Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

Способ передачи электрической энергии на расстояние без использования токопроводящей среды называется беспроводной передачей электроэнергии.

Считается, что беспроводная передача энергии как альтернатива классической передаче и распределению с использованием электрических линий была впервые предложена и продемонстрирована Николой Тесла .

В 1893 году Тесла демонстрирует беспроводное флуоресцентное освещение на Всемирной выставке Колумба в Чикаго, а в 1894 г. он по беспроводной связи включает лампочку в лаборатории на Пятой авеню, а затем в лаборатории на Хьюстон-стрит в Нью-Йорке, используя «электродинамическую индукцию».

Затем ему удалось зажечь 200 ламп на расстоянии несколько километров от передатчика. Подробнее про его метод я писал ранее здесь: Резонансный метод беспроводной передачи электрической энергии Николы Тесла

Одним из первых метод электромагнитной индукции для беспроводной передачи электрической энергии использовал американский фермер Натан Стаблфилд в своей системе беспроводной связи 1902 — 1908 годов .

Уже к 2011 году было реализовано несколько удачных экспериментов в микроволновом диапазоне с мощностями в несколько десятков киловатт, при этом КПД составил около 40%.

Это произошло сначала в 1975 году в Калифорнии и второй раз — в 1997 году на острове Реюньон. Наибольшая дальность составила около одного километра, эксперимент был проведен с целью исследования возможностей энергосбережения одного поселка без использования традиционного кабеля.

История беспроводной передачи электрической энергии: Беспроводная передача электроэнергии: трудная история становления

Открытая индукционная катушка электрической зубной щетки

Технологически принципы передачи электроэнергии на расстояние включают в себя, в зависимости от расстояния передачи, следующие. На малых расстояния при небольших мощностях — индукционный и резонансный методы, как например в RFID-метках и смарт-картах. На больших расстояниях и при больших мощностях — метод направленного электромагнитного излучения в диапазоне от УФ до СВЧ.

Давайте рассмотрим подробно индукционный метод. Беспроводная передача энергии посредством электромагнитной индукции подразумевает применение ближнего электромагнитного поля на расстояниях соизмеримых с 17% длины волны. Суть в том, что энергия ближнего поля не является излучающей сама по себе, здесь есть лишь небольшие радиационные и резистивные потери.

Индукционная зарядка для смартфона

Беспроводная зарядка для электробусов мощностью 200 кВт в США

Электродинамическая индукция работает так. Когда через первичную обмотку проходит переменный электрический ток, вокруг нее существует переменное магнитное поле, которое одновременно действует и на вторичную обмотку, наводя в ней переменную ЭДС и соответственно переменный ток.

Чтобы получить более высокую эффективность, взаимное расположение первичной и вторичной обмоток должно быть достаточно тесным. Если в условиях эксперимента начать отдалять вторичную обмотку от первичной, то часть магнитного поля, достигающего вторичной обмотки и пересекающего ее витки, будет становиться все меньше.

По мере удаления вторичной обмотки, даже на небольшом расстоянии индукционная связь между обмотками в конце концов станет настолько малой, что большая часть передаваемой магнитным полем энергии будет расходоваться чрезвычайно неэффективно и вообще впустую.

Подобная система в простейшем виде представлена в классическом электрическом трансформаторе . Ведь трансформатор — простейшее устройство для беспроводной передачи электроэнергии, поскольку его первичная и вторичная обмотки не связаны гальванически друг с другом.

Передача энергии от первичной обмотки ко вторичной реализована в нем посредством процесса, называемого взаимная индукция. Главная функция трансформатора — повышение или понижение напряжения, подаваемого на первичную обмотку.

В бесконтактных зарядниках для мобильной техники, для электрических зубных щеток и в индукционных плитках, реализованы как раз методы электродинамической индукции. Недостаток при передаче энергии таким путем заключается в очень небольшом расстоянии эффективного действия.

Для достижения надлежащей эффективности передатчик и приемник необходимо размещать очень-очень близко друг к другу, практически вплотную, чтобы они впринципе могли эффективно взаимодействовать между собой.

Прохождение тока через передающую катушку создает магнитное поле, которое индуцирует ток в приемной катушке

Чтобы повысить эффективность индукционного метода, полезно внедрить в такую систему явление электрического резонанса, который позволит увеличить расстояние эффективной передачи. С добавлением в резонансную цепь колебательного контура, он своим действием в некоторой степени увеличивает расстояние эффективной передачи. Чтобы возник резонанс, передающий и приемный контур должны быть настроены на одну общую частоту.

Еще больше улучшить производительность такой системы можно коррекцией формы волны управляющего тока, отклонив ее от синусоидальной к переходной несинусоидальной, импульсной.

Импульсная передача энергии производится тогда за несколько циклов, и существенная мощность может быть в таких условиях передана от одного LC-контура — к другому, и с меньшим коэффициентом связи чем без использования резонансных контуров. Формы катушек не изменяются, и в любом случае представляют собой плоские спирали либо однослойные соленоиды с подключенными к ним конденсаторами, необходимыми для настройки принимающего элемента на резонансную частоту передатчика.

Беспроводная передача энергии. Эксперименты своими руками. Резонансная индуктивная связь:

Традиционно резонансная электродинамическая индукция используется в беспроводных зарядниках аккумуляторов мобильных устройств, наподобие сотовых телефонов и медицинских имплантатов, а также в электромобилях. В устройствах локализованной зарядки используется выбор определенной катушки передатчика из набора многослойных обмоток.

Явление резонанса работает при этом как в контуре передающей панели зарядного устройства, так и в принимающем контуре зарядного модуля, установленном на заряжаемом устройстве, дабы эффективность передачи и приема энергии получилась максимальной. Технология данной конфигурации универсальна, и может использоваться для беспроводной зарядки различных гаджетов, оснащенных соответствующими резонансными приемниками.

Техника такого плана принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi. Этот стандарт предусматривает два варианта передачи энергии: низкой мощности — от 0 до 5 Ватт и средней мощности — до 10 Ватт. Стандарт разработан после 2008 года Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC) для индукционной передачи энергии на расстояние до 4 см.

Аппаратура с поддержкой Qi включает в себя передатчик с плоской катушкой (она расположена за пластиной), подключаемый к стационарному источнику энергии, и совместимый приёмник, который установлен внутри заряжаемого устройства (также в форме плоской катушки). П ри использовании зарядника, подключаемое устройство размещают на пластине передатчика. При этом действует принцип электромагнитной индукции между этими двумя плоскими катушками, как в трансформаторе.

Qi используется сегодня в некоторых устройствах: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. Цель консорциума — создание единого стандарта для технологии индукционной зарядки, чтобы сделать беспроводные зарядные устройства привычным атрибутом публичных мест, таких как кафе, аэропорты, спортивные арены и т. д.

Электродинамическая индукция с резонансом также используется для прямого беспроводного питания устройств, вовсе не имеющих аккумуляторов внутри. К ним относятся RFID-метки и бесконтактные смарт-карты. Схожий принцип передачи электрической энергии действует в трансформаторе Тесла — от первичного контура — индуктора — к расположенному внутри него резонатору. Сам трансформатор Тесла, в свою очередь, тоже служит беспроводным передатчиком энергии, только более электростатическим, нежели электромагнитным.

Дороги для беспроводной зарядки в Норвегии:

Другие примеры использования беспроводной передачи электроэнергии:

Беспроводные зарядные устройства для телефонов

Комната для беспроводной зарядки устройств Disney

Технология передачи электроэнергии по Wi-Fi

Беспроводное электропитание на промышленных предприятиях