Войти
Индуктивная зарядная панель для смартфона в качестве примера беспроводной передачи в ближнем поле. Когда телефон установлен на планшете, катушка в планшете создает магнитное поле, которое индуцирует ток в другую катушке телефона, заряжает его аккумулятор. Беспроводная передача энергии (WPT ), беспроводная передача энергии, беспроводная передача энергии (WET ) или как электромагнитная передача энергии - это передача электрическая энергия без проводов в физическом канале. В системе беспроводной передачи энергии передающее устройство, приводящее в действие электроэнергией от источника, генерирует изменяющееся во времени электромагнитное поле, которое передает энергию в пространстве на приемное устройство, которое извлекает мощность из поля и подает ее на электрическую нагрузку. Технология беспроводной передачи энергии позволяет отказаться от использования проводов и батарей, тем самым повышая мобильность, удобство и безопасность электронного устройства для всех пользователей. Беспроводная передача энергии полезна для питания электрических устройств, где соединительные провода неудобны, опасны или невозможны.
Методы беспроводного питания в основном делятся на две категории: ближнее поле и дальнее поле. В ближнем поле или безызлучательных методов передается на короткие расстояния с помощью магнитных полей с использованием индуктивной связи между витками провода, или электрическими полями с использованием емкостной связи между металлическими электродами. Индуктивная связь - наиболее широко используемая беспроводная технология; Его приложения включают зарядку портативных устройств, таких как телефоны и электрические зубные щетки, RFID метки, индукционное приготовление пищи, а также беспроводную зарядку или непрерывную беспроводную передачу энергии в имплантируемых медицинских устройств, таких как искусственные кардиостимуляторы или электромобили.
В дальнем поле или радиационных методов, также называемых энергетическим излучением, мощность передается пучками электромагнитного излучения, например, микроволны или лазерные лучи. Эти методы могут быть переданы на большие расстояния, но должны быть нацелены на приемник. Предлагаемые области применения для этого типа: спутники на солнечной энергии и беспилотные летательные аппараты с беспроводным питанием .
Важная проблема, со всеми беспроводными системами электроснабжения, является ограничение воздействия на людей и другие живые существа воздействия опасного электромагнитные поля.
Общая блок-схема беспроводной системы питания Беспроводная связь передача энергии - это общий термин для ряда различных технологий передачи энергии с С помощью электромагнитных полей. Технологии, перечисленные в таблице ниже, различаются расстояниями, которые они направляют также направлен на приемник, а типом используемой электромагнитной энергии: изменение во времени электрическое поле, магнитные поля, радиоволны, микроволны, инфракрасные или видимые световые волны в целом Беспроводная система электропитания состоит из "передающего" Устройство, подключенное к источнику энергии, такое как линия электропитания, которое преобразует мощность в изменяющееся во времени электромагнитное поле, и одного или нескольких "приемных" устройств, которые обеспечивают мощность и преобразуют ее обратно в электрический ток постоянного или переменного тока, который используется электрической нагрузкой. В передатчике входная мощность преобразуется в колеблющееся электромагнитное поле с помощью какого-либо типа устройства «антенна ». Слово «антенна» здесь используется свободно; это может быть катушка с проволокой, которая генерирует магнитное поле, металлическая пластина, которая генерирует электрическое поле, антенна, которая излучает радиоволны, или лазер, излучающий свет. Аналогичная антенна или соединительное устройство в приемнике преобразует колеблющиеся поля в электрический ток. Важным параметром, определяющим тип волн, является частота, которая определяет длину волны.
Беспроводная энергия использует те же поля и волны, что и устройство беспроводной связи, такое как радио, еще одна известная технология, в которой электрическая энергия передается без проводов с С помощью электромагнитных полей, используемых в сотовые телефоны, радио и телевещание и WiFi. В радиосвязи цель является передачей информации, поэтому величина мощности, обеспечивающая передачу информации, не так важна, если ее достаточно для понятного приема информации. Технологиях беспроводной связи на приемник поступает лишь небольшое количество энергии. Напротив, при передаче передаваемой энергии количество полученной энергии является важной, поэтому эффективность . По этой причине беспроводные технологии энергоснабжения, вероятно, будут более ограничены расстояний, чем технологии беспроводной связи.
Беспроводная передача энергии загорать для включения беспроводных передатчиков или приемников информации. Этот тип связи известен как беспроводная связь с питанием от сети (WPC). Когда собранная энергия используется для питания беспроводных передатчиков информации, сеть называется совместной беспроводной передачей информации и мощности (SWIPT); тогда как он используется для питания беспроводных приемников информации, он известен как сеть беспроводной связи (WPCN).
Различные технологии беспроводного питания:
| Технология | Диапазон | Направленность | Частота | Антенные устройства | Текущие и / или возможные будущие применения |
|---|---|---|---|---|---|
| Индуктивная связь | Короткая | Низкая | Гц - МГц | Катушки с проволокой | Зарядка аккумуляторных батарей электрической зубной щетки и бритвы, индукционные плиты и промышленные обогреватели. |
| Резонансная индуктивная связь | Средняя- | Низкая | кГц - ГГц | Настроенные проволочные элементы катушки, резонаторы с сосредоточенными | Зарядка портативные устройства (Qi ), биомедицинские имплантаты, электромобили, автобусы, поезда, MAGLEV, RFID, смарт-карты. |
| Емкостная связь | Short | Низкий | кГц - МГц | Металлические пластинчатые электроды | Зарядка портативных устройств, маршрутизация питания в интегральных схемах, смарт-карты, биомедицинские имплантаты. |
| Магнитодинамическая муфта | Короткая | NA | Hz | Вращающиеся магниты | Зарядка электромобилей, биомедицинские имплантаты. |
| Микроволны | Длинные | Высокая | ГГц | Параболические антенны, фазированные решетки, ректенны | Спутник на солнечной энергии, питание дронов, зарядка беспроводных устройств |
| Световые волны | Длинные | Высокие | ≥THz | Лазеры, фотоэлементы, линзы | Зарядка портативных устройств, питание дрона плот, питающий космических лифтов. |
Электрические и магнитные поля блок заряженными части в таком веществе, как электроны. Постоянный заряд <создаёт электростатическое поле в космосе вокруг себя. Постоянный ток зарядов (постоянный ток, DC) вокруг себя статическое магнитное поле. Вышеуказанные поля содержат энергию, но не могут нести мощность, потому что они статичны. Однако изменяющиеся во времени поля могут нести энергию. Ускоряющие электрические заряды, такие как (переменный ток) (переменного тока) электронов в проводе, изменяющиеся во времени и магнитные поля в пространстве вокруг них. Эти поля могут воздействовать на электроны в приемной «антенне» осциллирующими силами, заставляя их двигаться вперед и назад. Они представляют собой переменный ток, который можно использовать для питания нагрузки.
Осциллирующие электрические и магнитные поля, окружающие движущиеся электрические заряды в антенном устройстве, можно разделить на две области, в зависимости от расстояния Drangeот антенны. Граница между регионами определена несколько нечетко. Поля имеют разные характеристики в этих областях, и для передачи энергии используются разные технологии:
При большом относительном расстоянии электрического и магнитного полей в ближней зоне являются квазистатическими осциллирующими дипольными полями. Эти поля увеличиваются пропорционально кубу расстояния: (D диапазон /Dant ) пропорциональна мощности квадрату напряженности поля, изменяемая мощность уменьшается как (D диапазон /Dмуравей ). или 60 дБ на декаду. Другими словами, если они находятся друг от друга, удвоение между двумя антеннами приводит к уменьшению принимаемой мощности в 2 = 64 раза. В результате индуктивная и емкостная связь может быть только для короткого замыкания. диапазон передачи мощности, в несколько превышающий диаметр антенного устройства Dant. В отличие от радиационной системы, где максимальное увеличение происходит, когда дипольные антенны направлены поперек направления распространения, с дипольными полями максимальной связи возникает, когда диполи ориентированы продольно.
Общая блок-схема индуктивной системы питания 
(слева) Современная индуктивная передача энергии, зарядное устройство для электрических зубных щеток. Катушка в подставке магнитное поле, вызывается в катушке зубной щетки переменный ток, который выпрямляется для зарядки аккумуляторов.. (справа) Лампочка с беспроводным индукционным питанием в 1910 году. В индуктивная связь (электромагнитная индукция или индуктивная передача энергии, IPT), мощность передается между витками провода с помощью магнитного поля. Катушки передатчика и приемника вместе образуют трансформатор (см. Схему). Переменный ток (AC) через катушку передатчика (L1) создаёт колеблющееся магнитное поле (B) по закону Ампера. Магнитное поле проходит через приемную катушку (L2), где оно индуцирует переменную ЭДС (напряжение ) по закону индукции Фарадея, которая создает переменный ток. в приемнике. Индуцированный переменный ток может либо напрямую управлять нагрузкой, либо быть выпрямленным в постоянным током (DC) с помощью выпрямителя в приемнике, который управляет нагрузкой. Некоторые системы, такие как подставки для зарядки электрических зубных щеток, работают с настройкой 50/60 Гц, поэтому переменный сетевой ток непосредственно на катушку передатчика, но в большинстве систем электронный генератор генерирует более высокочастотный переменный ток, который приводит в движение движение катушку, потому что эта эффективность используется в коммерческих продуктах .
. Он используется в индуктивной зарядке. обозначает беспроводные приборы, используемые во влажных средах, такие как электрические зубные щетки и бритвы, чтобы снизить риск поражения электрическим током. Другой областью применения является «чрескожная» подзарядка биомедицинских протезов , имплантированных в человеческое тело, таких как кардиостимуляторы и инсулиновые помпы, чтобы провода не проходили сквозь кожу. Он также используется для зарядки электромобилей, таких как автомобили, и для зарядки транспортных средств, таких как автобусы и поезда.
Однако наиболее быстрорастущим применением являются беспроводные зарядные площадки для зарядки мобильных и портативных устройств. беспроводные устройства, такие как ноутбуки и планшеты, мобильные телефоны, цифровые медиаплееры и контроллеры видеоигр. В США Федеральная комиссия по связи (FCC) провела первую сертификацию системы зарядки беспроводной передачи данных в декабре 2017 года.
. Передаваемая мощность увеличивается с увеличением частоты и взаимной индуктивности 
Обычная индуктивная связь может обеспечить высокую эффективность только в том случае, если катушки расположены очень близко друг к другу, обычно рядом. В большинстве современных индуктивных систем используется резонансная индуктивная связь (описанная ниже), в которой эффективность увеличивается за счет использования резонансных контуров. Это может обеспечить высокий КПД на больших расстояниях, чем нерезонансная индуктивная связь.
Прототип индукционной системы зарядки электромобиля на Токийском автосалоне 2011 года. 
Powermat Индуктивные зарядные точки в кофейне.Клиенты могут установить на них свои телефоны и компьютеры для подзарядки. 
Карта доступа с беспроводным питанием. Резонансная индуктивная связь (электродинамическая связь, сильно связанный магнитный резонанс) - это форма индуктивной связи, в которой мощность передается посредством магнитных полей (B, зеленый) между двумя резонансными контурами (настроенными контурами), одним в передатчике и одним в приемнике (см. диаграмму справа). Каждый резонансный контур состоит из катушки с проводом, подключенной к конденсатору , или саморезонансной катушке, или другому резонатору с внутренней емкостью. Оба настроены так, чтобы резонировать на одной и той же резонансной частоте. Резонанс между катушками может значительно увеличить связь и передачу мощности, аналогично, как вибрирующий камертон может вызвать симпатическую вибрацию в удаленной вилке, настроенной на тот же шаг.
Никола Тесла впервые обнаружил резонансную связь во время своих новаторских экспериментов по беспроводной передаче на рубеже 20-го века, но возможности использования резонансной связи для увеличения дальности передачи были исследованы только недавно. В 2007 году группа под руководством Марина Солячича из Массачусетского технологического института использовала две связанные настроенные схемы, каждая из состояла из саморезонансной проволочной катушки длиной 25 см на частоте 10 МГц, чтобы обеспечить передачу мощности 60 Вт на расстояние 2 метра (6,6 фута) (в 8 раз больше диаметра катушки) при КПД около 40%.
Концепция систем резонансной индуктивной связи заключается в том, что добротность резонаторы заменяются энергией с большей скоростью, чем они теряют энергию из-за внутреннего демпфирования. Следовательно, используя резонанс, такое же количество энергии передается на большие расстояния, используя гораздо более слабые магнитные поля в периферийных областях («хвостах») ближних полей. Резонансная индуктивная связь позволяет достичь высокой эффективности в диапазоне от 4 до 10 диаметров катушки (D ant ). Это называется «средним» переносом, в отличие от «ближнего» нерезонансного индуктивного переноса, который может достигнуть аналогичной эффективности только тогда, когда катушки находятся рядом. Еще одно преимущество состоит в том, что резонансные контуры взаимодействуют друг с другом намного сильнее, чем с нерезонансными объектами, что потери мощности из-за усили рассеянными соседними объектами незначительны.
Недостатком теории резонансной связи является то, что на близких расстояниях, когда два резонансных контура связаны, резонная частота системы больше не используется, а «разделяется» на два резонансных пика, поэтому максимальная мощность передачи больше не происходит на исходной резонансной частоты, частота генератора должна быть настроена на новый пик резонанса.
Резонансная технология в настоящее время широко используется в современных индуктивных беспроводных энергосистемах. Одна из возможностей, предоставленных для этой технологии, - зона беспроводной сети. Катушка в стене или потолке комнаты может обеспечивать беспроводное питание и мобильные устройства в любом месте комнаты с разумной эффективностью. Экологическое и экономическое преимущество беспроводного питания небольших устройств, таких как часы, радио, музыкальные плееры и пульты дистанционного управления, заключается в том, что это может значительно сократить 6 миллиардов батарей, выбрасываемых каждый год, что значительно источник токсичных отходов и загрязнения грунтовых вод.
Емкостная связь, также называемая электрическая связью, использует поля для передачи энергии между двумя электроды (анод и катод ), образующие емкость для передачи энергии. В емкостной связи (электростатическая индукция ), сопряженной с индуктивной связью, энергия передается электрическими полями между электродами, такими как металлические пластины.. Электроды передатчика и приемника образуют конденсатор с промежуточным пространством в качестве диэлектрика. Переменное напряжение, генерируемое передатчиком, прикладывается к передающей пластине, и колеблющееся электрическое поле индуцирует переменный потенциал на пластине приемника за счет электростатической индукции, которая заставляет переменный ток течь в цепи нагрузки. Размер передаваемой мощности увеличивают размер частоты квадрата напряжения и емкости между пластинами, которая изменяет площади пластины и (для коротких расстояний) обратно пропорциональна разделению.
Емкостные беспроводные системы электропитания
Биполярная связь 
Монополярная связь Емкостная связь использовалась практически в нескольких маломощных приложениях, потому что очень высокие напряжения на электродах требовали передачи мощности, может быть опасной и может вызывать неприятные побочные эффекты, такие как вредное образование озона. Кроме того, в отличие от магнитных полей, электрические поля взаимодействуют с большинством материалов, в том числе с человеческим телом, из-за диэлектрической поляризации. Материалы, находящиеся между электродами или рядом с ними, поглощают энергию, в случае, возможно, вызывает чрезмерное воздействие электромагнитного поля. Однако емкостная связь имеет несколько преимуществ перед индуктивной связью. Поле в степени ограничено между пластинами конденсатора, уменьшая помехи, при индуктивной силе сердечников из тяжелых ферритов, «ограничивающих поток». Кроме того, менее важны требования к выравниванию между передатчиком и приемником. Емкостная связь недавно была применена для зарядки портативных устройств с батарейным питанием, а также для зарядки или непрерывной беспроводной передачи энергии в биомедицинских имплантатах и как средство передачи энергии между слоями подложки в интегральных схемах.
Два типа схемы были использованы:
Резонанс также может с емкостной связью для расширения диапазона. На рубеже 20-го века Никола Тесла провел первые эксперименты как с резонансной индуктивной, так и с емкостной связью.
В этом методе мощность передается между двумя вращающимися якорями , один в передатчике и один в приемнике, которые вращаются синхронно, соединенные вместе посредством магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами на якорях. Якорь передатчика вращается либо посредством ротора электродвигателя , либо в качестве ротора, и его магнитное поле оказывает крутящий момент на якорь приемника, поворачивая его. Магнитное поле действует как механическая связь между якорями. Якорь приемника вырабатывает энергию для привода нагрузки путем либо вращения отдельного электрического генератора, либо путем самого якоря приемника в качестве ротора в генераторе.
Это устройство было предложено в качестве альтернативы индуктивной передачи энергии для бесконтактной зарядки электромобилей. Вращающийся якорь, встроенный в пол гаража или обочину, мог бы повернуть якорь приемника в нижней части автомобиля для зарядки его батарейки. Утверждается, что этот метод может мощность на расстояние от 10 до 15 см (от 4 до 6 дюймов) с высокой эффективностью, более 90%. Кроме того, низкочастотные магнитные поля рассеяния, создаваемые вращающимися магнитами, создают меньшие электромагнитные помехи для существующих электронных устройств, чем высокочастотные магнитные поля, создаваемые системы индуктивной связи. Опытный образец системы для зарядки электромобилей работает в Университета Британской Колумбии с 2012 года. Другие исследователи утверждают, что два преобразования энергии (снова электрическая в механическую в электрическую) делают менее эффективной, чем электрическая. такие системы, как индуктивная связь.
Методы дальнего поля позволяют достигать больших расстояний, часто в несколько километров, где расстояние намного больше диаметра устройства (устройств). Антенны с высокой направленностью или хорошо коллимированный лазерный свет представляет луч энергии, который может соответствовать форме принимающей области. Максимальная направленность антенн физически ограничена дифракцией.
В общем, видимый свет (от лазеров) и микроволны (специально разработанные антенны) имеют форму электромагнитного излучения лучше всего подходит для передачи энергии.
Размеры компонентов могут определяться расстояниями от передатчика до приемника, длины волны и критерием Рэлея или предел дифракции, используемая в стандартной конструкции радиочастоты антенны, также применяемые к лазерам. Предел дифракции Эйри также часто используется для приблизительного размера пятна на произвольном расстоянии от апертуры . Электромагнитное излучение испытывает меньшую дифракцию на более коротких длинах волн (более высоких частотах); так, например, синий лазер дифрагирует меньше, чем красный.
Предел Рэлея (также известный как предел дифракции Аббе ), хотя изначально применялся к разрешению изображения, его можно рассматривать в обратном направлении и диктует, что освещенность (или интенсивность) любой электромагнитной волны (например, микроволнового или лазерного луча) будет уменьшаться по той мере, как луч расходится по расстояниям с минимальной скоростью, обратно пропорциональной размеру апертуры. Чем больше отношение апертуры передающей антенны или выходной апертуры лазера к длине волны излучения, тем больше можно сконцентрировать излучение в компактном луче
СВЧ-мощность излучение может быть более эффективным, чем лазеры, и менее подвержено атмосферному ослаблению, вызванному пылью или аэрозолями, такими как туман.
Здесь уровни мощности вычисляются вместе с указанными параметрами и добавлением коэффициентов усиления и потерь из-за характеристик антенны и прозрачности . и дисперсия среды, которую проходит через излучение. Этот процесс известен как расчет бюджета связи.
Изображение художника солнечного спутника, который может посылать электрическую энергию с помощью микроволн на космический корабль или поверхность планеты. Передачу энергии посредством радиоволн можно сделать более направленной, что позволит передавать мощность на большие расстояния с более короткими длинами волн электромагнитного излучения, обычно в диапазоне микроволнового. Ректенна может использоваться для преобразования микроволновой энергии обратно в электричество. Реализована эффективность преобразования ректенны более 95%. Излучение энергии с использованием микроволн было предложено для передачи энергии от вращающихся спутников на солнечной энергии к Земле, и рассмотрено излучение энергии на космический корабль, покидающий орбиту.
Передача мощности микроволнами имеет ту трудность, что для большинства космических приложений требуемые размеры апертуры очень велики из-за дифракции, ограничивающей направленность антенны. Например, в исследовании 1978 НАСА спутников на солнечной энергии потребовались передающая антенна диаметром 1 километр (0,62 мили) и приемная ректенна диаметром 10 километров (6,2 мили) для микроволнового луча на 2,45 ГГц. Эти размеры можно несколько уменьшить, используя более короткие длины волн, хотя при использовании коротких волн могут возникать трудности с атмосферным поглощением и блокированием луча дождем или каплями воды. Из-за «проклятия прореженной решетки » невозможно сделать более узкий луч, комбинируя лучи нескольких меньших спутников.
Для наземных приложений приемная матрица большой площади диаметром 10 км позволяет использовать большие уровни общей мощности при работе с низкой плотностью мощности, рекомендованной для защиты человека от электромагнитного воздействия. Безопасная для человека плотность мощности 1 мВт / см, распределенная по площади диаметром 10 км, соответствует общему уровню мощности 750 мегаватт. Это уровень мощности многих современных электростанций. Для сравнения: солнечная фотоэлектрическая ферма аналогичного размера может легко превысить 10 000 мегаватт (округлено) в лучших условиях в дневное время.
После Второй мировой войны, когда были разработаны мощные микроволновые излучатели, известные как резонаторные магнетроны, была исследована идея использования микроволн для передачи энергии. К 1964 году был использован миниатюрный вертолет, приводимый в движение с помощью энергии энергии.
Японский исследователь Хидэцугу Яги также исследовал беспроводную передачу энергии с помощью разработанной им направленной антенной решетки. В феврале 1926 года Яги и его коллега Синтаро Уда опубликовали свою первую статью о настроенной решетке с высоким коэффициентом усиления, ныне известной как антенна Яги. Хотя она оказалась особенно полезной для передачи энергии, эта лучевая антенна получила широкое распространение в отрасли радиовещания благодаря своим превосходным рабочим характеристикам.
Беспроводная передача высокой мощности с использованием микроволн хорошо зарекомендовала себя. Эксперименты на десятки киловатт проводились в Голдстоуне в Калифорнии в 1975 году, а совсем недавно (1997) в Гранд-Бассине на острове Реюньон. Эти методы позволяют достичь расстояния порядка километра.
В экспериментальных условиях микроволнового преобразования составляют около 54% на одном метре.
Было предложено перейти на 24 ГГц, поскольку микроволновые излучатели, подобные светодиодам, изготовлены с очень высокой квантовой эффективностью с использованием отрицательного сопротивления, т. е. диодов Ганна или IMPATT, и это было бы жизнеспособным для коротких линий связи.
В 2013 году изобретатель Хатем Зейне использует как беспроводную передачу энергии с использованием фазированных антенных решеток может электрическую мощность на расстоянии до 30 футов. Он использует те же радиочастоты, что и Wi-Fi.
В 2015 году исследователи из Вашингтонского университета представили технологию Power over Wi-Fi, которая обеспечивает подзарядку аккумуляторов и обеспечивает питание камер и датчиков температуры без использования батареек, используя передачу от Wi-Fi роутеров. Было показано, что сигналы Wi-Fi питают безбатарейные датчики температуры и камеры на расстоянии до 20 футов. Также было показано, что Wi-Fi можно использовать для беспроводной подзарядки никель-металлогидридных и литий-ионных батарей типа «таблетка» на расстоянии до 28 футов.
В 2017 году Федеральная комиссия связи (FCC) сертифицировала первый беспроводной передатчик радиочастот (RF) среднего поля.
Лазерный луч, сосредоточенный на панели фотоэлектрических элементов, обеспечивает достаточную мощность для легкой модели самолета. В случае электромагнитного излучения, близкого к видимой области (от 0,2 до 2 микрометров ), энергия может передаваться путем преобразования электричества в лазер луч, который принимается и концентрируется на фотоэлектрических элементов (солнечные элементы). Этот механизм обычно известен как «передача», потому что мощность передается на приемник, который может преобразовывать ее в электрическую энергию. В приемнике применяются специальные фотоэлектрические преобразователи мощности лазера, которые оптимизированы для преобразования монохроматического света.
Преимущества по сравнению с другими беспроводными методами:
К недостаткам можно отнести:
Была исследована технология лазерного «powerbeaming» в приложениях военного оружия и аэрокосмической промышленности. Также он для питания различных датчиков в промышленных условиях. В последнее время он разработан для питания коммерческой и бытовой электроники. Системы беспроводной передачи энергии, использующие лазеры для потребительского пространства, удовлетворять требованиям к лазерной безопасности, стандартизированным в соответствии с IEC 60825.
Первая беспроводная система энергоснабжения, использующая лазеры для потребительских приложений, были применены в 2018 году и способна обеспечить питание стационарных и движущихся устройств по комнатам. Эта беспроводная система питания соответствует требованиям безопасности в соответствии со стандартом IEC 60825. Он также одобрен Управлением по контролю продуктами и лекарствами США (FDA).
Другие детали включают распространение, а также согласованность и проблему ограничения диапазона.
Джеффри Лэндис является одним из пионеров спутников на солнечной энергии и лазерной передачи энергии, особенно для космических и лунных миссий. Спрос на безопасные и частные космические полеты привел к предложениям о лазерном космическом лифте.
НАСА Летно-исследовательский центр действал легкую беспилотную модель самолета, работающую от лазерного луча. Это доказательство концепции демонстрирует возможность периодической подзарядки с использованием системы лазерного луча.
Ученые Китайской академии наук разработали доказательство использования двухволнового лазера для зарядки портативных устройств или БПЛА.
При соединении каналов атмосферной плазмы энергия передается между двумя электродами посредством электропроводности через ионизированный воздух. Когда между двумя электродами существует градиент электрического поля, превышающий 34 киловольта на сантиметр при атмосферном давлении на уровне моря, возникает электрическая дуга. Этот атмосферный >приводит к протеканию электрического тока по случайной траектории через ионизированный плазменный канал между двумя электродами. Примером этого является естественная молния, где один электрод является существующей точкой в облаке, а другая точка на Земле. В настоящее время осуществляется исследование лазерно-индуцированного плазменного канала (LIPC) с использованием сверхбыстрых лазеров, чтобы стимулировать развитие плазменного канала в воздухе, направляя электрическую дугу и направляя ток по определенному пути контролируемым образом. Энергия лазера снижает атмосферное напряжение пробоя диэлектрика, и воздух становится менее изолирующим из-за перегрева, что снижает (
Этот новый процесс изучается для использования в качестве лазерного громоотвода и в качестве средств для запуска разрядов молний из облаков для исследования качественных каналов молний, для исследования распространения в атмосфере, в качестве замены обычных радиоантенн, для приложений, связанных с электрическими сварками и механической обработкой, для отвода энергии от разрядов высоковольтных конденсаторов, для оружейной энергии, использующей электрическую проводимость через обратный путь заземления и электронных помех.
В контексте беспроводной связи сбор энергии, также называемый сбором энергии или сбором энергии, представляет собой преобразование энергии окружающей среды из окружающей среды в электроэнергию, в основном для питания небольших автономных проводов. электронное устройство ess. Окружающая энергия может исходить от паразитных электрических или магнитных или радиоволн от ближайшего электрического оборудования, света, тепловой энергии (тепла) или кинетической энергии, такой как вибрация или движение устройства.. Хотя эффективность преобразования обычно невысока, собираемая мощность часто мизерная (милливатты или микроватты), ее может хватить для запуска или подзарядки небольших беспроводных устройств на микромощности, таких как удаленные датчики, которые распространяются во многих областях. Эта новая технология разрабатывается для устранения необходимости замены или зарядки таких беспроводных устройств, что позволяет им работать полностью автономно.
В 19 веке появилось множество теорий и контр-теорий о том, как может передаваться электрическая энергия. В 1826 году Андре-Мари Ампер нашел закон Ампера, показывающий, что электрический ток создает магнитное поле. Майкл Фарадей описал в 1831 году свой закон индукции электродвижущая сила, управляющая током в проводящей петле посредством изменяющегося во времени магнитного потока. Передача электроэнергии без проводов наблюдалась изобретенными и экспериментаторами, но отсутствие последовательной теории неопределенно приписывало эти явления электромагнитной индукции. Краткое объяснение этих явлений бы прийти из 1860-х годов соотношений Максвелла Джеймса Клерка Максвелла, установившей теорию, которая объединила электричество и магнетизм в электромагнетизм, предсказав существование электромагнитных волн как «беспроводной» носитель электромагнитной энергии. Примерно в 1884 году Джон Генри Пойнтинг определил вектор Пойнтинга и теорему Пойнтинга, который поток энергии через область в пределах электромагнитного излучения и позволяет правильно анализировать системы беспроводной передачи энергии. За этим последовало подтверждение теории Генриха Рудольфа Герца '1888 года, включало доказательства радиоволн.
. В тот же период выдвинул две схемы беспроводной передачи сигналов. Уильям Генри Уорд (1871) и Мэлон Лумис (1872), основанные на ошибочном представлении о существовании наэлектризованного слоя атмосферы, доступного на малой высоте. В патентах обоих изобретателей отмечалось, что этот слой, связанный с обратным путем с использованием «земных токов», позволит использовать беспроводную телеграфию, а также подавать питание на телеграф, отказавшись от искусственных источников света, а также может быть использован для освещения, обогрева и движения. сила. Более практическая демонстрация беспроводной передачи через проводимость была проведена в магнитоэлектрическом телефоне Амоса Долбира 1879 года, в которой для передачи на расстояние четверти использовалась проводимость по земле.
Тесла демонстрирует беспроводную передачу посредством «электростатической индукции» во время лекции 1891 года в Колумбийском колледже. Два металлических листа подключены к генератору катушки Тесла, который подает переменный ток высокого напряжения радиочастоты. Осциллирующее электрическое поле между листами ионизирует газ низкого давления в двух длинных трубках Гейсслера в его руках, заставляя их светиться так же, как неоновые трубки.После 1890 года изобретатель Никола Тесла экспериментировал с передачей мощности за счет индуктивной и емкостной связи, используя возбуждаемые искрой радиочастоты резонансные трансформаторы, теперь называемые Тесла. катушки, генерирующие высокое напряжение переменного тока. Вначале он попытался использовать беспроводную систему освещения, основанную на индуктивной и емкостной связи в ближнем поле, и провел серию публичных демонстраций, на которых он зажег лампы Гейсслера и даже лампы накаливания. сцена. Он обнаружил, что может увеличить, на котором он может зажечь лампу, используя приемную LC-цепь, настроенную на резонанс, с LC-цепью передатчика. с использованием резонансной индуктивной связи. Тесле не удалось создать коммерческий продукт из своих открытий, но его метод резонансной индуктивной связи сейчас широко используется в системах беспроводной связи малого радиуса связи.
(слева) Эксперимент Теслы по резонансной индуктивной передаче Колорадо-Спрингс, 1899 г. Катушка находится в резонансе с увеличивающим передатчиком Теслы поблизости, питая лампочка внизу. (справа) Неудачная электростанция Теслы Wardenclyffe. Тесла продолжил использование системы распределения энергии, которая, как он надеялся, будет передаваться на большие расстояния в дома и на фабрики. Вначале он, казалось, заимствовал идеи Махлона Лумиса, предлагая систему, состоящую из воздушных шаров для подвешивания передающих и принимающих электродов в воздухе на высоте более 30 000 футов (9 100 м), где, как он думал, давление позволит ему посылать высокие напряжения. (миллионы вольт) на большие расстояния. Для дальнейшего изучения проводящей природы воздуха низкого давления он организовал испытательную установку на большой высоте в Колорадо-Спрингс в 1899 году. Он проводил там приборы с большой катушкой, работающей в мегавольтном диапазоне, а также наблюдал за электронным шумом удары молнии приводит его к неправильному выводу, что он может использовать весь земной шар для проведения электрической энергии. Теория включается в себя подачу импульсов переменного тока в Землю ее резонансной частоты от заземленной катушки Тесла, работающая против повышенной, заставляя потенциал Земли колебаться. Тесла думал, что это позволит принимать переменный ток с помощью аналогичной емкостной антенны, в любой точке Земли с очень небольшими потерями мощности. Его поверить, что высокое напряжение, используемое в катушке на высоте нескольких сотен футов, «разрушит слой воздуха», устраняя необходимость в многомиллионном кабеле, висящем на шарах, для создания его атмосферного возврата контура. В следующем году Тесла предложит «Всемирную беспроводную систему », которая передает информацию и энергию по всему миру. В 1901 году в Шорхэме, штат Нью-Йорк, он попытался построить большую беспроводную высоковольтную электростанцию, которая теперь называется Башня Уорденклиф, но к 1904 году инвестиции иссякли, и объект так и не был завершен.
Индуктивная передача энергии между соседними катушками проводов была самой ранней разработанной беспроводной технологией питания, которая существовала с тех пор, как трансформатор был разработан в 1800-е годы. Индукционный нагрев используется с начала 1900-х годов.
С появлением беспроводных устройств были разработаны стенды для индукционной зарядки для приборов, используемых во влажной среде, например электрические зубные щетки и электробритвы, чтобы исключить опасность поражения электрическим током. Одним из первых предложенных приложений индуктивного переноса было питание электровозов. В 1892 году Морис Хютен и Морис Леблан запатентовали беспроводной метод питания железнодорожных поездов с использованием резонансных катушек, индуктивно связанным с рельсовым проводом на частоте 3 кГц.
В начале 1960-х годов резонансная индуктивная беспроводная передача энергии успешно использовалась в имплантируемых медицинских аппаратах. включая такие устройства, как кардиостимуляторы и искусственные сердца. В то время как в ранних системах использовались резонансные катушки передатчика, в более поздних системах также использовались резонансные катушки передатчика. Эти медицинские устройства разработаны для обеспечения высокой эффективности с маломощной электроники, при этом эффективно компенсируя некоторую несоосность и динамическое скручивание катушек. Расстояние между катушками при имплантации обычно составляет менее 20 см. Сегодня резонансная индуктивная передача энергии регулярно используется для обеспечения электроэнергией многих продаж в медицинских имплантируемых устройствах.
Первые пассивные RFID технологии (радиочастотная идентификация) были изобретены Марио Кардулло (1973) и Koelle et al. (1975) и к 1990-м годам использовались в бесконтактных картах и бесконтактных смарт-картах.
. Распространение мобильных устройств беспроводной связи, таких как мобильные телефоны, планшеты и портативные компьютеры в последние десятилетия в настоящее время являются движущей силой развития технологий беспроводного питания и зарядки среднего уровня., чтобы исключить необходимость в привязке этих устройств к розеткам во время зарядки. Консорциум Wireless Power Consortium основан в 2008 году для разработки моделей поведения между производителями. Его стандарт индуктивной мощности Qi, опубликованный в августе 2009 года, обеспечивает высокоэффективную зарядку и питание портативных устройств мощностью до 5 на расстоянии 4 см (1,6 дюйма). Беспроводное устройство помещается на плоскую пластину зарядного устройства (которая может быть встроена, например, в столешницы в кафе), и мощность передается от плоской катушки в зарядном устройстве к аналогичной катушке в устройстве. В 2007 году группа под руководством Марина Солячича из Массачусетского технологического института использовала передатчик с двойным резонансом и вторичной обмоткой диаметром 25 см, настроенной на 10 МГц, для передачи 60 Вт мощности на аналогичный приемник с двойным резонансом на расстоянии 2 метра (6,6 футов) (восемь раз больше диаметра катушки передатчика) с эффективностью около 40%.
В 2008 году команда Грега Лейха и Майка Кеннана из Nevada Lightning Lab использовала заземленный передатчик с двойным резонансом с вторичной обмоткой диаметром 57 см, настроенной на 60 кГц и аналогичный заземленный приемник с двойным резонансом для передачи энергии через связанные электрические поля с контуром возврата тока земли на расстояние 12 метров (39 футов). В 2011 году доктор Кристофер А. Такер и профессор Кевин Уорвик из Университета Рединга воссоздали патент Теслы 1900 года 0,645,576 в миниатюре и продемонстрировали передачу энергии более 4 метров (13 футов) с диаметром катушки 10 сантиметров (3,9 дюйма) на резонансной частоте 27,50 МГц с эффективным КПД 60%.
До мировой войны II, небольшой прогресс был достигнут в беспроводной передаче энергии. Радио было разработано для использования в связи, но не могло быть использовано для передачи энергии из-за относительно низкой частоты радиоволн разлетелся во всех направлениях, и до приемника дошло мало энергии. В радиосвязи на приемнике усилитель усиливает слабый сигнал, используя энергию другого источника. Для передачи энергии для эффективной передачи требовались передатчики, которые могли бы генерировать высокочастотные микроволны, которые могут фокусироваться узкими лучами в направлении приемника.
Развитие микроволновой технологии во время Второй мировой войны, такие как клистрон и магнетронные трубки и параболические антенны сделали излучающие (дальние поля ) методы практичными для Впервые и первая беспроводная передача энергии на большие расстояния была достигнута в 1960-х годах Уильямом С. Брауном. В 1964 году Браун изобрел ректенну, которая могла эффективно преобразовывать микроволны в мощность постоянного тока, а в 1964 году продемонстрировал это с первым самолетом с беспроводным приводом, моделью вертолета, работающим на микроволновых лучах, излученных с земли. Основной причиной микроволновых исследований в 1970-х и 80-х годах была разработка спутника на солнечной энергии. Задуманный в 1968 году Питером Глейзером, он будет собирать энергию солнечного света с помощью солнечных элементов и передавать ее на Землю в виде микроволн в огромные ректенны, которые преобразовывали бы ее. к электрической энергии в сети электросети. В знаменательных экспериментах 1975 года в качестве технического директора программы JPL / Raytheon Браун продемонстрировал передачу на большие расстояния, передав 475 Вт микроволновой мощности на ректенну на расстоянии мили с эффективностью преобразования микроволн в постоянный ток 54%. В Лаборатории реактивного движения НАСА он и Роберт Дикинсон передали выходную мощность постоянного тока 30 кВт на расстояние 1,5 км с помощью микроволн с частотой 2,38 ГГц с 26-метровой антенны на решетку ректенн 7,3 x 3,5 м. Эффективность преобразования падающих радиочастот в постоянный ток выпрямителя составляла 80%. В 1983 году Япония запустила ракетный эксперимент для проверки передачи мощных микроволн через ионосферу.
В последние годы в центре внимания исследований была разработка беспилотных летательных аппаратов с беспроводным приводом, которые начались в 1959 году с Департамента проекта Defense RAMP (Raytheon Airborne Microwave Platform), спонсировавшего исследования Брауна. В 1987 году Канадский исследовательский центр связи разработал небольшой прототип самолета под названием Стационарная высокогорная ретрансляционная платформа (SHARP) для ретрансляции данных электросвязи между точками на Земле, подобного спутнику связи . Приведенный в действие ректенной, он мог летать на высоте 13 миль (21 км) и оставаться в воздухе в течение нескольких месяцев. В 1992 году группа из Киотского университета построила более совершенный аппарат под названием MILAX (эксперимент с подъемом самолета в микроволновом диапазоне).
В 2003 году НАСА запустило первый самолет с лазерным приводом. Двигатель небольшой модели самолета питался от электричества, вырабатываемого фотоэлементами из луча инфракрасного света от наземного лазера, в то время как система управления удерживала лазер наведенным на самолет.
энергетический портал 