Проект «Беспроводная передача электрического тока с использованием явления электромагнитной индукции»

Решить проблему беспроводной передачи электрической энергии на большие расстояния – давнишняя мечта человечества. Можно представить, насколько бы подешевела электроэнергия без затрат на токопроводную продукцию. Научно-техническая революция не стоит на месте. Есть надежда, что эта мечта сбудется в недалёком будущем. Тому свидетельствуют новые разработки в данной сфере.

Мечта человечества – беспроводная передача электроэнергии

История беспроводной передачи энергии

Великий французский физик Ампер в 1820 году путём многочисленных опытов пришёл к выводу о том, что магнитное поле может возбуждать в теле металла электрический ток. Так появился основополагающий закон Ампера.

Майкл Фарадей в 1831 открыл закон индукции, который стал базой для развития такой науки, как электромагнетизм.

Джеймс Максвелл после долгих экспериментов систематизировал свои наблюдения, квинтэссенцией которых в 1864 году стало уравнение Максвелла. Формула объясняла поведение электромагнитного поля.

Никола Тесла усовершенствовал аппарат для генерации электромагнитного поля, изобретённый Генрихом Герцем в 1888 году. На Всемирной выставке в 1893 г., состоявшейся в Чикаго, Тесла продемонстрировал свечение фосфорных лампочек без проводов.

Свой вклад в развитие беспроводной передачи энергии сделал русский учёный Александр Попов. В 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества он показал изобретённый им детекторный радиоприёмник.

Далее вплоть до наших дней происходило патентование новых изобретений в области беспроводной передачи электрической энергии. Были произведены масса экспериментов, совершенно большое количество открытий. Последнее достижение в этой сфере – это передача электричества на большие расстояния без проводов с помощью технологии Wi-Fi. В 2022 году изобретён мобильный телефон без батареи.

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?

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.

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.

Принципы передачи

Производство электроэнергии

В последних разработках учёных из США и Южной Кореи применялись магнитно-резонансные системы CMRS и DCRS. Корейская технология оказалась более совершенной. Удалось передать электроэнергию на 5 метров. Благодаря компактным дипольным катушкам DCRS, можно запитать всех потребителей в помещении средних размеров без проводов.

Важно! Несовершенство современной аппаратуры существенно ограничивает длину пути электричества по воздуху.

Несмотря на это, учёные всего мира заняты получением новых технологий, задача которых – передача энергии на расстоянии в десятки и сотни километров. Уже сегодня развиваются и претворяются в жизнь новые достижения науки в области доставки электроэнергии без проводных линий электропередач.

Беспроводной путь

Большинство современных жилых домов и коммерческих зданий питаются от сетей переменного тока. Электростанции генерируют электричество переменного тока, которое доставляется в дома и офисы с помощью высоковольтных линий электропередачи и понижающих трансформаторов.

Электричество поступает в распределительный щит, а затем электропроводка доставляет электричество к оборудованию и устройствам, которые мы используем каждый день: светильники, кухонная техника, зарядные устройства и так далее.

Все компоненты стандартизованы. Любое устройство, рассчитанное на стандартные ток и напряжение, будет работать от любой розетки по всей стране. Хотя стандарты разных стран и различаются между собой, в конкретной электрической системе любое устройство будет работать при условии соблюдения стандартов данной системы.

Тут кабель, там кабель… Большинство наших электрических устройств обладает кабелем питания от сети переменного тока.

Технологии

Бездоговорное потребление электроэнергии и его законность

Наиболее перспективными направлениями в разработке новых методов и способов транспортировки электричества без материального контакта являются:

• ультразвуковой способ;
• метод электромагнитной индукции;
• электростатическая индукция;
• микроволновое излучение;
• лазерный метод;
• электропроводность Земли.

Ультразвуковой способ

Студентами Пенсильванского университета (США) на недавней выставке в 2011 году был продемонстрирован способ передачи электротока с помощью ультразвука. Передатчик генерировал акустические волны в ультразвуковом диапазоне, приёмник преобразовывал их в электрический ток. В качестве носителя энергии ультразвук был выбран не случайно. Его воздействие на организм человека абсолютно безвредно.

Несовершенство этого способа заключается в том, что КПД передачи очень низкий, нужны прямая видимость между абонентами и ограниченность расстояния (7-10 метров).

Метод электромагнитной индукции

Работа обыкновенного трансформатора даёт представление о том, как осуществляется передача электричества без проводов методом электромагнитной индукции. В процессе участвуют две катушки. Магнитное поле, возбуждаемое протекающим током по виткам первичной обмотки, индуцирует электрический поток во вторичной обмотке трансформатора.

Примерами использования эффекта электромагнитной индукции могут быть зарядные устройства смартфонов и электрические зубные щётки. Недостатком такого способа передачи энергии является непременная близость катушек. Даже при небольшом увеличении промежутка между обмотками большая часть энергии начинает распыляться в пространстве.

Один из видов электромагнитной индукции – это использование резонанса. Суть способа заключается в том, что приёмник и передатчик функционируют в одном частотном диапазоне. Передающее и приёмное устройства представляют собой соленоид с одним слоем витков. Генерирующий прибор оснащён конденсаторной схемой, с помощью которой он настраивается на частоту приёмника.

Электростатическая индукция

В основе метода заложен принцип прохождения энергии через тело диэлектрика. Способ называют ёмкостной связью. Генератор создаёт в ёмкости электрическое поле, которое возбуждает разницу потенциалов между двумя электродами потребителя.

Никола Тесла для демонстрации беспроводной лампы освещения использовал именно метод электростатической индукции. Лампа получала питание от переменного электрического поля высокой частоты. Она светилась ровно, независимо от её перемещения в пространстве комнаты.

Микроволновое излучение

Специалисты космотехники разработали способ передачи электроэнергии от орбитальных солнечных батарей на космические корабли с помощью радиосигнала микроволнового диапазона. Проблема этого метода состоит в том, что для приёма и передачи пучкового излучения требуются антенны с очень большой диафрагмой.

Учёные НАСА в 1978 году пришли к выводу, что для передачи микроволнового луча частотой 2,45 ГГц излучающая антенна должна иметь диаметр отражающей поверхности 1 км. Приёмная ректенна должна быть диаметром 10 км. Уменьшить эти размеры возможно путём использования сверхкоротких волн. Однако сигналы такого диапазона быстро поглощаются атмосферой или блокируются дождевыми осадками.

Обратите внимание! Безопасная плотность мощности излучаемой энергии равняется 1 мВт/см2. Этой норме отвечает антенна диаметром 10 км с передающей мощностью потенциала 750 МВт.

Лазерный метод

Передачу электроэнергии на большие расстояния без проводов с помощью лазера стали осуществлять сосем недавно. Идея состоит в том, что лазерный луч, несущий в себе энергетический потенциал, попадает на фотоэлемент приёмного устройства, где высокочастотное электромагнитное излучение преобразуется в электрический ток.

Лазерная технология передачи энергии, ранее применяемая в военной области, успешно внедряется в гражданскую сферу деятельности человека. Разработки американских учёных привели к изобретению беспилотного летательного аппарата, получающего энергетическое питание от лазерного луча. В 2006 году был продемонстрирован беспилотник, который мог летать в беспосадочном режиме, питаясь от лазерной установки.

В 2009 году был успешно осуществлён эксперимент в космосе по передаче энергии на один километр мощностью 500Вт.

Электропроводность Земли

Существует теория использования недр и океанов Земли для беспроводной передачи энергии. Электропроводимость гидросферы, залежей металлических руд может быть использована для передачи низкочастотного переменного тока. Электростатическая индукция диэлектрических тел может возникать в огромных залежах кварцевого песка и тому подобных минералов.

Передача электрического тока возможна также через воздушное пространство методом электростатической индукции. Никола Тесла в своё время выдвинул предположение, что в будущем появятся технологии, которые для передачи электроэнергии будут использовать землю, океанические воды и атмосферу планеты.

Всемирная беспроводная система

Впервые о Всемирной беспроводной системе передачи электроэнергии стало известно от великого учёного Теслы. В 1904 году он заявил, что создание ВБС, используя высокую электрическую проводимость плазмы и Земли, вполне осуществимо.

Получаем энергию с катушками и без них

Мы пытаемся удалить энергию эфира двумя способами. Сначала трансформатор работает автономно, без дополнительных катушек. Слева — напряжение потребления, справа — ток. Напряжение около 11 вольт, сила тока 1,8. Теперь соединяем две одинаковые катушки. Трубки для снятия вставляются в их середину. На их выходе горят лампочки. Те, которые используются в холодильнике на 220 вольт, 15 ватт. Катушки наматываются так же, как и качер. Все концы луковиц уйдут в землю. Посмотрим, как меняются параметры.

7. Информация об измерении частоты на плате. Как это произошло? Включен во вторичную обмотку. Он пошел от катушки, прошел феррит, затем намотал на кольцо 3 витка обычного провода и выводы пошли на осциллограф. Я положил начало этому. Предел составляет 1 микросекунду. Предел напряжения 1 вольт. Мы смотрим.

Реальные проекты в наши дни

Из всего того, что на сегодня предлагает рынок электротехники, относятся к беспроводной передаче электроэнергии зарядные устройства для смартфонов, электрические зубные щётки. В них используется принцип электромагнитной индукции.

В авиастроении началось серийное производство летательных беспилотных аппаратов, питающихся за счёт беспроводной передачи электричества. Небольшой микроволновый вертолёт с ректенной может подниматься на высоту до 15 метров над землёй. Появились беспилотники, которые могут летать в зоне видимости лазерного луча.

Китайский производитель бытовой техники Haier Group с 2010 года выпускает беспроводные LCD телевизоры.

Что это такое?

Катушка представляет собой трансформатор. Назначение устройства — увеличение параметров тока до огромных высот (до миллионов вольт). Основная цель: максимально увеличить частоту переменного тока. В идеале такая же обратная катушка должна быть размещена в точке приема энергии, которая будет резонировать с устройством, что позволит передавать энергию на расстояние.

Давайте подробно рассмотрим, как работает катушка Тесла. Для начала качаемся — не сразу понятно, что качается в катушке. Постоянный ток, который Эдисон использовал в своих изобретениях, дорог в производстве. Эта энергия имеет ярко выраженный вектор движения. Переменный ток постоянно меняет параметры электричества: напряжение и ток. Это называется колебаниями электрического тока.

интересно, что основные законы колебания электрического тока и механического маятника совпадают. Примечательно, что существует также резонансный эффект для электричества. Когда частоты двух электрических полей совпадают, амплитуда колебаний увеличивается. По задумке Теслы, после того, как катушки резонируют, в приемнике должен появиться электрический ток.

На самом деле приемник так и не был изобретен. Катушка Тес используется в качестве ориентира, на ней вы можете увидеть поток: другими словами, электрическую дугу, текущий разряд, искусственную молнию и изучить беспроводную передачу электричества.

Перспективы беспроводной передачи электричества

Сейчас ведутся исследовательские работы, и разрабатываются проекты создания электромобилей, которые будут передвигаться по дорожному покрытию с токопроводом, который индуцирует электрический ток в моторе транспорта.

Ряд передовых фирм заняты разработкой беспроводных источников питания, которые смогут снабжать электроэнергией всех потребителей в пределах одного помещения.

В перспективе появление трасс, состоящих из ряда беспроводных источников электричества, которые смогут обеспечить перемещение летательных аппаратов на большие расстояния.

С появлением новых материалов, усовершенствованных приборов и изобретений беспроводная передача электроэнергии в недалёком будущем охватит все сферы деятельности человека.

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?

Беспроводное электричество: мечта Теслы и наша грядущая реальность

Используя огромный потенциал беспроводного электричества, наше поколение может обрести многое и ничего не потерять. В предстоящие годы мы можем лишь надеяться на то, что нынешние усилия, направленные на реализацию этого грандиозного подвига, дадут положительные результаты. К сожалению, Никола Теслы, великого изобретателя, нет с нами рядом, чтобы он мог увидеть воплощение своей мечты. Я рад поделиться одной из знаменитых цитат Теслы, прекрасным источником вдохновения для начинающих ученых во всем мире:

«Если вы хотите раскрыть секреты Вселенной, думайте о ней с точки зрения энергии, частоты и вибрации».

• Обучение профессии Data Science
• Обучение профессии Data Analyst

Другие профессии и курсы
ПРОФЕССИИ

• Профессия Веб-разработчик
• Профессия Java-разработчик
• Профессия Frontend-разработчик
• Профессия Этичный хакер
• Профессия C++ разработчик
• Профессия Разработчик игр на Unity
• Профессия iOS-разработчик с нуля
• Профессия Android-разработчик с нуля

КУРСЫ

• Курс «Python для веб-разработки»
• Продвинутый курс «Machine Learning Pro + Deep Learning»
• Курс по Machine Learning
• Курс «Математика и Machine Learning для Data Science»
• Курс по JavaScript
• Курс по аналитике данных
• Курс по DevOps