Беспроводная передача электроэнергии — проект Хуррама Африди

Как проще всего передать электрическую энергию из одного места в другое? Конечно же по проводам! И переменный ток очень хорошо подходит для этой цели.

Кстати, первая дальняя электропередача (на 170 километров) была осуществлена в 1891 году именно по проводам; при помощи трехфазного переменного тока с напряжением 15 кВ. Речь о ЛЭП передававшей электроэнергию из Лауфена во Франкфурт, разработкой которой занимались русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский и немецкий инженер Оскар фон Миллер.

В это же самое время Никола Тесла, работавший тогда в США, активно занимался исследованием возможностей, которые может дать использование электромагнитных полей и токов высокой частоты. Он уже приближался к открытию беспроводного способа передачи электрической энергии на большие расстояния: Резонансный метод беспроводной передачи электрической энергии Николы Тесла

Действительно, проводной способ передачи электроэнергии не всегда удобен. Представьте себе на минутку, как передать электрическую энергию, например, на транспортное средство, которое движется с высокой скоростью?

Использование громоздкого аккумулятора по какой-то причине недопустимо, расходовать сжигаемое топливо — дорого и неэкологично. А если это транспортное средство — воздушное и дозаправлять его не представляется возможным? Ведь куда удобнее было бы передать ему энергию беспроводным способом с поверхности Земли или даже с космического спутника прямо во время движения.

При беспроводной передаче место, где вырабатывается и хранится электроэнергия, без проблем сможет находиться на большом расстоянии от потребителей, при этом сами потребители уже не будут привязаны к месту. Дело только за технологиями, которые бы позволили осуществить очередной шаг на пути электротехнического прогресса.

Одна из идей, демонстрирующая то, насколько облегчится жизнь тех же автомобилистов с внедрением беспроводного способа передачи электроэнергии, была продемонстрирована группой профессора кафедры электротехники и вычислительной техники Инженерного колледжа Корнельского университета Хуррамом Африди на симпозиуме «Границы инженерии», проходившем с 25 по 27 сентября 2017 года в Исследовательском центре United Technologies в Ист-Хартфорде, штат Коннектикут, США.

Африди представил идею технологии динамической подзарядки автомобилей беспроводным способом во время движения прямо от дорожного полотна . Технология группы Хуррама Африди называется «Динамическая емкостная беспроводная система зарядки для автономных погрузочно-разгрузочных транспортных средств».

В идеале технология выглядит следующим образом. Беспилотный электрокар развозит пассажиров по населенному пункту от места к месту, при этом даже не останавливается для подзарядки собственного аккумулятора.

Энергия, вырабатываемая источником, например ветряной или солнечной электростанцией, которая расположена где-нибудь за городом, передается (пусть и по проводам) к проезжей части, а от нее — беспроводным способом — к транспортным средствам.

В автомобиле при этом установлен достаточно легкий аккумулятор небольшой емкости, поскольку он непрерывно пополняется энергией прямо во время движения. Причем в беспроводном зарядном устройстве используется не волновое электромагнитное излучение и не индуктивная передача катушками, а емкостная индукционная передача (именно по электростатической компоненте).

От индуктивной передачи отказались, потому что в этом случае ферриты, требуемые для экранирования катушек, оказались бы слишком громоздкими, к тому же они хрупки, а частота колебаний электромагнитного поля при передаче не могла бы превышать 100 кГц, да и плотность передаваемой энергии получается низкой.

Электрическое же поле получается более направленным, ему не требуется никаких громоздких приспособлений для экранирования, не нужно тяжелых и хрупких ферритов, возможна работа системы на более высоких частотах — получается достаточно большой ток смещения, обеспечивающий суммарную мощность, достаточную для питания электродвигателя.

Выпрямление ВЧ-тока осуществляется на борту транспортного средства. Благодаря повышению частоты, элементы передатчиков и приемников могут быть очень небольшими по размеру.

Разработчикам оставалось решить проблему обеспечения безопасности людей, находящихся в автомобиле, от высокочастотных электрических полей рассеяния.

Важно при этом, чтобы в высокочастотных резонансных системах рабочая частота оставалась бы в пределах одного из назначенных, очень ограничительных промышленных, научных и медицинских (ISM) диапазонов (например, 6,78 МГц, 13,56 МГц и 27,12 МГц).

Один из найденных путей решения — каскадирование системы, то есть разделение ее на несколько модулей с фазовым сдвигом между ними, а также применение схем усиления и компенсации с конденсаторами.

В феврале 2022 года данный проект группы Хуррама Африди получил грант в размере 1,425 миллиона долларов от Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США.

Хуррам Африди (Khurram Afridi) — профессор электротехники и вычислительной техники. Он получил степень бакалавра в области EE в Калифорнийском технологическом институте (1989 г.), а также степени SM (1992 г.) и докторскую степень (1998 г.) в EECS в Массачусетском технологическом институте. До прихода в Корнельский университет он был доцентом в Калифорнийском университете в Боулдере.

Его исследовательские интересы связаны с высокочастотной силовой электроникой и энергетическими системами, включающими в себя силовые электронные устройства управления, как средства эффективного использования, хранения, обработки, передачи, распределения и использования энергии.

Семинар Хуррама Африди

Примеры из исследования группы Африди по емкостной беспроводной зарядке, возможности и проблемы динамической беспроводной зарядки электромобилей:

Смотрите другие статьи на сайте Ремонтка.ком (remontka.com) на эту тему:

Способы беспроводной передачи электроэнергии

Метод электромагнитной индукции при беспроводной передаче энергии

Как устроена и работает беспроводная зарядка для телефона

Идея Николы Теслы становится реальностью с беспроводной технологией питания Эмрода

Беспроводное электропитание на промышленных предприятиях