Беспроводная передача электричества на расстояние: перспективы, способы и существующие устройства без проводов

Обновлено: 03.05.2024

Научные исследования и эксперименты по беспроводной передаче энергии впервые были проведены Николой Тесла в первой половине 20-го века. Нельзя не упомянуть и предшественников Тесла в этих исследованиях - Андре Мари Ампера, открывшего закон, показывающий, что электрический ток производит магнитное поле и Майкла Фарадея и его закон электромагнитной индукции.

В настоящее время в разных странах существует ряд программ, целью которых является разработка систем беспроводной передачи электричества.

Например, в Калифорнии одобрен проект получения к 2016 году электричества из космоса компании Solaren, который предполагает сооружение космической станции с крыльями-панелями, которая 24 часа 7 дней в неделю будет вырабатывать электрический ток.

Ученые из Японского космического агентства впервые опытным путем подтвердили возможность передачи электроэнергии из космического пространства на землю, не используя проводники. Специальный датчик смог передать при помощи микроволнового излучения энергию мощностью примерно 2 киловатта на расстояние 55 километров. Этой мощности достаточно для того, чтобы довести до кипения воду в обычном чайнике.

Подобные планы были еще в 70-е годы XX века, реализовать их хотели к 90-м годам того же века. Почему не получилось?

1) первая причина - дорогивизна;

2) вторая, и главная, - способ доставки энергии на Землю. Кабель не протянешь, всю энергию придется передавать при помощи электромагнитных волн. Вариантов два: лазер и СВЧ-излучение.
Лазер
Лазер - устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Таким образом, мы получаем почти нерасходящийся пучок света с большой плотностью энергии, что облегчает прием луча и преобразование его в электричество. Но при прохождении расстояния до поверхности Земли этот луч заметно расфокусируется и в диаметре будет несколько сотен метров, и греть он будет значительно сильнее Солнца. Могут пострадать, например, пассажиры самолетов и птицы.

Другая проблема - низкий КПД. Потери случаются в трех местах: при преобразовании солнечного света в лазерный, при прохождении им атмосферы и при преобразовании лазерного луча в электричество. На выходе мы получаем лишь небольшую долю изначальной энергии. К тому же на лазер влияют и погодные условия
СВЧ-излучение
Второй способ доставки электричества на Землю - радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ), они проходят атмосферу с невысокими потерями и достаточно эффективно преобразуются в электричество. Это преобразование выполняет ректенна - выпрямляющая антенна.

Учеными подсчитано, что для передачи с орбиты 5ГВт мощности придется строить передатчик в космосе диаметром 1км и приемник на Земле диаметром 10км.

Сейчас идут работы по повышению КПД устройств приема-передачи. Вопрос безопасности решается выделением ненаселённых пространств под прием луча. Например, пустыня.
Можно будет отказаться от атомной энергетики, оставить остатки полезных ископаемых в покое, а нынешние электростанции держать на случай непредвиденных сбоев.

В текущем десятилетии прямо или косвенно сообщается о работах в Масачуссетском Технологическом Университете под руководством М. Солячича. В основе их работ лежит известный индукционный, при помощи магнитного поля, метод передачи электроэнергии, который реализован резонансными плоскими катушками индуктивности. Этот метод в идеале обеспечивает КПД=50%. Характерные показатели их демонстрационного устройства: КПД ≈ 40%, дальность передачи - 2 м, габарит катушек-антенн - 0,6 м, длина волны - 30 м.

Краткий дайджест существующих устройств с беспроводным питанием.

Компания Panasonic выпускает электрическую зубную щетку, которую можно мыть под водой. Это возможно благодаря отсутствию контактов на щетке. А заряжается она с помощью индукционного тока, когда находится в своей подставке.
Компьютерная мышь

Этот грызун от компании A4Tech не имеет проводов, но он привязан к своему коврику, от которого и питается индукционным электричеством.
Телевизор

Компания Sony продемонстрировала 22-дюймовый телевизор, который питается беспроводным способом на расстоянии 50см от передатчика.
Индукционная зарядная панель

Достаточно положить на нее телефон, и он будет заряжаться. И никаких зарядников!

Разработчики заставили гореть 60Вт-ю лампочку с расстояния чуть меньше метра, а чуть позже продемонстрировали возможность работы нетбука без использования аккумулятора и работу стереосистемы (необходимые аудиосигнал и электроэнергия подавались по воздуху).

Чего ждать в будущем?
Представьте, вы приходите домой, а ваши телефон и плеер в кармане и ноутбук в рюкзаке сами начинает заряжаться; никакой возни с зарядными устройствами! Больше не нужно искать по всей квартире разрядившуюся трубку радиотелефона. И батарейки в телевизионном пульте менять не придется - их вообще не будет! Все это возможно, если появится передатчик с необходимой мощностью хотя бы на радиус 6-8 метров. Его можно будет разместить где-нибудь в центре квартиры и он обеспечит электричеством ваше жилище. А если у вас отключат электричество, всегда можно сходить в ближайшее кафе с бесплатной точкой WiTricity! Но тут возникает новая проблема - защита вашего электричества от недобросовестных соседей и студентов с ноутбуками, обтирающих стену под вашим окном. Придётся грамотно рассчитать необходимый радиус действия беспроводного электричества.
Перспективы открываются чудесные. Однако, как уже говорилось выше, влияние на здоровье человека мало изучено. Сильные магнитные поля являются источником электромагнитного излучения. И хотя разработчики утверждают, что технология безопасна для человека, никто не может предугадать, как скажется на здоровье человека такое облучение в течение долгого времени.

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.

Перспективы солнечной энергетики

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.

Пока страны думают, как снизить объемы выбросов CO2 в атмосферу, увеличивая долю ВИЭ и атомной энергии, а десятки компаний ищут идеальный накопитель электроэнергии, новозеландский стартап Emrod презентовал способ беспроводной передачи электроэнергии.

Предприниматель Грег Кушнир задумался о дешевом и надежном способе электроснабжения в обход тяжеловесной инфраструктуры электрических сетей. В ходе исследований изучил работу НАСА и Японского космического агентства, которые планировали собирать солнечную энергию с помощью спутников и транслировать на Землю. Кушнир понял, что способ бесконтактной передачи электроэнергии на расстояния существует. Единичные исследования в этой области натыкались на проблему потерь большей части энергии и прекращались.

Ученый Рэй Симпкин из Callaghan Innovation по заказу Кушнира и при финансовой поддержке государства разработал прототип устройства беспроводной передачи электроэнергии.

Устройство представляет собой выполненные из метаматериалов передающую, принимающую антенны и реле между ними. Электрическая энергия в установке, проходя через передающую антенну, преобразуется в электромагнитные волны, направляется в ретранслирующие экраны, попадает в ректенну и трансформируется обратно в электроэнергию. Дальность действия устройства ограничивается видимостью.

Потеря энергии при передаче на прототипе составляет 30%. Причем эффективность принимающей антенны из радиопоглощающих метаматериалов стремится к 100%.

Прототип разработки с октября тестируется компанией Powerco — вторым по величине поставщиком электроэнергии в Новой Зеландии. Аппарат передает ток мощностью всего 2 кВт, но создатели уверяют, что мощность, как и дальность, легко нарастить.

Для передачи энергии Emrod задействует неионизирующий промышленный, научный и медицинский диапазон частот (ISM). Существуют международные правила безопасности по использованию такой частоты и долгая история применения среди людей без ущерба здоровью.

Представители Emrod утверждают, что установка не угрожает птицам и дронам, оказавшимся на пути электромагнитных волн. Сети лазерных лучей окружают электрический путь, и, если в их периметр попадает объект, передача энергии прерывается, что не сказывается на бесперебойности электроснабжения. Снег, дождь, град, взвеси пыли не приводят к отключению устройства.

Разработчики не планируют вытеснять привычные электрические сети, а предлагают использовать устройство в труднодоступных районах или для быстрого возобновления электроснабжения на аварийных участках сети с помощью машин с антеннами.

Кроме того, установка таких аппаратов позволит передавать энергию станций ВИЭ в регионы с неподходящим для выработки «зеленой энергии» климатом.

15 октября компания написала на официальном сайте о возможном кейсе применения своей разработки для электроснабжении острова Стьюарт. Он расположен в 30 км от Южного острова в Новой Зеландии. 85% территории, а это 1300 квадратных километров, занимает Национальный парк Ракиура. Стьюарт почти полностью покрыт лесом, на острове живут 5 видов пингвинов, коричневая птица киви, редкий вид попугая Нестор-кака.

У национального парка с сохраненной экосистемой есть скелет в шкафу, не гармонирующий с имиджем парка. Потребности в электроэнергии острова покрываются дизельной генерацией и использованием сжиженного нефтяного газа, а годовые выбросы СО2 составляют 820 тонн. Кроме того, стоимость электроэнергии за кВт-ч на полдоллара дороже, чем на территории Новой Зеландии, питающейся от национальных электрических сетей. Люди экономят слишком дорогую энергию, поэтому потребление на человека на острове Стьюарт составляет меньше половины среднего потребления по стране.

Решением проблемы дорогостоящего и неэкологичного энергоснабжения могла бы стать прокладка подводного кабеля или использование энергии солнца и ветра на острове. Однако первый вариант требует огромных затрат, а ВИЭ не покроют потребностей в электроэнергии из-за недостаточной выработки в силу климата. Более того, установки для ВИЭ могут негативно влиять на экосистему. Солнечные панели закроют собой огромную площадь национального парка, а ветряная электростанция создаст вибрацию, к которой чувствительны птицы.

Emrod предлагает передавать энергию бесконтактно от ВИЭ с Южного острова. Компания подсчитала, что беспроводная передача электроэнергии за счет экономии на инфраструктуре снизит тариф для жителей Стьюарта с 0.6$ за кВт-ч до 0,46$ за кВт-ч. Это самый бюджетный вариант за аналогичную мощность.

Если разработка Emrod докажет жизнеспособность, то станет яркой иллюстрацией прорывных технологий, когда вдруг появляется стартап и кардинально меняет отрасль, устанавливая новые недорогие способы передачи электроэнергии.

Читайте также: