Беспроводные зарядки удобны: бросил гаджет на подставку, и ничего подключать не надо. А как здорово было бы использовать их для подзарядки электроавтомобилей!
И почему эти странные ученые до сих пор не могут воспроизвести технологию великого Тесла? Странные они, сто лет работают и результата нет.
Именно так думает почти каждый, кто задумывается современных технологиях передачи электричества. Ведь без проводов быстрее, удобней и надежнее (наверно).
На практике передача малых токов без проводов легко осуществима на малых расстояниях. Но как только требуется высокий ток, повышенная мощность работы или большое расстояние трансляции — начинаются серьезные проблемы, связанные с простейшими физическими законами.
А есть и другие трудноразрешимые задачи.
Никола Тесла — великий учитель и великий обманщик
Большая часть мифов, связанных с беспроводной передачей электричества, досталась человечеству от конспирологов и «переваренных» ими многочисленных мифов о великом сербско-американском изобретателе.
Ещё в начале двадцатого века он экспериментами в Колорадо-Спрингс показал возможность передачи электромагнитного поля на удалении, когда ему удалось зажечь лампочку на расстоянии свыше трёх километров.
Как ему это удалось? Официального ответа на этот вопрос нет, поскольку методика эксперимента осталась в тайне. А известные записи рассказывают совсем о другом.
Зато есть законы физики и впечатления очевидцев, которые говорят о невероятной мощности передатчика (по меркам времени, конечно): потрачено было намного больше энергии, чем нужно какой-то лампочке.
А поскольку цифр нет, данных нет — не миф ли это, как и многие другие его разработки? Тесла оказался величайшим мистификатором своего времени, а раскрыть это во всей красе позволяют современные «достижения».
Сегодня его труды пытаются повторить с помощью инвестиций новозеландской энергетической компании Powerco силами местного стартапа Emrod.
Согласно официальной информации, проект Emrod предусматривает беспроводную передачу энергии между приёмником и передатчиком на расстоянии прямой видимости, а это, на самом деле, могут быть десятки километров.
Созданный прототип на данный момент проходит лабораторные испытания, а затем начнутся и полевые, в которых планируется передавать ток мощностью до 2 кВт.
Заявлено, что за счёт новых радиопоглощающих материалов КПД приёмной (выпрямляющей) антенны доведён до 100%, а КПД передающей системы приближается к 70 %.
И тут-то они попались: ничто не может иметь КПД в 100%. Законы сохранения энергии и принцип причинности никто не отменял: передающаяся волна не может полностью преобразовываться в необходимый тип энергии.
В случае с электричеством и реальными инженерными устройствами все совсем печально.
Принцип работы
Беспроводная электроэнергия – это в буквальном смысле передача электричества на расстоянии без использования проводов. Чаще такая технология сравнивается с передачей информационных данных, например, с Wi-Fi, мобильным телефоном. Сейчас ведутся разработки специальных методов, которые улучшат процесс и сделают его ровным, без перебоев.
Основой для данной технологии служат магнетизм и электромагнетизм, а также простые принципы работы. Речь идет о наличии системы, которая состоит из двух катушек – передатчика и приемника. Благодаря их совместной работе регенерируется переменное магнитное поле, а затем возникает не постоянный ток. Напряжение в катушке приемника используется, например, чтобы зарядить аккумулятор или питание смартфона. Электроток, проходящий через провод вокруг кабеля, вызывает круговое поле. Тот проволочный моток, который остался без тока, принимает электроток от первой катушки. Так обеспечивается индуктивная связь.
Беспроводные зарядки имеют низкое КПД
Сегодня существует три основных варианта мощности беспроводных Qi-зарядок: 5 Вт, 7,5 Вт, 10 Вт. Для сравнения, самые распространенные проводные — 5 Вт, 10 Вт и 18 Вт.
Коэффициент полезного действия проводных блоков питания, преобразующих переменный ток в постоянный с заданными параметрами, балансирует в пределах от 50 до 85%. Остальное выделяется теплом и выражается нагревом элементов электроцепи.
Минимальным условием для работы Qi хотя бы с 5 Вт — зарядное устройство на 10 Вт. Иначе ничего не выйдет, зарядка не заработает.
При этом для работы Qi с мощностью 10 Вт необходим блок питания с поддержкой QC 3.0 на 18 Вт или мощнее (чаще предлагается использовать PD на 24 Вт).
КПД преобразования составляет всего 55%.
Сама передача от зарядки к устройству тоже является источником потерь: телефон в среднем принимает 4,2 Вт из 5Вт (КПД 85%) и 9,1Вт из 10Вт (КПД около 90%).
Из 18 Вт сделать 9,1 Вт с КПД 50% — это теперь называется «зеленая экономичная энергетика»?
Неужели нет более удачных технологий? Есть. Теоретически проблема проста: повышаем напряжение, уменьшаем ток, снижаем потери.
Только в электронике аккумулятор на 4,35 В, поэтому придётся оснащать смартфон понижающим преобразователем. Который должен быть рассчитан
- на конкретные параметры зарядки
- с запасом по напряжению
- и обладать большими потерями из-за преобразования и особенностей использованных для него транзисторов
Высокомощные беспроводные интерфейсы, активно продвигаемые Xiaomi и другими китайскими брендами предлагают более высокие токи.
За счет этого, а так же дорогой электроники (и специфичного распределения себестоимости) им удаётся достичь КПД до 55-70%.
Однако им требуются высокомощные Power Delivery источники тока с мощностью 65 Вт и выше, которые сами по себе имеют достаточно высокие потери.
Поэтому чаще всего производители комплектуют Qi-зарядку собственным блоком питания. В итоге общая стоимость аксессуара на свободном рынке может достигать 20-40% от стоимости самого гаджета. Отдельно ничего не купить. Так зачем, если скорее всего с новым смартфоном придётся покупать более мощное устройство?
Перспективы
На данный момент проходят исследования и разработку проектов по созданию электромобилей. Они будут передвигаться с использованием токопровода, индуцирующим ток в моторе транспортного средства.
Многие передовые фирмы разрабатывают беспроводной способ передачи электроэнергии для источников питания. Такие устройства должны будут давать энергию всем потребителям, которые находятся в одном помещении. Перспективным направлением являются и новые трассы, которые за счет беспроводного источника обеспечат перемещение летающего аппарата на существенном расстоянии. Новые материалы, усовершенствованные приборы и многое другое со временем охватят все сферы человеческой деятельности.
Тепловые потери никто не отменял
Второй проблемой являются уже упомянутые выше тепловые потери: энергия, которая теряется в процессе преобразования электрического тока из переменного в постоянный и при передаче его на расстояние, превращается в тепловую.
Происходит нагрев. Преимущественно самого зарядного устройства, а за счет этого — и заряжаемых гаджетов.
Для обычного LiPo-аккумулятора потери даже при обычной зарядке составляют не менее 15-20%. Добавляем потери выше, характерные для беспроводной передачи — получаем очень много тепла.
Все это куда-то нужно направить и рассеять в пространстве: LiPo батареи очень боятся любого нагрева — часто достаточно 100 градусов для маленького пожара.
Ещё одна проблема кроется в устройстве беспроводной зарядке. Что это? Набор электромагнитных катушек с парой чипов, которые передают поле в такие же катушки заряжаемому гаджету.
Плохое позиционирование и разные размеры катушек увеличивают потери и нагрев, снижая скорость зарядки.
Иногда это пытаются решать магнитами (MagSafe), иногда — перемещаемыми катушками или увеличением их числа, иногда — просто отключая процесс при нагреве. Результаты неплохие, но только для малых токов.
Увеличиваем мощность передачи — получаем кратное увеличение потерь. Фактически, даже 65 Вт без точного позиционирования можно рассматривать в виде маленького пожара.
Стоит ли рисковать или оставить технологию в виде прототипа на тот момент, когда люди привыкнут использовать беспроводные зарядки?
Как это работает
Передача электроэнергии на расстояние
Беспроводное электричество базируется на таком явлении, как электромагнетизм. В работе участвуют две катушки из металлических проводов. Одна из них подключена к источнику тока, вокруг которой создаётся магнитное поле. Вторая катушка, воспринимая это поле, индуцирует в своей обмотке вторичный электрический ток.
Схема передачи электричества без проводов
Беспроводное электричество взаимодействует с металлом
На самом деле существующие зарядки чуть сложнее, чем просто набор катушек: есть ещё несколько уровней защиты на уровне протокола (да-да, зарядник и гаджет общаются между собой) и схемотехники.
Один из уровней блокирует включение зарядки при попадании металлического предмета на электромагнитный передатчик.
Оказавшись над передающей индукционной катушкой, металл неизбежно начнёт нагреваться. Например, нескольких минут хватит, чтобы та же скрепка раскалилась и начала плавить пластик.
В MagSafe и автомобильных держателях магниты и их ответные металлические части лежат в стороне от катушки, поэтому взаимодействия нет.
В более сложных системах сначала нужно отладить очень точное позиционирование. Для автомобиля, дрона или розетки такое маловероятно.
Теоретически, можно подобрать частоту передачи, при которой взаимодействие будет минимальным (потребуются хитрые катушки).
Прототип решения существует и много лет тестируется. Но до серии ещё не дошло, и вряд ли это произойдёт в обозримом будущем: стоимость высокая, сложность изготовления и работы повышена.
Ко всему прочему, процесс зарядки более нестабилен.
Принципы производства электрической энергии
Источником электрической энергии на станциях являются машинные генераторы (Рис. 3).
Рисунок 3 — Генератор с обозначением его основных элементов
В них происходит преобразование механической энергии в электрическую.
Принцип работы генератора переменного тока основан на законе электромагнитной индукции (рисунок 4).
Рисунок 4 — Принцип работы генератора переменного тока: F-cила, вращающая рамку, I-ток, протекающий в рамке, S-площадь рамки
В зависимости от рода первичных двигателей электрические станции разделяют на тепловые, гидравлические и ветросиловые.
Несмотря на различие конструкции электростанции и способа преобразования в электрическую энергию, принцип действия у всех почти одинаковый. На рисунках в приложении 1. представлены схемы принципа работы часто встречающихся электростанций.
Большинство электростанций объединены в энергетические системы. При быстронарастающей нагрузке могут потребоваться быстрозапускающиеся паротурбинные агрегаты, а также дизельные агрегаты.
Кратковременные перерывы в электроснабжении могут возникнуть при восстановлении питания устройствами автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического включения резерва (АВР). Поэтому для электроприемников, не допускающих вообще перерывов питания, применяют высоконадежные автономные местные источники.
В качестве местных источников реактивной мощности применяют:
- синхронные генераторы заводских ТЭЦ и других регулярно работающих заводских электростанций и генераторных установок;
- синхронные двигатели с cosφ 0,9;
- конденсаторные батареи.
Источниками питания для цеховых электроприемников являются цеховые трансформаторные подстанции (ЦТП). Число трансформаторов на ЦТП выбирают один или два.
Вред электромагнитного излучения не доказан. И не опровергнут
Это самый интересный вопрос, на который есть конкретный ответ только с определенными устройствами и границами. Безусловно, Qi-зарядки для гаджетов совершенно безопасны.
Даже самые мощные экземпляры, доступные для покупки в рознице, работоспособны только на малом расстоянии: мощность излучения не должна превышать 50 мВт/см2 на расстоянии 20 см от зарядки.
Правда, есть тонкость: расстояние и мощность на нём лимитировано правилами Комиссий по связи (разных стран). Поскольку предположения о возможном вреде существуют, но однозначно не установлены.
Дальше излучение практически не проникает ввиду своих свойств: электромагнитное излучение катушки с током распространяется кольцеобразно, образуя замкнутый контур.
Направленное излучение требует других частот, других мощностей, других типов излучения. Вред которых, кстати, чуть более изучен.
Маломощные радиопередающие устройства, в частности, мобильные телефоны, не оказывают влияния на организм человек: эксперименты показывают отсутствие негативного влияния на организм человека.
Облучение высокомощных станций, например, радиолокаторов и базовых станций, на определенных частотах вредно в непосредственной близости от источника и может вызывать недомогания. В остальном подтвержденной информации нет.
Что будет, если значительно увеличить мощность Qi-подобной зарядки? Очевидно, все зависит от конкретных параметров тока: силы, напряжения и частоты.
Их правильный подбор осуществить можно, но из-за человеческой глупости всегда можно получить внештатную ситуацию.
А вот излюбленный гиками «метод передачи тока Теслы» прекрасно выбивает автоматы, портит технику: резонанс частоты неизбежен.
Впрочем, и тут нужно только правильно подобрать параметры для исключения взаимодействия. И надеяться, что неподходящая под новый стандарт техника не окажется между зарядкой и заряжаемым устройством.
Технологии
Речь идет о наиболее перспективных направлениях, связанных с разработкой новых методов и способом транспортировки электроэнергии без материального контакта.
Ультразвуковой способ
Технологию продемонстрировали десять лет назад. Студенты из университета Пенсильвании воспользовались ультразвуковым передатчиком и приемником, чтобы показать свой эксперимент. Радиус действия достиг десяти метров. Передаваемые частоты не оказали никакого воздействия на человека или животного. Но были и недостатки: низкий КПД и отсутствие прямой видимости между «узлами».
Электромагнитная индукция
Чтобы понять его принцип действия, вспомни, как работает обыкновенный трансформатор. Имеются две катушки и ток, который протекает от первичной обмотки ко вторичной.
У такого метода есть недостаток. Он заключается в близости катушек. Другими словами, много энергии уходит в пространство.
Метод электростатической индукции
Суть в прохождении энергии сквозь тело диэлектрика. Способ носит название «Емкостная связь». Благодаря работе генератора возникает электрополе, возбуждающее разницу потенциалов. Последняя возникает между двумя электродами.
Микроволновое излучение
Ценник на такое оборудование довольно высокий. Но и работа не отстает – отличается большой дальностью действия. Передатчиком выступает радиоантенна. Она отлично справляется с созданием микроволнового излучения. Приемник оснащен ректенной, преобразующей последнее в электроток. Благодаря такой технологии приемник может находиться на дальнем расстоянии от передатчика.
Лазерный метод
Передача энергии происходит за счет преобразования ее в луч. Последний дальше следует на фотоэлемент приемника. Это позволяет передать большой объем. Но есть и нюанс – планы разбиваются об атмосферу и энергия рассеивается. Конечно, не вся, но шестьдесят процентов точно. Такая технология может применяться и в безвоздушном пространстве.
Электропроводность Земли
Гидросфера и залежи металлических руд используются, чтобы передавать ток на низких частотах. Очагом возникновения могут стать огромные залежи кварцевого песка.
Всемирная беспроводная система
Метод возник в 1904 году. Тесла заявил, что создание такой системы при использовании повышенной электропроводности плазмы и Земли, вполне имеет место.
Чем больше источников тока, тем менее предсказуемы последствия
Наконец, ещё одна нерешенная физическая проблема: суперпозиция электромагнитных полей. Чем больше зарядных устройств и их мощность, тем дальше и больше распространяются их волны.
В какой-то момент они начнут взаимодействовать. Это не кажется проблемой, на первый взгляд.
Ровно до тех пор, пока кто-нибудь не решит поставить пару зарядок рядом, сместив вектор распространения на что-то чувствительное к электромагнитному полю.
Этим «чем-то» может быть устройство связи, кардиостимулятор, станция связи и любое другое электронное устройство.
Проблема не в том, что оно попадёт под действие одного источника — теоретически, даже мощные беспроводные зарядки можно спроектировать так, чтобы не мешать электронике.
Но при наложении волн друг на друга получится неизвестная величина, которую сложно предсказать. Нужен ли такой риск?
Кстати, судя по слухам именно это «убило» беспроводную зарядку AirPower от Apple, которая могла нести 32 катушки (слаботочных!).
«Со временем эти гармоники суммируются и в воздухе появляются очень мощные сигналы, — поясняет — А это может представлять сложность — к примеру, такое излучение может остановить чей-нибудь кардиостимулятор, если будет достаточно мощным. Или замкнуть чей-нибудь слуховой аппарат».
Уильям Лампкинс, технический вице-президент O & S Services
Если от аппарата Apple гармоники разлетались во все стороны, возможно, AirPower не смог пройти тесты регуляторов США или ЕС.
История развития
Развитие дистанционной беспроводной передачи электроэнергии связано с достижениями радиотехники, поскольку оба процесса имеют одинаковую природу. Изобретения в обеих областях связаны с исследованием метода электромагнитной индукции и ее влияния на генерацию электрического тока.
Утром 1820 года Ампер открыл закон взаимодействия токов, который заключался в том, что если ток течет в одном направлении по двум близко расположенным проводникам, то они притягиваются друг к другу, а если в разных — отталкиваются.
М. Фарадей в 1831 году установил в процессе проведения экспериментов, что переменное магнитное поле (которое со временем меняет размер и направление), создаваемое протеканием электрического тока, индуцирует (индуцирует) токи в соседних проводниках. У тех есть беспроводная передача электроэнергии. Мы подробно рассмотрели закон Фарадея в предыдущей статье.
Итак, Дж. К. Максвелл через 33 года, в 1864 году, перевел экспериментальные данные Фарадея в математическую форму, те же уравнения Максвелла являются фундаментальными в электродинамике. Они описывают, как связаны электрический ток и электромагнитное поле.
Существование электромагнитных волн было подтверждено в 1888 г. Г. Герцем в ходе его экспериментов с искровым излучателем с переключателем на катушке Румкорфа. Таким образом создавались электромагнитные волны с частотой до половины гигагерца. Стоит отметить, что эти волны могли быть приняты несколькими приемниками, но они должны быть настроены в резонанс с передатчиком. Дальность действия завода была порядка 3 метров. Когда в передатчике возникла искра, такая же искра возникла в приемниках. Фактически, это первые эксперименты по беспроводной передаче электроэнергии.
Известный ученый Никола Тесла провел обширные исследования. Он изучал переменный ток высокого напряжения и частоты в 1891 году. В результате были сделаны следующие выводы:
Для каждой конкретной цели установка должна быть настроена на соответствующую частоту и напряжение. В этом случае высокая частота не является обязательным условием. Наилучшие результаты были получены при частоте 15-20 кГц и напряжении передатчика 20 кВ. Колебательный разряд конденсатора использовался для получения тока высокой частоты и напряжения. Таким образом, можно передавать как электричество, так и производить свет.
Во время своих выступлений и лекций ученый демонстрировал свечение ламп (электронных ламп) под действием высокочастотного электростатического поля. Фактически, основные выводы Теслы заключались в том, что даже в случае использования резонансных систем невозможно передать много энергии с помощью электромагнитной волны.
Параллельно подобными исследованиями до 1897 года занимались ряд ученых: Джагдиш Боче в Индии, Александр Попов в России и Гульельмо Маркони в Италии.
Каждый из них внес свой вклад в развитие беспроводной передачи энергии:
- Дж. Бош в 1894 году зажег порох, передавая электричество на расстояние без проводов. Он сделал это во время демонстрации в Калькутте.
- А. Попов 25 апреля (7 мая) 1895 г с помощью азбуки Морзе передал первое сообщение. В России сегодня, 7 мая, по-прежнему День радио.
- В 1896 г. Г. Маркони в Великобритании также передал радиосигнал (азбука Морзе) на расстояние 1,5 км, а затем и 3 км над равниной Солсбери.
Стоит отметить, что работы Теслы, недооцененные в свое время и утерянные на века, по параметрам и мощности превзошли работы его современников. В то же время, именно в 1896 году его устройства передавали сигнал на большие расстояния (48 км), но, к сожалению, это было небольшое количество электричества.
И в 1899 году Тесла пришел к выводу:
Несостоятельность индукционного метода кажется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда земли и воздуха.
Этот вывод приведет к другим исследованиям: в 1900 году ему удалось запитать лампу от катушки, проведенной в полевых условиях, а в 1903 году была запущена башня Вандерклифф на Лонг-Айленде. Он состоял из трансформатора с заземленной вторичной обмоткой и сферического медного купола наверху. С его помощью оказалось, что зажгли 200 ламп по 50 ватт. При этом передатчик находился в 40 км от него. К сожалению, эти исследования были остановлены, финансирование приостановлено, а бесплатная беспроводная передача электроэнергии оказалась экономически невыгодной для деловых людей. Башня была разрушена в 1917 году.
Для каждого устройства нужна своя зарядка
Та же проблема с позиционированием электромагнитных катушек в итоге ведёт к следующей — отсутствие единого стандарта в отрасли.
Компании договорились использовать слаботочную Qi-технологию и унифицировали устройства. Но то Samsung, то Xiaomi выпускают модели, которые не работают с чужими зарядками на полной скорости.
Высокомощная беспроводная зарядка Xiaomi, представленная пару месяцев назад, работает только при точном попадании на базу.
И заряжает быстро батарею только до 50%, снижая мощность в последствии с 80 до 20 Вт. Причем, даже на максимальной «скорости» эффективность составляет только 65 Вт.
Эта зарядка не работает «на пониженных оборотах» с другими смартфонами — катушки имеют другой размер. По той же причине стандартные Qi-зарядки «раскачиваются» с соответствующим Mi 11 Ultra только до 10 Вт.
Нужен единый стандарт процесса, иначе инфраструктура будет работать только для одного производителя.
Даже в отношении смартфонов пользователю это не выгодно. А что говорить об автомобилях?
Особенно когда существующие прототипы от Momentum Dynamic обещают невероятные невозможные 100% КПД?
Способы электроснабжения предприятий
Электроснабжение промышленных предприятий в основном осуществляется от районных электроэнергетических систем (централизованное электроснабжение). Возможны варианты и комбинированного питания, при котором предприятие получает электрическую энергию от электроэнергетических систем (ЭСС) и собственной электростанции, а также в редких случаях обеспечения предприятия питанием только от собственной электростанции.
Целесообразность сооружения собственной электростанции обуславливается технико-экономическими соображениями, среди которых: потребность в тепловой энергии для производственных нужд, удаленность предприятия от энергосистем, наличие и возможность использования вторичных энергоресурсов в качестве топлива для электростанции, уровень надежности электроснабжения.
Питание промышленного предприятия может быть подведено к одному общему или к двум и более приемным пунктам. От одного пункта приема электроэнергии могут питаться одно или более промышленных предприятий, расположенный вблизи микрорайон или другие потребители. Все пункты приема электроэнергии от ЭЭС, а также собственные станции предприятия электрически связываются между собой. Наличие того или иного пункта приема электроэнергии на промышленном предприятии обуславливается в основном величиной потребляемой мощности и удаленностью предприятия от источника питания. Например, при относительно небольшом расстоянии (до 8 км) предприятия малой и средней мощности в большинстве случаев получают электроэнергию на напряжении 6—20 кВ, пунктом приема является ГРП, который без трансформации указанного напряжения распределяет электроэнергию внутри предприятия.
Малые предприятия имеют в основном один пункт приема электроэнергии в виде распределительного пункта 6—20 кВ или цеховой трансформаторной подстанции. Предприятия малой и средней мощности располагают одним-двумя приемными пунктами в виде ГПП, ГРП; предприятие большой мощности — одним или более приемными пунктами в виде ГРП, ГПП, ПГВ.
Пункты приема электроэнергии могут питаться отпайками от проходящих ЛЭП или непосредственно от распределительных устройств подстанций и электростанций энергосистемы.
Внутризаводское электроснабжение на действующих предприятиях выполняется по ступенчатому принципу в основном на напряжении 6—10 кВ. Перспективным является перевод сети с 6 на 10 кВ. а на вновь строящихся крупных предприятиях — применение напряжения 20 кВ.
Придётся модернизировать энергоснабжение всего мира
Наконец, существует ещё одна причина, о которой любят вспоминать только противники электромобилей. Существующий мир уже опутан проводами определенного сечения, разработанными электросетями и обустроенными электростанциями.
Любое резкое повышение потребления электроэнергии требует серьезной модернизации.
В российских новостройках промышленных городов это почти незаметно. Но представьте: в Лондоне ещё существуют дома с «пробками», запитанные от тонких линий вековой давности. Сохранились целые улицы, запитанные при личном участие Вестингауза в начале прошлого века.
А тут предлагается не просто использовать повсеместно электричество, но делать это с низким КПД, огромными тепловыми потерями.
Большинство городов к этому не готово. Потому что беспроводную зарядку все равно нужно чем-то питать — и эту линию придётся сделать ОЧЕНЬ толстой, увеличив и выработку энергии.
То есть потребуется на 50% больше ветряков, солнечных панелей — или ещё одна ТЭЦ, поскольку они плохо масштабируются.
Микроволны
Неужели нет другого действительно эффективного способа беспроводной передачи электроэнергии? Да, и это было изобретено до детских попыток и игр в «Звездных войнах.
Оказывается, специальные микроволны длиной 12 см (частота 2,45 ГГц) как бы прозрачны для атмосферы и не мешают их распространению.
Какой бы плохой ни была погода, при вещании с помощью микроволн вы потеряете всего пять процентов! Но для этого вы должны сначала преобразовать электрический ток в микроволны, затем уловить их и вернуть в исходное состояние.
Первую проблему ученые решили давно. Для этого придумали специальное устройство и назвали его магнетроном.
Причем сделано это настолько профессионально и безопасно, что сегодня такое устройство есть у каждого из вас дома. Идите на кухню и посмотрите на свою микроволновую печь.
Внутри такой же магнетрон с КПД 95%.
Но вот как сделать обратное преобразование? И здесь было разработано два подхода:
- Американец
- Советский
В Соединенных Штатах в 1960-х годах ученый У. Браун изобрел антенну, которая выполняла требуемую задачу. То есть преобразовал падающее излучение обратно в электрический ток.
Он также дал ему свое имя — ректенна.
После изобретения последовали эксперименты. А в 1975 году с помощью ректенны передавалось и принималось до 30 кВт мощности на расстояние более километра. Потери при передаче составили всего 18%.
Спустя почти полвека этот опыт никогда не устарел. Казалось бы, метод найден, так почему же эти ректенны не бросили в массы?
И тут снова проявляются недостатки. Ректенны собраны на основе миниатюрных полупроводников. Нормальная работа для них — это передача мощности всего в несколько ватт.
А если хотите передать десятки или сотни киловатт, то приготовьтесь собирать гигантские панели.
И здесь возникают те же неразрешимые трудности. Во-первых, это повторное излучение.
Из-за этого вы не только потеряете часть своей энергии, но и не сможете приблизиться к панелям, не потеряв при этом свое здоровье.
Вторая головная боль — нестабильность полупроводников в панелях. Достаточно сжечь один из-за небольшой перегрузки, а остальные выходят из строя, как лавина, как спички.
В СССР все было несколько иначе. Наши военные недаром были уверены, что даже при ядерном взрыве вся иностранная техника сразу выйдет из строя, а советская — нет. Весь секрет в лампах.
В МГУ двое наших ученых, В. Савин и В. Ванке, разработали так называемый циклотронный преобразователь энергии. Он имеет приличные размеры, так как собран по ламповой технологии.
Внешне это что-то вроде трубки длиной 40 см и диаметром 15 см. КПД этого лампового блока несколько ниже, чем у американского полупроводникового элемента — до 85%.
Но в отличие от полупроводниковых детекторов циклотронный преобразователь энергии имеет ряд существенных преимуществ:
- надежность
- высокое напряжение
- сопротивление перегрузке
- без повторного облучения
- низкая стоимость производства
Однако, несмотря на все вышесказанное, именно методы реализации конструкции полупроводников считаются передовыми во всем мире. Здесь тоже есть модный элемент.
После первого появления полупроводников все начали резко отказываться от ламповой техники. Но практические тесты показывают, что это часто неправильный подход.
Конечно, сотовые телефоны или 20-килограммовые ламповые компьютеры, которые занимают целые комнаты, никого не интересуют.
Но иногда только проверенные старые методы могут помочь нам в безвыходных ситуациях.
В результате сегодня у нас есть три возможности для беспроводной передачи энергии. Первое из рассмотренных ограничено как расстоянием, так и мощностью.
Но этого достаточно, чтобы зарядить аккумулятор смартфона, планшета или чего-то большего. Хотя эффективность невелика, метод все же работает.
Лазерная техника хороша только в космосе. На поверхности земли это не очень эффективно. Правда, когда другого выхода нет, можно им воспользоваться.
Но микроволновые печи дают волю воображению. С их помощью можно передавать энергию:
- на земле и в космосе
- с поверхности земли на космический корабль или спутник
- и наоборот, со спутника в космосе он возвращается на Землю
Катушка Тесла
Катушка Теслы — это электрический резонансный трансформатор. Радиочастотный генератор для получения высокого напряжения, при низких токах приводящий в действие трансформатор. Катушка работает по принципу электромагнитной индукции: проводник помещается в изменяющееся магнитное поле и генерирует напряжение на проводнике. Тесла устраивает демонстрации, показывающие, как можно использовать катушку для беспроводного питания ламп накаливания, расположенных на расстоянии нескольких метров друг от друга.
Даже по современным стандартам Тесла намного опередил свое время. Но его амбиции выходили за пределы прототипа катушки Тесла. Он представлял мир, в котором все человечество могло бы иметь дешевое или даже бесплатное электричество. Он раздвинул границы, когда воплотил в жизнь нечто более функциональное.
