Bezdrôtový prenos elektriny na diaľku: vyhliadky, metódy a existujúce zariadenia bez káblov

Keď sa prvýkrát objavil, striedavý elektrický prúd vyzeral ako fantázia. Jeho vynálezca, geniálny fyzik Nikola Tesla, na prelome 19. a 20. storočia skúmal problém bezdrôtového prenosu elektriny na veľké vzdialenosti. Doteraz sa tento problém úplne nevyriešil, ale výsledky sú povzbudivé.

Ultrazvuk na prenos energie

Každá vlna nesie energiu, vrátane vysokofrekvenčných zvukových vĺn. Existujú tri prístupy k bezdrôtovému prenosu elektriny:

• prenos elektrickej energie premenou na inú formu energie pri zdroji a spätnou premenou na elektrickú energiu v prijímacom zariadení;
• vytvorenie a využitie alternatívnych vodičov elektriny (plazmové kanály, stĺpce ionizovaného vzduchu a pod.) );
• využitie vodivých vlastností zemskej litosféry.

Ultrazvuková metóda patrí k prvému prístupu. V špeciálnom type zdroja ultrazvuku sa pri použití energie generuje smerovaný lúč vysokofrekvenčných zvukových vĺn. Keď zasiahnu prijímač, energia zvukových vĺn sa premení na elektrický prúd.

Maximálna vzdialenosť pre prenos energie bez drôtov je 10 metrov. Výsledok získali v roku 2011 zástupcovia Pensylvánskej univerzity počas prezentácie na výstave „The All Things Digital“. Táto metóda sa nepovažuje za sľubnú kvôli niekoľkým jej nevýhodám: nízka účinnosť, nízke napätie a obmedzenie sily ultrazvukového žiarenia hygienickými normami.

Aplikácia elektromagnetickej indukcie

Hoci si to väčšina ľudí ani neuvedomuje, táto metóda sa používa už veľmi dlho, takmer od úplného začiatku používania striedavého prúdu. Najbežnejší AC transformátor je najjednoduchšie zariadenie na bezdrôtový prenos energie, len prenosová vzdialenosť je veľmi krátka.

Primárne a sekundárne vinutie transformátora nie je zapojené do jedného obvodu a pri pretekaní striedavého prúdu v primárnom vinutí vzniká v sekundárnom elektrický prúd. V tomto prípade dochádza k prenosu energie prostredníctvom elektromagnetického poľa. Preto tento spôsob bezdrôtového prenosu energie využíva premenu energie z jedného typu na druhý.

V každodennom živote sa už vyvinulo množstvo zariadení, ktorých prevádzka je založená na tejto metóde. Ide o bezdrôtové nabíjačky pre mobilné telefóny a iné vychytávky a domáce elektrospotrebiče s nízkou spotrebou. elektriny počas prevádzky (kompaktné CCTV kamery, všetky druhy senzorov a dokonca aj televízory s LCD obrazovky).

Mnohí odborníci tvrdia, že elektrické vozidlá budúcnosti budú využívať bezdrôtové technológie na nabíjanie batérií alebo výrobu elektriny na jazdu. V komunikáciách budú osadené indukčné cievky (analógy primárneho vinutia transformátora). Vytvoria striedavé elektromagnetické pole, ktoré pri prejazde vozidla spôsobí prúdenie elektrického prúdu v zabudovanej prijímacej cievke. Prvé experimenty už boli vykonané a získané výsledky vyvolávajú zdržanlivý optimizmus.

Z výhod tejto metódy možno poznamenať:

• vysoká účinnosť na krátke vzdialenosti (rádovo niekoľko metrov);
• jednoduchosť dizajnu a zvládnutá technológia aplikácie;
• relatívnej bezpečnosti pre ľudské zdravie.

Nevýhoda tejto metódy - malá vzdialenosť, na ktorú je prenos energie efektívny - výrazne znižuje oblasť použitia bezdrôtovej elektriny na báze elektromagnetickej indukcie.

Použitie rôznych mikrovĺn

Táto metóda je tiež založená na premene rôznych druhov energie. Ultravysokofrekvenčné elektromagnetické vlny slúžia ako nosič energie. Prvýkrát túto metódu opísal a prakticky implementoval vo svojej inštalácii japonský fyzik a rádiotechnik Hidetsugu Yagi v dvadsiatych rokoch minulého storočia. Frekvencia rádiových vĺn pre bezdrôtový prenos elektriny sa pohybuje od 2,4 GHz do 5,8 GHz. Experimentálne nastavenie už bolo testované a dostalo pozitívnu spätnú väzbu, ktoré súčasne distribuuje Wi-Fi a napája nízkoenergetické domáce spotrebiče.

Laserový lúč je tiež elektromagnetické žiarenie, ale so špeciálnou vlastnosťou - koherenciou. Znižuje straty energie pri prenose a tým zvyšuje účinnosť. Z výhod možno poznamenať:

• možnosť prenosu na veľké vzdialenosti (desiatky kilometrov v zemskej atmosfére);
• pohodlie a jednoduchosť inštalácie pre zariadenia s nízkym výkonom;
• prítomnosť vizuálnej kontroly procesu prenosu - laserový lúč je viditeľný voľným okom.

Laserová metóda má aj nevýhody, a to: relatívne nízku účinnosť (45-50%), straty energie v dôsledku atmosférické javy (dážď, hmla, oblaky prachu) a nutnosť lokalizovať vysielač a prijímač v teréne viditeľnosť.

Vyhliadky na solárnu energiu

Intenzita slnečného žiarenia mimo zemskej atmosféry je niekoľko desiatok krát vyššia ako na zemskom povrchu. V budúcnosti sa preto podľa futurológov budú solárne elektrárne nachádzať na obežnej dráhe blízko Zeme. A prenos nahromadenej elektriny sa podľa ich názoru uskutoční bez drôtov nesúcich prúd. Bude vyvinutá a aplikovaná prenosová metóda kopírujúca výboje blesku, plánuje sa ionizácia vzduchu tak či onak. A prvé experimenty v tomto smere už boli vykonané. Táto metóda je založená na vytvorení alternatívnych bezdrôtových vodičov elektrického prúdu.

Bezdrôtová elektrina, ktorá je prijímaná týmto spôsobom z obežnej dráhy v blízkosti Zeme, má impulzívny charakter. Pre jeho praktickú aplikáciu sú preto potrebné výkonné a lacné kondenzátory a bude potrebné vyvinúť aj spôsob ich postupného vybíjania.

Najefektívnejšia metóda

Planéta Zem je obrovský kondenzátor. Litosféra vedie prevažne elektrický prúd, s výnimkou jej malých častí. Existuje teória, že bezdrôtový prenos energie môže prebiehať cez zemskú kôru. Pointa je toto: zdroj prúdu sa spoľahlivo dotýka zemského povrchu, striedavý prúd určitej frekvencie prúdi zo zdroja do kôry a sa šíri všetkými smermi, v určitých rozostupoch v zemi sú umiestnené prijímače elektrického prúdu, z ktorých sa prenáša spotrebiteľov.

Podstatou teórie je prijať a využiť prúd len jednej danej frekvencie. Rovnako ako v rádiovom prijímači sa upravuje frekvencia prijímania rádiových vĺn, takže v takýchto elektrických prijímačoch sa upraví frekvencia prijímaného prúdu. Teoreticky bude touto metódou možné prenášať elektrinu na veľmi veľké vzdialenosti, ak je frekvencia striedavého prúdu nízka, rádovo niekoľko Hz.

Vyhliadky na bezdrôtový prenos elektriny

V blízkej budúcnosti sa očakáva masové zavedenie systému PoWiFi, pozostávajúceho z routerov s prenosovou funkciou elektrina na niekoľko desiatok metrov, a domáce spotrebiče, ktoré sú poháňané prijímacou elektrinou z rádiových vĺn. Takýto systém sa v súčasnosti aktívne testuje a pripravuje sa na široké použitie. Podrobnosti neboli zverejnené, no podľa dostupných informácií je „vrcholom“ to, že využíva synchronizáciu elektromagnetických polí zdroja a prijímača bezdrôtovej elektriny.

Vo veľmi vzdialenej budúcnosti sa uvažuje o možnosti upustiť od používania tradičných elektrární v celosvetovom meradle - budú využívané solárne stanice na nízkej obežnej dráhe Zemepremena energie slnečného žiarenia na elektrickú energiu. Elektrina bude pravdepodobne prenášaná na povrch planéty prostredníctvom ionizovaného vzduchu alebo plazmových kanálov. A na samotnom zemskom povrchu zaniknú klasické elektrické vedenia, ich miesto zaujmú kompaktnejšie a efektívnejšie systémy na prenos elektriny cez litosféru.