Электричество – это, условно говоря, взаимодействие и движение электрических зарядов, а точнее, совокупность явлений, обусловленных этим. Несмотря на то, что электрические эффекты люди подметили еще давно (до нашей эры), хоть какое-либо развитие эта сфера получила в 1600 году. Сегодня же электричество практически обязательный аспект существования человека. Материальным носителем электричества выступает электрон, а само электричество является частью квантовых теорий электрослабых взаимодействий, одной из сторон электромагнитного взаимодействия. Науку волнуют такие вопросы, связанные с электричеством: хранение электричества и эффективная и экологически чистая его выработка, беспроводная передача электроэнергии на максимально возможные расстояния без потери эффективности, место электричества в общей картине фундаментальных сил природы и многое другое.
Теория беспроводной передачи электричества – задумка Тесла. Чего только ни придумали люди для минимизации расходов во время транспортировки электрического тока: использование высоковольтных ЛЭП, применение проводников, обладающих сверхмалым сопротивлением и т.д. Но самой, пожалуй, интересной идеей является теория беспроводной передачи электрической энергии. И сегодня мы попытаемся вместе постичь ее суть.
Когда речь идет о беспроводной передаче электричества, многие люди проводят аналогию с беспроводными сетями: Wi-Fi, 4G и т.д. Да, эти технологии не предусматривают наличия проводников, но и передавать энергию они тоже не могут. Их основная функция состоит в передаче данных, а электрическая энергия в данном случае затрачивается лишь на то, чтобы породить передаточный импульс.
Принцип передачи электроэнергии на большие расстояния без использования проводников основан на явлении электромагнитной индукции, которое всем нам известно еще со времен школьной скамьи. Это явление применяется в устройствах беспроводной (индуктивной) зарядки, а схема его работы предельно проста: есть две электромагнитные катушки – передатчик и приемник. Если на обмотку катушки-передатчика подать переменный ток, то устройство начнет генерировать переменное магнитное поле. В момент, когда катушка-приемник попадает в зону действия магнитного поля передатчика, на обмотке приемника возникает напряжение. Иными словами, между передатчиком и приемником возникает индуктивная связь. Возникшее электричество можно использовать уже по назначению (например, для подзарядки аккумулятора).
Как видим, принцип беспроводной передачи электрической энергии (мощности) основан на использовании электрической энергии, а также на явлениях магнетизма и электрического магнетизма.
Впервые теория беспроводной передачи электрического тока была представлена широкой общественности в 1899 году известным ученым Николой Тесла. Он презентовал беспроводной способ передачи питания на рабочие элементы люминесцентных ламп. Но в те далекие годы было проще провести традиционную линию электропередачи длиной в несколько десятков миль, чем создавать мощные электрогенераторы, которые потребовались бы для проведения опыта. В итоге идея обернулась провалом, патент на изобретение ученым так и не был получен, а само изобретение так и осталось храниться в анналах науки.
Неудача практически полностью приостановила развитие представленной технологии. Поэтому в наши дни можно встретить совсем не много устройств, работающих по принципу индукционно-магнитной передачи электроэнергии. К их числу можно отнести небольшие беспроводные наушники, беспроводные зарядные устройства и т.д.
Явление магнетизма известно человечеству уже давно. Заключается оно в способности определенных материалов притягивать или отталкивать от себя различные предметы, не имея с ними прямого соприкосновения. Природные магниты имеют два полюса. Наглядным и единственным примером постоянного природного магнита является наша планета, обладающая двумя разнонаправленными полюсами. Электрическим магнетизмом называется взаимная связь переменных электрических и магнитных полей.
Явление электромагнитной индукции рассмотрим, опять же таки, на примере двух электромагнитных катушек. В момент, когда один электрический контур (катушка-источник) подключается к сети переменного тока, вокруг его проводников возникает колебательное электромагнитное поле. Если в это время вблизи первой катушки будет находиться второй токопроводящий контур (катушка-приемник), то под воздействием колебательного электромагнитного поля в его внутренней структуре начнет индуцироваться электрический ток. Подобным образом первая катушка передает часть своей электрической мощности на обмотку второй катушки. Этот процесс и получил название электромагнитной индукции.
В повседневной жизни явление электромагнитной индукции используется очень часто. Ведь на нем основана работа трансформаторов (которые входят в состав каждой электрической подстанции), работа генераторов (которые установлены во всех автомобилях) и других не менее важных устройств.
Величина индуцированного во второй катушке тока имеет прямую связь со скоростью изменения магнитного потока и с количеством витков в первой катушке. Более подробно эта взаимосвязь отражена в законах электромагнитной индукции, автором которых является Майкл Фарадей – английский физик-экспериментатор.
Если два электрических устройства имеют взаимное расположение, при котором изменение электромагнитного поля на одном из устройств провоцирует возникновение электрического тока на другом устройстве, то можно сказать, что эти устройства связаны индукционно. То есть, что они имеют индуктивную связь.
Если между двумя устройствами (между передатчиком и приемником) существует электрический резонанс, то потери мощности электрического тока во время беспроводной передачи будут сведены к минимуму. Резонанс достигается путем встраивания специальных конденсаторов в электрическую схему катушек.
Как и любая другая технология, технология беспроводной передачи электричества имеет свои преимущества и недостатки. К ее преимуществам можно отнести следующие особенности:
• отсутствие проводников, соединяющих источник тока и энергопринимающее устройство;
• сведение к минимуму операций, связанных с техническим обслуживание линии, передающей электричество;
• экономия на материалах и на монтажных работах.
Недостатки выявлены следующие:
• беспроводная передача возможна только на сравнительно небольших расстояниях;
• сильное магнитное поле наносит вред живому организму;
• высокая стоимость создания мощных установок для беспроводной передачи электроэнергии.
Вывод: в целом, с точки зрения любопытного обывателя, технология выглядит весьма привлекательно. Но если подойти к идее более рационально, то до ее повсеместного внедрения в жизнь современному человечеству еще очень далеко.
Беспроводна́я переда́ча электри́чества – способ передачи электрической энергии без использования токопроводящих элементов в электрической цепи. К 2011 году имели место следующие успешные опыты с передачей энергии мощностью порядка десятков киловатт в микроволновом диапазоне с КПД около 40 %: в 1975 году в обсерватории Goldstone (Калифорния) и в 1997 году в Grand Bassin на острове Реюньон (дальность порядка километра, исследования в области энергоснабжения посёлка без прокладки кабельной электросети). Технологические принципы такой передачи включают в себя индукционный (на малых расстояниях и относительно малых мощностях), резонансный (используется в бесконтактных смарт-картах и чипах RFID) и направленный электромагнитный для относительно больших расстояний и мощностей (в диапазоне от ультрафиолета до СВЧ).
Ультразвуковой способ
Ультразвуковой способ передачи энергии изобретён студентами университета Пенсильвании и впервые широкой публике представлен на выставке «The All Things Digital» (D9) в 2011 году. Как и в других способах беспроводной передачи чего-либо, использовался приёмник и передатчик. Передатчик излучал ультразвук; приёмник, в свою очередь, преобразовывал слышимое в электричество. На момент презентации расстояние передачи достигало 7-10 метров, и была необходима прямая видимость приёмника и передатчика. Передаваемое напряжение достигало 8 вольт; получаемая сила тока не сообщается. Используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Также нет сведений и об отрицательном воздействии ультразвуковых частот на животных.
Практическое применение ультразвука для передачи энергии невозможно из-за очень низкого кпд, ограничений во многих государствах на максимальный уровень звукового давления, не позволяющий передавать приемлемую мощность, и других ограничений.
Метод электромагнитной индукции
При беспроводной передаче энергии методом электромагнитной индукции используется ближнее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны. Энергия ближнего поля сама по себе не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Кроме того, как правило, имеют место и резистивные потери. Благодаря электродинамической индукции, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создаёт переменное магнитное поле, которое действует на вторичную обмотку, индуцируя в ней электрический ток. Для достижения высокой эффективности взаимодействие должно быть достаточно тесным. По мере удаления вторичной обмотки от первичной, всё большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. Даже на относительно небольших расстояниях индуктивная связь становится крайне неэффективной, расходуя большую часть передаваемой энергии впустую.
Электрический трансформатор является простейшим устройством для беспроводной передачи энергии. Первичная и вторичная обмотки трансформатора прямо не связаны. Передача энергии осуществляется посредством процесса, известного как взаимная индукция. Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения. Бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щёток являются примерами использования принципа электродинамической индукции. Индукционные плиты также используют этот метод. Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приёмник должен находиться в непосредственной близости к передатчику для того, чтобы эффективно с ним взаимодействовать.
Использование резонанса несколько увеличивает дальность передачи. При резонансной индукции передатчик и приёмник настроены на одну частоту. Производительность может быть улучшена ещё больше путём изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Импульсная передача энергии происходит в течение нескольких циклов. Таким образом, значительная мощность может быть передана между двумя взаимно настроенными LC-цепями с относительно невысоким коэффициентом связи. Передающая и приёмная катушки, как правило, представляют собой однослойные соленоиды или плоскую спираль с набором конденсаторов, которые позволяют настроить принимающий элемент на частоту передатчика.
Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка аккумуляторных батарей портативных устройств, таких, как портативные компьютеры и сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили. Техника локализованной зарядки использует выбор соответствующей передающей катушки в структуре массива многослойных обмоток. Резонанс используется как в панели беспроводной зарядки (передающем контуре), так и в модуле приёмника (встроенного в нагрузку) для обеспечения максимальной эффективности передачи энергии. Такая техника передачи подходит универсальным беспроводным зарядным панелям для подзарядки портативной электроники, такой, например, как мобильные телефоны. Техника принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi.
Резонансная электродинамическая индукция также используется для питания устройств, не имеющих аккумуляторных батарей, таких, как RFID-метки и бесконтактные смарт-карты, а также для передачи электрической энергии от первичного индуктора винтовому резонатору трансформатора Теслы, также являющемуся беспроводным передатчиком электрической энергии.
Электростатическая индукция
Электростатическая или ёмкостная связь представляет собой прохождение электроэнергии через диэлектрик. На практике это градиент электрического поля или дифференциальная ёмкость между двумя или более изолированными клеммами, пластинами, электродами или узлами, возвышающимися над проводящей поверхностью. Электрическое поле создается за счёт заряда пластин переменным током высокой частоты и высокого потенциала. Ёмкость между двумя электродами и питаемым устройством образует разницу потенциалов.
Электрическая энергия, передаваемая с помощью электростатической индукции, может быть использована в приёмном устройстве, например, таком, как беспроводные лампы. Тесла продемонстрировал беспроводное питание ламп освещения энергией, передаваемой переменным электрическим полем. «Вместо того чтобы полагаться на электродинамическую индукцию для питания лампы на расстоянии, идеальным способом освещения зала или комнаты будет создание таких условий, при которых осветительный прибор можно было бы переносить и размещать в любом месте, и он работал, независимо от того, где он находится, и без проводного подключения. Я сумел продемонстрировать это, создав в помещении мощное переменное электрическое поле высокой частоты. Для этой цели я прикрепил изолированную металлическую пластину к потолку и подключил её к одной клемме индукционной катушки, другая клемма была заземлена. В другом случае я подключал две пластины, каждую к разным концам индукционной катушки, тщательно подобрав их размеры. Газоразрядная лампа может перемещаться в любое место помещения между металлическими пластинами или даже на некоторое расстояние за ними, излучая при этом свет без перерыва».
Принцип электростатической индукции применим к методу беспроводной передачи. «В случаях, когда требуется передача небольшого количества энергии, необходимость в расположении электродов на возвышении снижается, особенно в случае токов высокой частоты, когда достаточное количество энергии может быть получено терминалом путём электростатической индукции из верхних слоев воздуха, создаваемой передающим терминалом».
Микроволновое излучение
Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной, значительно увеличив расстояние эффективной передачи энергии путём уменьшения длины волны электромагнитного излучения, как правило, до микроволнового диапазона. Для обратного преобразования микроволновой энергии в электричество может быть использована ректенна, эффективность преобразования энергии которой превышает 95 %. Данный способ был предложен для передачи энергии с орбитальных солнечных электростанций на Землю и питания космических кораблей, покидающих земную орбиту.
Сложностью в создании энергетического микроволнового луча является то, что для использования его в космических программах из-за дифракции, ограничивающей направленность антенны, необходима диафрагма большого размера. Например, согласно исследованию НАСА 1978 года, для микроволнового луча частотой 2,45 ГГц понадобится передающая антенна диаметром в 1 километр, а приёмной ректенны диаметром в 10 километров. Эти размеры могут быть снижены путём использования более коротких длин волн, однако короткие волны могут поглощаться атмосферой, а также блокироваться дождём или каплями воды. Из-за «проклятия узкого пучка» невозможно сузить луч, объединяя пучки от нескольких меньших спутников без пропорциональной потери в мощности. Для применения на земле антенна диаметром 10 километров позволит достичь значительного уровня мощности при сохранении низкой плотности пучка, что важно по соображениям безопасности для человека и окружающей среды. Безопасный для человека уровень плотности мощности составляет 1 мВт/см2, что на площади круга диаметром 10 километров соответствует мощности в 750 МВт. Этот уровень соответствует мощности современных электростанций.
Японский исследователь Хидэцугу Яги исследовал беспроводную передачу энергии с помощью созданной им направленной антенной решётки. В феврале 1926 года им была опубликована работа об устройстве, известном сейчас как антенна Яги. Хотя она оказалась неэффективной для передачи энергии, сегодня её широко используют в радиовещании и беспроводных телекоммуникациях из-за её превосходных рабочих характеристик.
В 1945 году советский учёный Семён Тетельбаум опубликовал статью, в которой впервые рассматривал эффективность микроволновой линии для беспроводной передачи электроэнергии. После Второй мировой войны, когда началось развитие мощных СВЧ-излучателей, известных под названием магнетрон, идея использования микроволн для передачи энергии была развита. В 1964 году был продемонстрирован миниатюрный вертолёт, к которому энергия передавалась с помощью СВЧ-излучения.
Беспроводная передача энергии высокой мощности с использованием микроволн подтверждена экспериментально. Опыты по передаче десятков киловатт электроэнергии проводились в обсерватории Голдстоун (Goldstone, штат Калифорния) в 1975 году и в 1997 году в Гранд Бассине (Grand Bassin) на острове Реюньон. В ходе экспериментов достигнута передача энергии на расстояние порядка одного километра. Экспериментами по беспроводной передаче энергии с помощью СВЧ-излучения занимался также академик Пётр Капица.
Лазерный метод
В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к видимой области спектра (от 10 мкм до 10 нм), энергию можно передать путём её преобразования в луч лазера, который затем может быть направлен на фотоэлемент приёмника.
Лазерная передача энергии по сравнению с другими методами беспроводной передачи обладает рядом преимуществ:
• передача энергии на большие расстояния (за счёт малой величины угла расходимости между узкими пучками монохроматической световой волны);
• удобство применения для небольших изделий (благодаря небольшим размерам твердотельного лазера – фотоэлектрического полупроводникового диода);
• отсутствие радиочастотных помех для существующих средств связи, таких, как Wi-Fi и сотовые телефоны (лазер не создаёт таких помех);
• возможность контроля доступа (получить электроэнергию могут только приёмники, освещённые лазерным лучом).
У данного метода есть и ряд недостатков:
• преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, которым является свет, неэффективно. Преобразование света обратно в электричество также неэффективно, так как КПД фотоэлементов достигает 40-50 %, хотя эффективность преобразования монохроматического света значительно выше, чем эффективность солнечных панелей;
• потери в атмосфере;
• необходимость прямой видимости между передатчиком и приёмником (как и при микроволновой передаче).
Технология передачи мощности с помощью лазера ранее, в основном, исследовалась при разработке новых систем вооружений и в аэрокосмической промышленности, а в настоящее время разрабатывается для коммерческой и потребительской электроники в маломощных устройствах. Системы беспроводной передачи энергии с применением в потребительских целях должны удовлетворять требованиям лазерной безопасности стандарта IEC 60825. Для лучшего понимания лазерных систем следует принимать во внимание то, что распространение лазерного луча гораздо в меньшей степени зависит от дифракционных ограничений, как пространственное и спектральное согласование характеристик лазеров позволяют увеличить рабочую мощность и дистанцию, как длина волны влияет на фокусировку.
Драйденский лётно-исследовательский центр НАСА продемонстрировал полёт лёгкого беспилотного самолёта-модели, питаемого лазерным лучом. Это доказало возможность периодической подзарядки посредством лазерной системы без необходимости приземления летательного аппарата. Кроме того, подразделение НАСА, названное «Litehouse DEV», совместно с Университетом штата Мэриленд разрабатывает лазерную систему питания небольших БПЛА, безопасную для глаз.
С 2006 года компания PowerBeam, изобретшая лазерную технологию, безопасную для глаз, также разрабатывает готовые для коммерческого применения узлы для различных потребительских и промышленных электронных устройств. В 2009 году в соревновании НАСА по передаче энергии лазером в космосе первое место и приз в $900 тысяч получила компания LaserMotive, продемонстрировав собственную разработку, способную действовать на расстоянии в один километр. Лазер победителя смог передать мощность в 500 Вт на расстояние в 1 километр с 10 % КПД.
Электропроводность земли
Однопроводная электрическая система SWER (англ. single wire with earth return) основывается на токе земли и одном изолированном проводе. В аварийных случаях высоковольтные линии постоянного тока могут работать в режиме SWER. Замена изолированного провода на атмосферную обратную связь для передачи мощного высокочастотного переменного тока стала одним из методов беспроводной передачи электроэнергии. Кроме того, исследовалась возможность беспроводной передачи электроэнергии только через землю.
Низкочастотный переменный ток может быть передан с низкими потерями по земле, поскольку общее сопротивление земли значительно меньше, чем 1 Ом. Электрическая индукция возникает преимущественно из-за электропроводимости океанов, металлических рудных тел и подобных подземных структур. Электрическая индукция также вызывается электростатической индукцией диэлектрических областей, таких, как залежи кварцевого песка и прочих непроводящих минералов.
Переменный ток может передаваться через слои атмосферы, имеющие атмосферное давление менее 135 мм.рт.ст. Ток протекает посредством электростатической индукции через нижние слои атмосферы примерно в 2-3 милях (3,2-4,8 километрах) над уровнем моря и благодаря потоку ионов, то есть электрической проводимости через ионизированную область, расположенную на высоте выше 5 километров. Интенсивные вертикальные пучки ультрафиолетового излучения могут быть использованы для ионизации атмосферных газов непосредственно над двумя возвышенными терминалами, приводя к образованию плазменных высоковольтных линий электропередач, ведущих прямо к проводящим слоям атмосферы. В результате между двумя возвышенными терминалами образуется поток электрического тока, проходящий до тропосферы, через неё и обратно на другой терминал. Электропроводность через слои атмосферы становится возможной благодаря ёмкостному плазменному разряду в ионизированной атмосфере.
Никола Тесла обнаружил, что электроэнергия может передаваться и через землю, и через атмосферу. В ходе своих исследований он добился возгорания лампы на умеренных расстояниях и зафиксировал передачу электроэнергии на больших дистанциях. Башня Ворденклиф задумывалась как коммерческий проект по трансатлантической беспроводной телефонии и стала реальной демонстрацией возможности беспроводной передачи электроэнергии в глобальном масштабе. Установка не была завершена из-за недостаточного финансирования.
Земля является естественным проводником и образует один проводящий контур. Обратный контур реализуется через верхние слои тропосферы и нижние слои стратосферы на высоте около 4,5 миль (7,2 километра).
Глобальная система передачи электроэнергии без проводов, так называемая «Всемирная беспроводная система», основанная на высокой электропроводности плазмы и высокой электропроводности земли, была предложена Николой Тесла в начале 1904 года и по одной из гипотез вполне могла стать причиной Тунгусского метеорита, возникшего в результате «короткого замыкания» между заряженной атмосферой и землей.
Всемирная беспроводная система
Ранние эксперименты известного сербского изобретателя Никола Теслы касались распространения обычных радиоволн, то есть волн Герца, электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве.
В 1919 году Никола Тесла писал: «Считается, что я начал работу над беспроводной передачей в 1893 году, но на самом деле два предыдущих года я проводил исследования и конструировал аппаратуру. Для меня было ясно с самого начала, что успеха можно достичь благодаря ряду радикальных решений. Высокочастотные генераторы и электрические осцилляторы должны были быть созданы в первую очередь. Их энергию необходимо было преобразовать в эффективных передатчиках и принять на расстоянии надлежащими приёмниками. Такая система была бы эффективна в случае исключения любого постороннего вмешательства и обеспечения её полной исключительности. Со временем, однако, я осознал, что для эффективной работы устройств такого рода они должны разрабатываться с учётом физических свойств нашей планеты».
Одним из условий создания всемирной беспроводной системы является строительство резонансных приёмников. Заземлённый винтовой резонатор катушки Теслы и расположенный на возвышении терминал могут быть использованы в качестве таковых. Тесла лично неоднократно демонстрировал беспроводную передачу электрической энергии от передающей к приёмной катушке Теслы. Это стало частью его беспроводной системы передачи (патент США № 1119732 от 18 января 1902 года, «Аппарат для передачи электрической энергии»). Тесла предложил установить более тридцати приёмо-передающих станций по всему миру. В этой системе приёмная катушка действует как понижающий трансформатор с высоким выходным током. Параметры передающей катушки тождественны приёмной.
Целью мировой беспроводной системы Теслы являлось совмещение передачи энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которое бы позволило избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало бы объединению электрических генераторов в глобальном масштабе.
Беспроводная передача электричества на расстоянии известна с тех пор, как в 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. На этом принципе работает множество приборов, однако массово использовать его в быту именно для передачи энергии без проводов человечество начало только в конце двадцатого века. А сегодня мы стоим на пороге серьезного прорыва, который сделает нас еще немного свободнее.
Экспериментируя с магнитами, Фарадей ставил перед собой конкретную цель: добыть электричество с помощью магнетизма. Ученый воспринимал магниты как источник электроэнергии – и его опыты увенчались успехом 29 августа 1831 года, по крайней мере если верить дате, указанной в дневнике. Фарадей доказал, что при изменении магнитного потока, проходящего через замкнутый контур, в последнем возникает электрический ток. Именно этот принцип и лежит сегодня в основе большинства способов беспроводной передачи электроэнергии.
На данный момент существует несколько стандартов, которые уже действуют и позволяют производителям выпускать готовые решения. Существует множество конкурирующих объединений, каждое из которых предлагает свой стандарт беспроводной передачи электричества. Три крупнейших из них – это WPC, PMA и A4WP.
WPC (Wireless Power Consortium, «Консорциум беспроводной энергии») пропагандирует стандарт Qi («чи», или «ци» – жизненная сила в китайской философии). Технология весьма проста – «передатчик» генерирует переменное магнитное поле, а «приемник» в мобильном устройстве превращает его в электрический ток. Консорциум был основан в 2008 году в Гонконге, спустя полтора года опубликовал первые технические спецификации и требования стандарта, а сейчас в него входят 109 крупнейших мировых компаний в области энергетики, производства компактных устройств, батарей, микропроцессоров – от Energizer и Denso Corporation до Nokia и Sony. Уже сегодня зарядные станции WPC установлены более чем в сотне популярных общественных мест Японии; любое устройство, оснащенное модулем, поддерживающим этот стандарт, может заряжаться везде, где есть станция, обозначенная специальным значком.
Qi позволяет заряжать только гаджеты, которым не требуется мощность более 5Вт. Однако WPC уже разрабатывает среднемощные передатчики (до 120 Вт); развитие этого направления позволит питать без проводов и ноутбуки, и современные телевизоры с большой диагональю, и прочие бытовые приборы.
Второй крупный игрок на этом рынке – Power Matters Alliance, созданный в рамках одной из программ Международного института инженеров электротехники и электроники (IEEE Standards Association Industry Connections Program). PMA объединил в своих рядах крупные компании, которые занимаются (в числе прочего) разработкой нового стандарта беспроводной передачи электроэнергии. Уже сейчас есть результаты, которые позволяют PMA на равных конкурировать с WPC – тем более что играют они на одном поле, используя один и тот же принцип. Powermat и Procter&Gamble, входящие в PMA, в сентябре 2011 года объединились и создали компанию Duracell Powermat. Ауже в феврале 2012 года было представлено готовое решение – устройство Wireless Charging Card (WiCC), похожее на обычную SD-карту. Собственно, это и есть карта памяти со встроенной технологией NFC, превращающая любой подходящий гаджет в беспроводной. В ней шесть контактов: два для питания, два для передачи данных и два для NFC. Подобное устройство, достаточно тонкое и легкое, можно при минимальном содействии производителей адаптировать к уже выведенным на рынок продуктам, лишь немного скорректировав размер и форму батареи.
Программа действий у Powermat та же, что и у WPC: выход на аэропорты (компания Arconas), арены и стадионы (компания Madison Square Garden), университеты (Bretford). Duracell Powermat появился не так давно, однако быстро развивается, и уже в начале лета 2012 года начнутся продажи готовых продуктов – зарядных ковриков. Вскоре появятся автомобили от General Motors – еще одного члена PMA, – оснащенные беспроводными зарядными устройствами для гаджетов. Магазины будут продавать офисную мебель с встроенными продуктами Powermat от компании Teknion.
Наконец, недавно компании Samsung и Qualcomm основали третий альянс Alliance for Wireless Power (A4WP). Представители A4WP пока «отделываются» только громкими, хотя и уклончивыми заявлениями, но авторитет и репутация Samsung и Qualcomm позволяют верить в то, что реализация их технологий не за горами.
Электромагнитная индукция не единственный метод передачи энергии на расстоянии, существуют и другие способы. В 2009 году в конкурсе NASA по беспроводной передаче энергии победила технологическая группа, использовавшая 500-ваттный лазерный луч. КПД передачи на 1 километр составлял около 10%. Экономным такой метод не назовешь, и это при том, что у технологии есть целый ряд ограничений, начиная от громоздкости и сложности оборудования и заканчивая тем фактом, что приемник должен находиться в зоне прямой видимости передатчика.
Тем не менее эта технология дает возможность гарантированно передавать энергию на достаточно большие расстояния, причем адресно – от точки до точки. Легко представить ситуации, когда проще не тянуть провода на сотни метров в неблагоприятных условиях, а просто установить передатчик и приемник и отправлять энергию напрямую. Перед этой технологией открываются перспективы в космической области (именно поэтому ею и интересуется NASA).
А компания PowerBeam уже сегодня готова осуществить беспроводное освещение квартир, зарядку телефонов и крупных бытовых приборов. Их методика основана на инфракрасном лазерном луче, переносящем электроэнергию от передатчика к приемнику. PowerBeam предлагает три варианта решения – передача 100 мВт (наушники, игровые контроллеры, датчики дыма), 2,5 Вт (смартфоны, КПК, нетбуки, беспроводные колонки) и 10 Вт (ноутбуки, LED-телевизоры, цифровые фоторамки). Технология позволяет питать устройства на расстоянии до 30 метров. В случае, если на пути луча встанет человек или животное, обратная связь (менее мощный луч от приемника к передатчику) автоматически выключит питание.
В июне 2011 года две студентки Пенсильванского университета – Мередит Перри и Нора Дуэк – продемонстрировали на технической конференции D9, проводимой The Wall Street Journal, способ передачи электричества с помощью ультразвука. Пока что результаты не слишком впечатляют: им удалось передать полезную мощность всего в 0,25 Вт на расстояние чуть меньше одного метра. Кроме того, эта энергия «транслируется» не адресно, а широким лучом, и во время презентации авторы указали, что лучшим местом для установки передатчика будет потолок комнаты. Тем не менее этот способ имеет интересные перспективы. Он безопасен для человека и может использоваться в тех случаях, когда другие способы невозможны – например, в жидких проводящих средах, скажем, для питания различных датчиков на дне акватории или имплантатов в человеческом организме.
В данный момент технология уже получила название – uBeam, создана одноименная компания и проводятся исследования, причем некоторые источники (в том числе журнал Forbes и руководство агентства DARPA) cчитают их многообещающими. Предполагается, что в ближайшее время будет достигнута мощность передачи в 25 Вт.
Применение сверхвысоких частот для передачи электроэнергии – это относительно несложно. Любой обладатель микроволновой печи может (с риском для прибора и пробок) положить в камеру металлический предмет – например, простую стальную вилку – и увидеть, как будут искрить зубцы. Но применять этот эффект можно не только для опасных фокусов, но и на благо всего человечества: в данный момент разрабатывается несколько глобальных проектов, в которых предполагается развертывание в космосе станций, аккумулирующих солнечную энергию и передающих ее на Землю в виде узкого пучка микроволн.
Подобный принцип неоднократно демонстрировался в лаборатории. Известен опыт американского физика Уильяма Брауна, который в 1976 году передал СВЧ-пучком энергию мощностью 30 кВт на расстояние более 1,5 километра. В качестве приемника при таком методе применяется так называемая ректенна (rectifying antenna, выпрямляющая антенна), способная преобразовывать энергию улавливаемой волны в электроэнергию (сегодня ректенны используются, например, для радиочастотной идентификации, RFID). Но есть у данного метода недостатки. Например, чтобы передать с орбиты 5 ГВт, придется построить наверху передающую антенну диаметром в 1 километр, а на Земле – 10-километровый приемник.
Самая реалистичная из всех технологий – электромагнитная индукция. Однако ее широкое распространение пока сдерживается определенными факторами – в частности, небольшими расстояниями (до 4-5 сантиметров между катушками передатчика и приемника) и мощностями. Ведутся эксперименты по масштабированию технологии, однако тут уже начинают возникать вопросы безопасности для здоровья.
Технологии передачи электричества с помощью инфракрасного лазера и ультразвука, скорее всего, будут развиваться и наверняка найдут свои узкие ниши – вполне возможно, даже в быту. Орбитальные спутники с огромными солнечными батареями потребуют другого похода – там уже будет иметь значение возможность прицельной передачи электроэнергии, а значит, в дело вступят СВЧ или лазер. Идеального решения пока не существует, но есть много вариантов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
Если верить истории, революционный технологический проект был заморожен из-за отсутствия у Теслы должных финансовых возможностей (эта проблема преследовала ученого практически все время его работы в Америке). Говоря в целом, основное давление на него оказывалось со стороны другого изобретателя – Томаса Эдисона и его компаний, которые продвигали технологию постоянного тока, в то время как Тесла занимался током переменным (так называемая «Война токов»). История расставила все на свои места: сейчас переменный ток используется в городских электросетях практически повсеместно, хотя отголоски прошлого доходят и до наших дней (например, одна из заявленных причин поломок пресловутых поездов Hyundai – использование на некоторых участках украинской ЖД электролиний постоянного тока).
Это же касается башни Ворденклиф, то, если верить легенде, Тесла продемонстрировал одному из главных инвесторов Дж.П. Моргану, акционеру первой в мире Ниагарской ГЭС и медных заводов (медь, как известно, используется в проводах), работающую установку по беспроводной передаче тока, стоимость которого для потребителей была бы (заработай такие установки в промышленных масштабах) на порядок дешевле для потребителей, после чего он свернул финансирование проекта. Как бы там ни было, всерьез о беспроводной передаче электроэнергии заговорили только спустя 90 лет, в 2007 году. И хотя до того момента, как линии электропередач полностью исчезнут из городского пейзажа, еще далеко, приятные мелочи вроде беспроводной зарядки мобильного устройства доступны уже сейчас.
Если мы просмотрим архивы ИТ-новостей хотя бы двухгодичной давности, то в таких подборках обнаружим разве что редкие сообщения о том, что те или иные компании занимаются разработкой беспроводных зарядных устройств, и ни слова о готовых продуктах и решениях (кроме базовых принципов и общих схем). На сегодняшний же день беспроводная зарядка уже не является чем-то сверхоригинальным или концептуальным. Подобные устройства вовсю продаются (например, свои зарядки на MWC 2013 демонстрировала LG), испытываются для электромобилей (этим занимается Qualcomm) и даже используются в общественных местах (например, на некоторых европейских ЖД-вокзалах). Более того, уже существуют несколько стандартов такой передачи электроэнергии и несколько альянсов, продвигающих и развивающих их.
Самым известным таким стандартом является стандарт Qi, разрабатываемый Wireless Power Consortium, в который входят такие известные компании, как HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Sony и еще около сотни других организаций. Этот консорциум был организован в 2008 году с целью создания универсального зарядного устройства для девайсов различных производителей и торговых марок. В своей работе стандарт использует принцип магнитной индукции, когда базовая станция состоит из индукционной катушки, которая создает электромагнитное поле при поступлении переменного тока из сети. В заряжаемом же устройстве присутствует похожая катушка, которая реагирует на это поле и умеет преобразовывать полученную через него энергию в постоянный ток, который используется для зарядки аккумулятора (подробно ознакомиться с принципом работы можно на сайте консорциума http://www.wirelesspowerconsortium.com/what-we-do/how-it-works/). Кроме того, Qi поддерживает протокол передачи данных между зарядными и заряжаемыми устройствами на скорости 2 кб/с, который используется для передачи данных о необходимом объеме зарядки и выполнении требуемой операции.
Есть у Qi и серьезный конкурент – Power Matters Alliance, в который входят AT&T, Duracell, Starbucks, PowerKiss и Powermat Technologies. Эти имена находятся далеко не на первых ролях в мире информационных технологий (особенно сеть кофеен Starbucks, которая находится в альянсе из-за того, что собирается повсеместно внедрять в своих заведениях данную технологию), – они специализируются именно на энергетических вопросах. Данный альянс был сформирован не так давно, в марте 2012 года, в рамках одной из программ IEEE (Института инженеров электротехники и электроники). Продвигаемый ими стандарт PMA работает по принципу взаимной индукции – частного примера электромагнитной индукции (которую не следует путать с магнитной индукцией, используемой Qi), когда при изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока через контур второго, созданного магнитным полем, порожденным током в первом проводнике, что вызывает возникновение электродвижущей силы во втором проводнике и (если второй проводник замкнут) индукционного тока. Так же, как и в случае с Qi, этот ток потом преобразуется в постоянный и подается в аккумулятор.
Ну, и не стоит забывать об Alliance for Wireless Power, в которую входят Samsung, Qualcomm, Ever Win Industries, Gill Industries, Peiker Acustic, SK Telecom, SanDisk и т.д. Эта организация пока не представила готовых решений, но среди ее целей, в том числе, – разработка зарядок, которые бы работали через неметаллические поверхности и в которых бы не использовались катушки.
Из всего вышенаписанного можно сделать простой вывод: через год-два большинство современных устройств смогут подзаряжаться без использования традиционных зарядных устройств. Пока же мощности беспроводной зарядки хватает, в основном, на смартфоны, однако для планшетов и ноутбуков такие устройства тоже скоро появятся (та же Apple не так давно запатентовала беспроводную зарядку для iPad). Это значит, что проблема разрядки устройств будет решена практически полностью – положил или поставил устройство в определенное место, и даже во время работы оно заряжается (или, в зависимости от мощности, разряжается намного медленнее). Со временем, можно не сомневаться, радиус их действия будет расширяться (сейчас необходимо использовать специальный коврик или подставку, на котором лежит устройство, либо оно должно находиться совсем рядом), и они будут повсеместно устанавливаться в автомобили, поезда и даже, возможно, самолеты.
Ну, и еще один вывод – скорее всего, не удастся избежать очередной войны форматов между разными стандартами и альянсами, продвигающими их.
Беспроводная зарядка устройств – штука, конечно, хорошая. Но мощности, которые возникают при ней, достаточны только для заявленных целей. С помощью этих технологий пока невозможно даже осветить дом, не говоря уже о работе крупной бытовой техники. Тем не менее, эксперименты по высокомощной беспроводной передаче электроэнергии ведутся и базируются они, в том числе, и на материалах Теслы. Сам ученый предлагал установить по всему миру (тут, скорее всего, подразумевались развитые на тот момент страны, которых было намного меньше, чем сейчас) более 30 приемо-передающих станций, которые совмещали бы передачу энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, что позволило бы избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало объединению электрических генерирующих в глобальном масштабе.
Сегодня есть несколько методов решения задачи беспроводной передачи энергии, правда, все они пока позволяют добиться несущественных в глобальном плане результатов; речь идет даже не о километрах. Такие методы, как ультразвуковая, лазерная и электромагнитная передача, имеют существенные ограничения (короткие дистанции, необходимость прямой видимости передающих устройств, их размер, а в случае с электромагнитными волнами – очень низкий КПД и вред здоровью от мощного поля). Поэтому самые перспективные разработки связаны с использованием магнитного поля, а точнее – резонансного магнитного взаимодействия. Одна из них – WiTricity, разработкой занимается концерн WiTricity corporation, основанной профессором MIT Марином Солячичем и рядом его коллег.
Так, в 2007 году им удалось передать ток мощностью 60 Вт на расстояние 2 метра. Его хватило на свечение лампочки, а КПД составлял 40%. Но неоспоримым плюсом использовавшейся технологии являлось то, что она практически не взаимодействует ни с живыми существами (сила поля, по заявлению авторов, в 10 тысяч раз слабее, чем то, что царит в сердцевине магнитно-резонансного томографа), ни с медицинским оборудованием (кардиостимуляторы и т.п.), ни с другим излучением, а значит, не помешает, например, работе того же Wi-Fi.
Что самое интересное, на КПД системы WiTricity влияют не только размер, геометрия и настройка катушек, а также дистанция между ними, но и число потребителей, причем в положительном плане. Два приемных прибора, размещенные на расстоянии от 1,6 до 2,7 метров по обе стороны от передающей «антенны», показали на 10 % лучший КПД, чем по отдельности – это решает проблему подключения множества устройств к одному источнику питания.
При дальнейших экспериментах специалисты WiTricity довели мощность передачи до 3 кВт. КПД же варьируется в зависимости от целого набора параметров, однако, как утверждает корпорация, при достаточно близких катушках он может превышать 95%, однако на практике это не имеет смысла. Средние же потери энергии составляют 25-30 %, а дистанция распространения энергии не превышает нескольких десятков метров, причем чем более удалены друг от друга резонаторы, тем сильнее снижается КПД. На основе данных разработок Intel занимается своим стандартом Wireless Resonant Energy Link (совместно с представителями MIT).
Что касается практической реализации, то стандарт используется, например, в телевизорах Haier – первый скромный прототип был продемонстрирован в 2010 году, а в 2012-м представлен 55-дюймовый телевизор с поддержкой 3D. Правда, резонатор должен находиться в этом случае всего в 20 см от приемника, так что ни о какой автономности даже в пределах квартиры речь пока не идет.
В 2008 году о своих экспериментах с беспроводной передачей электричества заявила и некоммерческая испытательная лаборатории Nevada Lightning Lab. Сотрудникам лаборатории удалось передать ток мощностью 801 Вт на расстояние 5 метров, а мощностью 50 Вт – на 15 метров. Правда, о дальнейшем развитии этого направления в этой организации ничего не известно.
На данный момент это самые перспективные технологии передачи электроэнергии без проводов. Конечно, существуют и другие проекты и идеи (например, концепция орбитальной энергетической системы, когда специальные спутники будут при помощи излучения передавать на землю солнечную энергию), но они, в основном, находятся в зачаточном состоянии.
Как видим, пока обойтись без проводов даже в пределах квартиры практически нереально. Но будем надеяться, в будущем повторится ситуация с мобильной связью, которая буквально за 20 лет из дорогой и слабо распространенной игрушки превратилась в одно из самых удобных средств коммуникации.
Беспроводное электричество во многом изменит нашу жизнь. Попрощайтесь с массой батареек и сотнями метров проводов в вашем доме, поиски зарядного устройства для телефона навсегда останутся в прошлом. В наши дни ученые уже работают над беспроводной электроникой нового поколения.
|
