Кто создал передачу энергии на расстоянии. Беспроводная передача электроэнергии: технология будущего или дорога в никуда

Беспроводная передача для доставки электричества имеет возможность поставлять основные достижения в области промышленности и приложениях, зависящих от физического контакта разъема. Оно, в свою очередь, может быть ненадежным и привести к неудачам. Передача беспроводной электроэнергии была впервые продемонстрирована Никола Тесла в 1890-х годах. Однако только в последнее десятилетие технология была использована до такой степени, что она предлагает реальные, ощутимые преимущества для приложений реального мира. В частности, развитие резонансной беспроводной системы питания для рынка бытовой электроники показало, что зарядка по индукции обеспечивает новые уровни удобства для миллионов повседневных устройств.

Рассматриваемая мощность широко известна многими терминами. Включая индуктивную передачу, связь, резонансную беспроводную сеть и такую же отдачу напряжения. Каждое из этих условий, по существу, описывает один и тот же фундаментальный процесс. Беспроводную передачу электроэнергии или мощности от источника питания до напряжения нагрузки без разъемов через воздушный зазор. Основой являются две катушки - передатчика и приемника. Первая возбуждается переменным током для генерации магнитного поля, которое, в свою очередь, индуцирует напряжение во второй.

Как работает рассматриваемая система

Основы беспроводной мощности включают раздачу энергии от передатчика к приемнику через колебательное магнитное поле. Для достижения этого постоянный ток, подаваемый источником питания, преобразуется в высокочастотный переменный. С помощью специально разработанной электроники, встроенной в передатчик. Переменный ток активирует катушку медного провода в раздатчике, которая генерирует магнитное поле. Когда вторая (приемная) обмотка размещается в непосредственной близости. Магнитное поле может вызывать переменный ток в принимающей катушке. Электроника в первом устройстве затем преобразует переменный обратно в постоянный, который становится потребляемой мощностью.

Схема беспроводной передачи электроэнергии

Напряжение «сети» преобразуется в сигнал переменного тока, который затем посылается на катушку передатчика через электронную цепь. Протекающий через обмотку раздатчика, индуцирует магнитное поле. Оно, в свою очередь, может распространяться на катушку приемника, которая находится в относительной близости. Затем магнитное поле генерирует ток, протекающий через обмотку приемного устройства. Процесс, посредством которого энергия распространяется между передающей и приемной катушками, также упоминается как магнитная или резонансная связь. И достигается с помощью обеих обмоток, функционирующих на той же частоте. Ток, текущий в катушке приемника, преобразуется в постоянный с помощью схемы приемника. Затем может использоваться для питания устройства.

Что значит резонанс

Расстояние, на которое может передаваться энергия (или мощность), увеличивается, если катушки передатчика и приемника резонируют на одной и той же частоте. Подобно тому, как настраиваемая вилка колеблется на определенной высоте и может достигать максимальной амплитуды. Это относится к частоте, с которой объект естественным образом вибрирует.

Преимущества беспроводной передачи

В чем заключаются преимущества? Плюсы:

сокращаются расходы, связанные с поддержанием прямых соединителей (например, в традиционном промышленном скользком кольце);
большее удобство для зарядки обычных электронных устройств;
безопасная передача в приложения, которые должны оставаться герметически закрытыми;
электроника может быть полностью скрыта, что снижает риск коррозии из-за таких элементов как кислород и вода;
надежная и последовательная подача питания на вращающееся, высокомобильное промышленное оборудование;
обеспечивает надежную передачу мощности в критически важные системы во влажной, грязной и движущейся среде.

Независимо от приложения, ликвидация физического соединения обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с традиционными разъемами питания кабеля.

Эффективность рассматриваемой передачи энергии

Общая эффективность беспроводной системы питания является самым важным фактором в определении ее производительности. Результативность системы измеряет количество мощности, передаваемой между источником питания (то есть, настенной розеткой) и принимающим устройством. Это, в свою очередь, определяет такие аспекты как скорость зарядки и дальность распространения.

Системы беспроводной связи различаются в зависимости от их уровня эффективности, основанного на таких факторах, как конфигурация и дизайн катушки, расстояние передачи. Менее результативное устройство будет генерировать больше выбросов и приведет к меньшей мощности, проходящей через приемное устройство. Как правило, беспроводные технологии передачи электроэнергии для таких устройств как смартфоны, могут достигать 70% производительности.

Как измеряется эффективность

В смысле, как количество мощности (в процентах), которое передается от источника питания к приемному устройству. То есть, беспроводная передача электроэнергии для смартфона с КПД 80% означает, что 20% входной мощности потеряно между настенной розеткой и батареей для заряжаемого гаджета. Формула для измерения эффективности работы: производительность = постоянный ток исходящий, деленный на входящий, полученный результат умножить на 100%.

Беспроводные способы передачи электроэнергии

Мощность может распространяться по рассматриваемой сети почти по всем неметаллическим материалам, включая, но не ограничиваясь ими. Это такие твердые вещества, как древесина, пластмасса, текстиль, стекло и кирпич, а также газы и жидкости. Когда металлический или электропроводящий материал (то есть, помещается в непосредственной близости от электромагнитного поля, объект поглощает мощность из него и в результате нагревается. Это, в свою очередь, влияет на эффективность системы. Вот как работают индукционные приготовления, к примеру, неэффективная передача мощности из варочной панели создает тепло для приготовления пищи.

Чтобы создать систему беспроводной передачи электроэнергии, необходимо вернуться к истокам рассматриваемой темы. А,точнее, к успешному ученому и изобретателю Никола Тесла, который создал и запатентовал генератор, способный брать питание без различных материалистических проводников. Итак, для реализации беспроводной системы необходимо собрать все важные элементы и части, в результате будет реализована небольшая Это устройство, которое создает электрическое поле высокого напряжения в воздухе, вокруг него. При этом имеется небольшая входная мощность, она обеспечивает беспроводную передачу энергии на расстоянии.

Одним из наиболее важных способов передачи энергии является индуктивная связь. Он в основном используется для ближнего поля. Охарактеризован на том факте, что при прохождении тока по одному проводу на концах другого индуцируется напряжение. Передача мощности осуществляется путем взаимности между двумя материалами. Общий пример - это трансформатор. Микроволновая передача энергии, как идея, была разработана Уильямом Брауном. Вся концепция включает в себя преобразование питания переменного тока в радиочастотное и передачу его в пространстве и повторное в переменную мощность на приемнике. В этой системе напряжение генерируется с использованием микроволновых источников энергии. Таких как клистрон. И эта мощность передается через волновод, который защищает от отраженной мощности. А также тюнер, который соответствует импедансу микроволнового источника с другими элементами. Приемная секция состоит из антенны. Она принимает мощность микроволн и схему согласования импеданса и фильтра. Эта приемная антенна вместе с выпрямляющим устройством может быть диполем. Соответствует выходному сигналу с подобным звуковым оповещением выпрямительного блока. Блок приемника также состоит из подобной секции, состоящей из диодов, которые используются для преобразования сигнала в оповещение постоянного тока. Эта система передачи использует частоты в диапазоне от 2 ГГц до 6 ГГц.

Беспроводная передача электроэнергии с помощью который реализовал генератор с применением подобных магнитных колебаний. Суть заключается в том, что это устройство работало благодаря трем транзисторам.

Использование пучка лазера для передачи мощности в виде световой энергии, которая преобразуется в электрическую на приемном конце. Непосредственно сам материал получает питание с использованием источников, таких как Солнце или любой генератор электроэнергии. И, соответственно, реализует фокусированный свет высокой интенсивности. Размер и форма пучка определяются набором оптики. И этот передаваемый лазерный свет принимается фотогальваническими ячейками, которые преобразуют его в электрические сигналы. Он обычно использует оптоволоконные кабели для передачи. Как и в базовой солнечной энергетической системе, приемник, используемый в распространении на основе лазера, представляет собой массив фотоэлектрических элементов или солнечной панели. Они, в свою очередь, могут преобразовывать бессвязный в электричество.

Сущностные особенности работы устройства

Мощность катушки Тесла заключается в процессе, называемом электромагнитной индукцией. То есть, изменяющееся поле создает потенциал. Он заставляет протекать ток. Когда электричество течет через катушку провода, он генерирует магнитное поле, которое заполняет область вокруг обмотки определенным образом. В отличие от некоторых других экспериментов с высоким напряжением, катушка Тесла выдержала множество проверок и проб. Процесс был достаточно трудоемким и длительным, но результат был успешным, потому и удачно запатентован ученым. Создать подобную катушку можно при наличии определенных составляющих. Для реализации потребуются следующие материалы:

длина 30 см ПВХ (чем больше, тем лучше);
медная эмалированная проволока (вторичный провод);
березовая доска для основания;
2222A транзистор;
подсоединение (первичный) провод;
резистор 22 кОм;
переключатели и соединительные провода;
аккумулятор 9 вольт.

Этапы реализации устройства Тесла

Для начала необходимо поместить небольшой слот в верхнюю часть трубы, чтобы обернуть один конец провода вокруг. Медленно и осторожно обматывать катушку, следя за тем, чтобы не перекрывать провода и, при этом, не создавать пробелов. Этот шаг - самая сложная и утомительная часть, но потраченное время даст очень качественную и хорошую катушку. Каждые 20, или около того, поворотов помещаются кольца маскирующей ленты вокруг обмотки. Они выступают в качестве барьера. В случае, если катушка начнет распутываться. По завершении нужно обернуть плотную ленту вокруг верхней и нижней части обмотки и распылить ее 2 или 3 слоями эмали.

Затем необходимо подключить первичный и вторичный аккумулятор к батарее. После - включить транзистор и резистор. Меньшая обмотка является основной, а более длительная обмотка - вторичной. Можно дополнительно установить алюминиевую сферу сверху трубы. Кроме того, соединить открытый конец вторичной с добавленной, которая будет действовать как антенна. Необходимо создавать все с тщательной осторожностью, чтобы не дотрагиваться до вторичного устройства при включении питания.

При самостоятельной реализации существует опасность возгорания. Нужно перевернуть выключатель, установить лампу накаливания рядом с беспроводным устройством передачи энергии и наслаждаться световым шоу.

Беспроводная передача через систему солнечной энергии

Традиционные проводные конфигурации реализации энергии обычно требуют наличия проводов между распределенными устройствами и потребительскими единицами. Это создает множество ограничений как стоимость системных затрат на кабели. Потери, понесенные в передаче. А также растраты в распределении. Только сопротивление линии передачи приводит к потере около 20-30% генерируемой энергии.

Одна из самых современных беспроводных систем передачи энергии основана на передаче солнечной энергии с использованием микроволновой печи или луча лазера. Спутник размещен на геостационарной орбите и состоит из фотоэлектрических элементов. Они преобразуют солнечный свет в электрический ток, который используется для питания микроволнового генератора. И, соответственно, реализует мощность микроволн. Это напряжение передается с использованием радиосвязи и принимается на базовой станции. Она представляет собой комбинацию антенны и выпрямителя. И преобразуется обратно в электричество. Требует питания переменного или постоянного тока. Спутник может передавать до 10 МВт мощности радиочастоты.

Если говорить о системе распространения постоянного тока, то даже это невозможно. Так как для этого требуется разъем между источником питания и устройством. Существует такая картина: система полностью лишена проводов, где можно получить мощность переменного тока в домах без каких-либо дополнительных устройств. Там, где есть возможность зарядить свой мобильный телефон без необходимости физически подключаться к гнезду. Конечно, такая система возможна. И множество современных исследователей пытаются создать нечто модернизированное, при этом, изучив роль разработки новых способов беспроводной передачи электроэнергии на расстоянии. Хотя, с точки зрения экономической составляющей, для государств это будет не совсем выгодно, если внедрять такие устройства повсеместно, и заменять стандартное электричество на природное.

Истоки и примеры беспроводных систем

Эта концепция, на самом деле, не является новой. Вся эта идея была разработана Николасом Тесла в 1893 году. Когда он разработал систему освещающих вакуумных ламп с использованием техники беспроводной передачи. Невозможно себе представить, чтобы мир существовал без различных источников зарядки, которые выражены в материальном виде. Чтобы стали возможными мобильные телефоны, домашние роботы, MP3-плееры, компьютер, ноутбуки и другие транспортируемые гаджеты, которые заряжались бы самостоятельно, без каких-либо дополнительных подключений, освобождая пользователей от постоянных проводов. Некоторые из этих устройств могут даже не требовать большого количества элементов. История беспроводной передачи энергии достаточно насыщена, причем, в основном, благодаря разработкам Тесла, Вольта и др. Но, сегодня это остается лишь данными в физической науке.

Основной принцип заключается в преобразовании питания переменного тока в постоянное напряжение с помощью выпрямителей и фильтров. А затем - в возращение в исходное значение на высокой частоте с использованием инверторов. Эта низковольтная с высшими колебаниями мощность переменного тока затем переходит от первичного трансформатора к вторичному. Преобразуется в постоянное напряжение с использованием выпрямителя, фильтра и регулятора. Сигнал переменного тока становится прямым благодаря звуку тока. А также использованию секции выпрямителя моста. Полученный сигнал постоянного тока проходит через обмотку обратной связи, которая действует как схема генератора. При этом заставляет транзистор его проводить в первичный преобразователь в направлении слева направо. Когда ток проходит через обмотку обратной связи, соответствующий ток протекает к первичной части трансформатора в направлении справа налево.

Таким образом работает ультразвуковой способ передачи энергии. Сигнал формируется через первичный преобразователь для обоих полупериодов оповещения переменного тока. Частота звука зависит от количественных показателей колебаний цепей генератора. Этот сигнал переменного тока появляется на вторичной обмотке трансформатора. А когда он подключен к первичному преобразователю другого объекта, напряжение переменного тока составляет 25 кГц. Появляется показание через него в понижающем трансформаторе.

Это напряжение переменного тока выравнивается с помощью мостового выпрямителя. И затем фильтруется и регулируется, чтобы получить выход 5 В для управления светодиодом. Выходное напряжение 12 В от конденсатора используется для питания двигателя вентилятора постоянного тока для его работы. Итак, с точки зрения физики, передача электроэнергии - достаточно развитая область. Однако, как показывает практика, беспроводные системы не до конца развиты и усовершенствованы.

Если верить истории, революционный технологический проект был заморожен из-за отсутствия у Теслы должных финансовых возможностей (эта проблема преследовала ученого практически все время его работы в Америке). Говоря в целом, основное давление на него оказывалось со стороны другого изобретателя — Томаса Эдисона и его компаний, которые продвигали технологию постоянного тока, в то время как Тесла занимался током переменным (так называемая «Война токов»). История расставила все на свои места: сейчас переменный ток используется в городских электросетях практически повсеместно, хотя отголоски прошлого доходят и до наших дней (например, одна из заявленных причин поломок пресловутых поездов Hyundai - использование на некоторых участках украинской ЖД электролиний постоянного тока).

Башня Ворденклиф, в которой Никола Тесла проводил свои эксперименты с электричеством (фото 1094 года)

Что же касается башни Ворденклиф, то, если верить легенде, Тесла продемонстрировал одному из главных инвесторов Дж.П. Моргану, акционеру первой в мире Ниагарской ГЭС и медных заводов (медь, как известно, используется в проводах), работающую установку по беспроводной передаче тока, стоимость которого для потребителей была бы (заработай такие установки в промышленных масштабах) на порядок дешевле для потребителей, после чего он свернул финансирование проекта. Как бы там ни было, всерьез о беспроводной передаче электроэнергии заговорили только спустя 90 лет, в 2007 году. И хотя до того момента, как линии электропередач полностью исчезнут из городского пейзажа, еще далеко, приятные мелочи вроде беспроводной зарядки мобильного устройства доступны уже сейчас.

Прогресс подкрался незаметно

Если мы просмотрим архивы ИТ-новостей хотя бы двухгодичной давности, то в таких подборках обнаружим разве что редкие сообщения о том, что те или иные компании занимаются разработкой беспроводных зарядных устройств, и ни слова о готовых продуктах и решениях (кроме базовых принципов и общих схем). На сегодняшний же день беспроводная зарядка уже не является чем-то сверхоригинальным или концептуальным. Подобные устройства вовсю продаются (например, свои зарядки на MWC 2013 демонстрировала LG), испытываются для электромобилей (этим занимается Qualcomm) и даже используются в общественных местах (например, на некоторых европейских ЖД-вокзалах). Более того, уже существуют несколько стандартов такой передачи электроэнергии и несколько альянсов, продвигающих и развивающих их.

За беспроводную зарядку мобильных устройств отвечают подобные катушки, одна из которых находится в телефоне, а другая - в самом зарядном устройстве

Самым известным таким стандартом является стандарт Qi, разрабатываемый Wireless Power Consortium, в который входят такие известные компании, как HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Sony и еще около сотни других организаций. Этот консорциум был организован в 2008 году с целью создания универсального зарядного устройства для девайсов различных производителей и торговых марок. В своей работе стандарт использует принцип магнитной индукции, когда базовая станция состоит из индукционной катушки, которая создает электромагнитное поле при поступлении переменного тока из сети. В заряжаемом же устройстве присутствует похожая катушка, которая реагирует на это поле и умеет преобразовывать полученную через него энергию в постоянный ток, который используется для зарядки аккумулятора (подробно ознакомиться с принципом работы можно на сайте консорциума http://www.wirelesspowerconsortium.com/what-we-do/how-it-works/). Кроме того, Qi поддерживает протокол передачи данных между зарядными и заряжаемыми устройствами на скорости 2 кб/с, который используется для передачи данных о необходимом объеме зарядки и выполнении требуемой операции.

Беспроводную зарядку по стандарту Qi на сегодняшний день поддерживают многие смартфоны, а зарядные устройства универсальны для всех аппаратов, поддерживающих данный стандарт

Есть у Qi и серьезный конкурент - Power Matters Alliance, в который входят AT&T, Duracell, Starbucks, PowerKiss и Powermat Technologies. Эти имена находятся далеко не на первых ролях в мире информационных технологий (особенно сеть кофеен Starbucks, которая находится в альянсе из-за того, что собирается повсеместно внедрять в своих заведениях данную технологию), - они специализируются именно на энергетических вопросах. Данный альянс был сформирован не так давно, в марте 2012 года, в рамках одной из программ IEEE (Института инженеров электротехники и электроники). Продвигаемый ими стандарт PMA работает по принципу взаимной индукции - частного примера электромагнитной индукции (которую не следует путать с магнитной индукцией, используемой Qi), когда при изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока через контур второго, созданного магнитным полем, порожденным током в первом проводнике, что вызывает возникновение электродвижущей силы во втором проводнике и (если второй проводник замкнут) индукционного тока. Так же, как и в случае с Qi, этот ток потом преобразуется в постоянный и подается в аккумулятор.

Ну, и не стоит забывать об Alliance for Wireless Power, в которую входят Samsung, Qualcomm, Ever Win Industries, Gill Industries, Peiker Acustic, SK Telecom, SanDisk и т. д. Эта организация пока не представила готовых решений, но среди ее целей, в том числе, - разработка зарядок, которые бы работали через неметаллические поверхности и в которых бы не использовались катушки.

Одна из целей организации Alliance for Wireless Power - возможность зарядки без привязки к конкретному месту и типу поверхности

Из всего вышенаписанного можно сделать простой вывод: через год-два большинство современных устройств смогут подзаряжаться без использования традиционных зарядных устройств. Пока же мощности беспроводной зарядки хватает, в основном, на смартфоны, однако для планшетов и ноутбуков такие устройства тоже скоро появятся (та же Apple не так давно запатентовала беспроводную зарядку для iPad). Это значит, что проблема разрядки устройств будет решена практически полностью - положил или поставил устройство в определенное место, и даже во время работы оно заряжается (или, в зависимости от мощности, разряжается намного медленнее). Со временем, можно не сомневаться, радиус их действия будет расширяться (сейчас необходимо использовать специальный коврик или подставку, на котором лежит устройство, либо оно должно находиться совсем рядом), и они будут повсеместно устанавливаться в автомобили, поезда и даже, возможно, самолеты.

Ну, и еще один вывод - скорее всего, не удастся избежать очередной войны форматов между разными стандартами и альянсами, продвигающими их.

Избавимся ли мы от проводов?

Беспроводная зарядка устройств - штука, конечно, хорошая. Но мощности, которые возникают при ней, достаточны только для заявленных целей. С помощью этих технологий пока невозможно даже осветить дом, не говоря уже о работе крупной бытовой техники. Тем не менее, эксперименты по высокомощной беспроводной передаче электроэнергии ведутся и базируются они, в том числе, и на материалах Теслы. Сам ученый предлагал установить по всему миру (тут, скорее всего, подразумевались развитые на тот момент страны, которых было намного меньше, чем сейчас) более 30 приемо-передающих станций, которые совмещали бы передачу энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, что позволило бы избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало объединению электрических генерирующих в глобальном масштабе.

Сегодня есть несколько методов решения задачи беспроводной передачи энергии, правда, все они пока позволяют добиться несущественных в глобальном плане результатов; речь идет даже не о километрах. Такие методы, как ультразвуковая, лазерная и электромагнитная передача, имеют существенные ограничения (короткие дистанции, необходимость прямой видимости передающих устройств, их размер, а в случае с электромагнитными волнами -очень низкий КПД и вред здоровью от мощного поля). Поэтому самые перспективные разработки связаны с использованием магнитного поля, а точнее - резонансного магнитного взаимодействия. Одна из них - WiTricity, разработкой занимается концерн WiTricity corporation, основанной профессором MIT Марином Солячичем и рядом его коллег.

Так, в 2007 году им удалось передать ток мощностью 60 Вт на расстояние 2 м. Его хватило на свечение лампочки, а КПД составлял 40 %. Но неоспоримым плюсом использовавшейся технологии являлось то, что она практически не взаимодействует ни с живыми существами (сила поля, по заявлению авторов, в 10 тыс. раз слабее, чем то, что царит в сердцевине магнитно-резонансного томографа), ни с медицинским оборудованием (кардиостимуляторы и т. п.), ни с другим излучением, а значит, не помешает, например, работе того же Wi-Fi.

Что самое интересное, на КПД системы WiTricity влияют не только размер, геометрия и настройка катушек, а также дистанция между ними, но и число потребителей, причем в положительном плане. Два приемных прибора, размещенные на расстоянии от 1,6 до 2,7 м по обе стороны от передающей «антенны», показали на 10 % лучший КПД, чем по отдельности - это решает проблему подключения множества устройств к одному источнику питания.

Мы презентуем устройство передачи электроэнергии без проводов с коэффициентом полезного действия (КПД) около 100%. В дальнейшем будет обоснована величина КПД ≈ 100% и, разумеется, мы демонстрируем эту величину нашим экспериментальным устройством.

Важность проблемы беспроводной передачи электроэнергии не подлежит сомнению – преодоление естественных преград (реки, горы и долины); резервное электроснабжение, электротранспорт, решение ряда задач беспроводного электропитания бытовых и промышленных устройств и т.д. – всё это элементы названной проблемы.

Немного истории

Впервые проблему беспроводной передачи электроэнергии обозначил на заре прошлого века Н. Тесла. В основе его демонстрационного устройства был положен метод излучения и приема электромагнитных волн открытым резонансным контуром, который содержит антенну – емкость и катушку провода – индуктивность. Характерные показатели устройства Теслы сводятся к следующим: КПД = 4%, дальность передачи – 42 км, максимальный габарит башни-антенны – 60 м, длина волны – 2000 м. Существенно, что в устройстве Теслы планета Земля рассматривается как один из проводов в передаче электроэнергии, поскольку излучение и прием столь длинных волн без заземления не эффективны.

После экспериментов Теслы, на протяжении прошлого ХХ века все попытки осуществить беспроводную передачу электроэнергии с приемлемым КПД оказались безрезультатными.

В текущем десятилетии прямо или косвенно сообщается о работах в Масачуссетском Технологическом Университете под руководством М. Соля-чича. В основе их работ лежит известный индукционный, при помощи магнитного поля, метод передачи электроэнергии, который реализован резонансными плоскими катушками индуктивности. Этот метод в идеале обеспечивает КПД = 50%, при дальности передачи соизмеримой с габаритами катушек-антенн. Характерные показатели их демонстрационного устройства сводятся к следующим: КПД ≈ 40%, дальность передачи – 2 м, габарит катушек-антенн – 0,6 м, длина волны – 30 м.

Энергетически замкнутая система

В нашем устройстве, как и в устройстве Теслы, переносчиком энергии являются электромагнитные волны, т.е. действует общеизвестный вектор Пойнтинга.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено следующее: передающая и приемная антенны устройства беспроводной передачи электроэнергии образуют энергетически замкнутую систему, частично включающую в себя и энергию электромагнитного поля Земли; через возбуждение (активацию) электромагнитного поля Земли в этой системе происходит передача электроэнергии от передающей антенны к приемной с КПД ≈ 100% (фиг. 1).

Фиг. 1

Фиг. 2

Пользуясь этой антенной, несложно сформулировать задачу, решение которой обеспечит передачу электроэнергии без проводов:

1. Передающая и приемная антенны должны возбуждать (активировать) электромагнитное поле Земли в локальной (ограниченной) области пространства;

2. Возбужденное электромагнитное поле Земли должно быть также локальным в пространстве и не потреблять энергии (должно представлять собой стоячую электромагнитную волну между передающей и приемной антеннами).

Решение этой задачи нереально с антеннами, созданными на основе пространственных представлений геометрии Эвклида с ее знаменитым 5ым постулатом – постулатом о параллельных прямых. Этот постулат в школьных учебниках гласит: через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести только одну прямую параллельную данной.

фиг. 3

Знаменитость этого постулата состоит в том, что, начиная с І ст. до н.э., на протяжении 2000 лет лучшие умы мира безуспешно пытались доказать его как теорему. И вот в 1826 г. россиянин Лобачевский изложил основы своей геометрии, в которой 5й постулат геометрии Эвклида формулировался, по сути, своим отрицанием: через точку, не лежащую на данной прямой, можно провести минимум две прямые, параллельные данной.

фиг. 4

И хотя этот постулат не очень согласуется с нашими пространственными представлениями, геометрия Лобачевского непротиворечива и исправно служит физикам в последнее время. Например, геометрия Лобачевского причастна к описанию громадного ряда явлений от колебаний в механических передаточных линиях до взаимодействия элементарных частиц и процессов в мембране живой клетки.

Псевдосфера

Правда, до 1863 г., на протяжении почти 40 лет, геометрия Лобачевского воспринималась как нечто, не имеющее отношение к реальности. Но, в 1863 г. итальянский математик Бельтрами установил, что все свойства плоскости геометрии Лобачевского реализуются на поверхности псевдосферы – геометрического тела, свойства которого совпадают либо противоположны свойствам сферы. На фиг. 5 изображена псевдосфера, а на фиг. 6 ее образующая – трактриса с асимптотой X’X. При равенстве радиусов больших окружностей (параллелей) псевдосферы и сферы можно количественно сравнивать объемы и площади поверхностей их.

фиг. 5

фиг. 6

Именно в форме полупсевдосфер изготавливаются антенны нашего устройства; нами демонстрируется устройство со следующими характеристиками: КПД = 100%, дальность передачи – 1,8 м, максимальный габарит катушек антенн – 0,2 м, длина волны – 500 м, заземление не обязательно.

Здесь следует отметить, что совокупность названных характеристик демонстрационного устройства противоречит основам классической электродинамики – радиотехники.

Какие же свойства антенн-полупсевдосфер обеспечивают такие характеристики нашего устройства?

Среди более десятка экстраординарных свойств псевдосферы заслуживает внимания прежде всего следующее:

бесконечно протяженное в пространстве тело псевдосферы имеет конечный объем и конечную площадь поверхности.

Именно это свойство псевдосферы позволяет при помощи антенн-полупсевдосфер создать конечную, ограниченную в пространстве, энергетически замкнутую систему, что является необходимым условием для передачи энергии из КПД = 100%.

Вторая фундаментальная задача, которая решается в нашем устройстве, касается среды, заполняющей упомянутую энергетически замкнутую систему. Суть в том, что только в квантовой электродинамике, плодом которой являются лазеры и мазеры, среда рассматривается активной. Напротив, в классической электродинамике среда относится к пассивным объектам; с ней связывается затухание, потери электромагнитной энергии при распространении.

Невероятно, но факт, в нашем устройстве происходит активация электрического и магнитного полей Земли. Эти поля являются объектами среды в нашем устройстве, поскольку заполняют упомянутую энергетически замкнутую систему. Активизация этой среды является также следствием свойств псевдосферы.

Суть в том, что все точки на поверхности псевдосферы являются, как утверждают математики, гиперболическими, разрывными в пространстве. Применительно к антеннам-полупсевдосферам нашего устройства это равносильно разрывам, квантованию электрического и магнитного полей в каждой точке провода намотки катушек антенн-полупсевдосфер. Это ведет к электромагнитным возмущениям – волнам, длина которых соизмерима с диаметром провода намотки катушек антенн-полупсевдосфер, т.е. практически длина таких волн составляет величину порядка 1 мм и меньше. Такие электромагнитные волны, как свидетельствует теория и практика, способны, через поляризацию молекул воздуха или непосредственно, активизировать электромагнитное поле Земли и тем самым компенсировать потери электромагнитной энергии на пути передачи ее в нашем устройстве. Это также необходимо для объяснения КПД = 100%.

Мало этого, нами заявлен генератор избыточной электромагнитной энергии, коэффициент преобразования энергии (КПЭ) которого составляет величину более 400%; т.е. сравнимо из КПЭ известных тепловых насосов.

И о последней, третьей задаче, которая решается в нашем устройстве.

Общеизвестно, что энергия переносится в пространстве только бегущей электромагнитной волной, волной, в которой электрическое и магнитное поле синфазны. Это условие невозможно реализовать на расстоянии 1,8 м при длине волны 500 м. Но, общеизвестно также, что скорость движения бегущей электромагнитной волны вдоль прямолинейного или криволинейного проводника замедляется, уменьшается в сравнении со скоростью в свободном пространстве; уменьшается также длина волны. Этот эффект широко применяется в электрорадиотехнике в так называемых замедляющих системах. Уменьшение длины волны в этих системах составляет от десятых долей единицы с прямолинейными проводами до 30 единиц с криволинейными (спиральными).

Именно эффект замедления, уменьшения длины волны позволяет формировать бегущую волну на небольших расстояниях в нашем устройстве.

Действительно, длина волны нашего демонстрационного устройства уменьшается до длины упомянутой выше длины , которая и формирует бегущую, переносящую энергию электромагнитную волну в нашем устройстве. Коэффициент уменьшения волны при этом составляет величину единиц. Такое громадное уменьшение длины волны объясняет и тот экспериментальный факт, что наше устройство эффективно работает и без заземления передатчика и приемника электроэнергии.

В работе нашего устройства задействовано еще одно удивительное свойство псевдосферы:

объем псевдосферы составляет половину объема сферы, при этом площади их поверхностей равны.

Из этого свойства следует, что объем сферы, ограниченный собственной площадью поверхности, содержит два объема псевдосферы, ограниченные двумя совмещенными собственными площадями поверхности и третьей площадью упомянутой сферы. Это позволяет представить объем сферы вокруг Земли , заполненный электрическим и магнитным полями Земли, двумя объемами псевдосферы и , каждый из которых ограничен площадями и содержит половины электрического и магнитного полей Земли (фиг. 7). Учитывая этот факт и факт неизбежного нахождения нашего устройства только на одной стороне земли, утверждается что антенны нашего устройства взаимодействуют только из половинами электрического и магнитного полей Земли. При этом, не следует полагать, что вторые половины этих полей бездействуют. В этом убеждает ниже следующее.

фиг. 7

Вспомним, что большинство законов физики сформулированы для инерциальных систем отсчета, в которых время безотносительное (абсолютное), пространство изотропно, скорость прямолинейного движения электромагнитных волн (света) абсолютна и т.д. В рамках инерциальных систем отсчета общеизвестно, что в свободном пространстве при отражении бегущей электромагнитной волны образуется стоячая, в которой различаются отдельно стоячая электрическая волна и отдельно стоячая магнитная волна. При длине бегущей волны, равной , длины стоячих электрической и магнитной волн равны половине длины бегущей, т.е. . Существенно также, что период этих стоячих волн равен периоду бегущей волны, т.е. , поскольку период стоячей волны состоит из суммы двух полупериодов прямой и отраженной полуволн.

Факт вычисления, а не экспериментального определения, величины с точностью, зависящей от точности определения длительности суток на Земле, позволяет совершенно по-новому взглянуть на ряд проблем физики.

До сих пор не решена проблема передачи энергии на расстояние. Хотя была поставлена на рубеже веков. Первым, кто смог осуществить эту мечту стал Никола Тесла: "Передача энергии без проводов - не теория и не просто вероятность, как это представляется большинству людей, но явление, которое я экспериментально демонстрировал в течение ряда лет. Сама идея появилась у меня не сразу, а в результате длительного и постепенного развития и стала логическим следствием моих исследований, которые были убедительно продемонстрированы в 1893 году, когда я впервые представил миру схему моей системы беспроводной передачи энергии для всевозможных целей. Мои опыты с токами высокой частоты были первыми за всё время, проведенными публично, и они вызвали острейший интерес по причине тех возможностей, которые они открывали, а также поразительной природы самих явлений. Немногие из специалистов, знакомых с современной аппаратурой, по достоинству оценят трудность задачи, когда у меня в распоряжении были примитивные устройства”.

В 1891 Никола Тесла сконструировал резонансный трансфоpматоp (тpансфоpматоp Тесла), позволяющий получать высокочастотные колебания напряжения с амплитудой до миллиона вольт, и первым указал на физиологическое воздействие токов высокой частоты. Наблюдаемые во время грозы стоячие волны электрического поля привели Тесла к идее о возможности создания системы для обеспечения электроэнеpгией удаленных от генеpатоpа потребителей энергии без использования проводов. Изначально катушка Тесла использовалась с целью передачи энергии на большие расстояния без проводов, но вскоре эта идея отошла на последний план, так как передать таким образом энергию на расстояние практически невозможно, причиной этому является маленький КПД катушки Тесла.

Трансформатор Тесла, или катушка Тесла, - единственное из изобретений Николы Тесла, носящих его имя сегодня. Это классический резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение при высокой частоте. Это устройство использовалось ученым в нескольких размерах и вариациях для его экспериментов. Прибор был заявлен патентом № 568176 от 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».

Существует 3 вида катушек Тесла:

SGTC-spark gap Tesla coil - катушка Тесла на искровом промежутке.
VTTC-vacuum tube Tesla coil - катушка Тесла на радиолампе.
SSTC-solid state Tesla coil - катушка тесла на более сложных деталях.

Описание конструкции трансформатора. В элементарной форме состоит из двух катушек - первичной и вторичной, а также обвязки, состоящей из разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатора и терминала (на схеме показан как «выход»). В отличие от многих других трансформаторов, здесь нет никакого ферримагнитного сердечника. Таким образом, взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у обычных трансформаторов с ферримагнитным сердечником. У данного трансформатора также практически отсутствует магнитный гистерезис, явления задержки изменения магнитной индукции относительно изменения тока и другие недостатки, вносимые присутствием в поле трансформатора ферромагнетика. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент - разрядник (искровой промежуток). Разрядник, в простейшем случае, обыкновенный газовый; выполненный обычно из массивных электродов.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора выполняет ёмкостная связь между тороидом, оконечным устройством, витками самой катушки и другими электропроводящими элементами контура с Землей. Оконечное устройство (терминал) может быть выполнено в виде диска, заточенного штыря или сферы. Терминал предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины. Геометрия и взаимное положение частей трансформатора Тесла сильно влияют на его работоспособность, что аналогично проблематике проектирования любых высоковольтных и высокочастотных устройств.

Ещё одно интересное устройство - генератор Ван де Граафа. Это генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Первый генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 и позволял получать разность потенциалов до 80 киловольт. В 1931 и 1933 были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения до 7 миллионов вольт. Схема генератора Ван де Граафа:

Большой полый металлический электрод, имеющий вид полусферического купола, установлен на высоковольтной изолирующей колонне. В полость электрода заходит верхний конец ленточного транспортера электрических зарядов, представляющий собой бесконечный резиновый ремень на текстильной основе, натянутый на два металлических шкива и движущийся обычно со скоростью 20 - 40 м/сек. Нижний шкив, установленный на металлической плите, вращается электродвигателем. Верхний шкив размещается под высоковольтным электродом-куполом и находится под полным напряжением машины. Там же находится система питания источника ионов и сам источник. Нижний конец ленты проходит мимо электрода поддерживаемого обычным высоковольтным источником под высоким относительно земли напряжением до 100 кВ. В результате коронного разряда электроны с ленты переносятся на электрод. Положительный заряд поднимаемой транспортером ленты компенсируется вверху электронами купола, который получает положительный заряд. Максимально достижимый потенциал ограничивается изолирующими свойствами колонны и воздуха вокруг нее. Чем больше электрод, тем выше потенциал он может выдержать. Если установка герметически закрыта и внутреннее пространство наполнено сухим сжатым газом, размеры электрода для данного потенциала могут быть уменьшены. Заряженные частицы ускоряются в откачанной трубке, расположенной между высоковольтным электродом и «землей» или между электродами, если их два. С помощью генератора Ван-де-Граафа может быть получен очень высокий потенциал, что позволяет ускорять электроны, протоны и дейтроны до энергии 10 Мэв, а альфа-частицы, несущие двойной заряд до 20 Мэв. Энергию заряженных частиц на выходе генератора можно легко контролировать с большой точностью, что делает возможными точные измерения. Ток пучка протонов в постоянном режиме 50 мкА, а в импульсном режиме может быть доведен до 5 мА.

Беспроводное электричествостало известно с 1831 года, когда Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Он экспериментально установил, что меняющееся магнитное поле, порождаемое электрическим током, может индуцировать электрический ток в ином проводнике. Проводились многочисленные опыты, благодаря чему появился первый электрический трансформатор. Однако полноценно воплотить идею передачи электричества на расстоянии в практическом применении удалось лишь Николе Тесла.

На Всемирной выставке в Чикаго в 1893-м году он показал беспроводную передачу электричества, зажигая фосфорные лампочки, которые отстояли друг от друга. Тесла продемонстрировал множество вариаций по передаче электричества без проводов, мечтая, что в будущем данная технология позволит людям передавать энергию в атмосфере на большие расстояния. Но в это время это изобретение ученого оказалось невостребованным. Лишь век спустя технологиями Николы Теслы заинтересовались компании Intel и Sony, а за тем и иные компании.

Как это работает

Беспроводное электричество в буквальном смысле представляет передачу электрической энергии без проводов. Часто эту технологию сравнивают с передачей информации, к примеру, с Wi-Fi, сотовыми телефонами и радио. Беспроводная электроэнергия – это сравнительно новая и динамично развивающаяся технология. Сегодня разрабатываются методы, как безопасно и эффективно передавать на расстоянии энергию без перебоев.

Технология основана на магнетизме и электромагнетизме и базируется на ряде простых принципов работы. В первую очередь это касается наличия в системе двух катушек.

Система состоит из передатчика и приемника, генерирующих вместе переменное магнитное поле непостоянного тока.
Это поле создает напряжение в катушке приемника, к примеру, для зарядки аккумулятора или питания мобильного устройства.
При направлении электрического тока через провод вокруг кабеля появляется круговое магнитное поле.
На мотке проволоки, куда не поступает электрический ток напрямую, начнет поступать электрический ток от первой катушки через магнитное поле, в том числе вторую катушку, обеспечивая индуктивную связь.

Принципы передачи

До последнего времени наиболее совершенной технологией передачи электроэнергии считалась магнитно-резонансная система CMRS, созданная в 2007 году в Массачусетском технологическом институте. Данная технология обеспечивала передачу тока на расстояние до 2,1 метра. Однако запустить ее в массовое производство мешали некоторые ограничения, к примеру, высокая частота передачи, большие размеры, сложная конфигурация катушек, а также высокая чувствительность к внешним помехам, в том числе к присутствию человека.

Однако ученые из Южной Кореи создали новый передатчик электроэнергии, который позволит передавать энергию до 5 метров. А все приборы в комнате будут питаться от единого хаба. Резонансная система из дипольных катушек DCRS способна работать до 5 метров. Система лишена целого ряда недостатков CMRS, в том числе применяются довольно компактные катушки размерами 10х20х300 см, их можно незаметно установить в стены квартиры.

Эксперимент позволил передать на частоте 20 кГц:

209 Вт на 5 м;
471 Вт на 4 м;
1403 Вт на 3 м.

Беспроводное электричество позволяет запитывать современные большие ЖК-телевизоры, требующих 40 Вт, на расстоянии 5 метров. Единственное из электросети будет «выкачиваться» 400 ватт, однако не будет никаких проводов. Электромагнитная индукция обеспечивает высокий КПД, но на малом расстоянии.

Существуют и иные технологии, которые позволяют передавать электроэнергию без проводов. Наиболее перспективными из них являются:

Лазерное излучение . Обеспечивает защищенность сетей, а также большую дальность действия. Однако требуется прямая видимость между приемником и передатчиком. Работающие установки, применяющие питание от лазерного луча, уже созданы. Lockheed Martin, американский производитель военной техники и самолетов, испытал беспилотный летательный аппарат Stalker, который питается от лазерного луча и остается в воздухе в течение 48 часов.
Микроволновое излучение . Обеспечивает большую дальность действия, но имеет высокую стоимость оборудования. В качестве передатчика электроэнергии применяется радиоантенна, которая создает микроволновое излучение. На устройстве-приемнике стоит ректенна, которая преобразует в электроток принимаемое микроволновое излучение.

Данная технология дает возможность существенного удаления приемника от передатчика, в том числе нет прямой нужды прямой видимости. Но с увеличением дальности пропорционально увеличивается себестоимость и размеры оборудования. В то же время микроволновое излучение большой мощности, создаваемое установкой, может наносить вред окружающей среде.

Особенности

Самая реалистичная из технологий — беспроводное электричество на основе электромагнитной индукции. Но существуют ограничения. Ведутся работы по масштабированию технологии, но здесь появляются вопросы безопасности для здоровья.
Технологии передачи электричества при помощи ультразвука, лазера и микроволнового излучения также будут развиваться и тоже найдут свои ниши.
Орбитальные спутники с громадными солнечными батареями нуждаются в ином подходе, потребуется прицельная передача электроэнергии. Здесь уместен лазер и СВЧ. На данный момент нет идеального решения, однако имеется много вариантов со своими плюсами и минусами.
В настоящее время крупнейшие производители телекоммуникационного оборудования объединились в консорциум беспроводной электромагнитной энергии с целью создания всемирного стандарта для беспроводных зарядных устройств, которые действуют по принципу электромагнитной индукции. Из крупных производителей поддержку стандарта QI на ряде своих моделей обеспечивают Sony, Samsung, Nokia, Motorola Mobility, LG Electronics, Huawei, HTC. В скором времени QI станет единым стандартом для любых подобных устройств. Благодаря этому можно будет создавать беспроводные зоны подзарядки гаджетов в кафе, на транспортных узлах и в иных общественных местах.

Применение

Микроволновый вертолет. Модель вертолета имела ректенну и поднималась на высоту 15 м.
Беспроводное электричество применяется для питания электрических зубных щеток. Зубная щетка имеет полную герметичность корпуса и не имеет разъемов, что позволяет избежать удара током.
Питание самолетов при помощи лазера.
В продаже появились системы беспроводной зарядки мобильных устройств, которые можно использовать повседневно. Они работают на базе электромагнитной индукции.
Универсальная зарядная площадка. Они позволяют питать энергией большую часть популярных моделей смартфонов, которые не оборудованы модулем для беспроводной зарядки, в том числе обычные телефоны. Кроме самой зарядной площадки будет нужно купить чехол-приемник для гаджета. Он соединяется со смартфоном через USB-порт и через него заряжается.
На текущий момент на мировом рынке продается свыше 150 устройств до 5 Ватт, которые поддерживают стандарт QI. В будущем появится оборудование средней мощности до 120 Ватт.

Перспективы

Сегодня ведутся работы над крупными проектами, которые будут использовать беспроводное электричество. Это питание электромобилей «по воздуху» и бытовые электросети:

Густая сеть автозарядных точек позволит уменьшить аккумуляторы и значительно снизить себестоимость электромобилей.
В каждой комнате будут устанавливаться источники питания, которые будут передавать электроэнергию аудио- и видеоаппаратуре, гаджетам и бытовым приборам, оборудованными соответствующими адаптерами.

Достоинства и недостатки

Беспроводное электричество имеет следующие преимущества:

Не требуются источники питания.
Полное отсутствие проводов.
Упразднение необходимости использования батарей.
Требуется меньше технического обслуживания.
Огромные перспективы.

К недостаткам также можно отнести:

Недостаточная проработанность технологий.
Ограниченность по расстоянию.
Магнитные поля не являются полностью безопасными для человека.
Высокая стоимость оборудования.