Bezprzewodowa transmisja energii elektrycznej na odległość: perspektywy, metody i istniejące urządzenia bez przewodów

Kiedy pojawił się po raz pierwszy, zmienny prąd elektryczny wydawał się fantazją. Jej wynalazca, genialny fizyk Nikola Tesla, na przełomie XIX i XX wieku badał problem bezprzewodowej transmisji energii elektrycznej na duże odległości. Jak dotąd problem ten nie został w pełni rozwiązany, ale wyniki są zachęcające.

Ultradźwięki do transmisji energii

Każda fala przenosi energię, w tym fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości. Istnieją trzy podejścia do bezprzewodowej transmisji energii elektrycznej:

• przekazywanie energii elektrycznej poprzez konwersję na inną formę energii u źródła i odwrotną konwersję na energię elektryczną w urządzeniu odbiorczym;
• tworzenie i wykorzystanie alternatywnych przewodników elektryczności (kanały plazmowe, kolumny zjonizowanego powietrza itp.) );
• wykorzystanie przewodzących właściwości litosfery Ziemi.

Metoda ultradźwiękowa należy do pierwszego podejścia. W specjalnym typie źródła ultradźwięków, po włączeniu zasilania, generowana jest ukierunkowana wiązka fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości. Kiedy uderzają w odbiornik, energia fal dźwiękowych zamienia się w prąd elektryczny.

Maksymalna odległość przesyłu energii bez przewodów wynosi 10 metrów. Wynik uzyskali w 2011 roku przedstawiciele University of Pennsylvania podczas prezentacji na wystawie „The All Things Digital”. Metoda ta nie jest uważana za obiecującą ze względu na kilka jej wad: niską wydajność, niskie uzyskiwane napięcie i ograniczenie siły promieniowania ultradźwiękowego przez normy sanitarne.

Zastosowanie indukcji elektromagnetycznej

Chociaż większość ludzi nawet nie zdaje sobie z tego sprawy, ta metoda jest stosowana od bardzo dawna, niemal od samego początku stosowania prądu przemiennego. Najpopularniejszy transformator AC to najprostsze bezprzewodowe urządzenie do transmisji mocy, tylko odległość transmisji jest bardzo krótka.

Uzwojenia pierwotnego i wtórnego transformatora nie są połączone w jeden obwód, a gdy w uzwojeniu pierwotnym płynie prąd przemienny, w uzwojeniu wtórnym powstaje prąd elektryczny. W tym przypadku transfer energii odbywa się za pośrednictwem pola elektromagnetycznego. Dlatego ta metoda bezprzewodowej transmisji mocy wykorzystuje konwersję energii z jednego typu na inny.

Szereg urządzeń zostało już opracowanych i jest z powodzeniem stosowanych w życiu codziennym, których działanie opiera się na tej metodzie. Są to bezprzewodowe ładowarki do telefonów komórkowych i innych gadżetów oraz AGD o niskim zużyciu energii. prąd podczas pracy (kompaktowe kamery CCTV, wszelkiego rodzaju czujniki a nawet telewizory z LCD) ekrany).

Wielu ekspertów twierdzi, że pojazdy elektryczne przyszłości będą wykorzystywać technologie bezprzewodowe do ładowania akumulatorów lub generowania energii elektrycznej do jazdy. W drogach zostaną zainstalowane cewki indukcyjne (analogi uzwojenia pierwotnego transformatora). Wytworzą one zmienne pole elektromagnetyczne, które po przejechaniu nad nim pojazdu spowoduje przepływ prądu elektrycznego we wbudowanej cewce odbiorczej. Przeprowadzono już pierwsze eksperymenty, a uzyskane wyniki napawają umiarkowanym optymizmem.

Z zalet tej metody można zauważyć:

• wysoka wydajność na krótkich dystansach (rzędu kilku metrów);
• prostota projektu i opanowana technologia aplikacji;
• względne bezpieczeństwo dla zdrowia ludzkiego.

Wada tej metody – niewielka odległość, przy której transmisja energii jest skuteczna – znacznie ogranicza pole zastosowania bezprzewodowej energii elektrycznej opartej na indukcji elektromagnetycznej.

Korzystanie z różnych mikrofal

Ta metoda opiera się również na konwersji różnych rodzajów energii. Fale elektromagnetyczne o ultrawysokiej częstotliwości służą jako nośnik energii. Po raz pierwszy metoda ta została opisana i praktycznie wdrożona w jego instalacji przez japońskiego fizyka i technika radiowego Hidetsugu Yagi w latach dwudziestych ubiegłego wieku. Częstotliwość fal radiowych do bezprzewodowego przesyłania energii elektrycznej waha się od 2,4 GHz do 5,8 GHz. Konfiguracja eksperymentalna została już przetestowana i otrzymała pozytywne opinie, która jednocześnie dystrybuuje Wi-Fi i zasila domowe urządzenia elektryczne małej mocy.

Wiązka lasera to również promieniowanie elektromagnetyczne, ale o szczególnej właściwości - koherencji. Zmniejsza straty energii podczas przesyłu, a tym samym zwiększa wydajność. Spośród zalet można zauważyć:

• możliwość transmisji na duże odległości (kilkadziesiąt kilometrów w atmosferze ziemskiej);
• wygoda i łatwość instalacji dla urządzeń o małej mocy;
• obecność wizualnej kontroli procesu transmisji - wiązka lasera jest widoczna gołym okiem.

Metoda laserowa ma również wady, a mianowicie: stosunkowo niską wydajność (45-50%), straty energii na skutek zjawiska atmosferyczne (deszcz, mgła, chmury kurzu) oraz konieczność lokalizacji nadajnika i odbiornika w terenie widoczność.

Perspektywy energii słonecznej

Intensywność światła słonecznego poza atmosferą ziemską jest kilkadziesiąt razy większa niż na powierzchni ziemi. Dlatego w przyszłości, według futurologów, elektrownie słoneczne będą znajdować się na orbicie okołoziemskiej. A transfer nagromadzonej energii elektrycznej, ich zdaniem, odbędzie się bez przewodów przewodzących prąd. Zostanie opracowana i zastosowana metoda transmisji, która kopiuje wyładowania piorunowe, planowana jest jonizacja powietrza w taki czy inny sposób. A pierwsze eksperymenty w tym kierunku zostały już przeprowadzone. Metoda ta opiera się na tworzeniu alternatywnych bezprzewodowych przewodników prądu elektrycznego.

Odbierana w ten sposób z orbity okołoziemskiej, bezprzewodowa energia elektryczna ma charakter impulsowy. Dlatego do jego praktycznego zastosowania potrzebne są mocne i niedrogie kondensatory, a także konieczne będzie opracowanie metody ich stopniowego rozładowywania.

Najbardziej skuteczna metoda

Planeta Ziemia to ogromny kondensator. Litosfera przewodzi głównie elektryczność, z wyjątkiem jej niewielkich części. Istnieje teoria, że ​​bezprzewodowa transmisja energii może odbywać się przez skorupę ziemską. Najważniejsze jest to: źródło prądu niezawodnie styka się z powierzchnią ziemi, prąd przemienny o określonej częstotliwości płynie od źródła do skorupy i rozchodzi się we wszystkich kierunkach, w określonych odstępach w ziemi umieszczone są odbiorniki prądu elektrycznego, z którego jest przesyłany konsumentów.

Istotą teorii jest przyjęcie i wykorzystanie prądu tylko o jednej danej częstotliwości. Podobnie jak w odbiorniku radiowym, częstotliwość odbioru fal radiowych jest regulowana, więc w takich odbiornikach elektrycznych częstotliwość odbieranego prądu będzie regulowana. Teoretycznie tą metodą będzie można przesyłać energię elektryczną na bardzo duże odległości, jeśli częstotliwość prądu przemiennego jest niska, rzędu kilku Hz.

Perspektywy bezprzewodowej transmisji energii elektrycznej

W najbliższym czasie spodziewane jest masowe wprowadzenie systemu PoWiFi, składającego się z routerów z funkcją transmisji prąd na kilkadziesiąt metrów oraz sprzęt AGD, który jest zasilany z odbioru energii elektrycznej z fal radiowych. Taki system jest obecnie aktywnie testowany i przygotowywany do szerokiego zastosowania. Szczegóły nie zostały ujawnione, ale według dostępnych informacji „podkreśleniem” jest to, że wykorzystuje synchronizację pól elektromagnetycznych źródła i odbiornika bezprzewodowej energii elektrycznej.

W bardzo odległej przyszłości rozważana jest możliwość rezygnacji z tradycyjnych elektrowni w skali globalnej - zostaną wykorzystane stacje słoneczne na orbicie niskoziemskiejprzekształcanie energii światła słonecznego w energię elektryczną. Elektryczność będzie prawdopodobnie przesyłana na powierzchnię planety przez zjonizowane kanały powietrzne lub plazmowe. A na powierzchni Ziemi znikną konwencjonalne linie energetyczne, a ich miejsce zajmą bardziej zwarte i wydajne systemy przesyłu energii elektrycznej przez litosferę.