Предаване на мощност безжично - от началото до наши дни

2024 Автор: Matthew Elmers | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 21:55

Коментирайки статията за противовъздушната отбрана в четвъртото поколение, "сблъскана" с TOP2 по въпроса за дистанционното безжично захранване на малки и свръхмалки безпилотни летателни апарати (БЛА) (вижте тук), както и по темата: алгоритъм на рояк (агенти) за БЛА и перспективите за ПВО "4-то поколение". Ще се опитам да подчертая въпроса за безжичното предаване на енергия доколкото ми е известно. Алгоритъмът на рояка (концепцията за агентите) и евентуалната неефективност на съществуващите системи за ПВО като цяло са тема за отделна статия.

Предаването на електричество без проводници е метод за предаване на електрическа енергия без използване на проводящи елементи в електрическата верига.

В края на 19 век откритието, че електричеството може да се използва за светене на една крушка, предизвика експлозия от изследвания, за да се намери най -добрият начин за предаване на електричество.

Предаване на мощност безжично - от началото до наши дни

Безжичното предаване на енергия също беше активно изследвано в началото на 20 -ти век, когато учените обърнаха голямо внимание на търсенето на различни начини за безжично предаване на енергия. Целта на изследването беше проста - да генерира електрическо поле на едно място, така че след това да може да бъде открито от устройства на разстояние. В същото време са направени опити за доставка на енергия от разстояние не само до високочувствителни сензори за откриване на напрежение, но и до значителни консуматори на енергия. Така, през 1904 г. в Св. Световният панаир на Луис бе отличен с награда за успешното пускане на самолетен двигател с мощност 0,1 конски сили, се извършва на разстояние 30 м.

Гурутата на „електричеството“са известни на мнозина (Уилям Стърджън, Майкъл Фарадей, Никола Джоузеф Калан, Джеймс Клерк Максвел, Хайнрих Херц, Махлон Ломас и др.), Но малцина знаят, че японският изследовател Хидецугу Яги е използвал собствена разработена антена за предаване на енергия. През февруари 1926 г. той публикува резултатите от своите изследвания, в които описва структурата и метода за настройка на антената Yagi.

В периода 1930-1941 г. в СССР се извършват много сериозни работи и проекти. и паралелно в Райт Райт.

Естествено, главно за военни цели: поражението на вражеската работна сила, унищожаването на военната и индустриалната инфраструктура и т.н. В СССР също беше извършена сериозна работа по използването на микровълнова радиация за предотвратяване на повърхностна корозия на метални конструкции и изделия. Но това е отделна история, която изисква значителна инвестиция на време: отново трябва да се изкачите на прашен таван или също толкова прашно мазе.

Един от най -големите руски физици от миналия век, лауреат на Нобелова награда, академик Пьотър Леонидович Капица посвети част от творческата си биография на изследване на перспективите за използване на микровълнови трептения и вълни за създаване на нови и високоефективни системи за предаване на енергия.

През 1962 г. в предговора към монографията си той пише:

От дългия списък с фантастични технически идеи, реализирани през ХХ век, само мечтата за безжично предаване на електрическа енергия продължава да се сбъдва. Подробните описания на енергийните лъчи в научнофантастичните романи дразнят инженерите с тяхната очевидна нужда и с практическата сложност на изпълнението.

Но ситуацията постепенно започна да се променя към по -добро.

През 1964 г. експертът по микровълнова електроника Уилям К. Браун за първи път тества устройство (модел на хеликоптер), способно да приема и използва енергията на микровълнов лъч под формата на постоянен ток, благодарение на антенна решетка, състояща се от полувълнови диполи, всеки от която е заредена с високоефективни диоди Шотки …

Също през 1964 г. Уилям С. Браун демонстрира своя модел на хеликоптер, който се захранва от микровълнов излъчвател за полета, в CBS's Walter Cronkite News.

По принцип това събитие и тази технология са най -интересните в TopWar (по -долу ще бъде малко за "ежедневието" и енергията). История и експерименти с безжични микровълнови полети (филм на английски, но всичко е достатъчно ясно)

Още през 1976 г. Уилям Браун извършва предаването на микровълнов лъч с мощност 30 kW на разстояние 1,6 км с ефективност над 80%.

Тестовете са проведени в лаборатория и са поръчани от Raytheon Co.

Какво направи Raytheon известен и основната област на интерес на тази компания, мисля, че не си струва да се уточнява? Е, ако някой не знае, вижте Историческата хронология на Raytheon:

Прочетете повече за постигнатите резултати тук (на английски и RIS формат, BibTex и DirectWort Export):

→ Предаване на микровълнова енергия - IOSR Journals

→ Хеликоптер с микровълнова фурна. Уилям К. Браун. Raytheon Company.

През 1968 г. американският космически изследовател Питър Е. Глейзър предлага да се поставят големи слънчеви панели в геостационарна орбита и да се предаде генерираната от тях енергия (на ниво 5-10 GW) към земната повърхност с добре фокусиран микровълнов лъч. след това го преобразувайте в енергия с постоянен или променлив ток с техническа честота и го разпределете към потребителите.

Подобна схема направи възможно използването на интензивния поток на слънчевата радиация, съществуваща в геостационарната орбита (~ 1, 4 kW / кв. М.), И предаване на получената енергия на земната повърхност непрекъснато, независимо от времето на деня и метеорологични условия. Поради естествения наклон на екваториалната равнина към равнината на еклиптиката с ъгъл 23,5 градуса, спътник, разположен в геостационарна орбита, се осветява с поток от слънчева радиация почти непрекъснато, с изключение на кратки периоди от време през пролетните дни и есенното равноденствие, когато този спътник пада в сянката на Земята. Тези периоди от време могат да бъдат точно предвидени и като цяло не надвишават 1% от общата продължителност на годината.

Честотата на електромагнитните трептения на микровълновия лъч трябва да съответства на тези диапазони, които са предназначени за използване в промишлеността, научните изследвания и медицината. Ако тази честота е избрана равна на 2,45 GHz, тогава метеорологичните условия, включително плътни облаци и интензивни валежи, практически нямат ефект върху ефективността на пренос на енергия. Диапазонът 5.8 GHz е изкушаващ, тъй като дава възможност да се намали размерът на предавателната и приемащата антени. Влиянието на метеорологичните условия тук обаче вече изисква допълнително проучване.

Настоящото ниво на развитие на микровълновата електроника ни позволява да говорим за доста висока стойност на ефективността на преноса на енергия от микровълнов лъч от геостационарна орбита към земната повърхност - около 70% ÷ 75%. В този случай диаметърът на предаващата антена обикновено се избира равен на 1 км, а наземната ретенна има размери 10 км х 13 км за географска ширина 35 градуса. SCES с изходна мощност 5 GW има излъчена плътност на мощността в центъра на предавателната антена 23 kW / m², в центъра на приемащата антена - 230 W / m².

Изследвани са различни видове твърдотелни и вакуумни микровълнови генератори за предавателната антена на SCES. Уилям Браун показа по-специално, че магнетроните, добре разработени от промишлеността, предназначени за микровълнови фурни, могат да се използват и при предаване на антенни решетки на SCES, ако всеки от тях е оборудван със своя собствена верига с отрицателна фаза по отношение на външен синхронизиращ сигнал (т.нар. Magnetron Directional Amplifier - MDA).

Rektenna е високоефективна система за приемане и преобразуване, но ниското напрежение на диодите и необходимостта от тяхната серийна комутация могат да доведат до лавинни повреди. Циклотронният преобразувател на енергия може до голяма степен да елиминира този проблем.

Предавателната антена на SCES може да бъде активна антенна решетка с обратно излъчване, базирана на вълноводи с прорези. Неговата груба ориентация се извършва механично; за точно насочване на микровълновия лъч се използва пилотен сигнал, излъчен от центъра на приемащата ретенна и анализиран върху повърхността на предавателната антена чрез мрежа от подходящи сензори.

От 1965 до 1975 г. успешно завършена научна програма, ръководена от Бил Браун, демонстрираща способността да предава 30 kW мощност на разстояние повече от 1 миля с ефективност от 84%.

През 1978-1979 г. в САЩ, под ръководството на Министерството на енергетиката (DOE) и НАСА (НАСА), беше проведена първата държавна изследователска програма, насочена към определяне на перспективите за SCES.

През 1995-1997 г. НАСА отново се върна към обсъждането на бъдещето на SCES, надграждайки технологичния прогрес, постигнат по това време.

Изследванията бяха продължени през 1999-2000 г. (Програма за стратегически изследвания и технологии за космическа слънчева енергия (SSP)).

Най -активното и системно изследване в областта на SCES е проведено от Япония. През 1981 г., под ръководството на професорите М. Нагатомо (Макото Нагатомо) и С. Сасаки (Сусуму Сасаки), Институтът за космически изследвания на Япония започва проучване на разработването на прототип SCES с ниво на мощност 10 MW, което би могло да бъдат създадени с помощта на съществуващи ракети -носители. Създаването на такъв прототип позволява натрупването на технологичен опит и подготвя основата за формирането на търговски системи.

Проектът е кръстен SKES2000 (SPS2000) и получава признание в много страни по света.

Така се раждат WiTricity и корпорацията WiTricity.

През юни 2007 г. Марин Солячич и няколко други в Масачузетския технологичен институт обявиха разработването на система, при която 60 W крушка се захранва от източник, разположен на 2 м, с ефективност от 40%.

Според авторите на изобретението, това не е "чист" резонанс на свързани схеми, а не трансформатор на Тесла с индуктивен съединител. Радиусът на предаване на енергия за днес е малко повече от два метра, в бъдеще - до 5-7 метра.

Като цяло учените са тествали две коренно различни схеми.

Подобни технологии трескаво се разработват от други фирми: Intel демонстрира своята технология WREL с ефективност на предаване на енергия до 75%. През 2009 г. Sony демонстрира работата на телевизора без мрежова връзка. Само едно обстоятелство е тревожно: независимо от метода на предаване и техническите промени, плътността на енергията и силата на полето в помещенията трябва да бъдат достатъчно високи, за да захранват устройства с капацитет от няколко десетки вата. Според самите разработчици все още няма информация за биологичните ефекти на такива системи върху хората. Предвид неотдавнашния вид и различните подходи при внедряването на устройства за пренос на енергия, подобни проучвания тепърва предстоят и резултатите няма да се появят скоро. И ние ще можем да преценим тяхното отрицателно въздействие само косвено. Нещо отново ще изчезне от домовете ни, като хлебарки.

През 2010 г. Haier Group, китайски производител на домакински уреди, представи своя уникален продукт на CES 2010, напълно безжичен LCD телевизор, базиран на изследванията на професор Марина Солячич за безжично предаване на енергия и безжичен домашен цифров интерфейс (WHDI).

През 2012-2015 г. инженерите от Вашингтонския университет са разработили технология, която позволява Wi-Fi да се използва като източник на захранване за захранване на преносими устройства и зареждане на джаджи. Технологията вече е призната от списание Popular Science като едно от най -добрите нововъведения за 2015 г. Повсеместното разпространение на безжичните технологии се революционизира. И сега беше ред на безжичното предаване на енергия по въздуха, което разработчиците от Вашингтонския университет нарекоха PoWiFi (за Power Over WiFi).

По време на фазата на тестване изследователите успяха успешно да зареждат литиево-йонни и никел-метални хидридни батерии с малък капацитет. Използвайки рутер Asus RT-AC68U и няколко сензора, разположени на разстояние 8,5 метра от него. Тези сензори преобразуват енергията на електромагнитна вълна в постоянен ток с напрежение от 1, 8 до 2, 4 волта, което е необходимо за захранване на микроконтролери и сензорни системи. Особеността на технологията е, че качеството на работния сигнал в този случай не се влошава. Просто трябва да презаредите рутера и можете да го използвате както обикновено, плюс захранване на устройства с ниска мощност. В една от демонстрациите успешно се захранва малка скрита камера за наблюдение с ниска резолюция, разположена на повече от 5 метра от рутера. Тогава фитнес тракерът Jawbone Up24 беше зареден с 41%, отне 2,5 часа.

На сложни въпроси защо тези процеси не влияят отрицателно върху качеството на мрежовия комуникационен канал, разработчиците отговориха, че това става възможно поради факта, че мигащият рутер изпраща енергийни пакети през незаети канали за пренос на информация по време на работата си. Те стигнаха до това решение, когато откриха, че в периоди на мълчание енергията просто изтича от системата и всъщност тя може да бъде насочена към захранване на устройства с ниска мощност.

В бъдеще технологията PoWiFi може да служи за захранване на сензори, вградени в домакински уреди и военно оборудване, за да ги управлява безжично и да извършва дистанционно зареждане / презареждане.

Прехвърлянето на енергия за БЛА е от значение (най -вероятно вече с помощта на технологията PoWiMax или от бордовия радар на самолета -носител):

Идеята изглежда доста примамлива. Вместо днешните 20-30 минути полетно време:

→ LOCUST - роящи се военноморски дронове

→ В САЩ тестваха „рояк“микродрони Perdix

→ Intel проведе шоу с дронове по време на полувремето на Lady Gaga - Intel® Aero Platform за UAV

получавате 40-80 минути, като презареждате дронове с помощта на безжични технологии.

Нека обясня:

-обменът на м / у дронове все още е необходим (алгоритъм за рояк);

-обменът на м / у дронове и самолети (матка) също е необходим (център за управление, корекция на BZ, пренасочване, команда за елиминиране, предотвратяване на "приятелски огън", предаване на разузнавателна информация и команди за използване на оръжия).

За безпилотни летателни апарати негативът от закона на обратния квадрат (антена с изотропно излъчване) частично "компенсира" ширината на антенния лъч и диаграмата на излъчване:

Това не е клетъчна връзка, при която клетката трябва да осигурява 360 ° комуникация с крайните елементи.

Да кажем този вариант:

Самолетът-носител (за Perdix) този F-18 има (сега) радар AN / APG-65:

или в бъдеще ще има AN / APG-79 AESA:

Това е достатъчно за удължаване на активния живот на Perdix Micro-Drones от настоящите 20 минути до час, а може би дори повече. Най-вероятно ще бъде използван междинният дрон Perdix Middle, който ще бъде облъчен на достатъчно разстояние от радара на изтребителя, а той от своя страна ще извърши „разпределението“на енергия за по-малките братя на Perdix Micro- Дронове чрез PoWiFi / PoWiMax, като едновременно обменят информация с тях (полет и пилотаж, целеви задачи, координация на рояк).

Дали ерата на нападенията от брадавици остава в миналото?

Може би скоро ще се стигне до зареждане на мобилни телефони и други мобилни устройства, които са в обхвата на Wi-Fi, Wi-Max или 5G-в метрото, във влака, в самолета, докато вървите / бягате в парка?

Следслов: 10-20 години след широкото навлизане в ежедневието на многобройни електромагнитни микровълнови излъчватели (мобилни телефони, микровълнови печки, компютри, WiFi, Blu инструменти и т.н.), изведнъж хлебарки в големите градове изведнъж се превърнаха в рядкост! Сега хлебарка е насекомо, което може да се намери само в зоопарка. Изведнъж изчезнаха от домовете, които толкова обичаха.

ГРАКАНИЦИ KARL ™!

Тези чудовища, водачите на списъка с „радиоустойчиви организми“, безсрамно се предадоха!

справка

Кой е следващият на опашката?

Забележка: Типичната базова станция WiMAX предава мощност при приблизително +43 dBm (20 W), докато мобилната станция обикновено предава при +23 dBm (200 mW).

Допустимите нива на радиация на базовите станции на мобилни комуникации (900 и 1800 MHz, общото ниво от всички източници) в санитарно-жилищната зона в някои страни се различават значително:

ПЪЛЕН ХАОС

Медицината все още не е дала ясен отговор на въпроса: вреден ли е мобилният / WiFi и до каква степен? А какво ще кажете за безжичното предаване на електричество чрез микровълнови технологии?

Тук мощността не е ватове и мили ватове, а вече kW …

Връзки, използвани документи, снимки и видеоклипове:

„(ВРЕМЕ НА РАДИО ЕЛЕКТРОНИКА!“N 12, 2007 (ЕЛЕКТРИЧЕСКА МОЩНОСТ ОТ КОСМОСА - СЪЛНЕВИ ПРОСТРАНСТВА ЕЛЕКТРОПОСТАВКИ, V. A. Banke)

"Микровълнова електроника - перспективи в космическата енергия" В. Банке, д -р.