Bezdrátový přenos elektřiny na dálku: vyhlídky, metody a stávající zařízení bez drátů

Když se poprvé objevil, střídavý elektrický proud vypadal jako fantazie. Jeho vynálezce, geniální fyzik Nikola Tesla, na přelomu 19. a 20. století zkoumal problém bezdrátového přenosu elektřiny na velké vzdálenosti. Doposud tento problém nebyl zcela vyřešen, ale výsledky jsou povzbudivé.

Ultrazvuk pro přenos energie

Jakákoli vlna nese energii, včetně vysokofrekvenčních zvukových vln. Existují tři přístupy k bezdrátovému přenosu elektřiny:

• přenos elektrické energie prostřednictvím přeměny na jinou formu energie u zdroje a zpětné přeměny na elektřinu v přijímacím zařízení;
• vytvoření a využití alternativních vodičů elektřiny (plazmové kanály, sloupce ionizovaného vzduchu atd.) );
• využití vodivých vlastností zemské litosféry.

Ultrazvuková metoda patří k prvnímu přístupu. Ve speciálním typu zdroje ultrazvuku se při použití energie generuje směrovaný paprsek vysokofrekvenčních zvukových vln. Při dopadu na přijímač se energie zvukových vln přemění na elektrický proud.

Maximální vzdálenost bezdrátového přenosu elektřiny je 10 metrů. Výsledek získali v roce 2011 zástupci Pensylvánské univerzity během prezentace na výstavě „The All Things Digital“. Tato metoda není považována za perspektivní kvůli několika jejím nevýhodám: nízká účinnost, nízké získané napětí a omezení síly ultrazvukového záření hygienickými normami.

Aplikace elektromagnetické indukce

Přestože si to většina lidí ani neuvědomuje, tato metoda se používá již velmi dlouho, téměř od samého počátku používání střídavého proudu. Nejběžnější střídavý transformátor je nejjednodušší zařízení pro bezdrátový přenos energie, pouze přenosová vzdálenost je velmi krátká.

Primární a sekundární vinutí transformátoru nejsou zapojeny v jednom obvodu a při protékání střídavého proudu v primárním vinutí vzniká v sekundáru elektrický proud. V tomto případě dochází k přenosu energie prostřednictvím elektromagnetického pole. Proto tento způsob bezdrátového přenosu energie využívá přeměnu energie z jednoho typu na druhý.

V každodenním životě již byla vyvinuta a úspěšně používána řada zařízení, jejichž provoz je založen na této metodě. Jedná se o bezdrátové nabíječky pro mobilní telefony a další vychytávky a domácí elektrospotřebiče s nízkou spotřebou. elektřiny během provozu (kompaktní CCTV kamery, všechny druhy senzorů a dokonce i televizory s LCD obrazovky).

Mnoho odborníků tvrdí, že elektromobily budoucnosti budou využívat bezdrátové technologie k nabíjení baterií nebo výrobě elektřiny pro jízdu. V komunikacích budou instalovány indukční cívky (analogy primárního vinutí transformátoru). Vytvoří střídavé elektromagnetické pole, které při průjezdu vozidla způsobí, že ve vestavěné přijímací cívce protéká elektrický proud. První experimenty již byly provedeny a získané výsledky vzbuzují zdrženlivý optimismus.

Z výhod této metody lze poznamenat:

• vysoká účinnost na krátké vzdálenosti (řádově několik metrů);
• jednoduchost designu a zvládnutá technologie aplikace;
• relativní bezpečnost pro lidské zdraví.

Nevýhoda této metody - malá vzdálenost, na kterou je přenos energie efektivní - výrazně snižuje pole aplikace bezdrátové elektřiny založené na elektromagnetické indukci.

Použití různých mikrovln

Tato metoda je také založena na přeměně různých druhů energie. Ultravysokofrekvenční elektromagnetické vlny slouží jako nosič energie. Poprvé tuto metodu popsal a prakticky realizoval ve své instalaci japonský fyzik a radiotechnik Hidetsugu Yagi ve dvacátých letech minulého století. Frekvence rádiových vln pro bezdrátový přenos elektřiny se pohybuje od 2,4 GHz do 5,8 GHz. Experimentální nastavení již bylo testováno a obdrželo pozitivní zpětnou vazbu, které současně distribuuje Wi-Fi a napájí nízkoenergetické domácí elektrické spotřebiče.

Laserový paprsek je také elektromagnetické záření, ale se zvláštní vlastností - koherence. Snižuje energetické ztráty při přenosu a tím zvyšuje účinnost. Z výhod lze poznamenat následující:

• možnost přenosu na velké vzdálenosti (desítky kilometrů v zemské atmosféře);
• pohodlí a snadná instalace pro zařízení s nízkou spotřebou energie;
• přítomnost vizuální kontroly procesu přenosu - laserový paprsek je viditelný pouhým okem.

Laserová metoda má také nevýhody, a to: relativně nízkou účinnost (45-50 %), energetické ztráty v důsledku atmosférické jevy (déšť, mlha, oblaka prachu) a nutnost lokalizovat vysílač a přijímač v terénu viditelnost.

Vyhlídky na solární energii

Intenzita slunečního záření mimo zemskou atmosféru je několik desítekkrát vyšší než na zemském povrchu. V budoucnu se proto podle futurologů budou solární elektrárny nacházet na blízké orbitě Země. A přenos akumulované elektřiny bude podle jejich názoru prováděn bez vodičů s proudem. Bude vyvinut a aplikován způsob přenosu, kopírující výboje blesku, plánuje se tak či onak ionizovat vzduch. A první experimenty v tomto směru již byly provedeny. Tato metoda je založena na vytvoření alternativních bezdrátových vodičů elektrického proudu.

Bezdrátová elektřina přijímaná tímto způsobem z oběžné dráhy v blízkosti Země je impulzivní povahy. Pro jeho praktickou aplikaci jsou tedy potřeba výkonné a levné kondenzátory a také bude nutné vyvinout způsob jejich postupného vybíjení.

Nejúčinnější metoda

Planeta Země je obrovský kondenzátor. Litosféra vede převážně elektrický proud, s výjimkou jejích malých částí. Existuje teorie, že bezdrátový přenos energie může probíhat přes zemskou kůru. Závěr je následující: zdroj proudu se spolehlivě dotýká zemského povrchu, střídavý proud o určité frekvenci proudí ze zdroje do kůry a se šíří všemi směry, v určitých rozestupech v zemi jsou umístěny přijímače elektrického proudu, ze kterého je vysílán spotřebitelů.

Podstatou teorie je přijmout a využít proud pouze jedné dané frekvence. Stejně jako u rádiového přijímače je frekvence přijímaných rádiových vln upravena, takže v takových elektrických přijímačích bude upravena frekvence přijímaného proudu. Teoreticky bude touto metodou možné přenášet elektřinu na velmi dlouhé vzdálenosti, pokud je frekvence střídavého proudu nízká, řádově několik Hz.

Vyhlídky na bezdrátový přenos elektřiny

V blízké budoucnosti se očekává masové zavedení systému PoWiFi, složeného z routerů s přenosovou funkcí elektřina na několik desítek metrů a domácí spotřebiče, které jsou napájeny příjmem elektřiny z rádiových vln. Takový systém je v současné době aktivně testován a připravuje se pro široké použití. Podrobnosti nebyly zveřejněny, ale podle dostupných informací je „vrcholem“ toho, že využívá synchronizaci elektromagnetických polí zdroje a přijímače bezdrátové elektřiny.

Ve velmi vzdálené budoucnosti se zvažuje varianta opustit využívání tradičních elektráren v celosvětovém měřítku - budou využívány solární stanice na nízké oběžné dráze Zeměpřeměnu energie slunečního světla na elektrickou energii. Elektřina bude pravděpodobně přenášena na povrch planety prostřednictvím ionizovaného vzduchu nebo plazmových kanálů. A na zemském povrchu zmizí konvenční elektrické vedení a jejich místo nastoupí kompaktnější a efektivnější systémy pro přenos elektřiny litosférou.