Tesla bezdrátová energie. Nová technologie bezdrátového přenosu energie funguje jako Wi-Fi

V roce 1891 Nikola Tesla zkonstruoval rezonanční transformátor (Tesla transformátor), který umožňuje získat vysokofrekvenční kolísání napětí s amplitudou až milion voltů a jako první poukázal na fyziologické účinky vysokofrekvenčních proudů. Stojaté vlny pozorované během bouřek elektrické pole přivedl Teslu k myšlence na možnost vytvoření systému pro poskytování elektřiny spotřebitelům energie vzdáleným od generátoru bez použití drátů. Zpočátku byla Tesla cívka používána k přenosu energie do dlouhé vzdálenosti bez drátů, ale brzy tato myšlenka ustoupila do pozadí, protože je téměř nemožné přenášet energii na vzdálenost tímto způsobem, důvodem je nízká účinnost Teslovy cívky.

Teslův transformátor, neboli Teslova cívka, je jediný z vynálezů Nikoly Tesly, který dnes nese jeho jméno. Jedná se o klasický rezonanční transformátor produkující vysoké napětí o vysoké frekvenci. Toto zařízení používal vědec v několika velikostech a variantách pro své experimenty. Zařízení bylo nárokováno patentem č. 568176 ze dne 22. září 1896 jako "Přístroj pro výrobu elektrických proudů o vysoké frekvenci a potenciálu."

Existují 3 typy Teslových cívek:

SGTC-jiskřiště Tesla cívka - Teslova cívka na jiskřišti.
VTTC-vakuová elektronka Tesla cívka - Tesla cívka na rádiové elektronce.
SSTC-solid state Tesla coil - Tesla cívka na složitějších částech.

Popis konstrukce transformátoru. Ve své elementární podobě se skládá ze dvou cívek - primární a sekundární, a také pásku sestávajícího z jiskřiště (přerušovač, často se vyskytuje anglická verze Spark Gap), kondenzátoru a terminálu (zobrazeno jako „výstup“ na schématu). Na rozdíl od mnoha jiných transformátorů zde není žádné ferimagnetické jádro. Vzájemná indukčnost mezi oběma cívkami je tedy mnohem menší než u běžných transformátorů s ferimagnetickým jádrem. Tento transformátor také nemá prakticky žádnou magnetickou hysterezi, jev zpoždění změny magnetické indukce vzhledem ke změně proudu a další nevýhody vnesené přítomností feromagnetu v poli transformátoru. Primární cívka spolu s kondenzátorem tvoří oscilační obvod, který zahrnuje nelineární prvek- svodič (jiskřiště). Svodič je v nejjednodušším případě obyčejný plynový; obvykle z masivních elektrod.

Sekundární cívka tvoří také oscilační obvod, kde kapacitní vazba mezi toroidem, koncovým zařízením, závity vlastní cívky a dalšími elektricky vodivými prvky obvodu se Zemí plní roli kondenzátoru. Koncové zařízení (svorka) může být vyrobeno ve formě disku, nabroušeného kolíku nebo koule. Terminál je navržen tak, aby produkoval dlouhé, předvídatelné jiskry. Geometrie a vzájemná poloha částí Teslova transformátoru značně ovlivňuje jeho výkon, což je obdoba problému navrhování jakýchkoliv vysokonapěťových a vysokofrekvenčních zařízení.

Dalším zajímavým zařízením je Van de Graaffův generátor. Toto je generátor vysokého napětí, jehož princip činnosti je založen na elektrifikaci pohyblivé dielektrické pásky. První generátor vyvinul americký fyzik Robert Van de Graaff v roce 1929 a umožnil získat rozdíl potenciálů až 80 kilovoltů. V letech 1931 a 1933 byly postaveny výkonnější generátory, které umožňovaly dosáhnout napětí až 7 milionů voltů. Obvod Van de Graaffova generátoru:

Velká dutá kovová elektroda ve tvaru polokulové kopule je upevněna na vysokonapěťovém izolačním sloupu. Horní konec dopravního pásu vstupuje do dutiny elektrody elektrické náboje, což je nekonečný gumový pás na textilní bázi, natažený přes dvě kovové kladky a pohybující se obvykle rychlostí 20 - 40 m/s. Spodní kladka, upevněná na kovové desce, je otáčena elektromotorem. Horní kladka je umístěna pod vysokonapěťovou kupolovou elektrodou a je na plné napětí stroje. Je zde umístěn i napájecí systém iontového zdroje a samotný zdroj. Spodní konec pásky prochází elektrodou podepřenou konvenčním vysokonapěťovým zdrojem pod vysokým napětím vůči zemi až do 100 kV. V důsledku koronového výboje jsou elektrony z pásky přeneseny na elektrodu. Kladný náboj pásu zvednutého dopravníkem je nahoře kompenzován elektrony kopule, která dostává kladný náboj. Maximální dosažitelný potenciál je omezen izolačními vlastnostmi sloupu a vzduchu kolem něj. Čím větší elektroda, tím vyšší potenciál může odolat. Pokud je instalace hermeticky uzavřena a vnitřek je naplněn suchým stlačeným plynem, lze rozměry elektrody pro daný potenciál zmenšit. Nabité částice jsou urychlovány ve vakuové trubici umístěné mezi vysokonapěťovou elektrodou a „zemí“ nebo mezi elektrodami, pokud jsou dvě. Pomocí Van de Graaffova generátoru lze získat velmi vysoký potenciál, který umožňuje urychlit elektrony, protony a deuterony na energii 10 MeV a částice alfa nesoucí dvojnásobný náboj až 20 MeV. Energii nabitých částic na výstupu generátoru lze snadno řídit s velkou přesností, což umožňuje přesná měření. Proud protonového svazku v nepřetržitý režim 50 μA a v pulzním režimu lze zvýšit na 5 mA.

Když Apple společnost představila svůj první bezdrátový Nabíječka pro mobilní telefony a gadgety to mnozí považovali za revoluci a obrovský skok vpřed v bezdrátovém přenosu energie.

Byli to ale průkopníci nebo ještě před nimi, podařilo se někomu něco podobného, ​​byť bez pořádného marketingu a PR? Ukázalo se, že to bylo už velmi dávno a takových vynálezců bylo mnoho.

Slavný Nikola Tesla tedy v roce 1893 předvedl užaslé veřejnosti záři zářivek. Nehledě na to, že byli všichni bez drátů.

Nyní může každý student zopakovat takový trik, když vyjde na volné prostranství a postaví se se zářivkou pod vedení vysokého napětí 220 kV a více.

O něco později už Tesla dokázala stejným bezdrátovým způsobem rozsvítit fosforovou žárovku.

V Rusku v roce 1895 A. Popov ukázal první rádiový přijímač na světě v provozu. Ale celkově jde také o bezdrátový přenos energie.

Většina hlavní otázka a přitom problém celé technologie bezdrátového nabíjení a podobných metod spočívá ve dvou bodech:

• jak daleko lze tímto způsobem přenést elektřinu

• a kolik

Pro začátek si pojďme zjistit, jaký výkon mají zařízení a Spotřebiče ti kolem nás. Například telefon, chytré hodinky nebo tablet vyžadují maximálně 10-12W.

Notebook má více požadavků - 60-80W. To lze přirovnat k průměrné žárovce. Ale domácí spotřebiče, zejména kuchyňské spotřebiče, již spotřebují několik tisíc wattů.

Proto je velmi důležité nešetřit na počtu zásuvek v kuchyni.

Jaké jsou tedy způsoby a způsoby přenosu elektrické energie bez použití kabelů či jakýchkoliv jiných vodičů, na které lidstvo za ta léta přišlo. A hlavně, proč ještě nebyly zavedeny do našich životů tak aktivně, jak bychom si přáli.

Vezměte stejné kuchyňské spotřebiče. Pojďme to pochopit podrobněji.

Přenos výkonu přes cívky

Nejjednodušeji implementovaným způsobem je použití induktorů.

Zde je princip velmi jednoduchý. Vezmou se 2 cívky a umístí je blízko sebe. Jedním z nich je catering. Druhý hraje roli přijímače.

Při úpravě nebo změně proudu v napájecím zdroji se automaticky změní i magnetický tok na druhé cívce. Jak říkají fyzikální zákony, v tomto případě vznikne EMF a bude přímo záviset na rychlosti změny tohoto toku.

Zdálo by se, že vše je jednoduché. Ale nedostatky kazí celý růžový obraz. Tři nevýhody:

• malá síla

Tímto způsobem nepřenesete velké objemy a nebudete moci připojit výkonná zařízení. A pokud se o to pokusíte, roztavte všechna vinutí.

• krátká vzdálenost

O přenosu elektřiny na desítky či stovky metrů zde ani neuvažujte. Tato metoda má omezený účinek.

Chcete-li fyzicky pochopit, jak špatné věci jsou, vezměte dva magnety a zjistěte, jak daleko je třeba je oddělit, aby se přestaly přitahovat nebo odpuzovat. To je u cívek přibližně stejná účinnost.

Samozřejmě můžete vymyslet a zajistit, aby tyto dva prvky byly vždy blízko sebe. Například elektromobil a speciální dobíjecí silnice.

Kolik ale bude stavba takových dálnic stát?

• nízká účinnost

Dalším problémem je nízká účinnost. Nepřesahuje 40 %. Ukazuje se, že tímto způsobem nebudete moci přenést mnoho elektřiny na velké vzdálenosti.

Tentýž N. Tesla na to již v roce 1899 upozornil. Později přešel k experimentům s atmosférickou elektřinou a doufal, že v ní najde vodítko a řešení problému.

Ať se však všechny tyto věci zdají jakkoli zbytečné, stále je lze použít k uspořádání krásných světelných a hudebních vystoupení.

Nebo dobíjejte zařízení mnohem větší než telefony. Například elektrokola.

Přenos energie laserem

Jak ale přenést více energie na větší vzdálenost? Vzpomeňte si na filmy, ve kterých tuto technologii vidíme velmi často.

První, co se i školákovi vybaví, jsou Hvězdné války, lasery a světelné meče.

Samozřejmě je lze použít k předávání velký počet elektřiny na velmi slušné vzdálenosti. Vše ale opět zkazí malý problém.

Naštěstí pro nás, ale bohužel pro laser, má Země atmosféru. A jen dobře tlumí a sežere většinu veškeré energie laserového záření. Proto se s touto technologií musíte vydat do vesmíru.

Na Zemi také probíhaly pokusy a experimenty otestovat výkon metody. NASA dokonce pořádala soutěže o laserovém bezdrátovém přenosu energie s cenovým fondem těsně pod 1 milion dolarů.

Nakonec zvítězil Laser Motive. Jejich vítězným výsledkem je 1 km a 0,5 kW přenášeného trvalého výkonu. Pravda, v procesu přenosu vědci ztratili 90 % veškeré původní energie.

Ale přesto i při účinnosti deseti procent byl výsledek považován za úspěšný.

Připomeňme, že jednoduchá žárovka má užitečnou energii, která jde přímo do světla, a ještě méně. Proto je výhodné vyrobit z nich infrazářiče.

Mikrovlnná trouba

Opravdu neexistuje žádný jiný skutečně fungující způsob přenosu elektřiny bez drátů? Existuje a byl vynalezen před pokusy a dětskými hrami ve hvězdných válkách.

Ukazuje se, že speciální mikrovlny o délce 12 cm (frekvence 2,45 GHz) jsou pro atmosféru jakoby průhledné a neruší to jejich šíření.

Bez ohledu na to, jak špatné je počasí, při vysílání pomocí mikrovln ztratíte pouhých pět procent! K tomu ale musíte nejprve přeměnit elektrický proud na mikrovlny, poté je zachytit a vrátit do původního stavu.

První problém vědci vyřešili již velmi dávno. Vynalezli k tomu speciální zařízení a nazvali ho magnetron.

Navíc to bylo provedeno tak profesionálně a bezpečně, že dnes má takové zařízení každý z vás doma. Jděte do kuchyně a podívejte se na vaši mikrovlnku.

Ta má uvnitř stejný magnetron s účinností 95 %.

Ale tady je návod, jak provést obrácenou transformaci? A zde byly vyvinuty dva přístupy:

• americký

• sovětský

Ještě v šedesátých letech vynalezl vědec W. Brown v USA anténu, která požadovaný úkol splnila. To znamená, že přeměnil záření, které na něj dopadlo, zpět na elektrický proud.

Dokonce jí dal své jméno – rectenna.

Po vynálezu následovaly experimenty. A v roce 1975 bylo pomocí rectenny přenášeno a přijímáno až 30 kW výkonu na vzdálenost větší než jeden kilometr. Přenosová ztráta byla pouze 18 %.

Téměř o půl století později tuto zkušenost zatím nikdo nedokázal překonat. Zdálo by se, že metoda byla nalezena, tak proč nebyly tyto rektény vypuštěny do mas?

A zde se opět objevují nedostatky. Rektény byly sestaveny na bázi miniaturních polovodičů. normální operace pro ně je to přenos pouze několika wattů výkonu.

A pokud chcete přenášet desítky či stovky kilowattů, pak se připravte na montáž obřích panelů.

A právě zde se objevují neřešitelné potíže. Za prvé je to reemise.

Nejen, že kvůli tomu ztratíte část své energie, ale nebudete se moci přiblížit k panelům, aniž byste ztratili své zdraví.

Druhou bolestí hlavy je nestabilita polovodičů v panelech. Stačí vypálit jeden kvůli malému přetížení a zbytek selže jako lavina, jako sirky.

V SSSR to bylo poněkud jiné. Ne nadarmo si naše armáda byla jistá, že i při jaderném výbuchu okamžitě selže veškerá cizí technika, ale ta sovětská nikoliv. Celé tajemství je v lampách.

Na Moskevské státní univerzitě dva naši vědci, V. Savin a V. Vanke, zkonstruovali takzvaný cyklotronový měnič energie. Má slušnou velikost, jelikož je sestaven na bázi lampové technologie.

Navenek je to něco jako trubka 40 cm dlouhá a 15 cm v průměru. Účinnost této lampy je o něco nižší než u americké polovodičové věci - až 85%.

Ale na rozdíl od polovodičových detektorů má cyklotronový měnič energie řadu významných výhod:

• spolehlivost

• velkou moc

• odolnost proti přetížení

• žádná reemise

• nízké výrobní náklady

Navzdory všemu výše uvedenému jsou však na celém světě právě polovodičové metody pro realizaci projektů považovány za pokročilé. Je zde i prvek módy.

Poté, co se poprvé objevily polovodiče, všichni začali náhle opouštět elektronkovou technologii. Praktické zkušenosti však naznačují, že je to často nesprávný přístup.

Samozřejmě lampa Mobily 20kg každý nebo počítače zabírající celé místnosti nikoho nezajímají.

Ale někdy nám v beznadějných situacích mohou pomoci jen osvědčené staré metody.

Výsledkem je, že dnes máme tři možnosti přenosu energie bez drátů. První z uvažovaných je omezen jak vzdáleností, tak silou.

Na nabití baterie smartphonu, tabletu nebo něčeho většího to ale docela stačí. I když je účinnost malá, metoda stále funguje.

Ten první začal velmi slibně. V roce 2000 bylo na ostrově Réunion potřeba neustálého přenosu 10 kW výkonu na vzdálenost 1 km.

Hornatý reliéf a místní vegetace žádnou pokládku neumožňovaly letecké linky elektrické vedení nebo kabel.

Všechny přesuny na ostrově až do tohoto bodu byly prováděny výhradně vrtulníky.

Chcete-li vyřešit problém, nejlepší mysli z rozdílné země. Včetně těch, které již byly v článku zmíněny, naši vědci z Moskevské státní univerzity V. Vanke a V. Savin.

Ve chvíli, kdy měli zahájit praktickou realizaci a stavbu energetických vysílačů a přijímačů, však byl projekt zmrazen a zastaven. A s nástupem krize v roce 2008 od toho úplně upustili.

Ve skutečnosti je to velké zklamání, protože teoretická práce, která se tam dělala, byla kolosální a hodná implementace.

Druhý projekt vypadá šíleněji než ten první. Jsou na to však vyčleněny skutečné prostředky. Samotnou myšlenku vyslovil již v roce 1968 fyzik z USA P. Glaser.

Navrhl v té době ne zcela normální nápad - přivést k geostacionární oběžná dráha obrovský satelit 36 ​​000 km nad zemí. Na něj umístěte solární panely, které budou sbírat volnou energii ze slunce.

Poté by se to vše mělo přeměnit na paprsek mikrovlnných vln a přenést na zem.

Jakási "hvězda smrti" v naší pozemské realitě.

Na zemi musí být paprsek zachycen obřími anténami a přeměněn na elektřinu.

Jak velké musí být tyto antény? Představte si, že pokud má satelit průměr 1 km, tak na zemi by měl být přijímač 5x větší - 5 km (velikost Garden Ring).

Ale velikost je jen malá část problému. Po všech výpočtech se ukázalo, že takový satelit by vyráběl elektřinu o kapacitě 5 GW. Po dosažení země by zůstaly pouze 2 GW. Například elektrárna Krasnojarsk poskytuje 6 GW.

Proto byl jeho nápad zvážen, spočítán a odložen, protože vše zpočátku stálo na ceně. Náklady na vesmírný projekt se v té době vyšplhaly přes 1 bilion dolarů.

Věda ale naštěstí nestojí na místě. Technologie jsou stále lepší a levnější. Několik zemí již takovou solární vesmírnou stanici vyvíjí. Přestože na začátku dvacátého století stačil k bezdrátovému přenosu elektřiny pouze jeden geniální člověk.

Celkové náklady projektu klesly z původních na 25 miliard dolarů. Otázkou zůstává – dočkáme se v blízké budoucnosti jeho realizace?

Bohužel vám nikdo nedá jasnou odpověď. Sázky se uzavírají až na druhou polovinu tohoto století. Spokojme se proto zatím s bezdrátovými nabíječkami pro smartphony a doufejme, že se vědcům podaří zvýšit jejich efektivitu. No, nebo nakonec se na Zemi zrodí druhý Nikola Tesla.

Když se objevil, střídavý elektrický proud vypadal fantasticky. Jeho vynálezce, geniální fyzik Nikola Tesla, se na přelomu 19. a 20. století zabýval problémem bezdrátového přenosu elektřiny na velké vzdálenosti. Doposud nebyl tento problém zcela vyřešen, ale dosažené výsledky jsou povzbudivé.

Ultrazvuk pro přenos energie

Jakákoli vlna nese energii, včetně vysokofrekvenčních zvukových vln. Existují tři přístupy k bezdrátovému přenosu elektřiny:

• přenos elektrická energie prostřednictvím přeměny na jiný druh energie ve zdroji a zpětné přeměny na elektřinu v přijímací zařízení;
• vytvoření a využití alternativních vodičů elektřiny (plazmové kanály, sloupce ionizovaného vzduchu atd.);
• využití vodivých vlastností zemské litosféry.

Metoda aplikace ultrazvuku patří k prvnímu přístupu. Ve speciálním typu zdroje ultrazvuku se při použití energie vytváří směrovaný paprsek zvukové vlny vysoká frekvence. Při dopadu na přijímač se energie zvukových vln přemění na elektrický proud.

Maximální přenosová vzdálenost elektřiny bez drátů je 10 metrů. Výsledek získali v roce 2011 zástupci Pensylvánské univerzity během prezentace na výstavě „The All Things Digital“. Tato metoda není považována za perspektivní kvůli několika jejím nedostatkům: nízká účinnost, nízké výsledné napětí a omezení síly ultrazvukového záření hygienickými normami.

Aplikace elektromagnetické indukce

Přestože si to většina lidí ani neuvědomuje, tato metoda se používá již velmi dlouho, téměř od samého počátku používání střídavého proudu. Nejběžnější střídavý transformátor je nejjednodušší zařízení pro bezdrátový přenos energie, pouze přenosová vzdálenost je velmi krátká.

Primární a sekundární vinutí transformátoru nejsou zapojeny v jednom obvodu a při protékání střídavého proudu v primárním vinutí vzniká v sekundárním elektrický proud. K přenosu energie v tomto případě dochází prostřednictvím elektromagnetického pole. Proto tento způsob bezdrátového přenosu elektřiny využívá přeměnu energie z jedné formy na druhou.

Řada zařízení založených na této metodě již byla vyvinuta a úspěšně se používají v každodenním životě. Toto a bezdrátové nabíječky pro mobilní telefony a další pomůcky a domácí elektrické spotřebiče s nízkou spotřebou energie během provozu ( kompaktní fotoaparáty video dohled, všechny druhy senzorů a dokonce i televizory s LCD obrazovkami).

Mnoho odborníků tvrdí, že elektrická doprava budoucnosti bude používat bezdrátové technologie nabíjení baterií nebo výroba elektřiny pro pohyb. V komunikacích budou osazeny indukční cívky (analogy primárního vinutí transformátoru). Vytvoří střídavé elektromagnetické pole, které při průjezdu vozidla způsobí, že ve vestavěné přijímací cívce protéká elektrický proud. První experimenty již byly provedeny a získané výsledky vyvolávají zdrženlivý optimismus.

Mezi výhody této metody lze poznamenat:

• vysoká účinnost pro malé vzdálenosti(řádově několik metrů);
• jednoduchost designu a zvládnutá technologie aplikace;
• relativní bezpečnost pro lidské zdraví.

Nevýhoda metody - malá vzdálenost, na kterou je přenos energie účinný - výrazně snižuje rozsah bezdrátové elektřiny založené na elektromagnetické indukci.

Použití různých mikrovln

Tato metoda je také založena na konverzi odlišné typy energie. Elektromagnetické vlny ultravysoké frekvence slouží jako nosič energie. Tuto metodu poprvé popsal a prakticky implementoval ve své instalaci japonský fyzik a radiotechnik Hidetsugu Yagi ve dvacátých letech minulého století. Frekvence rádiových vln pro přenos elektřiny bez drátů je v rozsahu od 2,4 do 5,8 GHz. Již vyzkoušeno a přijato pozitivní recenze experimentální nastavení, které současně distribuuje Wi-Fi a napájí nízkoenergetické domácí elektrické spotřebiče.

Laserový paprsek je také elektromagnetické záření, ale s zvláštní majetek- soudržnost. Snižuje energetické ztráty při přenosu a tím zvyšuje účinnost. Z výhod lze poznamenat následující:

• možnost přenosu na velké vzdálenosti (desítky kilometrů v zemské atmosféře);
• pohodlí a snadná instalace pro zařízení s nízkou spotřebou energie;
• přítomnost vizuální kontroly procesu přenosu - laserový paprsek je viditelný pouhým okem.

Laserová metoda má i nevýhody, a to: relativně nízkou účinnost (45–50 %), energetické ztráty vlivem atmosférických jevů (déšť, mlha, mračna prachu) a nutnost najít vysílač a přijímač v zorném poli.

Intenzita sluneční světlo mimo zemskou atmosféru je několik desítekkrát vyšší než na povrchu Země. V budoucnu se proto podle futurologů budou solární elektrárny nacházet na blízké oběžné dráze Země. A přenos akumulované elektřiny bude podle jejich názoru prováděn bez vodičů s proudem. Bude vyvinuta a aplikována přenosová metoda, která kopíruje výboje blesku, plánuje se vyrábět ionizaci vzduchu tak či onak. A první experimenty v tomto směru již byly provedeny. Tato metoda je založena na vytvoření alternativních bezdrátových vodičů elektrického proudu.

Získané tímto způsobem z oběžné dráhy Země bezdrátová elektřina je impulzivní. Pro jeho praktickou aplikaci jsou tedy potřeba výkonné a levné kondenzátory a také bude nutné vyvinout způsob jejich postupného vybíjení.

Nejúčinnější metoda

Planeta Země je obrovský kondenzátor. Litosféra vede převážně elektřinu, s výjimkou jejích malých oblastí. Existuje teorie, že bezdrátový přenos energie lze provádět přes zemskou kůru. Podstata je toto: zdroj proudu je ve spolehlivém kontaktu se zemským povrchem, ze zdroje proudí střídavý proud o určité frekvenci do kůry a šíří se všemi směry, v zemi jsou v určitých rozestupech umístěny přijímače elektrického proudu, odkud je přenášen ke spotřebitelům.

Podstatou teorie je přijmout a využít proud pouze jedné dané frekvence. Stejně jako se v rádiovém přijímači ladí frekvence přijímaných rádiových vln, tak se v takových elektrických přijímačích upraví frekvence přijímaného proudu. Teoreticky bude touto metodou možné přenášet elektřinu na velmi dlouhé vzdálenosti, pokud je frekvence střídavého proudu nízká, řádově několik Hz.

Perspektivy bezdrátového přenosu elektřiny

V blízké budoucnosti se očekává masivní zavedení PoWiFi systému do každodenního života, tvořeného routery s funkcí přenosu elektřiny na několik desítek metrů a domácí přístroje které jsou poháněny příjmem elektřiny z rádiových vln. Takový systém v tento moment je aktivně testován a připravuje se na široké použití. Podrobnosti nebyly zveřejněny, ale podle dostupných informací je „vrcholem“ použití synchronizace elektromagnetických polí zdroje a přijímače bezdrátové elektřiny.

Ve velmi vzdálené budoucnosti se zvažuje varianta opustit využívání tradičních elektráren v celosvětovém měřítku - solární stanice budou využívány na nízké oběžné dráze Země které přeměňují sluneční energii na elektrickou energii. Elektřina bude pravděpodobně přenášena na povrch planety prostřednictvím ionizovaného vzduchu nebo plazmových kanálů. A na samotném zemském povrchu zmizí klasické elektrické vedení, jejich místo zaujmou kompaktnější a efektivnější systémy pro přenos elektřiny litosférou.

Základy bezdrátového nabíjení

Wireless Power Transmission (WPT) nám dává šanci zbavit se tyranie napájecích kabelů. Tato technologie nyní prostupuje všemi druhy zařízení a systémů. Pojďme se na ni podívat!

Bezdrátový způsob

Většina moderních obytných a komerčních budov je napájena střídavým proudem. Elektrárny vyrábějí střídavou elektřinu, která je dodávána do domácností a kanceláří pomocí vysokonapěťových přenosových vedení a snižovacích transformátorů.

Elektřina vstupuje do rozvaděče a poté elektroinstalace dodává elektřinu do zařízení a zařízení, které používáme každý den: světla, kuchyňské spotřebiče, nabíječky a tak dále.

Všechny komponenty jsou standardizované. Jakékoli zařízení určené pro standardní proud a napětí bude fungovat z jakékoli zásuvky v celé zemi. Ačkoli se normy v jednotlivých zemích liší, jakékoli zařízení v daném elektrickém systému bude fungovat, pokud bude splňovat normy pro daný systém.

Kabel sem, kabel tam... Většina našich elektrických zařízení má AC napájecí kabel.

Technologie bezdrátového přenosu energie

Bezdrátový přenos energie (WPT) umožňuje přivádět energii vzduchovou mezerou bez potřeby elektrických vodičů. Bezdrátový přenos energie může poskytnout střídavý proud kompatibilním bateriím nebo zařízením bez fyzických konektorů nebo vodičů. Bezdrátový přenos elektrické energie dokáže nabíjet mobilní telefony a tabletové počítače, bezpilotní prostředky, automobily a další dopravní zařízení. Mohlo by to dokonce umožnit bezdrátový přenos elektřiny generované v prostoru solární panely.

Bezdrátový přenos elektrické energie zahájil svůj rychlý rozvoj v oboru spotřební elektronika, výměna kabelových nabíječek. CES 2017 představí mnoho zařízení využívajících bezdrátový přenos energie.

Koncept bezdrátového přenosu elektrické energie však vznikl kolem 90. let 19. století. Nikola Tesla ve své laboratoři v Colorado Springs dokázal bezdrátově rozsvítit žárovku pomocí elektrodynamické indukce (používá se v rezonančním transformátoru).

Byly rozsvíceny tři žárovky umístěné 60 stop (18 metrů) od zdroje energie a demonstrace byla zdokumentována. Tesla měl velké plány, doufal, že jeho věž Wardenclyffe nacházející se na Long Islandu bude bezdrátově přenášet elektrickou energii přes Atlantský oceán. To se nikdy nestalo kvůli různým problémům, včetně financování a načasování.

Bezdrátový přenos elektrické energie využívá pole vytvořená nabitými částicemi k přenosu energie vzduchovou mezerou mezi vysílači a přijímači. Vzduchová mezera je zkratována přeměnou elektrické energie na formu, kterou lze přenášet vzduchem. Elektrická energie je přeměněna na střídavé pole, přenášeno vzduchem a poté přeměněno přijímačem na využitelný elektrický proud. V závislosti na výkonu a vzdálenosti může být elektrická energie efektivně přenášena prostřednictvím elektrického pole, magnetického pole nebo elektromagnetických vln, jako jsou rádiové vlny, mikrovlnné záření nebo dokonce světlo.

V následující tabulce jsou uvedeny různé technologie pro bezdrátový přenos elektrické energie a také formy přenosu energie.

Qi nabíjení, otevřený standard pro bezdrátové nabíjení

Zatímco některé ze společností slibujících bezdrátový přenos energie na svých produktech stále pracují, standard nabíjení Qi (vyslovovaný „qi“) již existuje a zařízení, která jej využívají, jsou již dostupná. Wireless Power Consortium (WPC), založené v roce 2008, vyvinulo standard Qi pro nabíjení baterií. Tento standard podporuje jak indukční, tak rezonanční technologie nabíjení.

Při indukčním nabíjení se elektrická energie přenáší mezi induktory ve vysílači a přijímači umístěné v těsné blízkosti. Indukční systémy vyžadují, aby induktory byly v těsné blízkosti a byly vzájemně zarovnány; zařízení jsou obvykle v přímém kontaktu s nabíjecí podložkou. Rezonanční nabíjení nevyžaduje pečlivé vyrovnání a nabíječky dokážou detekovat a nabíjet zařízení až na vzdálenost 45 mm; tak lze rezonanční nabíječky zabudovat do nábytku nebo umístit mezi police.

Přítomnost loga Qi znamená, že zařízení je registrováno a certifikováno konsorciem WPC Wireless Electromagnetic Energy Consortium.

Na začátku Qi mělo nabíjení malý výkon, asi 5 wattů. První smartphony využívající nabíjení Qi se objevily v roce 2011. V roce 2015 se nabíjecí výkon Qi zvýšil na 15W, což umožňuje rychlé nabíjení zařízení.

Následující obrázek od Texas Instruments ukazuje, co pokrývá standard Qi.

Pouze zařízení uvedená v registrační databázi Qi mohou zaručit, že budou kompatibilní s Qi. V současné době obsahuje přes 700 produktů. Je důležité pochopit, že produkty nesoucí logo Qi byly testovány a certifikovány; A magnetické pole používané těmito zařízeními nezpůsobí problémy citlivým zařízením, jako jsou mobilní telefony nebo elektronické pasy. Registrovaná zařízení budou zaručeně fungovat s registrovanými nabíječkami.

Fyzika bezdrátového přenosu elektrické energie

Bezdrátový přenos elektrické energie pro domácí spotřebiče je nová technologie, ale principy, na nichž je založen, jsou známy již dlouhou dobu. Tam, kde jde o elektřinu a magnetismus, stále platí Maxwellovy rovnice a vysílače posílají energii do přijímačů stejným způsobem jako v jiných formách bezdrátové komunikace. Bezdrátový přenos elektřiny se však od nich liší hlavním účelem, kterým je přenos samotné energie, a nikoli informace v ní zakódované.

Elektromagnetická pole podílející se na bezdrátovém přenosu elektrické energie mohou být poměrně silná, a proto je třeba brát ohled na bezpečnost člověka. Vystavení elektromagnetickému záření může způsobit problémy a existuje také možnost, že pole generovaná vysílači elektrické energie mohou rušit provoz nositelných nebo implantovaných lékařských zařízení.

Vysílače a přijímače jsou zabudovány do zařízení pro bezdrátový přenos elektrické energie stejně jako baterie, které se jimi budou nabíjet. Skutečná schémata konverze budou záviset na použité technologii. Kromě samotného přenosu výkonu musí systém WPT zajišťovat komunikaci mezi vysílačem a přijímačem. Tím je zajištěno, že přijímač může nabíječce oznámit, že je baterie plně nabitá. Komunikace také umožňuje vysílači detekovat a identifikovat přijímač za účelem úpravy množství energie dodávané do zátěže a také například sledovat teplotu baterie.

Při bezdrátovém přenosu elektrické energie záleží na volbě koncepce buď blízkého pole, nebo vzdáleného pole. Přenosové technologie, množství energie, kterou lze přenést, a požadavky na vzdálenost ovlivňují, zda systém bude využívat záření blízkého pole nebo záření vzdáleného pole.

Body, u kterých je vzdálenost od antény výrazně menší než jedna vlnová délka, jsou v blízkém poli. Energie v blízké zóně je nezářivá a oscilace magnetického a elektrického pole jsou na sobě nezávislé. Kapacitní (elektrická) a indukční (magnetická) vazba může být použita pro přenos energie do přijímače umístěného v blízkém poli vysílače.

Body, u kterých je vzdálenost od antény větší než asi dvě vlnové délky, jsou ve vzdálené zóně (mezi blízkou a vzdálenou zónou je přechodová oblast). Energie ve vzdáleném poli je přenášena ve formě konvenčního elektromagnetického záření. Přenos energie ve vzdáleném poli se také nazývá energetický paprsek. Příklady dálkového přenosu jsou systémy, které používají vysoce výkonné lasery nebo mikrovlny k přenosu energie na velké vzdálenosti.

Kde funguje bezdrátový přenos energie (WPT)?

Všechny technologie WPT jsou v současné době pod aktivním výzkumem, většina z nich se zaměřuje na maximalizaci účinnosti přenosu energie a výzkum technologií pro magnetickou rezonanční vazbu. Nejambicióznější jsou navíc nápady vybavit WPT systémem místností, ve kterých se člověk bude nacházet a přístroje, které nosí, se budou automaticky nabíjet.

Globálně se elektrobusy stávají standardem; existují plány na zavedení bezdrátového nabíjení pro ikonické dvoupatrové autobusy v Londýně podobným způsobem jako autobusové systémy v Jižní Koreji, americkém státě Utah a Německu.

Experimentální systém již byl demonstrován pro bezdrátové napájení drony. A jak již bylo zmíněno dříve, současný výzkum a vývoj se zaměřuje na vyhlídky na uspokojení některých energetických potřeb Země pomocí bezdrátového přenosu energie a solárních panelů umístěných ve vesmíru.

WPT funguje všude!

Závěr

Zatímco Teslaův sen o bezdrátovém přenosu energie k jakémukoli spotřebiteli není ani zdaleka uskutečněn, množství zařízení a systémů právě teď využívá nějakou formu bezdrátového přenosu energie. Od zubních kartáčků po mobilní telefony, od osobních aut až po veřejná doprava Existuje mnoho aplikací pro bezdrátový přenos elektrické energie.