В 1891 Никола Тесла сконструировал резонансный трансфоpматоp (тpансфоpматоp Тесла), позволяющий получать высокочастотные колебания напряжения с амплитудой до миллиона вольт, и первым указал на физиологическое воздействие токов высокой частоты. Наблюдаемые во время грозы стоячие волны электрического поля привели Тесла к идее о возможности создания системы для обеспечения электроэнеpгией удаленных от генеpатоpа потребителей энергии без использования проводов. Изначально катушка Тесла использовалась с целью передачи энергии на большие расстояния без проводов, но вскоре эта идея отошла на последний план, так как передать таким образом энергию на расстояние практически невозможно, причиной этому является маленький КПД катушки Тесла.

Трансформатор Тесла, или катушка Тесла, - единственное из изобретений Николы Тесла, носящих его имя сегодня. Это классический резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение при высокой частоте. Это устройство использовалось ученым в нескольких размерах и вариациях для его экспериментов. Прибор был заявлен патентом № 568176 от 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».

Существует 3 вида катушек Тесла:

SGTC-spark gap Tesla coil - катушка Тесла на искровом промежутке.
VTTC-vacuum tube Tesla coil - катушка Тесла на радиолампе.
SSTC-solid state Tesla coil - катушка тесла на более сложных деталях.

Описание конструкции трансформатора. В элементарной форме состоит из двух катушек - первичной и вторичной, а также обвязки, состоящей из разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатора и терминала (на схеме показан как «выход»). В отличие от многих других трансформаторов, здесь нет никакого ферримагнитного сердечника. Таким образом, взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у обычных трансформаторов с ферримагнитным сердечником. У данного трансформатора также практически отсутствует магнитный гистерезис, явления задержки изменения магнитной индукции относительно изменения тока и другие недостатки, вносимые присутствием в поле трансформатора ферромагнетика. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент - разрядник (искровой промежуток). Разрядник, в простейшем случае, обыкновенный газовый; выполненный обычно из массивных электродов.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора выполняет ёмкостная связь между тороидом, оконечным устройством, витками самой катушки и другими электропроводящими элементами контура с Землей. Оконечное устройство (терминал) может быть выполнено в виде диска, заточенного штыря или сферы. Терминал предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины. Геометрия и взаимное положение частей трансформатора Тесла сильно влияют на его работоспособность, что аналогично проблематике проектирования любых высоковольтных и высокочастотных устройств.

Ещё одно интересное устройство - генератор Ван де Граафа. Это генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Первый генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 и позволял получать разность потенциалов до 80 киловольт. В 1931 и 1933 были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения до 7 миллионов вольт. Схема генератора Ван де Граафа:

Большой полый металлический электрод, имеющий вид полусферического купола, установлен на высоковольтной изолирующей колонне. В полость электрода заходит верхний конец ленточного транспортера электрических зарядов, представляющий собой бесконечный резиновый ремень на текстильной основе, натянутый на два металлических шкива и движущийся обычно со скоростью 20 - 40 м/сек. Нижний шкив, установленный на металлической плите, вращается электродвигателем. Верхний шкив размещается под высоковольтным электродом-куполом и находится под полным напряжением машины. Там же находится система питания источника ионов и сам источник. Нижний конец ленты проходит мимо электрода поддерживаемого обычным высоковольтным источником под высоким относительно земли напряжением до 100 кВ. В результате коронного разряда электроны с ленты переносятся на электрод. Положительный заряд поднимаемой транспортером ленты компенсируется вверху электронами купола, который получает положительный заряд. Максимально достижимый потенциал ограничивается изолирующими свойствами колонны и воздуха вокруг нее. Чем больше электрод, тем выше потенциал он может выдержать. Если установка герметически закрыта и внутреннее пространство наполнено сухим сжатым газом, размеры электрода для данного потенциала могут быть уменьшены. Заряженные частицы ускоряются в откачанной трубке, расположенной между высоковольтным электродом и «землей» или между электродами, если их два. С помощью генератора Ван-де-Граафа может быть получен очень высокий потенциал, что позволяет ускорять электроны, протоны и дейтроны до энергии 10 Мэв, а альфа-частицы, несущие двойной заряд до 20 Мэв. Энергию заряженных частиц на выходе генератора можно легко контролировать с большой точностью, что делает возможными точные измерения. Ток пучка протонов в постоянном режиме 50 мкА, а в импульсном режиме может быть доведен до 5 мА.

Открыл закон (после названный в честь открывателя законом Ампера), показывающий, что электрический ток производит магнитное поле.

• В 2007 году исследовательская группа под руководством профессора Марина Солячича из передала беспроводным способом на расстояние 2 м энергию мощностю, достаточной для свечения лампочки мощностью 60 ватт , с КПД , равным 40 % , с помощью двух катушек диаметром 60 см .
• В 2008 году фирма «Bombardier» предложила систему для беспроводной передачи энергии, названную «primove» и предназначенную для применения в трамваях и двигателях малотоннажной железной дороги .
• В 2008 году сотрудники фирмы Intel воспроизвели опыты Никола Тесла 1894 года и опыты группы Джона Брауна 1988 года по беспроводной передаче энергии для свечения ламп накаливания с КПД , равным 75 % .
• В 2009 году консорциум заинтересованных компаний, названный «Wireless Power Consortium», разработал стандарт беспроводного питания для малых токов, названный « » . Qi стал применяться в портативной технике.
• В 2009 году норвежская компания «Wireless Power & Communication» представила разработанный ею промышленный фонарь, способный безопасно работать и перезаряжаться бесконтактным способом в атмосфере, насыщенной огнеопасным газом.
• В 2009 году фирма «Haier Group» представила первый в мире полностью беспроводной LCD-телевизор, основанный на исследованиях профессора Марина Солячича по беспроводной передаче энергии и беспроводном домашнем цифровом интерфейсе (WHDI) .
• В 2011 году «Wireless Power Consortium» приступил к расширению спецификаций стандарта Qi для средних токов.
• В 2012 году начал работу частный петербургский музей «Гранд Макет Россия », в котором миниатюрные модели автомобилей получали электропитание беспроводным способом через модель дорожного полотна.
• В 2015 году учёные из Вашингтонского университета выяснили, что электричество можно передавать посредством технологии Wi-Fi .

Технологии

Ультразвуковой способ

Ультразвуковой способ передачи энергии изобретён студентами университета Пенсильвании и впервые широкой публике представлен на выставке «The All Things Digital» (D9) в 2011 году. Как и в других способах беспроводной передачи чего-либо, использовался приёмник и передатчик. Передатчик излучал ультразвук; приёмник, в свою очередь, преобразовывал слышимое в электричество. На момент презентации расстояние передачи достигало 7-10 метров , и была необходима прямая видимость приёмника и передатчика. Передаваемое напряжение достигало 8 вольт ; получаемая сила тока не сообщается. Используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Также нет сведений и об отрицательном воздействии ультразвуковых частот на животных.

Метод электромагнитной индукции

При беспроводной передаче энергии методом электромагнитной индукции используется ближнее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны. Энергия ближнего поля сама по себе не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Кроме того, как правило, имеют место и резистивные потери. Благодаря электродинамической индукции, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создаёт переменное магнитное поле, которое действует на вторичную обмотку, индуцируя в ней электрический ток. Для достижения высокой эффективности взаимодействие должно быть достаточно тесным. По мере удаления вторичной обмотки от первичной, всё большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. Даже на относительно небольших расстояниях индуктивная связь становится крайне неэффективной, расходуя большую часть передаваемой энергии впустую.

Электрический трансформатор является простейшим устройством для беспроводной передачи энергии. Первичная и вторичная обмотки трансформатора прямо не связаны. Передача энергии осуществляется посредством процесса, известного как взаимная индукция . Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения. Бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щёток являются примерами использования принципа электродинамической индукции. Индукционные плиты также используют этот метод. Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приёмник должен находиться в непосредственной близости к передатчику для того, чтобы эффективно с ним взаимодействовать.

Использование резонанса несколько увеличивает дальность передачи. При резонансной индукции передатчик и приёмник настроены на одну частоту. Производительность может быть улучшена ещё больше путём изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Импульсная передача энергии происходит в течение нескольких циклов. Таким образом, значительная мощность может быть передана между двумя взаимно настроенными LC-цепями с относительно невысоким коэффициентом связи. Передающая и приёмная катушки, как правило, представляют собой однослойные соленоиды или плоскую спираль с набором конденсаторов, которые позволяют настроить принимающий элемент на частоту передатчика.

Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка аккумуляторных батарей портативных устройств, таких, как портативные компьютеры и сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили. Техника локализованной зарядки использует выбор соответствующей передающей катушки в структуре массива многослойных обмоток. Резонанс используется как в панели беспроводной зарядки (передающем контуре), так и в модуле приёмника (встроенного в нагрузку) для обеспечения максимальной эффективности передачи энергии. Такая техника передачи подходит универсальным беспроводным зарядным панелям для подзарядки портативной электроники, такой, например, как мобильные телефоны. Техника принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi .

Резонансная электродинамическая индукция также используется для питания устройств, не имеющих аккумуляторных батарей, таких, как RFID-метки и бесконтактные смарт-карты, а также для передачи электрической энергии от первичного индуктора винтовому резонатору трансформатора Теслы, также являющемуся беспроводным передатчиком электрической энергии.

Электростатическая индукция

Лазерный метод

В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к видимой области спектра (от 10 мкм до 10 нм ), энергию можно передать путём её преобразования в луч лазера , который затем может быть направлен на фотоэлемент приёмника.

Лазерная передача энергии по сравнению с другими методами беспроводной передачи обладает рядом преимуществ:

• передача энергии на большие расстояния (за счёт малой величины угла расходимости между узкими пучками монохроматической световой волны);
• удобство применения для небольших изделий (благодаря небольшим размерам твердотельного лазера - фотоэлектрического полупроводникового диода);
• отсутствие радиочастотных помех для существующих средств связи, таких, как Wi-Fi и сотовые телефоны (лазер не создаёт таких помех);
• возможность контроля доступа (получить электроэнергию могут только приёмники, освещённые лазерным лучом).

У данного метода есть и ряд недостатков:

• преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, которым является свет, неэффективно. Преобразование света обратно в электричество также неэффективно, так как КПД фотоэлементов достигает 40-50 % , хотя эффективность преобразования монохроматического света значительно выше, чем эффективность солнечных панелей;
• потери в атмосфере;
• необходимость прямой видимости между передатчиком и приёмником (как и при микроволновой передаче).

Технология передачи мощности с помощью лазера ранее, в основном, исследовалась при разработке новых систем вооружений и в аэрокосмической промышленности, а в настоящее время разрабатывается для коммерческой и потребительской электроники в маломощных устройствах. Системы беспроводной передачи энергии с применением в потребительских целях должны удовлетворять требованиям лазерной безопасности стандарта IEC 60825. Для лучшего понимания лазерных систем следует принимать во внимание то, что распространение лазерного луча гораздо в меньшей степени зависит от дифракционных ограничений, как пространственное и спектральное согласование характеристик лазеров позволяют увеличить рабочую мощность и дистанцию, как длина волны влияет на фокусировку.

Драйденский лётно-исследовательский центр НАСА продемонстрировал полёт лёгкого беспилотного самолёта-модели, питаемого лазерным лучом. Это доказало возможность периодической подзарядки посредством лазерной системы без необходимости приземления летательного аппарата.

Переменный ток может передаваться через слои атмосферы, имеющие атмосферное давление менее 135 мм рт. ст . Ток протекает посредством электростатической индукции через нижние слои атмосферы примерно в 2-3 милях (3,2-4,8 километрах ) над уровнем моря и благодаря потоку ионов, то есть электрической проводимости через ионизированную область, расположенную на высоте выше 5 км . Интенсивные вертикальные пучки ультрафиолетового излучения могут быть использованы для ионизации атмосферных газов непосредственно над двумя возвышенными терминалами, приводя к образованию плазменных высоковольтных линий электропередач, ведущих прямо к проводящим слоям атмосферы. В результате между двумя возвышенными терминалами образуется поток электрического тока, проходящий до тропосферы, через неё и обратно на другой терминал. Электропроводность через слои атмосферы становится возможной благодаря ёмкостному плазменному разряду в ионизированной атмосфере .

Никола Тесла обнаружил, что электроэнергия может передаваться и через землю, и через атмосферу. В ходе своих исследований он добился возгорания лампы на умеренных расстояниях и зафиксировал передачу электроэнергии на больших дистанциях. Башня Ворденклиф задумывалась как коммерческий проект по трансатлантической беспроводной телефонии и стала реальной демонстрацией возможности беспроводной передачи электроэнергии в глобальном масштабе. Установка не была завершена из-за недостаточного финансирования .

Земля является естественным проводником и образует один проводящий контур. Обратный контур реализуется через верхние слои тропосферы и нижние слои стратосферы на высоте около 4,5 миль (7,2 км ) .

Глобальная система передачи электроэнергии без проводов, так называемая „Всемирная беспроводная система“, основанная на высокой электропроводности плазмы и высокой электропроводности земли, была предложена Николой Тесла в начале 1904 года и вполне могла стать причиной Тунгусского метеорита , возникшего в результате „короткого замыкания“ между заряженной атмосферой и землей .

Всемирная беспроводная система

Ранние эксперименты известного сербского изобретателя Никола Теслы касались распространения обычных радиоволн, то есть волн Герца, электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве.

В 1919 году Никола Тесла писал: «Считается, что я начал работу над беспроводной передачей в 1893 году, но на самом деле два предыдущих года я проводил исследования и конструировал аппаратуру. Для меня было ясно с самого начала, что успеха можно достичь благодаря ряду радикальных решений. Высокочастотные генераторы и электрические осцилляторы должны были быть созданы в первую очередь. Их энергию необходимо было преобразовать в эффективных передатчиках и принять на расстоянии надлежащими приёмниками. Такая система была бы эффективна в случае исключения любого постороннего вмешательства и обеспечения её полной исключительности. Со временем, однако, я осознал, что для эффективной работы устройств такого рода они должны разрабатываться с учётом физических свойств нашей планеты».

Одним из условий создания всемирной беспроводной системы является строительство резонансных приёмников. Заземлённый винтовой резонатор катушки Теслы и расположенный на возвышении терминал могут быть использованы в качестве таковых. Тесла лично неоднократно демонстрировал беспроводную передачу электрической энергии от передающей к приёмной катушке Теслы. Это стало частью его беспроводной системы передачи (патент США № 1119732 от 18 января 1902 года, «Аппарат для передачи электрической энергии»). Тесла предложил установить более тридцати приёмо-передающих станций по всему миру. В этой системе приёмная катушка действует как понижающий трансформатор с высоким выходным током. Параметры передающей катушки тождественны приёмной.

Целью мировой беспроводной системы Теслы являлось совмещение передачи энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которое бы позволило избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало бы объединению электрических генераторов в глобальном масштабе.

См. также

• WiTricity

Примечания

1. «Electricity at the Columbian Exposition», by John Patrick Barrett. 1894, pp. 168-169 (англ.)
2. Experiments with Alternating Currents of Very High Frequency and Their Application to Methods of Artificial Illumination, AIEE, Columbia College, N.Y., May 20, 1891 (англ.)
3. Experiments with Alternate Currents of High Potential and High Frequency, IEE Address, London, February 1892 (англ.)
4. On Light and Other High Frequency Phenomena, Franklin Institute, Philadelphia, February 1893 and National Electric Light Association, St. Louis, March 1893 (англ.)
5. The Work of Jagdish Chandra Bose: 100 years of mm-wave research (англ.)
6. Jagadish Chandra Bose (англ.)
7. Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony and Transmission of Power, pp. 26-29. (англ.)
8. June 5, 1899, Nikola Tesla Colorado Spring Notes  1899-1900, Nolit, 1978 (англ.)
9. Nikola Tesla: Guided Weapons & Computer Technology (англ.)
10. The Electrician (London), 1904 (англ.)
11. Scanning the Past: A History of Electrical Engineering from the Past, Hidetsugu Yagi
12. Тетельбаум С. И. О беспроводной передаче электроэнергии на большие расстояния с помощью радиоволн // Электричество. - 1945. - № 5 . - С. 43-46 .
13. Костенко А. А. Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития // Радиофизика и радиоастрономия. - 2000. - Т. 5 , № 3 . - С. 231 .
14. A survey of the elements of power Transmission by microwave beam, in 1961 IRE Int. Conf. Rec., vol.9, part 3, pp.93-105 (англ.)
15. IEEE Microwave Theory and Techniques, Bill Brown’s Distinguished Career (англ.)
16. Power from the Sun: Its Future, Science Vol. 162, pp. 957-961 (1968)
17. Solar Power Satellite patent (англ.)
18. History of RFID (англ.)
19. Space Solar Energy Initiative (англ.)
20. Wireless Power Transmission for Solar Power Satellite (SPS) (Second Draft by N. Shinohara), Space Solar Power Workshop, Georgia Institute of Technology (англ.)
21. W. C. Brown: The History of Power Transmission by Radio Waves: Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on September, 1984, v. 32 (9), pp. 1230-1242 (англ.)
22. Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances (англ.) . Science (7 June 2007). Проверено 6 сентября 2010. Архивировано 29 февраля 2012 года. ,
    Заработал новый способ беспроводной передачи электричества (рус.) . MEMBRANA.RU (8 июня 2007). Проверено 6 сентября 2010. Архивировано 29 февраля 2012 года.
23. Bombardier PRIMOVE Technology
24. Intel imagines wireless power for your laptop (англ.)
25. wireless electricity specification nearing completion
26. Global Qi Standard Powers Up Wireless Charging - HONG KONG, Sept. 2 /PRNewswire/
27. TX40 and CX40, Ex approved Torch and Charger (англ.)
28. Haier’s wireless HDTV lacks wires, svelte profile (video) (англ.) ,
    Беспроводное электричество поразило своих создателей (рус.) . MEMBRANA.RU (16 февраля 2010). Проверено 6 сентября 2010.

При своем появлении переменный электрический ток казался фантастикой. Его изобретатель, гениальный физик Никола Тесла, еще на рубеже XIX и XX столетий исследовал проблему беспроводной передачи электричества на большие расстояния. Пока что эта проблема решена не до конца, но полученные результаты обнадеживают.

Ультразвук для передачи энергии

Любая волна переносит энергию, в том числе и звуковые волны высокой частоты. Существует три подхода к беспроводной передаче электричества:

• передача электрической энергии через преобразование в другой вид энергии в источнике и обратное преобразование в электричество в приемном устройстве;
• создание и использование альтернативных проводников электричества (плазменных каналов, столбов ионизированного воздуха и т. д.);
• использование токопроводящих свойств литосферы Земли.

Метод применения ультразвука относится к первому подходу. В источнике ультразвука особого вида при подаче электропитания возникает направленный пучок звуковых волн высокой частоты. При их попадании на приемник энергия звуковых волн преобразуется в электрический ток.

Максимальное расстояние передачи электроэнергии без проводов составляет 10 метров. Результат получен в 2011 году представителями университета Пенсильвании во время презентации в рамках выставки «The All Things Digital». Этот метод не считается перспективным из-за нескольких его недостатков: низкий КПД, малое получаемое напряжение и ограничение на силу излучения ультразвука санитарными нормами.

Применение электромагнитной индукции

Хотя большинство людей даже и не подозревает об этом, этот метод используется уже очень давно, практически с самого начала использования переменного тока. Самый обычный трансформатор переменного тока является простейшим устройством беспроводной передачи электроэнергии, только расстояние передачи при этом очень маленькое.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора не соединены в одну цепь, а при протекании переменного тока в первичной обмотке возникает электроток во вторичной. Перенос энергии при этом происходит посредством электромагнитного поля. Поэтому этот метод беспроводной передачи электроэнергии использует преобразование энергии из одного вида в другой.

Уже разработаны и успешно используются в быту ряд приборов, работа которых основана на этом методе. Это и беспроводные зарядные устройства для мобильных телефонов и других гаджетов, и бытовые электроприборы с низким потреблением электроэнергии при работе (компактные камеры видеонаблюдения, всевозможные датчики и даже телевизоры с жидкокристаллическими экранами).

Многие специалисты утверждают, что электротранспорт будущего будет использовать беспроводные технологии зарядки аккумуляторов или получения электроэнергии для движения. В дороги будут вмонтированы индукционные катушки (аналоги первичной обмотки трансформатора). Они будут создавать переменное электромагнитное поле, которое при проезде транспорта над ним вызовет течение электротока во встроенной приемной катушке. Первые эксперименты уже проведены и полученные результаты вызывают сдержанный оптимизм.

Из достоинств такого способа можно отметить:

• высокий КПД для небольших расстояний (порядка нескольких метров);
• простота конструкции и освоенная технология применения;
• относительная безопасность для здоровья людей.

Недостаток метода - малое расстояние, на котором передача энергии эффективна - существенно снижает область применения беспроводного электричества на основе электромагнитной индукции.

Использование различных микроволн

Этот метод также основан на преобразовании разных видов энергии. В роли переносчика энергии служат электромагнитные волны сверхвысокой частоты. Впервые этот метод описал и практически реализовал в своей установке японский физик и радиотехник Хидэцугу Яги в двадцатых годах прошлого века. Частота радиоволн для передачи электроэнергии без проводов находится в диапазоне от 2,4 до 5,8 ГГц. Уже протестирована и получила положительные отзывы экспериментальная установка, которая одновременно раздает Wi-Fi и запитывает слабомощные бытовые электроприборы.

Лазерный луч также является электромагнитным излучением, но с особым свойством - когерентностью. Оно уменьшает потери энергии при передаче и тем самым повышает КПД. Из достоинств можно отметить следующие:

• возможность передачи на большие расстояния (десятки километров в атмосфере Земли);
• удобство и простота установки для маломощных приборов;
• наличие визуального контроля процесса передачи - лазерный луч виден невооруженным глазом.

Лазерный метод имеет и недостатки, а именно: сравнительно низкий КПД (45−50%), потери энергии из-за атмосферных явлений (дождь, туман, пылевые тучи) и необходимость нахождения передатчика и приемника в поле видимости.

Интенсивность солнечного света за пределами земной атмосферы в несколько десятков раз выше, чем на поверхности Земли. Поэтому в перспективе, как считают футурологи, солнечные электростанции будут располагаться на околоземной орбите. А передача накопленной электроэнергии, по их мнению, будет производиться без токоведущих проводов. Будет разработан и применен способ передачи, копирующий разряды молний, тем или иным способом планируется производить ионизацию воздуха. И первые опыты в этом направлении уже проведены. Этот метод основан на создании альтернативных беспроводных проводников электротока.

Полученное таким способом с околоземной орбиты беспроводное электричество носит импульсивный характер. Поэтому для его практического применения нужны мощные и недорогие конденсаторы, а также необходимо будет разработать способ их постепенной разрядки.

Наиболее эффективный метод

Планета Земля является огромным конденсатором. Литосфера, в основном, проводит электричество за исключением небольших ее участков. Существует теория, что беспроводная передача энергии может осуществляться через земную кору. Суть такова: источник тока надежно контактирует с поверхностью земли, переменный ток определенной частоты перетекает с источника в кору и распространяется во всех направлениях, через определенные промежутки в земле размещаются приемники электротока, с которых он передается потребителям.

Суть теории в том, чтобы принимать и использовать ток только одной заданной частоты. Как в радиоприемнике настраивается частота приема радиоволн, так и в таких электроприемниках будет регулироваться частота принимаемого тока. Теоретически таким методом возможно будет передавать электроэнергию на очень большие расстояния, если частота переменного тока будет низкой, порядка нескольких Гц.

Перспективы беспроводной передачи электричества

В близкой перспективе ожидается массовое внедрение в быт системы PoWiFi, состоящей из роутеров с функцией передачи электроэнергии на несколько десятков метров, и бытовых приборов, питание которых осуществляется за счет приема электричества из радиоволн. Такая система в данный момент активно тестируется и готовится к широкому использованию. Детали не разглашаются, но по имеющейся информации «изюминка» заключается в том, что используется синхронизация электромагнитных полей источника и приемника беспроводного электричества.

В очень отдаленной перспективе рассматривается вариант отказа от использования традиционных электростанций в глобальном масштабе - будут использоваться солнечные станции на околоземной орбите , преобразующие энергию солнечного света в электрическую. На поверхность планеты электричество предположительно передаваться будет через ионизированный воздух или плазменные каналы. А на самой земной поверхности исчезнут обычные линии электропередачи, их место займут более компактные и эффективные системы передачи электричества через литосферу.

По сути, в 1970-е им были технически реализованы мечты НАТО и США о постоянном воздушном патрулировании Ирака (Ливии, Сирии и т.д.) дронами с камерами, охотящиеся (или фиксирующие) "террористов" в режиме on-line 24 часа.

В 1968 году американский специалист в области космических исследований Питер Е. Глэйзер (Peter E. Glaser) предложил размещать крупные панели солнечных батарей на геостационарной орбите, а вырабатываемую ими энергию (уровня 5-10 ГВт) передавать на поверхность Земли хорошо сфокусированным пучком СВЧ-излучения, преобразовывать её затем в энергию постоянного или переменного тока технической частоты и раздавать потребителям.

Такая схема позволяла использовать интенсивный поток солнечного излучения, существующий на геостационарной орбите (~ 1,4 кВт/кв.м.), и передавать полученную энергию на поверхность Земли непрерывно, вне зависимости от времени суток и погодных условий. За счёт естественного наклона экваториальной плоскости к плоскости эклиптики с углом 23,5 град., спутник, расположенный на геостационарной орбите, освещён потоком солнечной радиации практически непрерывно за исключением небольших отрезков времени вблизи дней весеннего и осеннего равноденствия, когда этот спутник попадает в тень Земли. Эти промежутки времени могут точно предсказываться, а в сумме они не превышают 1% от общей продолжительности года.

Частота электромагнитных колебаний СВЧ-пучка должна соответствовать тем диапазонам, которые выделены для использования в промышленности, научных исследованиях и медицине. Если эта частота выбрана равной 2,45 ГГц, то метеорологические условия, включая густую облачность и интенсивные осадки, практически не влияют на КПД передачи энергии. Диапазон 5,8 ГГц заманчив, поскольку дает возможность уменьшить размеры передающей и приемной антенн. Однако влияние метеорологических условий здесь уже требует дополнительного изучения.

Современный уровень развития СВЧ-электроники позволяет говорить о довольно высоком значении КПД передачи энергии СВЧ пучком с геостационарной орбиты на поверхность Земли - порядка 70%÷75%. При этом диаметр передающей антенны обычно бывает выбран равным 1 км, а наземная ректенна имеет размеры 10 км х 13 км для широты местности 35 град. СКЭС с уровнем выходной мощности 5 ГВт имеет плотность излучаемой мощности в центре передающей антенны 23 кВт/м², в центре приемной – 230 Вт/м².

Были исследованы различные типы твёрдотельных и вакуумных СВЧ-генераторов для передающей антенны СКЭС. Вильям Браун показал, в частности, что хорошо освоенные промышленностью магнетроны, предназначенные для СВЧ-печей, могут быть использованы также и в передающих антенных решётках СКЭС, если каждый из них снабдить собственной цепью отрицательной обратной связи по фазе по отношению к внешнему синхронизирующему сигналу (так называемый Magnetron Directional Amplifier - MDA).

Наиболее активно и планомерно исследования в области СКЭС проводила Япония. В 1981 году под руководством профессоров М.Нагатомо (Makoto Nagatomo) и С.Сасаки (Susumu Sasaki) в Институте космических исследований Японии были начаты исследования по разработке прототипа СКЭС с уровнем мощности 10 МВт, который мог бы быть создан с использованием существующих ракетоносителей. Создание такого прототипа позволяет накопить технологический опыт и подготовить основу для формирования коммерческих систем.

Проект был назван СКЭС2000 (SPS2000) и получил признание во многих странах мира.

В 2008 доцент кафедры физики Массачусетского Технологического Института (МИТ) Марин Солджачич (Marin Soljačić) был пробуждён от сладкого сна настойчивым пиканьем мобильного телефона. «Телефон не умолкал, требуя, чтобы я поставил его заряжаться», - рассказывал Солджачич. Уставший и не собиравшийся вставать, он стал мечтать о том, чтобы телефон, оказавшись дома, начинал заряжаться сам по себе.

В 2012-2015 гг. инженеры Вашингтонского университета разработали технологию, позволяющую использовать Wi-Fi в качестве источника энергии для питания портативных устройств и зарядки гаджетов. Технология уже признана журналом Popular Science как одна из лучших инноваций 2015 года. Повсеместное распространение технологии беспроводной передачи данных само по себе произвело настоящую революцию. И вот теперь настала очередь беспроводной передачи энергии по воздуху, которую разработчики из Вашингтонского университета назвали (от Power Over WiFi).

На стадии тестирования исследователи сумели успешно заряжать литий-ионные и никель-металл-гидридные аккумуляторы небольшой емкости. Используя роутер Asus RT-AC68U и несколько сенсоров, расположенных на расстоянии 8,5 метров от него. Эти сенсоры как раз и преобразуют энергию электромагнитной волны в постоянный ток напряжением от 1,8 до 2,4 вольта, необходимых для питания микроконтроллеров и сенсорных систем. Особенность технологии в том, что качество рабочего сигнала при этом не ухудшается. Достаточно лишь перепрошить роутер, и можно будет пользоваться им как обычно, плюс подавать питание к маломощным устройствам. На одной из демонстраций была успешно запитана небольшая камера скрытого наблюдения с низким разрешением, расположенная на расстоянии более 5 метров от роутера. Затем на 41% был заряжен фитнес-трекер Jawbone Up24, на это ушло 2,5 часа.

На каверзные вопросы о том, почему эти процессы не сказываются негативно на качестве работы сетевого канала связи, разработчики ответили, что это становится возможным благодаря тому, что перепрошитый роутер во время своей работы по незанятым передачей информации каналам рассылает пакеты энергии. К этому решению пришли, когда обнаружили, что в периоды молчания энергия попросту утекает из системы, а ведь ее можно направить для питания маломощных устройств.

Во время исследований систему PoWiFi разместили в шести домах, и предложили жильцам пользоваться интернетом как обычно. Загружать веб-страницы, смотреть потоковое видео, а потом рассказать, что изменилось. В результате оказалось, что производительность сети не изменилась никак. То есть интернет работал как обычно, и присутствие добавленной опции не было заметным. И это были лишь первые тесты, когда по Wi-Fi собиралось относительно небольшое количество энергии.

В перспективе технология PoWiFi вполне сможет послужить для питания датчиков, встроенных в бытовую технику и военную технику, чтобы управлять ими беспроводным способом и осуществлять дистанционную зарядку/подзарядку.

Актуальным является передача энергии для БПЛА (вероятнее всего, уже по технологии или от самолёта носителя):

Идея выглядит достаточно заманчиво. Вместо сегодняшних 20-30 минут полётного времени:
→
→

Поясню:
-обмен м/у дронами всё равно необходим (алгоритм роя);
-обмен м/у дронами и ЛА (маткой) также необходим (ЦУ, коррекция БЗ, перенацеливание, команда на ликвидацию, предотвращающая "дружественный огонь", передача развединформации и команд на применение ).

Кто следующий на очереди?

Прим: Типичная WiMAX базовая станция излучает мощность на уровне приблизительно +43 дБм (20 Вт), а станция мобильной связи обычно передает на +23 дБм (200 мВт).

Допустимые уровни излучения базовых станций мобильной связи (900 и 1800 МГц, суммарный уровень от всех источников) в санитарно-селитебной зоне в некоторых странах заметно различаются:
Украина: 2,5 мкВт/см². (самая жесткая санитарная норма в Европе)
Россия, Венгрия: 10 мкВт/см².
Москва: 2,0 мкВт/см². (норма существовала до конца 2009 года)
США, Скандинавские страны: 100 мкВт/см².

Временно допустимый уровень (ВДУ) от мобильных радиотелефонов (МРТ) для пользователей радиотелефонов в РФ определён 10 мкВт/см² (Раздел IV - Гигиенические требования к подвижным станциям сухопутной радиосвязи СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03 ).

В США Сертификат выдается Федеральной комиссией по связи (FCC) на сотовые аппараты, максимальный уровень SAR которых не превышает 1,6 Вт/кг (причем поглощенная мощность излучения приводится к 1 грамму ткани органов человека).

В Европе, согласно международной директиве Комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP), значение SAR мобильного телефона не должно превышать 2 Вт/кг (при этом поглощенная мощность излучения приводится к 10 граммам ткани органов человека).

Сравнительно недавно в Великобритании безопасным уровнем SAR считался уровень равный 10 Вт/кг. Такая же примерно картина наблюдалась и в других странах. Принятую в стандарте максимальную величину SAR (1,6 Вт/кг) даже нельзя с уверенностью отнести к «жестким» или к «мягким» нормам. Принятые и в США, и в Европе стандарты определения величины SAR (все нормирование микроволнового излучения от сотовых телефонов, о котором идет речь, базируется только на термическом эффекте, то есть связанном с нагреванием тканей органов человека).

ПОЛНЫЙ ХАОС.

Медицина до сих пор пока не дала внятного ответа на вопрос: вреден ли мобильный/WiFi и насколько? А как будет с беспроводной передачей электроэнергии СВЧ технологиями?

Тут мощности не ватты и мили ватты, а уже кВт...

Ссылки, использованные документы, фото и видео:
«(ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ!» N 12, 2007 (ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ ИЗ КОСМОСА- СОЛНЕЧНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ, В. А. Банке)
«СВЧ-электроника -перспективы в космической энергетике» В.Банке, д.ф.-м.н.
www.nasa.gov
www. whdi.org
www.defense.gov
www.witricity.com
www.ru .pinterest .com
www. raytheon.com
www. ausairpower.net
www. wikipedia.org
www.slideshare.net
www.homes.cs.washington.edu
www.dailywireless.org
www.digimedia.ru
www. powercoup.by
www.researchgate.net
www. proelectro.info
www.youtube.com

Когда компания Apple представила свое первое беспроводное зарядное устройство для сотовых телефонов и гаджетов, многие посчитали это революцией и огромным скачком вперед в беспроводных способах передачи энергии.

Но были ли они первопроходцами или еще до них, кому-то удавалось проделать нечто похожее, правда без должного маркетинга и пиара? Оказывается были, притом очень давно и изобретателей таких было множество.

Так еще в далеком 1893г прославленный Никола Тесла, продемонстрировал изумленной публике свечение люминесцентных ламп. При том, что все они были без проводов.

Сейчас такой фокус может повторить любой школьник, выйдя в чистое поле и встав с лампой дневного света под линию высокого напряжения от 220кв и выше.

Чуть попозже, Тесла уже сумел зажечь таким же беспроводным способом фосфорную лампочку накаливания.

В России в 1895г А.Попов показал в работе первый в мире радиоприемник. А ведь по большому счету это тоже является беспроводной передачей энергии.

Самый главный вопрос и одновременно проблема всей технологии беспроводных зарядок и подобных методов заключается в двух моментах:

• как далеко можно передать электроэнергию таким способом

• и какое количество

Для начала давайте разберемся, какую мощность имеют приборы и бытовая техника нас окружающие. Например для телефона, смартчасов или планшета требуется максимум 10-12Вт.

У ноутбука запросы уже побольше - 60-80Вт. Это можно сравнить со средней лампочкой накаливания. А вот бытовая техника, особенно кухонная, кушает уже несколько тысяч ватт.

Поэтому очень важно не экономить с количеством розеток на кухне.

Так какие же методы и способы для передачи эл.энергии без применения кабелей или любых других проводников, придумало человечество за все эти годы. И самое главное, почему они до сих пор не внедрены столь активно в нашу жизнь, как того хотелось бы.

Взять ту же самую кухонную технику. Давайте разбираться подробнее.

Передача энергии через катушки

Самый легко реализуемый способ - использование катушек индуктивности.

Здесь принцип очень простой. Берутся 2 катушки и размещаются недалеко друг от друга. На одну из них подается питание. Другая играет роль приемника.

Когда в источнике питания регулируется или изменяется сила тока, на второй катушке магнитный поток автоматически также изменяется. Как гласят законы физики, при этом будет возникать ЭДС и она будет напрямую зависеть от скорости изменения этого потока.

Казалось бы все просто. Но недостатки портят всю радужную картинку. Минусов три:

• маленькая мощность

Данным способом вы не передадите большие объемы и не сможете подключить мощные приборы. А попытаетесь это сделать, то просто поплавите все обмотки.

• небольшое расстояние

Даже не задумывайтесь здесь о передаче электричества на десятки или сотни метров. Такой способ имеет ограниченное действие.

Чтобы физически понять, насколько все плохо, возьмите два магнита и прикиньте, как далеко их нужно развести, чтобы они перестали притягиваться или отталкиваться друг от друга. Вот примерно такая же эффективность и у катушек.

Можно конечно исхитриться и добиться того, чтобы эти два элемента всегда были близко друг от друга. Например электромобиль и специальная подзаряжающая дорога.

Но в какие суммы выльется строительство таких магистралей.

• малый КПД

Еще одна проблема это низкий КПД. Он не превышает 40%. Получается, что таким способом передать много эл.энергии на большие расстояния вы не сможете.

Тот же Н.Тесла указал на это еще в 1899г. Позже он перешел на эксперименты с атмосферным электричеством, рассчитывая в нем найти разгадку и решение проблемы.

Однако какими бы не казались бесполезными все эти штуки, с их помощью до сих пор можно устраивать красивые светомузыкальные представления.

Или подзаряжать технику гораздо большую чем телефоны. Например электрические велосипеды.

Лазерная передача энергии

Но как же передать больше энергии на большее расстояние? Задумайтесь, в каких фильмах подобную технологию мы видим очень часто.

Первое что приходит на ум даже школьнику - это "Звездные войны", лазеры и световые мечи.

Безусловно, с их помощью можно передать большое количество эл.энергии на очень приличные расстояния. Но опять все портит маленькая проблемка.

К нашему счастью, но несчастью для лазера, на Земле есть атмосфера. А она как раз таки хорошо глушит и кушает большую часть всей энергии лазерного излучения. Поэтому с данной технологией нужно идти в космос.

На Земле также были попытки и эксперименты по проверке работоспособности метода. Nasa даже устраивали состязания по лазерной беспроводной передаче энергии с призовым фондом чуть менее 1млн.$.

В итоге выиграла компания Laser Motive. Их победный результат - 1км и 0,5квт переданной непрерывной мощности. Правда при этом в процессе передачи, ученые потеряли 90% всей изначальной энергии.

Но все равно, даже с КПД в десять процентов, результат посчитали успешным.

Напомним, что у простой лампочки полезной энергии, которая идет непосредственно на свет, и того меньше. Поэтому из них и выгодно изготавливать инфракрасные обогреватели.

Микроволны

Неужели нет другого реально работающего способа передать электричество без проводов. Есть, и его изобрели еще до попыток и детских игр в звездные войны.

Оказывается, что специальные микроволны с длиной в 12см (частота 2,45Ггц), являются как бы прозрачными для атмосферы и она им не мешает в распространении.

Какой бы ни была плохой погода, при передаче с помощью микроволн, вы потеряете всего пять процентов! Но для этого вы сначала должны преобразовать электрический ток в микроволны, затем их поймать и опять вернуть в первоначальное состояние.

Первую проблему ученые решили очень давно. Они изобрели для этого специальное устройство и назвали его магнетрон.

Причем это было сделано настолько профессионально и безопасно, что сегодня каждый из вас у себя дома имеет такой аппарат. Зайдите на кухню и обратите внимание на свою микроволновку.

У нее внутри стоит тот самый магнетрон с КПД равным 95%.

Но вот как сделать обратное преобразование? И тут было выработано два подхода:

• Американский

• Советский

В США еще в шестидесятых годах ученый У.Браун придумал антенну, которая и выполняла требуемую задачу. То есть преобразовывала падающее на него излучение, обратно в электрический ток.

Он даже дал ей свое название - ректенна.

После изобретения последовали опыты. И в 1975г при помощи ректенны, было передано и принято целых 30 квт мощности на расстоянии более одного километра. Потери при передаче составили всего 18%.

Спустя почти полвека, этот опыт до сих так никто и не смог превзойти. Казалось бы метод найден, так почему же эти ректенны не запустили в массы?

И тут опять всплывают недостатки. Ректенны были собраны на основе миниатюрных полупроводников. Нормальная работа для них - это передача всего нескольких ватт мощности.

А если вы захотите передать десятки или сотни квт, то готовьтесь собирать гигантские панели.

И вот тут как раз таки появляются не разрешимые сложности. Во-первых, это переизлучение.

Мало того, что вы потеряете из-за него часть энергии, так еще и приблизиться к панелям без потери своего здоровья не сможете.

Вторая головная боль - нестабильность полупроводников в панелях. Достаточно из-за малой перегрузки перегореть одному, и остальные выходят из строя лавинообразно, подобно спичкам.

В СССР все было несколько иначе. Не зря наши военные были уверены, что даже при ядерном взрыве, вся зарубежная техника сразу выйдет из строя, а советская нет. Весь секрет тут в лампах.

В МГУ два наших ученых В.Савин и В.Ванке, сконструировали так называемый циклотронный преобразователь энергии. Он имеет приличные размеры, так как собран на основе ламповой технологии.

Внешне это что-то вроде трубки длиной 40см и диаметром 15см. КПД у этого лампового агрегата чуть меньше, чем у американской полупроводниковой штуки - до 85%.

Но в отличие от полупроводниковых детекторов, циклотронный преобразователь энергии имеет ряд существенных достоинств:

• надежность

• большая мощность

• стойкость к перегрузкам

• отсутствие переизлучения

• невысокая цена изготовления

Однако несмотря на все вышесказанное, во всем мире передовым считаются именно полупроводниковые методы реализации проектов. Здесь тоже присутствует свой элемент моды.

После первого появления полупроводников, все резко начали отказываться от ламповых технологий. Но практические испытания говорят о том, что это зачастую неправильный подход.

Конечно, ламповые сотовые телефоны по 20кг или компьютеры, занимающие целые комнаты никому не интересны.

Но иногда только проверенные старые методы, могут нас выручить в безвыходных ситуациях.

В итоге на сегодняшний день, мы имеем три возможности передать энергию без проводов. Самый первый из рассмотренных ограничен как расстоянием, так и мощностью.

Но этого вполне хватит, чтобы зарядить батарейку смартфона, планшета или чего-то побольше. КПД хоть и маленький, но метод все же рабочий.

Первый из них начинался очень обнадеживающе. В 2000-х годах на о.Реюньон, возникла потребность в постоянной передаче 10кВт мощности на расстояние в 1км.

Горный рельеф и местная растительность, не позволяли проложить там ни воздушные линии электропередач, ни кабельные.

Все перемещения на острове в эту точку осуществлялось исключительно на вертолетах.

Для решения проблемы в одну команду были собраны лучшие умы из разных стран. В том числе и ранее упоминавшиеся в статье, наши ученые из МГУ В.Ванке и В.Савин.

Однако в момент, когда должны были приступать к практической реализации и строительству передатчиков и приемников энергии, проект заморозили и остановили. А с началом кризиса в 2008 году и вовсе забросили.

На самом деле это очень обидно, так как теоретическая работа там была проделана колоссальная и достойная реализации.

Второй проект, выглядит более безумным чем первый. Однако на него выделяются реальные средства. Сама идея была высказана еще в 1968г физиком из США П.Глэйзером.

Он предложил на тот момент не совсем нормальную идею - вывести на геостационарную орбиту в 36000 км над землей огромный спутник. На нем расположить солнечные панели, которые будут собирать бесплатную энергию солнца.

Затем все это должно преобразовываться в пучок СВЧ волн и передаваться на землю.

Этакая "звезда смерти" в наших земных реалиях.

На земле пучок нужно поймать гигантскими антеннами и преобразовать в электричество.

Насколько огромны должны быть эти антенны? Представьте, что если спутник будет в диаметре 1км, то на земле приемник должен быть в 5 раз больше - 5км (размер Садового кольца).

Но размеры это всего лишь малая часть проблем. После всех расчетов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы электричество мощностью в 5ГВт. При достижении земли оставалось бы всего 2ГВт. К примеру Красноярская ГЭС дает 6ГВт.

Поэтому его идею рассмотрели, посчитали и отложили в сторонку, так как все изначально упиралось в цену. Стоимость космического проекта в те времена вылезла за 1трлн.$.

Но наука к счастью не стоит на месте. Технологии совершенствуются и дешевеют. Сейчас разработку такой солнечной космической станции уже ведут несколько стран. Хотя в начале двадцатого века для беспроводной передачи электроэнергии хватало всего одного гениального человека.

Общая цена проекта упала от изначальной до 25млрд.$. Остается вопрос - увидим ли мы в ближайшее время его реализацию?

К сожалению никто вам четкого ответа не даст. Ставки делают только на вторую половину нынешнего столетия. Поэтому пока давайте довольствоваться беспроводными зарядками для смартфонов и надеяться что ученым удастся повысить их КПД. Ну или в конце концов на Земле родится второй Никола Тесла.