Передача электроэнергии без проводов на расстояние

Передача электроэнергии без проводов в глобальном масштабе была предложена более 100 лет назад, когда Никола Тесла впервые начал свои эксперименты, кульминацией которых стало строительство башни на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, в начале 1900-х гг.

Целью Теслы было разработать технологию передачи электроэнергии в любую точку мира без проводов. Он подал несколько патентов, описывающих беспроводные передатчики и приемники энергии. Никола Тесла без проводов Однако его знание электрических явлений было в основном эмпирическим, и он не достиг своей цели и передача электроэнергии без проводов как он планировал не состоялась. Хотя изобретения Теслы принесли патенты в том числе и на беспроводное радио в 1940 году.

Системы передачи энергии по воздуху

Системы передачи энергии без проводов включают в себя излучающие и приемные антенны и окружающую среду между ними. Пучок волн от излучающей антенны расширяется пропорционально расстоянию распространения, а плотность мощности потока уменьшается пропорционально квадрату этого расстояния.
Однако у системы передачи энергии без проводов есть некоторые особенности, которые будут упомянуты здесь.
Полезным результатом передачи энергии без проводов является величина мощности на приемной антенне, а не величина амплитуды поля.

Эффективность этой системы определяется как отношение потока энергии, который перехватывается приемной антенной, ко всей излучаемой энергии.
Распределение поля на приемной антенне обычно равномерное, так как её размер мал по сравнению с шириной луча. Для системы это распределение не является равномерным. Оно имеет форму конуса и зависит от распределения поля на передающей антенне.передача электроэнергии без проводов
Для увеличения концентрации энергии на приемной антенне фазовое распределение на излучающей антенне обычно имеет сферическую форму с центром в точке пересечения приемной пластины и излучающей оси. Излучающая антенна системы, как правило, имеет конусность по распределению поля. Такое распределение позволяет повысить КПД и уменьшить поле выхода приемной антенны.

Разработка устройств и передача электроэнергии без проводов была эффективно продолжена до 1960-х годов, когда ВВС США финансировали разработку вертолетной платформы с микроволновой печью. Успешная демонстрация вертолета, управляемого микроволновым лучом, была проведена в 1965 году.

Эта демонстрация доказала, что передача энергии без проводов может быть построена и что эффективные микроволновые генераторы и приемники могут быть разработаны для преобразования микроволн в электричество постоянного тока.

Применение системы передачи энергии

Растущий интерес к методам преобразования солнечной энергии и применению её в 1960-х годах, а также ограничения для получения экономически эффективной мощности базовой нагрузки, вызванные неблагоприятными погодными условиями и суточными изменениями, привели к концепции получения спутником солнечной энергии.  Далее спутник  преобразовывал  энергию солнца с помощью солнечных батарей в электричество и подавал  в микроволновый генератор, являющийся частью плоской антенны с фазированной решеткой. На геосинхронной орбите антенна будет направлять микроволновый луч определенной плотности мощности точно на одну или несколько приемных антенн в желаемых местах на Земле. На приемной антенне СВЧ-энергия будет безопасно и очень эффективно преобразована в электричество, а затем передана пользователям. передача электроэнергии

Первая техническая сессия по солнечным энергетическим спутникам была проведена в 1970 году на симпозиуме Международного института СВЧ-энергии, на котором присутствовали представители Японии, европейских стран и бывшего Советского Союза. На основе предварительных исследований группа экспертов NASA подготовила план программы в 1972 году, а первое технико-экономическое обоснование было завершено для исследовательского центра NASA в 1974 году.
Вскоре после “нефтяного шока ” в октябре 1973 года Япония приступила к реализации плана Саншайн по развитию возобновляемых источников энергии. План Японии предусматривал в качестве долгосрочной цели разработку аналогичных устройств.

Еще в США в 1975 году была проведена успешная демонстрация микроволновых беспроводных силовых передач на объекте NASA в Голдстоуне, штат Калифорния.

В этой демонстрации точка-точка 30 кВт микроволн были переданы на расстояние полутора километров к приемной антенне.

Микроволны были преобразованы непосредственно в постоянный ток со средней эффективностью 82%, сбивая с толку критиков, которые утверждали, что такие высокие эффективности преобразования не могут быть достигнуты.

Значительный объем работ, как аналитических, так и экспериментальных, позволил установить техническую осуществимость беспроводной передачи полезного количества энергии. Беспроводная передача энергии, как реализуемая беспроводная зарядка,  аналогична по своей концепции передаче информации спутниками связи, но с более высокой интенсивностью. Однако, поскольку радиочастотный силовой луч спроектирован для преобразования обратно в электричество с достаточно высокой эффективностью, полезные количества энергии могут передаваться с интенсивностью меньше, чем у солнечного света.

Экспериментальные передачи мощности в количестве до 30 кВт осуществлялись на короткие расстояния (1,6 км)с эффективностью преобразования около 82% от поступающей радиочастотной мощности в электрическую.

Недавние исследования показывают, что сбор и передача энергии из космоса, разумеется без проводов,  может стать экономически жизнеспособным средством использования солнечной энергии в течение следующих нескольких десятилетий. Необходимо существенное совершенствование некоторых технологий, и, что самое важное, необходимо значительно сократить расходы на запуск материалов в космос. В космическом сообществе предпринимаются весьма активные усилия для достижения цели по передаче электроэнергии без проводов:

  1. Наземная передача энергии
  2. Космическая передача энергии

Наземная передача энергии

На Земле получить солнечную энергию дешевле, но в космосе она получается 24 часа в день. Космос получает полную мощность 7 дней в неделю без облачных дней, 52 недели в году. Ни долгих зимних ночей, ни штормов, ни пасмурных сезонов. При этом лучшие наземные солнечные объекты (пустыни) редко находятся вблизи пользователей.

Перспективы

Рынки, которые будут доступны с помощью передачи электроэнергии без проводов окажут глубокое влияние на глобальную деловую активность и конкурентоспособность отрасли. Ниже приведены примеры будущих коммерческих возможностей передачи энергии без проводов:

  1. Электромобили с питанием от проезжей части для зарядки электрических батарей с помощью передачи энергии без проводов от микроволновых генераторов, встроенных в проезжую часть, когда транспортное средство движется со скоростью по шоссе,что исключает остановки для обмена или перезарядки батарей, значительно расширяя диапазон движения.передача электроэнергии без проводов
  2. Высотные, долговечные самолеты, поддерживаемые в нужном месте в течение недель или месяцев на расстоянии 20 км для связи и наблюдения вместо спутников, при значительно сниженных затратах.
  3. Спутники ретрансляции мощности для доступа к удаленным источникам энергии путем отсоединения первичной выработки электроэнергии от наземных линий электропередачи. Мощность передается с удаленных объектов на геосинхронную орбиту и затем отражается на приемник на Земле в нужном месте.
  4. Спутники солнечной энергии на околоземной или геосинхронной орбите или на Луне для обеспечения потребностей в земной энергии в глобальном масштабе.