Rkrem.ru

Большая стройка
6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Беспроводная передача электричества по теории Тесла

Беспроводное электричество – это буквально передача электрической энергии без проводов. Люди часто сравнивают беспроводную передачу электрической энергии с передачей информации, например, радио, сотовые телефоны, или Wi-Fi доступ в Интернет. Основное различие заключается в том, что с радио-или СВЧ-передач – это технология, направленная на восстановление и транспортировку именно информации, а не энергии, которая изначально была затрачена на передачу.

Беспроводной электроэнергии является относительно новой областью технологии, но достаточно динамично развивающейся. Сейчас разрабатываются методы, как эффективно и безопасно передавать энергию на расстоянии без перебоев.

Дрон уходит в небо: передача энергии без проводов изменит логистику

«Встречайте мир, где автономные транспортные средства доставляют клиентам 80% посылок!» — прогноз развития логистической отрасли от McKinsey выглядит почти сюжетом фантастического романа. Между тем, реальности в нем куда больше, чем может показаться на первый взгляд. Доставку заказа с помощью дрона Amazon выполнил еще в декабре прошлого года, аналогичные опыты уже провели немецкая DHL и Швейцарская почтовая служба, а в ноябре 2017 г. о запуске беспилотной доставки между китайскими островами объявила китайская Alibaba. Однако перспективы развития рынка доставки с помощью автономных беспилотников серьезно тормозит относительно короткое время полета, ограниченное, в свою очередь, зарядом аккумулятора. Принципиально изменить ситуацию на рынке готова корпорация Global Energy Transmission (GET) братьев Леонида и Сергея Плехановых, работающая над технологиями беспроводной передачи энергии: изобретатели из России в прямом смысле слова намерены заставить электричество путешествовать по воздуху, без проводов.

Фото: getcorp.com

Только физика, никакой магии

В просторном лофте неподалеку от центра Москвы под потолком жужжит и летает дрон. Когда дрон опустится, можно убедиться собственными глазами — уровень заряда батареи стал даже выше, чем до начала полета.

«Может так летать час, два, три, сколько хотите», — говорит основатель и генеральный директор GET Леонид Плеханов.

Еще недавно он трудился в международной компании, внедряя IT-решения, но последние годы все свое время посвящает разработке инновационной технологии дистанционной передачи электрической энергии. Над технологией Леонид работает вместе с братом, Сергеем Плехановым; изобретатели родились и выросли в Красноярске, окончили Московский физико-технологический институт, а сегодня живут между Россией, где у компании работает собственный инженерный центр, являющийся филиалом головной американской компании, и, собственно, Штатами. К вопросам, в чем же секрет бесконечного полета, в команде уже привыкли. Их, кстати, задавали и в прошлом году на Global Technology Symposium в Сан-Франциско, где компания Плехановых публично показала рабочий прототип.

На самом деле, никакой магии, хотя энергию для полета дрон и получает без привычных проводов и тем более не во время посадки. Все дело в специальном приемном устройстве, расположенном на беспилотнике, и передатчике — последний выполнен в форме гибкого корда (его еще называют зарядным контуром) и формирует электромагнитное поле. Приемник преобразует энергию электромагнитного поля в электрическую, сама же передача энергии осуществляется методом резонансной электродинамической индукции — все как в экспериментах Никола Тесла.

«Мы не создаем новые законы физики, не изобретаем материи. У нас классическое физическое образование», — смеется Леонид Плеханов.

Трудности перелета

Сегодня в числе инвесторов компании — фонд Draper Associates американского миллиардера Тима Дрейпера и российская инвестиционная платформа IP Fund. В 2017 г. инвесторы вложили в GET $2,5 млн (IP Fund структурировал сделку через компанию PapayaFin Ltd.). Полученные средства предполагается потратить на разработку промышленных систем беспроводной зарядки и развертывания беспроводных сетей в крупных городах по всему миру.

Вначале же в идею изобретателей реализовать планы Николы Теслы и позволить электричеству путешествовать по воздуху верили не все. Первые средства для экспериментов (1,5 млн руб.) собирали в 2014 г. на Boomstarter, затем в 2015 г. кампанию по сбору запустили на Indiegogo. Тогда планы по сбору $800 000 не сбылись, но Плехановы получили более важный итог — о стартапе узнали за границей.

«Мы создали группу в Facebook, стали много общаться с пользователями из США, Южной Америки, Испании… Восторженных почитателей Теслы в мире оказалось много», — вспоминает Леонид Плеханов.

В конце концов изобретатели познакомились с Билом Каллманом, инвестором и основателем Scail, и Тимом Дрейпером, американским венчурным капиталистом, основателем и управляющим партнером в Draper Associates, совместно с которыми и учредили в начале 2015 г. компанию в США. Впрочем, отношение к проекту в той же Кремниевой долине оставалось настороженным, в том числе из-за российского происхождения.

«Например, один из инвесторов нам сказал, что инвестирует только в компании, до которых не более часа езды на машине», — вспоминает Леонид Плеханов.

Не стоят на месте

Сегодня технология дистанционной зарядки не выглядит столь уж фантастической. Такой функционал, к примеру, реализован в мобильных устройствах от Apple и Samsung.

«Panasonic выпустил электрическую зубную щетку, которая заряжается от подставки, а Sony — телевизор. Intel успешно разрабатывает собственную технологию WREL — беспроводную резонансную передачу энергии», — напоминает управляющий партнёр QBF Зелимхан Мунаев.

Фото: getcorp.com

Продвижением разработок на основе технологий беспроводной передачи энергии занимаются многие зарубежные компании, говорит профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» НГТУ им. Р.Е. Алексеева Елена Соснина. В числе последних она называет проекты WiTricity, Powercast Corporation, Powermat Technologies, а также ведущих производителей электроники: Apple, Asus, LG Electronics, Samsung и др. Есть они и в России: так, с использованием лазерного луча энергию удалось передать на 1500 м в РКК «Энергия», проводит эксперименты по беспроводной передаче энергии и корпорация «Ростех». Над технологией работают в российских вузах, в том числе в Томском политехническом университете, Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (совместно с НИИ «Гириконд»), Нижегородском ГТУ им. Р.Е. Алексеева, где обещают показать разработки на национальной выставке «Вузпромэкспо-2017».

Другое дело, что расстояние, на которое пока удается передать электрический заряд, зачастую слишком невелико. Это проблема касается многих конкурирующих решений, говорит Леонид Плеханов. К тому же нередко разработки могут быть небезопасны. Технологию GET отличает низкий коэффициент потерь при передаче энергии, а также большое расстояние, на котором возможна дистанционная зарядка.

«Наша система позволяет заряжаться сразу большому количеству устройств, бесконтактный способ зарядки не имеет, например, погодных ограничений, а дистанция, на которой возможна подзарядка, сопоставима с размерами зарядного контура», — объясняет Леонид Плеханов.

При этом КПД переброски с передатчика на приемник дрона составляет около 80% — очень высокий показатель.

«Наша платформа находит такие высокотехнологичные проекты, в основе монетизации которых лежит транзакционная модель. Идеальный проект должен быть патентоспособным, технологичным, инфраструктурным, а также уметь получить доход от транзакционной модели. Соответствие проекта GET этим критериям внушает нам уверенность в его перспективах», — заявил СЕО IP Fund, доктор экономических наук, профессор Артем Генкин.

Поставили на дронов

«GET работает в перспективной нише. Задача удалённой зарядки/энергоснабжения небольших устройств давно стоит на повестке дня, — согласен партнер венчурного фонда FPI, акционер компании SKYF Илья Родин. — Я не совсем верю в возможность зарядки различных устройств внутри здания, там, где в зону действия могут попадать люди. Думаю, такие применения потребуют долгого тестирования и серьёзных независимых исследований. Однако создание безлюдных зон зарядки для дронов выглядит более реалистичным».

Именно на разработке решения для логистической индустрии и предпочли сосредоточиться в GET — беспроводную передачу энергии они предлагают использовать для подзарядки беспилотников, с помощью которых товар доставляется заказчику.

«С помощью беспилотников можно решить огромное число бизнес-задач, например, радикально сократить цену доставки: вместо $10 вы будете платить $2 и получать заказ через 20 минут, а не 2 часа», — рассуждает Плеханов.

«Одним из первых дроны для доставки товаров начал использовать Amazon. Сегодня технология доставки таким способом также используется и в других компаниях, например, в некоторых китайских», — согласен операционный директор СДЭК Максим Толстобров.

GET предлагает оборудовать в городах сети зарядных станций (хот-спотов), которые будут передавать энергию дронам. Менее чем за минуту дрон получит достаточно энергии, чтобы преодолеть расстояние между зарядными башнями. Дальность полета автономного доставщика будет ограничена только числом хот-спотов. На Москву или Нью-Йорк потребуется от 30 до 50 зарядных станций, говорят в GET. Сама компания видит себя в роли технологического оператора инфраструктуры, который будет предоставлять сервис беспроводной зарядки всем заинтересованным компаниям.

Безусловно, решение не самое простое с точки зрения технической реализации. Как отмечает Илья Родин, по технической сложности это сравнимо с созданием сотовых сетей; к тому же повсеместное внедрение бизнес-процессов доставки с использованием дронов потребует длительного времени.

Впрочем, инновации далеко не всегда требуют долгих сроков внедрения. В GET рассчитывают, что система беспроводной передачи энергии сможет заработать в крупных городах мира уже через два года. При этом компания строит планы по созданию беспроводной сети электропитания для беспилотных самолетов, которые смогут дистанционно подзаряжаться во время полета. В перспективе технология также может быть использована для осуществления самых разных задач, включая наблюдение, картографирование, сельскохозяйственный мониторинг и даже спасательные операции.

Автор: Ольга Блинова

Ток освобождённый

Люди стремятся к полной независимости от проводов — это один из главных технологических трендов современности. Сначала провода «отпали» у домашних телефонов, и, вздохнув с облегчением, мы перешли на радиотрубки; потом от этих пут освободились компьютерные клавиатура и мышка. Не так давно инженеры создали устройства, способные заряжать наши гаджеты по воздуху; однако эффективны они пока только на коротких дистанциях. В начале этого года команда учёных из Санкт-Петербурга (университет ИТМО) опубликовала статью в журнале Applied Physics Letters, где представила свою версию системы беспроводной передачи электричества. Эта разработка интересна тем, что может отправлять ток дальше, чем все остальные устройства.

Читать еще:  Нужна ли гофра при прокладке кабеля

У кого дальше?

В 2007 году в журнале Science был описан удивительный эксперимент, который провела группа физиков-исследователей из Массачусетского технологического института (МТИ) под руководством профессора Марина Солячича. Учёные расположили в 2,5 м друг от друга две катушки медного провода. Они были настроены на одинаковую резонансную частоту, то есть обладали одинаковой периодичностью внутренних колебаний.

Первая катушка получала энергию от источника с переменным электрическим током и сама становилась источником магнитного поля, которое пронизывало вторую катушку и создавало в ней ток. А он, в свою очередь, заставлял гореть 60-ваттную лампочку, установленную на второй катушке.
После этой публикации в средствах массовой информации вовсю заговорили о таком чуде науки и техники, как

беспроводная передача электричества,

однако преодолеть расстояние в 2,5 м по воздуху ток смог только в лабораторных условиях при помощи металлических катушек внушительного размера.
Когда же учёные из МТИ попытались миниатюризировать эту технологию, дальность передачи электричества составила всего 10 см. В 2015 году физики из питерского Университета ИТМО повторили эксперимент — с некоторыми модификациями — и в результате увеличили расстояние передачи тока по воздуху в три раза.
Учёные постоянно совершенствуют технологию и прогнозируют, что скоро создадут компактное зарядное устройство, действующее в пределах нескольких метров.

Чувственное поле

Безусловно, Солячич не первооткрыватель в этом деле. Его опыты в некотором роде повторение эксперимента известного физика Николы Тесла, который ещё в 1894 году смог зажечь фосфорную лампу накаливания посредством беспроводной резонансной взаимоиндукции.

— Тесла первым предложил идею, на которой основаны нынешние все трансформаторы: энергию можно передавать не дальним, а ближним полем — тем, что находится в небольшом радиусе от источника, — говорит Иван Иорш, кандидат физико-математических наук, доцент лаборатории метаматериалов Университета ИТМО, участник группы по созданию системы беспроводной передачи электричества. — Ближнее электромагнитное поле устроено так, что не покидает область вокруг объекта и может хранить в нём много запасённой энергии. К сожалению, электрическое поле быстро ослабевает с увеличением расстояния. Но Солячич как раз показал, что, если мы установим два маятника, способных запасать много энергии, поле может усилиться, потому что будет «чувствовать», что где-то там его ждёт второй резонатор.

— Если уже в XIX веке люди знали о возможности беспроводной передачи электроэнергии, то почему не разрабатывали соответствующие технологии? — робко интересуюсь я.

— Никола Тесла создавал инновации, к которым общество было не готово.

Многие его идеи получили развитие только сейчас и воспринимаются как новые, в том числе это относится к беспроводной передачи электроэнергии. Если бы общество сразу приняло его разработки, вы бы к нам не на транспорте добирались, а просто телепортировались, — шутит Иван.

— Нам понравилась идея учёных из МИТ, и мы стали думать, как усовершенствовать эту технологию с помощью наших метаматериалов — улучшить способ передачи, — вступает в разговор Полина Капитанова, кандидат технических наук, руководитель проекта. — Но работу с метаматериалами мы оставили напоследок, а вначале решили заменить медные катушки на диэлектрические резонаторы.

Ставка на керамику

Металлические катушки не очень эффективны: при приложении к ним электрического поля они сильно греются и отдают в пространство много тепла, а значит, попросту теряют электроэнергию, тогда как её нужно передавать… по воздуху. В поисках материала, который мог бы заменить в эксперименте медь, учёным помогли работы немецкого физика Густава Ми, ставившего опыты с диэлектриками — веществами, плохо проводящими электрический ток (их часто называют изоляторами). Описывая их свойства, Ми отметил, что в диэлектрических частицах могут возникать резонансы, способные запасать много энергии, а в диэлектрической частице сферической формы таких резонансов может быть бесконечное множество.

— Мы тут же стали перебирать диэлектрики, которые нас окружают: дерево, стекло… — рассказывает Полина. — Ещё стоит учитывать, что в наши задачи входило создание миниатюрных резонаторов. Ведь чтобы технология стала применимой в быту и востребованной, её нужно внедрять в мобильные устройства.

— И на чём же вы остановились?

— Прочитав статью Елизаветы Ненашевой, сотрудника НИИ «Гириконд», о керамических элементах для микроволновой техники, мы решили сделать ставку на керамику: резонаторы из этого материала почти не теряют электроэнергию, не боятся сильного нагрева и обладают большой ёмкостью.

— И правда, поэтому их используют в микрофонах, радиолокаторах, микроволновках…

— А также в космических кораблях и высокомощной военной электронике, — добавляет Иван. — Если понадобится бомбануть Тесла-пушкой, в ней должны быть мощные компоненты, иначе они не выдержат нагрузку и расплавятся.

Вдохновлённые метаматериалом

Без разделения труда эффективной работы не получится — физики из ИТМО помнят об этом правиле. Иван Иорш отвечает за теоретическую часть исследования, Полина Капитанова — за проведение эксперимента, а инженер Минчжао Сун, приехавший из Китая на стажировку, — за электродинамическое моделирование.
Я в лаборатории метаматериалов, наблюдаю за работой учёных.

Минчжао кладёт на стол два одинаковых серых керамических шарика по два сантиметра в диаметре

Каждый из них, словно чупа-чупс, закреплён на держателе и подсоединён проводами к своему аппарату. На моих глазах происходит чудо: подаётся напряжение, и светодиодная лампочка на втором держателе начинает светиться. Второй шарик с лампочкой получает энергию от первого без каких-либо проводов на расстоянии 10 см. Но чем больше физик отдаляет шарики друг от друга, тем тусклее светит лампочка. Минчжао достаёт кусок пенопласта и кладёт на него шарики. Сверху к пенопласту прилажено множество отрезков тонкой проволоки — все они одинаковой длины и закреплены параллельно друг другу на равном расстоянии. Инженер начинает двигать по пенопласту шарик с лампочкой, удаляя его от первого на 15 см, затем на 20, 25, 30… На 30 см лампочка продолжает гореть так же ярко, как и прежде.

Как это работает? Один аппарат, подсоединённый к керамическому шарику, — это векторный анализатор, который посылает электрический сигнал по проводу на второй аппарат — усилитель мощностью 1 Вт. Тот, соответственно, усиливает сигнал, и дальше ток поступает на держатель второго шарика — диэлектрического резонатора. Он заряжается и по воздуху посылает электричество на первый шарик. А дальше как в опыте американских учёных с катушками. С одной оговоркой: чтобы лампочка горела, на втором держателе установлена схема преобразования переменного тока в постоянный.

— Что это за кусок пенопласта? — спрашиваю я Полину, внимательно изучая конструкцию.

— Это и есть наш метаматериал — метаповерхность. По сути, очень простая вещь — пенопласт с тонкими металлическими проводами, расположенными в нужной геометрии. Эти отрезки проволочек — так называемые антенники. Помните антенны советских телевизоров? Чтобы канал транслировался без помех, нужно было крутить антенну, поднимать, опускать её, пока не поймаешь сигнал. Антеннки в метаматериале тоже нужно сделать заданной длины и расположить особым образом, чтобы точно направить сигнал, передаваемый от одного керамического шарика другому.

— И что, действительно такое простое устройство — кусок пенопласта с проводочками — усиливает эффективность эксперимента?

— В данном случае использование метаповерхности помогло увеличить радиус передачи электроэнергии с 10 см до 30. Причём неважно, сколько лампочек или телефонов вы пожелаете зарядить. Представьте, что этот метаматериал встроен в ваш рабочий стол, — Полина похлопывает по столешнице. — Вы кладёте на него и подзаряжаете разом и свой лэптоп, и планшет, и телефон друга, который зашёл в гости.

— Сложно изготовить такой метаматериал?

— Нет, любой студент-физик сделает его за полчаса. Нужно только нарезать проводки и упорядочить их в диэлектрической матрице.

Подзарядка для сердца

Лабораторная система беспроводной передачи электричества ИТМО пока выглядит весьма громоздко, однако разработчики уверяют, что в скором времени она станет миниатюрной, и дело это несложное.

— Анализатор и усилитель заменим компактной электроникой, чтобы разместить на печатной плате или в корпусе устройства, например мобильного телефона. Это можно сделать хоть сейчас, — поясняет Полина. — В свободной продаже уже есть мизерные генераторы, усилители и выпрямители сигналов. Источник электрического тока будет подключён к розетке, постоянный сигнал переведён в переменный; переменный сигнал усилится и пойдёт на резонатор излучателя, а тот пошлёт его на мобильное или другое устройство, чтобы его подзарядить.

Беспроводные зарядки для телефонов уже есть в некоторых аэропортах и ресторанах.

Правда, такой мобильный должен иметь встроенный зарядный модуль с медной спиральной катушкой или чехол с таким модулем. А сама беспроводная зарядка пока похожа на базу для домашнего радиотелефона, поэтому мобильный туда нужно именно ставить — вертикально, в гнездо, что создаёт некоторые неудобства.

— Керамические резонаторы позволяют обойти это ограничение, а метаматериал увеличивает дистанцию между приёмником и передатчиком. В идеале же беспроводная передача электричества должна уподобиться вай-фаю, — Полина встаёт со стула и достаёт смартфон из кармана джинсов. — Хочется, чтобы ты заходил в комнату и не думал, заряжается телефон или нет, а твёрдо знал, что заряжается.

— Вообще, у нас есть очень хорошая идея по усовершенствованию беспроводной передачи электричества. До завершения экспериментов и публикации результатов я не могу раскрывать подробности, но постараюсь передать суть, — интригует Полина. — Мы ищем материал, который ещё слабее, чем керамика, взаимодействует с электрическим полем. Это позволит спуститься на низкие частоты.
Пока наша система работает на частоте 2,4 ГГц, в то время как рабочая частота мобильных устройств значительно ниже. Зачем это нужно? Во-первых, есть стандартны безопасности. Тело человека при работе с электронными устройствами не должно нагреваться за час больше чем на два градуса, поэтому мы работаем с магнитным полем как менее вредным для организма. Во-вторых, на низких частотах работает вся дешёвая потребительская электроника. И нужно адаптировать под неё свои разработки, ведь мы хотим выйти на массовое производство и принести реальную пользу.

Читать еще:  Как прозвонить высоковольтные провода мультиметром

Хольгер Шубарт: энергия вокруг нас неисчерпаема, и мы научились ею обладать

Существуют ли технологии, которые позволят хотя бы в ближайшие 10 лет перейти к электрогенерации на новых технологических принципах, поскольку фотогальваника и ветроэнергетика полностью зависят от погоды и не являются надежными источниками электроснабжения?

На эту тему эксперт к.т.н. Румянцев Л.К. побеседовал с немецким ученым-предпринимателем, главой компании Neutrino Energy Group господином Хольгером Шубартом.

Description

Применение устройства беспроводной передачи электроэнергии в качестве генератора избыточной электроэнергии

Изобретение относится к отрасли электрорадиотехники и может использоваться для генерации электроэнергии.

Известно устройство беспроводной передачи электроэнергии [1], которое работает с коэффициентом полезного действия (КПД) близким к 100%. Это не совсем согласуется с основами классической электрорадиотехники, но это теоретически обосновано и экспериментально подтверждено в описании устройства [1].

Известен также генератор избыточной электромагнитной энергии [2], который работает с коэффициентом превращения энергии (КПЭ) порядка 400%. Это вовсе не согласуется с основами классической электрорадиотехники, но это также теоретически обоснованно и экспериментально подтверждено в описании генератора [2]. Кстати, на основе [2] изготовлен макет с питанием от сети 220 В 50 Гц, который исследовался независимыми экспертами и величина КПЭ « 400% подтверждена.

Недостатком генератора [2] является электромагнитная форма избыточной энергии, которая суживает разнообразность потребителей энергии только к газоразрядным (люминесцентным) лампам.

Изобретением поставлена задача создать генератор избыточной энергии в форме электрической, которая доступна для всех известных потребителей электроэнергии.

Поставленная задача решается применением устройства беспроводной передачи электроэнергии [1] в качестве генератора избыточной электроэнергии.

На фиг. 1 схематически изображено изобретение — устройство беспроводной передачи электроэнергии, которое применяется как генератор избыточной электроэнергии; фиг. 2-6 иллюстрируют описание работы изобретения. Фиг. 2 иллюстрирует описание работы устройства фиг. 1 ; фиг. 3 иллюстрирует кривую, которая образует псевдосферу, а фиг. 4 — псевдосферу с параллелями и меридианами. На фиг. 5 схематически изображена экспериментальная установка, а на фиг. 6 графически зафиксированны результаты эксперимента.

Изобретение фиг. 1 содержит передатчик электроэнергии, антенна 1 которого является катушкой индуктивности в форме полупсевдосферы соединена последовательно с генератором расходной электроэнергии 2; приемник электроэнергии, антенна 3 которого является также катушкой индуктивности в форме полупсевдосферы соединена последовательно с электрической нагрузкой 4; генератор 2 с электрической нагрузкой 4 соединены с заземлением 5.

Рассмотрим работу устройства фиг. 1 в качестве генератора избыточной электроэнергии.

Суть работы базового устройства фиг. 1 сводится к тому, что между передающей и приемной антеннами 1 и 3 создаются энергетически замкнутые резонансные потоки электромагнитной энергии, включая и потоки электромагнитной энергии Земли, через которые энергия генератора 2 передается на электрическую нагрузку 4. Это иллюстрируется на фиг. 2, где штрихами ограниченно упомянутые потоки электромагнитной энергии, а также отмечены напряжения и токи, которые создают эти потоки. Математически процесс беспроводной передачи электроэнергии описывается зависимостью

[3, стр. 827]; кроме того, в зависимости (1) отмечено: Рг — мощность генератора 2, которая определяется напряжением Uz и током 1г; Рп — мощность на электрической нагрузке 4, которая определяется напряжением UH и током 1н левая и правая части равенства описывают энергетически замкнутое пространство с потоками электромагнитной энергии

В результате неопределенности интегралов в зависимости (1), неопределенным остается и расстояние, при котором сохраняется баланс (равенство) между левой и правой частями зависимости (1).

В описании эксперимента изобретения [1] сказано, что расстояние 1,8 м между антеннами 7 и 3 передатчика и приемника электроэнергии рассчитывается, но расчеты не приведены. Ниже приводятся эти расчеты, без которых невозможно обосновать работу устройства фиг. 1 в качестве генератора избыточной электроэнергии.

Расстояние, о котором идет речь, жестко связано со свойствами псевдосферы, форму половин которой имеют катушки индуктивности передающей и приемной антенн 7 и 3. Для определения этих свойств обратим внимание на трактрису фиг. 3 — кривую образующую псевдосферу фиг. 4.

Трактриса является геометрическим местом точек одного конца отрезка АО = MP = а = const, второй конец которого движется по прямой Х образовывая с ней угол φ. В любой точке трактрисы отрезок а = const есть касательным к трактрисе; прямая Х’Х является асимптотой трактрисы. Описывается трактриса уравнениями х = a cosq> + alntg— Ф ,

Вращением трактрисы вокруг асимптоты Х’Х образуется поверхность в форме псевдосферы фиг. 3 [3, стр. 822].

Расчеты, выполненные на компьютере в соответствии с требованиями уравнений (3) с шагом изменения угла φ на 0,1° (0,01°; 0,001°) при, например, а=10 см, приведены в таблице (только для характерных углов φ). Результаты этих расчетов свидетельствуют: свойства трактрисы-псевдосферы таковы, что величина х при φ = 180,0° и φ = 0,0° имеет предел, то есть

lim х = const = (4) φ-»180,0° -295,87 см

Таблица φ (град) а (см) х (см) у (см)

0,0 -295,87 0,00 Ограничение (4) действует и на электромагнитные поля антенн

Действительно, поскольку магнитные силовые линии Н от действия токов 1г и 1Н, которые текут по проводникам катушек индуктивности антенн 7 и 3, являются касательными к этим проводникам, как и отрезок а к форме антенн / и 3, то длина линий Н должна состоять из длин отрезков а. Поэтому, на основе (4), объем магнитного поля Н и взаимосвязанный с ним объем электрического поля Е антенн 7 и 3 ограничивается с ерой с радиусом /, то есть

С четом (5) зависимость (1) принимает вид

где, во-первых, объем Vc приравнен к объему ν , поскольку электромагнитное поле Земли активизируется электромагнитными полями антенн 7 и 3; во-вторых, интегрирование объемов Vc и Vc® начинается от Vc=V

0, поскольку Ιό»α (то есть, объемом антенн / и 3 можно пренебречь); в-третьих, знак равенства обеспечивается при расстоянии между антеннами 7 и 3 = ^ « т см = $ м , (7) которое обеспечивает передачу электроэнергии без проводов из КПЭ=КПД= 100%, что реализовано изобретением [1]; а знак неравенства при /2 100%, что является предметом изобретения этой заявки.

Значение (7) получено на основе следующих рассуждений: сумма двух расстояний / + /о = 2 /о, на котором антенны 1 и 3 не взаимодействуют, делится на число 4 — число субъектов взаимодействия в зависимости (6).

При расстоянии (7) в энергетически замкнутом резонансном пространстве антенн 7 и 3 имеем равенство энергий электрического (WE) и магнитного (WH) полей не только антенн 1 и 3, но и равенство энергий электрического (WE®) И магнитного (WM) полей Земли; то есть при расстоянии (7) имеем

WM = WM (9) В свою очередь, при расстоянии (8) баланс (9) нарушается за счет увеличения энергии магнитного поля Земли, поскольку, во-первых, напряжением иг фиксируется потенциал антенн /и 3 относительно заземления 5 (Земли) и, во-вторых, энергии электрического и магнитного полей Земли независимы между собой; то есть при расстоянии (8) имеем

WE@ 1 > 100% (11) чем утверждается беспроводная передача электроэнергии с одновременной генерацией избыточной электроэнергии.

Изложенное подтверждается экспериментом. На фиг. 5 схематически изображена экспериментальная установка со следующими изменениями относительно установки в описании изобретения [1]:

а) введено второе сопротивление нагрузки Rm = 500 Ом, которое позволяет демонстрировать величину (11);

б) отмечено внутреннее сопротивление R,

200 Ом, которое позволяет опосредствовано контролировать мощность, которая отбирается от генератора 2.

Эксперимент проведен с антеннами, которые имеют такие же конструктивные данные, как и в эксперименте изобретения [1]; то есть, антенны 1 и 3 имеют: а = 10 см, xi = а = 10 см, количество витков — 375 провода ПЭЛШО — 0,23, резонансная частота — 600 кГц (λ = 500 м).

Суть эксперимента в следующем:

1. При расстоянии lj = 1,8 м и напряжении генератора Uz = 100 В измеряется напряжение Um = 100 В при сопротивлении нагрузки R = 1000 Ом; при подключении переключателем Ш эквивалентного сопротивления Re = 1000 Ом убеждаемся, что напряжение 1/г почти не изменяется. Результаты этих действий и измерений утверждают равенство

то есть, утверждают равенство

КПЗ = КПД = ^ =— = 1 П 2ч

Равенство (12) реализовано при передаче электроэнергии без проводов изобретением [1].

2. При расстоянии 12 = 0,9 м и том же напряжении Ue = 100 В повторяем действия и измерения п. 1 ; при этом убеждаемся, что равенство (12) сохраняется. 3. При расстоянии l2 = 0,9 м и том же напряжении Ue = 100 В измеряем напряжение Um = 96 В на сопротивлении Rm = 500 Ом, которое подключаем переключателем П2; при подключении переключателем Ш эквивалентного сопротивления , = 1000 Ом убеждаемся, что напряжение Uz почти не изменяется. Результаты этих действий и измерений утверждают неравенство

то есть, утверждают неравенство

На фит. 6 результаты эксперимента иллюстрируются графически.

Таким образом, результат (13) свидетельствует о генерации дополнительной, сверхрасходной, избыточной электроэнергии устройством [1]; при чем, теоретически, величина КПЗ = 1,84 не является максимальной.

[Х Крюк ВТ, Яцишин В.А., Белъдт М.М. Пристрш передач! електроенергп без проводов; патент UA >Г$> 85476, 26.01.2009, Бюл. J e 2.

Международная заявка РСТ: Крюк В.Г., Ягрлшгш В.А., Бельдий Н.Н.

Устройство передачи электроэнергии без проводов; WO 2009/025631 А1, 26.02.2009.

[2] Крюк В.Г., Бельдт М.М., Яцишин В А. Генератор надвитратно! ‘ електромагн1тно1 » енергп; заявка UA а2009 01708, 26.02.2009. Международная заявка РСТ: Крюк В ., Бельдий Н.Н., Яцышин В.А. Генератор избыточной электромагнитной энергии; WO 2010/098733 А1, 02.09.2010.

Читать еще:  Как отличить кабель ГОСТ от ТУ

[3] Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М., «Наука»,

Мечты о беспроводной передаче электричества

Электричество всегда завораживало людей, это самая загадочная сила природы. Более 100 лет назад у одного ученого была невероятная мечта, обеспечить энергией города по всему миру. Его звали Никола Тесла и в мае 1891 года, он воплотил свою футуристическую мечту в жизнь. Тесла позволил сотням тысяч вольт проходить по человеческому телу не причиняя боли и вреда, это была ранняя демонстрация высоковольтного переменного тока. Тесла доказал, что с помощью переменного тока можно безопасно передавать энергию на большие расстояния, это было одним из величайших открытий всех времен. Это не только его заслуга, но идея принадлежала ему.

Теперь переменный ток идет по миллионам километрам кабелей, питая энергией наши города. Но у Теслы была еще более смелая идея, технология которую он мечтал представить миру, передача электричества по воздуху без всяких проводов. Гигантские башни должны были запускать электричество в атмосферу, которое огибая земной шар, снабжало бы людей энергией на расстоянии тысяч километров. Тесла мечтал изменить мир, но осуществить свою мечту так и не смог.

Беспроводное электричество: воплощение в реальность

Но возможно это была вовсе не фантазия. Возможность передачи электричества в пространстве без проводов стало бы большим научным прорывом. Вопрос в том, насколько это реально? Это мир, который уже создают инженеры в Бостоне, используя загадочную силу магнетизма. «Начнем с того, что мы называем источником, внутри находится катушка, соединенная с конденсатором. Когда мы включаем этот прибор, он создает колеблющееся магнитное поле вокруг себя, – Эрик Гилер (Witricity). – Итак, включаем в сеть, теперь вокруг него магнитное поле, пока что мы только превратили электричество в магнитное поле. Теперь я беру катушку и помещаю ее сюда, я могу менять расстояние и ориентацию». Гениальность этого решения в том, что катушки внутри этих объектов резонируют на одной частоте. Если они находятся в радиусе действия поля, магнитная энергия переходит из одной катушки в другую, где снова превращается в электричество. Чтобы увеличить радиус действия надо просто добавить больше катушек для повторения сигнала. Потеря энергии минимальна, а низка сила магнитных полей безвредна для здоровья. Это безопасно, очень эффективно и работает на расстоянии.

Беспроводное электричество и электроника нового поколения

Итак, энергию можно передавать без проводов и для современного энергозависимого общества это означает перемены к лучшему. Главный инженер Кэти Холл утверждает, что скоро не придется ставить телефон на подзарядку. «Посмотрите на этот телефон, казалось бы, ничего особенного, но положите его рядом с компьютером и посмотрите, что будет, – поясняет Кэти Холл. – Мы вмонтировали в телефон беспроводной приемник, и он получает энергию от компьютера. В нашем случае мы прикрепили источник ко дну компьютера, но его можно и вмонтировать. И когда ты работаешь на компьютере, просто кладешь телефон рядом, и он подзаряжается».

Перспективы беспроводной передачи электричества

«Мы сконструировали первую в мире беспроводную перезаряжаемую батарейку, как видите у нее обычный размер и форма, она даже немного легче обычной батарейки, – Кэти Холл. – Внутри стоит беспроводной приемник энергии и аккумулятор. Вставляем ее в любой прибор, в данном случае в обычный фонарик. Смотрите, что происходит, когда я помещаю его в чашу с источником Witricity, он начинает заряжаться. Все подобные приборы, которые помещаются в эту чашу, автоматически подзаряжается». По заявлению разработчиков начало продаж этой техники ожидается в 2015 году.

Беспроводное электричество во многом изменит нашу жизнь. Попрощайтесь с массой батареек и сотнями метров проводов в вашем доме, поиски зарядного устройства для телефона навсегда останутся в прошлом. В наши дни ученые уже работают над беспроводной электроникой нового поколения.

Системы передачи энергии по воздуху

Системы передачи энергии без проводов включают в себя излучающие и приемные антенны и окружающую среду между ними. Пучок волн от излучающей антенны расширяется пропорционально расстоянию распространения, а плотность мощности потока уменьшается пропорционально квадрату этого расстояния.

Однако у системы передачи энергии без проводов есть некоторые особенности, которые будут упомянуты здесь.
Полезным результатом передачи энергии без проводов является величина мощности на приемной антенне, а не величина амплитуды поля.

Эффективность этой системы определяется как отношение потока энергии, который перехватывается приемной антенной, ко всей излучаемой энергии.

Распределение поля на приемной антенне обычно равномерное, так как её размер мал по сравнению с шириной луча. Для системы это распределение не является равномерным. Оно имеет форму конуса и зависит от распределения поля на передающей антенне.
Для увеличения концентрации энергии на приемной антенне фазовое распределение на излучающей антенне обычно имеет сферическую форму с центром в точке пересечения приемной пластины и излучающей оси. Излучающая антенна системы, как правило, имеет конусность по распределению поля. Такое распределение позволяет повысить КПД и уменьшить поле выхода приемной антенны.

Разработка устройств и передача электроэнергии без проводов была эффективно продолжена до 1960-х годов, когда ВВС США финансировали разработку вертолетной платформы с микроволновой печью. Успешная демонстрация вертолета, управляемого микроволновым лучом, была проведена в 1965 году.

Эта демонстрация доказала, что передача энергии без проводов может быть построена и что эффективные микроволновые генераторы и приемники могут быть разработаны для преобразования микроволн в электричество постоянного тока.

Применение системы передачи энергии

Растущий интерес к методам преобразования солнечной энергии и применению её в 1960-х годах, а также ограничения для получения экономически эффективной мощности базовой нагрузки, вызванные неблагоприятными погодными условиями и суточными изменениями, привели к концепции получения спутником солнечной энергии. Далее спутник преобразовывал энергию солнца с помощью солнечных батарей в электричество и подавал в микроволновый генератор, являющийся частью плоской антенны с фазированной решеткой. На геосинхронной орбите антенна будет направлять микроволновый луч определенной плотности мощности точно на одну или несколько приемных антенн в желаемых местах на Земле. На приемной антенне СВЧ-энергия будет безопасно и очень эффективно преобразована в электричество, а затем передана пользователям.

Первая техническая сессия по солнечным энергетическим спутникам была проведена в 1970 году на симпозиуме Международного института СВЧ-энергии, на котором присутствовали представители Японии, европейских стран и бывшего Советского Союза. На основе предварительных исследований группа экспертов NASA подготовила план программы в 1972 году, а первое технико-экономическое обоснование было завершено для исследовательского центра NASA в 1974 году.
Вскоре после “нефтяного шока ” в октябре 1973 года Япония приступила к реализации плана Саншайн по развитию возобновляемых источников энергии. План Японии предусматривал в качестве долгосрочной цели разработку аналогичных устройств.

В этой демонстрации точка-точка 30 кВт микроволн были переданы на расстояние полутора километров к приемной антенне.

Микроволны были преобразованы непосредственно в постоянный ток со средней эффективностью 82%, сбивая с толку критиков, которые утверждали, что такие высокие эффективности преобразования не могут быть достигнуты.

Значительный объем работ, как аналитических, так и экспериментальных, позволил установить техническую осуществимость беспроводной передачи полезного количества энергии. Беспроводная передача энергии, как реализуемая беспроводная зарядка, аналогична по своей концепции передаче информации спутниками связи, но с более высокой интенсивностью. Однако, поскольку радиочастотный силовой луч спроектирован для преобразования обратно в электричество с достаточно высокой эффективностью, полезные количества энергии могут передаваться с интенсивностью меньше, чем у солнечного света.

Экспериментальные передачи мощности в количестве до 30 кВт осуществлялись на короткие расстояния (1,6 км)с эффективностью преобразования около 82% от поступающей радиочастотной мощности в электрическую.

Недавние исследования показывают, что сбор и передача энергии из космоса, разумеется без проводов, может стать экономически жизнеспособным средством использования солнечной энергии в течение следующих нескольких десятилетий. Необходимо существенное совершенствование некоторых технологий, и, что самое важное, необходимо значительно сократить расходы на запуск материалов в космос.

В космическом сообществе предпринимаются весьма активные усилия для достижения цели по передаче электроэнергии без проводов:

  1. Наземная передача энергии
  2. Космическая передача энергии

В космосе солнечная энергия получается 24 часа в день, полная мощность 7 дней в неделю без облачных дней, 52 недели в году. Ни долгих зимних ночей, ни штормов, ни пасмурных сезонов. С помощью передачи электроэнергии без проводов с космоса можно обеспечить ею проблемные районы.

При этом лучшие наземные солнечные объекты (пустыни) редко находятся вблизи пользователей.

Высоковольтная линия передачи постоянного тока

В 1960 году было решено, что на большие расстояния лучше всего передавать постоянный ток. Такой способ передачи используется на некоторых крупных западных электростанциях. В сеть выдается ток максимально возможного напряжения, для уменьшения потерь. Отсюда и произошло название – высоковольтная линия передачи постоянного тока.
Такая передача имеет следующие преимущества:
— используется два, а не три кабеля, что ведет к уменьшению несущих конструкций.
— отсутствуют емкостные и индуктивные потери, также не нужны корректирующие звенья.
Но в связи с необходимостью преобразовывать, ток из переменного в постоянный, а затем постоянный в трехфазный, для подачи потребителям, используется такой вид передачи электроэнергии на расстояния свыше 1000 км.
Также высоковольтную передачу тока применяют для передачи энергии от прибрежных ветроэлектрических установок к материку. Так как при таком виде передачи энергии, легче регулировать пики мощности в работе ветросиловых установках.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector