Способы передачи электроэнергии беспроводными методами



В статье авторы рассказывают о способах передачи электроэнергии беспроводными методами и собирают два устройства способные передавать электричество и электростатическое излучение.

Ключевые слова: беспроводная передача энергии, устройство, электромагнитный импульс, переменный ток, SWER, передача энергии.

Открытия, которые способствовали созданию технологий беспроводной передачи энергии, были открыты ещё в XII веке. Но широкое применение эти открытия нашли только в XXI веке. И в наше время технология беспроводной сети является настоящим и будущем в науке и быту. Беспроводные технологии способны не только улучшить жизнь человечества, но и решить массу экологических проблем, связанных с ресурсами планеты «Земля» и загрязнения экосистемы.

Цель работы: выяснить какие бывают способы беспроводной передачи электроэнергии и узнать, как они работают.

Технологии

Ультразвуковой способ

В этом способе есть передатчик и приёмник (Рис.1). Передатчик излучает ультразвук; приёмник же в свою очередь преобразовывал слышимый ультразвук в электричество [2]. Передаваемое напряжение достигало 8 вольт на расстоянии 7–10 метров. При этом между приёмником и передатчиком должна быть непосредственная видимость. Доказано что используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Применение передачи электроэнергии при помощи ультразвука не возможна и не целесообразна из-за ограничений во многих государствах, низкого кпд и дороговизны оборудования.

Рис. 1. Пример работы ультразвукового способа передачи электроэнергии [2, с. 3]

Метод электромагнитной индукции

Это простейший и один из самых первых открытых способов передачи энергии беспроводным путём. Но основной минус этого метода кроется в способе его работы. Электромагнитная работает за счёт электромагнитных полей, которые должны располагаться на расстоянии около одной шестой длинны волны. Энергия ближнего поля не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Так же имеют место быть и резистивные потери. При отдалении вторичной обмотки от первичной, большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. То есть даже на относительно небольших расстояниях индуктивная связь становится крайне неэффективной, и расходует большую часть передаваемой энергии в пустую.

Самый простой пример работы электромагнитной индукции это- трансформатор (Рис. 2). У трансформатора есть первичная и вторичная обмотки, которые на прямую не связанны [3]. Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения. В пример можно привести устройства, которые работают по такому же принципу: бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щёток. Индукционные плиты также используют этот метод.

Рис. 2. Электрический трансформатор ↑↑↑ [3 c. 4]

Также для улучшения электромагнитной индукции используют резонанс. Резонансная индукция работает уже за счёт передатчика и приёмника которые настроены на одну частоту, что позволяет току быть уже в виде электромагнитной волны, а не в виде электромагнитного поля. Производительность может быть улучшена ещё больше путём изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка аккумуляторных батарей портативных устройств, таких, как портативные компьютеры и сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили.

Электростатическая индукция

Электростатическая или емкостная связь представляет собой прохождение электричества через диэлектрик. В практическом плане это выглядит так, что ток образуется из электрического поля, которое создаётся за счёт двух или более изолированными пластинами, узлами, электродами или клеммами, возвышающимися над проводящей поверхностью. Сама индукция получается из электрического поля наводящееся в пластинах переменным током высокого потенциала и частоты. Расстояние между двумя электродами и питаемым устройством образует разницу потенциалов. Самый известный и распространённый пример применения электростатической индукции это- беспроводные лампы, которые можно располагать в любом месте в пределах электрического поля, которое создаёт источник.

Микроволновое излучение

В данном методе основную роль в передаче энергии играют радиоволны. Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной, увеличив расстояние передачи энергии за счёт уменьшения длины волны электромагнитного излучения. Ректенна может использоваться для преобразования микроволновой энергии в электричество, эффективность которой превышает 95 %.

Плюсом этого способа является то, что при любой погоде при передачи данной энергии теряется только 5 %, но при этом его нужно сначала преобразовать в микроволны, а потом обратно в электричество. Но уже существует специальное устройство для преобразования, это магнитрон. Передача энергии при помощи микроволн даёт возможность передачи энергии на довольно большие расстояния и даже не требуется прямая видимость между приёмником и передатчиком, но также стоит отметить, что при увеличении дальности увеличивается и стоимость с размерами оборудования, так же микроволны большой мощности могут причинять вред человеку и окружающей среде.

Лазерный метод

Данный способ обеспечивает довольно большую дальность действия и в тоже время требуется прямая видимость между приёмником и передатчиком (Рис. 3). Главным плюсом данного метода в том, что он удобен для применения как небольших изделий, так и более крупных, например такие как спутники (Рис. 4). Так же полностью отсутствуют радиочастотные помехи. Так же, чтобы приёмник может получить энергию, нужно лишь навести на него лазерный луч [4].

У данного метода есть и недостатки, к примеру при преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, которым является свет, неэффективна. Так же неэффективно и обратное преобразование, так как КПД фотоэлементов достигает всего лишь 40–50 %.

Ранее передача энергии при помощи лазера (лазерной установки) осуществлялась только в военной отрасли и аэрокосмической, но уже сейчас данный метод используется и в промышленности, в маломощных устройствах [4]. Также лазерная передача энергии не так зависит от дифракционных излучений, так же характеристики лазеров дают возможность увеличивать мощность и дистанцию передачи.

Рис. 3. Пример работы лазерного метода передачи электроэнергии [4, c. 7]

Рис. 4. Пример работы лазерного метода передачи электроэнергии в космосе [4, c. 7]

Электропроводимость земли

Однопроводная электрическая система SWER (англ. single wire with earth return) основывается на токе земли и одном изолированном проводе. В аварийных случаях высоковольтные линии постоянного тока могут работать в режиме SWER (Рис. 5). Замена изолированного провода на атмосферную обратную связь для передачи мощного высокочастотного переменного тока стала одним из методов беспроводной передачи электроэнергии. Кроме того, исследовалась возможность беспроводной передачи электроэнергии только через землю [5]. Электропроводимость земли может служить для передачи низкочастотного переменного тока, так как сопротивление земли значительно меньше. Электростатическая индукция диэлектрических тел может возникать в больших залежах кварцевого песка в земле и ему подобных. Также переменный ток может передаваться и через слои атмосферы. Ток протекает через нижние слои атмосферы земли где-то в 3,2 километрах над уровнем моря. Стоит отметить, что пучки ультрафиолетового излучения могут быть использованы для ионизации атмосферных газов, приводя к плазменным высоковольтным линиям электропередачи. В итоге образуется поток электрического тока, идущего до тропосферы и через неё на другой терминал. Электропроводность тока через слои атмосферы становится возможной непосредственно благодаря плазменному разряду в ионизированной атмосфере земли.

Земля это-естественный проводник, который образует один проводящий контур. Обратный контур проходит через верхние слои тропосферы и нижние слои стратосферы на высоте примерно 7,2 км [5].

Рис. 5. Схема передачи электричества с помощью электропроводимости земли [5, c.8].

Литература:

1. Иродов И. Е. т.3. Основные законы электромагнетизма. (7-е изд, 2009)
2. Иродов И. Е. т.4. Основные законы. Волновые процессы. (1999)
3. Матвеев А. Н. (Курс общей физики. Т. 3) Электричество и магнетизм. (1983.)
4. Савельев И. В. Курс общей физики. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. (2-е изд., 1982)
5. [Электронный ресурс]. — ссылка доступа: URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Беспроводная_передача_электричества