Transmisie de energie wireless - de la început până în prezent

2024 Autor: Matthew Elmers | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 22:31

Comentând articolul apărării aeriene din a patra generație, s-a „ciocnit” cu TOP2 cu privire la problema alimentării fără fir de la distanță a UAV-urilor mici și ultra-mici (UAV-uri) (vezi aici), precum și asupra subiectului: algoritm de roi (agenți) pentru UAV și perspectivele de apărare antiaeriană „a 4-a generație”. Voi încerca să evidențiez problema transmiterii de energie fără fir din câte știu eu. Algoritmul roiului (conceptul de agenți) și posibila ineficiență a sistemelor de apărare antiaeriană existente sunt, în general, un subiect pentru un articol separat.

Transmiterea energiei electrice fără fire este o metodă de transfer a energiei electrice fără utilizarea elementelor conductoare în circuitul electric.

La sfârșitul secolului al XIX-lea, descoperirea că electricitatea ar putea fi utilizată pentru a face un bec să strălucească a declanșat o explozie de cercetări pentru a găsi cel mai bun mod de a transmite electricitatea.

Transmisie de energie wireless - de la început până în prezent

Transmiterea fără fir a energiei a fost, de asemenea, studiată activ la începutul secolului al XX-lea, când oamenii de știință au acordat o mare atenție căutării diferitelor modalități de transmitere fără fir a energiei. Scopul cercetării a fost simplu - de a genera un câmp electric într-un singur loc, astfel încât să poată fi apoi detectat de dispozitivele aflate la distanță. În același timp, s-au încercat furnizarea de energie de la distanță nu numai senzorilor foarte sensibili pentru detectarea tensiunii, ci și consumatorilor semnificativi de energie. Asa de, în 1904 la St. Louis World's Fair a primit un premiu pentru lansarea cu succes a unui motor de aeronave cu o capacitate de 0,1 cai putere, efectuat la o distanță de 30 m.

Guruii „electricității” sunt cunoscuți de mulți (William Sturgeon, Michael Faraday, Nicolas Joseph Callan, James Clerk Maxwel, Heinrich Hertz, Mahlon Loomas etc.), însă puțini oameni știu că cercetătorul japonez Hidetsugu Yagi a folosit propria antenă dezvoltată să transmită energie. În februarie 1926, a publicat rezultatele cercetărilor sale, în care a descris structura și metoda de reglare a antenei Yagi.

În URSS s-au desfășurat lucrări și proiecte foarte serioase în perioada 1930-1941. și în paralel la Drittes Reich.

Bineînțeles, în principal în scopuri militare: înfrângerea forței de muncă inamice, distrugerea infrastructurii militare și industriale etc. În URSS, s-au efectuat și lucrări serioase privind utilizarea radiațiilor cu microunde pentru a preveni coroziunea de suprafață a structurilor și produselor metalice. Dar aceasta este o poveste separată care necesită o investiție semnificativă de timp: din nou trebuie să urci într-o mansardă prăfuită sau într-un subsol la fel de prăfuit.

Unul dintre cei mai mari fizicieni ruși ai secolului trecut, laureat al Premiului Nobel, academicianul Pyotr Leonidovich Kapitsa a dedicat o parte din biografia sa creativă cercetării perspectivelor de utilizare a oscilațiilor și undelor cu microunde pentru a crea sisteme noi și extrem de eficiente de transmisie a energiei.

În 1962, în prefața monografiei sale, a scris:

Din lunga listă de idei tehnice fantastice puse în aplicare în secolul al XX-lea, doar visul transmiterii fără fir a energiei electrice a continuat să rămână neîndeplinit. Descrierile detaliate ale fasciculelor de energie din romanele de știință-ficțiune i-au tachinat pe ingineri cu nevoia lor evidentă și cu complexitatea practică a implementării.

Dar situația a început treptat să se schimbe în bine.

În 1964, expertul în electronice cu microunde, William C. Brown, a testat mai întâi un dispozitiv (model de elicopter) capabil să primească și să utilizeze energia unui fascicul de microunde sub formă de curent continuu, datorită unei matrice de antene constând din dipoli cu jumătate de undă, fiecare dintre ele care este încărcat cu diode Schottky de înaltă eficiență …

Tot în 1964, William C. Brown și-a prezentat modelul de elicopter, care a fost alimentat de un emițător de microunde pentru zbor, pe Walter Cronkite News de la CBS.

În principiu, acest eveniment și această tehnologie sunt cele mai interesante din TopWar (mai jos va fi un pic despre „viața de zi cu zi” și energie). Istorie și experimente de zbor cu microunde fără fir (film în engleză, dar totul este suficient de clar)

Deja până în 1976, William Brown a efectuat transmisia unui fascicul de microunde cu o putere de 30 kW pe o distanță de 1,6 km cu o eficiență care depășește 80%.

Testele au fost efectuate într-un laborator și comandate de Raytheon Co.

Ce a făcut ca Raytheon să fie faimos și principalul domeniu de interes al acestei companii, cred că nu merită specificat? Ei bine, dacă cineva nu știe, vezi Cronologia istorică a lui Raytheon:

Citiți mai multe despre rezultatele obținute aici (în format englez și RIS, BibTex și RefWorks Direct Export):

→ Transmisie de energie cu microunde - Jurnale IOSR

→ Elicopterul cu microunde. William C. Brown. Compania Raytheon.

În 1968, cercetătorul spațial american Peter E. Glaser a propus amplasarea panourilor solare mari pe orbita geostaționară și transmiterea energiei generate de acestea (la nivelul de 5-10 GW) la suprafața Pământului cu un fascicul de microunde bine focalizat., apoi transformați-l în energie de curent continuu sau alternativ de frecvență tehnică și distribuiți-l consumatorilor.

O astfel de schemă a făcut posibilă utilizarea fluxului intens de radiație solară existent pe orbita geostaționară (~ 1, 4 kW / mp) și transmiterea continuă a energiei primite pe suprafața Pământului, indiferent de ora din zi și conditiile meteo. Datorită înclinației naturale a planului ecuatorial către planul ecliptic cu un unghi de 23,5 grade, un satelit situat pe o orbită geostaționară este iluminat de un flux de radiație solară aproape continuu, cu excepția unor perioade scurte de timp în apropierea zilelor primăverii și echinocțiul de toamnă, când acest satelit cade în umbra Pământului. Aceste perioade de timp pot fi prezise cu precizie și, în total, nu depășesc 1% din lungimea totală a anului.

Frecvența oscilațiilor electromagnetice a fasciculului de microunde ar trebui să corespundă acelor domenii care sunt alocate pentru utilizare în industrie, cercetare științifică și medicină. Dacă această frecvență este aleasă la 2,45 GHz, atunci condițiile meteorologice, inclusiv norii groși și precipitațiile intense, nu au practic niciun efect asupra eficienței transferului de energie. Banda de 5,8 GHz este tentantă, deoarece face posibilă reducerea dimensiunii antenelor de transmisie și recepție. Cu toate acestea, influența condițiilor meteorologice aici necesită deja studii suplimentare.

Nivelul actual de dezvoltare a electronicii cu microunde ne permite să vorbim despre o valoare destul de ridicată a eficienței transferului de energie de către un fascicul de microunde de pe o orbită geostaționară la suprafața Pământului - aproximativ 70% ÷ 75%. În acest caz, diametrul antenei de transmisie este de obicei ales egal cu 1 km, iar rectenna terestră are dimensiuni de 10 km x 13 km pentru o latitudine de 35 de grade. SCES cu o putere de ieșire de 5 GW are o densitate de putere radiată în centrul antenei de transmisie 23 kW / m², în centrul antenei de recepție - 230 W / m².

Au fost cercetate diferite tipuri de generatoare de microunde în stare solidă și vid pentru antena de transmisie a SCES. William Brown a arătat, în special, că magnetronii, bine dezvoltați de industrie, destinați cuptoarelor cu microunde, pot fi folosiți și în transmiterea matricelor de antene ale SCES, dacă fiecare dintre ele este echipat cu propriul său circuit de reacție de fază negativă în raport cu un semnal de sincronizare extern (așa-numitul amplificator direcțional Magnetron - MDA).

Rektenna este un sistem de recepție și conversie extrem de eficient, cu toate acestea, tensiunea scăzută a diodelor și necesitatea comutării lor în serie pot duce la avarii de avalanșă. Un convertor de energie ciclotron poate elimina în mare măsură această problemă.

Antena de transmisie a SCES poate fi o rețea activă de retransmisie activă bazată pe ghidaje de undă. Orientarea sa dură este realizată mecanic; pentru ghidarea precisă a fasciculului de microunde, se folosește un semnal pilot, emis din centrul rectenei de recepție și analizat pe suprafața antenei de transmisie printr-o rețea de senzori corespunzători.

Din 1965 până în 1975 un program științific condus de Bill Brown a fost finalizat cu succes, demonstrând capacitatea de a transmite 30 kW putere pe o distanță de peste 1 mile cu o eficiență de 84%.

În 1978-1979 în Statele Unite, sub conducerea Departamentului Energiei (DOE) și NASA (NASA), s-a desfășurat primul program de cercetare de stat menit să determine perspectivele SCES.

În 1995-1997, NASA a revenit din nou la discutarea viitorului SCES, bazându-se pe progresul tehnologic realizat până atunci.

Cercetările au fost continuate în 1999-2000 (Programul Strategic de Cercetare și Tehnologie a Energiei Solare Spațiale (SSP)).

Cele mai active și sistematice cercetări în domeniul SCES au fost efectuate de Japonia. În 1981, sub conducerea profesorilor M. Nagatomo (Makoto Nagatomo) și S. Sasaki (Susumu Sasaki), Institutul de Cercetări Spațiale din Japonia a început cercetarea dezvoltării unui prototip SCES cu un nivel de putere de 10 MW, care ar putea să fie create folosind vehicule de lansare existente. Crearea unui astfel de prototip permite acumularea de experiență tehnologică și pregătește baza pentru formarea sistemelor comerciale.

Proiectul a fost numit SKES2000 (SPS2000) și a primit recunoaștere în multe țări din întreaga lume.

Așa s-au născut WiTricity și corporația WiTricity.

În iunie 2007, Marin Soljačić și câțiva alții de la Massachusetts Institute of Technology au anunțat dezvoltarea unui sistem în care un bec de 60 W a fost furnizat de la o sursă situată la 2 m distanță, cu o eficiență de 40%.

Conform autorilor invenției, aceasta nu este o rezonanță „pură” a circuitelor cuplate și nu un transformator Tesla cu cuplare inductivă. Raza de transmisie a energiei pentru astăzi este puțin mai mare de doi metri, în viitor - până la 5-7 metri.

În general, oamenii de știință au testat două scheme fundamental diferite.

Tehnologii similare sunt dezvoltate febril de alte firme: Intel și-a demonstrat tehnologia WREL cu o eficiență de transmisie a energiei de până la 75%. În 2009, Sony a demonstrat funcționarea televizorului fără o conexiune la rețea. O singură circumstanță este alarmantă: indiferent de metoda de transmisie și modificările tehnice, densitatea energiei și intensitatea câmpului în incintă trebuie să fie suficient de ridicate pentru a alimenta dispozitivele cu o capacitate de câteva zeci de wați. Potrivit dezvoltatorilor înșiși, nu există încă informații despre efectele biologice ale acestor sisteme asupra oamenilor. Având în vedere apariția recentă și diferitele abordări ale implementării dispozitivelor de transmisie a energiei, astfel de studii sunt încă în curs, iar rezultatele nu vor apărea în curând. Și vom putea judeca impactul lor negativ doar indirect. Ceva va dispărea din nou din casele noastre, precum gândaci.

În 2010, Haier Group, un producător chinez de aparate electrocasnice, și-a dezvăluit produsul unic la CES 2010, un televizor LCD complet fără fir bazat pe cercetările profesorului Marina Solyachich privind transmisia de energie fără fir și interfața digitală wireless de acasă (WHDI).

În 2012-2015. inginerii de la Universitatea din Washington au dezvoltat o tehnologie care permite Wi-Fi să fie utilizat ca sursă de alimentare pentru a alimenta dispozitive portabile și încărca gadgeturi. Tehnologia a fost deja recunoscută de revista Popular Science drept una dintre cele mai bune inovații din 2015. Omniprezenta tehnologiei wireless s-a revoluționat. Și acum a venit rândul transmiterii wireless a energiei prin aer, pe care dezvoltatorii de la Universitatea din Washington l-au numit PoWiFi (pentru Power Over WiFi).

În timpul fazei de testare, cercetătorii au reușit să încarce cu succes baterii litiu-ion și hidrură de nichel-metal de mică capacitate. Folosind un router Asus RT-AC68U și mai mulți senzori situați la o distanță de 8,5 metri de acesta. Acești senzori convertesc energia unei unde electromagnetice în curent continuu cu o tensiune de 1, 8 până la 2, 4 volți, care sunt necesare pentru alimentarea microcontrolerelor și a sistemelor de senzori. Particularitatea tehnologiei este că calitatea semnalului de lucru nu se deteriorează în acest caz. Trebuie doar să refaceți routerul și îl puteți folosi ca de obicei, plus să alimentați dispozitivele cu consum redus de energie. Într-una dintre demonstrații, a fost alimentată cu succes o cameră de supraveghere secretă mică, cu rezoluție mică, situată la mai mult de 5 metri de router. Apoi, Jawbone Up24 fitness tracker a fost taxat cu 41%, a durat 2,5 ore.

Pentru a pune întrebări complicate despre motivul pentru care aceste procese nu afectează negativ calitatea canalului de comunicații în rețea, dezvoltatorii au răspuns că acest lucru devine posibil datorită faptului că routerul flashed trimite pachete de energie prin canalele de transfer de informații neocupate în timpul activității sale. Ei au ajuns la această decizie când au descoperit că în perioadele de tăcere, energia curge pur și simplu din sistem și, de fapt, poate fi direcționată către dispozitive de putere redusă.

În viitor, tehnologia PoWiFi ar putea servi la alimentarea senzorilor încorporați în aparatele de uz casnic și a echipamentelor militare, pentru a le controla fără fir și pentru a efectua încărcarea / reîncărcarea de la distanță.

Transferul de energie pentru UAV este relevant (cel mai probabil, folosind deja tehnologia PoWiMax sau din radarul aerian al aeronavei purtătoare):

Ideea pare destul de tentantă. În loc de 20-30 de minute de zbor de astăzi:

→ LOCUST - Dronele marinei roioase

→ În SUA a testat un „roi” de microdronuri Perdix

→ Intel a organizat un spectacol cu drone în timpul performanței la pauză a Lady Gaga - Platforma Intel® Aero pentru UAV

obțineți 40-80 de minute reîncărcând dronele folosind tehnologii fără fir.

Lasă-mă să explic:

-este în continuare necesar schimbul de drone m / y (algoritm swarm);

-este necesară și schimbul de drone și aeronave m / y (uter) (centru de control, corecție BZ, retargeting, o comandă de eliminat, prevenirea „focului prietenos”, transferul informațiilor de recunoaștere și a comenzilor pentru utilizarea armelor).

Pentru UAV-uri, negativul din legea pătratului invers (antena cu emisie izotropă) parțial „compensează” lățimea fasciculului antenei și modelul de radiație:

Aceasta nu este o conexiune celulară, în care celula trebuie să asigure comunicarea 360 ° către elementele finale.

Să spunem această variantă:

Avionul de transport (pentru Perdix) acest F-18 are (acum) radarul AN / APG-65:

sau în viitor va avea AN / APG-79 AESA:

Acest lucru este suficient pentru a prelungi durata de viață activă a Perdix Micro-Drones de la 20 de minute curente la o oră și poate chiar mai mult. Cel mai probabil, va fi utilizată drona intermediară Perdix Middle, care va fi iradiată la o distanță suficientă de radarul luptătorului și, la rândul său, va efectua „distribuția” energiei pentru frații mai mici ai Perdix Micro- Drone prin PoWiFi / PoWiMax, schimbând simultan informații cu acestea (zbor și acrobatic, sarcini țintă, coordonare roi).

Este epoca atacurilor de facaci un lucru din trecut?

Poate că în curând va ajunge la încărcarea telefoanelor mobile și a altor dispozitive mobile care se află în gama Wi-Fi, Wi-Max sau 5G - în metrou, în tren, în avion, în timp ce mergem / jogging în parc?

Postfață: la 10-20 de ani de la introducerea pe scară largă în viața de zi cu zi a numeroaselor emițătoare de microunde electromagnetice (telefoane mobile, cuptoare cu microunde, computere, WiFi, instrumente Blu etc.), gândacii din orașele mari au devenit brusc o raritate! Acum gândacul este o insectă care se găsește doar în grădina zoologică. Au dispărut brusc din casele pe care obișnuiau să le iubească atât de mult.

COCKROACHES KARL ™!

Acești monștri, liderii listei „organismelor rezistente la radio” s-au predat cu nerușinare!

referinţă

Cine urmează la rând?

Notă: o stație de bază WiMAX tipică transmite putere la aproximativ +43 dBm (20 W), în timp ce o stație mobilă transmite de obicei la +23 dBm (200 mW).

Nivelurile admise de radiații ale stațiilor de bază ale comunicațiilor mobile (900 și 1800 MHz, nivelul total din toate sursele) în zona sanitar-rezidențială din unele țări diferă semnificativ:

HAOS COMPLET

Medicina nu a dat încă un răspuns clar la întrebarea: este mobil / WiFi dăunător și în ce măsură? Și ce zici de transmisia fără fir a energiei electrice prin tehnologiile cu microunde?

Aici puterea nu este de wați și mile de wați, ci deja kW …

Link-uri, documente folosite, fotografii și videoclipuri:

„(JURNAL DE RADIO ELECTRONICĂ!” N 12, 2007 (PUTEREA ELECTRICĂ DIN SPATIU - CENTRALE SOLARE DE SPĂȚARE, V. A. Banke)

„Electronică cu microunde - perspective în energia spațială” V. Banke, dr.