нет электроэнергии, и проживающие там люди не могут пользоваться таким благом цивилизации. Конечно, часто там применяются автономные источники питания, такие как солнечные батареи или генераторы, но данный ресурс ограничен и не может восполнить потребности в полном объеме;
- Некоторые производители современной бытовой техники уже внедряют в свою продукцию устройства для передачи энергии без проводов. Например, на рынке предлагается специальный блок, который подключается к сетевому питанию и путем преобразования постоянного тока в СВЧ волны передает их окружающим приборам. Единственное условие использования данного прибора – это наличие у бытовой техники принимающего устройства, преобразующего данные волны в постоянный ток. В продаже имеются телевизоры, которые полностью работают от принимаемой от передатчика беспроводной энергии;
- В военных целях, в большинстве случаев в оборонной сфере, существуют разработки приборов связи и других вспомогательных устройств.
Большой прорыв в данной сфере технологий произошел в 2014 году, когда группа ученых разработала устройство для генерации и приема энергии на расстояние без проводов, используя при этом систему линз, размещенных между передающей и приемной катушками. Ранее считалось, что передача тока без проводника возможна на дистанцию, не превышающую размер приборов, поэтому для транспортировки электричества на большое расстояние требовалось огромное сооружение. Но современные конструкторы изменили принцип работы данного устройства и создали передатчик, направляющий не СВЧ волны, а магнитные поля с низкими частотами. Электроны в данном случае не теряют мощность и передаются на расстояние сконцентрированным пучком, к тому же потребление энергии возможно, не только подключившись к приемной детали, но и просто находясь в зоне действия полей.
К сведению. Первым прибором, который будет принимать беспроводную энергию, технологи планируют сделать мобильный телефон или планшетный компьютер, разработки такой системы уже ведутся.
Наиболее перспективные направления
Беспроводное электричество постоянно изучается многими физиками, рассматриваются наиболее перспективные направления в данной сфере, к которым относятся:
- Подзарядка мобильных устройств без подключения к кабелю;
- Осуществление питания для беспилотных летательных аппаратов – это направление, которое будет пользоваться большим спросом и в гражданской, и в военной индустрии, так как подобные устройства в последнее время стали часто использоваться для различных целей.
Сама процедура передачи данных на расстояние без использования проводов некоторое время назад считалась прорывом в исследованиях физики и энергетики, сейчас это уже никого не удивляет и стало доступным для любого человека. Благодаря современному развитию технологий и разработкам, транспортировка электроэнергии таким методом становится реальностью и вполне может быть воплощена в жизнь.
Видео
Беспроводная передача для доставки электричества имеет возможность поставлять основные достижения в области промышленности и приложениях, зависящих от физического контакта разъема. Оно, в свою очередь, может быть ненадежным и привести к неудачам. Передача беспроводной электроэнергии была впервые продемонстрирована Никола Тесла в 1890-х годах. Однако только в последнее десятилетие технология была использована до такой степени, что она предлагает реальные, ощутимые преимущества для приложений реального мира. В частности, развитие резонансной беспроводной системы питания для рынка бытовой электроники показало, что зарядка по индукции обеспечивает новые уровни удобства для миллионов повседневных устройств.
Рассматриваемая мощность широко известна многими терминами. Включая индуктивную передачу, связь, резонансную беспроводную сеть и такую же отдачу напряжения. Каждое из этих условий, по существу, описывает один и тот же фундаментальный процесс. Беспроводную передачу электроэнергии или мощности от источника питания до напряжения нагрузки без разъемов через воздушный зазор. Основой являются две катушки - передатчика и приемника. Первая возбуждается переменным током для генерации магнитного поля, которое, в свою очередь, индуцирует напряжение во второй.
Как работает рассматриваемая система
Основы беспроводной мощности включают раздачу энергии от передатчика к приемнику через колебательное магнитное поле. Для достижения этого постоянный ток, подаваемый источником питания, преобразуется в высокочастотный переменный. С помощью специально разработанной электроники, встроенной в передатчик. Переменный ток активирует катушку медного провода в раздатчике, которая генерирует магнитное поле. Когда вторая (приемная) обмотка размещается в непосредственной близости. Магнитное поле может вызывать переменный ток в принимающей катушке. Электроника в первом устройстве затем преобразует переменный обратно в постоянный, который становится потребляемой мощностью.
Схема беспроводной передачи электроэнергии
Напряжение «сети» преобразуется в сигнал переменного тока, который затем посылается на катушку передатчика через электронную цепь. Протекающий через обмотку раздатчика, индуцирует магнитное поле. Оно, в свою очередь, может распространяться на катушку приемника, которая находится в относительной близости. Затем магнитное поле генерирует ток, протекающий через обмотку приемного устройства. Процесс, посредством которого энергия распространяется между передающей и приемной катушками, также упоминается как магнитная или резонансная связь. И достигается с помощью обеих обмоток, функционирующих на той же частоте. Ток, текущий в катушке приемника, преобразуется в постоянный с помощью схемы приемника. Затем может использоваться для питания устройства.
Что значит резонанс
Расстояние, на которое может передаваться энергия (или мощность), увеличивается, если катушки передатчика и приемника резонируют на одной и той же частоте. Подобно тому, как настраиваемая вилка колеблется на определенной высоте и может достигать максимальной амплитуды. Это относится к частоте, с которой объект естественным образом вибрирует.
Преимущества беспроводной передачи
В чем заключаются преимущества? Плюсы:
- сокращаются расходы, связанные с поддержанием прямых соединителей (например, в традиционном промышленном скользком кольце);
- большее удобство для зарядки обычных электронных устройств;
- безопасная передача в приложения, которые должны оставаться герметически закрытыми;
- электроника может быть полностью скрыта, что снижает риск коррозии из-за таких элементов как кислород и вода;
- надежная и последовательная подача питания на вращающееся, высокомобильное промышленное оборудование;
- обеспечивает надежную передачу мощности в критически важные системы во влажной, грязной и движущейся среде.
Независимо от приложения, ликвидация физического соединения обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с традиционными разъемами питания кабеля.
Эффективность рассматриваемой передачи энергии
Общая эффективность беспроводной системы питания является самым важным фактором в определении ее производительности. Результативность системы измеряет количество мощности, передаваемой между источником питания (то есть, настенной розеткой) и принимающим устройством. Это, в свою очередь, определяет такие аспекты как скорость зарядки и дальность распространения.
Системы беспроводной связи различаются в зависимости от их уровня эффективности, основанного на таких факторах, как конфигурация и дизайн катушки, расстояние передачи. Менее результативное устройство будет генерировать больше выбросов и приведет к меньшей мощности, проходящей через приемное устройство. Как правило, беспроводные технологии передачи электроэнергии для таких устройств как смартфоны, могут достигать 70% производительности.
Как измеряется эффективность
В смысле, как количество мощности (в процентах), которое передается от источника питания к приемному устройству. То есть, беспроводная передача электроэнергии для смартфона с КПД 80% означает, что 20% входной мощности потеряно между настенной розеткой и батареей для заряжаемого гаджета. Формула для измерения эффективности работы: производительность = постоянный ток исходящий, деленный на входящий, полученный результат умножить на 100%.
Беспроводные способы передачи электроэнергии
Мощность может распространяться по рассматриваемой сети почти по всем неметаллическим материалам, включая, но не ограничиваясь ими. Это такие твердые вещества, как древесина, пластмасса, текстиль, стекло и кирпич, а также газы и жидкости. Когда металлический или электропроводящий материал (то есть, помещается в непосредственной близости от электромагнитного поля, объект поглощает мощность из него и в результате нагревается. Это, в свою очередь, влияет на эффективность системы. Вот как работают индукционные приготовления, к примеру, неэффективная передача мощности из варочной панели создает тепло для приготовления пищи.
Чтобы создать систему беспроводной передачи электроэнергии, необходимо вернуться к истокам рассматриваемой темы. А,точнее, к успешному ученому и изобретателю Никола Тесла, который создал и запатентовал генератор, способный брать питание без различных материалистических проводников. Итак, для реализации беспроводной системы необходимо собрать все важные элементы и части, в результате будет реализована небольшая Это устройство, которое создает электрическое поле высокого напряжения в воздухе, вокруг него. При этом имеется небольшая входная мощность, она обеспечивает беспроводную передачу энергии на расстоянии.
Одним из наиболее важных способов передачи энергии является индуктивная связь. Он в основном используется для ближнего поля. Охарактеризован на том факте, что при прохождении тока по одному проводу на концах другого индуцируется напряжение. Передача мощности осуществляется путем взаимности между двумя материалами. Общий пример - это трансформатор. Микроволновая передача энергии, как идея, была разработана Уильямом Брауном. Вся концепция включает в себя преобразование питания переменного тока в радиочастотное и передачу его в пространстве и повторное в переменную мощность на приемнике. В этой системе напряжение генерируется с использованием микроволновых источников энергии. Таких как клистрон. И эта мощность передается через волновод, который защищает от отраженной мощности. А также тюнер, который соответствует импедансу микроволнового источника с другими элементами. Приемная секция состоит из антенны. Она принимает мощность микроволн и схему согласования импеданса и фильтра. Эта приемная антенна вместе с выпрямляющим устройством может быть диполем. Соответствует выходному сигналу с подобным звуковым оповещением выпрямительного блока. Блок приемника также состоит из подобной секции, состоящей из диодов, которые используются для преобразования сигнала в оповещение постоянного тока. Эта система передачи использует частоты в диапазоне от 2 ГГц до 6 ГГц.
Беспроводная передача электроэнергии с помощью который реализовал генератор с применением подобных магнитных колебаний. Суть заключается в том, что это устройство работало благодаря трем транзисторам.
Использование пучка лазера для передачи мощности в виде световой энергии, которая преобразуется в электрическую на приемном конце. Непосредственно сам материал получает питание с использованием источников, таких как Солнце или любой генератор электроэнергии. И, соответственно, реализует фокусированный свет высокой интенсивности. Размер и форма пучка определяются набором оптики. И этот передаваемый лазерный свет принимается фотогальваническими ячейками, которые преобразуют его в электрические сигналы. Он обычно использует оптоволоконные кабели для передачи. Как и в базовой солнечной энергетической системе, приемник, используемый в распространении на основе лазера, представляет собой массив фотоэлектрических элементов или солнечной панели. Они, в свою очередь, могут преобразовывать бессвязный в электричество.
Сущностные особенности работы устройства
Мощность катушки Тесла заключается в процессе, называемом электромагнитной индукцией. То есть, изменяющееся поле создает потенциал. Он заставляет протекать ток. Когда электричество течет через катушку провода, он генерирует магнитное поле, которое заполняет область вокруг обмотки определенным образом. В отличие от некоторых других экспериментов с высоким напряжением, катушка Тесла выдержала множество проверок и проб. Процесс был достаточно трудоемким и длительным, но результат был успешным, потому и удачно запатентован ученым. Создать подобную катушку можно при наличии определенных составляющих. Для реализации потребуются следующие материалы:
- длина 30 см ПВХ (чем больше, тем лучше);
- медная эмалированная проволока (вторичный провод);
- березовая доска для основания;
- 2222A транзистор;
- подсоединение (первичный) провод;
- резистор 22 кОм;
- переключатели и соединительные провода;
- аккумулятор 9 вольт.
Этапы реализации устройства Тесла
Для начала необходимо поместить небольшой слот в верхнюю часть трубы, чтобы обернуть один конец провода вокруг. Медленно и осторожно обматывать катушку, следя за тем, чтобы не перекрывать провода и, при этом, не создавать пробелов. Этот шаг - самая сложная и утомительная часть, но потраченное время даст очень качественную и хорошую катушку. Каждые 20, или около того, поворотов помещаются кольца маскирующей ленты вокруг обмотки. Они выступают в качестве барьера. В случае, если катушка начнет распутываться. По завершении нужно обернуть плотную ленту вокруг верхней и нижней части обмотки и распылить ее 2 или 3 слоями эмали.
Затем необходимо подключить первичный и вторичный аккумулятор к батарее. После - включить транзистор и резистор. Меньшая обмотка является основной, а более длительная обмотка - вторичной. Можно дополнительно установить алюминиевую сферу сверху трубы. Кроме того, соединить открытый конец вторичной с добавленной, которая будет действовать как антенна. Необходимо создавать все с тщательной осторожностью, чтобы не дотрагиваться до вторичного устройства при включении питания.
При самостоятельной реализации существует опасность возгорания. Нужно перевернуть выключатель, установить лампу накаливания рядом с беспроводным устройством передачи энергии и наслаждаться световым шоу.
Беспроводная передача через систему солнечной энергии
Традиционные проводные конфигурации реализации энергии обычно требуют наличия проводов между распределенными устройствами и потребительскими единицами. Это создает множество ограничений как стоимость системных затрат на кабели. Потери, понесенные в передаче. А также растраты в распределении. Только сопротивление линии передачи приводит к потере около 20-30% генерируемой энергии.
Одна из самых современных беспроводных систем передачи энергии основана на передаче солнечной энергии с использованием микроволновой печи или луча лазера. Спутник размещен на геостационарной орбите и состоит из фотоэлектрических элементов. Они преобразуют солнечный свет в электрический ток, который используется для питания микроволнового генератора. И, соответственно, реализует мощность микроволн. Это напряжение передается с использованием радиосвязи и принимается на базовой станции. Она представляет собой комбинацию антенны и выпрямителя. И преобразуется обратно в электричество. Требует питания переменного или постоянного тока. Спутник может передавать до 10 МВт мощности радиочастоты.
Если говорить о системе распространения постоянного тока, то даже это невозможно. Так как для этого требуется разъем между источником питания и устройством. Существует такая картина: система полностью лишена проводов, где можно получить мощность переменного тока в домах без каких-либо дополнительных устройств. Там, где есть возможность зарядить свой мобильный телефон без необходимости физически подключаться к гнезду. Конечно, такая система возможна. И множество современных исследователей пытаются создать нечто модернизированное, при этом, изучив роль разработки новых способов беспроводной передачи электроэнергии на расстоянии. Хотя, с точки зрения экономической составляющей, для государств это будет не совсем выгодно, если внедрять такие устройства повсеместно, и заменять стандартное электричество на природное.
Истоки и примеры беспроводных систем
Эта концепция, на самом деле, не является новой. Вся эта идея была разработана Николасом Тесла в 1893 году. Когда он разработал систему освещающих вакуумных ламп с использованием техники беспроводной передачи. Невозможно себе представить, чтобы мир существовал без различных источников зарядки, которые выражены в материальном виде. Чтобы стали возможными мобильные телефоны, домашние роботы, MP3-плееры, компьютер, ноутбуки и другие транспортируемые гаджеты, которые заряжались бы самостоятельно, без каких-либо дополнительных подключений, освобождая пользователей от постоянных проводов. Некоторые из этих устройств могут даже не требовать большого количества элементов. История беспроводной передачи энергии достаточно насыщена, причем, в основном, благодаря разработкам Тесла, Вольта и др. Но, сегодня это остается лишь данными в физической науке.
Основной принцип заключается в преобразовании питания переменного тока в постоянное напряжение с помощью выпрямителей и фильтров. А затем - в возращение в исходное значение на высокой частоте с использованием инверторов. Эта низковольтная с высшими колебаниями мощность переменного тока затем переходит от первичного трансформатора к вторичному. Преобразуется в постоянное напряжение с использованием выпрямителя, фильтра и регулятора. Сигнал переменного тока становится прямым благодаря звуку тока. А также использованию секции выпрямителя моста. Полученный сигнал постоянного тока проходит через обмотку обратной связи, которая действует как схема генератора. При этом заставляет транзистор его проводить в первичный преобразователь в направлении слева направо. Когда ток проходит через обмотку обратной связи, соответствующий ток протекает к первичной части трансформатора в направлении справа налево.
Таким образом работает ультразвуковой способ передачи энергии. Сигнал формируется через первичный преобразователь для обоих полупериодов оповещения переменного тока. Частота звука зависит от количественных показателей колебаний цепей генератора. Этот сигнал переменного тока появляется на вторичной обмотке трансформатора. А когда он подключен к первичному преобразователю другого объекта, напряжение переменного тока составляет 25 кГц. Появляется показание через него в понижающем трансформаторе.
Это напряжение переменного тока выравнивается с помощью мостового выпрямителя. И затем фильтруется и регулируется, чтобы получить выход 5 В для управления светодиодом. Выходное напряжение 12 В от конденсатора используется для питания двигателя вентилятора постоянного тока для его работы. Итак, с точки зрения физики, передача электроэнергии - достаточно развитая область. Однако, как показывает практика, беспроводные системы не до конца развиты и усовершенствованы.
Регулярно просматривая зарубежные достижения в области радиотехники, наткнулся на неплохое устройство беспроводной передачи электроэнергии, выполненное не на каких-то дефицитных микросхемах, а вполне доступное для самостоятельной сборки. Полную документацию на английском можно будет скачать по ссылке , а здесь приведу краткое содержание на русском, в том числе некоторые схемотехнические решения.
Катушки приёмопередатчика тока
Осциллограмма сигнала
В работе представлены несколько похожих принципиальных схем, отличающихся только напряжением и мощностью. В качестве энергетической "антенны" у них служат небольшие катушки из толстого провода, транзисторы - обычные мощные полевые, так что всё это можно собрать самому.
Сразу предупредим - тут речь идёт не о передачи энергии на много метров, подобные устройства подходят скорее для и других похожих девайсах, где расстояние составит несколько сантиметров. Зато мощность, которая "перелетает" по воздуху, доходит до 100 ватт!
Принцип действия
Резонансный преобразователь обычно работает при постоянной рабочей частоте, которая определяется резонансной частотой LC контура. Как только напряжение постоянного тока подается на цепь, она начинает генерировать с помощью транзисторов. Своеобразный мультивибратор, со смещением фазы на 180°. Транзисторы поочередно подключают концы параллельного резонансного контура к массе, что позволяет этому контуру периодически подзарядиться энергией с последующим её излучением в пространство.
Практические схемы
Базовая схема
Фото готового передатчика-приёмника энергии
Подведя итог заметим, что беспроводная передача энергии всё больше внедряется в области потребительской электроники, промышленного, военного и медицинского оборудования. Как беспроводная локальная сеть и Bluetooth, та и беспроводное питание становится актуальным вариантом. Это позволяет избавится от ненадёжных кнопок, кабелей, силовых разъёмов. Другая область применения связана с трансформаторами, которые должны удовлетворять специальным требованиям - иметь усиленную или двойную изоляцию. И главное: электробезопасность! Многие маломощные сетевые бытовые приборы можно запитывать не через шнуры на 220 В, вилки и розетки, а бесконтактным методом - просто придвигая их к нужной поверхности.
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).
