Передача электроэнергии на расстояние без проводов

  • История развития
  • В наше время

История развития

Развитие беспроводной передачи электроэнергии на расстояние связано с достижениями радиотехники, поскольку оба процесса имеют одинаковую природу. Изобретения в обеих областях связаны с исследованием метода электромагнитной индукции и его влияния на генерацию электрического тока.

В 1820 году А. М. Ампер открыл закон взаимодействия токов, который заключался в том, что если ток течет в одном направлении через два близких друг к другу проводника, они притягиваются друг к другу, а если в разных направлениях, то отталкиваются.

М. Фарадей установил в 1831 году во время своих экспериментов, что переменное (меняющееся по величине и направлению со временем) магнитное поле, создаваемое потоком электрического тока, индуцирует токи в соседних проводниках. Другими словами, электричество передается без проводов. Мы подробно обсуждали закон Фарадея в предыдущей статье.

Итак, 33 года спустя, в 1864 году, Дж. К. Максвелл перевел экспериментальные данные Фарадея в математическую форму, и сами уравнения Максвелла являются фундаментальными для электродинамики. Они описывают взаимосвязь между электрическим током и электромагнитным полем.

Существование электромагнитных волн было подтверждено в 1888 г. Х. Герцем во время его экспериментов с искровым передатчиком с катушечным переключателем Румкорфа. Это создавало электромагнитные волны с частотой до половины гигагерца. Стоит отметить, что эти волны могли улавливаться несколькими приемниками, но они должны были быть настроены в резонанс с передатчиком. Радиус действия установки составлял примерно 3 метра. Когда в передатчике появилась искра, такие же искры появились и на приемниках. По сути, это первые эксперименты по передаче электричества без проводов.

Знаменитый ученый Никола Тесла провел глубокие исследования. В 1891 году он изучал переменный ток высокого напряжения и частоты. В результате были сделаны выводы:

Для каждой конкретной цели настройте установку на соответствующую частоту и напряжение. Однако высокая частота не является обязательным условием. Наилучшие результаты были достигнуты на частоте 15-20 кГц и напряжении передатчика 20 кВ. Для получения высокочастотного тока и напряжения использовался колебательный разряд конденсатора. Таким образом можно передавать как электричество, так и свет.

Ученый в своих выступлениях и лекциях демонстрировал свечение ламп (электронных ламп) под действием высокочастотного электростатического поля. Фактически, основные выводы Теслы заключались в том, что даже с помощью резонансных систем невозможно передать большое количество энергии с помощью электромагнитных волн.

Одновременно до 1897 года подобными исследованиями занимались многие ученые: Джагдиш Босх в Индии, Александр Попов в России и Гульельмо Маркони в Италии.

Каждый из них внес свой вклад в развитие беспроводной передачи электроэнергии:

  1. Дж. Боше в 1894 году зажег порох, посылая электричество на расстояние без проводов. Он сделал это на демонстрации в Калькутте.
  2. А. Попов 25 апреля (7 мая) 1895 г. доставил первое послание, используя азбуку Морзе. В этот день, 7 мая, в России по-прежнему отмечается День радио.
  3. В 1896 г. Дж. Маркони в Великобритании также передал радиосигнал (азбука Морзе) на расстояние 1,5 км, а затем 3 км на равнине Солсбери.

Стоит отметить, что работы Теслы, недооцененные в свое время и утерянные на протяжении веков, превзошли по параметрам и возможностям своих современников. В то же время, а именно в 1896 году, его камера передавала сигнал на большие расстояния (48 километров), к сожалению, это было небольшое количество электричества.

И к 1899 году Тесла пришел к выводу:

Неудача индуктивного метода кажется огромной по сравнению с возбуждением зарядов земли и воздуха.

Эти открытия привели к другим исследованиям, и в 1900 году ему удалось запитать лампу со вставленной катушкой.в поле, а в 1903 году была сдана в эксплуатацию башня Вондерклифф на Лонг-Айленде. Он состоял из трансформатора с заземленной вторичной обмоткой и сферического медного купола наверху. Его использовали для зажигания 200 лампочек мощностью 50 Вт. А передатчик находился в 40 км от него. К сожалению, эти исследования были прекращены, финансирование приостановлено, а бесплатная безпроводная передача электроэнергии была экономически невыгодной для предпринимателей. Башня была разрушена в 1917 году.

В наши дни

Технология беспроводной передачи энергии достигла больших успехов, в основном в области передачи данных. Таким образом, были достигнуты значительные успехи в радиосвязи, беспроводных технологиях, таких как Bluetooth и Wi-Fi. Особых нововведений не было, в основном изменения частот, методов шифрования сигналов и изменение представления сигнала с аналогового на цифровое.

Если мы говорим о передаче энергии без проводов на электроприборы, стоит упомянуть, что в 2007 году ученые из Массачусетского технологического института передавали мощность на расстояние до 2 метров и, таким образом, зажгли лампочку мощностью 60 Вт. Эта технология называется WiTricity и основана на электромагнитном резонансе приемника и передатчика. Стоит отметить, что на приемник поступает около 40-45% электроэнергии. Принципиальная схема устройства для передачи энергии через магнитное поле представлена ​​на рисунке ниже:

На видео показан пример использования этой технологии для зарядки электромобиля. Идея состоит в том, что приемник прикрепляется к днищу электромобиля, а передатчик размещается на полу гаража или в другом месте.

Вы должны поставить машину так, чтобы приемник находился над передатчиком. Устройство пропускает довольно много электроэнергии без проводов — от 3,6 до 11 кВт в час.

Компания занимается поставкой электричества как бытовой технике, так и всей квартире в долгосрочной перспективе по этой технологии. В 2010 году Haier представила беспроводной телевизор, в котором используется та же технология для передачи питания и передачи видео без использования кабелей. Другие высокотехнологичные компании, такие как Intel и Sony, также делают то же самое.

Технология беспроводной передачи энергии широко распространена в домашних условиях, например, для зарядки смартфонов. Принцип аналогичный: есть передатчик и приемник, КПД около 50%, т.е. при зарядке током 1А передатчик будет потреблять 2А. Передатчик обычно называется базой, а часть, подключенная к телефону, называется приемником или антенной.

Еще одна ниша — беспроводная передача электроэнергии с помощью микроволн или лазеров. Это обеспечивает больший диапазон, чем несколько метров, обеспечиваемых магнитной индукцией. В микроволновом методе наконечник (нелинейная антенна для преобразования электромагнитной волны в постоянный ток) помещается на приемное устройство, и передатчик направляет свое излучение в этом направлении. С этой версией беспроводной передачи электроэнергии нет необходимости в прямой видимости объектов. Недостаток в том, что микроволновое излучение небезопасно для окружающей среды.

Мы рекомендуем посмотреть видео, в котором более подробно об этом рассказывается:

В заключение — беспроводную передачу электроэнергии, безусловно, удобно использовать в повседневной жизни, но у нее есть свои плюсы и минусы. Если речь идет об использовании таких технологий для зарядки гаджетов, то плюс в том, что вам не придется постоянно вставлять и вынимать вилку из разъема смартфона, соответственно разъем не выйдет из строя. Обратной стороной является низкая эффективность, если для смартфона потери мощности незначительны (несколько ватт), то для беспроводной зарядки электромобиля — это большая проблема. Основная цель развития данной технологии — повышение эффективности установки, поскольку на фоне всеобщей гонки за энергоэффективностью использование технологийнизкая эффективность вызывает большие сомнения.

Материалы по теме: