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.
Никола Тесла
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.
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.
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
Базовые элементы электрогенерирующей установки
Двухэлементная установка: колебательная и приемная. Первый элемент — трансформатор Тесла, который питается от микросхемы IR2153. Качер будет работать на частоте 230 килогерц, работая на микросхеме с частотой 23 килогерца. На выходе будут 2 полевых транзистора. Катушка намотана медным проводом 0,35 мм. 950 оборотов. Есть почти все подробности. Единственный недостаток — диета. В следующем видео вы можете увидеть, как получилось устройство. В этом китайском магазине продаются готовые роллы.
Другая часть диаграммы более сложна. Выйдет дороже. Используются редкие ферриты. Но игра стоит свеч. Схема полностью не соответствует привычным представлениям физики и электроники.
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.
Меры безопасности
После того, как ваш CT собран, перед запуском необходимо предпринять несколько мер предосторожности. Для начала нужно проверить проводку в помещении, куда вы планируете подключать трансформатор
Во-вторых, проверьте изоляцию обмоток.
Также стоит помнить о простейших мерах предосторожности. Напряжение вторичной обмотки в среднем составляет 700А, 15А на одного человека уже смертельно опасно
Кроме того, стоит убрать все электроприборы подальше, попав в зону действия катушки, они могут сгореть.
CT — революционное открытие своего времени, которое сегодня недооценивают. Сегодня трансформатор Tesla служит только для развлечения домашних электриков и в световых дисплеях. Сделать катушку можно самостоятельно, используя подручные средства. Вам понадобится труба из ПВХ, несколько сотен метров медного провода, пара метров медных трубок, транзистор и пара резисторов.
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.
Демонстрация метода электромагнитной индукции
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.
Анализ рынка продукции
Любые выводы всегда нужно подтверждать. Воспользовавшись сервисом для поиска и подбора товаров «Яндекс Маркет», я провела анализ рынка продукции беспроводных устройств.
По запросу «беспроводная зарядка» нашлось четыре страницы товаров, самый популярный из которых — XiaomiMiWirelessChargingPad средней стоимостью в магазинах 1290 рублей.
Отметим, что средняя стоимость любой проводной зарядки – 200-300 рублей, из чего можно сделать вывод, что беспроводное устройство для среднестатистического покупателя не представляет интереса, так как, скорее всего, для него такая высокая стоимость является переплатой за не столь большие изменения в бытовой жизни и заявленные преимущества.
1. Устройства SAMSUNG
Популярностью также пользуются и устройства этого бренда, а именно две модели:
Samsung EP-P5200
Samsung EP-P1100
Цена первого намного выше среднего, второго – практически на равных с Xiaomi.
2. Устройства Apple. Практически каждый скажет: дорого. И будет прав.
3. Иные производители.
Листая каталог товаров ниже, можно увидеть устройства и за 40000 рублей. Конечно, здесь есть гарантия качества и высокая мощность, но из чего складывается цена? Конечно, не только из используемых материалов, но и из сложности технологии, конструкции. В начале своей работы я заявила, что сфера ЭМИ малоразвита, и данные факты – тому подтверждение.
Цена в основном так и колеблется от 1500 рублей до 20000 рублей. Ассортимент беспроводных зарядок не так широк. Производством подобных товаров занимаются только ведущие бренды, прибавляя к стоимости не только цену технологии, но и своё имя.
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.
Бесконтактная зарядка смартфона
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.
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?
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.
Питание электромобиля
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.
Современное использование катушки Тесла
Самой популярной является демо-версия, которая позволяет увидеть электрическую дугу красивого фиолетового цвета и включить лампу без проводов. Однако иногда все же используется принцип катушки Тесла:
- В системах зажигания двигателя внутреннего сгорания. Он использует тот же принцип преобразования энергии в электрическую дугу. Только зажигание работает на низких частотах, а катушка Тесла работает на высоких частотах.
- Для питания люминесцентных и неоновых ламп. Хотя последнее чаще всего используется в качестве уловки.
- Для обнаружения дыр в вакуумных системах.
Как видите, изобретение еще не полностью разработано. Патент все еще находится на рассмотрении инвестора. Но, скорее всего, инвестора никогда не будет.
Самостоятельное изготовление
Итак, самый простой способ сделать катушку Тесла для чайников своими руками. Часто в Интернете можно встретить цифры, превышающие стоимость хорошего смартфона, но на самом деле из кучи мусора в гараже можно собрать трансформатор на 12В, который позволит весело провести время, включив лампу без использования розетки.
Какой должен быть результат
требуется эмалированный медный провод. Если вы не можете найти лак для ногтей, вам также понадобится обычный лак для ногтей. Диаметр проволоки может варьироваться от 0,1 до 0,3 мм. Для поддержания количества оборотов требуется около 200 метров. Его можно намотать на обычную ПВХ трубу диаметром от 4 до 7 см. Высота от 15 до 30 см. Также потребуется приобрести транзистор, например, D13007, пару резисторов и проводов. Было бы неплохо иметь компьютерный кулер, охлаждающий транзистор.
Теперь можно приступить к сборке:
- отрезать 30 см трубы;
- оберните его нитью. Изгибы должны быть максимально плотно прилегающими друг к другу. Если проволока не покрыта эмалью, обработайте лаком. Сверху трубы проденьте конец проволоки через стену и приподнимите так, чтобы он выступал на 2 см выше установленной трубы.;
- сделать платформу. Подойдет обычная плита ДСП;
- можно сделать первую катушку. Нужно взять медную трубку диаметром 6 мм, согнуть ее на три с половиной оборота и закрепить на каркасе. Если диаметр трубы меньше, витков должно быть больше. Его диаметр должен быть на 3 см больше, чем у второй катушки. Прикрепите к каркасу. Сразу закрепляем вторую катушку;
- есть несколько способов создать тор. Можно использовать медные трубы. Но проще взять обычную алюминиевую гофру и металлическую перекладину для крепления к выступающему концу провода. Если проволока слишком хрупкая, чтобы удерживать тороид, можно использовать гвоздь, как на изображении ниже;
- не забудьте защитное кольцо. Однако, если один конец первичной цепи заземлен, от него можно отказаться;
- когда конструкция готова, транзистор подключается по схеме, подключается к радиатору или кулеру, затем необходимо подать питание, и установка завершена.
Первую катушку можно сделать плоской как на фото
В качестве блока питания для установки многие используют обычную коронку Durasel.
Трансформатор Тесла своими руками, простейшая схема
Источники
- https://lightika.com/raznoe/besprovodnaya-peredacha-energii.html
- https://amperof.ru/teoriya/besprovodnaya-peredacha-elektroenergii.html
- https://uk-parkovaya.ru/secrets/wires/3-sposoba-besprovodnoj-peredaci-energii-tesla-kak-vsegda-byl-prav-lazery-mikrovolny-i-katuski-induktivnosti.html
- https://domikelectrica.ru/3-sposoba-peredachi-energii-bez-provodov/
- https://www.asutpp.ru/besprovodnaya-peredacha-elektrichestva.html
- https://geekometr.ru/statji/besprovodnoj-sposob-peredachi-elektroenergii.html
- https://mentamore.com/covremennye-texnologii/besprovodnoe-elektrichestvo.html
- [https://radioprog.ru/post/152]
[свернуть]
Стандартизованные умы
Великие мира сего понимают важность технологий и не хотят допускать смешения стандартов от разных производителей (как это было на заре компьютерной индустрии). Одним из первых Министерство внутренних дел и коммуникаций Японии решило принять стандарты беспроводной передачи энергии
Его варианты были предложены Toshiba, которая уже работает над разработкой, исследованием и стандартизацией стандартов беспроводного питания для бытовой техники. Инициативные группы надеются вывести готовую технологию на рынок в период с 2015 по 2020 годы. Стандартизация будет разделена на три этапа: первый предполагает разработку стандартов индуктивной связи: технология сможет загружать объекты на расстояние до несколько миллиметров на частоте в несколько сотен кГц, вторая стандартизирует метод индуктивной резонансной связи, разработанный в Массачусетском технологическом институте для зарядки объектов на расстоянии нескольких метров от источника… Третья фаза стандартизирует приемники для обеспечения высокой энергоэффективности и, на основе этого стандарта, производители самого разнообразного оборудования смогут разрабатывать новые устройства.
| Кто бы мог подумать, что такие обыденные вещи, как электрические зубные щетки, одними из первых получат беспроводное питание? | На рисунке показана реализация WiTricity: все приборы, включая настольную лампу, не имеют проводов. Разве это не сказка? |
