Беспроводная передача энергии ( WPT ), беспроводная передача энергии , беспроводная передача энергии ( WET ) или электромагнитная передача энергии — это передача электрической энергии без проводов в виде физической связи. В системе беспроводной передачи энергии передающее устройство с электрическим питанием генерирует изменяющееся во времени электромагнитное поле , которое передает мощность через пространство на приемное устройство; Приемное устройство извлекает мощность из поля и подает ее на электрическую нагрузку . Технология беспроводной передачи энергии позволяет исключить использование проводов и аккумуляторов, тем самым повышая мобильность, удобство и безопасность электронного устройства для всех пользователей. [2] Беспроводная передача энергии полезна для питания электрических устройств, где соединительные провода неудобны, опасны или невозможны.
Методы беспроводной передачи энергии в основном делятся на две категории: ближнее и дальнее поле . [3] В ближнем поле или безызлучательных методах мощность передается на короткие расстояния с помощью магнитных полей с использованием индуктивной связи между катушками проволоки или с помощью электрических полей с использованием емкостной связи между металлическими электродами . [4] [5] [6] [7] Индуктивная связь является наиболее широко используемой беспроводной технологией; его приложения включают зарядку портативных устройств, таких как телефоны и электрические зубные щетки , RFID- метки, индукционное приготовление пищи , а также беспроводную зарядку или непрерывную беспроводную передачу энергии в имплантируемых медицинских устройствах, таких как искусственные кардиостимуляторы или электромобили .
В методах дальнего поля или радиационных методах, также называемых энергетическим излучением , мощность передается с помощью лучей электромагнитного излучения , таких как микроволны [8] или лазерные лучи. Эти методы могут передавать энергию на большие расстояния, но должны быть направлены на приемник. Предлагаемые приложения для этого типа включают спутники на солнечной энергии и беспилотные летательные аппараты с беспроводным питанием . [9] [10] [11]
Важным вопросом, связанным со всеми беспроводными энергосистемами, является ограничение воздействия на людей и других живых существ потенциально вредных электромагнитных полей . [12] [13]
Беспроводная передача энергии — это общий термин для ряда различных технологий передачи энергии посредством электромагнитных полей . [14] [15] [16] Технологии, перечисленные в таблице ниже, различаются по расстоянию, на которое они могут эффективно передавать мощность, должен ли передатчик быть направлен (направлен) на приемник, а также по типу электромагнитной энергии. они используют: изменяющиеся во времени электрические поля , магнитные поля , радиоволны , микроволны , инфракрасные или видимые световые волны. [17]
В общем, беспроводная энергосистема состоит из устройства-передатчика, подключенного к источнику энергии, например, к линии электропередачи , которая преобразует энергию в изменяющееся во времени электромагнитное поле, и одного или нескольких устройств-приемников, которые принимают энергию. и преобразовать его обратно в постоянный или переменный электрический ток, который используется электрической нагрузкой . [14] [17] В передатчике входная мощность преобразуется в колеблющееся электромагнитное поле с помощью какого-либо типа « антенного » устройства. Слово «антенна» здесь используется широко; это может быть катушка с проводом, генерирующая магнитное поле , металлическая пластина, генерирующая электрическое поле , антенна , излучающая радиоволны, или лазер , генерирующий свет. Аналогичная антенна или устройство связи на приемнике преобразует колеблющиеся поля в электрический ток. Важным параметром, определяющим тип волн, является частота , определяющая длину волны.
Беспроводная энергия использует те же поля и волны, что и устройства беспроводной связи , такие как радио , [18] [19] еще одна знакомая технология, которая включает в себя электрическую энергию, передаваемую без проводов с помощью электромагнитных полей, используемых в мобильных телефонах , радио- и телевещании , а также в Wi-Fi . Целью радиосвязи является передача информации, поэтому мощность, достигающая приемника, не так важна, если она достаточна для разборчивого приема информации. [15] [18] [19] В технологиях беспроводной связи до приемника доходит лишь незначительное количество энергии. Напротив, при беспроводной передаче энергии важно количество полученной энергии, поэтому эффективность ( доля передаваемой энергии, которая принимается) является более важным параметром. [15] По этой причине технологии беспроводной энергетики, вероятно, будут более ограничены расстоянием, чем технологии беспроводной связи.
Беспроводная передача энергии может использоваться для включения беспроводных передатчиков или приемников информации. Этот тип связи известен как беспроводная связь (WPC).Когда собранная мощность используется для питания беспроводных передатчиков информации, сеть называется одновременной беспроводной передачей информации и мощности (SWIPT); [20] тогда как, когда он используется для питания беспроводных приемников информации, он известен как сеть беспроводной связи (WPCN). [21] [22] [23]
Это различные технологии беспроводного питания: [14] [17] [24] [25]
Электрические и магнитные поля создаются заряженными частицами материи, такими как электроны . Неподвижный заряд создает электростатическое поле в пространстве вокруг себя. Постоянный ток зарядов ( постоянный ток , DC) создает вокруг себя статическое магнитное поле . Вышеупомянутые поля содержат энергию , но не могут нести энергию , поскольку они статичны. Однако изменяющиеся во времени поля могут нести энергию. [29] Ускоряющиеся электрические заряды, которые встречаются в переменном токе (AC) электронов в проводе, создают изменяющиеся во времени электрические и магнитные поля в пространстве вокруг них. Эти поля могут оказывать колебательное воздействие на электроны в приемной «антенне», заставляя их двигаться вперед и назад. Они представляют собой переменный ток, который можно использовать для питания нагрузки.
Колеблющиеся электрические и магнитные поля, окружающие движущиеся электрические заряды в антенном устройстве, можно разделить на две области в зависимости от расстояния D от антенны. [14] [17] [18] [24] [30] [31] [32] Граница между регионами определена несколько расплывчато. [17] В этих регионах поля имеют разные характеристики, и для передачи энергии используются разные технологии:
На большом относительном расстоянии ближнепольные компоненты электрических и магнитных полей представляют собой примерно квазистатические осциллирующие дипольные поля. Эти поля уменьшаются пропорционально кубу расстояния: ( D range / D ant ) −3 [32] [42] Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряженности поля, передаваемая мощность уменьшается как ( D range / D ant ) −6 . [18] [34] [43] [44] или 60 дБ за декаду. Другими словами, если расстояние между двумя антеннами находится далеко друг от друга, увеличение расстояния между двумя антеннами в десять раз приводит к уменьшению получаемой мощности в 10 6 = 1000000 раз. В результате индуктивная и емкостная связь может использоваться только для передачи мощности на короткие расстояния. в пределах нескольких раз диаметра антенного устройства D ant . В отличие от излучающей системы, где максимальное излучение возникает, когда дипольные антенны ориентированы поперек направления распространения, в дипольных полях максимальная связь возникает, когда диполи ориентированы продольно.
При индуктивной связи ( электромагнитная индукция [24] [45] или индуктивная передача энергии , IPT) мощность передается между катушками провода с помощью магнитного поля . [18] Катушки передатчика и приемника вместе образуют трансформатор [18] [24] (см. схему) . Переменный ток (AC), проходящий через передающую катушку (L1) , создает колеблющееся магнитное поле (B) по закону Ампера . Магнитное поле проходит через приемную катушку (L2) , где по закону индукции Фарадея индуцирует переменную ЭДС ( напряжение ) , которая создает переменный ток в приемнике. [15] [45] Индуцированный переменный ток может либо напрямую управлять нагрузкой, либо выпрямляться в постоянный ток (DC) с помощью выпрямителя в приемнике, который управляет нагрузкой. Некоторые системы, такие как подставки для зарядки электрических зубных щеток, работают с частотой 50/60 Гц, поэтому сетевой ток переменного тока подается непосредственно на катушку передатчика, но в большинстве систем электронный генератор генерирует переменный ток более высокой частоты, который приводит в движение катушку, поскольку эффективность передачи улучшается с частотой . [45]
Индуктивная связь является старейшей и наиболее широко используемой технологией беспроводного питания и практически единственной, которая до сих пор используется в коммерческих продуктах. Он используется в подставках для индуктивной зарядки беспроводных приборов, используемых во влажной среде, таких как электрические зубные щетки [24] и бритвы, чтобы снизить риск поражения электрическим током. [46] Другая область применения — «чрескожная» подзарядка биомедицинских протезов, имплантированных в организм человека, таких как кардиостимуляторы и инсулиновые помпы , чтобы избежать прохождения проводов через кожу. [47] [48] Он также используется для зарядки электромобилей , таких как автомобили, а также для зарядки или питания транзитных транспортных средств, таких как автобусы и поезда. [24]
Однако наиболее быстро растет использование беспроводных зарядных устройств для подзарядки мобильных и портативных беспроводных устройств, таких как ноутбуки и планшетные компьютеры , компьютерные мыши , мобильные телефоны , цифровые медиаплееры и контроллеры видеоигр . [ нужна ссылка ] В США Федеральная комиссия по связи (FCC) предоставила свой первый сертификат для системы взимания платы за беспроводную передачу в декабре 2017 года. [49]
Передаваемая мощность увеличивается с увеличением частоты [45] и взаимной индуктивности между катушками [15] , которая зависит от их геометрии и расстояния между ними. Широко используемым показателем качества является коэффициент связи . [45] [50] Этот безразмерный параметр равен доле магнитного потока через катушку передатчика , который проходит через катушку приемника, когда L2 разомкнут. Если две катушки расположены на одной оси и близко друг к другу, весь магнитный поток от проходит через , и эффективность связи приближается к 100%. Чем больше расстояние между катушками, тем больше магнитного поля от первой катушки не попадает во вторую и тем ниже эффективность связи, приближаясь к нулю при больших расстояниях. [45] Эффективность связи и передаваемая мощность примерно пропорциональны . [45] Для достижения высокой эффективности катушки должны располагаться очень близко друг к другу, на долю диаметра катушки , [45] обычно в пределах сантиметров, [40] с совмещенными осями катушек. Обычно используются широкие плоские катушки для увеличения связи. [45] Ферритовые сердечники с «удержанием потока» могут ограничивать магнитные поля, улучшая связь и уменьшая помехи для близлежащей электроники, [45] [47] , но они тяжелые и громоздкие, поэтому в небольших беспроводных устройствах часто используются катушки с воздушным сердечником.
Обычная индуктивная связь может обеспечить высокую эффективность только тогда, когда катушки расположены очень близко друг к другу, обычно рядом. В большинстве современных индуктивных систем используется резонансная индуктивная связь (описанная ниже) , в которой эффективность повышается за счет использования резонансных контуров . [31] [36] [45] [51] Это позволяет достичь высокой эффективности на больших расстояниях, чем нерезонансная индуктивная связь.
Резонансная индуктивная связь ( электродинамическая связь , [24] сильно связанный магнитный резонанс [35] ) — это форма индуктивной связи, при которой мощность передается магнитными полями (B, зеленый) между двумя резонансными контурами (настроенными контурами), один из которых находится в передатчике. и один в ресивере (см. схему справа) . [18] [24] [31] [46] [51] Каждый резонансный контур состоит из катушки с проводом, подключенной к конденсатору , или саморезонансной катушки, или другого резонатора с внутренней емкостью. Оба настроены так, чтобы резонировать на одной и той же резонансной частоте . Резонанс между катушками может значительно увеличить связь и передачу мощности, аналогично тому, как вибрирующий камертон может вызвать симпатическую вибрацию в удаленной вилке, настроенной на ту же высоту.
Никола Тесла впервые обнаружил резонансную связь во время своих новаторских экспериментов по беспроводной передаче энергии на рубеже 20-го века, [52] [53] [54] , но возможности использования резонансной связи для увеличения дальности передачи были изучены только недавно. [55] В 2007 году группа под руководством Марина Солячича из Массачусетского технологического института использовала две связанные настроенные схемы, каждая из которых состояла из 25-сантиметровой саморезонансной катушки с проводом на частоте 10 МГц, чтобы добиться передачи мощности 60 Вт на расстояние 2 метра (6,6). футов) (в 8 раз больше диаметра катушки) при КПД около 40%. [24] [35] [46] [53] [56]
Идея, лежащая в основе систем резонансной индуктивной связи, заключается в том, что резонаторы с высокой добротностью обменивают энергию с гораздо большей скоростью, чем теряют энергию из-за внутреннего демпфирования . [35] Таким образом, используя резонанс, то же количество энергии можно передавать на большие расстояния, используя гораздо более слабые магнитные поля в периферийных областях («хвостах») ближних полей. [35] Резонансная индуктивная связь может обеспечить высокую эффективность в диапазонах, в 4–10 раз превышающих диаметр катушки ( D ant ). [36] [37] [38] Это называется передачей «среднего радиуса действия», [37] в отличие от «короткой дальности» нерезонансной индуктивной передачи, при которой можно достичь аналогичной эффективности только тогда, когда катушки расположены рядом. Еще одним преимуществом является то, что резонансные контуры взаимодействуют друг с другом настолько сильнее, чем с нерезонансными объектами, что потери мощности из-за поглощения в случайных близлежащих объектах незначительны. [31] [35]
Недостаток теории резонансной связи состоит в том, что на близких расстояниях, когда два резонансных контура тесно связаны, резонансная частота системы перестает быть постоянной, а «расщепляется» на два резонансных пика, [57] [58] [59] поэтому максимальная передача мощности больше не происходит на исходной резонансной частоте, и частота генератора должна быть настроена на новый резонансный пик. [36] [60]
Резонансная технология в настоящее время широко внедряется в современные индуктивные беспроводные энергосистемы. [45] Одной из возможностей, предусмотренных для этой технологии, является зона покрытия беспроводной сети. Катушка в стене или потолке комнаты может обеспечивать беспроводное питание освещения и мобильных устройств в любой точке комнаты с достаточной эффективностью. [46] Экологическая и экономическая выгода от беспроводного питания небольших устройств, таких как часы, радиоприемники, музыкальные плееры и пульты дистанционного управления, заключается в том, что это может радикально сократить количество выбрасываемых ежегодно 6 миллиардов батарей , которые являются крупным источником токсичных отходов и загрязнения подземных вод. [40]
Исследование, проведенное шведскими военными, показало, что системы динамической беспроводной передачи энергии для транспортных средств с частотой 85 кГц могут вызывать электромагнитные помехи в радиусе до 300 километров. [61]
Емкостная связь, также называемая электрической связью, использует электрические поля для передачи энергии между двумя электродами ( анодом и катодом ), образуя емкость для передачи энергии. [62] При емкостной связи ( электростатическая индукция ), сопряженной с индуктивной связью , энергия передается электрическими полями [4] [15] [5] [7] между электродами [6], такими как металлические пластины. Электроды передатчика и приемника образуют конденсатор , а промежуточное пространство является диэлектриком . [6] [15] [18] [24] [47] [63] Переменное напряжение, генерируемое передатчиком, подается на передающую пластину, и колеблющееся электрическое поле индуцирует переменный потенциал на приемной пластине за счет электростатической индукции , [ 15] [63] , что приводит к протеканию переменного тока в цепи нагрузки. Количество передаваемой мощности увеличивается с частотой [63] квадратом напряжения и емкостью между пластинами, которая пропорциональна площади меньшей пластины и (на коротких расстояниях) обратно пропорциональна расстоянию. [15]
Емкостная связь практически использовалась лишь в нескольких приложениях с низким энергопотреблением, поскольку очень высокие напряжения на электродах, необходимые для передачи значительной мощности, могут быть опасными [18] [24] и вызывать неприятные побочные эффекты, такие как образование вредного озона . Кроме того, в отличие от магнитных полей, [35] электрические поля сильно взаимодействуют с большинством материалов, в том числе и с телом человека, за счет диэлектрической поляризации . [47] Промежуточные материалы между электродами или рядом с ними могут поглощать энергию, что в случае людей может вызвать чрезмерное воздействие электромагнитного поля. [18] Однако емкостная связь имеет ряд преимуществ перед индуктивной связью. Поле в значительной степени ограничено между обкладками конденсатора, что снижает помехи, которые при индуктивной связи требуют тяжелых ферритовых сердечников «ограничения потока». [15] [47] Кроме того, требования к выравниванию между передатчиком и приемником менее критичны. [15] [18] [63] Емкостная связь недавно была применена для зарядки портативных устройств с батарейным питанием [4] , а также для зарядки или непрерывной беспроводной передачи энергии в биомедицинских имплантатах, [5] [6] [7] и рассматривается как средство передачи энергии между слоями подложки в интегральных схемах. [64]
Использовались два типа схем:
Резонанс также можно использовать с емкостной связью для расширения диапазона. На рубеже 20-го века Никола Тесла провел первые эксперименты как с резонансной индуктивной, так и с емкостной связью.
В системе электродинамической беспроводной передачи энергии (EWPT) используется приемник с механически резонирующим или вращающимся постоянным магнитом. [68] [69] При воздействии изменяющегося во времени магнитного поля механическое движение резонирующего магнита преобразуется в электричество с помощью одной или нескольких схем электромеханического преобразования (например, электромагнитного/индукционного , пьезоэлектрического или емкостного ). [70] [71] В отличие от систем индуктивной связи, в которых обычно используются высокочастотные магнитные поля, в EWPT используются низкочастотные магнитные поля (<1 кГц), [72] [73] [74] , которые безопасно проходят через проводящие среды и имеют более высокие пределы воздействия поля на человека (~ 2 мТрмс при 1 кГц), [75] [76] что указывает на перспективность потенциального использования в биомедицинских имплантатах с беспроводной подзарядкой . Для устройств EWPT, имеющих одинаковые резонансные частоты, величина передачи мощности полностью зависит от критического коэффициента связи, обозначаемого , между устройствами передатчика и приемника. Для связанных резонаторов с одинаковыми резонансными частотами беспроводная передача мощности между передатчиком и приемником распределяется по трем режимам – недостаточно связанному, критически связанному и сверхсвязанному. По мере увеличения критического коэффициента связи от режима недостаточной связи ( ) до режима критической связи, кривая оптимального усиления напряжения растет по величине (измеренная на приемнике) и достигает пика, когда и затем переходит в режим чрезмерной связи, где и пик распадается на две части. [77] Показано, что этот критический коэффициент связи является функцией расстояния между источником и приемными устройствами. [78] [79]
В этом методе мощность передается между двумя вращающимися якорями , одним в передатчике и одним в приемнике, которые вращаются синхронно и связаны между собой магнитным полем , создаваемым постоянными магнитами на якорях. [25] Якорь передатчика вращается либо ротором электродвигателя, либо как ротор , а его магнитное поле оказывает крутящий момент на якорь приемника, поворачивая его. Магнитное поле действует как механическая связь между якорями. [25] Якорь приемника производит энергию для привода нагрузки либо путем вращения отдельного электрического генератора , либо путем использования якоря приемника в качестве ротора в генераторе.
Это устройство было предложено в качестве альтернативы индуктивной передаче энергии для бесконтактной зарядки электромобилей . [25] Вращающийся якорь, встроенный в пол гаража или бордюр, поворачивает якорь приемника в нижней части автомобиля для зарядки его аккумуляторов. [25] Утверждается, что этот метод может передавать мощность на расстояние от 10 до 15 см (от 4 до 6 дюймов) с высокой эффективностью, более 90%. [25] [80] Кроме того, низкочастотные рассеянные магнитные поля, создаваемые вращающимися магнитами, создают меньше электромагнитных помех для близлежащих электронных устройств, чем высокочастотные магнитные поля, создаваемые системами индуктивной связи. Прототип системы зарядки электромобилей работает в Университете Британской Колумбии с 2012 года. Однако другие исследователи утверждают, что два преобразования энергии (электрическая в механическую и снова в электрическую) делают систему менее эффективной, чем электрические системы, такие как индуктивная связь. [25]
Новый тип системы, использующей волны типа Ценнека , был показан Оруганти и др., Где они продемонстрировали, что можно возбуждать волны типа волны Ценнека на плоских границах раздела металл-воздух и передавать мощность через металлические препятствия. [81] [82] [83] Здесь идея состоит в том, чтобы возбудить локализованные колебания заряда на границе раздела металл-воздух, в результате чего моды распространяются вдоль границы раздела металл-воздух. [81]
Методы дальнего поля обеспечивают большую дальность действия, часто несколько километров, где расстояние намного превышает диаметр устройства (устройств). Антенны с высокой направленностью или хорошо коллимированный лазерный луч создают луч энергии, который можно настроить так, чтобы он соответствовал форме области приема. Максимальная направленность антенн физически ограничена дифракцией .
В общем, видимый свет (от лазеров) и микроволны (от специально разработанных антенн) являются формами электромагнитного излучения, наиболее подходящими для передачи энергии.
Размеры компонентов могут определяться расстоянием от передатчика до приемника , длиной волны и критерием Рэлея или пределом дифракции , используемым в стандартной конструкции радиочастотной антенны , что также применимо к лазерам. Дифракционный предел Эйри также часто используется для определения приблизительного размера пятна на произвольном расстоянии от апертуры . Электромагнитное излучение испытывает меньшую дифракцию на более коротких длинах волн (более высоких частотах); так, например, синий лазер дифрагирует меньше, чем красный.
Предел Рэлея (также известный как предел дифракции Аббе ), хотя первоначально он применялся к разрешению изображения, можно рассматривать наоборот, и он предписывает, что излучение ( или интенсивность ) любой электромагнитной волны (например, микроволнового или лазерного луча) будет уменьшается по мере того, как луч расходится по расстоянию с минимальной скоростью, обратно пропорциональной размеру апертуры. Чем больше отношение апертуры передающей антенны или выходной апертуры лазера к длине волны излучения, тем больше излучение может быть сконцентрировано в компактном луче.
Излучение микроволновой энергии может быть более эффективным [ необходимы пояснения ] , чем лазеры, и менее подвержено атмосферному ослаблению, вызванному пылью или аэрозолями , такими как туман.
Здесь уровни мощности рассчитываются путем объединения вышеуказанных параметров и добавления коэффициентов усиления и потерь , обусловленных характеристиками антенны, а также прозрачностью и дисперсией среды, через которую проходит излучение. Этот процесс известен как расчет ссылочного бюджета .
Передачу энергии с помощью радиоволн можно сделать более направленной, что позволит передавать энергию на большие расстояния с более короткими длинами волн электромагнитного излучения, обычно в микроволновом диапазоне . [84] Для преобразования микроволновой энергии обратно в электричество можно использовать ректенну . Реализована эффективность преобразования ректенны, превышающая 95%. [ нужна цитата ] Передача энергии с использованием микроволн была предложена для передачи энергии от орбитальных спутников солнечной энергии на Землю, а также рассматривалась возможность передачи энергии на космический корабль, покидающий орбиту. [85] [86]
Передача мощности с помощью микроволн имеет ту трудность, что для большинства космических применений требуемые размеры апертуры очень велики из-за дифракции , ограничивающей направленность антенны. Например, исследование НАСА спутников на солнечной энергии в 1978 году потребовало передающей антенны диаметром 1 километр (0,62 мили) и приемной ректенны диаметром 10 километров (6,2 мили) для микроволнового луча на частоте 2,45 ГГц . [87] Эти размеры можно несколько уменьшить, используя более короткие длины волн, хотя короткие длины волн могут иметь проблемы с атмосферным поглощением и блокировкой луча дождем или каплями воды. Из-за « проклятия истонченной решетки » невозможно получить более узкий луч, объединив лучи нескольких меньших спутников.
Для наземных применений приемная решетка большой площади диаметром 10 км позволяет использовать большие уровни общей мощности при работе с низкой плотностью мощности, рекомендованной для безопасности электромагнитного воздействия на человека. Безопасная для человека плотность мощности 1 мВт/см 2 , распределенная по площади диаметром 10 км, соответствует общему уровню мощности 750 мегаватт. Именно такой уровень мощности имеется на многих современных электростанциях. Для сравнения, солнечная фотоэлектрическая ферма аналогичного размера может легко превысить 10 000 мегаватт (округлено) в лучших условиях в дневное время.
После Второй мировой войны, когда были разработаны мощные микроволновые излучатели, известные как магнетроны с резонатором , была исследована идея использования микроволн для передачи энергии. К 1964 году был продемонстрирован миниатюрный вертолет, приводимый в движение микроволновой энергией. [88]
Японский исследователь Хидецугу Яги также исследовал беспроводную передачу энергии с помощью разработанной им направленной антенны. В феврале 1926 года Яги и его коллега Синтаро Уда опубликовали свою первую статью о настроенной направленной решетке с высоким коэффициентом усиления, ныне известной как антенна Яги . Хотя эта лучевая антенна не оказалась особенно полезной для передачи энергии, она получила широкое распространение в сфере радиовещания и беспроводной связи благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам. [89]
Беспроводная передача высокой мощности с использованием микроволн хорошо зарекомендовала себя. Эксперименты мощностью в десятки киловатт проводились в Комплексе дальней космической связи Голдстоуна в Калифорнии в 1975 году [90] [91] [92] и совсем недавно (1997 год) в Гранд-Бассине на острове Реюньон . [93] Эти методы позволяют достичь расстояний порядка километра.
В экспериментальных условиях эффективность микроволнового преобразования составила около 54% на расстоянии одного метра. [94]
Было предложено перейти на частоту 24 ГГц, поскольку микроволновые излучатели, подобные светодиодам, изготавливаются с очень высокой квантовой эффективностью с использованием отрицательного сопротивления , то есть диодов Ганна или IMPATT, и это было бы целесообразно для линий связи ближнего действия.
В 2013 году изобретатель Хатем Зейн продемонстрировал, как беспроводная передача энергии с использованием антенн с фазированной решеткой может доставлять электроэнергию на расстояние до 30 футов. Он использует те же радиочастоты, что и Wi-Fi. [95] [96]
В 2015 году исследователи из Вашингтонского университета представили технологию питания через Wi-Fi, которая заряжает аккумуляторы и питает безбатарейные камеры и датчики температуры, используя передачу данных от Wi-Fi-маршрутизаторов. [97] [98] Было показано, что сигналы Wi-Fi питают безбатарейные датчики температуры и камеры на расстоянии до 20 футов. Также было показано, что Wi-Fi можно использовать для беспроводной подзарядки никель-металлогидридных и литий-ионных батарей типа «таблетка» на расстоянии до 28 футов.
В 2017 году Федеральная комиссия по связи (FCC) сертифицировала первый радиочастотный (РЧ) передатчик беспроводной энергии среднего радиуса действия. [99] В 2021 году Федеральная комиссия связи США выдала лицензию на систему беспроводной зарядки по воздуху (OTA), которая сочетает в себе методы ближнего и дальнего поля, используя частоту около 900 МГц. Благодаря излучаемой мощности около 1 Вт данная система предназначена для небольших IoT- устройств в качестве различных датчиков, трекеров, детекторов и мониторов. [100]
В случае электромагнитного излучения, расположенного ближе к видимой области спектра (от 0,2 до 2 микрометров ), мощность может передаваться путем преобразования электричества в лазерный луч, который принимается и концентрируется на фотоэлектрических элементах (солнечных элементах). [101] [102] Этот механизм обычно известен как «передача энергии», поскольку энергия передается на приемник, который может преобразовать ее в электрическую энергию. В приемнике применяются специальные фотоэлектрические преобразователи мощности лазера, оптимизированные для преобразования монохроматического света. [103]
Преимущества по сравнению с другими беспроводными методами: [104]
К недостаткам относятся:
Технология лазерного излучения была исследована в военном оружии [106] [107] [108] и аэрокосмической [109] [110] приложениях. Также он применяется для питания различных датчиков в промышленных условиях. В последнее время он разрабатывается для питания коммерческой и бытовой электроники . Системы беспроводной передачи энергии, использующие лазеры для потребительского пространства, должны удовлетворять требованиям лазерной безопасности , стандартизированным в соответствии со стандартом IEC 60825 .
В 2018 году была продемонстрирована первая беспроводная система питания с использованием лазеров для потребительских приложений, способная подавать питание на стационарные и движущиеся устройства по комнате. Эта беспроводная система питания соответствует нормам безопасности согласно стандарту IEC 60825. Он также одобрен Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA). [111]
Другие детали включают распространение [112] , а также проблему когерентности и ограничения дальности действия . [113]
Джеффри Лэндис [114] [115] [116] является одним из пионеров спутников на солнечной энергии [117] и лазерной передачи энергии, особенно для космических и лунных миссий. Спрос на безопасные и частые космические полеты привел к появлению предложений по космическому лифту с лазерным приводом . [118] [119]
Центр летных исследований Драйдена НАСА продемонстрировал легкую беспилотную модель самолета с питанием от лазерного луча. [120] Эта проверка концепции демонстрирует возможность периодической подзарядки с использованием системы лазерного луча.
Ученые из Китайской академии наук разработали экспериментальную концепцию использования двухволнового лазера для беспроводной зарядки портативных устройств или БПЛА. [121]
При соединении атмосферных плазменных каналов энергия передается между двумя электродами за счет электропроводности через ионизированный воздух. [122] Когда между двумя электродами существует градиент электрического поля, превышающий 34 киловольта на сантиметр при атмосферном давлении на уровне моря, возникает электрическая дуга. [123] Этот пробой диэлектрика атмосферы приводит к прохождению электрического тока по случайной траектории через канал ионизированной плазмы между двумя электродами. Примером этого является естественная молния, где один электрод представляет собой виртуальную точку в облаке, а другой — точку на Земле. В настоящее время проводятся исследования лазерно-индуцированного плазменного канала (LIPC) с использованием сверхбыстрых лазеров для искусственного развития плазменного канала в воздухе, направления электрической дуги и контролируемого направления тока по определенному пути. [124] Энергия лазера снижает напряжение пробоя диэлектрика атмосферы, а воздух становится менее изолирующим из-за перегрева, что снижает плотность ( ) нити воздуха. [125]
Этот новый процесс изучается для использования в качестве лазерного громоотвода и в качестве средства для запуска молний из облаков для исследований естественных каналов молний, [ 126] для исследований распространения искусственных атмосферных волн, в качестве замены обычных радиоантенн, [127] для применения, связанные с электросваркой и механической обработкой, [128] [129] для отвода энергии от высоковольтных разрядов конденсаторов, для применения оружия направленной энергии , использующего электрическую проводимость через путь заземления, [130] [131] [132] [133] ] и электронные помехи . [134]
В контексте беспроводной энергетики сбор энергии , также называемый сбором энергии или поглощением энергии , представляет собой преобразование окружающей энергии из окружающей среды в электроэнергию, главным образом для питания небольших автономных беспроводных электронных устройств. [135] Окружающая энергия может исходить от рассеянных электрических или магнитных полей или радиоволн от близлежащего электрооборудования, света, тепловой энергии (тепла) или кинетической энергии , такой как вибрация или движение устройства. [135] Хотя эффективность преобразования обычно низка, а собираемая мощность часто ничтожна (миливатт или микроватт), [135] ее может быть достаточно для запуска или подзарядки небольших беспроводных устройств микромощности, таких как дистанционные датчики , которые широко распространены во многих областях. [135] Эта новая технология разрабатывается для устранения необходимости замены батарей или зарядки таких беспроводных устройств, позволяя им работать полностью автономно. [136] [137]
В XIX веке появилось множество теорий и контртеорий о том, как можно передавать электрическую энергию. В 1826 году Андре-Мари Ампер обнаружил связь между током и магнитами. Майкл Фарадей в 1831 году описал в своем законе индукции электродвижущую силу , вызывающую ток в проводниковой петле посредством изменяющегося во времени магнитного потока. Передачу электрической энергии без проводов наблюдали многие изобретатели и экспериментаторы, [138] [139] [140] , но отсутствие последовательной теории смутно приписывало эти явления электромагнитной индукции . [141] Краткое объяснение этих явлений можно найти в уравнениях Максвелла 1860-х годов [51] Джеймса Клерка Максвелла , создавших теорию, которая объединила электричество и магнетизм с электромагнетизмом , предсказывая существование электромагнитных волн как «беспроводного» носителя электромагнитной энергии. . Примерно в 1884 году Джон Генри Пойнтинг определил вектор Пойнтинга и дал теорему Пойнтинга , которая описывает поток энергии через область внутри электромагнитного излучения и позволяет правильно анализировать системы беспроводной передачи энергии. [51] [142] За этим последовало подтверждение теории Генрихом Рудольфом Герцем в 1888 году, которое включало доказательства существования радиоволн . [142]
В тот же период Уильямом Генри Уордом (1871 г.) и Махлоном Лумисом (1872 г.) были предложены две схемы беспроводной передачи сигналов , основанные на ошибочном убеждении, что существует электрифицированный слой атмосферы, доступный на малой высоте. [143] [144] В патентах обоих изобретателей отмечалось, что этот слой, соединенный с обратным путем с использованием «токов земли», позволит осуществлять беспроводную телеграфию, а также обеспечивать питание телеграфа, избавляясь от искусственных батарей, а также может использоваться для освещение, тепло и движущая сила. [145] [146] Более практическая демонстрация беспроводной передачи посредством проводимости произошла в магнитоэлектрическом телефоне Амоса Долбера 1879 года, который использовал проводимость земли для передачи на расстояние четверти мили. [147]
После 1890 года изобретатель Никола Тесла экспериментировал с передачей мощности посредством индуктивной и емкостной связи с использованием радиочастотных резонансных трансформаторов с искровым возбуждением , теперь называемых катушками Теслы , которые генерировали высокие переменные напряжения. [51] [53] [148] Вначале он попытался разработать беспроводную систему освещения, основанную на индуктивной и емкостной связи ближнего поля [53] и провел серию публичных демонстраций, на которых он зажигал трубки Гейсслера и даже лампы накаливания со всех сторон. сцена. [53] [148] [149] Он обнаружил, что может увеличить расстояние, на котором он может зажечь лампу, используя приемную LC-цепь , настроенную на резонанс с LC-цепью передатчика. [52] с использованием резонансной индуктивной связи . [53] [54] Тесле не удалось сделать коммерческий продукт из своих открытий [150] , но его метод резонансной индуктивной связи в настоящее время широко используется в электронике и в настоящее время применяется к беспроводным энергосистемам ближнего действия. [53] [151]
Тесла продолжил разработку беспроводной системы распределения энергии, которая, как он надеялся, сможет передавать энергию на большие расстояния непосредственно в дома и на заводы. Вначале он, казалось, заимствовал идеи Махлона Лумиса, [152] [153] предложив систему, состоящую из воздушных шаров, для подвешивания передающих и принимающих электродов в воздухе на высоте более 30 000 футов (9 100 м), где, по его мнению, давление будет позволяют ему передавать высокое напряжение (миллионы вольт) на большие расстояния. Для дальнейшего изучения проводящей природы воздуха низкого давления в 1899 году он установил испытательный стенд на большой высоте в Колорадо-Спрингс. [154] [155] [156] Эксперименты он проводил там с большой катушкой, работающей в мегавольтном диапазоне, а также наблюдения, сделанные им за электронным шумом ударов молний, привели его к неправильному выводу [157] [147] , что он может использовать весь земной шар для проведения электрической энергии. Теория включала подачу импульсов переменного тока в Землю на ее резонансной частоте от заземленной катушки Теслы, работающей против повышенной емкости, чтобы заставить потенциал Земли колебаться. Тесла думал, что это позволит принимать переменный ток с помощью аналогичной емкостной антенны, настроенной на резонанс с ним в любой точке Земли, с очень небольшими потерями мощности. [158] [159] [160] Его наблюдения также привели его к мысли, что высокое напряжение, используемое в катушке на высоте нескольких сотен футов, «разрушит слой воздуха», устраняя необходимость в прокладке миль кабеля, подвешенного на воздушных шарах. для создания его атмосферного обратного контура. [161] [162] В следующем году Тесла предложил « Всемирную беспроводную систему », которая должна была транслировать как информацию, так и энергию по всему миру. [163] [164] В 1901 году в Шорхэме, штат Нью-Йорк, он попытался построить большую высоковольтную беспроводную электростанцию, теперь называемую Башней Уорденклифф , но к 1904 году инвестиции иссякли, и объект так и не был завершен.
Индуктивная передача энергии между близлежащими проволочными катушками была самой ранней технологией беспроводной передачи энергии, существовавшей с момента разработки трансформатора в 1800-х годах. Индукционный нагрев используется с начала 1900-х годов и применяется для индукционной готовки . [165]
С появлением беспроводных устройств были разработаны индукционные подставки для зарядки приборов, используемых во влажных средах, таких как электрические зубные щетки и электробритвы , чтобы исключить опасность поражения электрическим током. Одним из первых предложенных применений индуктивной передачи было питание электровозов. В 1892 году Морис Ютен и Морис Леблан запатентовали беспроводной метод питания железнодорожных поездов с использованием резонансных катушек, индуктивно связанных с рельсовым проводом на частоте 3 кГц. [166]
В начале 1960-х годов резонансная индуктивная беспроводная передача энергии успешно использовалась в имплантируемых медицинских устройствах [167], включая такие устройства, как кардиостимуляторы и искусственное сердце. В то время как в ранних системах использовалась резонансная приемная катушка, в более поздних системах [168] также использовались резонансные передающие катушки. Эти медицинские устройства разработаны для обеспечения высокой эффективности с использованием маломощной электроники, в то же время эффективно компенсируя некоторую несоосность и динамическое скручивание катушек. Расстояние между катушками в имплантируемых устройствах обычно составляет менее 20 см. Сегодня резонансная индуктивная передача энергии регулярно используется для обеспечения электроэнергией многих коммерчески доступных медицинских имплантируемых устройств. [169]
Первые пассивные технологии RFID (радиочастотная идентификация) были изобретены Марио Кардулло [170] (1973) и Коелле и др. [171] (1975), а к 1990-м годам использовались в бесконтактных картах и бесконтактных смарт-картах .
Распространение в последние десятилетия портативных устройств беспроводной связи, таких как мобильные телефоны , планшеты и ноутбуки, в настоящее время стимулирует разработку технологий беспроводного питания и зарядки среднего радиуса действия, чтобы исключить необходимость привязки этих устройств к настенным розеткам во время зарядки. [172] Консорциум беспроводной энергии был создан в 2008 году для разработки совместимых стандартов между производителями. [172] Стандарт индуктивной мощности Qi , опубликованный в августе 2009 года, обеспечивает высокоэффективную зарядку и питание портативных устройств мощностью до 5 Вт на расстоянии 4 см (1,6 дюйма). [173] Беспроводное устройство размещается на плоской зарядной пластине (которую можно, например, встроить в столешницу в кафе), и мощность передается от плоской катушки в зарядном устройстве к аналогичной катушке в устройстве. В 2007 году группа под руководством Марина Солячича из Массачусетского технологического института использовала передатчик с двойным резонансом с вторичной обмоткой диаметром 25 см, настроенной на частоту 10 МГц, для передачи мощности 60 Вт на аналогичный приемник с двойным резонансом на расстояние 2 метра (6,6 футов) (восемь раз больше диаметра катушки передатчика) с эффективностью около 40%. [53] [56]
В 2008 году команда Грега Лейха и Майка Кеннана из Невадской лаборатории молний использовала заземленный передатчик двойного резонанса с вторичной обмоткой диаметром 57 см, настроенной на 60 кГц, и аналогичный заземленный приемник двойного резонанса для передачи энергии через связанные электрические поля с обратной цепью тока заземления. на расстоянии 12 метров (39 футов). [174] В 2011 году доктор Кристофер А. Такер и профессор Кевин Уорвик из Университета Рединга воссоздали патент Теслы 1900 года 0,645,576 в миниатюре и продемонстрировали передачу энергии на расстояние более 4 метров (13 футов) с диаметром катушки 10 сантиметров (3,9 дюйма). ) на резонансной частоте 27,50 МГц, с эффективным КПД 60%. [175]
До Второй мировой войны в беспроводной передаче энергии был достигнут небольшой прогресс. [92] Радио было разработано для целей связи, но его нельзя было использовать для передачи энергии, поскольку относительно низкочастотные радиоволны распространяются во всех направлениях и мало энергии достигает приемника. [51] [92] В радиосвязи в приемнике усилитель усиливает слабый сигнал, используя энергию из другого источника. Для эффективной передачи энергии необходимы передатчики , способные генерировать высокочастотные микроволны , которые можно фокусировать узкими лучами на приемник. [51] [92] [176]
Развитие микроволновых технологий во время Второй мировой войны, таких как клистроны , магнетронные трубки и параболические антенны , [92] впервые сделало радиационные методы ( дальнего поля ) практически практичными, а первая беспроводная передача энергии на большие расстояния была достигнута в 1960-е годы Уильяма К. Брауна . [51] В 1964 году Браун изобрел ректенну , которая могла эффективно преобразовывать микроволны в энергию постоянного тока, а в 1964 году продемонстрировал ее на первом самолете с беспроводным питанием - модели вертолета, питаемой микроволнами, излучаемыми с земли. [92] Основной мотивацией для микроволновых исследований в 1970-х и 1980-х годах была разработка спутника на солнечной энергии . [51] [92] Задуманный в 1968 году Питером Глейзером , он будет собирать энергию солнечного света с помощью солнечных батарей и передавать ее на Землю в виде микроволн в огромные ректенны, которые преобразовывают ее в электрическую энергию в электросети . [177] В знаковых экспериментах 1975 года в качестве технического директора программы JPL/Raytheon Браун продемонстрировал передачу на большие расстояния, передав 475 Вт микроволновой мощности на ректенну, находящуюся на расстоянии мили, с эффективностью преобразования микроволнового излучения в постоянный ток 54%. [178] В Лаборатории реактивного движения НАСА он и Роберт Дикинсон передали выходную мощность постоянного тока мощностью 30 кВт на расстояние 1,5 км с помощью микроволн с частотой 2,38 ГГц с антенны длиной 26 м на решетку ректенн размером 7,3 х 3,5 м. Эффективность преобразования падающего радиочастотного сигнала в постоянный ток ректенны составила 80%. [179] В 1983 году Япония запустила эксперимент по нелинейному взаимодействию с микроволновой ионосферой (MINIX), ракетный эксперимент для проверки передачи микроволн высокой мощности через ионосферу. [ нужна цитата ]
В последние годы в центре внимания исследований была разработка беспилотных летательных аппаратов с беспроводным питанием, которая началась в 1959 году с проекта Министерства обороны RAMP (Воздушная микроволновая платформа Raytheon) [92] , который спонсировал исследования Брауна. В 1987 году Канадский исследовательский центр связи разработал небольшой прототип самолета под названием « Стационарная высотная ретрансляционная платформа» (SHARP) для передачи телекоммуникационных данных между точками на Земле, подобно спутнику связи . Приводимый в движение ректенной, он мог летать на высоте 13 миль (21 км) и оставаться в воздухе месяцами. В 1992 году команда Киотского университета построила более совершенный аппарат под названием MILAX (эксперимент на самолете, поднимаемом с помощью микроволновой волны).
В 2003 году НАСА запустило первый самолет с лазерным двигателем. Двигатель небольшой модели самолета питался электричеством, генерируемым фотоэлементами из луча инфракрасного света наземного лазера, в то время как система управления направляла лазер на самолет.
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link). Последний репортаж.
64 июня – 65 апреля
В то время я был абсолютно уверен, что смогу построить коммерческое предприятие, если не смогу делать ничего другого, кроме того, что я делал в своей лаборатории на Хьюстон-стрит; но я уже рассчитал и нашел, что для применения этого метода мне не нужны большие высоты. В моем патенте сказано, что я разрушаю атмосферу «на терминале или рядом с ним». Если моя проводящая атмосфера находится на высоте 2 или 3 миль над станцией, я считаю, что это очень близко к терминалу по сравнению с расстоянием до моего приемного терминала, который может находиться через Тихий океан. Это просто выражение. Я увидел, что смогу передавать энергию, если смогу сконструировать определенный аппарат – и я это сделал, как я покажу вам позже. Я сконструировал и запатентовал устройство, которое при умеренной высоте в несколько сотен футов может разрушать слой воздуха.
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link) Подробный теоретический инженерный текст