Μετάδοση ισχύος σε απόσταση χωρίς καλώδια
Ιστορία ανάπτυξης
Η ανάπτυξη της μετάδοσης ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς καλώδια σε απόσταση συνδέεται με την πρόοδο στον τομέα της ραδιομηχανικής, καθώς και οι δύο διαδικασίες είναι ίδιας φύσης. Οι εφευρέσεις και στις δύο περιοχές σχετίζονται με τη μελέτη της μεθόδου ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής και των επιπτώσεών της στον σχηματισμό ηλεκτρικού ρεύματος.
Το 1820 Π.Μ. Ο Ampere ανακάλυψε τον νόμο της αλληλεπίδρασης των ρευμάτων, ο οποίος συνίστατο στο γεγονός ότι εάν το ρεύμα ρέει κατά μήκος δύο στενά τοποθετημένων αγωγών προς μία κατεύθυνση, τότε προσελκύονται ο ένας στον άλλο, και εάν είναι διαφορετικοί, τότε αποκρούουν.
Το 1831, ο M. Faraday διαπίστωσε κατά τη διάρκεια των πειραμάτων ότι ένα εναλλασσόμενο (ποικίλο σε μέγεθος και κατεύθυνση στο χρόνο) μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος προκαλεί (προκαλεί) ρεύματα σε κοντινούς αγωγούς. Δηλαδή υπάρχει μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς καλώδια. Αναλυτικά Ο νόμος του Faraday εξετάσαμε στο άρθρο νωρίτερα.
Λοιπόν, ο J.K. Maxwell, 33 χρόνια αργότερα, το 1864, μετέφερε τα πειραματικά δεδομένα του Faraday σε μια μαθηματική μορφή και οι ίδιες οι εξισώσεις του Maxwell είναι θεμελιώδεις στην ηλεκτροδυναμική. Περιγράφουν πώς σχετίζονται το ηλεκτρικό ρεύμα και το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.
Η ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων επιβεβαιώθηκε το 1888 από τον G. Hertz, κατά τη διάρκεια των πειραμάτων του με έναν πομπό σπινθήρα με ένα ελικόπτερο σε ένα πηνίο Rumkorf. Έτσι, παρήχθησαν κύματα EM με συχνότητα έως και μισό gigahertz. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτά τα κύματα θα μπορούσαν να ληφθούν από πολλούς δέκτες, αλλά πρέπει να συντονιστούν σε συντονισμό με τον πομπό. Το εύρος της εγκατάστασης ήταν περίπου 3 μέτρα. Όταν εμφανίστηκε σπινθήρας στον πομπό, το ίδιο συνέβη και στους δέκτες. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι το πρώτο πείραμα στη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς καλώδια.
Σε βάθος έρευνα πραγματοποιήθηκε από τον διάσημο επιστήμονα Νικόλα Τέσλα. Σπούδασε εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής τάσης και συχνότητας το 1891. Ως αποτέλεσμα, συνήχθησαν τα συμπεράσματα:
Για κάθε συγκεκριμένο σκοπό, πρέπει να συντονίσετε την εγκατάσταση στην κατάλληλη συχνότητα και τάση. Ωστόσο, η υψηλή συχνότητα δεν αποτελεί προϋπόθεση. Τα καλύτερα αποτελέσματα επιτεύχθηκαν σε συχνότητα 15-20 kHz και τάση πομπού 20 kV. Για την απόκτηση ρεύματος και τάσης υψηλής συχνότητας, χρησιμοποιήθηκε εκκένωση πυκνωτή ταλαντώσεων. Έτσι, είναι δυνατή η μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας και η παραγωγή φωτός.
Ο επιστήμονας στις ομιλίες και τις διαλέξεις του απέδειξε τη λάμψη των λαμπτήρων (σωλήνες κενού) υπό την επίδραση ηλεκτροστατικού πεδίου υψηλής συχνότητας.Στην πραγματικότητα, τα κύρια συμπεράσματα της Tesla ήταν ότι ακόμη και σε περίπτωση χρήσης συντονισμένων συστημάτων, πολλή ενέργεια δεν μπορεί να μεταδοθεί χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα.
Παράλληλα, αρκετοί επιστήμονες έως το 1897 συμμετείχαν σε παρόμοιες μελέτες: Jagdish Boche στην Ινδία, Alexander Popov στη Ρωσία και Guglielmo Marconi στην Ιταλία.
Καθένα από αυτά έχει συμβάλει στην ανάπτυξη ασύρματης μετάδοσης ισχύος:
- Ο J. Boche το 1894, πυροδότησε πυρίτιδα, μεταδίδοντας ηλεκτρική ενέργεια σε απόσταση χωρίς καλώδια. Το έκανε αυτό σε μια διαδήλωση στην Καλκούτα.
- Ο Α. Ποπόφ στις 25 Απριλίου (7 Μαΐου), 1895 χρησιμοποιώντας τον κωδικό Μορς έστειλε το πρώτο μήνυμα.
- Το 1896, ο G. Marconi στη Μεγάλη Βρετανία μετέδωσε επίσης ένα ραδιοφωνικό σήμα (κωδικός Morse) σε απόσταση 1,5 km, αργότερα 3 km στην πεδιάδα του Salisbury.
Αξίζει να σημειωθεί ότι το έργο του Tesla, που υποτιμήθηκε ταυτόχρονα και έχασε για αιώνες, υπερέβη το έργο των συγχρόνων του όσον αφορά τις παραμέτρους και τις δυνατότητες. Ταυτόχρονα, δηλαδή το 1896, οι συσκευές του μετέδωσαν ένα σήμα σε μεγάλες αποστάσεις (48 χλμ.), Δυστυχώς ήταν μια μικρή ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας.
Και το 1899, ο Tesla κατέληξε στο συμπέρασμα:
Η αποτυχία της μεθόδου επαγωγής φαίνεται τεράστια σε σύγκριση με τη μέθοδο διέγερσης του φορτίου της γης και του αέρα.
Αυτά τα συμπεράσματα θα οδηγήσουν σε άλλες μελέτες, το 1900 κατάφερε να τροφοδοτήσει μια λάμπα από ένα πηνίο που πραγματοποιήθηκε στο χωράφι και το 1903 ξεκίνησε ο πύργος Wondercliff στο Long Island. Αποτελείται από έναν μετασχηματιστή με γειωμένη δευτερεύουσα περιέλιξη, και στην κορυφή του βρισκόταν ένας χαλκός σφαιρικός θόλος. Με τη βοήθειά του, αποδείχθηκε ότι ανάβει 200 λαμπτήρες 50 watt. Ταυτόχρονα, ο πομπός ήταν 40 χλμ. Από αυτόν. Δυστυχώς, αυτές οι μελέτες διακόπηκαν, η χρηματοδότηση διακόπηκε και η δωρεάν μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς καλώδια δεν ήταν οικονομικά βιώσιμη για τους επιχειρηματίες. Ο πύργος καταστράφηκε το 1917.
Αυτές τις μέρες
Οι ασύρματες τεχνολογίες μετάδοσης ισχύος έχουν κάνει ένα μεγάλο βήμα μπροστά, κυρίως στον τομέα της μετάδοσης δεδομένων. Έτσι, επιτεύχθηκε σημαντική επιτυχία μέσω ραδιοεπικοινωνιών, ασύρματων τεχνολογιών όπως Bluetooth και Wi-Fi. Δεν σημειώθηκαν ιδιαίτερες καινοτομίες, κυρίως οι συχνότητες άλλαξαν, οι μέθοδοι κρυπτογράφησης σήματος, η αναπαράσταση σήματος άλλαξε από αναλογική σε ψηφιακή.
Αν μιλήσουμε για τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας χωρίς καλώδια σε ηλεκτρικό εξοπλισμό, αξίζει να σημειωθεί ότι το 2007, ερευνητές από το Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης μεταβίβασαν 2 μέτρα ενέργειας και άναψαν έναν λαμπτήρα 60 watt με αυτόν τον τρόπο. Αυτή η τεχνολογία ονομάζεται WiTricity, βασίζεται στον ηλεκτρομαγνητικό συντονισμό του δέκτη και του πομπού. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο δέκτης λαμβάνει περίπου το 40-45% της ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα γενικευμένο διάγραμμα μιας συσκευής για τη μετάδοση ενέργειας μέσω ενός μαγνητικού πεδίου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:
Το βίντεο δείχνει ένα παράδειγμα εφαρμογής αυτής της τεχνολογίας για τη φόρτιση ενός ηλεκτρικού οχήματος. Η ουσία είναι ότι ένας δέκτης είναι συνδεδεμένος στο κάτω μέρος του ηλεκτρικού αυτοκινήτου και ένας πομπός είναι εγκατεστημένος στο πάτωμα στο γκαράζ ή αλλού.
Πρέπει να σταθμεύσετε το μηχάνημα έτσι ώστε ο δέκτης να βρίσκεται πάνω από τον πομπό. Η συσκευή μεταφέρει πολύ ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς καλώδια - από 3,6 έως 11 kW ανά ώρα.
Η εταιρεία στο μέλλον μελετά την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας με τέτοια τεχνολογία και οικιακές συσκευές, καθώς και ολόκληρο το διαμέρισμα στο σύνολό του. Το 2010, η Haier εισήγαγε μια ασύρματη τηλεόραση που λαμβάνει ισχύ χρησιμοποιώντας παρόμοια τεχνολογία, καθώς και ένα ασύρματο σήμα βίντεο. Άλλες κορυφαίες εταιρείες, όπως η Intel και η Sony, πραγματοποιούν επίσης τέτοιες εξελίξεις.
Στην καθημερινή ζωή, οι τεχνολογίες ασύρματης μετάδοσης ισχύος χρησιμοποιούνται ευρέως, για παράδειγμα, για τη φόρτιση ενός smartphone. Η αρχή είναι παρόμοια - υπάρχει ένας πομπός, υπάρχει ένας δέκτης, η απόδοση είναι περίπου 50%, δηλ. με χρέωση 1Α, ο πομπός καταναλώνει 2Α. Ο πομπός συνήθως ονομάζεται βάση σε τέτοια σύνολα και το τμήμα που συνδέεται με το τηλέφωνο είναι ο δέκτης ή η κεραία.
Μια άλλη θέση είναι η ασύρματη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιώντας μικροκύματα ή λέιζερ.Αυτό παρέχει μεγαλύτερη ακτίνα δράσης από μερικά μέτρα, η οποία παρέχει μαγνητική επαγωγή. Στη μέθοδο μικροκυμάτων, μια διάταξη κεραίας (μη γραμμική κεραία για τη μετατροπή ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος σε συνεχές ρεύμα) είναι εγκατεστημένη στη συσκευή λήψης και ο πομπός κατευθύνει την ακτινοβολία του προς αυτήν την κατεύθυνση. Σε αυτήν την έκδοση της ασύρματης μετάδοσης ηλεκτρικής ενέργειας δεν υπάρχει ανάγκη για άμεση ορατότητα των αντικειμένων. Το μειονέκτημα είναι ότι η ακτινοβολία μικροκυμάτων δεν είναι ασφαλής για το περιβάλλον.
Σας συνιστούμε να παρακολουθήσετε ένα βίντεο στο οποίο το ζήτημα εξετάζεται λεπτομερέστερα:
Εν κατακλείδι, θα ήθελα να σημειώσω ότι η ασύρματη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας είναι σίγουρα βολική για χρήση στην καθημερινή ζωή, αλλά έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά της. Εάν μιλάμε για τη χρήση τέτοιων τεχνολογιών για τη φόρτιση gadget, το πλεονέκτημα είναι ότι δεν χρειάζεται να εισάγετε και να αφαιρείτε συνεχώς το βύσμα από την υποδοχή του smartphone σας, αντίστοιχα, η σύνδεση δεν θα αποτύχει. Το μειονέκτημα είναι η χαμηλή απόδοση, εάν για ένα smartphone η απώλεια ενέργειας δεν είναι σημαντική (μερικά watt), τότε για ασύρματη φόρτιση ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου - αυτό είναι ένα πολύ μεγάλο πρόβλημα. Ο κύριος στόχος της ανάπτυξης αυτής της τεχνολογίας είναι η αύξηση της αποτελεσματικότητας της εγκατάστασης, διότι στο πλαίσιο ενός διαδεδομένου αγώνα για εξοικονόμηση ενέργειας, η χρήση τεχνολογιών χαμηλής απόδοσης είναι πολύ αμφίβολη.
Παρόμοια υλικά:
Φόρτωση ...
