Зубарев А.А.
Научный руководитель – д.т.н., проф. Фурсанов М.И
Беспроводная передача электричества — способ передачи электрической энергии без
использования токопроводящих элементов в электрической цепи.
Данный способ является идеальной моделью передачи электроэнергии, так как не
придется использовать провода, опоры, трансформаторы и так далее, т.е. все элементы,
которые принято считать аксиомными, и передавать электроэнергию от источника к
потребителю в неограниченных размерах беспрерывно.
Из современных способов беспроводной передачи электричества можно выделить:
Ультразвуковой способ
Ультразвуковой способ передачи энергии изобретён студентами университета
Пенсильвании и впервые широкой публике представлен на выставке «The All Things Digital»
(D9) в 2011 году. Как и в других способах беспроводной передачи чего-либо, использовался
приёмник и передатчик. Передатчик излучал ультразвук; приёмник, в свою очередь,
преобразовывал слышимое в электричество. На момент презентации расстояние передачи
достигало7-10метров, и была необходима прямая видимость приёмника и передатчика.
Передаваемое напряжение достигало 8 вольт; получаемая сила тока не сообщается.
Используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Также нет сведений
и об отрицательном воздействии ультразвуковых частот на животных. [1]
Метод электромагнитной индукции
Электрический трансформатор является простейшим устройством для беспроводной
передачи энергии. Первичная и вторичная обмотки трансформатора прямо не связаны.
Передача энергии осуществляется посредством процесса, известного как взаимная индукция.
Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного
напряжения. Бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических
зубных щёток являются примерами использования принципа электродинамической
индукции. Индукционные плиты также используют этот метод. Основным недостатком
метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия.
Приёмник должен находиться в непосредственной близости к передатчику для того, чтобы
эффективно с ним взаимодействовать.
Использование резонанса несколько увеличивает дальность передачи. При резонансной
индукции передатчик и приёмник настроены на одну частоту. Производительность может
быть улучшена ещё больше путём изменения формы волны управляющего тока от
синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Импульсная передача
энергии происходит в течение нескольких циклов. Таким образом, значительная мощность
может быть передана между двумя взаимно настроенными LC-цепями с относительно
невысоким коэффициентом связи. Передающая и приёмная катушки, как правило,
представляют собой однослойные соленоиды или плоскую спираль с набором
конденсаторов, которые позволяют настроить принимающий элемент на частоту
передатчика.
Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка
аккумуляторных батарей портативных устройств, таких, как портативные компьютеры и
сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили. Техника локализованной
зарядки использует выбор соответствующей передающей катушки в структуре массива
многослойных обмоток. Резонанс используется как в панели беспроводной зарядки
(передающем контуре), так и в модуле приёмника (встроенного в нагрузку) для обеспечения
максимальной эффективности передачи энергии. Такая техника передачи подходит
универсальным беспроводным зарядным панелям для подзарядки портативной электроники,такой, например, как мобильные телефоны. Техника принята в качестве части стандарта
беспроводной зарядки Qi.
Резонансная электродинамическая индукция также используется для питания
устройств, не имеющих аккумуляторных батарей, таких, как RFID-метки и бесконтактные
смарт-карты, а также для передачи электрической энергии от первичного индуктора
винтовому резонатору трансформатора Теслы, также являющемуся беспроводным
передатчиком электрической энергии.
Микроволновое излучение
Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной, значительно
увеличив расстояние эффективной передачи энергии путём уменьшения длины волны
электромагнитного излучения, как правило, до микроволнового диапазона. Для обратного
преобразования микроволновой энергии в электричество может быть использована ректенна,
эффективность преобразования энергии, которой превышает 95 %. Данный способ был
предложен для передачи энергии с орбитальных солнечных электростанций на Землю и
питания космических кораблей, покидающих земную орбиту.
Сложностью в создании энергетического микроволнового луча является то, что для
использования его в космических программах из-за дифракции, ограничивающей
направленность антенны, необходима диафрагма большого размера. Например, согласно
исследованию НАСА 1978 года, для микроволнового луча частотой 2,45 ГГц понадобится
передающая антенна диаметром в 1 км, а приёмной ректенны диаметром в 10 км. Эти
размеры могут быть снижены путём использования более коротких длин волн, однако
короткие волны могут поглощаться атмосферой, а также блокироваться дождём или каплями
воды. Из-за «проклятия узкого пучка» невозможно сузить луч, объединяя пучки от
нескольких меньших спутников без пропорциональной потери в мощности. Для применения
на земле антенна диаметром 10 км позволит достичь значительного уровня мощности при
сохранении низкой плотности пучка, что важно по соображениям безопасности для человека
и окружающей среды. Безопасный для человека уровень плотности мощности составляет 1
мВт/см2, что на площади круга диаметром 10 км соответствует мощности в 750 МВт. Этот
уровень соответствует мощности современных электростанций.
Японский исследователь Хидэцугу Яги исследовал беспроводную передачу энергии с
помощью созданной им направленной антенной решётки. В феврале 1926 года им была
опубликована работа об устройстве, известном сейчас как антенна Яги. Хотя она оказалась
неэффективной для передачи энергии, сегодня её широко используют в радиовещании и
беспроводных телекоммуникациях из-за её превосходных рабочих характеристик.
В 1945 году советский учёный Семён Тетельбаум опубликовал статью, в которой
впервые рассматривал эффективность микроволновой линии для беспроводной передачи
электроэнергии. После Второй мировой войны, когда началось развитие мощных СВЧ-
излучателей, известных под названием магнетрон, идея использования микроволн для
передачи энергии была развита.
В 1964 году был продемонстрирован миниатюрный вертолёт, к которому энергия
передавалась с помощью СВЧ-излучения.
Беспроводная передача энергии высокой мощности с использованием микроволн
подтверждена экспериментально. Опыты по передаче десятков киловатт электроэнергии
проводились в обсерватории Голдстоун (Goldstone, штат Калифорния) в 1975 году и в 1997
году в Гранд Бассине (Grand Bassin) на острове Реюньон. В ходе экспериментов достигнута
передача энергии на расстояние порядка одного километра. [2]
Лазерный метод
Лазерная передача энергии по сравнению с другими методами беспроводной передачи
обладает рядом преимуществ:
передача энергии на большие расстояния (за счёт малой величины угла
расходимости между узкими пучками монохроматической световой волны); удобство применения для небольших изделий (благодаря небольшим размерам
твердотельного лазера — фотоэлектрического полупроводникового диода);
отсутствие радиочастотных помех для существующих средств связи, таких, как
Wi-Fi и сотовые телефоны (лазер не создаёт таких помех);
возможность контроля доступа (получить электроэнергию могут только
приёмники, освещённые лазерным лучом).
У данного метода есть и ряд недостатков:
преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в
высокочастотное, которым является свет, неэффективно. Преобразование света обратно в
электричество также неэффективно, так как КПД фотоэлементов достигает 40-50%, хотя
эффективность преобразования монохроматического света значительно выше, чем
эффективность солнечных панелей;
потери в атмосфере;
необходимость прямой видимости между передатчиком и приёмником (как и при
микроволновой передаче).
Технология передачи мощности с помощью лазера ранее, в основном, исследовалась
при разработке новых систем вооружений и в аэрокосмической промышленности, а в
настоящее время разрабатывается для коммерческой и потребительской электроники в
маломощных устройствах. [2]
Электропроводность
Однопроводная электрическая система SWER (англ.single wire with earth return)
основывается на токе земли и одном изолированном проводе. В аварийных случаях
высоковольтные линии постоянного тока могут работать в режиме SWER. Замена
изолированного провода на атмосферную обратную связь для передачи мощного
высокочастотного переменного тока стала одним из методов беспроводной передачи
электроэнергии. Кроме того, исследовалась возможность беспроводной передачи
электроэнергии только через землю.
Низкочастотный переменный ток может быть передан с низкими потерями по земле,
поскольку общее сопротивление земли значительно меньше, чем 1 Ом. Электрическая
индукция возникает преимущественно из-за электропроводимости океанов, металлических
рудных тел и подобных подземных структур. Электрическая индукция также вызывается
электростатической индукцией диэлектрических областей, таких, как залежи кварцевого
песка и прочих непроводящих минералов.
Никола Тесла обнаружил, что электроэнергия может передаваться и через землю, и
через атмосферу. В ходе своих исследований он добился возгорания лампы на умеренных
расстояниях и зафиксировал передачу электроэнергии на больших дистанциях.
Земля является естественным проводником и образует один проводящий контур.
Обратный контур реализуется через верхние слои тропосферы и нижние слои стратосферы
на высоте около 4,5 миль (7,2 км).
Еще в начале ХХ века Никола Тесла начал разработки по однопроводной передачи
электроэнергии, так как утверждал «необязательно использовать два провода для передачи
электрической энергии, что с таким же успехом можно использовать только один» при
высокочастотной передаче, однако затем он пришел к выводу: «Когда была доказана
возможность передачи энергии посредством одинарного провода без обратного, мне пришло
в голову, что, вероятно, можно обойтись и без того единственного провода, а для
перемещения энергии от передатчика к приемнику можно использовать землю». [3]
Все вышеперечисленные способы являются малоэффективными ввиду низкого КПД.
Однако даже при низком КПД технологии всё равно полезны в некоторых исключительных
ситуациях, где человек не может находиться из-за агрессивности среды,
труднодоступностью и т.д.
