Передача энергии на расстояние без проводов: В Перми придумали, как передавать электричество без проводов

Беспроводное будущее и беспощадная физика

Идеи Теслы в космосе
Если не строить воздушных замков, можно скромно надеяться, что микроволновая беспроводная энергосеть сможет дополнить традиционную проводную там, где нельзя проложить электрокабель: в горах или, скажем, на космических автоматических станциях и спутниках. Однако история технологий говорит о том, что порой за воздушный замок принимают прорывную идею. Пример —исследование, опубликованное японским университетом Цукуба в августе 2021 года. Оно показывает, что высокоэнергетическое микроволновое излучение может стать эффективным источником беспроводной энергии для космических запусков. Топливо «крадет» до 90% подъемного веса ракеты, а если вместо него применить беспроводную микроволновую энергию, можно (теоретически) увеличить полезный груз.

Однако больше всех заинтересована в технологиях беспроводной передачи энергии одна из самых молодых отраслей — космическая энергетика. Космос, где Солнце находится в прямой видимости и его лучи не рассеивает и не ослабляет земная атмосфера, — идеальное место для сбора и использования солнечной энергии. Мир жаждет чистых возобновляемых источников энергии, и даруемая Солнцем энергия слишком хороша, чтобы упустить эту возможность.

В 1968 году американский инженер-­исследователь Питер Глейзер представил идею больших спутниковых систем на высоте геостационарной орбиты для сбора и преобразования энергии Солнца в электромагнитный пучок СВЧ и передачи полезной энергии на большие антенны на Земле. (Строго говоря, идею энергетического спутника первым предложил в 1941 году фантаст Айзек Азимов в рассказе «Логика», в котором описывается космическая станция, передающая энергию Солнца на различные планеты с помощью микроволновых лучей.)

Идея П. Глейзера состоит в следующем. Предположим, что на высокой геостационарной орбите имеется сеть спутников, которые собирают свет Солнца при помощи солнечных батарей или иных устройств, преобразуют свет в энергию микроволнового сигнала или лазерного излучателя, а также питают передатчик или излучатель. Микроволновой сигнал или энергия лазера передаются на ректенну базовой станции на Земле — скорее всего, ее размеры будут огромны. Базовая станция преобразует микроволны в электричество постоянного тока, и так далее.

Концепция сбора солнечной энергии в космическом пространстве (SBSP) и ее передачи на Землю исследуется с начала 1970-х годов. Привлекательность SBSP в том, что солнечные энергосистемы космического базирования преобразуют солнечный свет в микроволны за пределами атмосферы, что позволяет избежать потерь из-за отражения и поглощения энергии.

Все это будет возможно, когда люди избавятся от помех в виде микрометеоритов, научатся поддерживать спутник в постоянном положении (сейчас оно меняется из-за воздействия на развернутые солнечные батареи давления солнечного света), решат проблемы эффективности фотоэлектрики и микрочипов при высоких и сверхнизких температурах, точности и безопасности направленного энергетического луча и еще несколько десятков проблем, одна сложнее другой.

В последние десятилетия, с падением стоимости солнечных батарей и доставки грузов на орбиту, идея снова обрела актуальность. За SBSP как крупномасштабную форму устойчивой «зеленой» энергии ухватилась климатическая инженерия. Современные технологии и инфраструктура космических запусков не позволяют создать даже опытную SBSP, но время идет, и, если появятся радикально новые технологии космических запусков, да еще орбитальные промышленные базы для производства энергетических спутников из астероидов, — то кто знает, может быть, идея воплотится в жизнь.

Исследования в области космической энергетики ведутся в Японии, Китае, России, Великобритании и США. В 2008 году Япония приняла Основной закон о космосе, который объявил космическую солнечную энергию национальной целью.

ЦНИИмаш (флагман исследовательских учреждений Роскосмоса) выступил с инициативой создания экспериментальных космических солнечных электростанций (КСЭС) мощностью 1−10 ГВт с беспроводной передачей электроэнергии наземным потребителям. Американские и японские разработчики пошли по пути использования СВЧ‑излучения.

О еще одном проекте космической солнечной энергетики (Space-based Solar Power Project, SSPP) стало известно в августе. Калифорнийский технологический институт объявил, что Дональд Брен, член совета директоров университета и владелец инвестиционной компании Irvine Company, еще в 2013 году пожертвовал $ 100 млн на создание спутниковой беспроводной сети на базе микроволнового излучения, которая могла бы обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии в любую точку Земли. О пожертвовании стало известно лишь теперь, восемь лет спустя: SSPP хочет представить публике вехи проекта. В начале 2023 года организация запустит демонстрационные прототипы, которые собирают и преобразуют солнечный свет в электрическую энергию и передают ее по беспроводной сети с использованием радиочастот. Прототип состоит из модельной сборки плоских сверхлегких элементов размером 6×6 футов, в которые интегрированы высокопроизводительная фотоэлектрическая система и масштабная система фазированных антенных решеток для передачи энергии. Интеграция солнечной энергии и радиочастотного преобразования в одном элементе позволяет снизить вес и сложность конструкции. Эта концепция обеспечивает масштабируемость и снижает влияние отказа локальных элементов на другие части системы.

Однако если «взлетит» один из этих проектов или даже все, они столкнутся с проблемой отведения тепла. По расчетам Европейского космического агентства, космическая энергия будет конкурентной по сравнению с ВИЭ, если спутниковая система сможет передавать на Землю энергию мощностью 150 ГВт и больше. Это от трети до половины среднего потребления электроэнергии в Европе. Будем оптимистами и представим, что КПД спутниковой энергосистемы равен 20%. Это значит, что передача к наземной станции 150 ГВт электроэнергии потребует от нас избавиться от 600 ГВт тепла в вакууме. Для этого понадобится теплоотвод. Так где же мы подвесим наши спутники? И не вскипятим ли случайно Тихий океан?

Что же получается? Для того чтобы космическая энергетика стала реальностью, чтобы энергию Солнца передавать на Землю без проводов, одной безумной идеи не хватит.

Нужно две, пять или десяток.

Американцы передали 1,6 киловатт по воздуху на один километр

Инженеры научной лаборатории ВМС США продемонстрировали беспроводную передачу энергии мощностью 1,6 киловатт на расстояние в километр с помощью микроволнового излучения. В будущем технологию можно будет использовать для передачи энергии из космоса на Землю, отмечается в пресс-релизе лаборатории.

Американские инженеры в 1970-х годах активно работали над технологиями, необходимыми для беспроводной передачи энергии из космоса. Предполагалось, что это позволит построить на орбите солнечную станцию, которая сможет эффективно вырабатывать энергию и передавать ее на Землю. В 1975 году NASA провело самую успешную демонстрацию такого подхода на сегодняшний день: они сумели наладить беспроводную передачу на расстояние чуть более полутора километров мощностью более 30 киловатт. И хотя передача оказалась достаточно эффективной (более 82 процентов), для этого пришлось использовать принимающую антенну площадью 24 квадратных метра, а генерировала пучок радиоволн зеркальная антенна диаметром 26 метров. Таким образом, для передачи серьезного количества энергии на расстояние в сотни километров требовались бы намного большие антенны.

В последние годы американские инженеры, в основном военные, вернулись к этому направлению и стали проводить тесты усовершенствованных антенн. Так, в 2018 году ВВС США и Northrop Grumman начали разработку технологий для спутника, который мог бы дистанционно снабжать энергией удаленные военные базы. В прошлом году инженеры этого проекта показали прототип солнечной панели с интегрированной передающей антенной.

Разработкой технологий по беспроводной передаче энергии также занимается научная лаборатория ВМС США. Она рассказала об испытаниях излучающей и принимающей антенн. В качестве передатчика инженеры использовали обычную зеркальную антенну диаметром в несколько метров. Она генерирует узкий пучок электромагнитного излучения с частотой 10 гигагерц. Принимает радиоволны квадратная антенна из множества приемников, подсоединенных к выпрямляющим диодам для генерации постоянного тока. Эксперименты показали, что система способна передавать энергию на расстояние одного километра с пиковой мощностью в 1,6 киловатт.

В другом испытании инженерам удалось добиться меньшей пиковой мощности, но более стабильной передачи, которая позволила запитать большой массив светодиодов. При этом величина мощности, развитая в этом тесте, неизвестна. Инженеры отмечают, что их система работает в допустимом мировыми регуляторе диапазоне мощности, признанном безопасным для людей и животных.

Пока самые мощные прототипы радиочастотных систем передачи энергии работают на Земле, но некоторые уже тестируются в космосе. Известно, что в текущем полете беспилотного космоплана X-37B, начавшемся в мае 2020 года, испытываются некоторые компоненты такой системы, однако из-за секретности проекта подробности об этом неизвестны. Также существуют лазерные системы передачи энергии, но их мощность, как правило, составляет сотни ватт.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Ближняя и дальняя беспроводная передача энергии

Беспроводная передача энергии на большие расстояния — это концепция, которая появилась уже давно, с тех пор как Никола Тесла получил патент на катушку Теслы более 120 лет назад.

За последнее десятилетие термин «беспроводная мощность» стал более привычным, и такие компании, как Powerbyproxi и WiTricity, лидируют в области инноваций в области беспроводной технологии малого радиуса действия. То есть способность передавать электроэнергию на короткие расстояния (до нескольких метров), в первую очередь для зарядки потребительских устройств, таких как мобильные телефоны. Эта технология позволяет нам заряжать устройства, не требуя проводов на небольшом расстоянии, например. дома или подъехав к станции зарядки электромобилей.

Следующей эволюцией в освобождении человечества от ограничений, связанных с проводами, является способность передавать большое количество энергии на большие расстояния. Вместо зарядки устройств технология беспроводной передачи на большие расстояния позволит нам снабжать энергией домохозяйства, общины и передавать большие объемы энергии в места, куда слишком сложно и дорого добраться с помощью проводной инфраструктуры. Это технология, над которой работает Emrod, которая будет способствовать внедрению устойчивой энергетики и децентрализации электрических сетей.

В этой статье мы сравниваем беспроводную передачу электроэнергии на короткие и большие расстояния, включая различия в технологиях и вариантах использования.

Во-первых, давайте разберемся, что такое беспроводная передача энергии.

Беспроводная передача энергии — это передача значительного количества энергии без перемещения или использования массы между передатчиком и приемником. Электромагнитные поля передают энергию через пространство. Это может заменить необходимость в проводах и батареях, чтобы обеспечить более удобный, мобильный и безопасный способ обеспечения энергией.

Согласно ранней истории, Генрих Герц был первым, кто доказал существование электромагнитных волн. Отсюда и название «герц» как единица измерения частоты.

Разницу между передачей мощности на короткие и большие расстояния можно четко определить по расстоянию, на которое передается мощность. Однако что определяет возможности этих различных типов технологий?

Ближний радиус действия — это обычно передача энергии в пределах сантиметров и метров. Наиболее распространенным методом беспроводной передачи энергии является индуктивная передача энергии, при которой мощность передается с использованием магнитного поля с использованием индуктивной связи между двумя катушками провода.

Примеры передачи электроэнергии на короткие расстояния по этому определению включают беспроводное питание устройств в доме или здании и зарядку электромобилей с использованием резонансной магнитной индукционной площадки на земле.

На большие расстояния обычно передается энергия на сотни метров или километры. Одним из методов передачи энергии является использование антенн для отправки электромагнитных лучей, таких как микроволны или лазеры. Ограничение использования передачи энергии с индуктивной связью на большие расстояния заключается в том, что магнитное поле довольно быстро затухает при увеличении расстояния между передатчиком и приемником. Следовательно, электромагнитное излучение более подходит по этой причине.

Передача энергии на большие расстояния с помощью антенн может быть разделена на две категории: ближняя и дальняя. В ближней зоне можно наблюдать плоские волны с очень небольшой расходимостью пучка или без нее. И наоборот, в дальнем поле наблюдается значительная расходимость луча и обратное квадратичное затухание плотности мощности с расстоянием, чего не наблюдается в ближнем поле.

Для Эмрода мы работаем в ближнем поле, чтобы получить коллимированный луч с незначительными потерями.

Варианты использования для передачи на большие расстояния включают передачу энергии из космоса на землю, зарядку беспилотных летательных аппаратов (без необходимости возвращения БПЛА на базу для зарядки) и передачу энергии по труднопроходимой местности вместо использования проводов, что является проблемой, которую мы решают в Emrod. Узнайте больше о вариантах использования технологии Emrod здесь.

Чтобы энергия была полезной, она должна перемещаться из места, где она генерируется, туда, где она требуется. Энергия похожа на общение в этом смысле. Чтобы услуги связи были полезными, они должны иметь возможность передавать сообщения от одного человека к другому. В настоящее время наши методы выработки энергии зависят от мест, к которым можно получить экономичный доступ с помощью проводной инфраструктуры (линии и опоры, а также подводные кабели). Многие из лучших мест для производства возобновляемой энергии находятся в труднодоступных местах, например, высоко на холмах или в горах или в прибрежных районах, где много ветра, и это далеко от людей.

С другой стороны, люди, имеющие доступ к энергии, зависят от экономики подключения домохозяйства или общины к источнику энергии. Многие населенные пункты и жилые дома не имеют надежного доступа к электричеству, поскольку они находятся в отдаленных, труднодоступных районах, где прокладка и техническое обслуживание линий электропередач или кабелей экономически нецелесообразно.

За счет снижения затрат и простоты установки и обслуживания инфраструктуры, передающей энергию из одного места в другое, мы можем открыть доступ к энергии и ее поставку.

Компания Emrod разработала технологию, позволяющую передавать энергию на многие километры. Это первая в мире технология беспроводной передачи энергии на большие расстояния, которая является коммерчески жизнеспособной. Мы используем пассивные реле для передачи энергии на большие расстояния без потерь, которые в противном случае сделали бы передачу на большие расстояния неэффективной и неэкономичной для коммерческих целей.

Применение технологии Emrod широко распространено, но мы в первую очередь сосредоточены на работе с энергораспределительными компаниями и организациями, реализующими проекты в области устойчивой энергетики и децентрализованных сетей.

Беспроводная система Emrod может стать экономичным решением для передачи электроэнергии по местности, где сложно прокладывать и обслуживать линии и кабели электропередач. Например, через леса или водные пути, чтобы облегчить проблемы с правом прохода или уменьшить воздействие опор на окружающую среду, а также для обеспечения резервных систем при выходе из строя линий электропередач, например, при отключении или оказании помощи при стихийных бедствиях.

Вы можете узнать больше о распространенных вариантах использования технологии Emrod на странице «Случаи использования» нашего веб-сайта.

Раннее современное развитие технологии беспроводной передачи использовало магнитно-индукционные зарядные площадки, что требовало контакта и тщательного выравнивания устройства, т. е. телефон. Впоследствии была разработана технология для зарядки смартфонов и других устройств на расстоянии нескольких метров, которая работает как сильный WiFi. Эта технология считалась дальнобойной по сравнению с предыдущей беспроводной технологией, которая требовала, чтобы передающее и принимающее устройства находились в контакте друг с другом. Сейчас мы вступили в следующую эру беспроводных технологий, которая заключается в передаче больших объемов энергии на километры. Это захватывающий следующий шаг к видению власти Николы Теслы повсюду.

IE Вопросы: Почему у нас нет беспроводного электричества?

Никола Тесла

Ребекка Джейкобсон и Джордан Вирфс-Брок |

Ребекка Джейкобсон и Джордан Вирфс-Брок / Inside Energy

Почему у нас нет беспроводного электричества?

Этот вопрос исходит от многих членов нашей аудитории: было бы здорово, если бы мы могли покончить с обширной сетью проводов, больших и маленьких, которые соединяют электронные устройства, управляющие нашим миром, с электростанциями, вырабатывающими электроэнергию?

На самом деле у нас есть беспроводное электричество. Но это ограничено. По крайней мере, на данный момент это коммерчески выгодно только на коротких дистанциях (например, миллиметры в метры). Прежде чем мы дойдем до этого, давайте вернемся более чем на сто лет назад, к человеку, мечтавшему о всемирной беспроводной передаче электричества: Николе Тесле.

Существует длинный список технологий, приписываемых Тесле и его исследованиям: радио, рентгеновские лучи, дистанционное управление, электродвигатели и многие другие. Но одна из его величайших амбиций так и не была реализована: передача электричества по всему миру без проводов.

Его первые эксперименты были связаны с передачей электричества по радиоволнам. Но эти эксперименты могли посылать энергию только на короткое расстояние. Тогда у Теслы возникла идея: будет ли связь сильнее, если он пройдет по земле, а не по воздуху?

Вот его основная теория: отправить электричество глубоко в землю и использовать Землю как гигантский проводник. Тесла предположил, что электричество может беспрепятственно передаваться на сотни миль, и любой, у кого есть приемник, может получить к нему доступ.

«Энергия может быть и в ближайшее время не будет передаваться без проводов для всех коммерческих целей, таких как освещение домов и управление самолетами. Я открыл основные принципы, и осталось только развить их в коммерческих целях. Когда это будет сделано, вы сможете отправиться в любую точку мира — на вершину горы с видом на вашу ферму, в Арктику или в пустыню — и установить небольшое оборудование, которое будет давать вам тепло для приготовления пищи и свет. читать мимо. Это оборудование будет перевозиться в сумке, не такой большой, как обычный чемодан. В ближайшие годы беспроводное освещение станет таким же обычным явлением на фермах, как сегодня в наших городах обычное электрическое освещение». (Никола Тесла, The American Magazine, 19 апреля.21)

Тесла перенес свои эксперименты в Колорадо-Спрингс, штат Колорадо, в 1899 году. Согласно лабораторным записям Теслы, ему удалось послать электричество из своей лаборатории к лампочкам, стоящим на земле в сотнях футов от него.

Но Тесла хотел большего. Он начал строительство Башни Уорденклиф в 1901 году на Лонг-Айленде. Уорденклиф должен был стать центром экспериментов по беспроводной передаче радио- и телеграфных сигналов, а также по передаче беспроводного электричества. Тесла планировал, что 17-этажная башня будет посылать электричество от угольного генератора в землю через 300 футов металлических стержней, по которым ток будет распространяться на сотни миль.

По сей день никто не уверен, что план Теслы сработал бы, — сказал Марк Сейфер, автор книги «Волшебник: жизнь и времена Николы Теслы». Деловой партнер Теслы, J.P. Morgan, отказался от проекта Wardenclyffe. В конце концов Тесла обанкротился, а Уорденклиф был снесен в 1917 году. Его идея использовать землю для передачи электричества на большие расстояния не была тщательно протестирована, и инженеры-электрики сомневаются, что она сработает, добавил Сейфер.

Но исследования Теслы повлияли на то, как сегодня мы передаем электричество без проводов

Со времен Теслы мы знали, что можно передавать электричество по беспроводной связи с помощью магнитной индукции.