Přenos energie bezdrátově - od začátku do současnosti

2024 Autor: Matthew Elmers | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 21:59

V komentáři k článku protivzdušné obrany ve čtvrté generaci se „střetli“s TOP2 v otázce vzdáleného bezdrátového napájení malých a ultra malých UAV (UAV) (viz zde) a také na téma: rojový algoritmus (agenti) pro UAV a vyhlídky na „4. generaci“protivzdušné obrany. Pokusím se podle mého nejlepšího vědomí zdůraznit problém bezdrátového přenosu energie. Algoritmus roje (koncept agentů) a možná neefektivita stávajících systémů protivzdušné obrany jsou obecně tématem pro samostatný článek.

Přenos elektřiny bez vodičů je způsob přenosu elektrické energie bez použití vodivých prvků v elektrickém obvodu.

Koncem 19. století objev, že elektřinu lze použít k vyzařování žárovky, vyvolal explozi výzkumu s cílem najít nejlepší způsob přenosu elektřiny.

Přenos energie bezdrátově - od začátku do současnosti

Bezdrátový přenos energie byl také aktivně studován na počátku 20. století, kdy vědci věnovali velkou pozornost hledání různých způsobů bezdrátového přenosu energie. Účel výzkumu byl jednoduchý - generovat elektrické pole na jednom místě tak, aby jej pak mohly na dálku detekovat zařízení. Současně byly učiněny pokusy dodávat energii na dálku nejen vysoce citlivým senzorům pro detekci napětí, ale také významným spotřebitelům energie. Tak, v roce 1904 u sv. Světová výstava Louis byla oceněna cenou za úspěšné spuštění leteckého motoru o výkonu 0,1 koňské síly, provádí se na vzdálenost 30 m.

Guruy „elektřiny“znají mnozí (William Sturgeon, Michael Faraday, Nicolas Joseph Callan, James Clerk Maxwel, Heinrich Hertz, Mahlon Loomas atd.), Ale jen málo lidí ví, že japonský badatel Hidetsugu Yagi použil vlastní vyvinutou anténu přenášet energii. V únoru 1926 zveřejnil výsledky svého výzkumu, ve kterém popsal strukturu a způsob ladění antény Yagi.

V letech 1930-1941 byly v SSSR prováděny velmi seriózní práce a projekty. a souběžně v Drittes Reich.

Přirozeně, hlavně pro vojenské účely: porážka nepřátelské pracovní síly, ničení vojenské a průmyslové infrastruktury atd. V SSSR byla také provedena seriózní práce na používání mikrovlnného záření, aby se zabránilo povrchové korozi kovových konstrukcí a výrobků. Ale toto je samostatný příběh, který vyžaduje značnou investici času: opět musíte vylézt do zaprášeného podkroví nebo stejně prašného sklepa.

Jeden z největších ruských fyziků minulého století, laureát Nobelovy ceny, akademik Petr Leonidovič Kapitsa věnoval část své tvůrčí biografie výzkumu perspektiv využití mikrovlnných oscilací a vln k vytváření nových a vysoce účinných systémů přenosu energie.

V roce 1962 v předmluvě ke své monografii napsal:

Z dlouhého seznamu fantastických technických nápadů realizovaných ve dvacátém století zůstával jen sen o bezdrátovém přenosu elektrické energie stále nesplněn. Podrobný popis energetických paprsků ve sci -fi románech škádlil inženýry s jejich zjevnou potřebou as praktickou složitostí implementace.

Situace se ale postupně začala měnit k lepšímu.

V roce 1964 expert na mikrovlnnou elektroniku William C. Brown poprvé testoval zařízení (model helikoptéry) schopné přijímat a využívat energii mikrovlnného paprsku ve formě stejnosměrného proudu, a to díky anténnímu poli skládajícímu se z půlvlnných dipólů, z nichž každý který je nabitý vysoce účinnými Schottkyho diodami …

Také v roce 1964, William C. Brown předvedl svůj model helikoptéry, který byl pro let poháněn mikrovlnným vysílačem, na Walter Cronkite News CBS.

V zásadě je tato událost a tato technologie v TopWar nejzajímavější (níže bude něco málo o „každodenním životě“a energii). Historie a experimenty bezdrátových mikrovlnných letů (film v angličtině, ale vše je dostatečně jasné)

Již v roce 1976 William Brown provedl přenos mikrovlnného paprsku o výkonu 30 kW na vzdálenost 1,6 km s účinností přesahující 80%.

Testy byly provedeny v laboratoři a zadány společností Raytheon Co.

Co proslavilo Raytheon a hlavní oblast zájmu této společnosti, myslím, že nemá cenu upřesňovat? Pokud někdo neví, podívejte se na historickou chronologii Raytheonu:

Více o dosažených výsledcích se dočtete zde (v angličtině a formátu RIS, přímém exportu BibTex a RefWorks):

→ Přenos mikrovlnného výkonu - deníky IOSR

→ Vrtulník poháněný mikrovlnnou troubou. William C. Brown. Společnost Raytheon.

V roce 1968 americký kosmický výzkumník Peter E. Glaser navrhl umístění velkých solárních panelů na geostacionární oběžnou dráhu a přenášení jimi generované energie (na úrovni 5-10 GW) na zemský povrch s dobře zaostřeným mikrovlnným paprskem., poté ji převeďte na energii stejnosměrného nebo střídavého proudu technické frekvence a distribuujte ji spotřebitelům.

Takové schéma umožnilo využít intenzivní tok slunečního záření existujícího na geostacionární oběžné dráze (~ 1, 4 kW / sq. M.), a nepřetržitě přenášet přijatou energii na zemský povrch, bez ohledu na denní dobu a povětrnostní podmínky. Díky přirozenému sklonu rovníkové roviny k ekliptické rovině s úhlem 23,5 stupně je satelit umístěný na geostacionární dráze osvětlen tokem slunečního záření téměř nepřetržitě, s výjimkou krátkých časových období poblíž jarních dnů a podzimní rovnodennost, kdy tento satelit spadne do stínu Země. Tato časová období lze přesně předpovědět a celkově nepřesahují 1% celkové délky roku.

Frekvence elektromagnetických oscilací mikrovlnného paprsku by měla odpovídat těm rozsahům, které jsou přiděleny pro použití v průmyslu, vědeckém výzkumu a medicíně. Pokud je tato frekvence zvolena rovna 2,45 GHz, pak meteorologické podmínky, včetně husté oblačnosti a intenzivních srážek, nemají prakticky žádný vliv na účinnost přenosu energie. Pásmo 5,8 GHz je lákavé, protože umožňuje zmenšit velikost vysílacích a přijímacích antén. Vliv meteorologických podmínek zde však již vyžaduje další studium.

Současná úroveň vývoje mikrovlnné elektroniky nám umožňuje hovořit o poměrně vysoké hodnotě účinnosti přenosu energie mikrovlnným paprskem z geostacionární dráhy na zemský povrch - asi 70% ÷ 75%. V tomto případě je průměr vysílací antény obvykle zvolen rovný 1 km a pozemní přímá anténa má rozměry 10 km x 13 km pro šířku 35 stupňů. SCES s výstupním výkonem 5 GW má vyzařovanou hustotu výkonu ve středu vysílací antény 23 kW / m², ve středu přijímací antény - 230 W / m².

Byly zkoumány různé typy polovodičových a vakuových mikrovlnných generátorů pro vysílací anténu SCES. William Brown zejména ukázal, že magnetrony, dobře vyvinuté průmyslem, určené pro mikrovlnné trouby, mohou být také použity v přenosových anténních soustavách SCES, pokud je každý z nich vybaven vlastním obvodem se zpětnou vazbou negativní fáze s ohledem na externí synchronizační signál (takzvaný magnetronový směrový zesilovač - MDA).

Rektenna je vysoce účinný přijímací a konverzní systém, nicméně nízké napětí diod a potřeba jejich sériové komutace může vést k lavinovým poruchám. Cyklotronový měnič energie může tento problém do značné míry eliminovat.

Vysílací anténou SCES může být zpětně vyzařující aktivní anténní pole založené na štěrbinových vlnovodech. Jeho hrubá orientace se provádí mechanicky; pro přesné vedení mikrovlnného paprsku se používá pilotní signál, vysílaný ze středu přijímací rektény a analyzovaný na povrchu vysílací antény sítí příslušných senzorů.

V letech 1965 až 1975 byl úspěšně dokončen vědecký program vedený Billem Brownem, který prokázal schopnost přenášet výkon 30 kW na vzdálenost více než 1 míli s účinností 84%.

V letech 1978-1979 byl ve Spojených státech pod vedením ministerstva energetiky (DOE) a NASA (NASA) proveden první státní výzkumný program zaměřený na stanovení vyhlídek na SCES.

V letech 1995–1997 se NASA znovu vrátila k diskusi o budoucnosti SCES, přičemž stavěla na technologickém pokroku, kterého bylo do té doby dosaženo.

Výzkum pokračoval v letech 1999-2000 (Strategický výzkumný a technologický program Space Solar Power (SSP)).

Nejaktivnější a systematičtější výzkum v oblasti SCES provedlo Japonsko. V roce 1981 pod vedením profesorů M. Nagatomo (Makoto Nagatomo) a S. Sasaki (Susumu Sasaki) zahájil Japonský institut kosmického výzkumu výzkum vývoje prototypu SCES s výkonem 10 MW, který by mohl být vytvořeny pomocí stávajících nosných raket. Vytvoření takového prototypu umožňuje shromažďování technologických zkušeností a připravuje základ pro formování komerčních systémů.

Projekt dostal název SKES2000 (SPS2000) a získal uznání v mnoha zemích po celém světě.

Tak se zrodila společnost WiTricity a korporace WiTricity.

V červnu 2007 Marin Soljačić a několik dalších z Massachusettského technologického institutu oznámili vývoj systému, ve kterém byla 60 W žárovka napájena ze zdroje vzdáleného 2 m s účinností 40%.

Podle autorů vynálezu nejde o „čistou“rezonanci spojených obvodů a ne o Tesla transformátor s indukční vazbou. Poloměr přenosu energie je dnes o něco více než dva metry, v budoucnu - až 5-7 metrů.

Vědci obecně testovali dvě zásadně odlišná schémata.

Podobné technologie horečně vyvíjejí i jiné firmy: Intel předvedl svoji technologii WREL s účinností přenosu energie až 75%. V roce 2009 společnost Sony předvedla provoz televizoru bez připojení k síti. Alarmující je pouze jedna okolnost: bez ohledu na způsob přenosu a technická vylepšení musí být hustota energie a intenzita pole v prostorách dostatečně vysoká, aby bylo možné napájet zařízení s kapacitou několika desítek wattů. Podle samotných vývojářů stále neexistují žádné informace o biologických účincích takových systémů na člověka. Vzhledem k nedávnému vzhledu a různým přístupům k zavádění zařízení pro přenos energie jsou takové studie stále před námi a výsledky se brzy nedostaví. A jejich negativní dopad budeme moci posoudit jen nepřímo. Z našich domovů zase něco zmizí, jako švábi.

V roce 2010 představila společnost Haier Group, čínský výrobce domácích spotřebičů, na veletrhu CES 2010 svůj jedinečný produkt, plně bezdrátový LCD TV, který vychází z výzkumu profesora Mariny Solyachich o bezdrátovém přenosu energie a bezdrátovém domácím digitálním rozhraní (WHDI).

V letech 2012-2015. inženýři z Washingtonské univerzity vyvinuli technologii, která umožňuje používat Wi-Fi jako zdroj energie pro napájení přenosných zařízení a nabíjení gadgetů. Tuto technologii již časopis Popular Science uznal jako jednu z nejlepších novinek roku 2015. Všudypřítomnost bezdrátových technologií má sama o sobě revoluci. A nyní přišel na řadu bezdrátový přenos energie vzduchem, který vývojáři z Washingtonské univerzity nazvali PoWiFi (pro Power Over WiFi).

Během testovací fáze byli vědci schopni úspěšně nabíjet lithium-iontové a nikl-metalhydridové baterie s malou kapacitou. Pomocí routeru Asus RT-AC68U a několika senzorů umístěných ve vzdálenosti 8,5 metru od něj. Tyto senzory převádějí energii elektromagnetické vlny na stejnosměrný proud s napětím 1, 8 až 2, 4 volty, které jsou potřebné k napájení mikrokontrolérů a senzorových systémů. Zvláštností technologie je, že kvalita pracovního signálu se v tomto případě nezhoršuje. Stačí směrovač znovu nabít a můžete jej používat jako obvykle plus napájení zařízení s nízkým výkonem. V jedné z ukázek byla úspěšně napájena malá skrytá bezpečnostní kamera s nízkým rozlišením umístěná více než 5 metrů od routeru. Poté byl fitness tracker Jawbone Up24 nabitý na 41%, trvalo to 2,5 hodiny.

Na záludné otázky, proč tyto procesy negativně neovlivňují kvalitu komunikačního kanálu v síti, vývojáři odpověděli, že je to možné díky skutečnosti, že flashovaný router během své práce odesílá energetické pakety přes neobsazené kanály pro přenos informací. K tomuto rozhodnutí dospěli, když zjistili, že během období ticha energie jednoduše proudí ze systému a ve skutečnosti může být směrována k napájení zařízení s nízkým výkonem.

V budoucnu může technologie PoWiFi dobře sloužit k napájení senzorů zabudovaných do domácích spotřebičů a vojenského vybavení, k jejich bezdrátovému ovládání a provádění dálkového nabíjení / dobíjení.

Přenos energie pro UAV je relevantní (s největší pravděpodobností již pomocí technologie PoWiMax nebo z palubního radaru nosného letadla):

Ta představa vypadá docela lákavě. Místo dnešních 20-30 minut doby letu:

→ LOCUST - Swarming Navy Drones

→ V USA testován „roj“mikrodronů Perdix

→ Intel během poločasového představení Lady Gaga uspořádal dronovou show - Intel® Aero Platform pro UAV

získejte 40–80 minut dobíjením dronů pomocí bezdrátových technologií.

Nech mě to vysvětlit:

-výměna m / y dronů je stále nezbytná (rojový algoritmus);

-nutná je také výměna m / r dronů a letadel (dělohy) (řídící středisko, korekce BZ, retargeting, povel k likvidaci, zabránění „přátelské palbě“, přenos průzkumných informací a povely k použití zbraní).

U UAV negativ z inverzního čtvercového zákona (izotropně vyzařující anténa) částečně „kompenzuje“šířku paprsku antény a vyzařovací diagram:

Nejedná se o mobilní připojení, kde buňka musí poskytovat 360 ° komunikaci s koncovými prvky.

Řekněme tuto variaci:

Nosný letoun (pro Perdix), tento F-18 má (nyní) radar AN / APG-65:

nebo v budoucnu bude mít AN / APG-79 AESA:

To stačí k prodloužení aktivní životnosti Perdix Micro-Drones ze současných 20 minut na hodinu a možná i více. S největší pravděpodobností bude použit intermediální dron Perdix Middle, který bude v dostatečné vzdálenosti ozařován radarem bojovníka, a ten zase provede „distribuci“energie pro mladší bratry Perdix Micro- Drony přes PoWiFi / PoWiMax, současně si s nimi vyměňují informace (letové a akrobatické, cíle, koordinace roje).

Je éra útoků bradavic minulostí?

Možná brzy přijde na nabíjení mobilních telefonů a dalších mobilních zařízení, která jsou v dosahu Wi-Fi, Wi-Max nebo 5G-v metru, ve vlaku, v letadle, při chůzi / běhání v parku?

Doslov: 10–20 let po rozsáhlém zavedení četných elektromagnetických mikrovlnných zářičů do každodenního života (mobilní telefony, mikrovlnné trouby, počítače, WiFi, bluetooth nástroje atd.) Se švábi ve velkých městech najednou stali raritou! Nyní je šváb hmyzem, který lze nalézt pouze v zoo. Najednou zmizeli z domovů, které dříve tolik milovali.

COCKROACHES KARL ™!

Tyto příšery, vůdci seznamu „radio-odolných organismů“, se bezostyšně vzdaly!

odkaz

Kdo je další na řadě?

Poznámka: Typická základní stanice WiMAX vysílá výkon přibližně +43 dBm (20 W), zatímco mobilní stanice obvykle vysílá +23 dBm (200 mW).

Přípustné úrovně radiace základnových stanic mobilních komunikací (900 a 1 800 MHz, celková úroveň ze všech zdrojů) v sanitárně obytných oblastech se v některých zemích výrazně liší: