Jaké jsou možnosti bezkontaktního přenosu energie?

Tsygankov, A. V. Metody přenosu elektřiny pomocí bezdrátových metod / A. V. Tsygankov, B. E. Kivenko, D. K. Berezovsky. — Text: bezprostřední // Mladý vědec. — 2020. — Č. 42 (332). — S. 19-23. — URL: https://moluch.ru/archive/332/74121/ (datum přístupu: 21.11.2023. XNUMX. XNUMX).

V článku autoři hovoří o metodách bezdrátového přenosu elektřiny a sestavují dvě zařízení schopná přenášet elektřinu a elektrostatické záření.

Klíčová slova: bezdrátový přenos energie, zařízení, elektromagnetický impuls, střídavý proud, SWER, přenos energie.

Objevy, které přispěly k vytvoření technologií bezdrátového přenosu energie, byly objeveny již ve XNUMX. století. Ale tyto objevy našly široké uplatnění až v XNUMX. století. A v naší době je technologie bezdrátových sítí současností a budoucností ve vědě a každodenním životě. Bezdrátové technologie mohou nejen zlepšit život lidstva, ale také vyřešit spoustu ekologických problémů souvisejících se zdroji planety Země a znečištěním ekosystému.

Účel práce: zjistit, jaké typy bezdrátového přenosu energie existují a zjistit, jak fungují.

V této metodě je vysílač a přijímač (obr. 1). Vysílač vysílá ultrazvuk; přijímač zase přeměnil slyšitelný ultrazvuk na elektřinu [2]. Přenášené napětí dosáhlo 8 voltů na vzdálenost 7–10 metrů. V tomto případě musí být mezi přijímačem a vysílačem přímá viditelnost. Bylo prokázáno, že používané ultrazvukové frekvence nemají na člověka žádný vliv. Použití přenosu elektrické energie pomocí ultrazvuku není možné ani praktické kvůli omezením v mnoha zemích, nízké účinnosti a vysokým nákladům na zařízení.

Rýže. 1. Příklad fungování ultrazvukového způsobu přenosu elektřiny [2, s. 3]

Jedná se o nejjednodušší a jeden z prvních otevřených způsobů bezdrátového přenosu energie. Ale hlavní nevýhoda této metody spočívá ve způsobu, jakým funguje. Elektromagnetické funguje díky elektromagnetickým polím, která by se měla nacházet ve vzdálenosti asi jedné šestiny vlnové délky. Energie blízkého pole není zářivá, ale dochází k určitým ztrátám zářením. Existují také odporové ztráty. Když se sekundární vinutí oddálí od primárního, většina magnetického pole nedosáhne sekundárního vinutí. To znamená, že i na relativně krátké vzdálenosti se indukční vazba stává extrémně neúčinnou a plýtvá většinou přenášené energie.

Nejjednodušším příkladem fungování elektromagnetické indukce je transformátor (obr. 2). Transformátor má primární a sekundární vinutí, které nejsou přímo spojeny [3]. Hlavní funkcí transformátoru je zvýšit nebo snížit primární napětí. Příkladem jsou zařízení fungující na stejném principu: bezkontaktní nabíječky pro mobilní telefony a elektrické zubní kartáčky. Tuto metodu využívají i indukční vařiče.

Rýže. 2. Elektrický transformátor ↑↑↑ [3 str. 4]

Rezonance se také používá ke zlepšení elektromagnetické indukce. Rezonanční indukce funguje díky tomu, že vysílač a přijímač jsou naladěny na stejnou frekvenci, což umožňuje, aby proud byl ve formě elektromagnetické vlny, a ne ve formě elektromagnetického pole. Výkon lze dále zlepšit změnou průběhu řídicího proudu ze sinusového na nesinusový přechodový průběh. Běžnou aplikací rezonanční elektrodynamické indukce je nabíjení baterií přenosných zařízení, jako jsou přenosné počítače a mobilní telefony, lékařské implantáty a elektrická vozidla.

Elektrostatická nebo kapacitní vazba je průchod elektřiny dielektrikem. V praxi to vypadá, že proud je generován z elektrického pole, které je vytvořeno dvěma nebo více izolovanými deskami, uzly, elektrodami nebo svorkami vyvýšenými nad vodivou plochou. Vlastní indukce se získává z elektrického pole indukovaného v deskách střídavým proudem o vysokém potenciálu a frekvenci. Vzdálenost mezi dvěma elektrodami a napájeným zařízením vytváří potenciálový rozdíl. Nejznámějším a nejběžnějším příkladem použití elektrostatické indukce jsou bezdrátové lampy, které lze umístit kdekoli v rámci elektrického pole, které zdroj vytváří.

Při této metodě hrají hlavní roli při přenosu energie rádiové vlny. Přenos energie rádiových vln může být více směrový zvýšením vzdálenosti přenosu energie snížením vlnové délky elektromagnetického záření. Rectenna lze použít k přeměně mikrovlnné energie na elektřinu s účinností přesahující 95 %.

Výhodou této metody je, že za každého počasí se při přenosu této energie ztratí pouze 5 %, ale ta se musí nejprve přeměnit na mikrovlny a poté zpět na elektřinu. Ale už existuje speciální zařízení pro konverzi, tím je magnetron. Přenos energie pomocí mikrovln umožňuje přenášet energii na poměrně dlouhé vzdálenosti a nevyžaduje ani přímou viditelnost mezi přijímačem a vysílačem, ale také stojí za zmínku, že jak se dosah zvyšuje, náklady rostou s velikostí zařízení a vysokovýkonné mikrovlny mohou poškodit lidi a životní prostředí.

Tato metoda poskytuje dosti velký dosah a zároveň vyžaduje přímou viditelnost mezi přijímačem a vysílačem (obr. 3). Hlavní výhodou této metody je, že je vhodná pro použití jak malých výrobků, tak i větších, jako jsou satelity (obr. 4). Rovněž nedochází k žádnému vysokofrekvenčnímu rušení. Také, aby přijímač mohl přijímat energii, stačí na něj namířit laserový paprsek [4].

Tento způsob má i nevýhody, např. při přeměně nízkofrekvenčního elektromagnetického záření na vysokofrekvenční záření, což je světlo, je neúčinný. Reverzní konverze je také neúčinná, protože účinnost fotočlánků dosahuje pouze 40–50 %.

Dříve se přenos energie pomocí laseru (laserová instalace) prováděl pouze ve vojenském a leteckém průmyslu, ale nyní se tato metoda používá i v průmyslu, v zařízeních s nízkým výkonem [4]. Také přenos energie laseru není tolik závislý na difrakčním záření a vlastnosti laserů umožňují zvýšit výkon a přenosovou vzdálenost.

Rýže. 3. Příklad laserové metody přenosu elektřiny [4, s. 7]

Rýže. 4. Příklad laserové metody přenosu elektřiny ve vesmíru [4, s. 7]

Elektrický systém SWER (jeden vodič se zemním návratem) je založen na zemním proudu a jednom izolovaném vodiči. V nouzových situacích mohou vysokonapěťová stejnosměrná vedení pracovat v režimu SWER (obr. 5). Nahrazení izolovaného vodiče atmosférickou zpětnou vazbou pro přenos vysokého výkonu a vysokofrekvenčního střídavého proudu se stalo jednou z metod bezdrátového přenosu elektřiny. Kromě toho byla zkoumána možnost bezdrátového přenosu elektřiny pouze po zemi [5]. Elektrická vodivost země může sloužit k přenosu nízkofrekvenčního střídavého proudu, protože zemní odpor je mnohem nižší. Elektrostatická indukce dielektrických těles může nastat ve velkých ložiscích křemenného písku v zemi a podobně. Také střídavý proud může být přenášen vrstvami atmosféry. Proud protéká spodními vrstvami zemské atmosféry někde ve výšce 3,2 kilometru nad mořem. Stojí za zmínku, že paprsky ultrafialového záření lze použít k ionizaci atmosférických plynů, což vede k plazmovému vysokonapěťovému elektrickému vedení. V důsledku toho se vytvoří tok elektrického proudu, který jde do troposféry a přes ni do dalšího terminálu. Elektrická vodivost proudu vrstvami atmosféry je možná přímo díky plazmovému výboji v ionizované atmosféře Země.

Země je přirozený vodič, který tvoří jeden vodivý obvod. Zpětná smyčka prochází horní troposférou a spodní stratosférou ve výšce přibližně 7,2 km [5].

Rýže. 5. Schéma přenosu elektřiny pomocí elektrické vodivosti země [5, s.8].

1. Irodov I.E. t.3. Základní zákony elektromagnetismu. (7. vydání, 2009)
2. Irodov I.E. t.4. Základní zákony. Vlnové procesy. (1999)
3. Matveev A. N. (kurz obecné fyziky. Vol. 3) Elektřina a magnetismus. (1983.)
4. Savelyev I.V. Kurz obecné fyziky. T.2. Elektřina a magnetismus. Vlny. Optika. (2. vyd., 1982)
5. [Elektronický zdroj]. — přístupový odkaz: URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Wireless_transmission_of_electricity

Základní pojmy (vygenerováno automaticky): SWER, přenos energie, bezdrátový přenos energie, sekundární vinutí, střídavý proud, elektrické pole, elektromagnetická indukce, elektrostatická indukce, bezdrátový přenos energie, přímá viditelnost.

Klíčová slova

zařízení, střídavý proud, bezdrátový přenos energie, elektromagnetický impuls, SWER, přenos energie

bezdrátový přenos energie, zařízení, elektromagnetický impuls, střídavý proud, SWER, přenos energie

Související články

„Smart grids“ Smart Grid je slibná budoucnost.

 vytváření systémů skladování vodíku energie a pokrytí nerovnoměrného zatížení.

Tento projekt vybudovat flexibilní elektrický sítě se staly spojovacím článkem pro

Chytré sítě jsou systémy převod energie z

Larionov, D.V. Bezdrátový přenos energie / D.V. Larionov. — Text: bezprostřední // Mladý vědec. – 2018. – č. 44 (230). — S. 39-41. — URL: https://moluch.ru/archive/230/53420/ (datum přístupu: 21.11.2023. XNUMX. XNUMX).

12. září 2017 Apple v rámci tradiční podzimní prezentace svých novinek představil světu vlastní bezdrátovou nabíječku. Toho roku se stal nejdiskutovanější novinkou společnosti. Tento gadget však není revoluční, Nokia a LG byly první velké mobilní společnosti, které v roce 2012 vyráběly smartphony s podporou bezdrátového nabíjení. Apple jen podnítil zájem o tento typ zařízení, sloužícího jako katalyzátor pro masové používání bezdrátových nabíječek.

Vývoj inženýrů z Nokie, LG, Apple a dalších výrobců gadgetů související s bezdrátovým přenosem energie není v této oblasti zdaleka první. Vždyť před více než sto lety, v roce 1893, na světové výstavě Columbus, konané v Chicagu, předvedl Nikola Tesla bezdrátové osvětlení pomocí zářivek. To vyvolalo explozi výzkumu s cílem najít nejlepší způsob přenosu elektřiny.

S rychlým rozvojem rádiové technologie se možnosti bezdrátového přenosu energie jen zvýšily. Cílem výzkumu bylo vygenerovat elektrické pole na jednom místě, aby jej pak bylo možné detekovat přístroji na dálku.

Tím ale výzkum neskončil, další etapou bylo zásobování energií nejen vysoce citlivých senzorů, ale i malých odběratelů elektrické energie. Tak byl v roce 1904 na světové výstavě v St. Louis předveden úspěšný start leteckého motoru o výkonu 0,1 koňské síly na vzdálenost 30 metrů [1]. Následně se výzkum bezdrátového přenosu energie nezastavil a dosáhl nových úspěchů, ale z různých důvodů se nedočkal širokého použití.

Bezdrátový přenos energie lze realizovat pomocí různých technologií založených na vlastnostech elektromagnetických polí. Tyto technologie se vyznačují především vzdáleností, na kterou lze přenášet energii s maximální účinností. Důležitý je také druh přenášené elektromagnetické energie.

Existují dva hlavní způsoby přenosu. První je založen na jevu elektromagnetické indukce. Základem druhé metody je elektromagnetické záření, využívají se mikrovlnné dosahy a silné úzké paprsky viditelného světla (lasery).

Podívejme se na tyto způsoby bezdrátového přenosu energie podrobněji.

Metoda elektromagnetické indukce.

Speciálním případem elektromagnetické indukce je vzájemná indukce. Právě na vzájemné indukci je založen první způsob bezdrátového přenosu energie. Vzájemná indukce je výskyt elektromotorické síly (EMF) v jednom vodiči v důsledku změny síly proudu v jiném vodiči nebo v důsledku změny vzájemné polohy vodičů. Při změně proudu v jednom z vodičů nebo při změně vzájemné polohy vodičů se mění magnetický tok vytvořený proudem prvního vodiče a procházející obvodem druhého vodiče, který podle zákona elektromagnetické indukce způsobuje výskyt emf ve druhém vodiči. Čím více magnetického pole prvního řetězce proniká druhým řetězcem, tím silnější je interakce mezi řetězci. Pro zvýšení hustoty magnetického toku se používají induktory. Aby mohly cívky účinně interagovat, musí být blízko u sebe, protože jinak je většina energie pole promarněna [2].

Zařízení založená na tomto principu se již dlouho používají v elektrických sítích a dokonce i v každodenním životě. Popisované zařízení není nic jiného než transformátor. U transformátorů nejsou vinutí elektricky propojena, což znamená, že energie je přenášena bezdrátově. Ale samozřejmě použití transformátorů v elektrárnách a rozvodnách není jasnou aplikací bezdrátového přenosu energie, protože vinutí jsou umístěna ve společném krytu. Ale tento způsob bezdrátového přenosu energie se používá také k nabíjení mobilních zařízení, elektrických vozidel a lékařských implantátů. Účinnost takových zařízení je výrazně nižší než účinnost transformátoru, činí 40–50 %.

Metoda mikrovlnného záření ve srovnání s metodou elektromagnetické indukce umožňuje mnohonásobně zvětšit vzdálenost, na kterou bude energie přenesena. Mikrovlny o vlnové délce 12 cm, což odpovídá frekvenci 2,45 GHz, jsou schopny procházet zemskou atmosférou prakticky bez ztrát (za nepříznivých povětrnostních podmínek ztráty nepřesahují 5 %) – tento jev se nazývá „ průhledné okno“ atmosféry.

K použití této metody jsou zapotřebí dvě zařízení.

Za prvé, magnetron je generátor mikrovlnného záření, který umožňuje přeměnit elektrický proud na mikrovlnné záření. Za druhé, přijímací anténa schopná přeměnit mikrovlnné záření zpět na elektrický proud.

S prvním úkolem přeměny elektrického proudu na mikrovlny se lidstvo vypořádalo tak dobře, že dnes je magnetron téměř v každém bytě, je nedílnou součástí mikrovlnných trub.

Ke splnění druhého úkolu – přeměny mikrovlnného záření zpět na elektrický proud, existují dvě metody, americká a sovětská. Byly vyvinuty ve druhé polovině dvacátého století. První anténa, vyvinutá ve Spojených státech, se nazývala rectenna a druhá, vyvinutá v Sovětském svazu, se nazývala cyklotronový měnič energie.

V roce 1964 expert na mikrovlnnou elektroniku William Brown poprvé otestoval zařízení schopné přeměnit mikrovlny na elektrický proud. Toto zařízení se nazývá rectenna.

Rekténa se skládá z půlvlnných dipólů, z nichž každý je zatížen vysoce účinnými Schottkyho diodami. Rektény jsou docela miniaturní a mají vysokou účinnost až 95 %, ale jejich zatížitelnost je pár wattů [1]. Pro přenos velkých výkonů jsou proto velké přijímací panely sestaveny z rekten, navržených pro přenos určitého výkonu.

Nejúspěšnější bezdrátový přenos energie je spojen se jménem Williama Browna a jeho vynálezu. V roce 1976 se mu podařilo přenést 30 kW trvalého výkonu pomocí mikrovlnného paprsku na vzdálenost 1,6 km s účinností 82 %.

Zdálo by se, že po tak úspěšném experimentu by tato technologie měla najít široké uplatnění. Má to však podstatnou nevýhodu: při malém přetížení se polovodičové dipóly spálí a dělají to jako lavina, to znamená, že když dojde k přetížení jednoho z polovodičů, selže celý přijímací panel. Nespolehlivost rektén a jejich vysoká cena byly hlavními faktory, které neumožňovaly použití této metody mimo laboratorní testy.

V 70. letech dvacátého století ve zdech Moskevské státní univerzity, konkrétně na Fyzikální fakultě v Laboratoři mikrovlnné elektroniky a bezdrátového přenosu energie, vyvinuli profesor Vladimir Aleksandrovich Vanke a docent Vladimir Leonidovič Savin cyklotronový měnič energie. Tento vynález se stal sovětským analogem rectenna. Cyklotronový konvertor je založen na vybuzení rychlé cyklotronové vlny toku elektronů vlivem dodané mikrovlnné energie a následné přeměně této energie na translační energii pohybu elektronu [3].

Zásadní rozdíl mezi cyklotronovým měničem energie a rectennou spočívá v tom, že je založen na technologii lamp a díky tomu je větší. Cyklotronový měnič energie je trubice o délce 30–40 cm a průměru průřezu 10–15 cm.Navržené konstrukční vlastnosti zařízení umožňují získat účinnost konverze až 80 % na vstupu úroveň mikrovlnného výkonu cca 10 kW, přičemž jsou povoleny značné výkyvy úrovně vstupního mikrovlnného výkonu [4]. Tato charakteristika umožňuje měniči snadno odolávat přetížení, nemá problémy s reemisí a stojí řádově levněji než jeho americký protějšek.

Dva z nejambicióznějších projektů bezdrátového přenosu energie zahrnují mikrovlnné metody.

První je pozoruhodný tím, že byl prakticky realizován. Na ostrově Réunion, v oblasti Francie, nedaleko Madagaskaru, bylo potřeba přenést 10 kW elektřiny na vzdálenost 1 km, aby bylo možné napájet vesnici umístěnou v rokli. Vzhledem k obtížnému terénu nebylo možné instalovat kabel nebo nadzemní elektrické vedení.

K vyřešení tohoto problému byl sestaven celý konglomerát vědců z různých zemí, včetně profesora V. A. Vankeho a docenta V. L. Savina. Projekt byl vyvíjen v letech 1997 až 2005, ale když byly dokončeny všechny výpočty, byl projekt zmrazen kvůli nedostatku financí.

Myšlenku druhého projektu navrhl již v roce 1968 americký fyzik Peter E. Glaser. Navrhl vypustit na geostacionární oběžnou dráhu Země družici vybavenou solárními panely, přeměnit sluneční energii na paprsek mikrovlnných vln a poslat ji na Zemi na přijímací anténu. V té době tato myšlenka vypadala jako sci-fi, ale nyní se na ni vzpomnělo. V současné době vývoj solární vesmírné elektrárny provádějí USA, Japonsko a Čína. Náklady na projekt se odhadují na přibližně 20–25 miliard dolarů.

Základem dalšího způsobu bezdrátového přenosu energie jsou výkonné, úzce směrované paprsky viditelného světla (lasery).

Laserový paprsek je směrován do fotobuňky přijímače, kde je přeměněn na elektřinu. Při tomto způsobu přenosu energie musí být zdroj a přijímač v přímé viditelnosti. Maximální účinnosti při přenosu laserové energie je dosaženo v bezvzduchovém prostoru, protože atmosféra absorbuje a rozptyluje světlo. Navíc nepříznivé povětrnostní podmínky mají významný vliv na účinnost.

NASA na této technologii aktivně pracuje. V současnosti našel přenos energie laserem své uplatnění u bezpilotních dronů, používá se k dobíjení ve vzduchu, když není možné s dronem přistát.

V roce 2009 uspořádala NASA soutěž o bezdrátový přenos energie pomocí laserového paprsku, cena za první místo byla 900 500 dolarů. Vítězem této soutěže se stala společnost LaserMotive, jejíž specialisté dokázali přenést 1 W na vzdálenost 10 km s účinností 5 % [XNUMX].

V důsledku toho máme v tomto článku rozebrány tři způsoby bezdrátového přenosu energie.

První je metoda elektromagnetické indukce, která umožňuje přenos energie na velmi krátké vzdálenosti. V současné době tato metoda našla své uplatnění v každodenním životě v bezdrátových nabíječkách pro různé gadgety. Tato metoda má nízkou účinnost kvůli nízké účinnosti.

Metoda mikrovlnného záření je v současnosti jednou z nejperspektivnějších. Má vysokou účinnost a schopnost přenášet energii na Zemi, ve vesmíru, ze Země do vesmíru, z vesmíru na Zemi, stejně jako ze Země do vesmíru a zpět na Zemi. Právě pomocí metody mikrovlnného záření se plánuje přenos energie ze solárních vesmírných elektráren.

Konečný způsob přenosu energie pomocí laseru je nejméně účinný, ale někdy nezbytný pro dobíjení bezpilotních zařízení. Věda však nestojí na místě a přenos energie pomocí laseru se možná nestane méně účinným než metoda mikrovlnného záření. A právě s jejich pomocí bude probíhat další průzkum vesmíru.

Kdy se nám ale všechny tyto technologie stanou samozřejmostí? Je těžké to říci. Je nepravděpodobné, že se tak stane v příštích 10–15 letech, spíše musíme doufat ve druhou polovinu XNUMX. století. Zatím se můžeme spokojit pouze s bezdrátovými nabíječkami založenými na metodě elektromagnetické indukce.

1. Článek “Přenos elektřiny bez drátů – od počátku do současnosti” [Elektronický zdroj]: – Článek – Režim přístupu: https://habr.com/post/373183/

2. Článek „Vzájemná indukce“ [Elektronický zdroj]: – Článek – Režim přístupu: http://www.hydromuseum.ru/ru/encyclopedia/glossary/Vzaimnaya_indukciya/

3. Vanke V. A. Article: “Microwave electronics” // Journal, “Electric power engineering. Věda. Technika. Obchod”. — č. 5 2007

4. Vanke V. A. Článek: “Elektrická energie z vesmíru” // Journal, “Radioelectronics” – č. 12 2007

5. Článek „Tři způsoby přenosu energie bez drátů“ [Elektronický zdroj]: – Článek – Režim přístupu: https://domikelectrica.ru/3-sposoba-peredachi-energii-bez-provodov/

Základní pojmy (vygenerováno automaticky): bezdrátový přenos energie, mikrovlnné záření, elektromagnetická indukce, elektrický proud, přenos energie, zařízení, cyklotronový měnič energie, vzájemná indukce, laserová asistence, vzdálenost.