Kraftoverføring trådløst - fra begynnelsen til i dag

2024 Forfatter: Matthew Elmers | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 22:28

Kommenterer artikkelen om luftforsvaret i fjerde generasjon, "kolliderte" med TOP2 om spørsmålet om ekstern trådløs strømforsyning av små og ultrasmå UAVer (se her), så vel som om emnet: svermalgoritme (agenter) for UAV og utsiktene for luftvern "4. generasjon". Jeg skal prøve å markere spørsmålet om trådløs kraftoverføring etter min beste kunnskap. Svermalgoritmen (begrepet agenter) og mulig ineffektivitet av eksisterende luftforsvarssystemer er generelt et tema for en egen artikkel.

Overføring av elektrisitet uten ledninger er en metode for overføring av elektrisk energi uten bruk av ledende elementer i den elektriske kretsen.

På slutten av 1800 -tallet utløste oppdagelsen av at elektrisitet kunne brukes til å få en lyspære til å lyse en eksplosjon av forskning for å finne den beste måten å overføre elektrisitet.

Kraftoverføring trådløst - fra begynnelsen til i dag

Trådløs overføring av energi ble også aktivt studert på begynnelsen av 1900 -tallet, da forskere la stor vekt på søket etter forskjellige måter for trådløs overføring av energi. Hensikten med forskningen var enkel - å generere et elektrisk felt på ett sted slik at det deretter kunne detekteres av enheter på avstand. Samtidig har det blitt gjort forsøk på å levere energi fra avstand ikke bare til høysensitive sensorer for å detektere spenning, men også til betydelige energiforbrukere. Så, i 1904 på St. Louis World's Fair ble tildelt en pris for den vellykkede lanseringen av en flymotor med en kapasitet på 0,1 hestekrefter, utført i en avstand på 30 m.

Guruer om "elektrisitet" er kjent for mange (William Sturgeon, Michael Faraday, Nicolas Joseph Callan, James Clerk Maxwel, Heinrich Hertz, Mahlon Loomas, etc.), men få mennesker vet at den japanske forskeren Hidetsugu Yagi brukte sin egen utviklede antenne å overføre energi. I februar 1926 publiserte han resultatene av forskningen sin, der han beskrev strukturen og metoden for å stille inn Yagi -antennen.

Svært seriøst arbeid og prosjekter ble utført i Sovjetunionen i perioden 1930-1941. og parallelt i Drittes Reich.

Naturligvis, hovedsakelig for militære formål: nederlaget til fiendens arbeidskraft, ødeleggelse av militær og industriell infrastruktur, etc. I Sovjetunionen ble det også utført seriøst arbeid med bruk av mikrobølgestråling for å forhindre overflatekorrosjon av metallkonstruksjoner og produkter. Men dette er en egen historie som krever en betydelig investering av tid: igjen må du klatre inn på et støvete loft eller en like støvete kjeller.

En av de største russiske fysikerne i forrige århundre, nobelprisvinneren, akademikeren Pyotr Leonidovich Kapitsa viet en del av sin kreative biografi til å undersøke mulighetene for bruk av mikrobølgesvingninger og bølger for å lage nye og svært effektive energioverføringssystemer.

I 1962, i forordet til monografien hans, skrev han:

Av den lange listen med fantastiske tekniske ideer som ble implementert i det tjuende århundre, var det bare drømmen om trådløs overføring av elektrisk energi som fortsatt ikke ble oppfylt. De detaljerte beskrivelsene av energistråler i science fiction -romaner pirret ingeniører med deres åpenbare behov, og med den praktiske kompleksiteten i implementeringen.

Men situasjonen begynte gradvis å endre seg til det bedre.

I 1964 testet mikrobølgeelektronikkeksperten William C. Brown først en enhet (helikoptermodell) som var i stand til å motta og bruke energien til en mikrobølgestråle i form av likestrøm, takket være et antennearray bestående av halvbølgede dipoler, hver av som er lastet med høyeffektive Schottky-dioder …

Også i 1964, William C. Brown viste sin modell av et helikopter, som ble drevet av en mikrobølgeovnstråler for flyet, på CBS Walter Cronkite News.

I prinsippet er denne hendelsen og denne teknologien det mest interessante i TopWar (nedenfor vil det være litt om "hverdag" og energi). Trådløs drevet mikrobølgeovn Flyhistorie og eksperimenter (film på engelsk, men alt er klart nok)

Allerede innen 1976 utførte William Brown overføringen av en mikrobølgeovn med 30 kW effekt over en avstand på 1,6 km med en effektivitet på over 80%.

Testene ble utført i et laboratorium og bestilt av Raytheon Co.

Hva gjorde Raytheon berømt og det viktigste interesseområdet for dette selskapet, tror jeg, det er ikke verdt å spesifisere? Vel, hvis noen ikke vet det, se Raytheons historiske kronologi:

Les mer om de oppnådde resultatene her (på engelsk og RIS -format, BibTex og RefWorks Direct Export):

→ Mikrobølgeoverføring - IOSR -tidsskrifter

→ Mikrovågsdrevet helikopter. William C. Brown. Raytheon Company.

I 1968 foreslo den amerikanske romforskeren Peter E. Glaser å plassere store solcellepaneler i geostasjonær bane, og overføre energien som genereres av dem (på nivået 5-10 GW) til jordoverflaten med en godt fokusert mikrobølgeovn., konverter den deretter til energi med lik eller vekselstrøm med teknisk frekvens og distribuer den til forbrukere.

Et slikt opplegg gjorde det mulig å bruke den intense fluxen av solstråling som eksisterer i den geostasjonære bane (~ 1, 4 kW / kvm), og overføre den mottatte energien til jordoverflaten kontinuerlig, uavhengig av tid på dagen og værforhold. På grunn av ekvatorialplanets naturlige helling til ekliptikkplanet med en vinkel på 23,5 grader, blir en satellitt i en geostasjonær bane opplyst av en strøm av solstråling nesten kontinuerlig, bortsett fra korte perioder nær vårens dager og høstjevndøgn, når denne satellitten faller i skyggen av jorden. Disse tidsperiodene kan forutsies nøyaktig, og totalt overstiger de ikke 1% av den totale lengden på året.

Frekvensen av elektromagnetiske svingninger av mikrobølgebjelken bør tilsvare de områdene som er tildelt for bruk i industri, vitenskapelig forskning og medisin. Hvis denne frekvensen velges lik 2,45 GHz, har meteorologiske forhold, inkludert tykke skyer og intens nedbør, praktisk talt ingen effekt på energioverføringseffektiviteten. 5,8 GHz -båndet er fristende, da det gjør det mulig å redusere størrelsen på sende- og mottaksantennene. Imidlertid krever påvirkningen av meteorologiske forhold her allerede ytterligere studier.

Det nåværende utviklingsnivået for mikrobølgeovnelektronikk lar oss snakke om en ganske høy verdi av effektiviteten til energioverføring av en mikrobølgestråle fra en geostasjonær bane til jordoverflaten - omtrent 70% ÷ 75%. I dette tilfellet er diameteren på sendeantennen vanligvis valgt lik 1 km, og den terrestriske rektennaen har dimensjoner på 10 km x 13 km for en breddegrad på 35 grader. SCES med en utgangseffekt på 5 GW har en utstrålt effekttetthet i midten av sendeantennen 23 kW / m², i midten av mottakerantennen - 230 W / m².

Ulike typer solid-state og vakuum-mikrobølgeovnsgeneratorer for sendeantennen til SCES har blitt undersøkt. William Brown viste spesielt at magnetroner, godt utviklet av industrien, beregnet på mikrobølgeovner, også kan brukes til å overføre antenneoppsett til SCES, hvis hver av dem er utstyrt med sin egen negative fase tilbakemeldingskrets i forhold til en eksternt synkroniseringssignal (såkalt Magnetron Directional Amplifier - MDA).

Rektenna er et svært effektivt mottaks- og konverteringssystem, men lavspenningen til dioder og behovet for seriell kommutering kan føre til rasskader. En syklotronenergiomformer kan i stor grad eliminere dette problemet.

Overføringsantennen til SCES kan være et aktivt gjenoppsendende antennematrise basert på hullbølgeledere. Den grove orienteringen utføres mekanisk; for presis veiledning av mikrobølgebjelken brukes et pilotsignal, sendt ut fra midten av den mottakende rektenna og analysert på overflaten av sendeantennen av et nettverk av passende sensorer.

Fra 1965 til 1975 et vitenskapelig program ledet av Bill Brown ble fullført, og demonstrerte evnen til å overføre 30 kW effekt over en avstand på mer enn 1 mil med en effektivitet på 84%.

I 1978-1979 i USA, under ledelse av Department of Energy (DOE) og NASA (NASA), ble det første statlige forskningsprogrammet gjennomført for å bestemme utsiktene for SCES.

I 1995-1997 kom NASA igjen tilbake til å diskutere fremtiden for SCES, og bygde videre på den teknologiske utviklingen den gangen.

Forskningen ble videreført i 1999-2000 (Space Solar Power (SSP) Strategic Research & Technology Program).

Den mest aktive og systematiske forskningen innen SCES ble utført av Japan. I 1981, under ledelse av professorene M. Nagatomo (Makoto Nagatomo) og S. Sasaki (Susumu Sasaki), begynte Institute of Space Research of Japan forskning på utviklingen av en prototype SCES med et effektnivå på 10 MW, som kunne opprettes ved hjelp av eksisterende lanseringskjøretøyer. Opprettelsen av en slik prototype tillater akkumulering av teknologisk erfaring og forbereder grunnlaget for dannelsen av kommersielle systemer.

Prosjektet fikk navnet SKES2000 (SPS2000) og fikk anerkjennelse i mange land rundt om i verden.

Slik ble WiTricity og WiTricity -selskapet født.

I juni 2007 kunngjorde Marin Soljačić og flere andre ved Massachusetts Institute of Technology utviklingen av et system der en 60 W lyspære ble levert fra en kilde som ligger 2 m unna, med en effektivitet på 40%.

Ifølge forfatterne av oppfinnelsen er dette ikke en "ren" resonans av koblede kretser og ikke en Tesla -transformator med induktiv kobling. Energioverføringsradius for i dag er litt mer enn to meter, i fremtiden - opptil 5-7 meter.

Generelt testet forskere to fundamentalt forskjellige ordninger.

Lignende teknologier utvikles febrilsk av andre firmaer: Intel har demonstrert sin WREL -teknologi med effektoverføringseffektivitet på opptil 75%. I 2009 demonstrerte Sony driften av TV -en uten nettverkstilkobling. Bare én omstendighet er alarmerende: uavhengig av overføringsmetode og tekniske justeringer, må energitettheten og feltstyrken i lokalene være høy nok til å drive enheter med en kapasitet på flere titalls watt. Ifølge utviklerne selv er det fortsatt ingen informasjon om de biologiske effektene av slike systemer på mennesker. Gitt det nylige utseendet og forskjellige tilnærminger til implementering av kraftoverføringsenheter, er slike studier fremdeles foran, og resultatene vil ikke vises snart. Og vi vil kunne bedømme deres negative innvirkning bare indirekte. Noe vil forsvinne fra hjemmene våre igjen, som kakerlakker.

I 2010 presenterte Haier Group, en kinesisk produsent av husholdningsapparater, sitt unike produkt på CES 2010, en fullt trådløs LCD -TV basert på professor Marina Solyachichs forskning om trådløs kraftoverføring og trådløst hjemmedigitalt grensesnitt (WHDI).

I 2012-2015. ingeniører ved University of Washington har utviklet teknologi som gjør at Wi-Fi kan brukes som en strømkilde for å drive bærbare enheter og lade gadgets. Teknologien har allerede blitt anerkjent av Popular Science magazine som en av de beste innovasjonene i 2015. Allestedsnærværende av trådløs teknologi har revolusjonert seg selv. Og nå var det turen til trådløs kraftoverføring over luften, som utviklerne ved University of Washington kalte PoWiFi (for Power Over WiFi).

Under testfasen klarte forskerne å lade litiumion- og nikkelmetallhydridbatterier med liten kapasitet. Bruke en Asus RT-AC68U-ruter og flere sensorer i en avstand på 8,5 meter fra den. Disse sensorene konverterer energien til en elektromagnetisk bølge til likestrøm med en spenning på 1, 8 til 2, 4 volt, som er nødvendig for å drive mikrokontrollere og sensorsystemer. Det særegne ved teknologien er at kvaliteten på arbeidssignalet ikke forringes i dette tilfellet. Du trenger bare å skifte ruteren på nytt, og du kan bruke den som vanlig, pluss strømforsyning til enheter med lite strøm. I en av demonstrasjonene ble et lite skjult overvåkingskamera med lav oppløsning plassert mer enn 5 meter fra ruteren lykkes med strøm. Da ble Jawbone Up24 treningssporing belastet 41%, det tok 2,5 timer.

For vanskelige spørsmål om hvorfor disse prosessene ikke påvirker kvaliteten på nettverkskommunikasjonskanalen negativt, svarte utviklerne at dette blir mulig på grunn av det faktum at den blinkede ruteren sender energipakker gjennom ubemannede informasjonsoverføringskanaler under arbeidet. De kom til denne avgjørelsen da de oppdaget at i perioder med stillhet, strømmer det rett og slett ut av systemet, og det kan faktisk ledes til strømforsyningsenheter.

I fremtiden kan PoWiFi -teknologien godt tjene til å drive sensorer innebygd i husholdningsapparater og militært utstyr, kontrollere dem trådløst og utføre ekstern lading / lading.

Overføring av energi for UAV er relevant (mest sannsynlig allerede ved bruk av PoWiMax -teknologien eller fra luftbåren radar til transportflyet):

Ideen ser ganske fristende ut. I stedet for dagens 20-30 minutter med flytid:

→ LOCUST - Swarming Navy Drones

→ I USA testet en "sverm" av Perdix mikrodroner

→ Intel drev et droneshow under Lady Gagas pauseperiode - Intel® Aero Platform for UAV

få 40-80 minutter ved å lade droner ved hjelp av trådløs teknologi.

La meg forklare:

-bytte av m / y -droner er fortsatt nødvendig (svermalgoritme);

-utveksling av m / y -droner og fly (livmor) er også nødvendig (kontrollsenter, BZ -korreksjon, retargeting, en kommando for å eliminere, forhindre "vennlig brann", overføring av rekognoseringsinformasjon og kommandoer for å bruke våpen).

For UAVer "kompenserer" det negative fra den inverse kvadratloven (isotropisk emitterende antenne) delvis antennestrålbredden og strålingsmønsteret:

Dette er ikke en mobilforbindelse, der cellen må levere 360 ° kommunikasjon til endeelementene.

La oss si denne varianten:

Transportflyet (for Perdix) denne F-18 har (nå) AN / APG-65 radaren:

eller i fremtiden vil ha AN / APG-79 AESA:

Dette er nok til å forlenge Perdix Micro-Drones aktive levetid fra de nåværende 20 minuttene til en time, og kanskje enda mer. Mest sannsynlig vil den mellomliggende dronen Perdix Middle bli brukt, som vil bli bestrålt på tilstrekkelig avstand av jagerens radar, og den vil igjen utføre "fordelingen" av energi for de yngre brødrene til Perdix Micro- Droner via PoWiFi / PoWiMax, samtidig utveksler informasjon med dem (fly og aerobatic, måloppgaver, svermkoordinering).

Er æra med vortesvinangrep en ting fra fortiden?

Kanskje snart vil det komme til lading av mobiltelefoner og andre mobile enheter som er innenfor Wi-Fi, Wi-Max eller 5G-i T-banen, på toget, på flyet mens du går / jogger i parken?

Etterord: 10-20 år etter den utbredte introduksjonen til hverdagen til en rekke elektromagnetiske mikrobølgesendere (mobiltelefoner, mikrobølger, datamaskiner, WiFi, Blu-verktøy osv.), Har plutselig kakerlakker i storbyer plutselig blitt en sjeldenhet! Nå er kakerlakk et insekt som bare finnes i dyrehagen. De forsvant plutselig fra hjemmene som de pleide å elske så høyt.

COCKROACHES KARL ™!

Disse monstrene, lederne for listen over "radioresistente organismer" overga seg skamløst!

henvisning

Hvem er neste i rekken?

Merk: En typisk WiMAX -basestasjon sender strøm på omtrent +43 dBm (20 W), mens en mobilstasjon vanligvis sender på +23 dBm (200 mW).

De tillatte strålingsnivåene til basestasjoner for mobilkommunikasjon (900 og 1800 MHz, det totale nivået fra alle kilder) i sanitær-boligområdet i noen land er markant forskjellige:

FULLT CHAOS

Medisin har ennå ikke gitt et klart svar på spørsmålet: er mobil / WiFi skadelig og i hvilken grad? Og hva med den trådløse overføringen av elektrisitet med mikrobølgeteknologier?

Her er effekten ikke watt og miles av watt, men allerede kW …

Lenker, brukte dokumenter, bilder og videoer:

"(JOURNAL OF RADIO ELECTRONICS!" N 12, 2007 (ELEKTRISK KRAFT FRA SPACE - SOLAR SPACE POWER PLANTS, V. A. Banke)

"Mikrobølgeelektronikk - perspektiver i romenergi" V. Banke, Ph. D.