انرژی بی سیم تسلا فناوری جدید انتقال برق بی سیم مانند Wi-Fi عمل می کند

در سال 1891، نیکولا تسلا یک ترانسفورماتور تشدید کننده (ترانسفورماتور تسلا) طراحی کرد که به دست آوردن نوسانات ولتاژ با فرکانس بالا با دامنه تا یک میلیون ولت امکان پذیر است و اولین کسی بود که به اثرات فیزیولوژیکی جریان های فرکانس بالا اشاره کرد. . مشاهده امواج ایستاده در هنگام رعد و برق میدان الکتریکیتسلا را به ایده امکان ایجاد سیستمی برای ارائه برق به مصرف کنندگان انرژی از راه دور از ژنراتور بدون استفاده از سیم کشاند. در ابتدا از سیم پیچ تسلا برای انتقال انرژی به مسافت های طولانیبدون سیم، اما به زودی این ایده در پس زمینه محو شد، زیرا انتقال انرژی از راه دور به این روش تقریبا غیرممکن است، دلیل این امر راندمان پایین سیم پیچ تسلا است.

ترانسفورماتور تسلا یا سیم پیچ تسلا تنها اختراع نیکولا تسلا است که امروزه نام او را یدک می کشد. این یک ترانسفورماتور رزونانس کلاسیک است که ولتاژ بالا را در فرکانس بالا تولید می کند. این دستگاه توسط دانشمند در چندین اندازه و تنوع برای آزمایشات خود استفاده شد. این دستگاه توسط ثبت اختراع شماره 568176 مورخ 22 سپتامبر 1896 به عنوان "دستگاه تولید جریان های الکتریکی با فرکانس و پتانسیل بالا" ادعا شد.

3 نوع کویل تسلا وجود دارد:

SGTC-spark gap سیم پیچ تسلا - سیم پیچ تسلا روی شکاف جرقه.
VTTC-لوله خلاء سیم پیچ تسلا - سیم پیچ تسلا روی یک لوله رادیویی.
سیم پیچ تسلا حالت جامد SSTC - سیم پیچ تسلا روی قطعات پیچیده تر.

شرح طراحی ترانسفورماتور. در شکل اولیه خود، از دو سیم پیچ - اولیه و ثانویه، و همچنین یک تسمه متشکل از یک شکاف جرقه (شکن، نسخه انگلیسی Spark Gap اغلب یافت می شود)، یک خازن و یک ترمینال (به عنوان "خروجی نشان داده شده است. ” در نمودار). برخلاف بسیاری از ترانسفورماتورهای دیگر، هیچ هسته فریمغناطیسی در اینجا وجود ندارد. بنابراین، اندوکتانس متقابل بین دو سیم پیچ بسیار کمتر از ترانسفورماتورهای معمولی با هسته فریمغناطیسی است. این ترانسفورماتور همچنین عملاً هیسترزیس مغناطیسی ندارد، پدیده تاخیر در تغییر القای مغناطیسی نسبت به تغییر جریان و سایر معایب ناشی از وجود فرومغناطیس در میدان ترانسفورماتور. سیم پیچ اولیه همراه با خازن تشکیل می شود مدار نوسانی، که شامل عنصر غیر خطی- برقگیر (شکاف جرقه). برقگیر، در ساده ترین حالت، یک گاز معمولی است. معمولاً از الکترودهای عظیم ساخته می شود.

سیم پیچ ثانویه همچنین یک مدار نوسانی را تشکیل می دهد که در آن جفت خازنی بین حلقه، دستگاه ترمینال، چرخش خود سیم پیچ و سایر عناصر رسانای الکتریکی مدار با زمین نقش خازن را انجام می دهد. دستگاه ترمینال (ترمینال) را می توان به شکل دیسک، پین تیز شده یا کروی ساخت. ترمینال برای تولید جرقه های طولانی و قابل پیش بینی طراحی شده است. هندسه و موقعیت نسبی قطعات ترانسفورماتور تسلا به شدت بر عملکرد آن تأثیر می گذارد، که مشابه مشکل طراحی هر دستگاه ولتاژ بالا و فرکانس بالا است.

دستگاه جالب دیگر ژنراتور Van de Graaff است. این یک ژنراتور است ولتاژ بالا، که اصل عملکرد آن مبتنی بر برق رسانی یک نوار دی الکتریک متحرک است. اولین ژنراتور توسط فیزیکدان آمریکایی رابرت ون دی گراف در سال 1929 ساخته شد و امکان بدست آوردن اختلاف پتانسیل تا 80 کیلو ولت را فراهم کرد. در سال های 1931 و 1933 ژنراتورهای قوی تری ساخته شد که امکان رسیدن به ولتاژ تا 7 میلیون ولت را فراهم می کرد. مدار ژنراتور Van de Graaff:

یک الکترود فلزی توخالی بزرگ به شکل یک گنبد نیمکره ای بر روی یک ستون عایق ولتاژ بالا نصب شده است. انتهای بالایی تسمه نقاله وارد حفره الکترود می شود بارهای الکتریکیکه یک کمربند لاستیکی بی پایان بر اساس پارچه است که روی دو قرقره فلزی کشیده شده و معمولاً با سرعت 20 تا 40 متر بر ثانیه حرکت می کند. قرقره پایینی که روی یک صفحه فلزی نصب شده است توسط یک موتور الکتریکی می چرخد. قرقره بالایی در زیر الکترود گنبد فشار قوی قرار می گیرد و در ولتاژ کامل دستگاه است. سیستم منبع تغذیه منبع یونی و خود منبع نیز در آنجا قرار دارد. انتهای پایین نوار از الکترود عبور می کند که توسط یک منبع ولتاژ بالا معمولی تحت ولتاژ بالا نسبت به زمین تا 100 کیلو ولت پشتیبانی می شود. در نتیجه تخلیه تاج، الکترون های نوار به الکترود منتقل می شوند. بار مثبت تسمه بلند شده توسط نوار نقاله در قسمت بالا توسط الکترون های گنبد جبران می شود که بار مثبت دریافت می کند. حداکثر پتانسیل قابل دستیابی توسط خواص عایق ستون و هوای اطراف آن محدود می شود. هرچه الکترود بزرگتر باشد، پتانسیل بالاتری را می تواند تحمل کند. اگر نصب به صورت هرمتیک مهر و موم شده باشد و فضای داخلی با گاز فشرده خشک پر شود، ابعاد الکترود برای یک پتانسیل معین را می توان کاهش داد. ذرات باردار در یک لوله تخلیه شده که بین الکترود ولتاژ بالا و "زمین" یا بین الکترودها قرار دارد، در صورتی که دو عدد از آنها وجود داشته باشد، شتاب می گیرند. با کمک ژنراتور Van de Graaff می توان پتانسیل بسیار بالایی را به دست آورد که امکان شتاب دادن به الکترون ها، پروتون ها و دوترون ها را به انرژی 10 مگا ولت و ذرات آلفا با بار مضاعف تا 20 مگا ولت را می دهد. انرژی ذرات باردار در خروجی ژنراتور را می توان به راحتی با دقت زیادی کنترل کرد که اندازه گیری دقیق را ممکن می کند. جریان پرتو پروتون در حالت پیوسته 50 μA، و در حالت پالس می تواند تا 5 میلی آمپر افزایش یابد.

چه زمانی شرکت اپلاولین بی سیم خود را معرفی کرد شارژربرای تلفن های همراه و گجت ها، بسیاری آن را یک انقلاب و یک جهش بزرگ در انتقال برق بی سیم می دانستند.

اما آیا آنها پیشگام بودند یا حتی قبل از آنها، آیا کسی موفق به انجام کار مشابهی شد، هرچند بدون بازاریابی و روابط عمومی مناسب؟ به نظر می رسد، علاوه بر این، مدت ها پیش وجود داشته است و بسیاری از مخترعان وجود داشته اند.

بنابراین در سال 1893، نیکولا تسلا معروف درخشش لامپ های فلورسنت را به عموم مردم شگفت زده نشان داد. با وجود اینکه همه آنها بدون سیم بودند.

اکنون هر دانش آموزی می تواند با بیرون رفتن در یک میدان باز و ایستادن با یک لامپ فلورسنت زیر یک خط فشار قوی 220 کیلو ولت و بالاتر، چنین ترفندی را تکرار کند.

کمی بعد، تسلا قبلاً موفق شد یک لامپ رشته ای فسفر را به همان روش بی سیم روشن کند.

در روسیه در سال 1895 A. Popov اولین گیرنده رادیویی جهان را در حال کار نشان داد. اما به طور کلی، این نیز یک انتقال بی سیم انرژی است.

اکثر سوال اصلیو در عین حال مشکل کل فناوری شارژ بی سیم و روش های مشابه در دو نکته نهفته است:

• تا کجا می توان الکتریسیته را از این طریق منتقل کرد

• و چند تا

برای شروع، بیایید بفهمیم که دستگاه ها چقدر قدرت دارند و لوازم خانگیاطرافیان ما به عنوان مثال، یک تلفن، ساعت هوشمند یا تبلت حداکثر به 10-12 وات نیاز دارد.

لپ تاپ درخواست های بیشتری دارد - 60-80 وات. این را می توان با یک لامپ متوسط ​​رشته ای مقایسه کرد. اما لوازم خانگی، به ویژه لوازم آشپزخانه، در حال حاضر چندین هزار وات مصرف می کنند.

بنابراین، بسیار مهم است که در تعداد پریزهای آشپزخانه صرفه جویی نکنید.

پس چه روش‌ها و روش‌هایی برای انتقال انرژی الکتریکی بدون استفاده از کابل یا هر رسانا دیگری وجود دارد که بشر در طول سال‌ها به آن دست یافته است. و مهمتر از همه، چرا آنها هنوز آنطور که ما می خواهیم به طور فعال وارد زندگی ما نشده اند.

همان وسایل آشپزخانه را بردارید. بیایید با جزئیات بیشتر درک کنیم.

انتقال نیرو از طریق سیم پیچ

راحت ترین راه استفاده از سلف است.

در اینجا اصل بسیار ساده است. 2 کلاف گرفته می شود و نزدیک به هم قرار می گیرد. یکی از آنها پذیرایی است. دیگری نقش گیرنده را بازی می کند.

هنگامی که جریان در منبع تغذیه تنظیم یا تغییر می کند، شار مغناطیسی روی سیم پیچ دوم نیز به طور خودکار تغییر می کند. همانطور که قوانین فیزیک می گوید، در این مورد، یک EMF بوجود می آید و مستقیماً به سرعت تغییر این شار بستگی دارد.

به نظر می رسد که همه چیز ساده است. اما نقص ها کل تصویر گلگون را خراب می کنند. سه منفی:

• قدرت کم

به این ترتیب حجم زیادی را انتقال نمی دهید و نمی توانید دستگاه های قدرتمند را به هم متصل کنید. و اگر سعی می کنید این کار را انجام دهید، فقط تمام سیم پیچ ها را ذوب کنید.

• فاصله کوتاه

حتی به انتقال برق به ده ها یا صدها متر اینجا فکر نکنید. این روش اثر محدودی دارد.

برای درک فیزیکی بد بودن چیزها، دو آهن ربا بردارید و بفهمید که چقدر باید از هم جدا شوند تا دیگر جذب یا دفع نشوند. این تقریباً همان راندمان سیم پیچ است.

البته، می توانید تدبیر کنید و اطمینان حاصل کنید که این دو عنصر همیشه به یکدیگر نزدیک هستند. مثلا یک ماشین برقی و یک جاده مخصوص شارژ.

اما هزینه ساخت چنین بزرگراه هایی چقدر خواهد بود؟

• راندمان پایین

مشکل دیگر راندمان پایین است. از 40 درصد تجاوز نمی کند. معلوم می شود که با این روش نمی توانید مقدار زیادی برق را در مسافت های طولانی منتقل کنید.

همان N. Tesla در سال 1899 به این موضوع اشاره کرد. بعداً او به آزمایش‌های مربوط به الکتریسیته جوی روی آورد، به این امید که سرنخی و راه‌حلی برای مشکل در آن بیابد.

با این حال، مهم نیست که همه این موارد چقدر بی فایده به نظر می رسند، باز هم می توان از آنها برای تنظیم نور و اجرای موسیقی زیبا استفاده کرد.

یا تجهیزات بسیار بزرگتر از تلفن ها را شارژ کنید. مثلا دوچرخه های برقی.

انتقال انرژی لیزری

اما چگونه می توان انرژی بیشتری را در مسافت بیشتری انتقال داد؟ به فیلم هایی فکر کنید که ما اغلب در آنها این فناوری را می بینیم.

اولین چیزی که حتی به ذهن یک پسر مدرسه ای می رسد، جنگ ستارگان، لیزر و شمشیرهای نوری است.

البته می توان از آنها برای انتقال استفاده کرد تعداد زیادی ازبرق در فواصل بسیار مناسب اما باز هم یک مشکل کوچک همه چیز را خراب می کند.

خوشبختانه برای ما، اما متاسفانه برای لیزر، زمین جو دارد. و فقط به خوبی مرطوب می شود و بیشتر انرژی تابش لیزر را می خورد. بنابراین با این فناوری باید به فضا بروید.

روی زمین نیز تلاش‌ها و آزمایش‌هایی برای آزمایش عملکرد این روش انجام شد. ناسا حتی میزبان مسابقات انتقال انرژی بی سیم لیزری با جایزه ای کمتر از یک میلیون دلار بود.

در نهایت Laser Motive برنده شد. نتیجه برنده آنها 1 کیلومتر و 0.5 کیلو وات توان انتقالی پیوسته است. درست است، در فرآیند انتقال، دانشمندان 90٪ از کل انرژی اولیه را از دست دادند.

اما باز هم حتی با بازده ده درصدی نتیجه موفق تلقی می شد.

به یاد بیاورید که یک لامپ ساده انرژی مفیدی دارد که مستقیماً به نور می رود و حتی کمتر. بنابراین، ساخت بخاری های مادون قرمز از آنها سودمند است.

مایکروویو

آیا واقعاً هیچ راه واقعی دیگری برای انتقال برق بدون سیم وجود ندارد؟ وجود دارد، و قبل از تلاش ها و بازی های کودکانه در جنگ ستارگان اختراع شد.

به نظر می رسد که امواج مایکروویو ویژه با طول 12 سانتی متر (فرکانس 2.45 گیگاهرتز) به طور معمول نسبت به اتمسفر شفاف هستند و در انتشار آنها اختلالی ایجاد نمی کنند.

مهم نیست که هوا چقدر بد باشد، هنگام ارسال با استفاده از امواج مایکروویو، فقط پنج درصد از دست خواهید داد! اما برای این کار ابتدا باید جریان الکتریکی را به مایکروویو تبدیل کنید سپس آنها را بگیرید و دوباره به حالت اولیه برگردانید.

دانشمندان خیلی وقت پیش اولین مشکل را حل کردند. آنها دستگاه مخصوصی برای این کار اختراع کردند و آن را مگنترون نامیدند.

علاوه بر این، آنقدر حرفه ای و ایمن انجام شد که امروزه هر کدام از شما چنین وسیله ای را در خانه دارید. به آشپزخانه بروید و به مایکروفر خود نگاه کنید.

او همان مگنترون را در داخل با بازده 95٪ دارد.

اما در اینجا نحوه تبدیل معکوس وجود دارد؟ و در اینجا دو رویکرد توسعه یافته است:

• آمریکایی

• شوروی

در دهه شصت دانشمند دبلیو براون یک آنتن را در ایالات متحده اختراع کرد که وظیفه مورد نیاز را انجام داد. یعنی تشعشعاتی را که روی آن می‌افتد دوباره به جریان الکتریکی تبدیل می‌کرد.

او حتی نام خود را به او داد - rectenna.

پس از اختراع، آزمایشاتی دنبال شد. و در سال 1975 با کمک یک رکتنا 30 کیلووات برق در فاصله بیش از یک کیلومتری منتقل و دریافت شد. تلفات انتقال تنها 18٪ بود.

تقریباً نیم قرن بعد، هیچ کس نتوانسته است از این تجربه پیشی بگیرد. به نظر می رسد که روشی پیدا شده است، پس چرا این رکتن ها به توده ها راه اندازی نشدند؟

و در اینجا دوباره کاستی ها نمایان می شود. رکتناها بر اساس نیمه هادی های مینیاتوری مونتاژ شدند. عملکرد عادیبرای آنها، این انتقال تنها چند وات قدرت است.

و اگر می خواهید ده ها یا صدها کیلووات را انتقال دهید، برای مونتاژ پانل های غول پیکر آماده شوید.

و اینجاست که مشکلات لاینحل نمایان می شود. اول، انتشار مجدد است.

نه تنها بخشی از انرژی خود را به دلیل آن از دست خواهید داد، بلکه نمی توانید بدون از دست دادن سلامت خود به پانل ها نزدیک شوید.

سردرد دوم ناپایداری نیمه هادی ها در پانل ها است. کافی است یکی به دلیل اضافه بار کوچک بسوزد و بقیه مانند بهمن مانند کبریت شکست بخورند.

در اتحاد جماهیر شوروی اوضاع تا حدودی متفاوت بود. بیهوده نبود که ارتش ما مطمئن بود حتی با یک انفجار هسته ای، تمام تجهیزات خارجی بلافاصله از بین می رود، اما شوروی این کار را نمی کند. تمام راز در لامپ هاست.

در دانشگاه دولتی مسکو، دو تن از دانشمندان ما، V. Savin و V. Vanke، مبدل انرژی سیکلوترون را طراحی کردند. اندازه مناسبی دارد، زیرا بر اساس فناوری لامپ مونتاژ شده است.

از نظر ظاهری، این چیزی شبیه لوله ای به طول 40 سانتی متر و قطر 15 سانتی متر است. راندمان این واحد لامپ کمی کمتر از چیز نیمه هادی آمریکایی است - تا 85٪.

اما بر خلاف آشکارسازهای نیمه هادی، مبدل انرژی سیکلوترون دارای چندین مزیت قابل توجه است:

• قابلیت اطمینان

• قدرت بزرگ

• مقاومت اضافه بار

• بدون بهبودی

• هزینه ساخت پایین

اما با وجود تمام موارد فوق، در تمام دنیا، روش های نیمه هادی برای اجرای پروژه ها هستند که پیشرفته تلقی می شوند. در اینجا یک عنصر مد نیز وجود دارد.

پس از اولین ظهور نیمه هادی ها، همه به طور ناگهانی شروع به کنار گذاشتن فناوری لوله کردند. اما تجربه عملی نشان می دهد که این رویکرد اغلب اشتباه است.

البته لامپ تلفن های همراههر کدام 20 کیلوگرم یا رایانه‌هایی که کل اتاق‌ها را اشغال کرده‌اند برای کسی جالب نیست.

اما گاهی اوقات فقط روش های قدیمی اثبات شده می توانند در موقعیت های ناامیدکننده به ما کمک کنند.

در نتیجه امروزه سه امکان برای انتقال انرژی بدون سیم داریم. اولین مورد در نظر گرفته شده توسط فاصله و قدرت محدود می شود.

اما این برای شارژ باتری گوشی هوشمند، تبلت یا چیز بزرگتر کافی است. اگرچه راندمان کم است، روش هنوز کار می کند.

اولین مورد بسیار امیدوار کننده شروع شد. در دهه 2000، در جزیره Reunion، نیاز به انتقال ثابت 10 کیلووات نیرو در فاصله 1 کیلومتری وجود داشت.

تسکین کوهستانی و پوشش گیاهی محلی اجازه تخمگذاری را نمی داد خطوط هواییخطوط برق یا کابل.

تمام حرکات جزیره تا این نقطه منحصراً توسط هلیکوپتر انجام می شد.

برای حل مشکل، بهترین ذهن ها از کشورهای مختلف. از جمله کسانی که قبلا در مقاله ذکر شد، دانشمندان ما از دانشگاه دولتی مسکو V. Vanke و V. Savin.

اما در لحظه ای که قرار بود عملیات اجرایی و ساخت فرستنده و گیرنده انرژی را آغاز کنند، پروژه متوقف و متوقف شد. و با شروع بحران در سال 2008، آن را به طور کامل رها کردند.

در واقع، این بسیار ناامیدکننده است، زیرا کار تئوری انجام شده در آنجا عظیم و شایسته اجرا بود.

پروژه دوم دیوانه تر از پروژه اول به نظر می رسد. با این حال، بودجه واقعی برای آن تخصیص داده می شود. این ایده در اوایل سال 1968 توسط یک فیزیکدان از ایالات متحده آمریکا، P. Glazer بیان شد.

او در آن زمان یک ایده کاملاً عادی را پیشنهاد کرد - آوردن به مدار زمین ثابتماهواره ای عظیم در ارتفاع 36000 کیلومتری زمین. روی آن صفحات خورشیدی قرار دهید که انرژی رایگان خورشید را جمع آوری می کنند.

سپس همه اینها باید به پرتو امواج مایکروویو تبدیل شود و به زمین منتقل شود.

نوعی "ستاره مرگ" در واقعیت های زمینی ما.

روی زمین، پرتو باید توسط آنتن های غول پیکر گرفته شود و به برق تبدیل شود.

اندازه این آنتن ها چقدر باید باشد؟ تصور کنید که اگر قطر ماهواره 1 کیلومتر باشد، گیرنده روی زمین باید 5 برابر بزرگتر باشد - 5 کیلومتر (اندازه حلقه باغ).

اما اندازه تنها بخش کوچکی از مشکل است. پس از تمام محاسبات، مشخص شد که چنین ماهواره ای برق با ظرفیت 5 گیگاوات تولید می کند. پس از رسیدن به زمین، تنها 2 گیگاوات باقی می ماند. به عنوان مثال، نیروگاه کراسنویارسک 6 گیگاوات را تامین می کند.

بنابراین، ایده او مورد توجه قرار گرفت، شمارش شد و کنار گذاشته شد، زیرا همه چیز در ابتدا بر روی قیمت بود. هزینه پروژه فضایی در آن روزها بیش از 1 تریلیون دلار افزایش یافت.

اما علم، خوشبختانه، ثابت نمی ماند. تکنولوژی بهتر و ارزان تر می شود. چندین کشور در حال حاضر در حال توسعه چنین ایستگاه فضایی خورشیدی هستند. اگرچه در آغاز قرن بیستم، تنها یک فرد درخشان برای انتقال بی سیم برق کافی بود.

هزینه کل این پروژه از اولیه به 25 میلیارد دلار کاهش یافته است. سوال باقی می ماند - آیا در آینده نزدیک شاهد اجرای آن خواهیم بود؟

متاسفانه هیچ کس نمی تواند به شما پاسخ روشنی بدهد. شرط بندی فقط در نیمه دوم این قرن انجام می شود. بنابراین، فعلاً به شارژرهای بی سیم تلفن های هوشمند بسنده کرده و امیدواریم که دانشمندان بتوانند کارایی آنها را افزایش دهند. خوب، یا در نهایت، دومین نیکولا تسلا روی زمین متولد خواهد شد.

هنگامی که ظاهر شد، جریان الکتریکی متناوب فوق العاده به نظر می رسید. مخترع آن، فیزیکدان برجسته نیکولا تسلا، مشکل انتقال بی سیم الکتریسیته در فواصل طولانی را در اواخر قرن 19 و 20 مطالعه کرد. تاکنون این مشکل به طور کامل حل نشده است، اما نتایج به دست آمده دلگرم کننده است.

سونوگرافی برای انتقال انرژی

هر موجی حامل انرژی است، از جمله امواج صوتی با فرکانس بالا. سه روش برای انتقال بی سیم برق وجود دارد:

• پخش انرژی الکتریکیاز طریق تبدیل به نوع دیگری از انرژی در منبع و تبدیل معکوس به برق در دستگاه دریافت کننده;
• ایجاد و استفاده از هادی های جایگزین برق (کانال های پلاسما، ستون های هوای یونیزه و غیره)؛
• استفاده از خواص رسانایی لیتوسفر زمین

روش استفاده از سونوگرافی متعلق به رویکرد اول است. در نوع خاصی از منبع اولتراسوند، هنگام اعمال قدرت، یک پرتو هدایت شده تولید می شود امواج صوتیفرکانس بالا. هنگامی که آنها به گیرنده برخورد می کنند، انرژی امواج صوتی به جریان الکتریکی تبدیل می شود.

حداکثر فاصله انتقال برق بدون سیم 10 متر است. نتیجه در سال 2011 توسط نمایندگان دانشگاه پنسیلوانیا در طی ارائه ای در نمایشگاه "همه چیزهای دیجیتال" به دست آمد. این روش به دلیل چند مورد از کاستی های آن امیدوارکننده در نظر گرفته نمی شود: راندمان پایین، ولتاژ پایین در نتیجه و محدودیت در قدرت تابش اولتراسوند توسط استانداردهای بهداشتی.

کاربرد القای الکترومغناطیسی

اگرچه اکثر مردم حتی از آن آگاه نیستند، اما این روش برای مدت بسیار طولانی، تقریبا از همان ابتدای استفاده از جریان متناوب، مورد استفاده قرار گرفته است. رایج ترین ترانسفورماتور AC ساده ترین دستگاه انتقال برق بی سیم است، فقط فاصله انتقال بسیار کوتاه است.

سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور در یک مدار به هم متصل نیستند و وقتی جریان متناوب در سیم‌پیچ اولیه جریان می‌یابد، جریان الکتریکی در ثانویه ایجاد می‌شود. انتقال انرژی در این حالت از طریق میدان الکترومغناطیسی صورت می گیرد. بنابراین در این روش انتقال بی سیم برق از تبدیل انرژی از شکلی به شکل دیگر استفاده می شود.

تعدادی از دستگاه های مبتنی بر این روش قبلا توسعه یافته اند و با موفقیت در زندگی روزمره استفاده می شوند. این و شارژرهای بی سیم برای تلفن های همراهو سایر ابزارها و لوازم برقی خانگی با مصرف برق کم در حین کار ( دوربین های کامپکتنظارت تصویری، انواع سنسورها و حتی تلویزیون های دارای صفحه نمایش LCD).

بسیاری از کارشناسان استدلال می کنند که حمل و نقل الکتریکی در آینده استفاده خواهد شد فناوری بی سیمشارژ باتری ها یا تولید برق برای حرکت. سیم پیچ های القایی (آنالوگ سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور) در جاده ها نصب می شوند. آنها یک میدان الکترومغناطیسی متناوب ایجاد می کنند که وقتی وسیله نقلیه از روی آن عبور می کند، باعث می شود جریان الکتریکی در سیم پیچ گیرنده داخلی جریان یابد. اولین آزمایش‌ها قبلاً انجام شده است و نتایج به‌دست‌آمده باعث ایجاد خوش‌بینی محدود می‌شود.

از مزایای این روش می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• راندمان بالا برای مسافت های کوتاه(به ترتیب چند متر)؛
• سادگی طراحی و تسلط بر فناوری برنامه؛
• ایمنی نسبی برای سلامت انسان

نقطه ضعف روش - فاصله کمی که در آن انتقال انرژی موثر است - به طور قابل توجهی دامنه برق بی سیم بر اساس القای الکترومغناطیسی را کاهش می دهد.

استفاده از مایکروویوهای مختلف

این روش نیز بر اساس تبدیل است انواع متفاوتانرژی. امواج الکترومغناطیسی با فرکانس فوق العاده بالا به عنوان حامل انرژی عمل می کنند. این روش برای اولین بار توسط فیزیکدان و مهندس رادیو ژاپنی هیدتسوگو یاگی در دهه بیست قرن گذشته توصیف و عملاً در نصب خود به اجرا درآمد. فرکانس امواج رادیویی برای انتقال برق بدون سیم در محدوده 2.4 تا 5.8 گیگاهرتز است. قبلا تست شده و دریافت شده است بررسی های مثبتیک راه‌اندازی آزمایشی که به طور همزمان Wi-Fi را توزیع می‌کند و وسایل برقی خانگی کم مصرف را تامین می‌کند.

پرتو لیزر نیز تابش الکترومغناطیسی است، اما با دارایی خاص- انسجام باعث کاهش تلفات انرژی در حین انتقال و در نتیجه افزایش راندمان می شود. از مزایا می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• امکان انتقال در فواصل طولانی (دهها کیلومتر در جو زمین)؛
• راحتی و سهولت نصب برای دستگاه های کم مصرف؛
• وجود کنترل بصری فرآیند انتقال - پرتو لیزر با چشم غیر مسلح قابل مشاهده است.

روش لیزر همچنین دارای معایبی است، از جمله: راندمان نسبتا پایین (45-50٪)، تلفات انرژی در اثر پدیده های جوی (باران، مه، ابرهای گرد و غبار) و نیاز به یافتن فرستنده و گیرنده در میدان دید.

شدت نور خورشیدخارج از جو زمین چندین ده برابر بیشتر از سطح زمین است. بنابراین، به گفته آینده شناسان، در آینده نیروگاه های خورشیدی در مدار نزدیک زمین قرار خواهند گرفت. و انتقال برق انباشته به نظر آنها بدون سیم حامل جریان انجام می شود. یک روش انتقال که تخلیه رعد و برق را کپی می کند توسعه و اعمال خواهد شد، برنامه ریزی شده است که به یک روش یونیزاسیون هوا تولید شود. و اولین آزمایش ها در این راستا قبلا انجام شده است. این روش بر اساس ایجاد هادی های بی سیم جایگزین جریان الکتریکی است.

به این ترتیب از مدار زمین به دست آمده است برق بی سیمتکانشی است بنابراین برای کاربرد عملی آن به خازن های قدرتمند و ارزان قیمت نیاز است و همچنین باید روشی برای تخلیه تدریجی آنها ایجاد شود.

کارآمدترین روش

سیاره زمین یک خازن بزرگ است. لیتوسفر عمدتاً الکتریسیته را هدایت می کند، به جز مناطق کوچکی از آن. یک نظریه وجود دارد که انتقال بی سیم انرژی را می توان از طریق پوسته زمین انجام داد. اصل مطلب این است:منبع جریان در تماس قابل اعتماد با سطح زمین است، یک جریان متناوب با فرکانس معین از منبع به داخل پوسته جریان می یابد و در همه جهات پخش می شود، گیرنده های جریان الکتریکی در فواصل معینی در زمین قرار می گیرند که از آنجا به زمین منتقل می شود. مصرف کنندگان

ماهیت نظریه پذیرش و استفاده از جریان تنها یک فرکانس معین است. همانطور که فرکانس دریافت امواج رادیویی در گیرنده رادیویی تنظیم می شود، در چنین گیرنده های الکتریکی نیز فرکانس جریان دریافتی تنظیم می شود. از نظر تئوری، در صورت کم بودن فرکانس جریان متناوب، در حد چند هرتز، با این روش امکان انتقال الکتریسیته در فواصل بسیار طولانی وجود خواهد داشت.

چشم انداز انتقال بی سیم برق

در آینده نزدیک، معرفی گسترده یک سیستم PoWiFi به زندگی روزمره انتظار می رود، متشکل از روترهایی با عملکرد انتقال برق در طول چند ده متر، و لوازم خانگیکه با دریافت برق از امواج رادیویی تغذیه می شوند. چنین سیستمی در این لحظهبه طور فعال در حال آزمایش است و برای استفاده گسترده آماده می شود. جزئیات فاش نشده است، اما بر اساس اطلاعات موجود، "زود" این است که همزمان سازی میدان های الکترومغناطیسی منبع و گیرنده برق بی سیم استفاده می شود.

در آینده ای بسیار دور، گزینه کنار گذاشتن استفاده از نیروگاه های سنتی در مقیاس جهانی در حال بررسی است - ایستگاه های خورشیدی در مدار پایین زمین مورد استفاده قرار خواهند گرفتکه انرژی نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. الکتریسیته احتمالاً از طریق هوای یونیزه شده یا کانال های پلاسما به سطح سیاره منتقل می شود. و در خود سطح زمین، خطوط برق معمولی ناپدید می‌شوند، سیستم‌های فشرده‌تر و کارآمدتر برای انتقال الکتریسیته از طریق لیتوسفر جای آنها را خواهند گرفت.

اصول شارژ بی سیم

انتقال برق بی سیم (WPT) به ما فرصتی می دهد تا از ظلم کابل های برق خلاص شویم. این فناوری اکنون در انواع دستگاه ها و سیستم ها نفوذ کرده است. بیایید نگاهی به او بیندازیم!

راه بی سیم

اکثر ساختمان های مسکونی و تجاری مدرن با برق AC تغذیه می شوند. نیروگاه ها برق جریان متناوب تولید می کنند که با استفاده از خطوط انتقال فشار قوی و ترانسفورماتورهای کاهنده به خانه ها و ادارات تحویل داده می شود.

برق وارد تابلو برق می شود و سپس سیم کشی برق، برق را به تجهیزات و وسایلی که ما هر روز از آن ها استفاده می کنیم می رساند: چراغ ها، لوازم آشپزخانه، شارژرها و غیره.

تمامی قطعات استاندارد شده اند. هر دستگاهی که برای جریان و ولتاژ استاندارد رتبه بندی شده باشد از هر پریز در سراسر کشور کار خواهد کرد. اگرچه استانداردها از کشوری به کشور دیگر متفاوت است، هر دستگاهی در یک سیستم الکتریکی خاص تا زمانی که از استانداردهای آن سیستم پیروی کند، کار خواهد کرد.

کابل اینجا، کابل آنجا... بیشتر ما دستگاه های الکتریکیدارای کابل برق AC

فناوری انتقال برق بی سیم

انتقال برق بی سیم (WPT) اجازه می دهد تا برق از طریق شکاف هوا بدون نیاز به سیم برق اعمال شود. انتقال برق بی‌سیم می‌تواند برق AC را برای باتری‌ها یا دستگاه‌های سازگار بدون اتصالات فیزیکی یا سیم فراهم کند. انتقال بی سیم انرژی الکتریکی می تواند تلفن های همراه و رایانه های لوحی، وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین، خودروها و سایر تجهیزات حمل و نقل. حتی می تواند انتقال بی سیم برق تولید شده از آن را در فضا امکان پذیر کند پنل های خورشیدی.

انتقال بی سیم انرژی الکتریکی توسعه سریع خود را در این زمینه آغاز کرد لوازم الکترونیکی مصرفی، تعویض شارژرهای سیمی نمایشگاه CES 2017 دستگاه های بسیاری را با استفاده از انتقال برق بی سیم به نمایش می گذارد.

با این حال، مفهوم انتقال بی سیم انرژی الکتریکی در حدود دهه 1890 سرچشمه گرفت. نیکولا تسلا در آزمایشگاه خود در کلرادو اسپرینگز می‌توانست با استفاده از القای الکترودینامیکی (که در ترانسفورماتور رزونانس استفاده می‌شود) یک لامپ را به صورت بی‌سیم روشن کند.

سه لامپ روشن شد، در فاصله 60 فوتی (18 متری) از منبع برق قرار گرفت و تظاهرات مستند شد. تسلا برنامه های بزرگی داشت، او امیدوار بود که برج Wardenclyffe او، واقع در لانگ آیلند، انرژی الکتریکی را به صورت بی سیم در سراسر اقیانوس اطلس منتقل کند. این اتفاق به دلیل مشکلات مختلف از جمله بودجه و زمان بندی هرگز رخ نداد.

انتقال بی سیم انرژی الکتریکی از میدان های ایجاد شده توسط ذرات باردار برای انتقال انرژی در یک شکاف هوایی بین فرستنده ها و گیرنده ها استفاده می کند. شکاف هوا با تبدیل انرژی الکتریکی به شکلی که می تواند از طریق هوا منتقل شود، اتصال کوتاه پیدا می کند. انرژی الکتریکی به یک میدان متناوب تبدیل می شود، از طریق هوا منتقل می شود و سپس توسط گیرنده به جریان الکتریکی قابل استفاده تبدیل می شود. بسته به قدرت و مسافت، انرژی الکتریکی می تواند به طور موثر از طریق میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی یا امواج الکترومغناطیسی مانند امواج رادیویی، تشعشعات مایکروویو یا حتی نور منتقل شود.

جدول زیر فن آوری های مختلف برای انتقال بی سیم برق و همچنین اشکال انتقال نیرو را فهرست می کند.

شارژ Qi، یک استاندارد باز برای شارژ بی سیم

در حالی که برخی از شرکت‌هایی که قول انتقال برق بی‌سیم را می‌دهند هنوز روی محصولات خود کار می‌کنند، استاندارد شارژ Qi (تلفظ «چی») از قبل وجود دارد و دستگاه‌هایی که از آن استفاده می‌کنند در حال حاضر در دسترس هستند. کنسرسیوم برق بی سیم (WPC) که در سال 2008 تأسیس شد، استاندارد Qi را برای شارژ باتری ایجاد کرد. این استاندارد از فناوری های شارژ القایی و رزونانسی پشتیبانی می کند.

در شارژ القایی، انرژی الکتریکی بین سلف های فرستنده و گیرنده در فاصله نزدیک منتقل می شود. سیستم‌های القایی نیاز دارند که سلف‌ها در مجاورت و همسو با یکدیگر باشند. دستگاه ها معمولاً در تماس مستقیم با پد شارژ هستند. شارژ رزونانسی نیازی به تراز دقیق ندارد و شارژرها می توانند دستگاهی را تا فاصله 45 میلی متری شناسایی و شارژ کنند. بنابراین شارژرهای رزونانسی را می توان در مبلمان تعبیه کرد یا بین قفسه ها قرار داد.

وجود آرم Qi به این معنی است که دستگاه توسط کنسرسیوم انرژی الکترومغناطیسی بی سیم WPC ثبت و تایید شده است.

در ابتدای Qi، شارژ قدرت کمی داشت، حدود 5 وات. اولین گوشی های هوشمند با استفاده از شارژ Qi در سال 2011 ظاهر شدند. در سال 2015، قدرت شارژ Qi به 15 وات افزایش یافت که امکان شارژ سریع دستگاه ها را فراهم می کند.

شکل زیر از Texas Instruments نشان می دهد که استاندارد Qi چه چیزی را پوشش می دهد.

فقط دستگاه های فهرست شده در پایگاه داده ثبت Qi را می توان تضمین کرد که با Qi سازگار هستند. در حال حاضر شامل بیش از 700 محصول است. درک این نکته مهم است که محصولات دارای آرم Qi تست و تایید شده اند. و میدانهای مغناطیسیاستفاده از این دستگاه ها برای دستگاه های حساس مانند تلفن همراه یا ePasport ها مشکلی ایجاد نمی کند. دستگاه های ثبت شده تضمین می شوند که با شارژرهای ثبت شده کار کنند.

فیزیک انتقال بی سیم انرژی الکتریکی

انتقال بی سیم انرژی الکتریکی برای لوازم خانگی یک فناوری جدید است، اما اصول زیربنای آن برای مدت طولانی شناخته شده است. در جایی که الکتریسیته و مغناطیس درگیر هستند، معادلات ماکسول همچنان حاکم است و فرستنده ها مانند سایر اشکال ارتباط بی سیم، نیرو را به گیرنده ها ارسال می کنند. با این حال، انتقال بی سیم برق با آنها در هدف اصلی که انتقال خود انرژی است، و نه اطلاعات رمزگذاری شده در آن، متفاوت است.

میدان های الکترومغناطیسی درگیر در انتقال بی سیم انرژی الکتریکی می تواند بسیار قوی باشد و بنابراین ایمنی انسان باید در نظر گرفته شود. قرار گرفتن در معرض تشعشعات الکترومغناطیسی می تواند مشکلاتی ایجاد کند و همچنین این احتمال وجود دارد که میدان های تولید شده توسط فرستنده های انرژی الکتریکی در عملکرد دستگاه های پزشکی پوشیدنی یا کاشته شده اختلال ایجاد کند.

فرستنده ها و گیرنده ها در دستگاه هایی برای انتقال بی سیم انرژی الکتریکی مانند باتری هایی که توسط آنها شارژ می شود، تعبیه شده اند. طرح های تبدیل واقعی به فناوری استفاده شده بستگی دارد. علاوه بر خود انتقال نیرو، سیستم WPT باید ارتباط بین فرستنده و گیرنده را فراهم کند. این تضمین می کند که گیرنده می تواند شارژر را از شارژ کامل باتری مطلع کند. ارتباطات همچنین به فرستنده اجازه می دهد تا گیرنده را شناسایی و شناسایی کند تا میزان توان تحویلی به بار را تنظیم کند و همچنین دمای باتری را برای مثال نظارت کند.

در انتقال بی سیم انرژی الکتریکی، انتخاب مفهوم میدان نزدیک یا میدان دور اهمیت دارد. فن‌آوری‌های انتقال، مقدار توانی که می‌تواند منتقل شود، و نیازهای فاصله بر روی اینکه یک سیستم از تابش میدان نزدیک یا تابش میدان دور استفاده می‌کند، تأثیر می‌گذارد.

نقاطی که فاصله آنها از آنتن به طور قابل توجهی کمتر از یک طول موج است در میدان نزدیک هستند. انرژی در ناحیه نزدیک غیر تابشی است و نوسانات میدان مغناطیسی و الکتریکی مستقل از یکدیگر هستند. کوپلینگ خازنی (الکتریکی) و القایی (مغناطیسی) می تواند برای انتقال نیرو به گیرنده ای که در میدان نزدیک فرستنده قرار دارد استفاده شود.

نقاطی که فاصله آنها از آنتن بیشتر از دو طول موج است در ناحیه دور هستند (یک ناحیه گذار بین مناطق دور و نزدیک وجود دارد). انرژی در میدان دور به شکل تابش الکترومغناطیسی معمولی منتقل می شود. به انتقال انرژی در میدان دور پرتو انرژی نیز می گویند. نمونه هایی از انتقال میدان دور، سیستم هایی هستند که از لیزرهای پرقدرت یا امواج مایکروویو برای انتقال انرژی در فواصل طولانی استفاده می کنند.

انتقال برق بی سیم (WPT) کجا کار می کند؟

تمام فناوری‌های WPT در حال حاضر تحت تحقیقات فعال هستند، بیشتر آنها بر به حداکثر رساندن راندمان انتقال توان و تحقیق در مورد فناوری‌های جفت رزونانس مغناطیسی متمرکز شده‌اند. علاوه بر این، بلندپروازانه ترین ایده های تجهیز WPT به سیستم اتاق هایی است که یک فرد در آن قرار می گیرد و دستگاه های پوشیده شده توسط او به طور خودکار شارژ می شوند.

در سطح جهان، اتوبوس های برقی در حال تبدیل شدن به یک هنجار هستند. برنامه‌هایی برای معرفی شارژ بی‌سیم برای اتوبوس‌های دو طبقه نمادین در لندن به روشی مشابه با سیستم‌های اتوبوس در کره جنوبی، ایالت یوتا و آلمان وجود دارد.

یک سیستم آزمایشی قبلاً برای نشان داده شده است منبع تغذیه بی سیمهواپیماهای بدون سرنشین و همانطور که قبلا ذکر شد، تحقیق و توسعه فعلی بر روی چشم انداز تامین برخی از نیازهای انرژی زمین از طریق استفاده از انتقال بی سیم برق و صفحات خورشیدی واقع در فضا متمرکز شده است.

WPT در همه جا کار می کند!

نتیجه

در حالی که رویای تسلا برای انتقال بی‌سیم نیرو به هر مصرف‌کننده‌ای دور از واقعیت است، دستگاه‌ها و سیستم‌های زیادی در حال حاضر از نوعی انتقال برق بی‌سیم استفاده می‌کنند. از مسواک گرفته تا تلفن همراه، از ماشین شخصی تا حمل و نقل عمومی، کاربردهای زیادی برای انتقال بی سیم انرژی الکتریکی وجود دارد.