Metody bezdrátového přenosu elektřiny. Nová technologie bezdrátového přenosu energie funguje jako Wi-Fi

Bezdrátová elektřina je známá od roku 1831, kdy Michael Faraday objevil fenomén elektromagnetické indukce. Experimentálně zjistil, že měnící se magnetické pole generované elektrickým proudem může indukovat elektrický proud v jiném vodiči. Byly provedeny četné experimenty, díky nimž se objevil první elektrický transformátor. Pouze Nikola Tesla však dokázal plně realizovat myšlenku přenosu elektřiny na dálku v praktické aplikaci.

Na světové výstavě v Chicagu v roce 1893 ukázal bezdrátový přenos elektřiny rozsvícením fosforových žárovek, které byly od sebe vzdáleny. Tesla předvedl mnoho variací na přenos elektřiny bez drátů a snil o tom, že v budoucnu tato technologie umožní lidem přenášet energii v atmosféře na velké vzdálenosti. Ale v této době se tento vynález vědce ukázal jako nevyžádaný. Jen o století později se o technologie Nikoly Tesly začaly zajímat Intel a Sony a poté i další společnosti.

Jak to funguje

Bezdrátová elektřina je doslova přenos elektrické energie bez drátů. Často je tato technologie srovnávána s přenosem informací, například s Wi-Fi, mobilními telefony a rádiem. Bezdrátové napájení je relativně nová a dynamicky se rozvíjející technologie. Dnes se vyvíjejí metody, jak bezpečně a efektivně přenášet energii na vzdálenost bez přerušení.

Technologie je založena na magnetismu a elektromagnetismu a je založena na řadě jednoduchých provozních principů. Především se to týká přítomnosti dvou cívek v systému.

Systém se skládá z vysílače a přijímače, které společně generují střídavé magnetické pole s nekonstantním proudem.
Toto pole vytváří napětí v cívce přijímače, například pro nabíjení baterie nebo napájení mobilního zařízení.
Když je elektrický proud veden drátem, kolem kabelu se objeví kruhové magnetické pole.
Na cívce drátu, která není přímo napájena elektrickým proudem, začne proudit elektrický proud z první cívky přes magnetické pole, včetně druhé cívky, čímž vznikne indukční vazba.

Principy přenosu

Donedávna byl za nejpokročilejší technologii přenosu elektřiny považován systém magnetické rezonance CMRS, vytvořený v roce 2007 na Massachusetts Institute of Technology. Tato technologie zajišťovala přenos proudu na vzdálenost až 2,1 metru. Některá omezení však bránila jeho uvedení do sériové výroby, například vysoká přenosová frekvence, velké rozměry, složitá konfigurace cívek a vysoká citlivost na vnější rušení včetně přítomnosti osoby.

Vědci z Jižní Koreje však vytvořili nový vysílač elektřiny, který umožní přenos energie až na 5 metrů. A všechny spotřebiče v místnosti budou napájeny z jediného rozbočovače. Rezonanční systém DCRS dipólových cívek je schopen provozu až do vzdálenosti 5 metrů. Systém postrádá řadu nevýhod CMRS, včetně použití spíše kompaktních cívek o rozměrech 10x20x300 cm, lze je nenápadně instalovat do stěn bytu.

Experiment umožnil vysílat na frekvenci 20 kHz:

209 W na 5 m;
471 W při 4 m;
1403 W na 3m.

Bezdrátová elektřina umožňuje napájet moderní velké LCD televizory, které vyžadují 40 wattů ze vzdálenosti 5 metrů. Jediná věc ze sítě bude "vypumpována" 400 wattů, ale nebudou žádné dráty. Elektromagnetická indukce poskytuje vysokou účinnost, ale na krátkou vzdálenost.

Existují další technologie, které umožňují přenášet elektřinu bez drátů. Nejslibnější z nich jsou:

laserové záření . Poskytuje zabezpečení sítě a také velký dosah. Je však vyžadována přímá viditelnost mezi přijímačem a vysílačem. Již byly vytvořeny pracovní instalace napájené laserovým paprskem. Americký výrobce vojenské techniky a letadel Lockheed Martin otestoval bezpilotní letoun Stalker, který je poháněn laserovým paprskem a ve vzduchu vydrží 48 hodin.
mikrovlnného záření . Poskytuje velký dosah, ale má vysoké náklady na vybavení. Rádiová anténa se používá jako vysílač elektřiny, která vytváří mikrovlnné záření. Na přijímacím zařízení je rectenna, která přeměňuje přijímané mikrovlnné záření na elektrický proud.

Tato technologie umožňuje výrazně odstranit přijímač od vysílače, včetně absence přímé potřeby přímé viditelnosti. Ale s rostoucím dojezdem úměrně rostou náklady a velikost zařízení. Zároveň může být mikrovlnné záření o vysokém výkonu generované instalací škodlivé pro životní prostředí.

Zvláštnosti

Nejrealističtější z technologií je bezdrátová elektřina založená na elektromagnetické indukci. Ale existují omezení. Pracuje se na rozšíření technologie, ale existují zdravotní problémy.
Své místo se budou rozvíjet i technologie pro přenos elektřiny pomocí ultrazvuku, laseru a mikrovlnného záření.
Družice na oběžné dráze s obrovskými solárními poli potřebují jiný přístup, bude to vyžadovat cílený přenos elektřiny. Laser a mikrovlnná trouba jsou zde vhodné. V tuto chvíli neexistuje ideální řešení, ale existuje mnoho možností se svými klady a zápory.
V současnosti se největší výrobci telekomunikačních zařízení spojili v konsorcium bezdrátové elektromagnetické energie s cílem vytvořit celosvětový standard pro bezdrátové nabíječky, které fungují na principu elektromagnetické indukce. Z hlavních výrobců poskytují podporu standardu QI na řadě svých modelů Sony, Samsung, Nokia, Motorola Mobility, LG Electronics, Huawei, HTC. QI se brzy stane jednotným standardem pro všechna taková zařízení. Díky tomu bude možné vytvářet zóny bezdrátového nabíjení pro gadgety v kavárnách, dopravních uzlech a dalších veřejných místech.

aplikace

Mikrovlnný vrtulník. Model vrtulníku měl obdélník a zvedal se do výšky 15 m.
K napájení elektrických zubních kartáčků se používá bezdrátová elektřina. Kartáček má kompletně utěsněné tělo a nemá žádné konektory, což zabraňuje úrazu elektrickým proudem.
Pohánět letadla laserem.
V prodeji se objevily bezdrátové nabíjecí systémy pro mobilní zařízení, které lze používat každý den. Fungují na bázi elektromagnetické indukce.
Univerzální nabíjecí podložka. Umožňují napájet většinu oblíbených modelů chytrých telefonů, které nejsou vybaveny modulem bezdrátového nabíjení, včetně běžných telefonů. Kromě samotné nabíjecí podložky budete muset zakoupit pouzdro na přijímač pro gadget. Ke smartphonu se připojuje přes USB port a nabíjí se přes něj.
V současnosti se na světovém trhu prodává přes 150 zařízení do 5 wattů, která podporují standard QI. V budoucnu se objeví zařízení se středním výkonem do 120 wattů.

vyhlídky

Dnes se pracuje na velkých projektech, které budou využívat bezdrátovou elektřinu. Jedná se o napájení elektrických vozidel „vzduchem“ a domácí elektrické sítě:

Hustá síť autodobíjecích bodů umožní snížit počet baterií a výrazně snížit náklady na elektromobily.
V každé místnosti budou instalovány napájecí zdroje, které budou přenášet elektřinu do audio a video zařízení, gadgetů a domácích spotřebičů vybavených příslušnými adaptéry.

Výhody a nevýhody

Bezdrátová elektřina má následující výhody:

Nejsou potřeba žádné napájecí zdroje.
Úplný nedostatek drátů.
Odstraňte potřebu baterií.
Menší nároky na údržbu.
Obrovské vyhlídky.

Mezi nevýhody patří také:

Nedostatečný rozvoj technologií.
Vzdálenost omezená.
Magnetická pole nejsou pro člověka zcela bezpečná.
Vysoké náklady na vybavení.

Když Apple představil svou první bezdrátovou nabíječku pro mobilní telefony a gadgety, mnozí to považovali za revoluci a obrovský skok kupředu v bezdrátovém dodávání 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.

Nejdůležitější otázka a zároveň problém celé technologie bezdrátového nabíjení a podobných metod spočívá ve dvou bodech:

jak daleko lze tímto způsobem přenést elektřinu

a kolik

Začněme tím, že zjistíme, kolik energie mají zařízení a domácí spotřebiče 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 s jejich pomocí přenesete velké množství 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. Jejich normálním úkolem je přenášet pouze několik wattů energie.

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.

Trubkové mobilní telefony po 20 kg nebo počítače zabírající celé místnosti samozřejmě 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 terén a místní vegetace neumožňovaly položit tam ani nadzemní elektrické vedení, ani kabelové vedení.

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

K vyřešení problému byly nejlepší mozky z různých zemí shromážděny do jednoho týmu. 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 běžný nápad - umístit obrovský satelit na geostacionární dráhu 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.

Ekologie spotřeby. Technologie: Vědci z americké výzkumné laboratoře Disney vyvinuli metodu bezdrátového nabíjení, díky níž nejsou kabely a nabíječky nutné.

Dnešní chytré telefony, tablety, notebooky a další přenosná zařízení mají ohromný výkon a výkon. Ale kromě všech výhod mobilní elektroniky má také nevýhodu - neustálou potřebu dobíjení přes dráty. Navzdory všem novým technologiím baterií tato potřeba snižuje pohodlí zařízení a omezuje jejich pohyb.

Vědci z americké Disney Research Laboratory našli řešení tohoto problému. Vyvinuli metodu bezdrátového nabíjení, díky níž nejsou dráty a nabíječky zbytečné. Navíc jejich metoda umožňuje současně nabíjet nejen gadgety, ale také například domácí spotřebiče a osvětlení.

"Naše inovativní metoda dělá elektrický proud stejně všudypřítomným jako Wi-Fi," říká jeden z ředitelů laboratoře a hlavní vědec Alanson Semple. - Otevírá cestu dalšímu vývoji v oblasti robotiky, dříve limitované kapacitou baterií. Provoz závodu jsme zatím předvedli v malé místnosti, ale navýšení kapacity na velikost skladu nic nebrání.“

Systém bezdrátového přenosu energie byl vyvinut již v 90. letech 19. století slavným vědcem Nikolou Teslou, ale vynález se masově nerozšířil. Dnešní bezdrátové systémy přenosu energie fungují především v extrémně stísněných prostorách.

Metoda, nazývaná kvazistatická dutinová rezonance (QSCR), zahrnuje aplikaci proudu na stěny, podlahu a strop místnosti. Ty zase generují magnetická pole, která působí na přijímač připojený k nabíjenému zařízení obsahující cívku. Takto vyrobená elektřina se přenáší do baterie, která předtím prošla kondenzátory, které vylučují vlivy jiných polí.

Testy ukázaly, že tímto způsobem lze běžnou elektrickou sítí přenést až 1,9 kilowattu výkonu. Tato energie vystačí na současné nabití až 320 smartphonů. Tato technologie navíc podle vědců není drahá a její komerční uvedení lze snadno zařídit.

Testy probíhaly v místnosti o velikosti 5 krát 5 metrů, speciálně vytvořené z hliníkových konstrukcí. Semple zdůraznil, že kovové stěny nemusí být v budoucnu nutné. Bude možné použít vodivé panely nebo speciální nátěr.

Vývojáři ujišťují, že jejich způsob přenosu energie vzduchem neohrožuje lidské zdraví ani žádné jiné živé bytosti. O jejich bezpečnost se starají diskrétní kondenzátory, které fungují jako izolant pro potenciálně nebezpečná elektrická pole. zveřejněno

Vědci se problematikou přenosu elektřiny bez drátů zabývají už třetí století. Problematika v poslední době neztratila na aktuálnosti, ale naopak udělala krok vpřed, což jen těší. Rozhodli jsme se čtenářům stránek podrobně přiblížit, jak se bezdrátový přenos elektřiny na vzdálenosti vyvíjel od počátku až do současnosti a také jaké technologie se již praktikují.

Historie vývoje

Přenos elektřiny na dálku bez drátů se vyvíjí ruku v ruce s pokrokem v oblasti rádiového přenosu, protože princip fungování u těchto jevů je v mnoha ohledech podobný, ne-li stejný. Většina vynálezů je založena na metodě elektromagnetické indukce a také na elektrostatickém poli.

V roce 1820 n.m. Ampere objevil zákon vzájemného ovlivňování proudů, který spočíval v tom, že pokud dvěma těsně umístěnými vodiči teče proud stejným směrem, pak se k sobě přitahují, a pokud jsou v různých směrech, odpuzují se.

M. Faraday v roce 1831 v procesu provádění experimentů zjistil, že proměnné (měnící se velikost a směr v čase) magnetické pole generované tokem elektrického proudu indukuje (indukuje) proudy v blízkých vodičích. Tito. přenos elektřiny bez drátů. Podrobně jsme to rozebrali v dřívějším článku.

No, J. K. Maxwell o 33 let později, v roce 1864, převedl Faradayova experimentální data do matematické formy, Maxwellovy vlastní rovnice jsou v elektrodynamice zásadní. Popisují, jak spolu souvisí elektrický proud a elektromagnetické pole.

Existenci elektromagnetických vln potvrdil v roce 1888 G. Hertz při svých pokusech s vysílačem jisker s přerušovačem na Ruhmkorffově cívce. Tímto způsobem byly produkovány EM vlny s frekvencemi až do poloviny gigahertzu. Stojí za zmínku, že tyto vlny může přijímat několik přijímačů, ale musí být naladěny na rezonanci s vysílačem. Dosah instalace byl v oblasti 3 metrů. Když se ve vysílači objevila jiskra, stejná jiskra se objevila i na přijímačích. Ve skutečnosti jde o první experimenty s přenosem elektřiny bez drátů.

Hluboký výzkum provedl slavný vědec Nikola Tesla. V roce 1891 studoval střídavý proud vysokého napětí a frekvence. V důsledku toho byly vyvozeny následující závěry:

Pro každý konkrétní účel je potřeba upravit instalaci na vhodnou frekvenci a napětí. V tomto případě není vysoká frekvence podmínkou. Nejlepších výsledků bylo dosaženo při frekvenci 15-20 kHz a napětí vysílače 20 kV. Pro získání vysokofrekvenčního proudu a napětí bylo použito oscilační vybíjení kondenzátoru. Je tedy možné přenášet jak elektřinu, tak produkovat světlo.

Vědec ve svých projevech a přednáškách demonstroval záři lamp (vakuových trubic) pod vlivem vysokofrekvenčního elektrostatického pole. Ve skutečnosti Teslovy hlavní závěry byly, že ani v případě použití rezonančních systémů nelze přenést mnoho energie pomocí elektromagnetické vlny.

Paralelně s podobnými studiemi se až do roku 1897 zabývala řada vědců: Jagdish Bose v Indii, Alexander Popov v Rusku a Guglielmo Marconi v Itálii.

Každý z nich přispěl k rozvoji bezdrátového přenosu energie:

J. Bose v roce 1894 zapálil střelný prach, přenášející elektřinu na dálku bez drátů. Udělal to na demonstraci v Kalkatě.
A. Popov 25. dubna (7. května) 1895 pomocí Morseovy abecedy předal první zprávu. V Rusku je tento den, 7. květen, stále Dnem rozhlasu.
V roce 1896 G. Marconi ve Velké Británii také vysílal rádiový signál (Morseova abeceda) na vzdálenost 1,5 km, později 3 km na Salisbury Plain.

Stojí za zmínku, že Teslova díla, ve své době podceňovaná a po staletí ztracená, svými parametry a schopnostmi předčila tvorbu jeho současníků. Ve stejné době, konkrétně v roce 1896, jeho přístroje přenášely signál na velké vzdálenosti (48 km), bohužel se jednalo o malé množství elektřiny.

A v roce 1899 Tesla dospěl k závěru:

Nejednotnost metody indukce se zdá být obrovská ve srovnání s metodou buzení náboje země a vzduchu.

Tyto závěry povedou k dalším výzkumům, v roce 1900 se mu v terénu podařilo napájet lampu z cívky a v roce 1903 byla spuštěna věž Wondercliff na Long Islandu. Skládal se z transformátoru s uzemněným sekundárem a na jeho vrcholu stála měděná kulovitá kopule. S jeho pomocí se ukázalo, že rozsvítí 200 50-wattových lamp. Vysílač se přitom nacházel 40 km od něj. Bohužel tyto studie byly přerušeny, financování bylo přerušeno a volný přenos elektřiny bez drátů nebyl pro podnikatele ekonomicky výhodný. Věž byla zničena v roce 1917.

Dnes

Technologie bezdrátového přenosu energie udělaly velký pokrok, hlavně v oblasti přenosu dat. Tak významného úspěchu dosáhla rádiová komunikace, bezdrátové technologie jako Bluetooth a Wi-fi. Nedošlo k žádným speciálním inovacím, změnily se především frekvence, způsoby šifrování signálu, přešlo se zobrazení signálu z analogové na digitální formu.

Pokud jde o přenos elektřiny bez drátů k napájení elektrických zařízení, stojí za zmínku, že v roce 2007 přenesli vědci z Massachusetts Institute energii přes 2 metry a rozsvítili takto 60wattovou žárovku. Tato technologie se nazývá WiTricity, je založena na elektromagnetické rezonanci přijímače a vysílače. Stojí za zmínku, že přijímač přijímá asi 40-45% elektřiny. Zobecněné schéma zařízení pro přenos energie magnetickým polem je znázorněno na obrázku níže:

Video ukazuje příklad využití této technologie k nabíjení elektromobilu. Základem je, že přijímač je připevněn ke spodní části elektromobilu a vysílač je instalován na podlaze v garáži nebo na jiném místě.

Auto musíte umístit tak, aby byl přijímač nad vysílačem. Zařízení přenáší spoustu elektřiny bez drátů - od 3,6 do 11 kW za hodinu.

Do budoucna společnost uvažuje o zajištění elektřiny touto technologií a domácích spotřebičů i celého bytu jako celku. V roce 2010 Haier představil bezdrátovou televizi, která přijímá energii pomocí podobné technologie a také video signál bez drátů. Podobný vývoj provádějí i další přední společnosti jako Intel a Sony.

V každodenním životě jsou technologie bezdrátového přenosu energie rozšířené například pro nabíjení smartphonu. Princip je podobný - je tam vysílač, tam je přijímač, účinnost je cca 50%, tzn. pro nabíjení proudem 1A spotřebuje vysílač 2A. Vysílač se v těchto sadách obvykle nazývá základna a část, která se připojuje k telefonu, se nazývá přijímač nebo anténa.

Dalším výklenkem je bezdrátový přenos elektřiny pomocí mikrovln nebo laserů. To poskytuje větší rozsah než parametry poskytované magnetickou indukcí. Při mikrovlnné metodě je na přijímacím zařízení instalována rectenna (nelineární anténa pro přeměnu elektromagnetické vlny na stejnosměrný proud) a vysílač směruje své záření tímto směrem. V této verzi bezdrátového přenosu elektřiny není potřeba přímý výhled na předměty. Nevýhodou je, že mikrovlnné záření není bezpečné pro životní prostředí.

Na závěr bych rád poznamenal, že bezdrátový přenos elektřiny je jistě vhodný pro použití v každodenním životě, ale má své klady i zápory. Pokud mluvíme o použití takových technologií k nabíjení gadgetů, pak výhodou je, že nemusíte neustále zasouvat a vytahovat zástrčku z konektoru smartphonu, respektive konektor nezklame. Nevýhodou je nízká účinnost, pokud energetické ztráty nejsou u smartphonu výrazné (několik wattů), tak pro bezdrátové nabíjení elektromobilu je to hodně velký problém. Hlavním cílem vývoje této technologie je zvýšení účinnosti instalace, protože na pozadí široce rozšířeného závodu o úsporu energie je použití technologií s nízkou účinností velmi pochybné.

Související obsah:

Jako( 0 ) Nemám rád( 0 )

Domácí spotřebiče na nehmotný pohon, zbavené elektrických drátů, nejsou poprvé, co vzrušují mysl vynálezců. Ale právě teď přišli odborníci, aby naučili sériové vysavače, stojací lampy, televizory, auta, implantáty, mobilní roboty a notebooky efektivně a bezpečně přijímat proud z bezdrátového zdroje.

Nedávno tým vědců z Massachusetts Institute of Technology (MIT), vedený Marinem Soljačicem, udělal další krok k přeměně bezdrátové technologie elektřiny z laboratorního „zaměření“ na technologii vhodnou pro replikaci. Zcela nečekaně objevili efekt, který umožňuje zvýšit účinnost přenosu. Než však budeme mluvit o novém experimentu, stojí za to udělat odbočku.

V tomto případě je jako nosič energie použito blízké magnetické pole, které osciluje na vysoké frekvenci několika megahertzů. Přenos vyžaduje dvě magnetické cívky naladěné na stejnou rezonanční frekvenci. Vědci přirovnávají přenos energie mezi nimi ke zničení rezonujícího skleněného poháru, když „slyší“ zvuk přesně definované frekvence.

Idealizované (na tomto obrázku) magnetické cívky (žluté), obklopené svými poli (červená a modrá), si navzájem přenášejí energii na vzdálenost D, mnohonásobně větší, než je velikost samotných cívek. To je to, co vědci nazývají rezonanční magnetická vazba (nebo vazba) - Resonant Magnetic Coupling (ilustrace WiTricity).

V důsledku interakce cívek se získá to, co se nazývalo „bezdrátová elektřina“ (WiTricity). Toto slovo je mimochodem ochrannou známkou, která patří stejnojmenné korporaci, kterou založil Soljachich a řada jeho kolegů z MIT. Společnost uvádí, že tento termín se vztahuje pouze na její technologii a produkty na ní založené. Velkým požadavkem je nepoužívat „whitecity“ jako synonymum pro bezdrátový přenos energie obecně.

Vynálezci také žádají, aby se WiTricity nepletlo s přenosem energie prostřednictvím elektromagnetických vln: říkají, že nová metoda je „nezářící“.

A ještě pár důležitých „ne“ naznačených tvůrci. WiTricity není analogem transformátoru s vinutími oddělenými několika metry (ten v tomto případě přestane fungovat). Nejedná se o vylepšený elektrický zubní kartáček: i když jej lze nabíjet bez elektrického kontaktu, stále vyžaduje umístění v „dokovací stanici“, aby se vysílací a přijímací indukční cívky přiblížily k sobě na vzdálenost milimetru. Whitecity není mikrovlnka schopná usmažit živý předmět, protože pulzující magnetické pole působící v systému WiTricity na člověka nepůsobí. Konečně, „Wireless Electricity“ není ani „tajemná a strašná“ Tesla Tower (Wardenclyffe Tower), s níž měl velký vynálezce v úmyslu demonstrovat přenos energie na velkou vzdálenost.

Marin a jeho kolegové provedli své první zkušenosti s bezdrátovým přenosem energie pomocí metody WiTricity do 60wattové žárovky, více než dva metry od zdroje, v roce 2007. Účinnost byla nízká – asi 40 %, ale už tehdy vynálezci poukazovali na hmatatelné plus novinky – bezpečnost.

Pole aplikované v systému je 10 tisíckrát slabší než to, které vládne v jádru skeneru magnetické rezonance. Takže ani živé organismy, ani lékařské implantáty, kardiostimulátory a další citlivá zařízení tohoto druhu, ani spotřební elektronika nemohou pocítit vliv tohoto pole.

Hlavními autory WiTricity jsou Marin Soljacic (vlevo), Aristeidis Karalis a John Joannopoulos. Vpravo: Schematický diagram WiTricity. Cívka vysílače (vlevo) je zapojena do zásuvky. Recepce - napojena na spotřebitele. Magnetické siločáry první cívky (modré) se dokážou ohnout kolem relativně malých vodivých překážek (a vůbec nevnímají dřevo, látku, sklo, beton nebo člověka), úspěšně přenášejí energii (žluté čáry) na přijímací prsten (foto MIT / Donna Coveney, ilustrace WiTricity).

Nyní Soljacic a jeho spolupracovníci zjistili, že účinnost systému WiTricity je ovlivněna nejen velikostí, geometrií a vyladěním cívek a také vzdáleností mezi nimi, ale také počtem spotřebitelů. Paradoxně však na první pohled dvě přijímací zařízení umístěná ve vzdálenosti 1,6 až 2,7 metru po obou stranách vysílací „antény“ vykazovala o 10 % lepší účinnost, než kdyby bylo spojení realizováno pouze mezi jedním zdrojem a spotřebičem, neboť bylo tomu tak v předchozích experimentech.

Zlepšení bylo navíc sledováno bez ohledu na to, jaká byla účinnost pro páry vysílač-přijímač samostatně. Vědci naznačili, že s dalším přidáváním nových spotřebitelů se účinnost ještě zvýší, i když zatím není jasné, o kolik. (Podrobnosti experimentu jsou uvedeny v Applied Physics Letters.)

Vysílací cívka v novém experimentu měla plochu 1 metr čtvereční a přijímací cívky měly každá pouze 0,07 m2. A to je také zajímavé: objemnost „přijímačů“ v předchozích experimentech zpochybnila touhu výrobců technologií dodávat svým zařízením takové systémy – stěží byste chtěli samonabíjecí notebook, jehož blok WiTricity je srovnatelný v velikosti k samotnému počítači.

Vlevo: 1 - speciální obvod převádí obyčejný střídavý proud na vysokofrekvenční, napájí vysílací cívku, která vytváří oscilační magnetické pole. 2 - přijímací cívka ve spotřebitelském zařízení musí být naladěna na stejnou frekvenci. 3 - rezonanční spojení mezi cívkami mění magnetické pole zpět na elektrický proud, který napájí žárovku.
Vpravo: Podle autorů systému může jediná cívka na stropě zásobovat energií všechna zařízení a zařízení v místnosti – od několika lamp a TV až po notebook a DVD přehrávač (ilustrovaný WiTricity).

Ale hlavní je, že efekt zlepšení celkové efektivity při práci s více spotřebiteli znamená zelenou pro Soljachichův modrý sen - dům plný nejrůznějších spotřebičů poháněných neviditelnými "nezářiči" skrytými ve stropech nebo zdech. pokojů.

Nebo snad nejen v pokojích, ale i v garáži? Elektromobil samozřejmě můžete nabíjet běžným způsobem. Krása WiTricity je ale v tom, že nemusíte nikam nic připojovat a dokonce si to pamatujte - teoreticky lze auto samotné naučit po příjezdu do garáže (nebo na firemní parkoviště) poslat „žádost“ systém a napájet baterii z magnetické cívky položené v podlaze.

Mimochodem, v některých experimentech specialisté z WiTricity zvýšili vysílací výkon na tři kilowatty (a začínali jsme, vzpomínám, s 60wattovou žárovkou). Účinnost se liší v závislosti na celém souboru parametrů, nicméně podle korporace může s dostatečně uzavřenými cívkami přesáhnout 95 %.

Není těžké uhodnout, že nadějný způsob přenosu elektřiny několik metrů bez drátů a potřeba namířit nějaký druh „elektrických paprsků“ by měl zajímat širokou škálu společností. Někteří už v tomto směru pracují sami.

Například na základě principů odůvodněných a testovaných Soljacicem a jeho kolegy Intel nyní vyvíjí svou modifikaci rezonančního přenosu výkonu – Wireless Resonant Energy Link (WREL). Již v roce 2008 dosáhla společnost v této oblasti skvělého výsledku, když prokázala „magnetický“ přenos proudu s účinností 75 %.

Jeden z prototypů Intel WREL, který bezdrátově přenáší energii (spolu se zvukovým signálem) z MP3 přehrávače do malého reproduktoru (foto z gizmodo.com).

Vlastní experimenty, reprodukující experimenty fyziků z Massachusettského technologického institutu, nyní připravuje Sony.

Soljacic si však věří, že jeho inovace se mezi produkty ostatních konkurentů neztratí. Byli to ostatně objevitelé technologie, kteří jí ze všeho nejvíce nacpali šišky a jsou připraveni na její hloubkové studium a vylepšení. Řekněme, že nastavení ani dvojice cívek není tak jednoduché, jak se na první pohled zdá. Vědec prováděl experimenty v laboratoři několik let po sobě, než sestrojil systém, který funguje opravdu spolehlivě.

Ukázka LCD obrazovky poháněné prvním prototypem domácí stavebnice WiTricity. Vysílací cívka je na podlaze, přijímací cívka na stole (foto WiTricity).

„Wireless Electricity“ byla podle svých autorů původně koncipována jako OEM produkt. Do budoucna tedy můžeme očekávat výskyt této technologie i v produktech jiných firem.

A zkušební balón směrem k potenciálním spotřebitelům již byl spuštěn. V lednu na veletrhu CES 2010 v Las Vegas čínská společnost Haier ukázala první plně bezdrátový HDTV televizor na světě. Vzduchem se na jeho obrazovku přenášel nejen obrazový signál z přehrávače (k čemuž se oficiálně zrodil standard Wireless Home Digital Interface, který se oficiálně zrodil jen o měsíc dříve), ale také napájení. To poslední zajistila právě technologie WiTricity.

A Soljachichova firma jedná s výrobci nábytku o instalaci cívek do stolů a stěn skříněk. Oznámení prvního sériového produktu od partnera WiTricity se očekává do konce roku 2010.

Obecně odborníci předpovídají, že se na trhu objeví skutečné bestsellery – nové produkty s vestavěným přijímačem WiTricity. A nikdo zatím nemůže s jistotou říci, o jaké věci se bude jednat.

Haier je jedním z největších světových výrobců spotřební elektroniky. Není divu, že jeho inženýři se zajímali o možnost kombinace nejnovějších technologií pro bezdrátový přenos HDTV signálu a bezdrátového napájení a dokonce se jim podařilo jako první ukázat takové zařízení v akci (fotografie engadget.com, gizmodo. com).

Je zvláštní, že historie WiTricity začala před několika lety sérií nešťastných probuzení od Marin. Několikrát během měsíce ho probudil signál vybitého telefonu s žádostí o „jídlo“. Vědec, který včas zapomněl zapojit mobil do zásuvky, se divil: není legrační, že se telefon nachází pár metrů od elektrické sítě, ale není schopen tuto energii přijímat. Po dalším probuzení ve tři ráno si Soljacic pomyslel: bylo by skvělé, kdyby se telefon dokázal postarat o vlastní nabíjení.

Všimněte si, že jsme hned nemluvili o nové verzi „koberečků“ pro nabíjení kapesních zařízení. Takové systémy fungují pouze v případě, že je zařízení umístěno přímo na „podložce“, a to není pro zapomnětlivé lidi o nic lepší než potřeba jednoduše zapojit vodiče do zásuvky. Ne, telefon musel přijímat elektřinu kdekoli v místnosti nebo dokonce v bytě a je jedno, jestli jste ho nechali na stole, pohovce nebo okenním parapetu.

Zde nebyla vhodná obvyklá elektromagnetická indukce, směrované mikrovlnné paprsky a „opatrné“ infračervené lasery. Marin začal hledat další možnosti. Těžko si tehdy mohl myslet, že ho po chvíli pípající a „hladový“ telefon přivede k vytvoření vlastní společnosti a ke vzniku technologie, která by se mohla „dostat na titulky“, a co je důležitější, zaujmout průmyslové partnery.

Dodejme, že výkonný ředitel korporace Eric Giler kdysi mluvil poměrně podrobně o principech, historii a budoucnosti WiTricity.