Беспроводная передача энергии (далее БПЭ) представляет собой метод дистанционного переноса электроэнергии, не применяя проводящих элементов. Идея такого метода не нова, но реализация, как и многие идеи конца 19-го – начала 20-го века, стала возможна лишь сейчас, с появлением реальных технологий, позволяющих воплотить все на практике.
Беспроводная передача энергии. Часть 1
Идею БПЭ пропагандировал Н.Тесла
Идею БПЭ пропагандировал Н.Тесла. По его замыслу нужен резонатор в виде катушки, создающий электромагнитные колебания определенной частоты и катушка-приемник, работающая как понижающий трансформатор, принимающая эти колебания и за счет резонанса преобразующая их в электроэнергию.
Разработки БПЭ преследуют сразу несколько целей (соответственно и технологии их воплощения тоже принципиально различаются).
- Передача солнечной энергии с космоса. С появлением экологии, как науки и осознанием человечеством, что источники энергии могут быть исчерпаемы, ученые умы переключили свое внимание на поиск возобновляемых источников энергии. Довольно перспективным направлением видится солнечная энергетика, однако она сталкивается с перечнем сложностей: невозможность работать ночью, снижение эффективности в пасмурную и дождливую погоду, большие площади для солнечных батарей, малое количество энергии на единицу площади из-за потерь энергии солнечного излучения при прохождении сквозь слои атмосферы. Эти трудности можно решить, если солнечные батареи будут находиться в космосе. В таком случае нет ни рассеивания энергии, ни влияния погоды, а значит, не требуется значительная площадь и размер батарей. Но есть существенная проблема – как передать эту энергию на Землю к потребителю? Вот для этого и нужны разработки БПЭ.
- Электрификация труднодоступных поселений или тех поселений (технических сооружений, объектов стратегического назначения), где экономически или технически весьма трудно проложить линии электропередачи (высокогорные районы, острова).
- Работа электротранспорта. Предлагаются идеи передавать энергию через дорожное полотно, что будет актуально с развитием электромобилей. На практике запас хода электромобиля не значителен и вряд ли его можно решить увеличением размера аккумулятора, ведь и так легковые электромобили достигают веса около 2 тонн. Тут на помощь может прийти БПЭ.
- Работа бытовой техники, зарядка мобильных устройств. Поскольку на рынке мобильных и интернет устройств, на данном этапе развития рынка, имеется жесточайшая конкуренция, то любое усовершенствование будет весомым преимуществом перед конкурентами. Именно мобильные компании сейчас и движут технологическим процессом, вкладывая огромные финансовые и технические ресурсы в развитие смартфонов и планшетов.
Рассмотрим детальнее, как решаются (или делают попытки решить) эти задачи и какие технологии БПЭ используются для этого. Необходимо понимать, что в каждом случае мы имеем дело с принципиально разными расстояниями между устройством передачи и приема, а значит, и универсального решения нет.
Передача солнечной энергии с космоса
Беспроводная передача энергии. Часть 2
Энергия Солнца
Предлагается два решения передачи энергии с космической орбиты к поверхности Земли. Первый вариант – лазерный луч. Поскольку требуется сформировать когерентное (с одинаковой частотой) излучение лазерного луча из солнечного излучения, то возникают большие потери в КПД еще до передачи энергии. Далее луч сталкивается с процессом рассеивания в плотных слоях атмосферы и к поверхности планеты доходит с диаметром в сотни раз большим изначального. Второй способ – СВЧ излучение. Однако подобная передача, при существующих технологиях, потребует размеры антенн излучателя и приемника диаметром в десятки километров.
Причина тому – явление дифракции, когда прямолинейное излучение меняет траекторию движения из-за огибания препятствий на своем пути. В пределах атмосферы таких препятствий большое количество: капли воды (дождь, туман, облака), частицы пыли, птицы, самолеты. Пока успешные опыты БПЭ с помощью СВЧ-диапазона излучения имели место на острове Реюньон, однако расстояние только порядка 1км. К тому же, не зависимо от способа передачи, требуется высокоточное наведение луча по отношению к приемной антенне, а это труднодостижимо.
Электрификация труднодоступных поселений
Электрификация
Здесь можно применить идеи, разработанные для передачи энергии с космоса, ведь для этого нужны меньшие расстояния. Необходима лишь прямая видимость между излучателем и приемником, тем более, что эксперименты с СВЧ уже позволяют совершать БПЭ на 1км. Другие варианты основаны на электропроводности планеты за счет залежей руды, океанических вод, а так же слоев атмосферы на высоте более 5км. К примеру, терминалы передачи энергии могут образовывать вертикальный поток электрического тока, который достигает ионизирующий слой атмосферы. В пределах этого слоя и будет происходить передача между двумя терминалами.
Работа электротранспорта
Электромобили, телефоны, бытовая техника
Здесь используются разновидности одного метода, основанного на электромагнитной индукции. Известно, что если имеются две близко расположенные катушки и по одной из них протекает переменный ток, то возникает переменное магнитное поле, которое, через явление электродинамической индукции, способствует появлению тока во второй катушке. Минус естественного явления в необходимости тесного расположения обеих катушек. При увеличении расстояния между катушками (даже весьма незначительном) индуктивная связь теряет эффективность. Для улучшения работы БПЭ требуется резонанс, благодаря которому будет одинаковая частота волны у передатчика с приемником. Частоту задает передатчик, а приемник настраивается на ту же частоту благодаря комплекту конденсаторов.
На практике реализован и уже широко используется стандарт Qi, применяемый в универсальных беспроводных устройствах зарядки. КПД достигает, в среднем, 80%. Инициировал создание этого стандарта консорциум WirelessPowerConsortium, объединивший порядка сотни компаний.
Зарядка мобильных устройств
Иные разработки
Интересна работа студентов из университета в штате Пенсильвания. Там был использован ультразвук, формируемый передатчиком. В приемнике УЗИ преобразуется в электроэнергию. Для человека такой звук лежит за порогом слышимости, но на некоторых животных, возможно, может оказывать влияние.
Хочется подчеркнуть, что этим идеи передачи энергии, минуя провода, не ограничиваются. Однако лишь часть из идей жизнеспособна и доступна для реализации при существующем уровне технологического развития. Безусловно, что данная отрасль довольно перспективна и новые разработки, как и улучшение существующих, будут иметь место.
