3 способи передачі енергії без проводів – від Тесла до наших днів.

admin2025

Коли компанія Apple представила свій перший бездротовий зарядний пристрій для стільникових телефонів і гаджетів, багато хто вважає це революцією і величезним стрибком вперед у бездротових способах передачі енергії.

Але чи були вони першопрохідниками або ще до них, комусь вдавалося зробити щось схоже, правда, без належного маркетингу та піару? Виявляється, були дуже давно і винахідників таких було безліч.

Так ще в далекому 1893 р. уславлений Нікола Тесла, продемонстрував здивованій публіці свічення люмінесцентних ламп. При тому що всі вони були без проводів.

Зараз такий фокус може повторити будь-який школяр, вийшовши в чисте поле і вставши з лампою денного світла під лінію високої напруги від 220 кв.

Трохи пізніше Тесла вже зумів запалити таким же бездротовим способом фосфорну лампочку розжарювання.

У Росії її у 1895г А.Попов показав у роботі перший у світі радіоприймач. Адже за великим рахунком, це теж є бездротовою передачею енергії.

Найголовніше питання і водночас проблема всієї технології бездротових зарядок та подібних методів полягає у двох моментах:

Для початку давайте розберемося, яку потужність мають прилади та побутова техніка, що нас оточують. Наприклад для телефону, смартгодинника або планшета потрібно максимум 10-12Вт.

У ноутбука запити вже більше – 60-80Вт. Це можна порівняти із середньою лампочкою розжарювання. А ось побутова техніка, особливо кухонна, їсть уже кілька тисяч ват.

Тому дуже важливо не заощаджувати з кількістю розеток на кухні.

Так які ж методи та способи передачі ел.енергії без застосування кабелів чи будь-яких інших провідників, придумало людство за всі ці роки. І найголовніше, чому вони досі не впроваджені так активно у наше життя, як того хотілося б.

Взяти ту саму кухонну техніку. Давайте розбиратися докладніше.

Найпростіший спосіб – використання котушок індуктивності.

Тут принцип дуже простий. Беруться 2 котушки та розміщуються недалеко один від одного. На одну з них подається їжа. Інша грає роль приймача.

Коли в джерелі живлення регулюється або змінюється сила струму, на другий котушці магнітний потік автоматично також змінюється. Як свідчать закони фізики, при цьому виникатиме ЕРС і вона безпосередньо залежатиме від швидкості зміни цього потоку.

Здавалося б просто. Але недоліки псують всю райдужну картинку. Мінусів три:

У такий спосіб ви не передасте великих об'ємів і не зможете підключити потужні прилади. А спробуєте це зробити, просто поплавіть всі обмотки.

Навіть не замислюйтесь тут про передачу електрики на десятки чи сотні метрів. Такий спосіб має обмежену дію.

Щоб фізично зрозуміти, наскільки все погано, візьміть два магніти і прикиньте, наскільки далеко їх потрібно розвести, щоб вони перестали притягуватися або відштовхуватися один від одного. Ось приблизно така ж ефективність і у котушок.

Можна звичайно хитритися і домогтися того, щоб ці два елементи завжди були близько один від одного. Наприклад електромобіль і спеціальна дорога, що заряджає.

Але до яких сум виллється будівництво таких магістралей.

Ще одна проблема – це низький ККД. Він не перевищує 40%.Виходить, що в такий спосіб передати багато електрики на великі відстані ви не зможете.

Той же Н.Тесла вказав на це ще 1899р. Пізніше він перейшов на експерименти з атмосферною електрикою, розраховуючи в ньому знайти розгадку та вирішення проблеми.

Однак якими б не здавалися марними всі ці штуки, з їхньою допомогою досі можна влаштовувати гарні світломузичні уявлення.

Або заряджати техніку набагато більшу, ніж телефони. Наприклад, електричні велосипеди.

Але як передати більше енергії на більшу відстань? Подумайте, у яких фільмах подібну технологію ми бачимо дуже часто.

Перше що спадає на думку навіть школяру – це "Зоряні війни", лазери та світлові мечі.

Безумовно, з їх допомогою можна передати велику кількість електрики на дуже пристойні відстані. Але знову все псує невелика проблемка.

На нашу щастя, але нещастя для лазера, Землі є атмосфера. А вона якраз добре глушить і їсть більшу частину всієї енергії лазерного випромінювання. Тому з цією технологією треба йти до космосу.

На Землі також були спроби та експерименти з перевірки працездатності методу. Nasa навіть влаштовували змагання з бездротової лазерної передачі енергії з призовим фондом трохи менше 1млн.$.

У результаті виграла компанія Laser Motive. Їх переможний результат – 1км та 0,5квт переданої безперервної потужності. Щоправда, у процесі передачі, вчені втратили 90% всієї початкової енергії.

Але все одно, навіть із ККД у десять відсотків, результат вважали успішним.

Нагадаємо, що у простої лампочки корисної енергії, яка йде безпосередньо на світло, ще менше. Тому з них вигідно виготовляти інфрачервоні обігрівачі.

Невже немає іншого реально працюючого способу передати електрику без дротів. Є і його винайшли ще до спроб і дитячих ігор у зіркові війни.

Виявляється, що спеціальні мікрохвилі з довжиною в 12см (частота 2,45Ггц) є як би прозорими для атмосфери і вона їм не заважає в поширенні.

Яка б не була погана погода, при передачі за допомогою мікрохвиль, ви втратите всього п'ять відсотків! Але для цього ви спочатку повинні перетворити електричний струм на мікрохвилі, потім їх зловити і знову повернути в початковий стан.

Першу проблему вчені вирішили дуже давно. Вони винайшли для цього спеціальний пристрій та назвали його магнетрон.

Причому це було зроблено настільки професійно та безпечно, що сьогодні кожен із вас у себе вдома має такий апарат. Зайдіть на кухню та зверніть увагу на свою мікрохвильову піч.

У неї всередині стоїть цей магнетрон з ККД рівним 95%.

Але як зробити зворотне перетворення? І тут було вироблено два підходи:

У ще в шістдесятих роках учений У.Браун придумав антену, яка й виконувала необхідне завдання. Тобто перетворювала падаюче на нього випромінювання, назад в електричний струм.

Він навіть дав їй свою назву – Ректена.

Після винаходу були досліди. І в 1975г за допомогою ректени, було передано та прийнято цілих 30 кВт потужності на відстані більше одного кілометра. Втрати під час передачі становили лише 18%.

Через майже півстоліття цей досвід досі так ніхто і не зміг перевершити. Здавалося б метод знайдено, то чому ж ці ректени не запустили в маси?

І тут знову виринають недоліки. Ректени були зібрані з урахуванням мініатюрних напівпровідників.Нормальна робота для них – це передача всього кількох ват потужності.

А якщо ви захочете передати десятки чи сотні квт, то готуйтеся збирати гігантські панелі.

І ось тут якраз з'являються нерозв'язні складнощі. По-перше, це перевипромінювання.

Мало того, що ви втратите через нього частину енергії, то ще й наблизитися до панелей без втрати свого здоров'я не зможете.

Другий головний біль – нестабільність напівпровідників у панелях. Достатньо через мале навантаження перегоріти одному, й інші виходять з ладу лавиноподібно, подібно до сірників.

У СРСР усе було дещо інакше. Не дарма наші військові були впевнені, що навіть за ядерного вибуху вся закордонна техніка одразу вийде з ладу, а радянська ні. Весь секрет тут у лампах.

У МДУ двоє наших учених В.Савін та В.Ванке, сконструювали так званий циклотронний перетворювач енергії. Він має пристойні розміри, оскільки зібраний на основі лампової технології.

Зовні це щось на зразок трубки довжиною 40см і діаметром 15см. ККД цього лампового агрегату трохи менше, ніж у американської напівпровідникової штуки – до 85%.

Але на відміну від напівпровідникових детекторів, циклотронний перетворювач енергії має низку істотних переваг:

Однак незважаючи на все сказане вище, у всьому світі передовим вважаються саме напівпровідникові методи реалізації проектів. Тут теж є свій елемент моди.

Після першої появи напівпровідників всі різко почали відмовлятися від лампових технологій. Але практичні випробування свідчать, що це часто неправильний підхід.

Звичайно, лампові мобільні телефони по 20кг або комп'ютери, що займають цілі кімнати нікому не цікаві.

Але іноді лише перевірені старі методи можуть нас виручити у безвихідних ситуаціях.

У підсумку на сьогоднішній день ми маємо три можливості передати енергію без проводів. Найперший із розглянутих обмежений як відстанню, так і потужністю.

Але цього цілком вистачить, щоб зарядити батарейку смартфона, планшета чи чогось більше. ККД хоч і маленький, але метод все ж таки робочий.

Спосіб з лазерами гарний лише у космосі. На поверхні землі це дуже ефективно. Щоправда, коли іншого виходу немає, можна скористатися і ним.

Проте мікрохвилі дають політ для фантазій. З їхньою допомогою можна передавати енергію:

За всі останні роки, згідно з наведеними вище технологіями, вчені намагалися і намагаються реалізувати всього два проекти.

Перший із них починався дуже обнадійливо. У 2000-х роках на о.Реюньйон виникла потреба в постійній передачі 10кВт потужності на відстань в 1км.

Гірський рельєф та місцева рослинність, що не дозволяли прокласти там ні повітряні лінії електропередач, ні кабельні.

Усі переміщення на острові в цю точку здійснювалося виключно вертольотами.

Для вирішення проблеми в одну команду було зібрано найкращі уми з різних країн. У тому числі й раніше згадані у статті наші вчені з МДУ В. Ванке і В. Савін.

Однак у момент, коли мали приступати до практичної реалізації та будівництва передавачів та приймачів енергії, проект заморозили та зупинили. А з початком кризи у 2008 році взагалі закинули.

Насправді це дуже прикро, тому що теоретична робота там була виконана колосальна та гідна реалізації.

Другий проект, виглядає більш божевільним ніж перший. Проте нею виділяються реальні кошти.Сама ідея була висловлена ще 1968 р. фізиком із США П. Глейзером.

Він запропонував тоді не зовсім нормальну ідею – вивести на геостаціонарну орбіту в 36000 км над землею величезний супутник. На ньому розташовуватиме сонячні панелі, які збиратимуть безкоштовну енергію сонця.

Потім усе це має перетворюватися на пучок НВЧ хвиль і передаватися на землю.

Така собі "зірка смерті" в наших земних реаліях.

На землі пучок потрібно зловити гігантськими антенами та перетворити на електрику.

Наскільки величезними мають бути ці антени? Уявіть, що якщо супутник буде в діаметрі 1км, то на землі приймач має бути в 5 разів більший – 5км (розмір Садового кільця).

Але розміри це лише мала частина проблем. Після всіх розрахунків виявилося, що такий супутник виробляв би електрику потужністю 5ГВт. При досягненні землі залишалося б лише 2ГВт. Наприклад Красноярська ГЕС пропонує 6ГВт.

Тому його ідею розглянули, порахували і відклали набік, оскільки все спочатку упиралося в ціну. Вартість космічного проекту на той час вилізла за 1трлн.$.

Але наука на щастя не стоїть дома. Технології вдосконалюються та дешевшають. Наразі розробку такої сонячної космічної станції вже ведуть кілька країн. Хоча на початку двадцятого століття для бездротової передачі електроенергії вистачало лише одну геніальну людину.

Загальна ціна проекту впала від початкової до 25 млрд. $. Залишається питання – чи побачимо ми найближчим часом його реалізацію?

На жаль, ніхто вам чіткої відповіді не дасть. Ставки роблять лише на другу половину нинішнього сторіччя. Тому поки що давайте задовольнятися бездротовими зарядками для смартфонів і сподіватися, що вченим вдасться підвищити їх ККД.Ну чи зрештою Землі народиться другий Нікола Тесла.

3 способи передачі енергії без проводів – від Тесла до наших днів. - Priroda.v.ua

Електроенергією є властивість магнітного поля перетворюватися на інші види енергії. Такими видами енергії може бути: механічна, хімічна, парова, лазерна. Число споживачів та джерел споживання постійно зростає. Тому питання про способи передачі електроенергії на великі відстані, зі збереженням потужності та її розподілом залишається відкритим. Стаття опише основні та актуальні способи передачі, а також сучасні розробки у галузі бездротових технологій.

Способи передачі електроенергії

Електроенергія або змінний струм, що передається від джерела до споживача, через дроти або підземні кабельні лінії. Ці методи актуальні протягом багатьох років. Пов'язано це з тим, що немає технології, здатної передати електрику на велику відстань за мінімальних втрат зі збереженням повної потужності. Та й спосіб ще має бути максимально надійним та дешевим.

Схема передачі змінної електричної напруги або постійної електричної напруги виглядає так:

Принцип роботи та пояснення схеми:

На початку схеми знаходиться генератор, що виробляє електрику.
Від генератора напруга подається на трифазний трансформатор для підвищення потужності. Від нього електрика тече ЛЕП (лінія електропередачі).
Після ЛЕП напруга потрапляє на трифазний трансформатор, що знижує.
Від трансформатора напруга подається споживачеві з істотним заниженням.

Для постійного струму існує випрямляючий пристрій, який знаходиться після трансформатора, що підвищує.Пройшовши по ЛЕП, постійний струм спочатку повинен потрапити на пристрій перетворення постійного струму змінний, а потім на понижувальний трансформатор.

Повітряні та кабельні лінії

Споживання електроенергії по повітряних ЛЕП і кабельних лініях, являє собою певну схему. На початку схеми знаходиться джерело енергії, а саме електростанція. високій потужності. відстані. Способів подібної передачі 2.

Повітряні лінії є мережею високовольтних проводів, підвішених на стовпи або опори.

великі витрати в робочій силі та матеріалі на стадії постачання новим споживачам на велику відстань;
втрата значної частки потужності з кожним кілометром;
вимога подачі великої потужності на початку (від електростанції);
шкоду магнітного поля для людини;
велика ймовірність пошкодження та руйнування від природних катаклізмів;
Великі проблеми для монтажу ЛЕП у важких, непрохідних регіонах.

Повітряні лінії подають споживачеві змінний струм.

Повітряні лінії напругою до 1 кв вважаються низьковольтними. Вони є закінченням схеми передачі до споживача.
Лінії з напругою від 1 до 35 кв вважаються середніми.
Високовольтними лініями є ВЕЛ з напругою 110-220 кВ. Ці лінії є початком схеми передачі напруги.
До надвисоковольтних відносяться ВЕЛ напругою 330-750 кВ.
До ультра високовольтних відносяться ВЕЛ напругою, що перевищує 750 кВ.

Чим вище напруга, що подається, тим більші відстані вона повинна покрити від джерела до споживача.

Кабельні лінії працюють за схожим принципом. Ними також надходить змінний електричний струм. Але проводять такі лінії під землею чи під водою. Основними недоліками подібної передачі є:

Великі труднощі та витрати під час прокладання. Кабельні лінії прокладаються у місцях, де неможливо чи небезпечно проводити повітряні лінії.
Також йде втрата частки напруги з відстанню.
Існує небезпека механічного пошкодження чи розтягування кабелю.
Існує небезпека крокової напруги при пошкодженні, особливо у воді.
Дуже важко знайти та усунути пошкодження.

На даний момент існує 2 схеми передачі електроенергії від джерела до споживача повітряними або кабельними лініями:

Розімкнена схема. Ця схема передачі є джерелом напруги і споживача як пряму лінію. Мінусом такої схеми є відсутність резервної лінії при пошкодженні будь-якої ділянки.
Замкнена схема (надійніша). У ній джерело і всі споживачі поміщені в кільце або складну схему. При пошкодженні ділянки лінії подача електрики не припиняється.

Подібні схеми також поділяються на категорії.

Схеми у візуальному відображенні:

Розімкнена схема буває 3 видів:

Схема радіального підключення, в якій на одному кінці знаходиться пристрій, що подає, а на другому кінці споживач енергії.
Магістральна схема схожа на радіальну, але в ній є додаткові відводи для споживання.
Схема магістральної подачі, коли між двома джерелами перебуває один споживач.

Замкнута схема також буває 3 видів:

Кільцева схема з одним джерелом та споживачем.
Магістральна схема із наявністю резервного джерела.
Складна замкнута схема для підключення споживачів особливого призначення.

Всі ці схеми відносяться до передачі постійного струму споживачеві. Передача та розподілення електроенергії подібним способом є однаковим для російських та зарубіжних мереж.

Постійний струм

Другим способом передачі електричного струму споживачеві є постійний струм. Подібний струм випрямлений. Він зустрічається в акумуляторах, батареях, зарядних пристроях. Такий струм і зараз подається споживачам деяких країн, але дуже малих кількостях. Його виробляють сонячні батареї. Постійний струм можна подавати по діючих ЛЕП та підземних кабелях. Плюси такої передачі, такі:

З відстанню немає втрати потужності. Не доведеться завищувати напругу на електростанції.
Статична стійкість не впливає на передачу та розподіл.
Не потрібно настроювати частотну синхронізацію.
Напругу можна передати лише по одній лінії з одним контактним проводом.
Немає впливу електромагнітного випромінювання.
Мінімальна реактивна потужність

Постійний струм споживача не подається тільки через величезної собівартості устаткування електростанцій.

Провідність електричного струму та відсоток завищення на початку передачі багато в чому залежать від опору самої ЛЕП. Зменшити опір, а тим самим навантаження, можна за допомогою охолодження до наднизької температури.Це допомогло б збільшити відстань передачі енергії і істотно знизити втрати. Сьогодні немає технології заниження температури лінії електропередач. Така технологія є вкрай дорогою і потребує великих змін конструкції. Але в регіонах крайньої півночі цей спосіб цілком працює і набагато занижує відсоток передачі потужностей та втрати від відстані.

Бездротова передача

Передати і розподілити струм споживачам без використання дротів, це реалії наших днів. Про цей спосіб вперше задумався і втілив його у життя Нікола Тесла. На сьогоднішній день ведуться розробки у цьому напрямку. Основних методів всього 3.

Котушки

Котушками індуктивності є згорнутий у спіраль ізольований провід. Метод передачі струму складається з 2 котушок, розташованих поряд один з одним. Якщо подати електричний струм на одну з котушок, на другій з'явиться магнітне збудження такої самої напруги. Будь-які зміни напруги на котушці передавачі, зміняться на котушці приймача. Подібний спосіб дуже простий та має шанси на існування. Але є свої недоліки:

немає можливості подати високу напругу та прийняти її, тим самим неможливо забезпечити напругою кілька споживачів одночасно;
неможливо передати електрику на велику відстань;
коефіцієнт корисної дії (ККД) подібного способу – всього 40%.

На даний момент актуальні способи простого використання котушок як джерела та одержувача енергії. Цим способом заряджають електричні самокати та велосипеди. Є проекти електромобілів без акумулятора, але на вбудованій котушці. Пропонується використовувати дорожнє покриття як джерело, а машину як приймач.Але собівартість прокладання таких доріг дуже висока.

Лазер

Передача електрики за допомогою лазера є джерелом, що перетворює енергію електрики в лазерний промінь. Промінь фокусується на приймач, який його перетворює назад на електрику. Компанія Laser Motive спромоглася передати за допомогою лазера 0.5 Кв електричного струму, на відстань в 1 км. При цьому втрата напруги та потужності склала 95%. Причиною втрати стала атмосфера Землі. Промінь багаторазово звужується при взаємодії із повітрям. Також проблемою може стати звичайне заломлення променя випадковими предметами. Подібний спосіб, без втрати потужності, може бути актуальним лише у космічному просторі.

Мікрохвильова передача

Основою передачі електроенергії шляхом мікрохвиль, стала здатність 12 див хвиль, частотою в 2.45 ГГц, бути непомітними для атмосфери Землі. Подібна особливість могла б скоротити до мінімуму втрату під час передачі. Для такого способу потрібні передавач та приймач. Люди давно створили передавач і перетворювач електричної енергії на мікрохвильову. Цей винахід називається магнетрон. Він стоїть у кожній мікрохвильовій печі та є дуже безпечним. Ось з винаходом приймача та перетворювача мікрохвиль назад в електрику виникли проблеми.

У 60-х роках минулого століття американці винайшли ректену. Іншими словами, приймач мікрохвиль. За допомогою винаходу вдалося передати 30 кВт електричного струму на відстань 1.5 км. У цьому коефіцієнт втрат становив лише 18 %. На більша установка була не здатна через використання напівпровідникових деталей у пристрої приймача.Для прийому та передачі більшої потужності енергії, при використанні ректени, довелося б створити величезну панель, що приймає. Це збільшило б енергію, частоту і довжину хвиль, а значить і відсоток супутньої втрати. Високе випромінювання могло б вбити все живе в радіусі кількох десятків метрів.

У СРСР був винайдений циклотронний перетворювач мікрохвиль на електрику. Він був 40 см трубку і був повністю зібраний на лампах. ККД пристрою дорівнювало 85%. Але для цього способу основним мінусом є спосіб збирання на лампах. Пристрої на подібних деталях можуть повернути людство у світ величезних телефонів, комп'ютерів завбільшки з кімнату. Про мініатюрні електричні прилади можна забути.

Передачу мікрохвиль можна було організувати із космосу. Подібний проект передбачав збирати енергію сонця за допомогою супутника та перенаправляти на приймач, розташований на Землі. Але для цього доведеться побудувати супутник діаметром кілометр і приймач діаметром 5 кілометрів. Про польоти в зоні дії системи можна повністю забути.

Головною проблемою при передачі електрики бездротовим способом є відстань і атмосферні заломлення. Варто також зважати на потужності. Загальна споживана потужність всіх електричних приладів у квартирі дорівнює 30-40 кВт. Для забезпечення електрикою однієї квартири довелося б будувати гігантські споруди.

На сьогоднішній день єдиним способом передачі енергії великої потужності є провідна. Він вимагає прямого і зворотного перетворення електричної енергії. Достатньо лише подати високу напругу на початку і суттєво занизити її наприкінці. Цей спосіб має низку недоліків, але залишається актуальним довгі роки.