Способ передачи электрической энергии на расстояние без использования токопроводящей среды называется беспроводной передачей электроэнергии.

Считается, что беспроводная передача энергии как альтернатива классической передаче и распределению с использованием электрических линий была впервые предложена и продемонстрирована Николой Тесла.

В 1893 году Тесла демонстрирует беспроводное флуоресцентное освещение на Всемирной выставке Колумба в Чикаго, а в 1894 г. он по беспроводной связи включает лампочку в лаборатории на Пятой авеню, а затем в лаборатории на Хьюстон-стрит в Нью-Йорке, используя «электродинамическую индукцию».

Затем ему удалось зажечь 200 ламп на расстоянии несколько километров от передатчика. Подробнее про его метод я писал ранее здесь: Резонансный метод беспроводной передачи электрической энергии Николы Тесла

Одним из первых метод электромагнитной индукции для беспроводной передачи электрической энергии использовал американский фермер Натан Стаблфилд в своей системе беспроводной связи 1902 — 1908 годов.

Уже к 2011 году было реализовано несколько удачных экспериментов в микроволновом диапазоне с мощностями в несколько десятков киловатт, при этом КПД составил около 40%.

Это произошло сначала в 1975 году в Калифорнии и второй раз — в 1997 году на острове Реюньон. Наибольшая дальность составила около одного километра, эксперимент был проведен с целью исследования возможностей энергосбережения одного поселка без использования традиционного кабеля.

Открытая индукционная катушка электрической зубной щетки

Технологически принципы передачи электроэнергии на расстояние включают в себя, в зависимости от расстояния передачи, следующие. На малых расстояния при небольших мощностях — индукционный и резонансный методы, как например в RFID-метках и смарт-картах. На больших расстояниях и при больших мощностях — метод направленного электромагнитного излучения в диапазоне от УФ до СВЧ.

Давайте рассмотрим подробно индукционный метод. Беспроводная передача энергии посредством электромагнитной индукции подразумевает применение ближнего электромагнитного поля на расстояниях соизмеримых с 17% длины волны. Суть в том, что энергия ближнего поля не является излучающей сама по себе, здесь есть лишь небольшие радиационные и резистивные потери.

Индукционная зарядка для смартфона

Беспроводная зарядка для электробусов мощностью 200 кВт в США

Электродинамическая индукция работает так. Когда через первичную обмотку проходит переменный электрический ток, вокруг нее существует переменное магнитное поле, которое одновременно действует и на вторичную обмотку, наводя в ней переменную ЭДС и соответственно переменный ток.

Чтобы получить более высокую эффективность, взаимное расположение первичной и вторичной обмоток должно быть достаточно тесным. Если в условиях эксперимента начать отдалять вторичную обмотку от первичной, то часть магнитного поля, достигающего вторичной обмотки и пересекающего ее витки, будет становиться все меньше.

По мере удаления вторичной обмотки, даже на небольшом расстоянии индукционная связь между обмотками в конце концов станет настолько малой, что большая часть передаваемой магнитным полем энергии будет расходоваться чрезвычайно неэффективно и вообще впустую.

Подобная система в простейшем виде представлена в классическом электрическом трансформаторе. Ведь трансформатор — простейшее устройство для беспроводной передачи электроэнергии, поскольку его первичная и вторичная обмотки не связаны гальванически друг с другом.

Передача энергии от первичной обмотки ко вторичной реализована в нем посредством процесса, называемого взаимная индукция. Главная функция трансформатора — повышение или понижение напряжения, подаваемого на первичную обмотку.

В бесконтактных зарядниках для мобильной техники, для электрических зубных щеток и в индукционных плитках, реализованы как раз методы электродинамической индукции. Недостаток при передаче энергии таким путем заключается в очень небольшом расстоянии эффективного действия.

Для достижения надлежащей эффективности передатчик и приемник необходимо размещать очень-очень близко друг к другу, практически вплотную, чтобы они впринципе могли эффективно взаимодействовать между собой.

Прохождение тока через передающую катушку создает магнитное поле, которое индуцирует ток в приемной катушке

Чтобы повысить эффективность индукционного метода, полезно внедрить в такую систему явление электрического резонанса, который позволит увеличить расстояние эффективной передачи. С добавлением в резонансную цепь колебательного контура, он своим действием в некоторой степени увеличивает расстояние эффективной передачи. Чтобы возник резонанс, передающий и приемный контур должны быть настроены на одну общую частоту.

Еще больше улучшить производительность такой системы можно коррекцией формы волны управляющего тока, отклонив ее от синусоидальной к переходной несинусоидальной, импульсной.

Импульсная передача энергии производится тогда за несколько циклов, и существенная мощность может быть в таких условиях передана от одного LC-контура — к другому, и с меньшим коэффициентом связи чем без использования резонансных контуров. Формы катушек не изменяются, и в любом случае представляют собой плоские спирали либо однослойные соленоиды с подключенными к ним конденсаторами, необходимыми для настройки принимающего элемента на резонансную частоту передатчика.

Беспроводная передача энергии. Эксперименты своими руками. Резонансная индуктивная связь:

Традиционно резонансная электродинамическая индукция используется в беспроводных зарядниках аккумуляторов мобильных устройств, наподобие сотовых телефонов и медицинских имплантатов, а также в электромобилях. В устройствах локализованной зарядки используется выбор определенной катушки передатчика из набора многослойных обмоток.

Явление резонанса работает при этом как в контуре передающей панели зарядного устройства, так и в принимающем контуре зарядного модуля, установленном на заряжаемом устройстве, дабы эффективность передачи и приема энергии получилась максимальной. Технология данной конфигурации универсальна, и может использоваться для беспроводной зарядки различных гаджетов, оснащенных соответствующими резонансными приемниками.

Техника такого плана принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi. Этот стандарт предусматривает два варианта передачи энергии: низкой мощности — от 0 до 5 Ватт и средней мощности — до 10 Ватт. Стандарт разработан после 2008 года Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC) для индукционной передачи энергии на расстояние до 4 см.

Аппаратура с поддержкой Qi включает в себя передатчик с плоской катушкой (она расположена за пластиной), подключаемый к стационарному источнику энергии, и совместимый приёмник, который установлен внутри заряжаемого устройства (также в форме плоской катушки). П ри использовании зарядника, подключаемое устройство размещают на пластине передатчика. При этом действует принцип электромагнитной индукции между этими двумя плоскими катушками, как в трансформаторе.

Qi используется сегодня в некоторых устройствах: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. Цель консорциума — создание единого стандарта для технологии индукционной зарядки, чтобы сделать беспроводные зарядные устройства привычным атрибутом публичных мест, таких как кафе, аэропорты, спортивные арены и т. д.

Электродинамическая индукция с резонансом также используется для прямого беспроводного питания устройств, вовсе не имеющих аккумуляторов внутри. К ним относятся RFID-метки и бесконтактные смарт-карты. Схожий принцип передачи электрической энергии действует в трансформаторе Тесла — от первичного контура — индуктора — к расположенному внутри него резонатору. Сам трансформатор Тесла, в свою очередь, тоже служит беспроводным передатчиком энергии, только более электростатическим, нежели электромагнитным.

Дороги для беспроводной зарядки в Норвегии:

Другие примеры использования беспроводной передачи электроэнергии:

Источник

Индукционный способ передачи энергии

Передача энергии индукционным способом относится к варианту беспроводной передачи энергии на расстояние. Этот способ основан на явлении взаимоиндукции двух катушек индуктивности. Если на одну катушку подавать переменный ток, то в другой катушке, находящейся в магнитном поле первой катушки, будет наводиться ЭДС взаимоиндукции.

Кроме как в трансформаторах, передачу энергии индукционным способом использовали для передачи энергии электротранспорту от дороги, а также в поездах на магнитной подушке и других устройствах. Дальность и КПД индукционного способа передачи энергии зависит констукции катушек, тока в них, от расстояния между катушками и магнитных свойств среды между ними.

СХЕМА ДЛЯ ИНДУКЦИОННОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

В последнее время чаще предлагают использовать передачу энергии индукционным способом для использования в транспортном средстве. Этой идее уже больше сотни лет. Системы ВЧ транспорта, это, как правило, трансформатор, первичная обмотка которого проложена вдоль трассы, а вторичная находится в машине. Энергия передаётся с помощью электромагнитного поля. На одну из катушек подаётся большая мощность от высокочастотного генератора. Эта катушка обычно располагается в земле под дорожным покрытием. Вторая катушка, с помощью конденсатора настраивается на частоту генератора, является приёмником электрической энергии и располагается на транспортном средстве. При близком расположении катушек, наведённая в приёмном контуре ЭДС выпрямляется, и постоянный ток подаётся на электродвигатели транспортного средства.

Чтобы оценить перспективность передачи энергии на расстояние индукционным способом, можно вспомнить историю создания подобных систем, в первую очередб по тем, по которым имеются сведения об их характеристиках. Такой электромобиль (названный ВЧ-мобилем) в 1943 г. построил советский электротехник Г. Бабат. В следующем году на одном из советских заводов был введён в эксплуатацию электрокар с двигателем мощностью около 2 кВт. Он передвигался по асфальтовым дорожкам, вдоль которых под землёй были проложены медные трубки небольшого диаметра. Через них пропускали переменный ток частотой 50 Гц. Эффективный радиус действия этих проводов равнялся 2…2 м в каждую сторону. Но, потери электрической энергии были очень велики, на каждом квадратном метре трассы терялся 1 кВт мощности, причём для привода использовалось лишь 4% энергии, а остальные 96% составляли потери.

При увеличении частоты питающего тока передача энергии улучшилась, но увеличивались потери на вихревые токи и на излучение. В 1947 г в Москве была построена экспериментальная трасса, в которой удалось снизить потери за счёт лучшей изоляции проводки в передающем контуре, а в электрокаре удалены какие возможно металлические части для уменьшения вихревых токов. В 1954 г. в СССР было запущено несколько линий водного транспорта питаемого с берега ВЧ энергией. В 1958 г. На одной из шахт Донбасса была введена в эксплуатацию первая промышленная ветка ВЧ транспорта. Для питания использовалась частота 2500 Гц, а приёмный контур был намотан на ферритовом сердечнике. При выборе частоты питающего тока нужно учитывать, что для передачи энергии на одинаковое расстояние на низкой частоте нужна большая мощность передатчика. При высокой частоте увеличиваются потери на вихревые токи. Поэтому оптимальной частотой для передачи энергии индукционным способом выбирают частоты немногим большие 20 кГц.

Ещё одно реально действующее устройство использующее передачу энергии индукционным способом, это действующая модель самоходного электрического подъёмника. Основные его технические характеристики такие. Потребляемая мощность передатчика 150 Вт. Петля размерами 1 х 2 м обеспечивает в своём контуре мощность 50 Вт. Передние приводные колёса приводятся в действие электродвигателями постоянного тока мощностью 3 Вт., питаемые от контура через выпрямитель.

Кроме этих проектов, разрабатывались проекты железнодорожного транспорта на магнитной подвеске. В советские времена по телевидению демонстрировали пассажирский вагон такого поезда. С помощью магнитного поля, создаваемого электромагнитами, расположенными в вагоне поезда и в железнодорожном полотне, вагон приподнимался и зависал над поверхностью. Девушка, нормального сложения одной рукой перемещала такой вагон. Внешне это выглядело довольно эффектно. Таким образом, можно экономить на подшипниках, исключалось трение в них. Такие проекты зарождались и разрабатывались с учётом перспективы на будущее, в надежде на то, что можно будет получать много дешевой электроэнергии и выплавлять много дешевого металла, но такие надежды не оправдываются. К сожалению, в сведениях о подобных проектах нет данных о том, сколько электрической энергии расходуется, например, на зависание такого вагона. Важны цифры по расходу чёрных и цветных металлов, необходимых для изготовления каждого метра длины такого железнодорожного полотна. Желательно знать стоимость прокладки такого пути и стоимость вагона. С учётом того, что наши «эффективные собственники» даже обычные дороги строят примерно на порядок дороже и на порядок хуже, чем в цивилизованных странах, то в России лучше от такого строительства воздержаться. В настоящее время действует только одна такая железная дорога в Китае и обеспечивает перевозку пассажиров между центром Шанхая и аэропортом длиной 30 км и стоимостью 1,2 миллиарда евро. Строились небольшие магнитные железные дороги в Германии и Японии, но они служат в основном для испытаний или закрылись из-за ненадёжности и дороговизны. Существует несколько нереализованных проектов магнитной железной дороги.

Раньше были популярны схемы передачи звука на расстояние с помощью магнитной взаимоиндукции. Вместо громкоговорителя к телевизору или стационарному приёмнику подключали по периметру комнаты или в виде рамки с несколькими витками излучающую катушку индуктивности. Принимали звук в этой или соседней комнате на небольшой переносной усилитель наушниками. Сейчас устройства подобного назначения в основном работают по радиоканалу, иногда на инфракрасных лучах.

1″ :pagination=»pagination» :callback=»loadData» :options=»paginationOptions»>

Источник