Основной принцип беспроводной передачи электричества

Питание электрокара беспроводным способом

Передача электроэнергии на расстояние

Многие производители автомобилей, работающих на электрическом токе, проводят разработки альтернативной подзарядки авто без его подключения к сети. Больших успехов в этой области добилась технология зарядки транспорта от специального дорожного полотна, когда машина принимала энергию от покрытия, заряженного магнитным полем или СВЧ волнами. Но подобная подпитка была возможна только при условии, когда расстояние между дорогой и приемным устройством было не более 15 сантиметров, что в современных условиях не всегда исполнимо.

Зарядка автомобиля

Данная система находится на стадии разработок, поэтому можно предполагать, что подобный тип передачи питания без проводника еще получит свое развитие и, возможно, будет внедряться в современную транспортную индустрию.

Технология беспроводной передачи электроэнергии

Беспроводная передача электрической энергии (WPT) позволяет подавать питание через воздушный зазор без необходимости использования электрических проводов. Беспроводная передача электроэнергии может обеспечить питание от источника переменного тока для совместимых аккумуляторов или устройств без физических разъемов и проводов. Беспроводная передача электрической энергии может обеспечить заряд мобильных телефонов и планшетных компьютеров, беспилотных летательных аппаратов, автомобилей и прочего транспортного оборудования. Она может даже сделать возможной беспроводную передачу в космосе электроэнергии, полученной от солнечных панелей.

Беспроводная передача электрической энергии начала свое быстрое развитие в области бытовой электроники, заменяя проводные зарядные устройства. На выставке CES 2017 будет показано множество устройств, использующих беспроводную передачу электроэнергии.

Однако концепция передачи электрической энергии бес проводов возникла примерно в 1890-х годах. Никола Тесла в своей лаборатории в Колорадо Спрингс мог без проводов зажечь электрическую лампочку, используя электродинамическую индукцию (используемой в резонансном трансформаторе).

Изображение из патента Теслы на «устройство для передачи электрической энергии», 1907 год

Были зажжены три лампочки, размещенные на расстоянии 60 футов (18 метров) от источника питания, и демонстрация была задокументирована. У Теслы были большие планы, он надеялся, что его башня Ворденклиф, расположенная на Лонг-Айленд, будет без проводов передавать электрическую энергию через Атлантический океан. Этого никогда не произошло из-за различных проблем, в том числе, и с финансированием и сроками.

Беспроводная передача электрической энергии использует поля, создаваемые заряженными частицами, для переноса энергии через воздушный зазор между передатчиками и приемниками. Воздушный зазор закорачивается с помощью преобразования электрической энергии в форму, которая может передаваться по воздуху. Электрическая энергия преобразуется в переменное поле, передается по воздуху, и затем с помощью приемника преобразуется в пригодный для использования электрический ток. В зависимости от мощности и расстояния, электрическая энергия может эффективно передаваться через электрическое поле, магнитное поле или электромагнитные волны, такие как радиоволны, СВЧ излучение или даже свет.

В следующей таблице перечислены различные технологии беспроводной передачи электрической энергии, а также формы передачи энергии.

Технологии беспроводной передачи электрической энергии (WPT)
Технология	Переносчик электрической энергии	Что позволяет передавать электрическую энергию
Индуктивная связь	Магнитные поля	Витки провода
Резонансная индуктивная связь	Магнитные поля	Колебательные контуры
Емкостная связь	Электрические поля	Пары проводящих пластин
Магнитодинамическая связь	Магнитные поля	Вращение постоянных магнитов
СВЧ излучение	Волны СВЧ	Фазированные ряды параболических антенн
Оптическое излучение	Видимый свет / инфракрасное излучение / ультрафиолетовое излучение	Лазеры, фотоэлементы

Принципы передачи электричества

До последнего времени наиболее оптимальной и популярной считалась магнитно-резонансная система CMRS. Ее создали еще в 2007 году. Благодаря этой технологии специалистам удавалось передавать электричество на расстояние в 2.1 метр. Однако ее не удавалось запустить в массовое производство, так как частота передачи была слишком высокой, а катушки имели сложную конфигурацию и были больших размеров.

Электроэнергия без проводов позволяет заряжать мобильный телефон

Сравнительно недавно ученые из Южной Кореи создали новый передатчик, который позволяет передавать электричество на расстояние в 5 метров. Система не имеет никаких недостатков и при необходимости ее можно будет установить в стены квартиры.

В результате проведения этого эксперимента на частоте в 20 кГц специалистам удалось передать:

209 Вт на 5 метров;
471 Вт на 4 метра;
1403 Вт на 3 метра.

Благодаря беспроводному излучению можно будет запитать большие ЖК телевизоры, которые требуют всего 40 Вт на расстоянии в 5 метров. Сейчас существуют и другие технологии, которые позволяют передавать электроэнергию без проводов. К ним можно отнести:

Лазерное излучение. Дальность действия достаточно большая. Однако необходима прямая видимость между приемником и передатчиком. Компания Lockheed Martin уже испытала беспилотный летательный аппарат Stalker, который питается от лазерного луча и способен оставаться в воздухе до 48 часов.
Микроволновое излучение. Этот вид позволяет обеспечивать большую дальность действия, но стоимость оборудования достаточно высока. В качестве передатчика электроэнергии будет использоваться радиоантенна, которая создает микроволновое излучение. А приемнике устанавливают ректенну, которая преобразует электрический ток в принимаемое микроволновое излучение.

При увеличении расстояния передачи значительно увеличивается стоимость и габариты оборудования. В свою очередь микроволновое излучение может приносить вред для окружающей среды. Тут вы можете прочесть про роботов в сфере энергетики.

Пропускная способность линий электропередач

Напряжение в конце линии неизбежно ниже, чем в её начале. Вольтаж теряется на сопротивлении проводов ЛЭП. Именно эта разница напряжений уходит впустую на обогрев вселенной.

Такая проблема приводит к тому, что невозможно создать линию электропередач бесконечной длины и передать по ней неограниченную мощность. Поэтому введено понятие – пропускная способность ЛЭП. Данная характеристика в первую очередь зависит от длины линии, металла, из которого сделаны её провода и их сечения. Потери в меди менее ощутимы, чем у алюминия. Пропускная способность линии тем выше, чем толще её провода.

Как разные страны мира выполняют планы по энергопереходу

Страны по всему миру поставили себе амбициозные задачи по переходу на возобновляемую энергию. Цели стали частью и Парижского соглашения — к 2030 году решения с нулевым выбросом углерода могут быть конкурентоспособными в секторах, на которые приходится более 70% глобальных выбросов. Сделать это планируется за счет энергетического перехода — процесса замены угольной экономики возобновляемой энергетикой. В 2020 году, несмотря на пандемию и экономическую рецессию, многие города, страны и компании продолжали объявлять или осуществлять планы по декарбонизации.

Зеленая экономика

Как государству продвигать экологическую повестку

Ожидается, что в 2021 году Индия внесет самый большой вклад в развитие возобновляемой энергетики. Здесь планируют запустить ряд ветряных и солнечных проектов.

В Евросоюзе также прогнозируется скачок в приросте мощностей в 2021 году. Здесь даже в условиях пандемии не забывают о Green Deal — крупнейшей в истории ЕС коррекции экономического курса. Цель проекта — сформировать в ЕС углеродно-нейтральное пространство к 2030 году. Для этого планируется сократить на 40% объем выбросов парниковых газов от уровня 1990 года и увеличить долю энергии из возобновляемых источников до 32% в общей структуре энергопотребления. Как посчитала Еврокомиссия, достичь этих задач можно будет с помощью ежегодных инвестиций в размере €260 млрд. Доля ВИЭ в энергосистеме ЕС также постоянно растет. Так, около 40% электроэнергии в первом полугодии 2020 года в ЕС было произведено из возобновляемых источников.

Пока же в лидерах инвестиций в развитие возобновляемой энергетики — Китай, США, Япония и Великобритания. С тех пор, как BloombergNEF начал отслеживать эти данные, глобальные инвестиции в ветровую и солнечную энергетику, биотопливо, биомассу и отходы, малую гидроэлектроэнергетику увеличились почти на порядок. В годовом выражении вложения в чистую энергию выросли с $33 млрд до более чем $300 млрд за 20 лет.

Китай за десять лет стал главным производителем оборудования для возобновляемой энергетики. В первую очередь, речь идет о солнечных панелях. Семь из десяти крупнейших мировых производителей солнечных батарей — это китайские компании. В целом развитие технологий удешевило стоимость строительства новых объектов ВИЭ. Это приближает планы Китая стать углеродно нейтральным к 2060 году.

Зеленая экономика

Ставка на солнце и уголь: два лица энергетики Китая

Серьезных шагов в сторону энергоперехода ожидают и от президента США Джо Байдена. Он не только вернул страну в Парижское соглашение, но и заявил о том, что намерен добиться чистых выбросов парниковых газов и перехода на 100% экологичной энергии к 2050 году.

Также к 2050 году планируют использовать только ВИЭ Япония, Южная Корея, Новая Зеландия и . Прошедший 2020 год уже стал самым экологичным для энергосистемы Великобритании со времен промышленной революции. Страна целых 67 дней смогла обходиться без угля. От традиционных источников энергии Британия планирует отказаться уже к 2025 году.

Активно развиваются ВИЭ в Испании — по прогнозам, сектор только солнечной энергетики в стране будет расти примерно вдвое быстрее, чем в Германии.

В 2020 году Шотландия получила 97% электроэнергии из возобновляемых источников. С помощью произведенной «зеленой» энергии получилось обеспечить электронужды более чем 7 млн домохозяйств. Шотландия планирует стать углеродной нейтральной уже к 2030 году.

Этот же год выбран временем полного отказа от традиционной энергетики для Австрии, а Саудовская Аравия запланировала к 2030 году получать 50% электроэнергии от ВИЭ.

Национальные цели по доле ВИЭ среди источников энергии

(Фото: REN21)

Полная версия отчета Renewables 2020 в формате PDF (см. стр. 57)

История мировой электроэнергетики

Электроэнергетика – стратегическая отрасль экономической системы любого государства. История возникновения и развития ЭЭ берёт своё начало с конца XIX столетия. Предтечей появления промышленной выработки электроэнергии являлись открытия основополагающих законов о природе и свойствах электрического тока.

Отправной точкой, когда возникли производство и передача электроэнергии, считают 1892 год. Именно тогда была построена первая электростанция в Нью-Йорке под руководством Томаса Эдисона. Станция стала источником электрического тока для ламп уличного освещения. Это был первый опыт перевода тепловой энергии от сгорания угля в электричество.

С тех пор началась эра массового строительства тепловых электростанций (ТЭС), работающих на твёрдом топливе – энергетическом угле. С развитием нефтяной промышленности появились огромные запасы мазута, которые образовывались в результате переработки нефтепродуктов. Были разработаны технологии получения носителя тепловой энергии (пара) от сжигания мазута.

С тридцатых годов прошлого века получили широкое распространение гидроэлектростанции (ГЭС). Предприятия стали использовать энергию ниспадающих потоков воды рек и водохранилищ.

В 70-е годы началось бурное строительство атомных электростанций (АЭС). Одновременно с этим стали разрабатываться и внедряться альтернативные источники электроэнергии: это ветровые установки, солнечные батареи, щелочно-кислотные геостанции. Появились мини установки, использующие тепло для получения электричества в результате химических процессов разложения навоза и бытового мусора.

Как экономить электричество?

У экономии электроэнергии могут быть разные причины — желание сохранить экологию, попытка уменьшить ежемесячные счета или что-то другое. Но способы всегда примерно одни:

Не всегда следует себя в чем-то сурово ограничивать, чтобы снизить расходы. Есть еще один неплохой совет — отключайте от сети все приборы, пока вы ими не пользуетесь

Каждая остановка — это отходы

Вот почему он хочет воспользоваться этой энергией, а также, возможно, даже возобновить ее, прежде чем покинет транспортное средство. Представьте, что мы стоим на красном свете. Есть еще один светофор на триста метров впереди. Остановив автомобиль снова, либо удерживая его с помощью двигателя, либо с помощью тормозов, вся энергия, которую мы потребляли для печати на машине, будет потрачена, как только машина снова остановится. Энергия, как деньги, может ли она быть восстановлена после потребления? Случай повторного использования энергии, однажды потребляемой тепловым двигателем: нагрев внутренней части тепловых транспортных средств. Это использует энергию, затрачиваемую двигателем в виде тепла для нагрева внутреннего воздуха. Вот почему отопление в автомобилях, как правило, очень эффективно, потому что почти всегда много тепла и свободного.

Холодильник, естественно, не в счет. Даже находясь в «ждущем» режиме техника потребляет некоторое количество электричества. Но если хоть на секунду задуматься, то можно прийти к мысли, что почти все приборы большую часть суток вам не нужны. И все это время они продолжают сжигать ваше электричество

Современные технологии тоже нацелены на то, чтобы снизить общий уровень потребления электроэнергии. Чего стоят хотя бы энергосберегающие лампочки

, которые могут уменьшить расходы на освещение помещения, раз так в пять. Совет жить по «солнечным часам» может показаться диким и абсурдным, но уже давно доказано, что искусственное освещение повышает риск развития депрессии.

Что такое регенеративный тормоз и как он работает?

Тормозная система применима к любому транспортному средству и что, действуя путем замедления, накапливается часть кинетической энергии, доступной для транспортного средства, либо для последующего вождения транспортного средства, либо для управления другими системами. Классические тормоза или тепловой двигатель для удержания, работы при трении и вытеснения всей энергии из автомобиля в виде тепла. Регенеративный тормоз тем не менее накапливает эту энергию в виде электрической энергии внутри транспортного средства для его повторного использования.

Широкополосная передача: создание небольших сетей

Широкополосная передача по электрическим сетям низкого и среднего напряжения — это тот сегмент рынка, который обычно подразумевается, если речь заходит о PLC. В этой сфере действует достаточно много широко известных стандартов и контролирующих (регламентирующих) организаций.

В первую очередь передача данных по электрическим сетям является одной из сфер интересов Европейского института по стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI), независимой некоммерческой организации, основной целью которой является наведение порядка в области различных вариантов передачи информации. Организация проводила многочисленные исследования по интерференции сигналов от разных источников в общей среде передачи и изучению влияния внешних помех. Результатом стал выпуск ряда рекомендованных спецификаций оборудования для передачи данных по электросети в домашних сетях (с самыми популярными вы можете ознакомиться на сайте ETSI).

Среди наиболее интересных разработок раннего периода развития технологий передачи данных по электросетям можно вспомнить спецификации Intelogies PassPort, а также более позднюю и совершенную Intellon PowerPacket. Технология Intelogis PassPort в своей основе использовала частотную модуляцию (FSK) и обеспечивала скорость соединения от 50 до 350 кбит в секунду, причем, только для компьютеров под управлением Windows. Сейчас о PassPort можно найти больше негативных отзывов, нежели позитивных, так как технология была чрезвычайно зависима от качества электропроводки и общей «загруженности» сети. В Европе и России Intelogis PassPort была практически неизвестна из-за ориентации исключительно на сети 110 В.

Основное достижение пришедшей следом технологии Intellon PowerPacket в том, что в ней применяется метод OFDM с адаптацией к физической среде. Используются 84 параллельных канала в диапазоне от 4,3 до 20,9 МГц. Выбор рабочих каналов зависит как от предустановленных ограничений (например, ряд каналов можно не использовать), так и от сиюмоментного состояния рабочего спектра. Метод OFDM весьма удачно подошел к PLC в целом, в результате большинство современных стандартов использует именно его, комбинируя OFDM с возможностями частотного и временного разделения канала.

На начальном этапе развития технологии устройства обеспечивали связь со скоростями до 14 МБит в секунду, что в разы превосходило возможности ближайшего конкурента. Практически сразу компания Intellon объявила о своем намерении добиваться скоростей, обеспечивающих потоковую передачу видео, что в рамках используемых в основе идей было вполне реализуемо на практике. Разработки Intellon легли в основу стандарта HomePlug 1.0.

Основные технологические процессы в электроэнергетике

Нормативы потребления электроэнергии на человека без счетчика

Производство электроэнергии в России базируется на трёх китах энергетической системы. Это атомная, тепловая и гидроэнергетика.

Три вида генерирования электричества

Электростанция	Топливо	Генерация
ТЭС	Уголь, мазут	Получение пара от сгорания топлива, который движет турбины генераторов
ГЭС	Потенциальная энергия потока воды	Движение турбин под напором воды
АЭС	Урановые сердечники	Получение пара от тепла ядерной реакции. Энергия пара движет генераторные паротурбины

Ультразвуковой способ

Студентами Пенсильванского университета (США) на недавней выставке в 2011 году был продемонстрирован способ передачи электротока с помощью ультразвука. Передатчик генерировал акустические волны в ультразвуковом диапазоне, приёмник преобразовывал их в электрический ток. В качестве носителя энергии ультразвук был выбран не случайно. Его воздействие на организм человека абсолютно безвредно.

Несовершенство этого способа заключается в том, что КПД передачи очень низкий, нужны прямая видимость между абонентами и ограниченность расстояния (7-10 метров).

Метод электромагнитной индукции

Работа обыкновенного трансформатора даёт представление о том, как осуществляется передача электричества без проводов методом электромагнитной индукции. В процессе участвуют две катушки. Магнитное поле, возбуждаемое протекающим током по виткам первичной обмотки, индуцирует электрический поток во вторичной обмотке трансформатора.

Примерами использования эффекта электромагнитной индукции могут быть зарядные устройства смартфонов и электрические зубные щётки. Недостатком такого способа передачи энергии является непременная близость катушек. Даже при небольшом увеличении промежутка между обмотками большая часть энергии начинает распыляться в пространстве.

Один из видов электромагнитной индукции – это использование резонанса. Суть способа заключается в том, что приёмник и передатчик функционируют в одном частотном диапазоне. Передающее и приёмное устройства представляют собой соленоид с одним слоем витков. Генерирующий прибор оснащён конденсаторной схемой, с помощью которой он настраивается на частоту приёмника.

Демонстрация метода электромагнитной индукции

Электростатическая индукция

В основе метода заложен принцип прохождения энергии через тело диэлектрика. Способ называют ёмкостной связью. Генератор создаёт в ёмкости электрическое поле, которое возбуждает разницу потенциалов между двумя электродами потребителя.

Никола Тесла для демонстрации беспроводной лампы освещения использовал именно метод электростатической индукции. Лампа получала питание от переменного электрического поля высокой частоты. Она светилась ровно, независимо от её перемещения в пространстве комнаты.

Микроволновое излучение

Специалисты космотехники разработали способ передачи электроэнергии от орбитальных солнечных батарей на космические корабли с помощью радиосигнала микроволнового диапазона. Проблема этого метода состоит в том, что для приёма и передачи пучкового излучения требуются антенны с очень большой диафрагмой.

Учёные НАСА в 1978 году пришли к выводу, что для передачи микроволнового луча частотой 2,45 ГГц излучающая антенна должна иметь диаметр отражающей поверхности 1 км. Приёмная ректенна должна быть диаметром 10 км. Уменьшить эти размеры возможно путём использования сверхкоротких волн. Однако сигналы такого диапазона быстро поглощаются атмосферой или блокируются дождевыми осадками.

Обратите внимание! Безопасная плотность мощности излучаемой энергии равняется 1 мВт/см2. Этой норме отвечает антенна диаметром 10 км с передающей мощностью потенциала 750 МВт

Электропроводность Земли

Существует теория использования недр и океанов Земли для беспроводной передачи энергии. Электропроводимость гидросферы, залежей металлических руд может быть использована для передачи низкочастотного переменного тока. Электростатическая индукция диэлектрических тел может возникать в огромных залежах кварцевого песка и тому подобных минералов.

Передача электрического тока возможна также через воздушное пространство методом электростатической индукции. Никола Тесла в своё время выдвинул предположение, что в будущем появятся технологии, которые для передачи электроэнергии будут использовать землю, океанические воды и атмосферу планеты.

Всемирная беспроводная система

Впервые о Всемирной беспроводной системе передачи электроэнергии стало известно от великого учёного Теслы. В 1904 году он заявил, что создание ВБС, используя высокую электрическую проводимость плазмы и Земли, вполне осуществимо.

Получаем энергию с катушками и без них

Мы пытаемся удалить энергию эфира двумя способами. Сначала трансформатор работает автономно, без дополнительных катушек. Слева — напряжение потребления, справа — ток. Напряжение около 11 вольт, сила тока 1,8. Теперь соединяем две одинаковые катушки. Трубки для снятия вставляются в их середину. На их выходе горят лампочки. Те, которые используются в холодильнике на 220 вольт, 15 ватт. Катушки наматываются так же, как и качер. Все концы луковиц уйдут в землю. Посмотрим, как меняются параметры.

7. Информация об измерении частоты на плате. Как это произошло? Включен во вторичную обмотку. Он пошел от катушки, прошел феррит, затем намотал на кольцо 3 витка обычного провода и выводы пошли на осциллограф. Я положил начало этому. Предел составляет 1 микросекунду. Предел напряжения 1 вольт. Мы смотрим.

Стандартизованные умы

Великие мира сего понимают важность технологий и не хотят допускать смешения стандартов от разных производителей (как это было на заре компьютерной индустрии). Одним из первых Министерство внутренних дел и коммуникаций Японии решило принять стандарты беспроводной передачи энергии. Его варианты были предложены Toshiba, которая уже работает над разработкой, исследованием и стандартизацией стандартов беспроводного питания для бытовой техники

Инициативные группы надеются вывести готовую технологию на рынок в период с 2015 по 2020 годы. Стандартизация будет разделена на три этапа: первый предполагает разработку стандартов индуктивной связи: технология сможет загружать объекты на расстояние до несколько миллиметров на частоте в несколько сотен кГц, вторая стандартизирует метод индуктивной резонансной связи, разработанный в Массачусетском технологическом институте для зарядки объектов на расстоянии нескольких метров от источника… Третья фаза стандартизирует приемники для обеспечения высокой энергоэффективности и, на основе этого стандарта, производители самого разнообразного оборудования смогут разрабатывать новые устройства

Его варианты были предложены Toshiba, которая уже работает над разработкой, исследованием и стандартизацией стандартов беспроводного питания для бытовой техники. Инициативные группы надеются вывести готовую технологию на рынок в период с 2015 по 2020 годы. Стандартизация будет разделена на три этапа: первый предполагает разработку стандартов индуктивной связи: технология сможет загружать объекты на расстояние до несколько миллиметров на частоте в несколько сотен кГц, вторая стандартизирует метод индуктивной резонансной связи, разработанный в Массачусетском технологическом институте для зарядки объектов на расстоянии нескольких метров от источника… Третья фаза стандартизирует приемники для обеспечения высокой энергоэффективности и, на основе этого стандарта, производители самого разнообразного оборудования смогут разрабатывать новые устройства.


Кто бы мог подумать, что такие обыденные вещи, как электрические зубные щетки, одними из первых получат беспроводное питание?	На рисунке показана реализация WiTricity: все приборы, включая настольную лампу, не имеют проводов. Разве это не сказка?

Физика беспроводной передачи электрической энергии

Беспроводная передача электроэнергии на домашние устройства — это новая технология, но основные принципы известны давно. Когда задействованы электричество и магнетизм, уравнения Максвелла по-прежнему управляются, и передатчики посылают энергию приемникам так же, как и другие формы беспроводной связи. Однако беспроводная передача электричества отличается от них основным назначением, которое заключается в передаче самой энергии, а не закодированной в ней информации.

Электромагнитные поля, участвующие в беспроводной передаче электроэнергии, могут быть довольно сильными, поэтому необходимо учитывать безопасность человека. Воздействие электромагнитного излучения может вызвать проблемы, и существует вероятность того, что поля, создаваемые передатчиками электрической энергии, могут помешать работе носимых или имплантированных медицинских устройств.

Передатчики и приемники встроены в устройства для беспроводной передачи электроэнергии так же, как и аккумуляторы, которые они будут заряжать. Фактические схемы преобразования будут зависеть от используемой технологии. Помимо самой передачи электроэнергии, система БПЭ должна обеспечивать связь между передатчиком и приемником. Это гарантирует, что приемник может уведомить зарядное устройство о том, что аккумулятор полностью заряжен. Связь также позволяет передатчику определять местонахождение и идентифицировать приемник, чтобы точно настроить мощность, подаваемую на нагрузку, и контролировать, например, температуру батареи.

При беспроводной передаче электроэнергии важен выбор концепции ближнего или дальнего поля. Технологии передачи, количество передаваемой энергии и требования к расстоянию влияют на то, будет ли система использовать излучение ближнего или дальнего поля.

Точки, для которых расстояние от антенны значительно меньше одной длины волны, находятся в ближнем поле. Энергия в зоне ближнего поля не излучает, и колебания магнитного и электрического полей независимы друг от друга. Емкостная (электрическая) и индуктивная (магнитная) связи могут использоваться для передачи энергии приемнику, расположенному в ближнем поле передатчика.

Точки, для которых расстояние от антенны больше, чем примерно две длины волны, находятся в дальней зоне (между ближней и дальней зонами есть переходная область). Энергия дальнего поля передается в виде обычного электромагнитного излучения. Передача энергии в дальнем поле также называется пучком энергии. Примерами передачи в дальней зоне являются системы, в которых используются мощные лазеры или микроволновое излучение для передачи энергии на большие расстояния.

Digitrode

Концепция беспроводной передачи электроэнергии не нова. Она была впервые продемонстрирована Николой Теслой в 1890 году. Никола Тесла использовал электродинамическую индукционную или резонансную индуктивную связь, зажигая три лампочки на расстоянии 60 футов от источника питания. В этом проекте мы также создадим мини-катушку Тесла для передачи энергии.

Беспроводная передача электроэнергии – это процесс подачи энергии через воздушный зазор без использования каких-либо проводов или физического соединения. В этой беспроводной системе передающее устройство генерирует изменяющееся во времени высокочастотное электромагнитное поле, которое передает энергию на приемное устройство без какого-либо физического соединения. Приемное устройство извлекает энергию из магнитного поля и подает ее на электрическую нагрузку. Поэтому для преобразования электричества в электромагнитное поле в качестве катушки передатчика и приемной катушки используются две намотанные из проводов катушки. Катушка передатчика питается переменным током и создает магнитное поле, которое в дальнейшем преобразуется в полезное напряжение на катушке приемника. В этом примере мы создадим базовую цепь беспроводного передатчика с низким энергопотреблением для зажигания светодиода.

Схема для беспроводной передачи электроэнергии для свечения светодиода проста, и ее можно увидеть на следующем изображении. Она состоит из двух частей: передатчика и приемника.

На стороне передатчика катушка подключена через коллектор транзистора, 17 обмоток с обеих сторон. И приемник построен с использованием трех компонентов – транзистора, резистора и катушки индуктивности с воздушным сердечником с центральным ответвлением или медной катушки. Сторона приемника имеет светодиод, подключенный через 34 витка медной катушки. Здесь используется транзистор NPN, можно взять, например, BC547.

Катушка является важной частью беспроводной передачи энергии и должна быть аккуратно собрана. В этом проекте катушки сделаны с использованием медной проволоки 29AWG

Формирование катушки с центральным ответвлением выполняется на стороне передатчика. Для намотки катушки требуется цилиндрический объект, например, трубка из ПВХ или пластмассовая банка.

Для передатчика намотайте провод до 17 витков, затем организуйте петлю для подключения центрального ответвления и снова сделайте 17 витков катушки. А для приемника сделайте 34 витка обмотки катушки без центрального ответвления.

Обе схемы в данном случае реализованы на макетных платах и питаются от батареи 1,5 В. Цепь не может использоваться для источника питания более 1,5 В, так как транзистор может нагреваться с чрезмерным рассеиванием мощности.

В секции передатчика транзистор генерирует высокочастотный переменный ток через катушку, а катушка создает вокруг нее магнитное поле. Поскольку катушка повернута по центру, две стороны катушки начинают заряжаться. Одна сторона катушки соединена с резистором, а другая сторона соединена с выводом коллектора NPN-транзистора. Во время состояния зарядки базовый резистор начинает проводить, что в конечном итоге включает транзистор. Затем транзистор разряжает индуктор, когда эмиттер соединен с землей. Эта зарядка и разрядка индуктора создает очень высокочастотный сигнал колебаний, который затем передается в виде магнитного поля.

Со стороны приемника это магнитное поле передается в другую катушку, и по закону индукции Фарадея, катушка приемника начинает генерировать напряжение ЭДС, которое дополнительно используется для свечения светодиода.

Эта небольшая схема может работать должным образом, но имеет огромное ограничение. Эта схема не подходит для передачи высокой мощности и имеет ограничение по входному напряжению. КПД тоже очень низкий. Чтобы преодолеть это ограничение, могут быть организованы двухтактные топологии с использованием биполярных транзисторов или полевых транзисторов. Однако для большей эффективности лучше использовать надлежащие микросхемы драйверов беспроводной передачи. Чтобы улучшить дальность передачи, правильно намотайте катушку и увеличьте количество витков в катушке.

digitrode.ru

Высокое напряжение как способ уменьшения потерь

Реальность такова, что передача электроэнергии на большие расстояния неизбежно сопровождается её потерями. Существенная часть электричества, проходя путь от генератора на электростанции до розетки бытового потребителя, превращается в тепло и расходуется на обогрев атмосферы. Однако это не снижает затрат за производство электроэнергии, поэтому конечному пользователю всё же приходится оплачивать и эти нецелевые расходы.

Уменьшить ненужные потери, соответственно, траты, позволяют следующие способы:

применение высокотемпературных сверхпроводников;
увеличение сечения кабелей и проводов ЛЭП;
повышение напряжения в линиях передачи.

За первым способом будущее. Однако сегодня он технически неосуществим. От второго отказались на первых парах развития электроэнергетики, ведь он экономически нецелесообразен из-за лишних расходов на утолщение проводников. Применение высокого напряжения оказалось наиболее удачным методом, поэтому он используется по всему миру уже порядка ста лет.

Список использованной литературы

Веников В. А., Дальние электропередачи, М.– Л., 1960;
Совалов С. А., Режимы электропередач 400–500 кв. ЕЭС, М., 1967;
Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи : учебник / Л.А. Бессонов. — 10-е изд. — М. : Гардарики, 2002.
Электротехника: Учебно-методический комплекс. /И. М. Коголь, Г. П. Дубовицкий, В. Н. Бородянко, В. С. Гун, Н. В. Клиначёв, В. В. Крымский, А. Я. Эргард, В. А. Яковлев; Под редакцией Н. В. Клиначёва. — Челябинск, 2006-2008.
Электрические системы, т. 3 – Передача энергии переменным и постоянным током высокого напряжения, М., 1972.
Яворский Б. М., Детлаф А. А., Справочник по физике для инженеров и студентов вузов, М.: Наука, — 2-е изд., — 1964, — 848с.
Автомобильный справочник BOSCH. Перевод с англ. Первое русское издание. – М.: За рулем, 2002. – 896 с.
Доцент кафедры МСА Кузнецов М.И., Краткий конспект лекций по курсу «Электромеханические системы». – Пермь, 2001.
Богданов К.Ю., Физика. 11 класс. Учебник. — М.: Просвещение, 2010. — 208 с.
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н., Физика. 11 класс. Учебник.19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 399 с.Электрические сети, оборудование, документация, инструкцииПрактическая электроникаЭлектротехникаШкола для электрикаФизический портал для школьниковМозговой штурм трансформатораЭлектротехнический портал для студентов ВУЗов и инженеров

Извините, ничего не найдено.