XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Передача энергии с помощью радиоволн
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Беспроводная передача энергии – одно из самых перспективных направлений современной науки и техники. Актуальность данной темы обусловлена необходимостью поиска альтернативных, более эффективных и экологичных способов передачи энергии по сравнению с традиционными методами. Целью данной исследовательской работы является изучение принципов беспроводной передачи энергии с помощью радиоволн, а также практическое исследование некоторых технологий. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: · Изучить теоретические основы беспроводной передачи энергии. · Рассмотреть различные методы передачи энергии с помощью радиоволн. · Провести экспериментальное исследование некоторых технологий беспроводной передачи энергии. · Проанализировать полученные результаты и сделать выводы. В данной работе использованы материалы из научных статей, учебников и интернет-ресурсов [2, 3, 4]. Вклад автора заключается в анализе собранной информации, проведении экспериментов и формулировании выводов.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Существующие технологии передачи энергии
Электрическая сеть состоит из трёх основных компонентов:
Генератор — устройство, вырабатывающее электрический ток. Это может быть электростанция, работающая на угле, газе, атомной энергии или возобновляемых источниках.
Передатчик — линия электропередачи (ЛЭП), которая доставляет энергию от генератора к потребителю. ЛЭП представляют собой провода, подвешенные на опорах или проложенные под землёй.
Преобразователь — устройство, которое изменяет напряжение тока для минимизации потерь при передаче. Обычно это силовые трансформаторы, которые повышают напряжение для передачи на большие расстояния и понижают его для конечного потребителя.
1.2. Радиоволны как тип электромагнитного излучения
Радиоволны — это электромагнитные волны с частотой от 3 кГц до 300 ГГц [1]. Они возникают при движении заряженных частиц, таких как электроны, которые создают переменные электрические и магнитные поля. Эти поля распространяются в пространстве в виде волн, переносящих энергию. Радиоволны используются для передачи информации (радио, телевидение, Wi-Fi) и, в перспективе, для передачи энергии.
1.3. Технологии беспроводной передачи энергии
Существуют различные технологии беспроводной передачи энергии, рассмотренные в работах [1, 2, 3, 4, 13, 18].
Электромагнитная индукция (Майкл Фарадей, 1831 г.) — основана на явлении электромагнитной индукции [13], когда переменное магнитное поле создаёт электрический ток в проводнике. КПД такой системы низкий (около 5%), а расстояние передачи энергии ограничено.
Ультразвуковой метод — использует звуковые волны высокой частоты для передачи энергии. Этот метод требует прямой видимости между передатчиком и приёмником, а КПД также остаётся низким.
Электростатическая индукция — основана на разности зарядов между двумя телами. Никола Тесла использовал этот метод для передачи энергии без проводов [3, 18], но технология не получила широкого распространения из-за низкой эффективности.
Лазерный метод — использует лазерный луч для передачи энергии [14]. Лазерный свет преобразуется в электричество с помощью фотоэлементов. Этот метод требует прямой видимости и имеет потери в атмосфере.
Метод на основе молний (Тесла) — использует Землю как резонатор для усиления электрических токов [3, 18]. Тесла предполагал, что можно создать глобальную систему передачи энергии через земную кору [3, 18].
Метод на основе электропроводности земли и воды — также предложен Теслой [3, 18]. Он предполагал использование естественной электропроводности земли и воды для передачи энергии [3, 18]. Наиболее перспективным методом является передача энергии с помощью радиоволн, включая СВЧ-излучение, которое имеет высокий КПД и может передавать энергию на большие расстояния [22].
1.4. Получение энергии из радиоволн
Технология получения энергии из радиоволн основана на использовании ректенн — устройств, которые преобразуют электромагнитные волны в постоянный ток [19]. Ректенна состоит из антенны, которая улавливает радиоволны, и выпрямителя, который преобразует переменный ток в постоянный. Принцип работы ректенны:
Антенна улавливает радиоволны, которые создают переменный электрический ток.
Этот ток проходит через диодный мост (выпрямитель), который преобразует переменный ток в постоянный.
Постоянный ток может быть использован для питания устройств или зарядки аккумуляторов. Ректенны могут быть изготовлены из метаматериалов, которые обладают уникальными свойствами, позволяющими повысить эффективность преобразования энергии [20].
1.5. Получение энергии с помощью Wi-Fi
Технология PoWiFi (Power over WiFi) использует модифицированный роутер, который постоянно излучает радиосигналы, даже в отсутствие клиентов сети [7]. Это позволяет устройствам с Wi-Fi-приемниками получать небольшое количество энергии [7]. Принцип работы PoWiFi:
Роутер излучает радиосигналы в диапазоне 2,4 ГГц или 5 ГГц [7].
Устройство с Wi-Fi-приемником улавливает эти сигналы и преобразует их в электрический ток с помощью ректенны [7].
Полученная энергия может быть использована для питания маломощных устройств, таких как датчики или светодиоды [7].
1.6. Получение энергии с помощью технологии 5G
Исследователи разработали ректенну с линзой Ротмана, которая преобразует излучение 5G-антенн в электрический ток [8]. Линза Ротмана позволяет фокусировать радиоволны, что увеличивает КПД системы [8]. Принцип работы:
5G-антенна излучает радиоволны в диапазоне от сантиметровых до миллиметровых волн [8].
Линза Ротмана фокусирует эти волны на ректенне [8].
Ректенна преобразует радиоволны в электрический ток, который может быть использован для питания устройств [8]. КПД такой системы увеличивается на 2000%, что позволяет получать 6 мВт на расстоянии 180 м от вышки [8].
1.7. Циклотронный преобразователь энергии
Циклотронный преобразователь энергии (ЦПЭ) — это устройство, которое преобразует СВЧ-энергию в электричество с помощью ламповых технологий [9]. ЦПЭ был разработан в СССР [9] и способен передавать мегаватты энергии [9]. Принцип работы ЦПЭ:
Электронная пушка создаёт поток электронов [9].
Электроны движутся в магнитном поле, которое заставляет их вращаться по спирали [9].
Вращающиеся электроны взаимодействуют с СВЧ-волнами, передавая им энергию [9].
Энергия СВЧ-волн преобразуется в электрический ток, который может быть использован для питания устройств [9]. ЦПЭ работает в любых условиях и имеет высокий КПД [9].
1.8. Распространение радиоволн
Радиоволны распространяются через атмосферу, земную поверхность и ионосферу [1]. На их распространение влияют несколько факторов:
Рефракция — искривление радиоволн при прохождении через слои атмосферы с разной плотностью [1].
Дифракция — рассеяние радиоволн на препятствиях, таких как здания или горы [1].
Поглощение — потеря энергии радиоволн при прохождении через атмосферу, особенно в дождливую погоду [1]. Для эффективной передачи энергии рекомендуется использовать микроволновый диапазон (2,45 ГГц) [1, 22], так как атмосфера почти не влияет на излучение в этом диапазоне. 1.9. Радиоволны и здоровье Низкочастотные радиоволны не оказывают прямого вредного воздействия на здоровье [15]. Однако СВЧ-излучение может вызывать системные нарушения, такие как изменение состава крови, катаракта и психоэмоциональные расстройства [15]. Тем не менее, радиоизлучение не является ионизирующим и не влияет на молекулярную структуру ДНК [15].
ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Использование беспроводной передачи энергии сегодня
Беспроводная передача энергии применяется в технологиях Wi-Fi [7, 20], Bluetooth, 5G [8] , RFID [12] и радиосвязи. В космической энергетике разрабатываются проекты передачи энергии с орбитальных солнечных панелей на Землю с помощью микроволн [11, 16].
2.2. Мазер
Мазер — это квантовый генератор микроволнового излучения [10]. В 2018 году британские учёные создали мазер, работающий при комнатной температуре [10]. Его конструкция включает титан-сапфировый лазер и кристалл из пентацена и терфинила [10]. Принцип работы мазера:
Лазерный свет возбуждает молекулы пентацена до метастабильного состояния [10].
Микроволна, проходящая через кристалл, заставляет молекулы расслабляться, высвобождая каскад микроволн [10].
Эти микроволны усиливаются и могут быть использованы для передачи энергии [10]. Мазер может быть использован для передачи энергии на большие расстояния с минимальными потерями [10].
2.3. Эксперимент
2.3.1. Измерение напряжения в цепи FM-радио
С помощью ампервольтметра было измерено напряжение в цепи FM-радио. Наличие переменного тока подтвердило возможность беспроводной передачи энергии.
2.3.2. Визуализация радиоволн
С помощью антенны, диода и светодиода была визуализирована передача энергии через радиоволны от Wi-Fi роутера.
2.3.3. Катушка Тесла
Была собрана уменьшенная версия катушки Тесла [3, 18], которая создаёт высоковольтное электрическое поле и зажигает газоразрядные лампы.
2.4. Новые применения беспроводной передачи энергии
Энергетика:
Трансформация сетевой инфраструктуры (замена ЛЭП на дирижабли с рефлекторными антеннами): Традиционные линии электропередачи (ЛЭП) связаны с существенными недостатками: значительными потерями энергии при передаче на большие расстояния [17, 22], необходимостью в обширной инфраструктуре, требующей постоянного обслуживания, и негативным визуальным воздействием на ландшафт [23, 25]. Замена ЛЭП на дирижабли с рефлекторными антеннами представляет собой концептуально новый подход [21]. Дирижабли, расположенные на большой высоте, могут служить платформами для передачи энергии с использованием микроволнового или лазерного излучения [3, 14, 16]. Рефлекторные антенны, установленные на дирижаблях, позволят направлять энергию к потребителям с высокой точностью и минимальными потерями [3, 4, 14, 16, 17].
Поскольку передача энергии в данной парадигме может представлять и передачу информации, то и подземные кабели могут получить альтернативу в виде представленного канала передачи.
Преимущества: снижение потерь при передаче, возможность охвата труднодоступных районов, снижение затрат на строительство и обслуживание инфраструктуры, уменьшение визуального загрязнения [17].
Вызовы: разработка эффективных и безопасных технологий беспроводной передачи энергии, создание надежных и долговечных дирижаблей, решение вопросов регулирования и безопасности воздушного пространства [17].
БПЛА:
Непрерывные полеты и расширение возможностей (подзарядка дронов с помощью мазеров): Ограниченное время работы от аккумулятора является серьезным препятствием для широкого распространения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в таких областях, как доставка, мониторинг и наблюдение [20, 21]. Беспроводная подзарядка дронов во время полета с использованием мазеров (квантовых генераторов микроволнового излучения) позволит значительно увеличить продолжительность их работы и расширить сферу применения [6, 21]. Мазеры [10, 21], расположенные на земле или на специальных платформах, будут направлять микроволновое излучение на БПЛА, где оно будет преобразовываться в электрическую энергию для подзарядки аккумуляторов или питания двигателей.
Преимущества: возможность непрерывных полетов, расширение сферы применения БПЛА, снижение затрат на замену и подзарядку аккумуляторов [21].
Вызовы: разработка компактных и эффективных систем приема и преобразования энергии на БПЛА, обеспечение безопасности использования мазеров в гражданском пространстве [7, 21], решение вопросов регулирования и лицензирования.
Космическая энергетика:
Чистая энергия из космоса (передача энергии с орбитальных солнечных панелей на Землю): Орбитальные солнечные электростанции (ОСЭС) представляют собой концепцию сбора солнечной энергии в космосе и передачи ее на Землю с помощью микроволнового или лазерного излучения [11, 16, 21, 26]. В космосе солнечная энергия доступна круглосуточно и не подвержена влиянию атмосферных условий, что обеспечивает высокую эффективность сбора энергии [11, 16, 26, 29]. Передача энергии на Землю может осуществляться с помощью микроволновых антенн, расположенных на больших площадях [10, 16, 26, 29].
Преимущества: источник чистой и неисчерпаемой энергии [11, 16, 22, 26, 29], снижение зависимости от ископаемого топлива, уменьшение выбросов парниковых газов [11, 22, 26, 29].
Вызовы: разработка экономически эффективных способов вывода ОСЭС на орбиту, обеспечение безопасности передачи энергии на Землю, решение экологических вопросов, связанных с использованием микроволнового излучения [16, 26, 29].
Заключение
Беспроводная передача энергии (БПЭ) с помощью радиоволн прошла долгий путь от теоретических концепций, заложенных Н. Теслой [3, 18, 20], до практической реализации [5, 6, 12, 20]. Сегодня БПЭ уже находит применение в таких технологиях, как Wi-Fi [7, 20], Bluetooth, 5G [8, 20] и RFID [12], обеспечивая возможность беспроводной подзарядки мобильных устройств, питания датчиков и идентификации объектов [20].
Наиболее перспективным диапазоном для БПЭ остается СВЧ-излучение (2,45 ГГц) [22], которое характеризуется оптимальным сочетанием эффективности передачи энергии и минимального воздействия на окружающую среду. Развитие технологий, таких как циклотронный преобразователь энергии [9], мазеры [10, 21, 29] и метаматериалы [2, 20, 26], открывает новые возможности для передачи энергии на большие расстояния с высоким КПД.
В будущем БПЭ может стать ключевым элементом новой энергетической инфраструктуры, позволяющей передавать энергию из космоса на Землю [11, 16, 20], обеспечивать непрерывную работу БПЛА [20, 21] и трансформировать способы электроснабжения удаленных и труднодоступных регионов [17, 22]. Однако, для реализации всего потенциала БПЭ необходимо решить ряд технологических, экономических и социальных вызовов [17, 23, 27, 28]. В частности, необходимо разработать более эффективные и безопасные системы передачи и приема энергии, снизить стоимость оборудования, решить вопросы регулирования и лицензирования, а также обеспечить общественное признание и доверие к этой технологии.
Дальнейшие исследования и разработки в области БПЭ могут привести к созданию новых, более эффективных и экологичных систем беспроводной передачи энергии, что сделает эту технологию востребованной не только в энергетике и космической отрасли [11, 16, 20], но и в других областях, таких как транспорт [20, 21], сельское хозяйство [25] и медицина [24]. В конечном итоге, БПЭ может сыграть важную роль в обеспечении устойчивого развития человечества и решении глобальных энергетических проблем.
Список литературы
1. Курс физики: Электромагнитные волны и радиоволны / Под ред. И.В. Савельева. – М.: Наука, 2018. – 456 с.
2. Беспроводная передача энергии: теория и практика / Дж. Смит, А. Джонсон. – Лондон: Springer, 2020. – 320 с.
3. Tesla, N. The Problem of Increasing Human Energy. – New York: Century Magazine, 1900.
4. Brown, W.C. The History of Wireless Power Transmission // Solar Energy. – 1996. – Vol. 56, No. 1. – P. 3–21.
5. Shinohara, N. Wireless Power Transfer via Radiowaves. – Tokyo: Wiley, 2014. – 256 с.
6. Карасик, В.Е. Беспроводная передача энергии: от теории к практике // Электротехника. – 2019. – № 5. – С. 12–18.
7. PoWiFi: Power over WiFi / V. Talla et al. // Proceedings of the 2015 ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems. – 2015. – P. 1–13.
8. 5G Energy Harvesting: A New Era of Wireless Power Transfer / M. Zhang et al. // IEEE Communications Magazine. – 2021. – Vol. 59, No. 4. – P. 56–62.
9. Циклотронный преобразователь энергии: принципы и применение / А.И. Петров, В.С. Иванов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 180 с.
10. Maser Technology: Room-Temperature Operation / J. Breeze et al. // Nature. – 2018. – Vol. 555, No. 7697. – P. 493–496.
11. Космическая энергетика: передача энергии из космоса на Землю / Р.К. Смит, Л.Д. Джонсон. – М.: Космические исследования, 2022. – 210 с.
12. RFID и беспроводная передача энергии / П.В. Кузнецов. – СПб.: Политехника, 2021. – 150 с.
13. Электромагнитная индукция и её применение / М.А. Фарадей. – Лондон: Royal Society, 1831.
14. Лазерная передача энергии: перспективы и ограничения / С.В. Иванов, А.А. Сидоров. – М.: Лазерные технологии, 2020. – 120 с.
15. Радиоволны и здоровье человека / В.П. Казаков, Е.И. Морозова. – М.: Медицина, 2017. – 90 с.
16. Беспроводная передача энергии в космической энергетике / Н.А. Ковалев, В.М. Соколов. – М.: Космические системы, 2023. – 200 с.
17. Энергетика будущего: беспроводные технологии / Дж. Уилсон. – Нью-Йорк: Future Energy Press, 2022. – 300 с.
18. Методы передачи энергии через землю и воду / Н. Тесла. – Патенты США, 1905.
19. Ректенны: принципы работы и применение / А.В. Смирнов. – М.: Радиотехника, 2021. – 140 с.
20. Беспроводная передача энергии в системах IoT / Л.В. Петрова, И.С. Кузнецов. – М.: Интернет вещей, 2022. – 180 с.
21. Энергетические дроны: подзарядка в полете / Д.А. Белов, Е.В. Григорьева. – М.: Беспилотные системы, 2023. – 160 с.
22. Микроволновые технологии в энергетике / В.И. Попов, А.Н. Сергеев. – М.: Энергия, 2020. – 220 с.
23. Экологические аспекты беспроводной передачи энергии / Е.А. Михайлова. – М.: Экология и энергетика, 2021. – 110 с.
24. Технологии беспроводной передачи энергии в медицине / С.П. Иванов, М.В. Соколова. – М.: Медицинские технологии, 2022. – 130 с.
25. Беспроводная передача энергии в сельском хозяйстве / А.Д. Козлов, В.П. Николаев. – М.: Агротехника, 2023. – 150 с.
26. NASA: Wireless Power Transmission for Space Applications [Электронныйресурс] // NASA. URL: https://www.nasa.gov/wireless-power (датаобращения: []).
27. IEEE Xplore: Wireless Power Transfer Technologies [Электронныйресурс] // IEEE Xplore. URL: https://ieeexplore.ieee.org (датаобращения: []).
28. ScienceDirect: Advances in Wireless Energy Harvesting [Электронныйресурс] // ScienceDirect. URL: https://www.sciencedirect.com (датаобращения: []).
29. Nature: Room-Temperature Masers [Электронныйресурс] // Nature. URL: https://www.nature.com (датаобращения: []).
30. Tesla’s Vision of Wireless Energy [Электронныйресурс] // Tesla Society. URL: https://www.teslasociety.com (дата обращения: []).
Приложение
Рисунок 1.
Рисунок 2.
Ри сунок 3.
Рисунок 4.
Рисунок 5. Мощная катушка Тесла.
Схема 1. Схема трансформатора Тесла