Svi znaju da je Nikola Tesla izumitelj tako sveprisutnih stvari kao što su naizmjenična struja i transformator. Ali nisu svi naučnici upoznati sa drugim Teslinim izumima.
Koristimo naizmjeničnu struju. Koristimo transformatore. U bilo kom stanu. Teško je zamisliti kako se može bez ovih izuma. Ali KAKO ih koristimo? Tesla je ove nama poznate stvari (kako nam se čini) koristio na potpuno drugačiji način. Kako spojiti bilo koji električni uređaj na mrežu? Viljuškom - tj. dva provodnika. Ako spojimo samo jedan provodnik, neće biti struje - krug nije zatvoren.
Tesla je demonstrirao efekat prenosa snage kroz jedan provodnik. Štoviše, u drugim eksperimentima prenosio je snagu uopće bez žica. Krajem 19. vijeka, veliki pronalazač je bio u stanju da bežično prenosi električnu energiju na udaljenosti od preko 40 kilometara. Budući da ovaj poznati Teslin eksperiment još nije ponovljen, naše čitaoce će svakako zanimati detalji ove priče, kao i trenutno stanje problema prenošenja električne energije bez žica.
Biografija američkog pronalazača, rođenog Srbina, Nikole Tesle je prilično poznata i nećemo se na njoj zadržavati. Ali da odmah razjasnimo: prije nego što je demonstrirao svoj jedinstveni eksperiment, Tesla je prvo 1892. u Londonu, a godinu dana kasnije u Filadelfiji, u prisustvu stručnjaka, demonstrirao mogućnost prijenosa električne energije kroz jednu žicu, bez korištenja uzemljenja drugog pola. izvora energije.
A onda mu je pala ideja da iskoristi Zemlju kao ovu jedinu žicu! I iste godine, na konvenciji Udruženja za električnu rasvjetu u St. Lewisu, demonstrirao je električne lampe koje su gorjele bez žica i električni motor koji je radio bez priključenja na električnu mrežu. Ovu nesvakidašnju izložbu prokomentarisao je ovako: „Nekoliko riječi o ideji koja stalno zaokuplja moje misli i koja se tiče svih nas. Mislim na prijenos signala, kao i energije, na bilo koju udaljenost bez žica. Već znamo da se električne vibracije mogu prenositi kroz jedan provodnik. Zašto ne iskoristiti Zemlju u tu svrhu? Ako možemo utvrditi period oscilacije električnog naboja Zemlje kada je ona poremećena djelovanjem suprotno nabijenog kola, to će biti činjenica od izuzetnog značaja, koja će služiti na dobrobit cijelog čovječanstva.”
Vidjevši tako spektakularnu demonstraciju, poznati oligarsi poput J. Westinghousea i J. P. Morgana uložili su više od milion dolara u ovaj obećavajući posao, kupujući njegove patente od Tesle (uzgred, ogroman novac u to vrijeme!). Ovim sredstvima Tesla je krajem 90-ih godina 19. veka izgradio svoju jedinstvenu laboratoriju u Kolorado Springsu. Detaljne informacije o eksperimentima u Teslinoj laboratoriji date u knjizi njegovog biografa Džona O'Nila "Električni Prometej" (kod nas je njen prevod objavljen u časopisu "Izumitelj i inovator" br. 4-11 za 1979. godinu) . Navešćemo ovde samo kratak izvod iz njega, da se ne pozivamo na kasnija preštampavanja: „U Kolorado Springsu Tesla je izveo prve testove bežičnog prenosa električne energije. Bio je u stanju da napaja 200 sijalica sa žarnom niti koje se nalaze 42 kilometra od njegove laboratorije strujom izvučenom iz Zemlje tokom rada džinovskog vibratora. Svaka snaga je bila 50 vati, tako da je ukupna potrošnja energije bila 10 kW, odnosno 13 KS. Tesla je bio uvjeren da uz pomoć snažnijeg vibratora može zapaliti desetak električnih vijenaca od po 200 sijalica, razbacanih po cijelom svijetu."
Sam Tesla je bio toliko inspirisan uspehom ovih eksperimenata da je u opštoj štampi objavio da namerava da osvetli Svetsku industrijsku izložbu u Parizu, koja je trebalo da se održi 1903. godine, energijom iz elektrane koja se nalazi na Nijagarinim vodopadima i bežičnim putem se prenosi u Pariz. Iz brojnih fotografija i opisa očevidaca i pomoćnika pronalazača poznato je da je to bio generator energije koji se prenosio preko 42 kilometra bez žica (ipak, ovo je čisto novinarski izraz: jedna žica, koja je bila Zemlja, prisutna je u ovom strujno kolo, a to direktno navodi i sam Tesla i njegov biograf).
Ono što je Tesla nazvao vibratorom bio je džinovski transformator njegovog sistema, koji je imao primarni namotaj od nekoliko zavoja debele žice namotane na ogradu prečnika 25 metara, i višenavojni jednoslojni sekundarni namotaj smešten unutar njega na cilindar od dielektrika. Primarni namotaj, zajedno s kondenzatorom, indukcijskom zavojnicom i varničnim razmakom, formirao je pretvarač frekvencije oscilatornog kruga. Iznad transformatora, smještenog u centru laboratorije, uzdizao se drveni toranj visok 60 metara, na čijem je vrhu bila velika bakarna kugla. Jedan kraj sekundarnog namota transformatora bio je spojen na ovu kuglicu, drugi je bio uzemljen. Cijeli uređaj je pokretan zasebnim dinamom od 300 KS. U njemu su pobuđivane elektromagnetne oscilacije frekvencije 150 kiloherca (valna dužina 2000 metara). Radni napon u visokonaponskom kolu bio je 30.000 V, a rezonantni potencijal kugle dostigao je 100.000.000 V, stvarajući vještačke munje duge desetine metara! Ovako njegov biograf objašnjava rad Teslinog vibratora: „U suštini, Tesla je „pumpao“ tok elektrona u Zemlju i izvukao odatle. Frekvencija pumpanja bila je 150 kHz. Šireći se u koncentričnim krugovima sve dalje i dalje od Kolorado Springsa, električni talasi su se zatim konvergirali u dijametralno suprotnoj tački na Zemlji. Talasi velike amplitude dizali su se i padali tamo u skladu s onima koji su podignuti u Koloradu. Kada je takav talas pao, poslao je električni eho nazad u Kolorado, gde je električni vibrator pojačao talas, i on je pojurio nazad.
Ako cijelu Zemlju dovedemo u stanje električne vibracije, tada ćemo u svakoj tački na njenoj površini biti opskrbljeni energijom. Može se uhvatiti iz valova koji jure između električnih stupova jednostavnim uređajima sličnim oscilirajućim krugovima u radio prijemnicima, samo uzemljenim i opremljenim malim antenama visine seoske kolibe. Ova energija će grijati i osvjetljavati domove pomoću Teslinih cijevnih lampi, za koje nisu potrebne žice. AC motori bi zahtijevali samo frekventne pretvarače.”
Informacije o Teslinim eksperimentima o prenošenju električne energije bez žica inspirisale su druge istraživače da rade u ovoj oblasti. Izvještaji o sličnim eksperimentima često su se pojavljivali u štampi početkom prošlog stoljeća. S tim u vezi, vrijedno je navesti izvod iz članka A.M. Gorkijev “Razgovori o zanatu”, objavljen 1930.: “Ove godine, Markoni je prenosio električnu struju zračnim putem od Genove do Australije i tamo zapalio električne lampe na izložbi u Sidneju. Istu stvar je prije 27 godina ovdje, u Rusiji, uradio pisac i naučnik M.M. Filippov, koji je nekoliko godina radio na prenošenju električne struje kroz vazduh i na kraju zapalio luster iz Sankt Peterburga u Carskom Selu ( odnosno na udaljenosti od 27 kilometara. -V.P.). Tada se ovoj činjenici nije obraćala dužna pažnja, ali je Filippov nekoliko dana kasnije pronađen mrtav u svom stanu, a policija mu je oduzela uređaje i papire.”
Teslini eksperimenti ostavili su veliki utisak i na drugog pisca, Alekseja Tolstoja, koji je po obrazovanju bio inženjer. A kada su Tesla, a potom i Markoni, objavili u štampi da njihovi uređaji primaju čudne signale vanzemaljskog, očigledno marsovskog porekla, to je inspirisalo pisca da napiše naučnofantastični roman „Aelita“. U romanu, Marsovci koriste Teslin izum i bežično prenose energiju iz elektrana koje se nalaze na polovima Marsa na bilo koje mjesto na planeti. Ova energija pokreće motore letećih brodova i druge mehanizme. Međutim, Tesla nije uspio da izgradi svoj “svjetski sistem” za opskrbu električnom energijom svjetske populacije bez korištenja žica.
Čim je 1900. godine počeo da gradi istraživački laboratorijski grad za 2000 zaposlenih i ogroman metalni toranj sa ogromnom bakarnom pločom na vrhu na ostrvu Long Ajlend u blizini Njujorka, „ožičeni“ električni oligarsi su to shvatili: na kraju krajeva, široko uvođenje Teslinog sistema pretilo im je propast.
Toranj Wardenclyffe (1902.)
O milijarderu J.P. Morgan, koji je finansirao izgradnju, bio je podvrgnut ozbiljnom pritisku, uključujući vladine zvaničnike koje su podmitili konkurenti.(ili je bilo obrnuto) Došlo je do prekida u isporuci opreme, gradnja je zastala, a kada je Morgan, pod tim pritiskom, prestao da finansira, to je potpuno stalo. Početkom Prvog svjetskog rata, na poticaj istih konkurenata, američka vlada je naredila eksploziju gotove kule pod namišljenim izgovorom da se može koristiti u špijunske svrhe.
Pa, onda je elektrotehnika krenula uobičajenim putem.
Dugo niko nije mogao ponoviti Tesline eksperimente, makar samo zato što je bilo potrebno napraviti instalaciju slične veličine i snage. Ali niko nije sumnjao da je Tesla prije više od stotinu godina uspio pronaći način da prenosi električnu energiju na daljinu bez žica. Autoritet Tesle, koji je ocijenjen kao drugi pronalazač nakon Edisona, bio je prilično visok u cijelom svijetu, a njegov doprinos razvoju elektrotehnike naizmjenične struje (uprkos Edisonu, koji je zagovarao jednosmjernu struju) je nesumnjiv. Tokom njegovih eksperimenata bili su prisutni mnogi specijalisti, ne računajući štampu, i niko nikada nije pokušao da ga osudi za bilo kakve trikove ili manipulaciju činjenicama. O visokom autoritetu Tesle svedoči i naziv jedinice za jačinu magnetnog polja po njemu. Ali Teslin zaključak da se tokom eksperimenta u Kolorado Springsu energija prenosila na razdaljinu od 42 kilometra sa efikasnošću od oko 90% previše je optimističan. Podsjetimo, ukupna snaga lampi upaljenih na daljinu iznosila je 10 kW, odnosno 13 KS, dok je snaga dinamo-a koji je pokretao vibrator dostizala 300 KS. Odnosno, možemo govoriti o efikasnosti. samo oko 4-5%, iako je ova brojka nevjerovatna. Fizička opravdanost Teslinih eksperimenata na bežičnom prijenosu električne energije još uvijek zabrinjava mnoge stručnjake.
www.elec.ru/news/2003/03/14/1047627665.h tml
Stručnjaci sa Massachusetts Institute of Technology uspjeli su zapaliti žarulju sa žarnom niti, koja se nalazi na udaljenosti od 2 metra od izvora energije. rus.newsru.ua/world/08jun2007/tesla.html
Bežični punjači kompanije Intel odessabuy.com/news/item-402.html
"Argumenti i činjenice" br. 52, 2008. (24-30. decembar):
NAUKA - Struja bez žica. Kažu da su američki naučnici uspjeli prenijeti električnu energiju snage 800 W bez žica.
Kada se prvi put pojavila, naizmjenična električna struja izgledala je kao fantazija. Njegov pronalazač, sjajni fizičar Nikola Tesla, proučavao je problem bežičnog prenosa električne energije na velike udaljenosti na prelazu iz 19. u 20. vek. Do sada ovaj problem nije u potpunosti riješen, ali su dobijeni rezultati ohrabrujući.
Ultrazvuk za prijenos energije
Bilo koji talas nosi energiju, uključujući i zvučne talase visoke frekvencije. Postoje tri pristupa bežičnom prijenosu električne energije:
- prijenos električne energije pretvaranjem u drugu vrstu energije na izvoru i reverznom konverzijom u električnu energiju na prijemnom uređaju;
- stvaranje i korišćenje alternativnih provodnika električne energije (plazma kanali, stubovi jonizovanog vazduha, itd.);
- korištenje provodnih svojstava Zemljine litosfere.
Metoda korištenja ultrazvuka spada u prvi pristup. U posebnom tipu izvora ultrazvuka, kada se primjenjuje napajanje, pojavljuje se usmjereni snop visokofrekventnih zvučnih valova. Kada udare u prijemnik, energija zvučnih talasa se pretvara u električnu struju.
Maksimalna udaljenost za prijenos električne energije bez žica je 10 metara. Rezultat su 2011. dobili predstavnici Univerziteta Pensilvanije tokom prezentacije na izložbi “The All Things Digital”. Ova metoda se ne smatra obećavajućom zbog nekoliko svojih nedostataka: niske efikasnosti, niskog primljenog napona i ograničenja jačine ultrazvučnog zračenja prema sanitarnim standardima.
Primjena elektromagnetne indukcije
Iako većina ljudi toga nije ni svjesna, ova metoda se koristi jako dugo, gotovo od početka naizmjenične struje. Najčešći AC transformator je najjednostavniji uređaj za bežični prijenos električne energije, ali je udaljenost prijenosa vrlo kratka.
Primarni i sekundarni namotaji transformatora nisu povezani u jedan krug, a kada u primarnom namotu teče naizmjenična struja, u sekundaru se pojavljuje električna struja. Prijenos energije odvija se putem elektromagnetnog polja. Stoga ovaj način bežičnog prijenosa energije koristi konverziju energije iz jedne vrste u drugu.
Već je razvijen veliki broj uređaja čiji se rad zasniva na ovoj metodi koji se uspješno koriste u svakodnevnom životu. Tu spadaju bežični punjači za mobilne telefone i druge gadžete, te kućni električni aparati sa niskom potrošnjom energije tokom rada (kompaktne CCTV kamere, sve vrste senzora, pa čak i televizori sa LCD ekranima).
Mnogi stručnjaci tvrde da će električna vozila budućnosti koristiti bežične tehnologije za punjenje baterija ili proizvodnju električne energije za kretanje. Indukcijski namotaji (analozi primarnog namotaja transformatora) biće postavljeni na putevima. Oni će stvoriti naizmjenično elektromagnetno polje, koje će, kada vozilo prođe preko njega, uzrokovati strujanje električne struje u ugrađenom prijemnom kalemu. Prvi eksperimenti su već izvedeni i dobijeni rezultati daju oprezan optimizam.
Prednosti ove metode uključuju:
- visoka efikasnost za kratke udaljenosti (od nekoliko metara);
- jednostavnost dizajna i savladana tehnologija primjene;
- relativna sigurnost za ljudsko zdravlje.
Nedostatak metode - kratka udaljenost na kojoj je prijenos energije efikasan - značajno smanjuje obim primjene bežične električne energije zasnovane na elektromagnetnoj indukciji.
Koristeći različite mikrotalasne pećnice
Ova metoda se također zasniva na konverziji različitih vrsta energije. Elektromagnetski talasi ultravisoke frekvencije služe kao nosioci energije. Ovu metodu je prvi opisao i praktično implementirao u svojoj instalaciji japanski fizičar i radio-inženjer Hidetsugu Yagi dvadesetih godina prošlog stoljeća. Frekvencija radio talasa za bežični prenos električne energije je u rasponu od 2,4 do 5,8 GHz. Eksperimentalna instalacija je već testirana i dobila pozitivne povratne informacije, koja istovremeno distribuira Wi-Fi i napaja električne uređaje za domaćinstvo male snage.
Laserski snop je takođe elektromagnetno zračenje, ali sa posebnim svojstvom - koherentnošću. Smanjuje gubitke energije tokom prenosa i time povećava efikasnost. Prednosti uključuju sljedeće:
- mogućnost prijenosa na velike udaljenosti (desetine kilometara u Zemljinoj atmosferi);
- praktičnost i jednostavnost instalacije za uređaje male snage;
- dostupnost vizualne kontrole procesa prijenosa - laserski snop je vidljiv golim okom.
Laserska metoda ima i nedostatke, a to su: relativno niska efikasnost (45−50%), gubici energije zbog atmosferskih pojava (kiša, magla, oblaci prašine) i potreba da se predajnik i prijemnik lociraju u vidnom polju.
Intenzitet sunčeve svjetlosti izvan Zemljine atmosfere je nekoliko desetina puta veći nego na površini Zemlje. Stoga će se u budućnosti, prema futurolozima, solarne elektrane nalaziti u niskoj orbiti Zemlje. A prijenos akumulirane električne energije, po njihovom mišljenju, obavljat će se bez žica pod naponom. Razvijat će se i primjenjivati transmisiona metoda koja kopira pražnjenje groma, a planira se jonizacija zraka na ovaj ili onaj način. I prvi eksperimenti u ovom pravcu su već izvedeni. Ova metoda se zasniva na stvaranju alternativnih bežičnih vodiča električne struje.
Bežična električna energija dobijena na ovaj način iz orbite blizu Zemlje je impulzivne prirode. Stoga su za njegovu praktičnu primjenu potrebni snažni i jeftini kondenzatori, a također će biti potrebno razviti metodu za njihovo postupno pražnjenje.
Najefikasnija metoda
Planeta Zemlja je ogroman kondenzator. Litosfera uglavnom provodi električnu energiju, sa izuzetkom malih područja. Postoji teorija da se bežični prijenos energije može dogoditi kroz zemljinu koru. Suština je sledeća: izvor struje je u pouzdanom kontaktu sa površinom zemlje, izmjenična struja određene frekvencije teče od izvora do kore i širi se u svim smjerovima, a u određenim razmacima u zemlji se postavljaju prijemnici električne struje iz kojih se prenosi se potrošačima.
Suština teorije je da prihvati i koristi struju samo jedne zadate frekvencije. Kao što se u radio prijemniku podešava frekvencija prijema radio talasa, tako će se i u takvim električnim prijemnicima podešavati frekvencija primljene struje. Teoretski, ova metoda će moći prenositi električnu energiju na vrlo velike udaljenosti ako je frekvencija naizmjenične struje niska, reda veličine nekoliko Hz.
Izgledi za bežični prijenos električne energije
U bliskoj budućnosti očekuje se masovno uvođenje u svakodnevni život PoWiFi sistema koji se sastoji od rutera sa funkcijom prenosa električne energije na nekoliko desetina brojila, te kućnih aparata koji se napajaju primanjem električne energije iz radio talasa. Ovaj sistem se trenutno aktivno testira i priprema za široku upotrebu. Detalji se ne otkrivaju, ali prema dostupnim informacijama, "zest" je u tome što se koristi sinhronizacija elektromagnetnih polja izvora i prijemnika bežične struje.
Dugoročno gledano, razmatra se opcija napuštanja upotrebe tradicionalnih elektrana na globalnom nivou - solarne stanice će se koristiti u niskoj orbiti Zemlje, pretvarajući energiju sunčeve svjetlosti u električnu energiju. Električna energija će se vjerovatno prenositi na površinu planete kroz kanale joniziranog zraka ili plazme. A na samoj površini zemlje nestat će konvencionalni dalekovodi, njihovo mjesto će zauzeti kompaktniji i efikasniji sistemi za prijenos električne energije kroz litosferu.
Bežični prijenos za isporuku električne energije ima sposobnost da pruži veliki napredak u industrijama i aplikacijama koje se oslanjaju na fizički kontakt konektora. To, zauzvrat, može biti nepouzdano i dovesti do neuspjeha. Bežični prijenos energije prvi je demonstrirao Nikola Tesla 1890-ih. Međutim, tek u posljednjoj deceniji tehnologija je iskorištena do te mjere da nudi stvarne, opipljive prednosti za primjene u stvarnom svijetu. Konkretno, razvoj rezonantnih bežičnih sistema napajanja za tržište potrošačke elektronike pokazao je da induktivno punjenje donosi nove nivoe pogodnosti milionima svakodnevnih uređaja.
Moć o kojoj je riječ je nadaleko poznata pod mnogim pojmovima. Uključujući induktivni prijenos, komunikaciju, rezonantnu bežičnu mrežu i isti povrat napona. Svaki od ovih uslova u suštini opisuje isti fundamentalni proces. Bežični prijenos električne energije ili snage od izvora napajanja do napona opterećenja bez konektora kroz zračni otvor. Osnova su dvije zavojnice - predajnik i prijemnik. Prvi se pobuđuje naizmjeničnom strujom kako bi se stvorilo magnetsko polje, koje zauzvrat inducira napon u drugom.
Kako radi dotični sistem?
Osnove bežičnog napajanja uključuju distribuciju energije od predajnika do prijemnika kroz oscilirajuće magnetsko polje. Da bi se to postiglo, jednosmjerna struja koju napaja napajanje pretvara se u visokofrekventnu naizmjeničnu struju. Korištenje posebno dizajnirane elektronike ugrađene u predajnik. Izmjenična struja aktivira zavojnicu bakrene žice u dispenzeru, koja stvara magnetsko polje. Kada je drugi (prijemni) namotaj postavljen u neposrednoj blizini. Magnetno polje može inducirati naizmjeničnu struju u prijemnoj zavojnici. Elektronika u prvom uređaju zatim pretvara AC nazad u DC, koji postaje ulaz za napajanje.
Krug za bežični prijenos energije
"mrežni" napon se pretvara u AC signal, koji se zatim šalje u zavojnicu predajnika kroz elektronsko kolo. Protok kroz namotaj distributera indukuje magnetno polje. Ovo se zauzvrat može proširiti na zavojnicu prijemnika, koja je u relativnoj blizini. Magnetno polje tada stvara struju koja teče kroz namotaj prijemnika. Proces kojim se energija širi između predajnog i prijemnog namotaja se također naziva magnetsko ili rezonantno spajanje. A to se postiže korištenjem oba namota koja rade na istoj frekvenciji. Struja koja teče u zavojnici prijemnika pretvara se u jednosmjernu struju pomoću kruga prijemnika. Zatim se može koristiti za napajanje uređaja.
Šta znači rezonancija?
Udaljenost na kojoj se energija (ili snaga) može prenijeti povećava se ako zavojnice predajnika i prijemnika rezoniraju na istoj frekvenciji. Baš kao što viljuška za podešavanje oscilira na određenoj visini i može dostići maksimalnu amplitudu. Ovo se odnosi na frekvenciju na kojoj objekt prirodno vibrira.
Prednosti bežičnog prijenosa
Koje su prednosti? Pros:
- Smanjuje troškove povezane s održavanjem ravnih konektora (kao u tradicionalnom industrijskom kliznom prstenu);
- veća pogodnost za punjenje uobičajenih elektronskih uređaja;
- siguran prijenos na aplikacije koje moraju ostati hermetički zatvorene;
- elektronika može biti potpuno skrivena, smanjujući rizik od korozije od elemenata kao što su kisik i voda;
- Pouzdana i konzistentna isporuka energije rotirajućoj, visoko pokretnoj industrijskoj opremi;
- Pruža pouzdan prijenos energije kritičnim sistemima u mokrim, prljavim i pokretnim sredinama.
Bez obzira na primenu, eliminacija fizičke veze pruža niz prednosti u odnosu na tradicionalne kablovske konektore za napajanje.
Efikasnost prenosa energije u pitanju
Ukupna efikasnost bežičnog elektroenergetskog sistema je najvažniji faktor u određivanju njegovih performansi. Efikasnost sistema mjeri količinu energije koja se prenosi između izvora napajanja (tj. zidne utičnice) i prijemnog uređaja. Ovo zauzvrat određuje aspekte kao što su brzina punjenja i raspon širenja.
Bežični komunikacioni sistemi variraju u zavisnosti od njihovog nivoa efikasnosti na osnovu faktora kao što su konfiguracija i dizajn zavojnice, udaljenost prenosa. Manje efikasan uređaj će proizvesti više emisija i rezultirati manjim prolaskom energije kroz prijemni uređaj. Tipično, tehnologije bežičnog prijenosa energije za uređaje kao što su pametni telefoni mogu postići 70% performansi.
Kako se mjeri efikasnost?
U smislu, kao količina snage (u procentima) koja se prenosi sa izvora napajanja na uređaj za prijem. Odnosno, bežični prijenos energije za pametni telefon s efikasnošću od 80% znači da se 20% ulazne snage gubi između zidne utičnice i baterije za uređaj koji se puni. Formula za mjerenje radne efikasnosti je: produktivnost = izlazna jednosmjerna struja, podijeljena sa ulaznom, dobijeni rezultat pomnožen sa 100%.
Bežične metode prijenosa električne energije
Snaga se kroz dotičnu mrežu može širiti kroz gotovo sve nemetalne materijale, uključujući ali ne ograničavajući se na. To uključuje čvrste materije kao što su drvo, plastika, tekstil, staklo i cigla, kao i gasovi i tečnosti. Kada se metalni ili električno provodljivi materijal (odnosno, postavi u neposrednoj blizini elektromagnetnog polja, predmet apsorbuje energiju iz njega i zagreva se kao rezultat. Ovo zauzvrat utiče na efikasnost sistema. Ovako radi indukcijsko kuvanje , na primjer, neefikasan prijenos snage sa ploče za kuhanje stvara toplinu za kuhanje.
Da bi se kreirao bežični sistem za prenos energije, potrebno je vratiti se na početak teme o kojoj je reč. Ili, tačnije, uspešnom naučniku i pronalazaču Nikoli Tesli, koji je stvorio i patentirao generator sposoban da preuzme struju bez raznih materijalističkih provodnika. Dakle, za implementaciju bežičnog sistema potrebno je sastaviti sve bitne elemente i dijelove, kao rezultat toga će biti implementiran mali uređaj koji stvara visokonaponsko električno polje u zraku oko sebe. U isto vrijeme, postoji mala ulazna snaga, omogućava bežični prijenos energije na daljinu.
Jedna od najvažnijih metoda prijenosa energije je induktivna sprega. Uglavnom se koristi za blisko polje. Karakterizira ga činjenica da kada struja prolazi kroz jednu žicu, na krajevima druge se indukuje napon. Prijenos snage se odvija kroz reciprocitet između dva materijala. Uobičajeni primjer je transformator. Mikrotalasni prijenos energije kao ideju razvio je William Brown. Cijeli koncept uključuje pretvaranje naizmjenične struje u RF snagu i njeno odašiljanje u svemiru i ponovni prijenos u AC napajanje na prijemniku. U ovom sistemu napon se generiše korišćenjem mikrotalasnih izvora energije. Kao što je klistron. A ova snaga se prenosi kroz valovod, koji štiti od reflektirane snage. I tuner koji odgovara impedanciji mikrovalnog izvora sa drugim elementima. Prijemni dio se sastoji od antene. Prihvata mikrovalnu snagu i kolo za usklađivanje impedancije i filtera. Ova prijemna antena, zajedno sa ispravljačem, može biti dipol. Odgovara izlaznom signalu sa sličnim zvučnim obaveštenjem ispravljačke jedinice. Blok prijemnika se također sastoji od sličnog dijela koji se sastoji od dioda, koje se koriste za pretvaranje signala u DC alarm. Ovaj sistem prenosa koristi frekvencije u opsegu od 2 GHz do 6 GHz.
Bežični prijenos električne energije pomoću generatora koji koristi slične magnetne oscilacije. Suština je da je ovaj uređaj radio zahvaljujući tri tranzistora.
Korištenje laserskog snopa za prijenos snage u obliku svjetlosne energije, koja se na prijemnom kraju pretvara u električnu energiju. Sam materijal prima energiju koristeći izvore kao što su Sunce ili bilo koji generator električne energije. I, shodno tome, ostvaruje fokusirano svjetlo visokog intenziteta. Veličina i oblik zraka određuju se skupom optike. A ovu propuštenu lasersku svjetlost primaju fotonaponske ćelije, koje je pretvaraju u električne signale. Obično koristi optičke kablove za prenos. Kao iu osnovnom solarnom sistemu, prijemnik koji se koristi u laserskom širenju je niz fotonaponskih ćelija ili solarni panel. Oni, zauzvrat, mogu pretvoriti lutanje u električnu energiju.
Osnovne karakteristike uređaja
Snaga Teslinog namotaja dolazi iz procesa koji se naziva elektromagnetna indukcija. To jest, polje koje se mijenja stvara potencijal. To uzrokuje protok struje. Kada struja teče kroz zavojnicu žice, ona stvara magnetsko polje koje ispunjava područje oko zavojnice na određeni način. Za razliku od nekih drugih eksperimenata visokog napona, Teslin kalem je izdržao mnoga ispitivanja i ispitivanja. Proces je bio prilično radno intenzivan i dugotrajan, ali rezultat je bio uspješan, pa ga je naučnik uspješno patentirao. Možete napraviti takvu zavojnicu ako imate određene komponente. Za implementaciju će vam trebati sljedeći materijali:
- dužina 30 cm PVC (što duže to bolje);
- emajlirana bakrena žica (sekundarna žica);
- brezova ploča za bazu;
- 2222A tranzistor;
- priključna (primarna) žica;
- otpornik 22 kOhm;
- prekidači i spojne žice;
- baterija 9 volti.
Faze implementacije Tesla uređaja
Za početak, trebate postaviti mali prorez na vrhu cijevi da omotate jedan kraj žice. Namotajte zavojnicu polako i pažljivo, pazeći da se žice ne preklapaju ili stvaraju praznine. Ovaj korak je najteži i dosadan dio, ali utrošeno vrijeme će proizvesti vrlo kvalitetnu i dobru rolu. Svakih 20-ak okreta oko namotaja se postavljaju prstenovi ljepljive trake. Djeluju kao barijera. U slučaju da zavojnica počne da se odmotava. Kada završite, omotajte tešku traku oko gornjeg i donjeg dijela omota i poprskajte ga sa 2 ili 3 sloja emajla.
Zatim morate spojiti primarnu i sekundarnu bateriju na bateriju. Nakon toga uključite tranzistor i otpornik. Manji namotaj je primarni, a duži namotaj je sekundarni. Na vrh cijevi možete dodatno ugraditi aluminijsku kuglu. Također, spojite otvoreni kraj sekundara na dodatni, koji će služiti kao antena. Sve je potrebno izraditi s velikom pažnjom kako biste izbjegli dodirivanje sekundarnog uređaja prilikom uključivanja.
Ako se koristi samostalno, postoji opasnost od požara. Morate okrenuti prekidač, postaviti lampu sa žarnom niti pored uređaja za bežični prijenos energije i uživati u svjetlosnoj predstavi.
Bežični prijenos putem solarnog sistema
Tradicionalne konfiguracije implementacije žičane energije obično zahtijevaju žice između distribuiranih uređaja i potrošačkih jedinica. Ovo stvara mnoga ograničenja kao što su troškovi troškova sistemskog kabla. Gubici nastali u prijenosu. I otpad u distribuciji. Sam otpor dalekovoda dovodi do gubitka od oko 20-30% proizvedene energije.
Jedan od najmodernijih sistema bežičnog prijenosa energije baziran je na prijenosu sunčeve energije pomoću mikrovalne pećnice ili laserskog zraka. Satelit se nalazi u geostacionarnoj orbiti i sastoji se od fotonaponskih ćelija. Oni pretvaraju sunčevu svjetlost u električnu struju, koja se koristi za napajanje mikrovalnog generatora. I, shodno tome, ostvaruje snagu mikrotalasnih pećnica. Ovaj napon se prenosi putem radio komunikacije i prima na baznoj stanici. To je kombinacija antene i ispravljača. I ponovo se pretvara u električnu energiju. Zahtijeva AC ili DC napajanje. Satelit može emitovati do 10 MW radio frekvencije.
Ako govorimo o DC distributivnom sistemu, onda je čak i to nemoguće. Zato što je za to potreban konektor između napajanja i uređaja. Postoji slika: sistem potpuno bez žica, gdje možete dobiti AC napajanje u domovima bez ikakvih dodatnih uređaja. Gdje je moguće puniti svoj mobilni telefon bez potrebe fizičkog povezivanja na utičnicu. Naravno, takav sistem je moguć. I mnogi moderni istraživači pokušavaju stvoriti nešto modernizirano, dok proučavaju ulogu razvoja novih metoda bežičnog prijenosa električne energije na daljinu. Iako, sa stanovišta ekonomske komponente, državama neće biti sasvim isplativo ako se takvi uređaji uvedu posvuda i standardna struja zamijenjena prirodnom.
Poreklo i primeri bežičnih sistema
Ovaj koncept zapravo nije nov. Celu ovu ideju razvio je Nikola Tesla 1893. Kada je razvio sistem osvjetljavanja vakuumskih cijevi koristeći tehnike bežičnog prijenosa. Nemoguće je zamisliti da bi svijet postojao bez raznih izvora naplate, koji su izraženi u materijalnom obliku. Omogućiti da se mobilni telefoni, kućni roboti, MP3 plejeri, računari, laptopi i drugi prenosivi uređaji mogu puniti samostalno, bez ikakvih dodatnih konekcija, oslobađajući korisnike od stalnih žica. Neki od ovih uređaja možda čak i ne zahtijevaju mnogo elemenata. Istorija bežičnog prenosa energije je prilično bogata, uglavnom zahvaljujući razvoju Tesle, Volte i drugih, ali danas su to ostali samo podaci u fizici.
Osnovni princip je pretvaranje izmjenične struje u istosmjerni napon pomoću ispravljača i filtera. A zatim - da se vratite na izvornu vrijednost na visokoj frekvenciji pomoću pretvarača. Ova niskonaponska, visoko fluktuirajuća AC snaga se zatim prenosi sa primarnog transformatora na sekundarni. Pretvara se u istosmjerni napon pomoću ispravljača, filtera i regulatora. AC signal postaje direktan zbog zvuka struje. I također korištenje sekcije mostnog ispravljača. Rezultirajući DC signal prolazi kroz povratni namotaj, koji djeluje kao oscilatorno kolo. Istovremeno, prisiljava tranzistor da ga vodi u primarni pretvarač u smjeru s lijeva na desno. Kada struja prođe kroz povratni namotaj, odgovarajuća struja teče u primar transformatora u smjeru s desna na lijevo.
Ovako funkcionira ultrazvučna metoda prijenosa energije. Signal se generiše preko primarnog pretvarača za oba poluciklusa AC alarma. Frekvencija zvuka ovisi o kvantitativnim pokazateljima oscilacija krugova generatora. Ovaj AC signal se pojavljuje na sekundarnom namotu transformatora. A kada je spojen na primarni pretvarač drugog objekta, AC napon je 25 kHz. Očitavanje se pojavljuje kroz njega u transformatoru za smanjenje.
Ovaj AC napon se izjednačava pomoću mosnog ispravljača. A zatim se filtrira i reguliše kako bi se proizveo izlaz od 5V za pokretanje LED-a. Izlazni napon od 12V iz kondenzatora koristi se za napajanje DC motora ventilatora za njegovo upravljanje. Dakle, sa stanovišta fizike, prenos električne energije je prilično razvijeno područje. Međutim, kako praksa pokazuje, bežični sistemi nisu u potpunosti razvijeni i poboljšani.
Osnove bežičnog punjenja
Bežični prijenos snage (WPT) nam daje priliku da pobjegnemo od tiranije energetskih kablova. Ova tehnologija sada prožima sve vrste uređaja i sistema. Hajde da je pogledamo!
Bežični način
Većina modernih domova i poslovnih zgrada napaja se izmjeničnom strujom. Elektrane proizvode električnu energiju naizmjenične struje, koja se isporučuje kućama i poslovnim objektima pomoću visokonaponskih dalekovoda i nižih transformatora.
Struja ide do razvodnog panela, a zatim ožičenje prenosi struju do opreme i uređaja koje svakodnevno koristimo: svjetla, kuhinjskih aparata, punjača itd.
Sve komponente su standardizovane. Svaki uređaj sa standardnom strujom i naponom radit će iz bilo koje utičnice u cijeloj zemlji. Iako se standardi razlikuju od zemlje do zemlje, u datom električnom sistemu svaki uređaj će raditi sve dok zadovoljava standarde tog sistema.
Kabl ovdje, kabel tamo... Većina naših električnih uređaja ima kabel za napajanje naizmjeničnom strujom.
Tehnologija bežičnog prijenosa energije
Bežični prijenos snage (WPT) omogućava snabdijevanje električnom energijom kroz zračni otvor bez potrebe za električnim žicama. Bežični prijenos energije može osigurati napajanje izmjeničnom strujom za kompatibilne baterije ili uređaje bez fizičkih konektora ili žica. Bežični prenos električne energije može da obezbedi punjenje mobilnih telefona i tablet računara, bespilotnih letelica, automobila i druge transportne opreme. To bi čak moglo omogućiti i bežični prijenos električne energije proizvedene iz solarnih panela u svemiru.
Bežični prijenos električne energije započeo je svoj brzi razvoj u području potrošačke elektronike, zamjenjujući žičane punjače. Na sajmu CES 2017 bit će prikazani mnogi uređaji koji koriste bežični prijenos energije.
Međutim, koncept bežičnog prijenosa električne energije nastao je oko 1890-ih. Nikola Tesla je u svojoj laboratoriji u Kolorado Springsu mogao bežično upaliti sijalicu koristeći elektrodinamičku indukciju (koja se koristi u rezonantnom transformatoru).
Tri sijalice postavljene 60 stopa (18 metara) od izvora napajanja su upaljene i demonstracija je dokumentovana. Tesla je imao velike planove, nadao se da će njegov toranj Wardenclyffe, smješten na Long Islandu, bežično prenositi električnu energiju preko Atlantskog okeana. To se nikada nije dogodilo zbog raznih problema, uključujući finansiranje i vrijeme.
Bežični prijenos električne energije koristi polja stvorena od nabijenih čestica za prijenos energije kroz zračni jaz između predajnika i prijemnika. Zračni jaz se kratko spaja pretvaranjem električne energije u oblik koji se može prenositi kroz zrak. Električna energija se pretvara u naizmjenično polje, prenosi kroz zrak, a zatim se putem prijemnika pretvara u upotrebljivu električnu struju. U zavisnosti od snage i udaljenosti, električna energija se može efikasno prenositi kroz električno polje, magnetno polje ili elektromagnetne talase kao što su radio talasi, mikrotalasno zračenje ili čak svetlost.
U sljedećoj tabeli su navedene različite tehnologije za bežični prijenos električne energije, kao i oblici prijenosa energije.
| Tehnologija | Nosač električne energije | Šta omogućava prenos električne energije |
|---|---|---|
| Induktivna sprega | Magnetna polja | Zavoji žice |
| Rezonantna induktivna sprega | Magnetna polja | Oscilatorna kola |
| Kapacitivna sprega | Električna polja | Parovi provodnih ploča |
| Magnetodinamička sprega | Magnetna polja | Rotacija trajnih magneta |
| Mikrotalasno zračenje | Mikrotalasni talasi | Fazni nizovi paraboličkih antena |
| Optičko zračenje | Vidljivo svjetlo / infracrveno zračenje / ultraljubičasto zračenje | Laseri, fotoćelije |
Qi punjenje, otvoreni standard za bežično punjenje
Dok neke od kompanija koje obećavaju bežično napajanje još uvijek rade na svojim proizvodima, Qi (izgovara se "qi") standard punjenja već postoji i uređaji koji ga koriste već su dostupni. Wireless Power Consortium (WPC), kreiran 2008. godine, razvio je Qi standard za punjenje baterija. Ovaj standard podržava tehnologije induktivnog i rezonantnog punjenja.
Induktivno punjenje prenosi električnu energiju između induktora u predajniku i prijemniku koji se nalaze na bliskoj udaljenosti. Induktivni sistemi zahtevaju da induktori budu u neposrednoj blizini i međusobno poravnati; Obično su uređaji u direktnom kontaktu sa podlogom za punjenje. Rezonantno punjenje ne zahtijeva pažljivo poravnavanje, a punjači mogu otkriti i napuniti uređaj udaljen do 45 mm; tako se rezonantni punjači mogu ugraditi u namještaj ili ugraditi između polica.
Prisustvo Qi logotipa znači da je uređaj registrovan i certificiran od strane WPC-a.
U početku je Qi punjenje imalo malu snagu, oko 5 W. Prvi pametni telefoni koji koriste Qi punjenje pojavili su se 2011. godine. U 2015. godini Qi snaga punjenja porasla je na 15 W, što omogućava brzo punjenje uređaja.
Sljedeća slika kompanije Texas Instruments pokazuje šta pokriva Qi standard.
Zajamčeno je da će samo uređaji koji su navedeni u bazi podataka za registraciju Qi-a biti Qi kompatibilni. Trenutno sadrži više od 700 proizvoda. Važno je shvatiti da su proizvodi koji nose Qi logo testirani i certificirani; a magnetna polja koja koriste ovi uređaji neće uzrokovati probleme osjetljivim uređajima kao što su mobilni telefoni ili e-pasoši. Registrirani uređaji će zajamčeno raditi s registriranim punjačima.
Fizika bežičnog prijenosa električne energije
Bežični prijenos električne energije za kućne uređaje je nova tehnologija, ali principi na kojima se temelji su poznati već duže vrijeme. Tamo gdje su uključeni elektricitet i magnetizam, Maxwellove jednačine su i dalje vođene, a odašiljači šalju energiju prijemnicima na isti način kao i u drugim oblicima bežične komunikacije. Međutim, bežični prijenos energije razlikuje se od njih po svojoj osnovnoj svrsi, a to je prijenos same energije, a ne informacija koje su u njoj kodirane.
Elektromagnetna polja uključena u bežični prijenos električne energije mogu biti prilično jaka i stoga se mora uzeti u obzir ljudska sigurnost. Izloženost elektromagnetnom zračenju može uzrokovati probleme, a postoji i mogućnost da polja koja stvaraju predajnici električne energije mogu ometati rad nosivih ili implantiranih medicinskih uređaja.
Odašiljači i prijemnici su ugrađeni u uređaje za bežični prijenos električne energije na isti način kao i baterije koje će se njima puniti. Stvarni obrasci konverzije ovisit će o korištenoj tehnologiji. Pored samog prenosa električne energije, WPT sistem mora da obezbedi komunikaciju između predajnika i prijemnika. Ovo osigurava da prijemnik može obavijestiti punjač da je baterija potpuno napunjena. Komunikacija također omogućava odašiljaču da detektuje i identifikuje prijemnik kako bi prilagodio količinu energije koja se šalje na opterećenje, kao i da prati, na primjer, temperaturu baterije.
U bežičnom prijenosu električne energije, izbor koncepta bliskog ili dalekog polja bitan je. Tehnologije prijenosa, količina energije koja se može prenijeti i zahtjevi za udaljenosti utiču na to da li će sistem koristiti zračenje bliskog ili dalekog polja.
Tačke za koje je udaljenost od antene znatno manja od jedne talasne dužine nalaze se u bliskoj zoni. Energija u bliskom polju nije radijativna, a oscilacije magnetskog i električnog polja su nezavisne jedna od druge. Kapacitivna (električna) i induktivna (magnetna) sprega se može koristiti za prijenos energije do prijemnika koji se nalazi u bliskom polju predajnika.
Tačke za koje je udaljenost od antene veća od oko dvije talasne dužine nalaze se u dalekom polju (postoji prelazno područje između bliskog i udaljenog polja). Energija dalekog polja prenosi se u obliku običnog elektromagnetnog zračenja. Prijenos energije dalekog polja naziva se i energetski snop. Primjeri prijenosa dalekog polja su sistemi koji koriste lasere velike snage ili mikrovalno zračenje za prijenos energije na velike udaljenosti.
Gdje radi bežični prijenos snage (WPT)?
Sve WPT tehnologije su trenutno pod aktivnim istraživanjem, pri čemu je veći dio fokusiran na maksimiziranje efikasnosti prijenosa energije i istraživanje tehnologija za spajanje magnetne rezonance. Osim toga, najambicioznije ideje su opremanje prostorija WPT sistemom u kojem će se osoba nalaziti, a uređaji koje nosi automatski će se puniti.
U globalu, električni autobusi postaju norma; planovi za uvođenje bežičnog punjenja za legendarne londonske autobuse na sprat u skladu su sa autobuskim sistemima u Južnoj Koreji, američkoj državi Utah i Njemačkoj.
Eksperimentalni sistem za bežično napajanje dronova već je demonstriran. I, kao što je ranije spomenuto, trenutna istraživanja i razvoj usmjereni su na mogućnost zadovoljavanja nekih energetskih potreba Zemlje korištenjem bežičnog prijenosa energije i solarnih panela smještenih u svemiru.
WPT radi svuda!
Zaključak
Iako je Teslin san o bežičnom prijenosu energije do bilo kojeg potrošača još uvijek daleko od ostvarenja, mnogi uređaji i sistemi trenutno koriste neki oblik bežičnog prijenosa energije. Od četkica za zube do mobilnih telefona, od osobnih automobila do javnog prijevoza, postoji mnogo aplikacija za bežični prijenos električne energije.
U jednoj od prethodnih tema pogledali smo kako je poznati srpski naučnik Nikola Tesla prenosio električnu energiju koristeći sopstveni izum - rezonantni generator (Tesla kalem), a kako je to uradio detaljno je opisano. Tesla je mogao prenositi struju na velike udaljenosti, ali osim metode koju je predložio, postoji još jedna - indukcija. Ova metoda naravno nije namijenjena za prijenos struje na velike udaljenosti.
Metoda indukcije nije našla široku upotrebu u nauci i tehnologiji zbog vrlo velikih gubitaka modulirane struje (gubici dostižu 60%), štoviše, ovom metodom nije moguće prenijeti struju više od 1 metra (teoretski, naravno , moguće je, ali nema smisla zbog jakog raspršenja polja).
Uređaj za takav prijenos je vrlo jednostavan - dva kruga, od kojih je jedan spojen na visokofrekventni generator (nekoliko kiloherca). Sličan uređaj se lako može napraviti kod kuće, jednostavan multivibrator dizajniran za 20-50 kiloherca spojen je na stepen pojačala, na potonji je spojen krug koji sadrži od 10 do 100 zavoja, drugi krug je analogan prvom. Najvažnija stvar kod indukcionog principa prenosa struje je da kola nemaju magnetno jezgro, odnosno nisu ni na koji način međusobno povezani, a struja se prenosi kroz vazduh indukcijom.
U praksi, kao što je već spomenuto, ova metoda se koristi vrlo rijetko. Ovaj princip prijenosa poznat je odavno - još od vremena Michaela Faradaya (već 200 godina). I u naše vrijeme, Nokia korporacija je odlučila koristiti ovu metodu i kreirala koncept mobilnog telefona koji nema priključak za punjenje, telefon još nije masovno proizveden, ali će se kupcima sigurno svidjeti takav mobilni telefon. Ima ugrađeno prijemno kolo, a predajno kolo je skriveno u postolju. Sve radi vrlo jednostavno - stavljamo telefon na postolje i telefon se puni.
Ali to nisu sve prednosti ovog čudesnog telefona. Telefon se može puniti i na drugi način. Poznato je da televizijske i radio stanice moduliraju radio talase, a telefon ih sabira prijemnikom i pretvara u struju, koja puni telefon. Drugi proizvođači mobilnih telefona i laptopa počeli su koristiti ovaj princip, te princip induktivnog prijenosa struje, a sada je postalo moguće pronaći takve čudesne uređaje na tržištu.
Razgovarajte o članku PRENOS STRUJE BEZ ŽICA INDUKCIJSKIM METODOM
Učitavanje...