Energie bez drátů: od Teslových experimentů po novozélandské antény | Moje Energie

Od prvních testů přenosu energie na vzdálenosti bez drátů Nikoly Tesly uplynulo více než století a až nyní fantazie velkého vědce získala skutečné rysy. Nový Zéland testuje první technologii na světě pro přenos elektřiny na kilometry bez kabelového vedení – pomocí antén. Pokud bude „pilot“ úspěšný, elektřina bude v blízké budoucnosti distribuována jako rádiové signály nebo Wi-Fi a obloha se vyčistí od kilometrů drátů.

Zdroj obrázků: freepik.com

Sen vynálezce

Tesla před cívkou vysokofrekvenčního transformátoru ve své laboratoři v Houston Street. Zdroj obrázků: wikipedia.org

Jedním z prvních, kdo experimentoval s technologiemi bezdrátového přenosu energie, byl Nikola Tesla, velký fyzik, který objevil střídavý proud a je autorem desítek vynálezů, které lidstvo používá dodnes. Od konce 1880. let 1895. století do roku 1891 studoval vysokofrekvenční pole a životopisci označují toto období za jedno z nejplodnějších v životě vědce. V roce 1893 Tesla vyvinul zařízení, které generovalo a přenášelo elektřinu bezdrátově. Říkalo se mu Tesla Coil a byl to elektrický rezonanční transformátor, který fungoval na principu elektromagnetické indukce, bezdrátově přenášel vysokofrekvenční signály. V roce XNUMX na světové výstavě v Chicagu tento vědec představil světu svůj duchovní výtvor, čímž dokázal, že přenos energie bez drátů není prázdný sen ani trik. Nikola Tesla dokázal rozsvítit fosforové lampy pomocí magnetické cívky umístěné několik kilometrů od nich.

Tesla rozhodně předběhl dobu. Nebyl jen vášnivý, ale jako skutečný génius byl posedlý myšlenkou bezdrátové elektřiny. Věřil, že technologie pomůže lidstvu přenášet elektřinu na velké vzdálenosti, aby poskytla pohodlné podmínky pro obyvatele odlehlých oblastí.

Vědec zajistil finance na stavbu Wardenclyffe Tower, telekomunikační věže, která se měla stát experimentálním místem pro testování technologie. Jinými slovy, distribuovat elektřinu, jako rádiové vlny, přes horní vrstvy atmosféry.

Navíc v Teslových snech byla věž jen první vlaštovkou: v jeho světě měla být zeměkoule pokryta sítí podobných věží, které by dostávaly vzdálený bezdrátový přístup k energii z centrální stanice.

Nikola Tesla ve své laboratoři v Colorado Springs. Počátek 1900. století. Zdroj obrázků: wikipedia.org

Postupem času bylo inženýrovo nadšení zmařeno krutou realitou podnikání, když se investor John P. Morgan zeptal: „Kam byste chtěli, aby měřidlo mířilo?“ Financování projektu bylo přerušeno, Tesla zkrachovala a věž musela být stržena.

Ambiciózní experimenty talentovaného fyzika však neupadly v zapomnění, ale staly se výchozím bodem pro vědce a inženýry v novém století. Podobné technologie se v současnosti testují pro rychlé nabíjení elektromobilů za jízdy na silnici. Electreon Wireless spustil takové úseky trasy na švédském ostrově Gotland a v Izraeli.

Auto se za pohybu nabíjí energií generovanou magnetickými cívkami umístěnými pod asfaltem. Poté se přenese do invertorů umístěných po stranách silnice, což řidičům umožňuje nabíjet svůj vůz pomocí speciálních zařízení uvnitř vozu, aniž by museli zastavovat na stanici.

Projekt Nový Zéland

Zařízení mohou přenášet velké množství elektrické energie mezi dvěma body, přičemž jediným omezením vzdálenosti je přímka viditelnosti mezi relé. Zdroj obrázků: newatlas.com

Dnes je Nový Zéland v čele podobných experimentů. Prototyp funkčního systému pro bezdrátový přenos energie na velké vzdálenosti vyvinul Emrod. Bezpečné rádiové pásmo ISM, vyhrazené pro průmyslové, vědecké a lékařské účely, slouží k přenosu elektřiny vzduchem. Na rozdíl od Teslova snu se energie přenáší přímo mezi dvěma anténami. Vysílací anténa přeměňuje energii na elektromagnetické záření a „sbírá“ elektřinu do válcového paprsku. Snímá ji přijímací anténa (rectenna) se zabudovaným usměrňovačem přes opakovače, načež se mikrovlnná energie přemění zpět na elektřinu. Poté je distribuován lokálně podle tradičního schématu. Princip je podobný přenosu rádiových vln, rozdíl je ve výkonu. Přimět přijímač „mluvit“ trvá velmi málo – několik pikowattů.

Systém může fungovat za každého počasí: déšť, mlha a prach pro něj nejsou problém. Přenosová vzdálenost je omezena pouze viditelností a vývojáři plánují zvětšit vzdálenost mezi vysílajícím a přijímacím zařízením na stovky kilometrů. Perimetr energetického paprsku je chráněn laserovým bezpečnostním systémem, ale pokud do oblasti vstoupí pták, dron nebo vrtulník, laser se automaticky vypne.

Investor ujišťuje, že instalace a provoz systému nevyžadují vážné investice a nenastanou žádné problémy s integrací měřidel – kde se projekt Tesly zadrhl. Vývojáři bezdrátové technologie se podařilo přesvědčit druhého největšího dodavatele energie v zemi, společnost Powerco, aby dala projektu zelenou. Na podzim roku 2022 plánují inženýři začít testovat své duchovní dítě v terénu.

Výkon zařízení, která budou testována při startu, dosáhne několika kilowattů, ale zátěž pak může být desetinásobně zvýšena, poznamenává zakladatel Emrod Greg Kushnir.

Pokud budou testy úspěšné, technologie by mohla způsobit revoluci ve světě energie. V první řadě bude užitečný pro dodávku elektřiny do vzdálených nebo geograficky nepřístupných oblastí. Kromě toho lze systém použít k udržení napájení účastníků v případě oprav nebo údržby stávající, tradiční infrastruktury.

Bez hranic a krizí

Bezdrátový přenos energie pomůže vyřešit problém obnovitelných zdrojů energie, které často vyrábějí elektřinu daleko od míst, kde je potřeba, a kapacita vybudovaných sítí neumožňuje dodávku čisté energie do oblastí vzdálených od solárních stanic nebo větrných turbín.

Problém je akutní například v Německu, které přichází o část výroby větrných elektráren na moři, protože ji nemůže ve špičce převést ze severu na jih – takovou zátěž už vybudovaná elektrická síť prostě nevydrží. Ještě více vyhlídek se otevírá solární energii.

Pokud se bezdrátová elektřina stane realitou, svět by pro přenos energie vzduchem potřeboval pouze baterie na 1,2 % Sahary, aniž by musel vést drahé měděné linky do různých koutů planety.

Cesta z energetické krize, řešení ekologických problémů, úspory – výhody bezdrátové elektřiny lze vyjmenovat donekonečna. A konečně, ono „nebe bez drátů“, o kterém lidé v Petrohradu sní, není tak daleko – čistě hypoteticky.

©2025 PJSC „TGC-1“. Moje Energie. Všechna práva vyhrazena
197198, St. Petersburg, BC „Arena Hall“, Dobrolyubova Ave., 16, budova 2, písmeno A
Kontakty

Náš web zpracovává soubory cookie (včetně souborů cookie používaných společností Yandex Metrica). Přispívají k tomu, aby byl web pro uživatele pohodlnější. Kliknutím na tlačítko „Souhlasím“ souhlasíte se zpracováním cookies ve vašem prohlížeči. Zpracování uživatelských údajů je prováděno v souladu se Zásadami zpracování osobních údajů PJSC TGC-1.

Každý elektronický systém nebo zařízení vyžaduje k provozu elektřinu, ať už ze síťového zdroje střídavého proudu nebo z baterie. Tuto elektrickou energii nelze ukládat donekonečna v žádném dobíjecím zařízení, jako jsou baterie, kondenzátory nebo superkondenzátory. Proto musí být všechna přenosná zařízení, jako jsou notebooky nebo mobilní telefony, připojena k elektrickému vedení střídavého proudu, aby se jejich baterie pravidelně dobíjely.

Obvykle se elektrické kabely používají k připojení dobíjecích zařízení, jako jsou smartphony, tablety, sluchátka, reproduktory Bluetooth atd., k adaptérům AC a DC. Použití kabelů s elektronickými vodiči k přenosu elektřiny nebo dat mezi dvěma systémy bylo nejjednodušší a nejoblíbenější metodou od objevu elektřiny samotné. A lidé stále rádi používají elektrické kabely, ale s rozvojem technologie, lidské bezpečnosti a lidské touhy po dokonalosti v kráse se objevují koncepty bezdrátový přenos elektřiny (bezdrátový přenos energie, WPT) nebo bezdrátový přenos energie (bezdrátový přenos energie, WET) do obrazu, který se již dávno ztratil v historii.

První významnou experimentální aplikaci bezdrátového přenosu energie (WPT) provedl na počátku 1890. let XNUMX. století vynálezce Nikola Tesla. Během experimentů byla elektrická energie přenášena indukční a kapacitní vazbou pomocí jiskrově buzených vysokofrekvenčních rezonančních transformátorů, dnes nazývaných Teslovy cívky. Tyto experimenty byly sice částečně úspěšné, ale jsou neefektivní a vyžadují velké investice. Proto byly tyto experimenty později zrušeny a výzkum technologie byl na mnoho let pozastaven.

Přestože ani nyní neexistuje účinný způsob bezdrátového přenosu vysokého výkonu, je možné navrhnout schéma se současnými technologickými pokroky pro efektivní přenos nízkého výkonu mezi dvěma systémy. A bezdrátové nabíječky jsou navrženy na základě tohoto nově vyvinutého obvodu, který jim umožňuje bezdrátově přenášet energii do smartphonů a dalších malých elektronických zařízení.

Různé technologie bezdrátového nabíjení používané v bezdrátové nabíječce

Od té doby, co se koncept bezdrátového přenosu energie stal populárním, vědci a inženýři přišli s různými způsoby, jak jej implementovat. Ačkoli většina z těchto experimentů měla za následek selhání nebo nepraktické výsledky, pouze několik z nich přineslo uspokojivé výsledky. Tyto osvědčené a fungující metody dosahování bezdrátového přenosu energie mají své výhody, nevýhody a vlastnosti. Mezi těmito různými metodami se při návrhu zařízení pro bezdrátové nabíjení používá pouze několik. Zatímco jiné metody mají svůj vlastní rozsah použití a výhody.

Tyto metody jsou klasifikovány na základě přenosové vzdálenosti, maximálního výkonu a způsobu použitého k dosažení přenosu energie. Na obrázku níže můžeme vidět různé metody používané k dosažení technologie bezdrátového přenosu energie a jejich klasifikaci.

• První a nejdůležitější klasifikace je založena na tom, že jak daleko lze přenést energii. V experimentálních metodách jsou některé schopny přenášet energii bezdrátově do zátěží na velké vzdálenosti, zatímco jiné mohou přenášet energii pouze do zátěží jen několik centimetrů od zdroje. První dělení je tedy založeno na tom, zda se jedná o metodu blízkého nebo vzdáleného pole.
• Rozdíl ve schopnostech vzdálenosti závisí na druh jevu používaný různými metodami k dosažení bezdrátového přenosu energie. Pokud je například médiem, které metoda používá k dodání energie, elektromagnetická indukce, pak maximální vzdálenost nemůže přesáhnout 5 cm. Ztráta magnetického toku se totiž exponenciálně zvyšuje s rostoucí vzdáleností mezi zdrojem a zátěží, což má za následek nepřijatelné ztráty energie. Na druhou stranu, pokud je médium použité metodou pro dodávání energie elektromagnetického záření , pak může maximální vzdálenost dosáhnout několika metrů. To je způsobeno skutečností, že EMI může být soustředěno v ohnisku, které se nachází metry od zdroje. Navíc metody využívající EMR jako médium pro dodávku energie mají vyšší účinnost ve srovnání s jinými.
• Z mnoha výše uvedených metod jsou některé populárnější než jiné a nejoblíbenější a nejpoužívanější metody jsou popsány níže.

Jsou dvě populární způsoby bezdrátového přenosu energie, ve kterém se jako médium používá elektromagnetické záření: mikrovlnná energie a laserová/světelná energie.

Mikrovlnný bezdrátový přenos energie

Jak název napovídá, tato metoda využívá mikrovlnné spektrum EMI k dodání energie do zátěže. Vysílač nejprve odebere energii ze zásuvky ve zdi nebo jakéhokoli jiného stabilního zdroje energie a poté tento proměnný výkon reguluje na požadovanou úroveň. Poté bude přenášený výkon generovat mikrovlny spotřebováním tohoto regulovaného napájecího zdroje. Mikrovlny se pohybují vzduchem bez jakéhokoli rušení, aby dosáhly přijímače nebo zátěže. Přijímač bude vybaven příslušnými zařízeními pro příjem tohoto mikrovlnného záření a jeho přeměnu na elektrickou energii. Tento přeměněný elektrický výkon je přímo úměrný množství mikrovlnného záření dopadajícího do přijímače, a tudíž je dosaženo bezdrátového přenosu energie pomocí mikrovlnného záření.

Bezdrátový přenos energie laserového světla

Každý, kdo se zabývá elektronikou a elektřinou, se jistě setkal s pojmem tzv výroba solární energie. A pokud si dobře pamatujete, koncept výroby solární energie není nic jiného než využití elektromagnetického záření ze slunce k výrobě elektřiny. Tento proces přeměny může být založen na systémech solárních panelů, solárních systémech vytápění nebo jakýchkoli jiných systémech a solární nabíječku lze snadno postavit pomocí solárních panelů. Klíčovým problémem zde však je, že energie přenášená ze Slunce na Zemi je ve formě elektromagnetického záření a je konkrétně ve viditelném spektru a přenos energie se zde provádí bezdrátově. Proto je koncept solární výroby sám o sobě megasystémem pro bezdrátový přenos energie.

Teď když my vyměňte slunce za menší generátor EMP (nebo jen zdroj světla), pak můžeme generované záření zaměřit na zátěž, která je od zdroje světla vzdálena stovky metrů. Jakmile toto soustředěné světlo dosáhne solárního panelu přijímacího modulu (nebo zátěže), přemění světelnou energii na elektrickou energii, což je původní účel bezdrátového přenosu energie.

Dosud jsme diskutovali o metodách a technikách, které jsou schopny dodávat energii do zátěže, která se nachází několik metrů od zdroje. Tyto metody mají sice schopnost přenášet na velkou vzdálenost, ale jsou těžkopádné a drahé, takže nejsou vhodné pro navrhování mobilních nabíjecích zařízení. Nejpraktičtější metody, které lze použít k návrhu zařízení pro bezdrátové nabíjení, jsou „Typ indukční spojky» a „Indukce magnetickou rezonancíJedná se o dvě metody, které využívají Faradayův zákon elektromagnetické indukce jako princip a magnetický tok jako jev šíření k dosažení bezdrátového přenosu energie.

Bezdrátový přenos energie pomocí indukční vazby

Nastavení použité v indukční vazbě je velmi podobné tomu, které se používá pro elektrický transformátor. Pro lepší pochopení se podívejme na typické aplikační schéma metody bezdrátového přenosu energie s indukční vazbou.

• Ve výše uvedeném funkčním schématu jsou dvě sekce: jedna je jednotka pro přenos energie a druhá je jednotka pro příjem energie.
• Obě sekce jsou od sebe elektricky izolovány a odděleny izolátorem širokým několik centimetrů. Přestože tyto dvě sekce nemají žádnou elektrickou interakci, stále mezi nimi existuje magnetické spojení.
• Zdroj střídavého proudu přítomný v modulu vysílače dodává energii celému systému.

Provoz bezdrátového přenosu s indukční vazbou: Od samého počátku je v cívce vodiče v modulu vysílače proud, protože na koncové svorky cívky je připojen zdroj střídavého napětí. A kvůli tomuto proudu musí být vytvořeno magnetické pole kolem vodičů cívky, která je těsně navinutá kolem feritového jádra. Díky přítomnosti média je celý magnetický tok cívky soustředěn na feritové jádro. Tento tok se pohybuje podél osy feritového jádra a je vypuzován do volného prostoru mimo vysílací modul, jak je znázorněno na obrázku.

Nyní, když přiblížíme modul přijímače k ​​vysílači, magnetický tok emitovaný vysílačem bude procházet cívkou přítomnou v modulu přijímače. Protože tok generovaný vysílacím modulem je střídavý tok, musí být ve vodiči v jeho rozsahu indukováno EMF v souladu s Faradayovým zákonem elektromagnetické indukce. Na základě této teorie by mělo být EMF indukováno také v cívce přijímače, která zažívá magnetický tok vytvářený vysílačem. Toto generované napětí bude usměrněno, filtrováno a regulováno, aby se vytvořilo správné stejnosměrné napětí požadované řídicí jednotkou systému.

V některých případech je také eliminováno feritové jádro, aby byl vysílač a přijímač kompaktnější a lehčí. Tuto aplikaci můžete vidět v bezdrátovém nabíjení pro mobilní telefony a smartphony. Jak všichni víme, tato průmyslová odvětví spolu v současné době soutěží o vydání vysoce výkonných smartphonů a dalších zařízení, která jsou lehčí, tenčí a chladnější. Návrháři mají doslova noční můry o dosažení těchto vlastností bez obětování výkonu, takže dělat zařízení objemným jen kvůli bezdrátovému přenosu energie je nepřijatelné. Proto designéři a inženýři přicházejí s tenčími a lehčími moduly, které lze vložit do smartphonů a tabletů.

Následující obrázek ukazuje Vnitřní design nejnovější bezdrátové nabíječky.

Smartphone s možností bezdrátového napájení bude mít také podobnou cívku pro umožnění elektromagnetické indukce. Na obrázku níže můžete vidět, jak je tenká cívka připojena ke spodnímu konci smartphonu poblíž baterie. Můžete vidět, jak inženýři navrhli tuto bezdrátovou nabíječku tak, aby byla tak tenká, aniž by došlo ke snížení jejího výkonu. Činnost tohoto nastavení je podobná případu popsanému výše, kromě toho, že ve středu vinutí není žádné feritové jádro.

Přestože se tento způsob přenosu energie elektromagnetickou indukcí zdá jednoduchý, není srovnatelný s efektivním způsobem přenosu energie kabelem.

Bezdrátový přenos energie na bázi magnetické rezonance

Indukce magnetickou rezonancí je forma indukční vazby, ve které je energie přenášena magnetickými poli mezi dvěma rezonančními obvody (laděnými obvody), jedním ve vysílači a jedním v přijímači. Z tohoto důvodu musí být nastavení indukčního obvodu magnetické rezonance velmi podobné obvodu indukční vazby, o kterém jsme hovořili dříve.

Na tomto obrázku můžete vidět, že až na přítomnost sériových kondenzátorů je celý obvod podobný předchozímu případu.

Práce: Činnost tohoto obvodu je také velmi podobná předchozímu případu, až na to, že zde jsou obvody přítomné ve vysílači a přijímači naladěny na provoz na rezonanční frekvenci. K dosažení tohoto rezonančního efektu jsou kondenzátory speciálně zapojeny do série s oběma cívkami.

Jak všichni víme, kondenzátor v sérii s induktorem tvoří sériový LC obvod, jak je znázorněno na obrázku. A hodnotu frekvence, na které bude tento obvod pracovat v rezonanci, lze nastavit podle následujícího vzorce:

Zde L je hodnota indukčnosti a C je hodnota kapacity kondenzátoru.

Pomocí stejného vzorce vypočítáme hodnotu rezonanční frekvence pro obvod výkonového vysílače a upravíme frekvenci zdroje střídavého proudu na tuto vypočítanou hodnotu.

Po naladění zdrojové frekvence bude obvod vysílače spolu s obvodem přijímače pracovat na rezonanční frekvenci. Poté musí být v obvodu přijímače indukováno EMF v souladu s Faradayův indukční zákon, jak jsme diskutovali v předchozím případě. A toto indukované EMF bude usměrněno, filtrováno a regulováno, aby se vytvořilo správné stejnosměrné napětí, jak je znázorněno na obrázku.

Dosud jsme diskutovali různé metody, které lze použít pro bezdrátový přenos energie spolu s jejich typickými aplikačními schématy. A tyto metody používáme k návrhu obvodů pro všechny bezdrátové systémy přenosu energie, jako je bezdrátová nabíječka, bezdrátový nabíjecí systém pro elektromobily, bezdrátový přenos energie pro drony, letadla atd.

Standardy bezdrátového přenosu energie

Nyní, když každá společnost vyvíjí své vlastní výrobní a nabíjecí stanice, jsou zapotřebí společné standardy pro všechny vývojáře, aby si spotřebitel mohl vybrat to nejlepší z oceánu možností. Proto všechna průmyslová odvětví pracující na vývoji systémů bezdrátového přenosu energie dodržují několik standardů.

Různé standardy používané při vývoji zařízení pro bezdrátový přenos energie, jako jsou bezdrátové nabíječky:

Qi Standards – od Wireless Power Consortium :

• Technologie – indukční, rezonanční – nízkofrekvenční
• Nízký výkon – 5W, střední výkon – 15W, Qi bezdrátové kuchyňské spotřebiče od 100W do 2,4kW
• Frekvenční rozsah: 110 – 205 kHz
• Produkty – více než 500 položek, používaných ve více než 60 celulárních společnostech.

Standardy PMA – od Power Matter Alliance:

• Technologie – indukční, rezonanční – vysokofrekvenční
• Maximální výstupní výkon od 3,5W do 50W
• Frekvenční rozsah: 277 – 357 kHz
• Ve výrobě jsou pouze 2 produkty, ale celosvětově je distribuováno 100 000 Power Mats.

Výhody a nevýhody bezdrátových nabíječek

Výhody bezdrátové nabíječky

• Bezdrátová nabíječka je velmi užitečná pro nabíjení domácích zařízení, jako je smartphone, notebook, iPod, netbook, sluchátka atd.
• Poskytuje pohodlný, bezpečný a efektivní způsob přenosu energie bez jakéhokoli média.
• Ekologické – neškodí člověku ani žádnému živému tvoru.
• Lze jej použít k nabíjení lékařských implantátů, což vede ke zlepšení kvality života a snížení rizika infekce.
• Není třeba se obávat opotřebování napájecího konektoru.
• S příchodem bezdrátových nabíječek již není žádný zmatek ohledně orientace napájecího kabelu.

Nevýhody bezdrátové nabíječky

• Menší účinnost a větší ztráta energie.
• Stojí více než kabelová nabíječka.
• Odstraňování problémů je obtížné.
• Není vhodný pro přenos vysokého výkonu.
• S rostoucí zátěží rostou energetické ztráty.