Введение
Передача электрической энергии без проводов как физической связи. Беспроводная передача энергии (WPT), беспроводная передача мощности, беспроводная передача энергии (WET) или электромагнитная передача энергии – это передача электрической энергии без использования проводов в качестве физического соединения. В системе беспроводной передачи энергии, электрически питающее передающее устройство генерирует электромагнитное поле, изменяющееся во времени, которое передает мощность в пространстве принимающему устройству; принимающее устройство извлекает мощность из поля и подает ее на электрическую нагрузку. Технология беспроводной передачи энергии позволяет отказаться от использования проводов и батарей, тем самым повышая мобильность, удобство и безопасность электронных устройств для всех пользователей. Беспроводная передача энергии полезна для питания электрических устройств, когда подключение проводов неудобно, опасно или невозможно. Методы беспроводной передачи энергии в основном делятся на две категории: ближнее и дальнее поля. В методах ближнего поля или нерадиационных методах, мощность передается на короткие расстояния посредством магнитных полей, используя индуктивную связь между катушками, или посредством электрических полей, используя емкостную связь между металлическими электродами, или лазерными лучами. Эти методы могут передавать энергию на большие расстояния, но требуют точного наведения на приемник. К предлагаемым областям применения относятся солнечные энергетические спутники и беспроводные дроны. Важной проблемой, связанной со всеми системами беспроводной передачи энергии, является ограничение воздействия потенциально опасных электромагнитных полей на людей и другие живые организмы.
Wireless power transfer (WPT), wireless power transmission, wireless energy transmission (WET), or electromagnetic power transfer is the transmission of electrical energy without wires as a physical link. In a wireless power transmission system, an electrically powered transmitter device generates a time varying electromagnetic field that transmits power across space to a receiver device; the receiver device extracts power from the field and supplies it to an electrical load. The technology of wireless power transmission can eliminate the use of the wires and batteries, thereby increasing the mobility, convenience, and safety of an electronic device for all users. Wireless power transfer is useful to power electrical devices where interconnecting wires are inconvenient, hazardous, or are not possible. Wireless power techniques mainly fall into two categories: near field and far field. In near field or non radiative techniques, power is transferred over short distances by magnetic fields using inductive coupling between coils of wire, or by electric fields using capacitive coupling between metal electrodes. or laser beams. These techniques can transport energy longer distances but must be aimed at the receiver. Proposed applications for this type include solar power satellites and wireless powered drone aircraft. An important issue associated with all wireless power systems is limiting the exposure of people and other living beings to potentially injurious electromagnetic fields.
Полевые регионы
Электрические и магнитные поля создаются заряженными частицами в веществе, такими как электроны. Стационарный заряд создает электростатическое поле в пространстве вокруг него. Постоянный ток зарядов (прямой ток, DC) создает вокруг него статическое магнитное поле. Вышеуказанные поля содержат энергию, но не могут передавать мощность, поскольку они статические. Однако, изменяющиеся во времени поля могут передавать мощность. Ускоряющиеся электрические заряды, такие как те, что возникают в переменном токе (AC) электронов в проводе, создают изменяющиеся во времени электрические и магнитные поля в пространстве вокруг них. Эти поля могут оказывать колебательные силы на электроны в принимающей "антенне", заставляя их двигаться вперед и назад. Это представляет собой переменный ток, который можно использовать для питания нагрузки. Колеблющиеся электрические и магнитные поля, окружающие движущиеся электрические заряды в антенном устройстве, можно разделить на две области в зависимости от расстояния Drange от антенны. Граница между этими областями определена нечетко. Если в пределах их ограниченного диапазона нет принимающего устройства или поглощающего материала для "согласования", мощность не покидает передатчик. Следовательно, если расстояние между двумя "антеннами" Drange значительно больше диаметра "антенны" Dant, будет получено очень мало мощности. Поэтому эти методы нельзя использовать для передачи энергии на большие расстояния. Резонанс, такой как резонансная индуктивная связь, может значительно увеличить согласование между антеннами, обеспечивая эффективную передачу на несколько больших расстояниях. Это диапазон, в котором обычная нерезонансная емкостная или индуктивная связь может передавать практически полезные объемы мощности. Средний диапазон – до 10 диаметров антенны: Drange ≤ 10 Dant. Это диапазон, в котором резонансная емкостная или индуктивная связь может передавать практически полезные объемы мощности. Дальняя область или область излучения – На расстоянии более примерно одной длины волны (λ) антенны электрическое и магнитное поля перпендикулярны друг другу и распространяются как электромагнитная волна; примерами являются радиоволны, микроволны или световые волны, определяемые частотой: λ = c/f. На низких частотах f, где антенна намного меньше размера волны, Dant << λ, излучается очень мало мощности. Следовательно, устройства ближнего поля, использующие более низкие частоты, почти не излучают энергию в виде электромагнитного излучения. Антенны, размер которых сопоставим с длиной волны Dant ≈ λ, такие как монопольные или дипольные антенны, эффективно излучают мощность, но электромагнитные волны излучаются во всех направлениях (всенаправленно), поэтому, если принимающая антенна находится далеко, лишь небольшая часть излучения достигнет ее. Однако, в отличие от полей, электромагнитное излучение можно сфокусировать с помощью отражения или преломления в лучи. Используя антенну с высоким коэффициентом усиления или оптическую систему, которая концентрирует излучение в узкий луч, направленный на приемник, можно осуществлять передачу энергии на большие расстояния. Практические устройства передачи энергии в луче требуют длин волн в сантиметровом диапазоне или меньше, что соответствует частотам выше 1 ГГц, в диапазоне микроволн или выше. Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряженности поля, передаваемая мощность уменьшается как (Drange/Dant)−6 или 60 дБ на декаду. Другими словами, если увеличить расстояние между двумя антеннами в десять раз, то получаемая мощность уменьшится в 106 = 1000000 раз. В результате индуктивная и емкостная связь могут использоваться только для передачи энергии на короткие расстояния, в пределах нескольких диаметров антенного устройства Dant. В отличие от излучающей системы, где максимальное излучение происходит, когда дипольные антенны ориентированы поперечно направлению распространения, при дипольных полях максимальное согласование достигается, когда диполи ориентированы продольно.
Индукционная сцепка
При индуктивной связи (электромагнитной индукции или индуктивной передаче мощности, IPT) мощность передается между катушками проволоки посредством магнитного поля. Другая область применения – "транскутанная" зарядка биомедицинских протезов, имплантированных в человеческое тело, таких как кардиостимуляторы и инсулиновые насосы, чтобы избежать необходимости пропускать провода через кожу. Она также используется для зарядки электромобилей, таких как автомобили, а также для зарядки или питания транспортных средств, таких как автобусы и поезда. Передаваемая мощность увеличивается с частотой. Эта безразмерная величина равна отношению магнитного потока, проходящего через катушку передатчика, к магнитному потоку, проходящему через катушку приемника, при разомкнутой цепи L2. Если две катушки расположены на одной оси и находятся близко друг к другу, то весь магнитный поток от одной катушки проходит через другую, и эффективность связи приближается к 100%. Чем больше расстояние между катушками, тем большая часть магнитного поля от первой катушки не попадает во вторую, и тем ниже эффективность связи, стремясь к нулю при больших расстояниях. Однако возможности использования резонансной связи для увеличения дальности передачи стали изучаться лишь недавно. В 2007 году группа под руководством Марина Солячича из MIT использовала две связанные настроенные цепи, каждая из которых состояла из 25-сантиметровой саморезонансной катушки провода на частоте 10 МГц, для передачи 60 Вт мощности на расстояние, равное 8 диаметрам катушки, с эффективностью около 40%. Концепция резонансных индуктивных систем связи заключается в том, что резонаторы с высоким коэффициентом качества обмениваются энергией значительно быстрее, чем теряют ее из-за внутреннего демпфирования. Поэтому максимальная передача мощности больше не происходит на исходной резонансной частоте, и частоту генератора необходимо настроить на новый резонансный пик. Резонансная технология в настоящее время широко внедряется в современные индуктивные беспроводные системы передачи энергии.
Резонансная емкостная связь
Резонанс также может использоваться с емкостной связью для увеличения дальности. В начале 20-го века Никола Тесла провел первые эксперименты как с резонансной индуктивной, так и с емкостной связью.
Электродинамическая беспроводная передача мощности
Электродинамическая беспроводная система передачи энергии (EWPT) использует приемник с механически резонирующим или вращающимся постоянным магнитом. Под воздействием изменяющегося во времени магнитного поля, механическое движение резонирующего магнита преобразуется в электричество одним или несколькими электромеханическими способами преобразования (например, электромагнитным/индукционным, пьезоэлектрическим или емкостным). В отличие от систем индуктивного сопряжения, которые обычно используют высокочастотные магнитные поля, EWPT использует низкочастотные магнитные поля (<1 кГц), которые безопасно проходят через проводящие среды и имеют более высокие допустимые уровни воздействия на человека (~2 мТрм при 1 кГц), что делает их перспективными для потенциального применения в беспроводной перезарядке биомедицинских имплантатов. Для устройств с одинаковой резонансной частотой величина передаваемой мощности полностью зависит от критического коэффициента связи, обозначаемого , между передающим и принимающим устройствами. Для связанных резонаторов с одинаковыми резонансными частотами беспроводная передача энергии между передатчиком и приемником происходит в трех режимах: недостаточно сопряженном, критически сопряженном и чрезмерно сопряженном. При увеличении критического коэффициента связи от недостаточно сопряженного режима к критически сопряженному, кривая оптимального усиления напряжения возрастает по величине (измеряемой на приемнике) и достигает максимума при , а затем переходит в чрезмерно сопряженный режим, где , и максимум расщепляется на два. Показано, что этот критический коэффициент связи является функцией расстояния между источником и приемником.
Магнитодинамическая сцепка
В этом методе мощность передается между двумя вращающимися арматурами, одна в передатчике и одна в приемнике, которые вращаются синхронно, соединенные вместе магнитным полем, генерируемым постоянными магнитами на арматурах. Кроме того, низкочастотные блуждающие магнитные поля, создаваемые вращающимися магнитами, создают меньше электромагнитных помех для близлежащих электронных устройств, чем высокочастотные магнитные поля, создаваемые системами индуктивного сопряжения. Прототип системы зарядки электромобилей работает в Университете Британской Колумбии с 2012 года. Однако другие исследователи утверждают, что два преобразования энергии (электрической в механическую и снова в электрическую) делают систему менее эффективной, чем электрические системы, такие как индуктивное сопряжение. Здесь идея заключается в возбуждении локализованного колебания заряда на границе раздела металла и воздуха, полученные моды распространяются вдоль границы раздела металла и воздуха. Ректена может быть использована для преобразования микроволновой энергии обратно в электричество. Достигнута эффективность преобразования ректены, превышающая 95%. Для передачи энергии от орбитальных солнечных электростанций на Землю было предложено использование направленных энергетических лучей на основе микроволн, а также рассматривалась передача энергии космическим аппаратам, покидающим орбиту. Направленная передача энергии микроволнами сталкивается с трудностями, поскольку для большинства космических применений требуемые размеры апертуры очень велики из-за дифракционного ограничения направленности антенны. Например, исследование NASA 1978 года, посвященное орбитальным солнечным электростанциям, требовало передающей антенны и принимающей ректены для микроволнового луча на частоте 2,45 ГГц. Эти размеры можно несколько уменьшить, используя более короткие длины волн, хотя короткие длины волн могут столкнуться с трудностями, связанными с атмосферным поглощением и блокировкой луча дождем или капельками воды. Из-за "проклятия разреженного массива" невозможно сделать более узкий луч, объединив лучи нескольких меньших спутников. Для наземных применений большая приемная антенна площадью 10 км в диаметре позволяет использовать высокие общие уровни мощности при работе на низкой плотности мощности, рекомендованной для обеспечения электромагнитной безопасности человека. Плотность мощности, безопасная для человека, 1 мВт/см², распределенная по площади диаметром 10 км, соответствует общему уровню мощности 750 мегаватт. Это уровень мощности, который можно найти на многих современных электростанциях. Для сравнения, солнечная фотоэлектрическая электростанция аналогичного размера может легко превысить 10 000 мегаватт (округленно) в оптимальных условиях в дневное время. После Второй мировой войны, в ходе которой были разработаны мощные микроволновые излучатели, известные как магнетроны, была исследована идея использования микроволн для передачи энергии. К 1964 году был продемонстрирован миниатюрный вертолет, приводимый в движение микроволновой энергией. Японский исследователь Хидецугу Яги также исследовал беспроводную передачу энергии, используя направленную антенну, которую он разработал. В феврале 1926 года Яги и его коллега Синтаро Уда опубликовали свою первую статью о настроенном высокоусилительном направленном массиве, теперь известном как антенна Яги. Хотя она не оказалась особенно полезной для передачи энергии, эта направленная антенна была широко принята в вещательной и беспроводной телекоммуникационной отраслях благодаря своим отличным характеристикам. Беспроводная передача энергии высокой мощности с использованием микроволн хорошо зарекомендовала себя. Эксперименты в десятки киловатт были проведены в комплексе дальней космической связи Goldstone в Калифорнии в 1975 году и более недавно (1997) в Гранд-Бассине на острове Реюньон. Эти методы достигают расстояний порядка километра. В экспериментальных условиях эффективность преобразования микроволновой энергии была измерена на уровне около 54% на один метр. Предлагается перейти на частоту 24 ГГц, поскольку микроволновые излучатели, аналогичные светодиодам, были созданы с очень высокой квантовой эффективностью с использованием отрицательного сопротивления, то есть диодов Gunn или IMPATT, и это было бы целесообразно для связи на короткие расстояния. В 2013 году изобретатель Хатем Зейне продемонстрировал, как беспроводная передача энергии с использованием антенн с фазированной решеткой может доставлять электрическую мощность на расстояние до 30 футов. Она использует те же радиочастоты, что и Wi-Fi. В 2015 году исследователи из Университета Вашингтона представили Power over Wi-Fi, которая подзаряжает аккумуляторы и питает беспроводные камеры и датчики температуры, используя передачи от Wi-Fi роутеров. Было показано, что сигналы Wi-Fi могут питать беспроводные датчики температуры и камеры на расстоянии до 20 футов. Также было показано, что Wi-Fi можно использовать для беспроводной подзарядки никель-металлгидридных и литий-ионных таблеточных аккумуляторов на расстоянии до 28 футов. В 2017 году Федеральная комиссия по связи (FCC) сертифицировала первый передатчик радиочастоты (RF) ближнего поля для беспроводной передачи энергии. В 2021 году FCC выдала лицензию на систему беспроводной зарядки "over the air" (OTA), которая сочетает в себе методы ближнего и дальнего поля, используя частоту около 900 МГц. Благодаря излучаемой мощности около 1 Вт эта система предназначена для небольших IoT-устройств, таких как различные датчики, трекеры, детекторы и мониторы.
Контактные каналы плазмы
При соединении каналов плазмы в атмосфере энергия передается между двумя электродами посредством электрической проводимости через ионизированный воздух. Когда градиент электрического поля между двумя электродами превышает 34 киловольта на сантиметр при атмосферном давлении на уровне моря, возникает электрическая дуга. Этот атмосферный диэлектрический пробой приводит к протеканию электрического тока по случайной траектории через ионизированный плазменный канал между двумя электродами. Примером этого является естественная молния, где один электрод представляет собой виртуальную точку в облаке, а другой – точку на Земле. В настоящее время ведутся исследования в области лазерно-индуцированных плазменных каналов (ЛИПК), использующих ультракороткие лазеры для искусственного стимулирования развития плазменного канала в воздухе, направления электрической дуги и управления током по заданному пути. Энергия лазера снижает напряжение атмосферного диэлектрического пробоя, а воздух становится менее изолирующим из-за перегрева, что уменьшает плотность воздушной нити. Этот новый процесс изучается для применения в качестве лазерного молниеотвода, а также для инициирования молний из облаков с целью изучения естественных каналов молнии, для исследований искусственного распространения в атмосфере, в качестве замены традиционным радиоантеннам, для применений, связанных с электрической сваркой и обработкой, для отвода энергии от высоковольтных конденсаторных разрядов, для систем оружия направленной энергии, использующих электрическую проводимость по пути возврата через землю, и для электронного подавления.
Сбор энергии
В контексте беспроводной передачи энергии, сбор энергии, также называемый рекуперацией энергии или извлечением энергии, представляет собой преобразование энергии окружающей среды в электрическую мощность, главным образом для питания небольших автономных беспроводных электронных устройств. Энергия окружающей среды может поступать из посторонних электрических или магнитных полей, радиоволн от находящегося поблизости электрооборудования, света, тепловой энергии (тепла) или кинетической энергии, такой как вибрация или движение устройства.
Развитие в XIX веке и тупики
В XIX веке было разработано множество теорий и контр-теорий о способах передачи электрической энергии. В 1826 году Андре-Мари Ампер обнаружил связь между током и магнитами. Майкл Фарадей в 1831 году, с помощью закона индукции, описал электродвижущую силу, наводящую ток в контуре проводника переменным во времени магнитным потоком. Передачу электрической энергии без проводов наблюдали многие изобретатели и экспериментаторы, однако отсутствие стройной теории приписывало эти явления расплывчато электромагнитной индукции. Лаконичное объяснение этих явлений появилось в 1860-х годах благодаря уравнениям Максвелла, разработанным Джеймсом Клерком Максвеллом, которые установили теорию, объединяющую электричество и магнетизм в электромагнетизм и предсказали существование электромагнитных волн как "беспроводной" среды передачи электромагнитной энергии. Около 1884 года Джон Генри Пойнтинг определил вектор Пойнтинга и сформулировал теорему Пойнтинга, описывающую поток энергии через поверхность в поле электромагнитного излучения и позволяющую проводить корректный анализ систем беспроводной передачи энергии. В 1888 году Генрих Рудольф Герц экспериментально подтвердил эту теорию, представив доказательства существования радиоволн. В патентах обоих изобретателей отмечалось, что этот слой, соединенный с обратным путем посредством "земных токов", позволит осуществлять беспроводную телеграфию, а также питать телеграф, отказавшись от искусственных батарей, и может быть использован для освещения, обогрева и привода в действие механизмов. Более практичной демонстрацией беспроводной передачи посредством проводимости стал магнитоэлектрический телефон Амоса Долбира 1879 года, использовавший заземление для передачи сигнала на расстояние в четверть мили.
Никола Тесла
После 1890 года изобретатель Никола Тесла экспериментировал с передачей энергии посредством индуктивной и емкостной связи, используя искровые радиочастотные резонансные трансформаторы, известные сегодня как катушки Тесла, которые генерировали высокие переменные напряжения. Вначале он пытался разработать беспроводную систему освещения, основанную на индуктивной и емкостной связи ближнего поля. Он обнаружил, что может увеличить расстояние, на котором можно зажечь лампу, используя приемную LC-цепь, настроенную в резонанс с LC-цепью передатчика. Однако его метод резонансной индуктивной связи широко используется в электронике и в настоящее время применяется в беспроводных системах передачи энергии на небольшие расстояния. Тесла продолжил разработку беспроводной системы распределения энергии, которая, по его замыслу, должна была передавать энергию на большие расстояния непосредственно в дома и на заводы. На первых этапах он, по-видимому, заимствовал идеи Малона Лумиса, предложив систему, состоящую из воздушных шаров для подвешивания передающих и приемных электродов в воздухе на высоте, где, как он полагал, давление позволило бы передавать высокие напряжения (миллионы вольт) на большие расстояния. Для дальнейшего изучения электропроводности воздуха низкого давления он организовал испытательный полигон в Колорадо-Спрингс в 1899 году. Эксперименты с большой катушкой, работающей в мегавольтном диапазоне, а также наблюдения за электронным шумом молний привели его к ошибочному выводу. Его наблюдения также убедили его в том, что высокое напряжение, используемое в катушке на высоте нескольких сотен футов, "пробьет воздушный слой", устраняя необходимость в километрах кабеля, подвешенного на воздушных шарах, для создания его атмосферной цепи возврата. В следующем году Тесла предложил "Всемирную беспроводную систему", предназначенную для трансляции информации и энергии по всему миру. В 1901 году в Шорхэме, штат Нью-Йорк, он попытался построить крупную высоковольтную беспроводную электростанцию, ныне известную как башня Уорденклифф, но к 1904 году финансирование иссякло, и объект так и не был завершен.
Технологии ближнего поля и нерадиационные
Индуктивная передача энергии между расположенными рядом катушками проволоки была первой разработанной технологией беспроводной передачи энергии, существующей с момента изобретения трансформатора в 1800-х годах. Индукционный нагрев используется с начала 1900-х годов и применяется для индукционной варки пищи. С появлением беспроводных устройств были разработаны индуктивные зарядные подставки для приборов, используемых во влажной среде, таких как электрические зубные щетки и бритвы, чтобы устранить опасность поражения электрическим током. Одним из первых предложенных применений индуктивной передачи было питание электрических локомотивов. В 1892 году Морис Хутин и Морис Леблан запатентовали беспроводной метод питания железнодорожных составов с использованием резонансных катушек, индуктивно связанных с проводником на частоте 3 кГц. В начале 1960-х годов резонансная индуктивная беспроводная передача энергии успешно применялась в имплантируемых медицинских устройствах, включая кардиостимуляторы и искусственные сердца. В то время как ранние системы использовали резонансную приемную катушку, более поздние системы также использовали резонансные передающие катушки. Эти медицинские устройства разработаны для высокой эффективности с использованием маломощной электроники, эффективно компенсируя небольшое смещение и динамическое вращение катушек. Расстояние между катушками в имплантируемых приложениях обычно составляет менее 20 см. Сегодня резонансная индуктивная передача энергии регулярно используется для обеспечения электропитанием многих коммерчески доступных медицинских имплантатов. Первые пассивные технологии RFID (радиочастотной идентификации) были изобретены Марио Кардулло (1973) и Коэль и др. (1975), а к 1990-м годам стали использоваться в картах доступа и бесконтактных смарт-картах. Распространение портативных устройств беспроводной связи, таких как мобильные телефоны, планшеты и ноутбуки, в последние десятилетия стимулирует разработку технологии беспроводного питания и зарядки средней дальности, чтобы избавить эти устройства от необходимости подключения к розеткам во время зарядки. Консорциум беспроводной энергетики был создан в 2008 году для разработки совместимых стандартов между производителями. Беспроводное устройство помещается на плоскую зарядную панель (которую можно встраивать в столешницы в кафе, например), и энергия передается от плоской катушки в зарядном устройстве к аналогичной катушке в устройстве. В 2007 году команда под руководством Марина Солячича из MIT использовала двойной резонансный передатчик диаметром 25 см, настроенный на частоту 10 МГц, для передачи 60 Вт мощности на аналогичный двойной резонансный приемник на расстояние, в восемь раз превышающее диаметр катушки передатчика, с эффективностью около 40%. В 2011 году доктор Кристофер А. Такер и профессор Кевин Уорвик из Университета Рединга воссоздали патент Теслы 1900 года № 0,645,576 в миниатюре и продемонстрировали передачу энергии на расстоянии с диаметром катушки на резонансной частоте 27,50 МГц с эффективностью 60%.
Микроволновые печи и лазеры
До Второй мировой войны прогресс в области беспроводной передачи энергии был незначительным. Развитие микроволновой технологии во время Второй мировой войны, включая клистроны, магнитроны и параболические антенны, создало основу для дальнейших исследований. В 1975 году, в качестве технического директора программы JPL/Raytheon, Браун продемонстрировал передачу энергии на большое расстояние, направив 475 Вт микроволновой мощности на ректенну на расстоянии одной мили, с эффективностью преобразования микроволновой энергии в постоянный ток 54%. В Лаборатории реактивного движения НАСА он и Роберт Дикинсон передали 30 кВт постоянной выходной мощности на расстояние 1,5 км с помощью микроволн частотой 2,38 ГГц от 26-метровой антенны к массиву ректенн размером 7,3 x 3,5 м. Эффективность преобразования входящей радиочастотной энергии в постоянный ток ректенны составила 80%. В 1983 году Япония запустила эксперимент MINIX (Microwave Ionosphere Nonlinear Interaction Experiment) – ракетный эксперимент для проверки передачи высокомощных микроволн через ионосферу. В последние годы исследования сосредоточены на разработке беспилотных летательных аппаратов с беспроводным питанием, работы над которыми начались в 1959 году в рамках проекта RAMP (Raytheon Airborne Microwave Platform) Министерства обороны.
Патенты
, Микроволновые летательные аппараты, Джон Э. Мартин и др. (1990 г.). , Твердотельная система и устройство для преобразования солнечной энергии в микроволновую энергию, Кеннет У. Дадли и др. (1976 г.). , Антенна для приема микроволновой энергии, Кэрролл С. Дейли (1970 г.).