Всім відомо, що Нікола Тесла є винахідником таких речей, що повсюдно використовуються, як змінний струм і трансформатор. Але далеко не всі вчені знайомі з іншими винаходами Тесли.
Ми використовуємо змінний струм. Ми використовуємо трансформатори. У будь-якій квартирі. Важко уявити як можна обходитися без цих винаходів. Але ЯК ми їх використовуємо? Тесла використовував ці відомі нам (як здається) речі зовсім інакше. Як ми підключаємо будь-який електроприлад до мережі? Виделкою - тобто. двома провідниками. Якщо ми підключимо лише один провідник, току не буде – ланцюг не замкнутий.
Тесла демонстрував ефект передачі потужності по одному провіднику. Більше того, в інших експериментах він передавав потужність взагалі без дротів. Великий винахідник зміг наприкінці XIX століття передати без проводів електричну енергію на відстань понад 40 кілометрів. Оскільки цей широко відомий експеримент Тесли досі не повторений, нашим читачам будуть цікаві подробиці цієї історії, а також сучасний стан проблеми передачі електричної енергії без проводів.
Біографія американського винахідника, серба за походженням, Миколи Тесли досить відома, і ми на ній зупинятись не будемо. Але відразу уточнимо: перш ніж продемонструвати свій унікальний експеримент, Тесла, спочатку у 1892 році в Лондоні, а через рік у Філадельфії, у присутності фахівців продемонстрував можливість передачі електричної енергії по одному дроту, не використовуючи при цьому заземлення другого полюса джерела енергії.
І тоді ж у нього виникла ідея використовувати як цей єдиний дроти... Землю! І цього ж року на з'їзді асоціації електричного освітлення в Сант-Льюїсі він продемонстрував електричні лампи, що горять без підводних проводів, і електромотор, що працює без підключення до електричної мережі. Цю незвичайну експозицію він прокоментував таким чином: «Кілька слів про ідею, яка постійно займає мої думки і стосується всіх нас. Я маю на увазі передачу сигналів, а також енергії на будь-яку відстань без проводів. Ми вже знаємо, що електричні коливання можуть передаватися єдиним провідником. Чому ж не скористатися з цією метою Землею? Якщо ми зможемо встановити період коливань електричного заряду Землі при його обуренні, пов'язаному з дією протилежно зарядженого ланцюга, це буде факт надзвичайної важливості, який послужить на благо всього людства».
Побачивши таку ефектну демонстрацію, такі відомі олігархи, як Дж. Вестінгауз і Дж. П. Морган, вклали у цю перспективну справу понад мільйон доларів, купивши у Тесли його патенти (величезні, до речі, на ті часи гроші!).На ці кошти наприкінці 90-х років ХІХ століття Тесла споруджує в Колорадо-Спрінгс свою унікальну лабораторію. Детальні відомості про експерименти в лабораторії Тесли викладено в книзі його біографа Джона О'Нейла «Електричний Прометей» (у нашій країні її переклад було опубліковано в журналі «Винахідник та раціоналізатор» №4-11 за 1979 рік). Наведемо тут лише коротку витримку з неї, щоб не посилатися на пізніші передруки: «У Колорадо-Спрінгс Тесла провів перші випробування бездротової передачі електроенергії. Він зміг живити струмом, що витягується із Землі під час роботи гігантського вібратора, 200 електричних лампочок розжарювання, розташованих на відстані 42 кіломета від його лабораторії.Потужність кожної становила 50 Вт, так що сумарна витрата енергії становила 10 кВт, або 13 к.с. Тесла був переконаний, що за допомогою потужнішого вібратора він зміг би запалити дюжину електричних гірлянд по 200 лампочок у кожній, розкиданих по всій земній кулі».
Самого Теслу настільки надихнули успіхи цих експериментів, що він заявив у широкій пресі, що має намір висвітлити Всесвітню промислову виставку в Парижі, яку передбачалося провести в 1903 році, енергією електростанції, розташованої на Ніагарському водоспаді і переданою до Парижа без проводів. Відомо за численними фотографіями та описами очевидців і помічників винахідника, що являв собою генератор енергії, що передається на 42 кілометри без проводів (правда, це суто журналістський термін: один провід, яким виступала Земля, в цьому ланцюгу присутній, і про це прямо говорять і сам Тесла, та його біограф).
Те, що Тесла називав вібратором, було гігантським трансформатором його системи, що мав первинну обмотку з кількох витків товстого дроту, намотаних на огорожі діаметром 25 метрів, і розміщену всередині неї багатовиткову одношарову вторинну обмотку на циліндрі з діелектрика. Первинна обмотка разом з конденсатором, індукційною котушкою та іскровим проміжком утворювала коливальний контур-перетворювач частоти. Над трансформатором, що розташовувався в центрі лабораторії, височіла дерев'яна вежа висотою 60 метрів, увінчана великою мідною кулею. Один кінець вторинної обмотки трансформатора з'єднувався з цією кулею, інший - заземлювався. Весь пристрій живився від окремої динаміки потужністю 300 к.с. У ньому збуджувалися електромагнітні коливання частотою 150 кілогерців (довжина хвилі 2000 метрів). Робоча напруга у високовольтному ланцюзі становила 30 000 В, а резонуючий потенціал кулі досягав 100 000 000 В, породжуючи штучні блискавки завдовжки десятки метрів! Ось як пояснює роботу вібратора Тесла його біограф: «По суті, Тесла «накачував» у Землю і витягував звідти потік електронів. Частота накачування становила 150 кГц. Поширюючись концентричними колами дедалі далі від Колорадо-Спрінгс, електричні хвилі сходилися потім у діаметрально протилежній точці Землі. Там здіймалися і опадали хвилі великої амплітуди в унісон із піднятими в Колорадо. Опадаючи, така хвиля посилала електричну луну назад у Колорадо, де електричний вібратор посилював хвилю, і вона мчала назад.
Якщо привести всю Землю в стан електричної вібрації, то в кожній точці поверхні ми будемо забезпечені енергією. Її можна буде вловлювати з простих пристроями, що кидаються між електричними полюсами хвиль, на кшталт коливальних контурів в радіоприймачах, тільки заземленими і забезпеченими невеликими антенами висотою з сільський котедж. Ця енергія обігріватиме будинки і освітлюватиме їх за допомогою трубчастих ламп Тесла, що не потребують проводів. Для електромоторів змінного струму знадобилися лише перетворювачі частоти».
Відомості про експерименти Тесла з передачі електроенергії без проводів надихнули та інших дослідників на роботи у цій галузі. Повідомлення про аналогічні експерименти часто з'являлися у пресі на початку минулого століття. Варто навести у зв'язку з цим витяг зі статті A.M. Горького «Бесіди про ремесло», опублікованій у 1930 році: «Цього року Марконі передав повітрям електрострум з Генуї до Австралії і запалив там електричні лампи на виставці в Сіднеї. Це було зроблено 27 років тому ми, у Росії, літератором і вченим М.М. Пилиповим, який кілька років працював над передачею електроструму повітрям і зрештою запалив з Петербурга люстру в Царському Селі ( тобто з відривом 27 кілометрів. -В.П.). Тоді на цей факт не було звернуто належної уваги, але Філіппова за кілька днів знайшли мертвим у своїй квартирі, а апарати та папери його конфіскувала поліція».
Експерименти Тесли справили велике враження і іншого літератора - Олексія Толстого, колишнього інженером з освіти. А коли Тесла, а потім і Марконі повідомили, що їхні апарати приймають дивні сигнали позаземного, мабуть, марсіанського походження, це надихнуло письменника на написання фантастичного роману «Аеліта». У романі марсіани користуються винаходом Тесли і без проводів передають енергію від розташованих на полюсах Марса електростанцій у будь-яку точку планети. Ця енергія приводить у дію двигуни літаючих суден та інші механізми. Однак побудувати свою «світову систему» для забезпечення електроенергією населення земної кулі без використання дротів Тесле не вдалося.
Як тільки в 1900 році він почав зводити на острові Лонг-Айленд під Нью-Йорком науково-дослідну лабораторію-містечко на 2000 співробітників і величезну металеву вежу з гігантською мідною тарілкою на верхівці, схаменулися і «провідні» електричні олігархи: адже повсюдне впровадження системи загрожувало їм руйнуванням.
Вежа «Уорденкліф» (1902)
На мільярдера Дж.П. Моргана, який фінансував будівництво, був жорстокий тиск, у тому числі й від підкуплених конкурентами урядовців.(або було навпаки) Почалися перебої з постачанням обладнання, будівництво застопорилося, а коли Морган під цим тиском припинив фінансування, то й зовсім припинилося. На початку Першої світової війни, за навученням тих же конкурентів, уряд США розпорядився підірвати вже готову вежу під надуманим приводом, що її можуть використовувати з метою шпигунства.
А потім електротехніка пішла звичним шляхом.
Довгий час ніхто не міг повторити експерименти Тесли хоча б тому, що потрібно створити аналогічну за розмірами і потужністю установку. Але в тому, що Теслі вдалося знайти спосіб передачі електричної енергії на відстань без дротів, понад сто років тому ніхто не сумнівався. Авторитет Тесли, що мав рейтинг другого після Едісона винахідника, в усьому світі був досить високий, а його внесок у розвиток електротехніки змінного струму (на пік Едісону, який ратував за постійний струм) безсумнівний. При його експериментах було багато фахівців, не рахуючи преси, і ніхто ніколи не намагався викрити його в будь-яких фокусах або підтасовуванні фактів. Про високий авторитет Тесла свідчить і назва його ім'ям одиниці напруженості магнітного поля. Ось тільки висновок Тесли про те, що під час експерименту в Колорадо-Спрінгс енергія була передана на відстань 42 кілометри з к.п.д., що дорівнює близько 90%, надто оптимістичний. Нагадаємо, що загальна потужність запалених на відстані ламп становила 10 кВт, або 13 к.с., тоді як потужність динамо-машини, що живила вібратор, досягала 300 к.с. Тобто можна говорити про к.п.д. лише близько 4-5%, хоча і ця цифра вражаюча. Фізичне обґрунтування експериментів Тесла з бездротової передачі електроенергії досі хвилює багатьох фахівців.
www.elec.ru/news/2003/03/14/1047627665.h tml
Фахівці Массачусетського технологічного інституту зуміли змусити горіти лампу розжарювання, що знаходиться на відстані 2-х метрів від джерела енергії. rus.newsru.ua/world/08jun2007/tesla.html
Бездротові зарядники від Intel odessabuy.com/news/item-402.html
"Аргументи та факти" №52, 2008 (24-30 грудня):
НАУКА - Електрика без дротів.Говорять, що американські вчені зуміли передати без проводів електроенергію потужністю 800 Вт.
З появою змінний електричний струм здавався фантастикою. Його винахідник, геніальний фізик Нікола Тесла, ще на рубежі XIX та XX століть досліджував проблему бездротової передачі електрики на великі відстані. Поки що цю проблему вирішено не до кінця, але отримані результати обнадіюють.
Ультразвук для передачі енергії
Будь-яка хвиля переносить енергію, зокрема звукові хвилі високої частоти. Існує три підходи до бездротової передачі електрики:
- передача електричної енергії через перетворення на інший вид енергії в джерелі та зворотне перетворення на електрику в приймальному пристрої;
- створення та використання альтернативних провідників електрики (плазмових каналів, стовпів іонізованого повітря тощо);
- використання струмопровідних властивостей літосфери Землі
Метод застосування ультразвуку відноситься до першого підходу. У джерелі ультразвуку особливого виду під час подачі електроживлення виникає спрямований пучок звукових хвиль високої частоти. При попаданні на приймач енергія звукових хвиль перетворюється на електричний струм.
Максимальна відстань передачі електроенергії без дротів становить 10 метрів. Результат отримано у 2011 році представниками університету Пенсільванії під час презентації у рамках виставки The All Things Digital. Цей метод не вважається перспективним через кілька його недоліків: низький ККД, мала напруга, що отримується, і обмеження на силу випромінювання ультразвуку санітарними нормами.
Застосування електромагнітної індукції
Хоча більшість людей навіть і не підозрюють про це, цей метод використовується вже дуже давно, практично від початку використання змінного струму. Найпростіший трансформатор змінного струму є найпростішим пристроєм бездротової передачі електроенергії, тільки відстань передачі при цьому дуже маленька.
Первинна та вторинна обмотки трансформатора не з'єднані в один ланцюг, а при протіканні змінного струму в первинній обмотці виникає електрострум у вторинному. Перенесення енергії у своїй відбувається за допомогою електромагнітного поля. Тому цей метод бездротової передачі електроенергії використовує перетворення енергії з одного виду на інший.
Вже розроблено та успішно використовується в побуті ряд приладів, робота яких заснована на цьому методі. Це і бездротові зарядні пристрої для мобільних телефонів та інших гаджетів, і побутові електроприлади з низьким споживанням електроенергії під час роботи (компактні камери відеоспостереження, всілякі датчики і телевізори з рідкокристалічними екранами).
Багато фахівців стверджують, що електротранспорт майбутнього використовуватиме бездротові технології заряджання акумуляторів або отримання електроенергії для руху. У дороги буде вмонтовано індукційні котушки (аналоги первинної обмотки трансформатора). Вони створюватимуть змінне електромагнітне поле, яке при проїзді транспорту над ним викличе перебіг електроструму у вбудованій приймальній котушці. Перші експерименти вже проведено та отримані результати викликають стриманий оптимізм.
З переваг такого способу можна відзначити:
- високий ККД для невеликих відстаней (близько кількох метрів);
- простота конструкції та освоєна технологія застосування;
- відносна безпека здоров'ю людей.
Недолік методу - мала відстань, у якому передача енергії ефективна - істотно знижує область застосування бездротового електрики з урахуванням електромагнітної індукції.
Використання різних мікрохвиль
Цей метод також ґрунтується на перетворенні різних видів енергії. У ролі переносника енергії служать електромагнітні хвилі надвисокої частоти. Вперше цей метод описав і практично реалізував у своїй установці японський фізик та радіотехнік Хідэцугу Ягі у двадцятих роках минулого століття. Частота радіохвиль передачі електроенергії без проводів перебуває у діапазоні від 2,4 до 5,8 ГГц. Вже протестована та отримала позитивні відгуки експериментальна установка, яка одночасно роздає Wi-Fi та запитує слабопотужні побутові електроприлади.
Лазерний промінь також є електромагнітним випромінюванням, але з особливою властивістю – когерентністю. Воно зменшує втрати енергії під час передачі і цим підвищує ККД. З переваг можна відзначити такі:
- можливість передачі великі відстані (десятки кілометрів у атмосфері Землі);
- зручність та простота установки для малопотужних приладів;
- Наявність візуального контролю процесу передачі - лазерний промінь видно неозброєним оком.
Лазерний метод має й недоліки, а саме: порівняно низький ККД (45-50%), втрати енергії через атмосферні явища (дощ, туман, пилові хмари) та необхідність знаходження передавача та приймача в полі видимості.
Інтенсивність сонячного світла поза земної атмосфери у кілька десятків разів вище, ніж поверхні Землі. Тому в перспективі, як вважають футурологи, сонячні електростанції розташовуватимуться на навколоземній орбіті. А передача накопиченої електроенергії, на їхню думку, здійснюватиметься без струмопровідних проводів. Буде розроблено та застосовано спосіб передачі, що копіює розряди блискавок, тим чи іншим способом планується проводити іонізацію повітря. І перші досліди у цьому напрямі вже проведено. Цей метод ґрунтується на створенні альтернативних бездротових провідників електроструму.
Отримана таким способом з навколоземної орбіти бездротова електрика має імпульсивний характер. Тому для його практичного застосування потрібні потужні та недорогі конденсатори, а також необхідно буде розробити спосіб їхньої поступової розрядки.
Найбільш ефективний метод
Планета Земля є величезним конденсатором. Літосфера, переважно, проводить електрику крім невеликих її ділянок. Існує теорія, що бездротова передача енергії може здійснюватись через земну кору. Суть така:джерело струму надійно контактує з поверхнею землі, змінний струм певної частоти перетікає з джерела в кору і поширюється в усіх напрямках, через певні проміжки землі розміщуються приймачі електроструму, з яких передається споживачам.
Суть теорії в тому, щоб приймати та використовувати струм лише однієї заданої частоти. Як у радіоприймачі налаштовується частота прийому радіохвиль, так і в таких електроприймачах буде регулюватися частота струму, що приймається. Теоретично таким способом можна буде передавати електроенергію на великі відстані, якщо частота змінного струму буде низькою, близько декількох Гц.
Перспективи бездротової передачі електрики
У найближчій перспективі очікується масове впровадження в побут системи PoWiFi, що складається з роутерів з функцією передачі електроенергії на кілька десятків метрів, та побутових приладів, живлення яких здійснюється за рахунок електрики з радіохвиль. Така система зараз активно тестується і готується до широкого використання. Деталі не розголошуються, але за наявною інформацією «родзинка» полягає в тому, що використовується синхронізація електромагнітних полів джерела та приймача бездротової електрики.
У дуже віддаленій перспективі розглядається варіант відмови від використання традиційних електростанцій у глобальному масштабі. будуть використовуватися сонячні станції на навколоземній орбіті, що перетворюють енергію сонячного світла на електричну. На поверхню планети електрика імовірно передаватиметься через іонізоване повітря чи плазмові канали. А на самій земній поверхні зникнуть звичайні лінії електропередачі, їхнє місце займуть компактніші та ефективніші системи передачі електрики через літосферу.
Бездротова передача для доставки електрики має можливість постачати основні досягнення в галузі промисловості та додатках, що залежать від фізичного контакту роз'єму. Воно, своєю чергою, може бути ненадійним і призвести до невдач. Передача бездротової електроенергії була вперше продемонстрована Нікола Тесла у 1890-х роках. Однак тільки в останнє десятиліття технологія була використана настільки, що вона пропонує реальні, відчутні переваги для додатків реального світу. Зокрема, розвиток резонансної бездротової системи живлення для ринку побутової електроніки показав, що зарядка індукції забезпечує нові рівні зручності для мільйонів повсякденних пристроїв.
Розглянута потужність широко відома багатьма термінами. Включаючи індуктивну передачу, зв'язок, резонансну бездротову мережу та таку саму віддачу напруги. Кожна з цих умов, по суті, описує той самий фундаментальний процес. Бездротова передача електроенергії або потужності від джерела живлення до напруги навантаження без роз'ємів через повітряний зазор. Основою є дві котушки - передавача та приймача. Перша збуджується змінним струмом для генерації магнітного поля, яке, своєю чергою, індукує напругу на другий.
Як працює система, що розглядається
Основи бездротової потужності включають роздачу енергії від передавача до приймача через коливальне магнітне поле. Для цього постійний струм, що подається джерелом живлення, перетворюється на високочастотний змінний. За допомогою спеціально розробленої електроніки, вбудованої у передавач. Змінний струм активує котушку мідного дроту в роздавачі, яка генерує магнітне поле. Коли друга (приймальна) обмотка розміщується у безпосередній близькості. Магнітне поле може викликати змінний струм у котушці, що приймає. Електроніка в першому пристрої потім перетворює змінний назад на постійний, який стає споживаною потужністю.
Схема бездротової передачі електроенергії
Напруга "мережі" перетворюється на сигнал змінного струму, який потім посилається на котушку передавача через електронний ланцюг. Протікає через обмотку роздавача, що індукує магнітне поле. Воно, своєю чергою, може поширюватися на котушку приймача, що у відносної близькості. Потім магнітне поле генерує струм, що протікає через обмотку приймального пристрою. Процес, за допомогою якого енергія поширюється між передавальної та приймальною котушками, також згадується як магнітний або резонансний зв'язок. І досягається за допомогою обох обмоток, що функціонують на тій самій частоті. Струм, що тече в котушці приймача, перетворюється на постійний за допомогою схеми приймача. Потім може використовуватись для живлення пристрою.
Що означає резонанс
Відстань, на яку може передаватися енергія (або потужність), збільшується, якщо котушки передавача та приймача резонують на одній частоті. Подібно до того, як вилка, що настроюється, коливається на певній висоті і може досягати максимальної амплітуди. Це стосується частоти, з якою об'єкт природним чином вібрує.
Переваги бездротової передачі
У чому полягають переваги? Плюси:
- скорочуються витрати, пов'язані з підтримкою прямих з'єднувачів (наприклад, у традиційному промисловому слизькому кільці);
- більша зручність для заряджання звичайних електронних пристроїв;
- безпечна передача до додатків, які повинні залишатися герметично закритими;
- електроніка може бути повністю прихована, що знижує ризик корозії через такі елементи, як кисень і вода;
- надійна та послідовна подача харчування на обертове, високомобільне промислове обладнання;
- забезпечує надійну передачу потужності в критично важливі системи у вологому, брудному та рухомому середовищі.
Незалежно від застосування, ліквідація фізичного з'єднання забезпечує ряд переваг у порівнянні з традиційними роз'ємами живлення кабелю.
Ефективність аналізованої передачі енергії
Загальна ефективність бездротової системи є найважливішим чинником у визначенні її продуктивності. Результативність системи вимірює кількість потужності, що передається між джерелом живлення (тобто настінною розеткою) і приймаючим пристроєм. Це, своєю чергою, визначає такі аспекти як швидкість зарядки і дальність поширення.
Системи бездротового зв'язку різняться залежно від рівня ефективності, заснованого на таких чинниках, як конфігурація і дизайн котушки, відстань передачі. Менш результативний пристрій генеруватиме більше викидів і призведе до меншої потужності через приймальний пристрій. Як правило, бездротові технології передачі електроенергії для таких пристроїв як смартфони можуть досягати 70% продуктивності.
Як вимірюється ефективність
У сенсі як кількість потужності (у відсотках), яка передається від джерела живлення до приймального пристрою. Тобто, бездротова передача електроенергії для смартфона з ККД 80% означає, що 20% вхідної потужності втрачено між настінною розеткою та батареєю для гаджета, що заряджається. Формула для вимірювання ефективності роботи: продуктивність = постійний струм вихідний, поділений на вхідний, отриманий результат помножити на 100%.
Бездротові способи передачі електроенергії
Потужність може поширюватися по мережі, що розглядається, майже по всіх неметалевих матеріалах, включаючи, але не обмежуючись ними. Це такі тверді речовини, як деревина, пластмаса, текстиль, скло та цегла, а також гази та рідини. Коли металевий або електропровідний матеріал (тобто міститься в безпосередній близькості від електромагнітного поля, об'єкт поглинає потужність з нього і в результаті нагрівається. Це, в свою чергу, впливає на ефективність системи. Ось як працюють індукційні приготування, наприклад, неефективна передача потужності із варильної панелі створює тепло для приготування їжі.
Щоб створити систему бездротової передачі електроенергії, необхідно повернутися до витоків теми, що розглядається. А, точніше, до успішного вченого та винахідника Нікола Тесла, який створив та запатентував генератор, здатний брати харчування без різних матеріалістичних провідників. Отже, для реалізації бездротової системи необхідно зібрати всі важливі елементи та частини, в результаті буде реалізована невелика пристрій, яка створює електричне поле високої напруги в повітрі, навколо нього. При цьому є невелика вхідна потужність, що забезпечує бездротову передачу енергії на відстані.
Одним з найважливіших способів передачі енергії є індуктивний зв'язок. Він переважно використовується для ближнього поля. Охарактеризовано на тому факті, що при проходженні струму по одному дроту на кінцях іншого індукується напруга. Передача потужності здійснюється шляхом взаємності між двома матеріалами. Загальний приклад – це трансформатор. Мікрохвильова передача енергії як ідея була розроблена Вільямом Брауном. Вся концепція включає перетворення змінного струму в радіочастотне і передачу його в просторі і повторне в змінну потужність на приймачі. У цій системі напруга генерується із використанням мікрохвильових джерел енергії. Таких як клістрон. І ця потужність передається через хвилевід, який захищає від відбитої потужності. Також тюнер, який відповідає імпедансу мікрохвильового джерела з іншими елементами. Приймальна секція складається з антени. Вона приймає потужність мікрохвиль та схему узгодження імпедансу та фільтра. Ця приймальна антена разом з пристроєм, що випрямляє, може бути диполем. Відповідає вихідному сигналу з подібним звуковим оповіщенням блоку випрямлення. Блок приймача також складається з подібної секції, що складається з діодів, які використовуються для перетворення сигналу оповіщення постійного струму. Ця система передачі використовує частоти в діапазоні від 2 до 6 ГГц.
Бездротова передача електроенергії за допомогою реалізованого генератором із застосуванням подібних магнітних коливань. Суть полягає в тому, що цей пристрій працював завдяки трьом транзисторам.
Використання пучка лазера для передачі потужності у вигляді світлової енергії, яка перетворюється на електричну на приймальному кінці. Саме матеріал отримує живлення з використанням джерел, таких як Сонце або будь-який генератор електроенергії. І, відповідно, реалізує фокусоване світло високої інтенсивності. Розмір та форма пучка визначаються набором оптики. І це передане лазерне світло приймається фотогальванічними осередками, які перетворять його на електричні сигнали. Він зазвичай використовує оптоволоконні кабелі для передачі. Як і в базовій сонячній енергетичній системі, приймач, що використовується в поширенні на основі лазера, є масивом фотоелектричних елементів або сонячної панелі. Вони, у свою чергу, можуть перетворювати безладний на електрику.
Суттєві особливості роботи пристрою
Потужність котушки Тесла полягає в процесі, що називається електромагнітною індукцією. Тобто поле, що змінюється, створює потенціал. Він змушує протікати струм. Коли електрика тече через котушку дроту, він генерує магнітне поле, яке заповнює область навколо обмотки певним чином. На відміну від деяких інших експериментів із високою напругою, котушка Тесла витримала безліч перевірок та проб. Процес був досить трудомістким і тривалим, але результат був успішним, тому вдало запатентований вченим. Створити подібну котушку можна за наявності певних складових. Для реалізації будуть потрібні такі матеріали:
- довжина 30 см ПВХ (що більше, тим краще);
- мідний емальований дріт (вторинний дріт);
- березова дошка для основи;
- 2222A транзистор;
- приєднання (первинний) провід;
- резистор 22 кОм;
- перемикачі та з'єднувальні дроти;
- акумулятор 9 вольт.
Етапи реалізації пристрою Тесла
Для початку необхідно помістити невеликий слот у верхню частину труби, щоб обернути один кінець дроту довкола. Повільно та обережно обмотувати котушку, стежачи за тим, щоб не перекривати дроти і, при цьому, не створювати прогалин. Цей крок - найскладніша і стомлююча частина, але витрачений час дасть дуже якісну та гарну котушку. Кожні 20 або близько того, поворотів поміщаються кільця маскуючої стрічки навколо обмотки. Вони виступають бар'єром. Якщо котушка почне розплутуватися. По завершенні потрібно обернути щільну стрічку навколо верхньої та нижньої частини обмотки та розпорошити її 2 або 3 шарами емалі.
Потім необхідно підключити первинний та вторинний акумулятор до батареї. Після цього - включити транзистор і резистор. Менша обмотка є основною, а триваліша обмотка - вторинною. Можна додатково встановити алюмінієву сферу зверху труби. Крім того, з'єднати відкритий кінець вторинної з доданою, яка діятиме як антена. Необхідно створювати все з обережністю, щоб не торкатися вторинного пристрою при включенні живлення.
За самостійної реалізації існує небезпека займання. Потрібно перевернути вимикач, встановити лампу розжарювання поруч із бездротовим пристроєм передачі енергії та насолоджуватися світловим шоу.
Бездротова передача через систему сонячної енергії
Традиційні провідні зміни реалізації енергії зазвичай вимагають наявності проводів між розподіленими пристроями та споживчими одиницями. Це створює безліч обмежень як вартість системних витрат за кабелі. Втрати, завдані передачі. А також витрати у розподілі. Тільки опір лінії передачі призводить до втрати близько 20-30% енергії, що генерується.
Одна з найсучасніших бездротових систем передачі енергії заснована на передачі сонячної енергії з використанням мікрохвильової печі або лазерного променя. Супутник розміщений на геостаціонарній орбіті та складається з фотоелектричних елементів. Вони перетворюють сонячне світло на електричний струм, який використовується для живлення мікрохвильового генератора. І, відповідно, реалізує потужність мікрохвиль. Ця напруга передається з використанням радіозв'язку та приймається на базовій станції. Вона являє собою комбінацію антени та випрямляча. І перетворюється назад на електрику. Вимагає живлення змінного чи постійного струму. Супутник може передавати до 10 МВт потужності радіочастоти.
Якщо говорити про систему поширення постійного струму, то це неможливо. Тому що для цього потрібен роз'єм між джерелом живлення та пристроєм. Існує така картина: система повністю позбавлена проводів, де можна отримати потужність змінного струму в будинках без додаткових пристроїв. Там, де є можливість зарядити свій мобільний телефон без потреби фізично підключатися до гнізда. Звісно, така система можлива. І безліч сучасних дослідників намагаються створити щось модернізоване, у своїй, вивчивши роль розробки нових способів бездротової передачі електроенергії з відривом. Хоча, з погляду економічної складової, для держав це буде не зовсім вигідно, якщо впроваджувати такі пристрої повсюдно і замінювати стандартну електрику на природну.
Витоки та приклади бездротових систем
Ця концепція насправді не є новою. Вся ця ідея була розроблена Ніколасом Тесла у 1893 році. Коли він розробив систему освітлювальних вакуумних ламп із використанням техніки бездротової передачі. Неможливо уявити, щоб світ існував без різних джерел зарядки, які виражені в матеріальному вигляді. Щоб стали можливими мобільні телефони, домашні роботи, MP3-плеєри, комп'ютер, ноутбуки та інші гаджети, що транспортуються, які заряджалися б самостійно, без будь-яких додаткових підключень, звільняючи користувачів від постійних проводів. Деякі з цих пристроїв можуть навіть не вимагати велику кількість елементів. Історія бездротової передачі енергії досить насичена, причому, в основному, завдяки розробкам Тесла, Вольта та ін Але, сьогодні це залишається лише даними у фізичній науці.
Основний принцип полягає у перетворенні живлення змінного струму в постійну напругу за допомогою випрямлячів та фільтрів. А потім - повернення у вихідне значення на високій частоті з використанням інверторів. Ця низьковольтна з вищими коливаннями потужність змінного струму потім переходить від первинного трансформатора до вторинного. Перетворюється на постійну напругу з використанням випрямляча, фільтра та регулятора. Сигнал змінного струму стає прямим завдяки звуку струму. А також використання секції випрямляча мосту. Отриманий сигнал постійного струму проходить через обмотку зворотного зв'язку, яка діє схема генератора. При цьому змушує транзистор його проводити первинний перетворювач у напрямку зліва направо. Коли струм проходить через обмотку зворотного зв'язку, відповідний струм протікає до первинної частини трансформатора у напрямку праворуч наліво.
Таким чином працює ультразвуковий спосіб передачі енергії. Сигнал формується через первинний перетворювач для обох напівперіодів оповіщення змінного струму. Частота звуку залежить від кількісних показників коливань ланцюгів генератора. Цей сигнал змінного струму з'являється на вторинній обмотці трансформатора. Коли він підключений до первинного перетворювача іншого об'єкта, напруга змінного струму становить 25 кГц. З'являється показання через нього в понижувальному трансформаторі.
Ця напруга змінного струму вирівнюється за допомогою мостового випрямляча. І потім фільтрується і регулюється, щоб отримати вихід 5 для керування світлодіодом. Вихідна напруга 12 від конденсатора використовується для живлення двигуна вентилятора постійного струму для його роботи. Отже, з погляду фізики, передача електроенергії досить розвинена область. Однак, як показує практика, бездротові системи не до кінця розвинені та вдосконалені.
Основи бездротової зарядки
Бездротова передача електричної енергії (WPT) дає нам шанс позбавитися тиранії кабелів живлення. В даний час ця технологія проникає у всі види пристроїв та систем. Погляньмо на неї!
Бездротовий шлях
Більшість сучасних житлових будинків та комерційних будівель живляться від мереж змінного струму. Електростанції генерують електрику змінного струму, яка доставляється до будинків та офісів за допомогою високовольтних ліній електропередачі та понижувальних трансформаторів.
Електрика надходить у розподільчий щит, а потім електропроводка доставляє електрику до обладнання та пристроїв, які ми використовуємо щодня: світильники, кухонна техніка, зарядні пристрої тощо.
Усі компоненти стандартизовані. Будь-який пристрій, розрахований на стандартні струм і напруга, працюватиме від будь-якої розетки по всій країні. Хоча стандарти різних країн і різняться між собою, у конкретній електричній системі будь-який пристрій працюватиме за умови дотримання стандартів цієї системи.
Тут кабель, там кабель... Більшість наших електричних пристроїв має кабель живлення від мережі змінного струму.
Технологія бездротової передачі електроенергії
Бездротова передача електричної енергії (WPT) дозволяє подавати живлення через повітряний проміжок без необхідності використання електричних проводів. Бездротова передача електроенергії може забезпечити живлення від джерела змінного струму для сумісних акумуляторів або пристроїв без фізичних роз'ємів та проводів. Бездротова передача електричної енергії може забезпечити заряд мобільних телефонів та планшетних комп'ютерів, безпілотних літальних апаратів, автомобілів та іншого транспортного обладнання. Вона може навіть уможливити бездротову передачу в космосі електроенергії, отриманої від сонячних панелей.
Бездротова передача електричної енергії почала свій швидкий розвиток у галузі побутової електроніки, замінюючи провідні зарядні пристрої. На виставці CES 2017 буде показано багато пристроїв, які використовують бездротову передачу електроенергії.
Однак концепція передачі електричної енергії дротів виникла приблизно в 1890-х роках. Нікола Тесла у своїй лабораторії в Колорадо Спрінгс міг без проводів запалити електричну лампочку, використовуючи електродинамічну індукцію (в резонансному трансформаторі).
Було запалено три лампочки, розміщені на відстані 60 футів (18 метрів) від джерела живлення, і демонстрацію було задокументовано. У Тесли були великі плани, він сподівався, що його вежа Ворденкліф, розташована на Лонг-Айленд, без проводів передаватиме електричну енергію через Атлантичний океан. Цього ніколи не сталося через різні проблеми, у тому числі і з фінансуванням та термінами.
Бездротова передача електричної енергії використовує поля, створювані зарядженими частинками, для перенесення енергії через повітряний зазор між передавачами та приймачами. Повітряний зазор закорочується за допомогою перетворення електричної енергії у форму, яка може передаватися повітрям. Електрична енергія перетворюється на змінне поле, передається повітрям, і потім за допомогою приймача перетворюється на придатний для використання електричний струм. Залежно від потужності та відстані електрична енергія може ефективно передаватися через електричне поле, магнітне поле або електромагнітні хвилі, такі як радіохвилі, НВЧ випромінювання або навіть світло.
У наступній таблиці наведено різні технології бездротової передачі електричної енергії, а також форми передачі енергії.
| Технологія | Переносник електричної енергії | Що дозволяє передавати електричну енергію |
|---|---|---|
| Індуктивний зв'язок | Магнітні поля | Витки дроту |
| Резонансний індуктивний зв'язок | Магнітні поля | Коливальні контури |
| Ємнісний зв'язок | Електричні поля | Пари провідних пластин |
| Магнітодинамічний зв'язок | Магнітні поля | Обертання постійних магнітів |
| НВЧ випромінювання | Хвилі НВЧ | Фазовані ряди параболічних антен |
| Оптичне випромінювання | Видимий світло / інфрачервоне випромінювання / ультрафіолетове випромінювання | Лазери, фотоелементи |
Qi заряджання, відкритий стандарт для бездротової зарядки
У той час як деякі з компаній, що обіцяють бездротову передачу електричної енергії, все ще працюють над своїми продуктами, вже існує стандарт Qi (вимовляється як «ці») зарядки, і вже доступні пристрої, що використовують його. Консорціум бездротової електромагнітної енергії (Wireless Power Consortium, WPC), створений у 2008 році, розробив стандарт Qi для заряджання акумуляторів. Цей стандарт підтримує і індуктивні, і резонансні технології заряджання.
При індуктивному зарядженні електрична енергія передається між котушками індуктивності в передавачі та приймачі, розташованими на близькій відстані. Індуктивні системи вимагають, щоб котушки індуктивності знаходилися у безпосередній близькості та були вирівняні один з одним; зазвичай пристрої знаходяться у безпосередньому контакті із зарядною панеллю. Резонансна зарядка не вимагає ретельного вирівнювання, а зарядні пристрої можуть виявити та зарядити пристрій на відстані до 45 мм; таким чином, резонансні зарядні пристрої можуть бути вбудовані в меблі або встановлені між полицями.
Наявність логотипу Qi означає, що пристрій зареєстровано та сертифіковано Консорціумом бездротової електромагнітної енергії WPC.
На початку Qi зарядка мала невелику потужність, близько 5 Вт. Перші смартфони, які використовують Qi зарядку, з'явилися у 2011 році. У 2015 році потужність Qi заряджання збільшилася до 15 Вт, що дозволяє здійснювати швидку зарядку пристроїв.
Наступний малюнок Texas Instruments показує, що охоплює стандарт Qi.
Сумісність з Qi гарантовано можуть забезпечити лише ті пристрої, які перелічені в реєстраційній базі даних Qi. В даний час там міститься понад 700 продуктів. Важливо розуміти, що продукти з логотипом Qi були перевірені та сертифіковані; і магнітні поля, що використовуються цими пристроями, не спричинять проблем для таких чутливих пристроїв, як мобільні телефони або електронні паспорти. Зареєстровані пристрої гарантовано працювати з зареєстрованими зарядними пристроями.
Фізика бездротової передачі електричної енергії
Бездротова передача електричної енергії для побутових пристроїв є новою технологією, але принципи, що лежать у її основі, давно відомі. Там, де беруть участь електрика і магнетизм, як і раніше, керуються рівняннями Максвелла, і передавачі посилають енергію на приймачі так само, як і в інших формах бездротового зв'язку. Однак бездротова передача електроенергії відрізняється від них основною метою, яка полягає в передачі самої енергії, а не закодованої в ній інформації.
Електромагнітні поля, що беруть участь у бездротовій передачі електричної енергії, можуть бути досить сильними, і тому необхідно брати до уваги безпеку людини. Вплив електромагнітного випромінювання може викликати проблеми, а також існує можливість того, що поля, створювані передавачами електричної енергії, можуть перешкодити роботі медичних пристроїв, що носяться або імплантуються.
Передавачі та приймачі вбудовуються у пристрої бездротової передачі електричної енергії так само, як і акумулятори, які заряджатимуться ними. Реальні схеми перетворення залежатимуть від використовуваної технології. Крім самої передачі електроенергії, WPT система має забезпечити зв'язок між передавачем та приймачем. Це гарантує, що приймач зможе повідомити зарядний пристрій, що акумулятор повністю заряджений. Зв'язок також дозволяє передавачу знайти і ідентифікувати приймач, щоб підлаштувати значення потужності, що передається на навантаження, а також контролювати, наприклад, температуру акумулятора.
У бездротовій передачі електричної енергії має значення вибір концепції або близького, або далекого поля. Технології передачі, кількість енергії, яка може бути передана, і вимоги до відстані впливають на те, чи система використовуватиме випромінювання ближнього поля або випромінювання далекого поля.
Точки, для яких відстань від антени значно менша за одну довжину хвилі, знаходяться в ближній зоні. Енергія в ближній зоні не випромінює, і коливання магнітного та електричного полів не залежать один від одного. Ємнісний (електричний) та індуктивний (магнітний) зв'язок можуть використовуватися для передачі енергії до приймача, розташованого в ближньому полі передавача.
Точки, для яких відстань від антени більша за дві довжини хвилі, знаходяться в дальній зоні (між ближньою і дальньою зонами існує перехідна область). Енергія у дальній зоні передається як звичайного електромагнітного випромінювання. Перенесення енергії у дальній зоні також називають променем енергії. Прикладами передачі в дальній зоні є системи, які використовують для передачі енергії на великі відстані потужні лазери або НВЧ-випромінювання.
Де працює бездротова передача електричної енергії (WPT)
Всі технології WPT в даний час знаходяться на стадії активних досліджень, більшість зосереджена на максимізації ефективності передачі енергії та дослідженні технологій для магнітного резонансного зв'язку. Крім того, найамбіційнішими є ідеї оснащення WPT системою приміщень, в яких людина перебуватиме, а пристрої, які вони носять, будуть заряджатися автоматично.
У глобальному плані, електричні автобуси стають нормою; планується запровадити бездротову зарядку для культових двоповерхових автобусів у Лондоні так само, як і у автобусних систем у Південній Кореї, у штаті Юта США та у Німеччині.
Вже було продемонстровано експериментальну систему для бездротового живлення дронів. І, як уже згадувалося раніше, поточні дослідження та розробки зосереджені на перспективі задоволення деяких енергетичних потреб Землі шляхом використання бездротової передачі енергії та сонячних панелей, розташованих у космосі.
WPT працює скрізь!
Висновок
У той час як мрія Тесла про бездротову передачу енергії будь-якому споживачеві ще далека від реалізації, безліч пристроїв і систем використовують ту чи іншу форму бездротової передачі електроенергії прямо зараз. Від зубних щіток до мобільних телефонів, від особистих автомобілів до громадського транспорту існує безліч застосувань бездротової передачі електричної енергії.
В одній із попередніх тем ми з вами розглянули, як знаменитий сербський вчений Нікола Тесла передавав електричний за допомогою свого ж винаходу - резонансного генератора (котушки Тесли), а як він це робив - докладно описано. Тесле вдавалося передавати струм дуже великі відстані, але крім методу запропонованого Теслой, є ще одне - індукційний. Такий метод звичайно не призначений для далеких передач струму.
Метод індукції не знайшов масового застосування в науці та техніці через дуже великі втрати модульованого струму (втрати досягають 60%), до того ж таким методом передати струм більше, ніж на 1 метр не можливо (теоретично звичайно можна, але немає сенсу з- за сильного розсіювання поля).
Пристрій такої передачі дуже простий - два контури, один з них підключений до генератора високої частоти (у кілька кілогерц). Подібний пристрій можна легко виготовити вдома, простий мультивібратор, який розрахований на 20-50 кілогерц, підключений до підсилювального каскаду, до останнього підключений контур, який містить від 10 до 100 витків, другий контур аналог першого. Найголовніше в індукційному принципі передачі струму те, що контури відсутні магнітний сердечник, тобто вони ніяк не приєднані один до одного, а струм передається повітрям методом індукції.
Насправді, як говорилося вище, даним метод застосовують дуже рідко. Такий принцип передачі відомий давно – ще з часів Майкла Фарадея (вже 200 років). І ось у наш час корпорація Нокія вирішила використати цей спосіб і створила концепт мобільного телефону, який не має порту зарядки, телефон поки не випускають серійно, але покупцям такий мобільник точно сподобається. У ньому вбудований приймальний контур, а передавальний захований у підставці. Працює все це дуже просто – ставимо телефон на постачання та телефон заряджається.
Але це далеко не всі переваги чудо-телефону. Телефон може зарядитись і іншим способом. Відомо, що теле і радіо станції модулюють радіохвилі, а телефон їх збирає приймачем і перетворює на струм яким телефон заряджається. Такий принцип і принцип індукційної передачі струму стали використовувати й інші виробники мобільних телефонів і ноутбуків, і зараз на ринку вже стало можливо знайти такі чудо-пристрої.
Обговорити статтю ПЕРЕДАЧА СТРУМУ БЕЗ ПРОВОДІВ МЕТОДОМ ІНДУКЦІЇ
Loading...