Введение в беспроводную передачу энергии (WPT)
Беспроводная передача энергии (WPT) относится к эффективной передаче электроэнергии с одной точки без использования провода или любого другого вещества.
Никола Тесла в своей Колорадской лаборатории с увеличительным передатчиком в действии, генерирующей 20 миллионов вольт электричества
Эта технология может использоваться там, где обычные провода недоступны, неудобны, дороги, опасны, нежелательны или невозможны. Он также может использоваться для приложений, где требуется либо мгновенная сумма, либо непрерывная подача энергии. Мощность может передаваться с использованием микроволн, миллиметровых волн или лазеров.
WPT - это технология, которая может переносить электроэнергию в места, которых практически невозможно достичь.
Теория электромагнетизма Максвелла была опубликована в 1865 году, в которой говорилось, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света, а сам свет - именно такая волна. В 1886 году Герц успешно провел эксперимент с импульсной беспроводной передачей энергии. Он изготовил аппарат, который продуцировал и обнаруживал микроволны в области УВЧ.
В 1899 году Тесла провел эксперименты в области импульсного беспроводного переноса энергии. Увеличивающий передатчик Теслы, ранний тип катушки Тесла, который измерял диаметр 16 метров, смог передавать десятки тысяч ватт без проводов.
Знаменитая башня Тесла, построенная в Шорехаме, Лонг-Айленд, Нью-Йорк, была 187 футов в высоту, сферическая вершина была 68 футов в диаметре. Башня, которую должна была использовать Никола Тесла, его «Мир беспроводной» никогда не заканчивалась.
В 1897 году он подал свои первые патенты, касающиеся башни Варденклиффа. Предполагалось, что эта башня станет экспериментальной установкой для его «Всемирной беспроводной системы» для трансляции энергии по всему миру. Но он не смог полностью функционировать из-за экономических проблем.
Компания Raytheon провела первый успешный эксперимент WPT в 1963 году. Во время этого эксперимента энергия передавалась с КПД DC-DC на 13%. В1975 году реактивная лаборатория НАСА провела эксперимент и продемонстрировала передачу 30 кВт на расстояние 1 миля, используя антенную решетку, установленную на объекте Голдстоун. Этот тест доказал возможности беспроводной связи вне лаборатории.
Rockwell International и David Sarnoff Laboratory работали в 1991 году на микроволновом двигателе с частотой 5, 86 ГГц. Было передано три киловатт мощности и получено 500 Вт.
Технология WPT
Электричество необходимо преобразовать в подходящую энергетическую форму для его транспортировки. Для беспроводной передачи это должно быть форма, которая может перемещаться по воздуху.
Микроволновые частоты удерживают эту способность. Микроволновый спектр определяется как электромагнитная энергия в диапазоне от приблизительно 1 ГГц до 1000 ГГц по частоте, но более старое использование включает более низкие частоты.
Наиболее распространенные приложения находятся в диапазоне от 1 до 40 ГГц.
Аппарат для передачи электрической энергии Никола Тесла
Полная система СВЧ-передачи состоит из трех основных частей:
- Электрическая мощность преобразования микроволновой энергии
- Абсорбционная антенна, которая захватывает волны
- (Re) преобразования в электроэнергию
Компоненты включают в себя источник СВЧ, передающую антенну и приемную антенну. Микроволновый источник состоит из электронных трубок или твердотельных устройств с электроникой для управления выходной мощностью. Наиболее популярными являются щелевая волноводная антенна, параболическая тарелка и микрополосковая планка.
Благодаря высокой эффективности (> 95%) и высокой пропускной способности мощности, щелевая волноводная антенна, по-видимому, является наилучшим вариантом для передачи энергии.
Комбинация приемного и преобразовательного блока называется rectenna, которая является выпрямляющей антенной, которая используется для прямого преобразования энергии микроволн в электричество постоянного тока. Rectenna включает сетку диполей и диодов для поглощения микроволновой энергии от передатчика и преобразования ее в электрическую. Его элементы обычно располагаются в многоэлементной фазированной решетке с элементом отражателя сетчатого рисунка, чтобы сделать его направленным.
Одним из недостатков является то, что микроволны имеют длинные волны, которые имеют умеренное количество дифракции на большие расстояния. Критерий Рэлея диктует, что любой луч будет распространяться (микроволн или лазер), станет слабее и рассеян по расстоянию. Чем больше антенна передатчика или лазерная апертура, тем плотнее луч и тем меньше она будет распределяться как функция расстояния (и наоборот).
Поэтому для системы требуются большие передатчики и приемники. Используемая плотность мощности СВЧ-лучей обычно составляет порядка 100 Вт / м 2. Это относительно мало по сравнению с плотностью мощности солнечной радиации на Земле (1000 Вт / м 2) и выбрано таким образом по соображениям безопасности.
Скачать Полные патенты Никола Тесла в PDF (40Mb)
Приложения WPT
Передача мощности, мостовые приложения
Использование мощного сфокусированного пучка в микроволновом или лазерном диапазоне может быть покрыто большими расстояниями. Существует два метода беспроводной передачи энергии для мостового применения. Первый - это прямой метод, от передачи массива к rectenna. Необходима линия видимости и поэтому ограничена короткими (<40 км) расстояниями. Выше 40 километров необходимы огромные структуры для компенсации кривизны Земли.
Второй метод - через рефлектор реле между передатчиком и прямоугольником. Этот отражатель должен находиться на высоте, которая видна как для передатчика, так и для rectenna. Этот метод не обсуждается далее. Обсуждаются следующие три связующих приложения WPT.
WTP для космической солнечной
Самым большим применением для передачи СВЧ-энергии являются космические солнечные энергетические спутники (СПС). В этом приложении солнечная энергия захватывается в пространстве и преобразуется в электричество. Электричество преобразуется в микроволны и передается на землю. Мощность микроволн будет захвачена антеннами и преобразована в электричество. НАСА все еще изучает возможности СПС.
Одной из проблем является высокая инвестиционная стоимость, связанная с космическим транспортом.
Биоэффекты микроволн
Долгосрочное воздействие низких уровней микроволн может быть небезопасным и даже может вызвать рак. Научные исследования показывают, что единственным источником воздействия является нагрев людей, подвергшихся воздействию излучения.
Существует также много претензий низкотемпературных нетепловых эффектов, но большинство из них трудно воспроизвести или показать неудовлетворительные неопределенности.
Четко релевантный биоэффект - эффект микроволнового излучения на птиц, так называемый «эффект жареной птицы».
Исследования проводятся с таким эффектом на частоте 2, 45 ГГц. Результат показал небольшие тепловые эффекты, которые, вероятно, приветствуются зимой, и их следует избегать летом. Большие птицы, как правило, испытывают больше теплового стресса, чем мелкие птицы.