Передача електроенергії на відстань без проводів

Питанням передачі електрики без дротів вчені займаються вже третє століття. Останнім часом питання не те щоб не втратив актуальності, а навпаки зробив крок вперед, що тільки радує. Читачам сайту Сам Електрик ми вирішили детально розповісти як розвивалася бездротова передача електроенергії на відстані від початку і до наших днів, а також які технології вже практикуються.

Історія розвитку

Передача електроенергії на відстань без проводів рука об руку розвивається з прогресом в області радіопередачі, тому що принцип дії в цих явищах багато в чому схожий, якщо не сказати однаковий. Велика частина винаходів грунтується на методі електромагнітної індукції, а також електростатичного поля.

У 1820 році А.М. Ампер відкрив закон взаємодії струмів, який полягав, в тому, що якщо за двома близько розташованим провідникам струм тече в одному напрямку, то вони притягуються один до одного, а якщо в різних, то відштовхуються.

М. Фарадей в 1831 році встановив в процесі проведення експериментів, що змінне (мінливий по величині і напрямку в часі) магнітне поле, яке породжене протіканням електричного струму, наводить (індукує) струми в довколишніх провідниках. Тобто відбувається передача електроенергії без проводів. Детально закон Фарадея ми розглядали в статті раніше.

Ну а Дж. К. Максвелл ще через 33 роки, в 1864 році переклав експериментальні дані Фарадея в математичний вигляд, власне рівняння Максвелла є основоположними в електродинаміки. Вони описують, як пов'язані електричний струм і електромагнітне поле.

Існування електромагнітних хвиль підтвердив в 1888 Г. Герц, в ході своїх експериментів з іскровим передавачем з переривачем на котушці Румкорфа. Таким чином проводилися ЕМ хвилі з частотою до пів гігагерца. Варто відзначити, що ці хвилі могли бути прийняті декількома приймачами, але ті повинні бути налаштовані в резонанс з передавачем. Радіус дії установки був в районі 3-х метрів. Коли в передавачі виникала іскра, такі ж виникали і на приймачах. Фактично це і є перші досліди з передачі електричної енергії без проводів.

Глибокі дослідження вів відомий вчений Нікола Тесла. Він в 1891 році вивчав змінний струм високої напруги і частоти. В результаті чого були зроблені висновки:

Для кожної конкретної мети потрібно налаштовувати установку на відповідну частоту і напругу. При цьому висока частота не є обов'язковою умовою. Кращі результати вдалося домогтися при частоті 15-20 кГц і напрузі передавача 20кВ. Щоб отримати струм високої частоти і напруги використовувався коливальний розряд конденсатора. Таким чином, можна передавати як електроенергію, так і виробляти світло.

Вчений на своїх виступах і лекціях демонстрував світіння ламп (вакуумних трубок) під впливом високочастотного електростатичного поля. Власне основними висновками Тесли було те, що навіть в разі використання резонансних систем багато енергії за допомогою електромагнітної хвилі передати не вийде.

Паралельно цілий ряд вчених до 1897 роки займалися подібними дослідженнями: Джагдиш Боше в Індії, Олександр Попов в Росії і Гульєльмо Марконі в Італії.

Кожен з них вніс свій внесок в розвиток бездротової передачі електроенергії:

  • Дж. Боше в 1894 році, запалював порох, передавши електроенергію на відстань без проводів. Це він зробив на демонстрації в Калькутті.
  • А. Попов в 25 квітня (7 травня) 1895 року за допомогою азбуки Морзе передав перше повідомлення. У Росії до цих пір цей день, 7 травня, є Днем Радіо.
  • У 1896 році Г. Марконі в Великобританії також передав радіосигнал (азбука Морзе) на відстань в 1,5 км, пізніше на 3 км на Солсберийской рівнині.

Варто відзначити, що роботи Тесла, недооцінені свого часу і втрачені на століття, перевершували за параметрами і можливостям роботи його сучасників. У той же час, а саме в 1896 році його апарати передавали сигнал на великі відстані (48 км), на жаль це було невеликою кількістю електроенергії.

І до 1899 року Тесла приходить до висновку:

Неспроможність методу індукції представляється величезною в порівнянні з методом збудження заряду землі і повітря.

Ці висновку приведуть до інших досліджень, в 1900 році йому вдалося живити лампу від котушки, винесеною в поле, а в 1903 році була запущена вежа Вондеркліфф на Лонг-Айленді. Вона складалася з трансформатора з заземленою вторинною обмоткою, а на її вершині стояв мідний сферичний купол. З її допомогою вийшло запалити 200 50-ватних ламп. При цьому передавач знаходився за 40 км від неї. На жаль, ці дослідження були перервані, фінансування було припинено, а безкоштовна передача електроенергії без проводів була економічно вигідною бізнесменам. Вежу зруйнували в 1917 році.

У наш час

Технології бездротової передачі електроенергії сильно зробили крок вперед, в основному в області передачі даних. Так значних успіхів досягла радіозв'язок, бездротові технології типу Bluetooth і Wi-fi. Особливих нововведень не відбулося, в основному змінювалися частоти, способи шифрування сигналу, уявлення сигналу перейшло з аналогового в цифровий вигляд.

Якщо вести мову про передачу електроенергії без проводів для живлення електрообладнання, варто згадати про те, що в 2007 році дослідники з Массачусетського інституту передали енергію на 2 метри і запалили 60-ватну лампочку таким чином. Ця технологія отримала назви WiTricity, в її основі електромагнітний резонанс приймача і передавача. Варто відзначити, що приймач отримує близько 40-45% електроенергії.

На відео приклад застосування цієї технології для зарядки електромобіля. Суть полягає в тому, що на дно електромобіля кріплять приймач, а в гаражі або на іншому місці встановлюють передавач на підлозі.

Ви повинні поставити машину так, щоб приймач розташовувався над передавачем. Пристрій передає досить багато електроенергії без проводів - від 3,6 до 11 кВт на годину.

Компанія в перспективі розглядає забезпечення електрикою такою технологією і побутової техніки, а також всієї квартири в цілому. У 2010 році компанія Haier представила бездротової телевізор, який отримує харчування з допомогою аналогічної технології, а також відеосигнал без проводів. Подібні розробки ведуть і інші провідні світові компанії, такі як Intel, Sony.

У побуті широко поширені технології бездротової передачі електроенергії, наприклад, для зарядки смартфона. Принцип аналогічний - є передавач, є приймач, ККД близько 50%, тобто для заряду струмом в 1А передавач буде споживати 2А. Передавач зазвичай в таких комплектах називається базою, а та частина, що підключається до телефону - приймачем або антеною.

Інший нішею є бездротова передача електрики за допомогою мікрохвиль або лазера. Це забезпечує більший радіус дії, ніж пара метрів, які забезпечує магнітна індукція. У мікрохвильовому способі на приймаючий пристрій встановлюють ректенну (нелінійна антена для перетворення електромагнітної хвилі в постійний струм), а передавач направляє своє випромінювання в цю сторону. У такому варіанті бездротової передачі електрики відсутня необхідність прямої видимості об'єктів. Мінусом є те, що мікрохвильове випромінювання небезпечно для навколишнього середовища.

Рекомендуємо переглянути відео, на якому більш детально розглянуто питання:

На закінчення хотілося б відзначити - бездротова передача електрики, безумовно, зручна для використання в повсякденному житті, але у неї є свої плюси і мінуси. Якщо говорити про використання таких технологій для заряду гаджетів, то плюсом є те, що вам не доведеться постійно вставляти і виймати з роз'єму вашого смартфона штекер, відповідно роз'єм не вийде з ладу. Мінусом є низький ККД, якщо для смартфона втрати енергії не істотні (кілька Ватт), то для бездротової зарядки електромобіля - це дуже велика проблема. Основною метою розвитку в цій технології є підвищити ККД установки, адже на тлі повсюдної гонки за енергозбереженням використання технологій з низьким ККД досить сумнівно.

Схожі матеріали:

 

Ви не маєте права надсилати коментарі