+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Научно — исследовательская работа — Исследовательская работа

МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ШКОЛЬНИКОВ «ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКУ»

НАУЧНО — ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

по физике на тему

«Однопроводная и беспроводная передача электроэнергии на расстояние на основе свойств электромагнитного излучения»

Выполнил учащийся 9 «а» класса

МАОУ Лицея №1 г. Жуковки

Антошкин Герман

Руководитель:

Иванин Алексей Фёдорович,

учитель физики.

Брянск — 2012

ПРЕДИСЛОВИЕ

«Эксперимент был столь же грандиозным, сколь и опасным. … Молнии сопровождались громовыми раскатами, слышимыми за 15 миль. Вокруг башни пылал огромный световой шар. Идущие по улице люди испуганно шарахались, с ужасом наблюдая, как между их ногами и землёй проскакивают искры.

..

Человек, устроивший всю эту электрическую фантасмагорию в 1899 году из своей лаборатории в Колорадо-Спрингс, вовсе не собирался пугать людей. Его цель была иной, и она была достигнута: за двадцать пять миль от башни под аплодисменты наблюдателей разом загорелись 200 электрических лампочек. Электрический заряд был передан без всяких проводов.»

Автором этого эксперимента был югославский учёный-энергетик Никола Тесла. Ещё 100 лет назад на заре освоения электричества ему удалось поставить грандиозные эксперименты, которые, увы, не были оценены его современниками. Ещё до открытия радиоламп и транзисторов он строил приборы, выполняющие самые амбициозные задачи, одной из которых была

беспроводная передача электроэнергии.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В классической электрической цепи питание к нагрузке всегда подаётся посредством двух проводников, ток в которых течёт в разных направлениях (рис. 1). Иными словами, они обеспечивают замкнутость электрической цепи, что, в свою очередь, обеспечивает электрический ток через нагрузку. Этот принцип положен в работу современных систем питания различных устройств.

Однако, существует, казалось бы, невероятная возможность передачи электроэнергии с помощью одного проводника, диэлектрика (!) или вообще без проводников.

Как мы знаем, для того, что бы в цепи существовал ток, необходимо выполнение двух условий: цепь должна быть замкнута и должна присутствовать ЭДС. Но ведь с одним проводником или без него замкнутую цепь мы не получим, а значит, ток в такой системе невозможен!

Тем не менее, такая возможность есть. Более того, ток, текущий по проводнику, не несёт в себе передаваемую электрическую энергию. Система однопроводной передачи электроэнергии основана на абсолютно других принципах, которые автор попытался изложить в этой работе.

Цель работы:

Воплотить в реальность и обосновать работу системы однопроводной и беспроводной передачи электроэнергии.

Задачи работы:

  • Обосновать возможность однопроводной и беспроводной передачи электроэнергии на основании физических законов.

  • Описать простейшие системы однопроводной и беспроводной передачи электроэнергии.

  • Привести схемы и конструкции установок для получения высокочастотных электромагнитных полей, описать принципы их функционирования.

  • Построить установки для получения высокочастотных колебаний, продемонстрировать их работу.

  • Поставить эксперименты по однопроводной и беспроводной передачи электроэнергии.

  • Сделать выводы о перспективах применения системы однопроводной и беспроводной передачи электроэнергии в современной энергетике.

  • Предложить высокочастотные установки для использования в образовательном процессе.

Первым учёным, разработавшим подобную систему, был Никола Тесла. Его разработки в начале XX века в этой области были прочно забыты. Только в условиях строжайшей секретности, эксперименты гениального изобретателя были повторены американскими спецслужбами. В конце ХХ — начале XXI века разработки в этой области вели российские учёные – инженер Станислав Викторович Авраменко и академик РАСХН Дмитрий Семёнович Стребков…

В настоящее время во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства под руководством Д. С. Стребкова продолжаются работы над этой задачей (рисунок 2).

Рис. 2. Эксперимент по однопроводной передаче электроэнергии в лаборатории ВИЭСХ.

2.1. Электромагнитное излучение в системе однопроводной передачи электроэнергии

Если сказать электрику о том, что электроэнергию можно передавать по одному проводу, он, скорее всего, в это не поверит. Ну не может течь ток через разомкнутую цепь! А вот если рассказать о такой возможности радиоинженеру или радиолюбителю, его это вряд ли удивит…

Из названия научно-исследовательской работы вытекает, что ведущую роль в системе однопроводной передачи электроэнергии играет электромагнитное излучение.1

Из школьного курса физики нам известно, что таковое возникает вокруг различных проводников или катушек с переменным током. Причём, чем выше частота смены направления тока (электромагнитное поле будет иметь такую же частоту), тем мощность излучения будет больше, что следует из формулы:

,

где – мощность электромагнитного излучения – частота колебаний, – расстояние от источника электромагнитного излучения.

Таким образом, если мы планируем передавать электроэнергию без проводов, посредством электромагнитного излучения, частота генерации должна быть высокой.

Для однопроводной системы высокая частота также желательна: изолированный проводник в пространстве имеет достаточно малую ёмкость и индуктивность, что делает его резонансную частоту крайне высокой, а, как известно, максимальный КПД мы получим при наличии наилучшего согласования между каскадами системы, иными словами, проводник войдёт в резонанс с высокодобротным контуром, каковым является проводник.

Теперь уже ясно, что для выполнения нашей задачи нам потребуется генератор высокочастотного электромагнитного поля, задача которого – преобразовать энергию электрического тока в электромагнитное излучение. Следовательно,

электромагнитное поле несёт в себе энергию.

Условно скажем, что электромагнитное излучение, несущее в себе энергию, распространяется на некоторое расстояние вокруг активного элемента генератора. Дело осталось за малым: преобразовать электромагнитное излучение в электрическую энергию. Тут нам поможет второй известный постулат об образовании переменного тока в проводнике, внесённом в электромагнитное поле. Этот ток ещё необходимо преобразовать, но это уже «дело техники»…


Как вы могли догадаться, выше описывалась беспроводная передача электроэнергии посредством электромагнитного поля.

Изобразим, если можно так выразиться, структурную схему системы на основе наших размышлений (рисунок 3).

Ничего не напоминает? Да, действительно, это – принцип радиопередачи. Ведь именно благодаря электромагнитному излучению (а конкретно, радиоволнам) мы имеем возможность, включив радиоприёмник, услышать голос диктора из далёкого города… Сигналы радиостанций также несут в себе энергию, только в малом количестве, ведь есть необходимость в передаче лишь информации, а не энергии. Тем не менее, известный каждому радиолюбителю детекторный радиоприёмник работает без каких-либо источников питания от «энергии радиоэфира».

Вот так, сразу речь зашла о беспроводной передаче электроэнергии… Напомним, что мощность электромагнитного поля будет ослабевать при увеличении расстояния между передающей и приёмной установкой.

Поэтому, плавно перейдём к однопроводной системе…

Представим себе проводник, находящийся в пространстве. Очевидно, его индуктивность, равно как и ёмкость, достаточно малы. Исходя из формулы Томсона

,

определим, что резонансная частота такого проводника высока. Если у проводника есть резонансная частота, то существует возможность возбудить в нём колебания, войдя с ним в резонанс. Для этого непосредственно подключим к оному генератор, частота которого кратна частоте проводника (рисунок 4).


Использование гармонической частоты обусловлено сложностью реализации столь высокочастотного генератора.

Как результат, мы получим в проводнике так называемые стоячие волны тока (да и напряжения тоже), вызванные сложением падающей и отражённой волн, имеющих одинаковую амплитуду (рисунок 5).


Отныне сопротивление проводника стало реактивным, и наша система перестала подчиняться законам, свойственным обычным цепям, в чём мы в дальнейшем убедимся на опытах.

Тем временем, по единственному проводнику протекает переменный ток, вызванный вынужденными колебаниями контура, каковым является проводник, и он протекает ещё и через нагрузку R. Следовательно, и эта система теоретически возможна…

Целью следующих глав работы является экспериментальное доказательство выше сказанного, а также описание нескольких практических конструкций для реализации однопроводной и беспроводной систем.

Великий югославский учёный Никола Тесла был первым, кому пришли в голову подобные мысли. Поэтому начнём рассказ с его знаменитой установки…

3.1. Трансформатор Тесла и «качер» Бровина. Принципы функционирования высокочастотных установок

Одним из самых известных изобретений Николы Тесла является трансформатор Тесла. В сущности, эта установка является генератором высокочастотных электромагнитных колебаний с высокой амплитудой (порядка нескольких тысяч вольт), что позволяло великому учёному использовать её для своих экспериментов.

О

Рис. 7. Трансформатор Тесла, построенный для этой работы.

братимся к схеме установки (рисунок 6). Генератор G, нагруженный первичной обмоткой повышающего трансформатора Tr, генерирует сигнал относительно низкой частоты. Амплитуда сигнала, благодаря трансформатору Tr, увеличивается до нескольких тысяч вольт. Поскольку частота тока относительно невысока, он успевает зарядить конденсатор С до достаточного значения напряжения на его обкладках, чтобы осуществился пробой в разряднике SG через катушку L1, являющуюся индуктором трансформатора Тесла. В момент пробоя конденсатор С и катушка L1 образуют колебательный контур, резонансная частота которого равна или кратна резонансной частоте катушки L2 с её собственной межвитковой ёмкостью и ёмкостью тороида («воздушного конденсатора»), который обычно устанавливается на верхнем выводе катушки L2. Электромагнитное излучение первого колебательного контура возбуждает колебания во вторичном. Таким образом, благодаря использованию колебательного контура с высокой резонансной частотой и близко расположенной к катушке L1 катушки с большим числом витков L2, данная установка позволяет получить высокочастотный сигнал высокой амплитуды.

Нетрудно заметить, что трансформатор Тесла существенно отличается от обыкновенных индукционных трансформаторов, связь обмоток в нём осуществляется за счёт совпадения резонансных частот, а не индукции…

Для этой научно-исследовательской работы была построена выше описываемая установка (рисунок 7). Включим её и проведём с ней несколько экспериментов.

Поднесём к верхнему выводу катушки вторичного контура изолированный массивный металлический предмет.

Можно будет заметить электрические разряды в металлический предмет, напоминающие молнии. Данный эффект наглядно демонстрирует, насколько велико напряжение, генерируемое трансформатором Тесла. При демонстрации этого эксперимента принимаются меры электротехнической безопасности, несмотря на высокую резонансную частоту (для собранной установки она составляет примерно 200 КГц), частота возникновения электрического пробоя в разряднике, а значит и «подпитка» первичного контура, опасно мала. Форма сигнала на выходе катушки Тесла, представленная на рисунке 8, хорошо иллюстрирует это.

Рис. 8. Форма выходного сигнала катушки Тесла. Отчётливо видны периодичные затухания колебаний, резкие повышения амплитуды возникают в момент пробоя в разряднике.

Теперь поднесём к обмотке катушки вторичного контура неоновую лампу.

Наблюдается её свечение, объясняемое явлением электролюминесценции.

Несомненно, эта установка позволяет провести ещё множество других красивых экспериментов, в том числе и по однопроводной и беспроводной передаче электроэнергии, но в силу её технических особенностей, эти эксперименты будут более наглядно воспроизведены на других установках, также изготовленных для данной работы.

Приведённая на рисунке 6 схема была разработана самим Николой Тесла более 100 лет назад, однако продолжает использоваться для демонстраций и сегодня. Нужно отметить, что в схеме не используются ни транзисторы, ни радиолампы, и это неудивительно: во времена Тесла они ещё не были открыты. Однако, на сегодняшний день, когда мы располагаем всеми этими благами радиоэлектроники, существует возможность применить и их. Одна из таких конструкций, больше известная под названием «качер Бровина», пользуется большой популярностью для демонстрации разнообразных проявлений высокочастотного электромагнитного поля.

«

Рис. 10. «Качер Бровина» в практическом исполнении.

Качер» представляет собой транзисторный автогенератор с индуктивной обратной связью, поэтому подробного объяснения схема не требует (рисунок 9). Ввиду своей простоты, работоспособности, доступности компонентов, низкого напряжения питания (стабильно работает, начиная с 6 вольт) схема является самой простой в изготовлении демонстрационной установкой для получения высокочастотного электромагнитного излучения. Нетрудно заметить наличие первичной (L1) и вторичной (L2) катушек, подобных катушкам на схеме трансформатора Тесла. Однако в разных схемах они выполняют разную роль: в схеме трансформатора Тесла они образуют контуры, благодаря совпадению частот которых между катушками возникает резонанс, а в схеме «качера» эти катушки дополнительно обеспечивают обратную связь, обеспечивающую непрерывную генерацию.


Форма сигнала на выходе – синусоида как это и полагается транзисторному генератору (рисунок 11).

Рис. 12.

Как и трансформатор Тесла, этот аппарат был собран для научной работы (рисунок 10). Далее представлены самые «яркие» эксперименты, которые могут быть с ним проведены.

При включении установки на верхнем выводе катушки вторичного контура наблюдается так называемый «фитонный разряд» (рисунок 12).

Это красивое явление вызывается ионизацией находящихся у острия атомов газа свободными зарядами воздуха, разогнанными сильным полем.

Р

Рис. 13. Свечение ЛДС в руке экспериментатора.

азряд даже можно потрогать рукой: он безопасен в силу высокой частоты тока.

Вследствие этого становится возможным продемонстрировать так называемый «ионный двигатель» (S-образное колесо, закреплённое на верхнем выводе катушки вторичного контура, вращается под действием реактивной силы).

Явления электролюминесценции при работе «качера» можно наблюдать наиболее красочно. Поднесём к катушке вторичного контура небольшую лампу дневного света (ЛДС). Без каких-либо проводов, прямо в руке экспериментатора лампа начнёт светиться, причём достаточно ярко (рисунок 13). Ну чем не беспроводная передача электроэнергии? Нужно отметить, что этот эксперимент возможен и с трансформатором Тесла, однако частота электромагнитного излучения у «качера» на порядок выше, что делает опыт более красочным.

Теперь попробуем получить с этой установки нечто более существенное. .. Как мы знаем, вокруг катушки вторичного контура существует электромагнитное поле. Преобразуем его в переменный электрический ток, надев на неё рамку, состоящую из одного кольцевого витка толстого провода. К разрыву кольца присоединим нагрузку, состоящую из низковольтной лампочки или электромоторчика. Лампочка загорится (рисунок 14), ротор моторчика начёт вращаться… Этот опыт напоминает известный эксперимент с обыкновенным трансформатором с сердечником, однако есть существенное отличие: в проделанном нами опыте для передачи электроэнергии используется электромагнитное излучение, тогда как в обыкновенном трансформаторе это делается за счёт электромагнитной индукции.

Рис. 14. Возникновение тока в рамке.

3.2. Преобразователи высокочастотного тока

Итак, высокочастотный сигнал, обладающий высокой амплитудой, был сгенерирован и отправлен по проводнику или просто в пространство. Теперь возникает задача – преобразовать этот сигнал (а точнее, электромагнитное поле) в электрический ток, способный совершать работу: вызвать свечение лампочки, вращение электродвигателя…

Рассмотрим самый простой способ преобразования электромагнитного поля, наводимого высокочастотным сигналом, который основан на явлении электролюминесценции. Подключив к единственному проводу, идущему от генератора ВЧ, один из электродов люминесцентной или неоновой лампы, а другой электрод к массивному металлическому предмету, наблюдаем свечение лампы…

Заменим газоразрядную лампу обыкновенной лампочкой накаливания. Если её мощность будет соизмерима с отдаваемой генератором мощностью, лампа порадует нас своим свечением. Наблюдаемое явление довольно легко можно объяснить: через лампу течёт ток, вызванный разностью потенциалов на проводнике и на ёмкости (0).

Рассмотрим более сложную конструкцию – «диодную вилку Авраменко» (рисунок 15). Она представляет собой два диода, обратно подключённых к единственному проводу, идущему от генератора. Свободные выводы диодов замыкаются по переменному току конденсатором. Подключим к обкладкам конденсатора нагрузку (например, низковольтный электромоторчик), и через неё потечёт ток. Ротор начнёт вращаться… Принцип работы банален и подробного объяснения не требует.

П

Рис. 16. Модернизация «диодной вилки»

редыдущую схему можно модернизировать, применив вместо диодной вилки диодный мост (рисунок 16), свободный вывод которого поключив к массивному металлическому предмету. Нужно отметить, что высокочастотный переменный ток, поступающий на вход вилки выпрямляется диодами и на выходе снимается исключительно постоянный.

Рассмотрим более совершенную схему (рисунок 17). Несложно заметить, что эта схема напоминает трансформатор Тесла, на индуктор которого нагружена лампочка. Этот метод однопроводной передачи электроэнергии можно назвать «резонансным»: катушка L1 имеет такую же индуктивность, а значит и резонансную частоту, что и катушка генератора. Вступая в резонанс с последней, вокруг L1 образуется электромагнитное поле, которое снимается индуктором L2. За счёт малого числа витков и более толстой проволоки L2 амплитуда поступающего переменного тока падает, и на выводах обмотки образуется приемлемое для выполнения током работы соотношение «напряжение-ток».

Рис. 18. Практическая реализация «резонансного» преобразователя.

3.3. Однопроводная передача электроэнергии. Серия финальных экспериментов

Для исследовательской работы был изготовлен маломощный макет системы однопроводной передачи электроэнергии.

Д

Рис. 19. Однопроводная передача электроэнергии.

ве установки расположим на значительном расстоянии друг от друга. Подадим напряжение питания на генератор, установим в нагрузку преобразователя лампочку. Свечением лампочки окончательно подтверждается возможность однопроводной передачи электроэнергии (рисунок 19).

Установим в разрыв связывающего проводника резистор. Отметим тот факт, что лампочка горит с неизменной яркостью, сопротивление проводника не влияет на количество передаваемой энергии!

Система не подвластна закону Ома! На практике это позволит значительно сэкономить на материале, из которого изготовлен проводник.

Разорвём связывающий установки проводник и свяжем его узлом. Теперь, казалось бы, гальванической связи нет, лампочка должна погаснуть… Однако, нет, она продолжает светиться, пусть не так ярко…

А всё дело в электромагнитном поле, которое распространяется вдоль этого проводника. Именно оно возбудило в «оторванном» куске провода переменный электрический ток, который потёк дальше к приёмнику.

Понаблюдаем за этим свойством более наглядно. Для этого нам потребуется длинный проводник, настолько длинный, насколько позволят размеры аудитории. Один из его концов подключим к выходу генератора. Теперь электромагнитное поле распространилось вдоль этого проводника. Установим этот факт, используя газонаполненную лампу (как мы помним, высокочастотное электромагнитное поле вызывает её свечение). Лампа, б
удучи поднесённой близко к проводнику, начнёт светиться (рисунок 20)… Вот вам снова однопроводная передача электроэнергии.

Рис. 10. Демонстрация наличия электромагнитного поля вокруг проводника.

Ещё один интересный эксперимент, который можно включить в эту главу: передача электроэнергии через диэлектрик. В сосуд с дистиллированной водой поместим провод, идущий от генератора и провод, идущий на преобразователь. Включим установку, лампа загорится!

3.4. Несколько слов о беспроводной передаче электроэнергии

Очевидно, передача электроэнергии без проводов является ещё более сложной задачей, чем передача по одному проводу. Рассмотрим 3 варианта её реализации.

Вспомним, что однопроводная переда электроэнергии была основана на преобразовании электрического тока в электромагнитное поле в передатчике и обратного преобразования в приёмнике. Образно говоря, единственный проводник служил только «направляющим» для электромагнитного поля.

Ликвидируем проводник. Если при его присутствии электромагнитное поле распространялось вокруг всего, что находилось близ него, то теперь оно присутствует только вокруг катушки передатчика.

Поднесём к катушке изолированную металлическую пластину. К пластине подсоединим один вывод лампочки, к другому её выводу небольшой отрезок провода, никуда не подключённого, служащего уединённой ёмкостью.

Включим установку. Излучаемое ею электромагнитное поле вызовет вихревые токи в пластине. На выводах лампочки образуется разность потенциалов: вихревые токи с одной стороны и уединённая ёмкость (0) с другой. Лампочка порадует нас своим свечением.

Следующий способ – резонансный. Поднесём к катушке генератора такую же катушку с такой же индуктивностью, вокруг которой намотан индуктор из нескольких витков толстой проволоки, нагруженная на индуктор лампочка загорится (рисунок 21).

Произошло следующее: поднесённая катушка вошла в резонанс с катушкой генератора, вокруг неё также образовалось электромагнитное поле, которое вызвало в индукторе приемлемое для свечения лампочки сочетание «напряжение-ток».

И, наконец, третий метод, самый загадочный и амбициозный. Передача электроэнергии через землю была предложена более 100 лет назад Николой Тесла, однако достоверно неизвестно, удалось ли кому-либо воплотить эту идею в жизнь… Теоретически, если согласовать генератор высокочастотных токов с планетой, можно вызвать в ней стоячие волны, как это удаётся сделать в простом проводнике.

Если верить книгам и журналам, Тесла сумел это сделать в 1903 году, однако проблемы с финансированием и непризнание современников заставили его оставить эту идею. Великий учёный счёл опасным предоставлять «сильным мира сего» мощь установки, построенной для беспроводной передачи электроэнергии – башни в Ворденклифе (рисунок 22).

В 1917 году башня была взорвана. С тех пор никто не пытался повторить подобный эксперимент…

4.1. Перспективы использования системы однопроводной и беспроводной передачи электроэнергии на расстояние. Её преимущества и недостатки

На опытах мы могли убедиться, сколь революционными являются эти методы передачи электроэнергии. В этой главе представлены некоторые варианты применения системы на практике.

Применение системы непосредственно для передачи электроэнергии на расстояние. Преимущества системы налицо:

  • Снижение затрат на производство высоковольтных кабелей, значительная экономия цветных металлов. В применяемой ныне трёхфазной системе электропередачи требуются 4 силовые жилы, в однопроводной, естественно, одна. Кроме того, толщина этой проводящей жилы не оказывает существенного влияния на КПД системы. И, наконец, нет необходимости использовать дорогостоящие металлы для изготовления этой линии, её сопротивление, от этого зависящее, не влияет на количество передаваемой электроэнергии, в чём мы убедились на опытах.

  • Почти полное отсутствие джоулевых потерь энергии в проводах. Свойства системы позволяют передавать большое количество электроэнергии практически без потерь на линии, чего не скажешь о нынешних линиях электропередачи.

  • Невозможность коротких замыканий и пожаров на линии. С единственным проводом не возникает проблем, тогда как на нынешних линиях электропередачи случаются аварии, вызванные погодными условиями.

  • Дешевизна прокладки однопроводной линии. Нет необходимости устанавливать стальные опоры и использовать тяжёлую технику. Такую линию можно совершенно безболезненно проложить под землёй.

  • Возможность использования в местах, где постройка стационарных линий затруднена или отсутствует необходимость продолжительного её использования.

Рис. 23. Схема реализации однопроводной передачи электроэнергии.

Однопроводное освещение.

  • Быстрая и лёгкая установка систем освещения на базе однопроводной линии. Благодаря единственному питающему проводу систему освещения собрать гораздо проще и быстрее, проблем с её эксплуатацией значительно меньше, чем при использовании двухпроводной системы.

  • Возможность вызывать свечение газоразрядных ламп без использования всякого рода преобразующих схем и пусковых устройств значительно уменьшит затраты в производстве такой системы.

Рис. 24. Система однопроводного уличного освещения

на озере Селигер.

Экологичный транспорт. Этот достаточно перспективный метод основан на наличии вокруг проводника с током электромагнитного поля. Суть его такова: под дорожным покрытием проложена система проводников, подключённых к высокочастотному генератору, вокруг этих проводников образуется электромагнитное поле. На транспортные средства устанавливаются элементы приёма, преобразования и управления энергией электромагнитного поля. Таким образом, мы получаем экологически чистый транспорт, работающий от электричества, не требующий подзарядки…

  • Прекращение газового и шумового загрязнения. Электромотор работает тихо, вредные выхлопы отсутствуют.

  • Уменьшение массы транспортных средств.

Хотя преимуществ не так уж много, но, согласитесь, они значительны…

Столь перспективный проект имеет и недостатки:

  • Сложная реализация системы учёта потреблённой электроэнергии.

  • Массовая остановка транспорта из-за сбоя в системе электроснабжения.

Теперь, когда мы знаем об этих перспективных идеях, невольно возникает вопрос, почему же эти технологии до сих пор не внедрены? Причин этому несколько. Одна из них – как это часто бывает, недостаточное финансирование российской науки, вторая – наличие у системы некоторых изъянов. Хотя и в некоторых случаях ими можно пренебречь.

Первый недостаток системы – возможные нарушения в работе радиоаппаратуры, средств связи, вычислительной техники. Особенно эта проблема касается радиоэфира: при работе таких мощных установок непременно возникнут помехи на определённых частотах, что может нарушить как гражданские, так и государственные системы связи. В справедливости этого опасения можно убедиться на опыте: включив высокочастотную установку, услышим искажения звука в средневолновом радиоприёмнике. К вычислительной технике установка также беспощадна: микрокалькулятор теряет работоспособность вблизи установки (рисунок 25). Возникающие в его проводниках токи буквально «сводят с ума» микросхему.

В

Рис. 25. Микрокалькулятор теряет свою работоспособность в сильном электромагнитном поле.

торой и, пожалуй, самый существенный недостаток – неисследованное влияние высокочастотного электромагнитного поля на биологические организмы. Говорят, Тесла создавал медицинскую технику на основе высокочастотных установок, и тем не менее вряд ли можно назвать генераторы высокочастотного электромагнитного поля безопасными для человека…

4.2. Применение высокочастотных установок в образовательном процессе

Среднестатистический современный школьник знает о деятельности Николы Тесла лишь по нескольким просмотренным художественным фильмам, где фигурирует имя великого учёного. К сожалению, в школьном курсе физике по каким-то причинам не предусмотрено изучение столь интересных экспериментов, каковыми изобилует настоящая работа…

Для работы были собраны 3 установки, которые смогли бы в дальнейшем стать демонстрационным оборудованием для изучения некоторых явлений. Эти опыты можно отнести не только к демонстрации возможности однопроводной и беспроводной передачи электроэнергии, но и к широкой теме об электромагнитном поле. Автор работы уверен, опыты с проявлениями электромагнитного поля, как правило, яркие и запоминающиеся, что позволит учащимся лучше понять и запомнить материал.

Итак, вот что можно продемонстрировать касательно школьной программы:

  1. Явление электролюминесценции

  2. Свечение благородных газов в высокочастотном электромагнитном поле (рисунок 26)

  3. Возникновение переменного тока в проводнике, находящемся в электромагнитном (переменном электрическом) поле

  4. Явление ионизации воздуха

  5. Реактивная сила

  6. Возникновение электромагнитного поля вокруг проводника с током

  7. Искусственная молния – высоковольтный разряд

Естественно, этот список можно пополнить другими экспериментами, нерассмотренными в этой работе.

25.02.2012. Автором и руководителем работы Германом Антошкиным и Алексеем Фёдоровичем Иваниным был проведён урок в 9А классе с демонстрацией некоторых экспериментов из данной работы (рисунок 27).

Рис. 26. Свечение благородных газов.

Рис. 27. Урок физики с одной из демонстрационных установок.

Заключение

Целью этой научно-исследовательской работы ставилось не проведение расчётов и проектирование установок для практического применения, а всего лишь наглядная демонстрация возможности описываемого метода… Так или иначе, последний опыт поставлен, последняя страница дочитана, настало время огласить итоги проведённой работы.

Однопроводная передача электроэнергии вполне реализуема. Её применение в электроэнергетике существенно снизило бы затраты как на постройку линий электропередачи, так и на процесс передачи электроэнергии. Помимо непосредственной передачи электроэнергии, описываемая система нашла бы множество иных применений, таких, как создание экологичного транспорта и простых в монтаже систем освещения. Однако у системы есть недостатки, которые предстоит решить научным работникам… Демонстрационные высокочастотные установки могут быть использованы в образовательном процессе.

Учёные разных национальностей в разное время трудились над одной незначительной, но в тоже время перспективной задачей… В данной работе автор попытался пролить свет на их малоизвестные труды. Зрелищные эксперименты наглядно продемонстрировали возможность реализации одной из множества бредовых идей…

Литература

  1. Стребков Д. С. Резонансные методы передачи электрической энергии. М.: ВИЭСХ, 2006.

  2. Никола Тесла. Лекции и статьи. М.: Tesla Print, 2003.

  3. Утраченные изобретения Николы Тесла. М.: Яуза : Эксмо, 2009.

  4. Исследование резонансной системы передачи электрической энергии // Информационные ресурсы России. 2011. №3. С. 21 – 24.

  5. Об однопроводной системе передачи силовой электрической энергии // Сборник научных трудов НГТУ. 2011. № 2(64). С.123 – 134.

  6. Тунгусский эксперимент // Издание Российского Клуба Радиооператоров Малой Мощности. 2008. № 24. С.12 – 16.

  7. .ua

Приложение


Гистограмма, отображающая сравнение некоторых параметров трёхфазных и однопроводных систем передачи электроэнергии.

О воздействии электромагнитных полей на биологические организмы по материалам Центра электромагнитной безопасности.


1 Справедливости ради, нужно отметить, что систему передачи электроэнергии можно реализовать на абсолютно других свойствах. ..

Беспроводная передача электроэнергии — Информио

Решить проблему беспроводной передачи электрической энергии на большие расстояния – давняя мечта человечества. Можно представить, насколько бы подешевела электроэнергия без затрат на токопроводную продукцию. Научно-техническая революция не стоит на месте. Есть надежда, что эта мечта сбудется в недалёком будущем. Тому свидетельствуют новые разработки в данной сфере.

История беспроводной передачи энергии начинается в 1820 году. Великий французский физик Ампер, путём многочисленных опытов пришёл к выводу о том, что магнитное поле может возбуждать в теле металла электрический ток. Так появился основополагающий закон Ампера. Майкл Фарадей в 1831 открыл закон индукции, который стал базой для развития такой науки, как электромагнетизм. Джеймс Максвелл после долгих экспериментов систематизировал свои наблюдения, квинтэссенцией которых в 1864 году стало уравнение Максвелла. Формула объясняла поведение электромагнитного поля. Никола Тесла усовершенствовал аппарат для генерации электромагнитного поля, изобретённый Генрихом Герцем в 1888 году. На Всемирной выставке в 1893 г., состоявшейся в Чикаго, Тесла продемонстрировал свечение фосфорных лампочек без проводов.

Беспроводное электричество базируется на таком явлении, как электромагнетизм. В работе участвуют две катушки из металлических проводов. Одна из них подключена к источнику тока, вокруг которой создаётся магнитное поле. Вторая катушка, воспринимая это поле, индуцирует в своей обмотке вторичный электрический ток.

Существуют несколько способов беспроводной передачи энергии.

Ультразвуковой способ. Студентами Пенсильванского университета (США) на недавней выставке в 2011 году был продемонстрирован способ передачи электротока с помощью ультразвука. Передатчик генерировал акустические волны в ультразвуковом диапазоне, приёмник преобразовывал их в электрический ток. В качестве носителя энергии ультразвук был выбран не случайно. Его воздействие на организм человека абсолютно безвредно. Несовершенство этого способа заключается в том, что КПД передачи очень низкий, нужны прямая видимость между абонентами и ограниченность расстояния (7-10 метров).

Метод электромагнитной индукции. Работа обыкновенного трансформатора даёт представление о том, как осуществляется передача электричества без проводов методом электромагнитной индукции. В процессе участвуют две катушки. Магнитное поле, возбуждаемое протекающим током по виткам первичной обмотки, индуцирует электрический поток во вторичной обмотке трансформатора. Примерами использования эффекта электромагнитной индукции могут быть зарядные устройства смартфонов и электрические зубные щётки. Недостатком такого способа передачи энергии является непременная близость катушек. Даже при небольшом увеличении промежутка между обмотками большая часть энергии начинает распыляться в пространстве.

Электростатическая индукция. В основе метода заложен принцип прохождения энергии через тело диэлектрика. Способ называют ёмкостной связью. Генератор создаёт в ёмкости электрическое поле, которое возбуждает разницу потенциалов между двумя электродами потребителя. Никола Тесла для демонстрации беспроводной лампы освещения использовал именно метод электростатической индукции. Лампа получала питание от переменного электрического поля высокой частоты. Она светилась ровно, независимо от её перемещения в пространстве комнаты.

Лазерный метод. Передачу электроэнергии на большие расстояния без проводов с помощью лазера стали осуществлять сосем недавно. Идея состоит в том, что лазерный луч, несущий в себе энергетический потенциал, попадает на фотоэлемент приёмного устройства, где высокочастотное электромагнитное излучение преобразуется в электрический ток. Лазерная технология передачи энергии, ранее применяемая в военной области, успешно внедряется в гражданскую сферу деятельности человека. Разработки американских учёных привели к изобретению беспилотного летательного аппарата, получающего энергетическое питание от лазерного луча. В 2006 году был продемонстрирован беспилотник, который мог летать в беспосадочном режиме, питаясь от лазерной установки. В 2009 году был успешно осуществлён эксперимент в космосе по передаче энергии на один километр мощностью 500Вт.

Сейчас ведутся исследовательские работы, и разрабатываются проекты создания электромобилей, которые будут передвигаться по дорожному покрытию с токопроводом, который индуцирует электрический ток в моторе транспорта.

Ряд передовых фирм заняты разработкой беспроводных источников питания, которые смогут снабжать электроэнергией всех потребителей в пределах одного помещения. В перспективе появление трасс, состоящих из ряда беспроводных источников электричества, которые смогут обеспечить перемещение летательных аппаратов на большие расстояния. С появлением новых материалов, усовершенствованных приборов и изобретений беспроводная передача электроэнергии в недалёком будущем охватит все сферы деятельности человека.

Технология беспроводной передачи энергии поистине является революционной для нынешнего общества, т. к. начинает получать широкое распространение уже сегодня. Хотя первые масштабные опыты были проведены Николой Тесла чуть более ста лет назад, данная технология только сейчас перешла на более глобальный уровень. И можно с уверенностью сказать, что в ближайшее время именно она в процессе непосредственного развития станет одной из основополагающих в будущем.

 

Оригинал публикации (Читать работу полностью): Беспроводная передача электроэнергии

Константин Александрович Чебанов

Заведующий кафедрой, доцент кафедры  электроэнергетики и информационных технологий

Образование: Северо-Кавказский государственный технический университет, 2000 г.
Специальность: электроснабжение (по отраслям).
Квалификация: инженер

Образование: ГАОУ ВПО «Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт» 2010 г.
Специальность: юриспруденция
Квалификация: юрист

Образование: ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», 2015г.
Направление подготовки: «Электроэнергетика и электротехника» (магистратура)
Квалификация: магистр

Образование: ГАОУ ВО «Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт» 2018 г.
Направление подготовки: профессиональное обучение (по отраслям)
Квалификация: магистр

Ученая степень: кандидат педагогических наук
Ученое звание: доцент

Общий стаж работы: 20 лет
Стаж работы по специальности: 20 лет

Преподаваемые дисциплины: Производственная практика/Педагогическая практика; НИР практика/Научно-исследовательская деятельность; Научное руководство аспирантом Проектирование электроэнергетических систем предприятий электросетевого комплекса; Руководство научной программой-Магистры; Передача энергии переменным и постоянным током высокого напряжения;

Сведения о повышении квалификации и (или) профессиональной переподготовке педагогического работника (при наличии):

ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» г. Ставрополь. Новые производственные технологии в электроэнергетике. 74 часа, 22.12.2020;

НЧОУВО «Невинномысский институт экономики, управления и права». Финансы и экономика. Административно-управленческая и офисная деятельность. 504 часов, 12.10.2020;

АНО ДПО «Платформа» г. Ижевск. Обучение по оказанию первой помощи пострадавшим в образовательной организации. 16 часов, 16.10.2020;

НЧОУВО «Невинномысский институт экономики, управления и права». Финансы и экономика. Административно-управленческая и офисная деятельность. 504 часа, 12.10.2020

ГАОУ ВО «Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт». Современные технологии проектирования электроснабжения предприятий и городов. 72 часа, 25.03.2020

ГАОУ ВО «Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт». Оказание первой помощи. 16 часов, 19.03.2020;

ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» г. Санкт-Петербург. Интерфейсы информационно-управляющих систем (ИУС). 16 часов, 18.12.2019;

SOFTWARE INC., COMPANY (ООО «СК»). Информационные технологии и электронная среда в образовательной деятельности». 72 часа, 12.10.2018;

ГАОУ ВО «Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт». Государственное и муниципальное управление и регулирование. 354 часа, 25.02.2019;

ГАОУ ВО «Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт». Использование информационно-коммуникационных технологий в образовательных учреждениях в соответствии с ФГОС». 72 часа, 21.12.2018;

ФГБОУ ВО «Ингушский государственный университет». Подготовка руководителей экспертных групп, привлекаемых к процедуре государственной аккредитации образовательной деятельности. 24 часа, 22.09.2018;

ООО «Северо-Кавказское монтажно-наладочное управление» стажировка по программе «Инновационные технологии подготовки современных высококвалифицировнных специалистов электроэнергетической отрасли с учетом достижений науки, техники и производства». 20 часов, 07.09.2018

ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет». Технологии психолого-педагогического сопровождения в системе инклюзивного высшего образования. 36 часов, 30.06.2018

СКИ ОУ ВПО «Белгородский университет потребительский кооперации». Педагогическая деятельность в высших и средних профессиональных учебных заведениях. 902 часа, 15.06.2009;

Академия информационных технологий в образовании, науке и курортологии. Преподаватель высшей школы. 240 часов, 23.05.2008;

ГАОУ ВО «Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт». Информационные технологии и системы. 506 часов, 19.12.2015;

НОУ ВПО «Невинномысский институт экономики, управления и права». Управление персоналом. 504 часа, 16.06.2015.

Стажировки:

  • ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» прошел стажировку по программе: «Организация научно-исследовательской работы и учебно-методическое обеспечение программ подготовки бакалавров и магистров по направлению Электро- и теплоэнергетика, 2016 г.
  • ООО «Северо-Кавказское монтажно-наладочное управление» прошел стажировку по программе: «Преемственность основных профессиональных образовательных программ и отраслевых предприятий (научный, учебный, методический и производственный потенциал), 2016 г.
  • ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» прошел стажировку по программе: «Организация научно-исследовательской работы и учебно-методическое обеспечение программ подготовки бакалавров и магистров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника», 2016 г.
  • ООО СП «Содружество» «Совершенствование деятельности аккредитационных экспертов в условиях реализации государственной услуги по аккредитации в электронном виде», 24 часа, 06.10.2017;
  • ООО «СпецЭлектроМонтаж» прошел стажировку по программе: «Инновационные технологии подготовки современных высококвалификационных специалистов электроэнергетической отросли с учетом достижений науки, техники и производства), 2018 г.

Сфера научных интересов: «Формирование толерантности у молодежи Северного Кавказа через раскрытие общности этнических культур».
«Оптимизация и повышения эффективности функционирования предприятий электросетевого комплекса».

Дополнительная информация: член Ученого совета НГГТИ; эксперт по аккредитационной экспертизе Рособрнадзора.

Список основных научных трудов:                          

  1. Тихонов Э.Е.,Чебанов К.А.,  Бурляева В.А. Hardware and software implementation of neural network control of power systems based on the system of residual classes. IEEE 2019 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). 1-4 October 2019.
  2. Тихонов Э.Е.,Чебанов К.А., Бурляева В.А. mprovement of information protection and data transmission methods in the power industry using neural networks and a system of residual classes. IEEE 2019 International Multi-Conference on  Industrial Engineering and Modern  Technologies (FarEastCon). 1-4 October 2019.
  3. Головченко А.П., Кумратова Ж.Р., Овсепян Г. С., Чебанов К.А.ИННОВАЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ В ОБРАЗОВАНИИ. Актуальные научные исследования в современном мире // Журнал — Переяслав-Хмельницкий, 2019 ISSN 2524-0986
  4. Кумратова Ж.Р., Овсепян Г.С., Чебанов К.А. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ СО СПОСОБАМИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ. Актуальные научные исследования в современном мире // Журнал — Переяслав-Хмельницкий, 2019 ISSN 2524-0986.
  5. Кумратова Ж.Р., Овсепян Г.С., Чебанов К.А. СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ НА ТЕРРИТОРИИ СКФО.  Сolloquium-journal №3 (27), 2019 Część 7(Warszawa, Polska) ISSN 2520-6990.
  6. Kolomiets V.D.,Chebanov K.A., Nadeeva T.A. The model of formation of future specialists in the mod-ern conditions. Scientific discussion (Praha, Czech Republic) VOL 1, No 29, (2019).
  7. Колдаев А.И., Любицкий М.В., Чебанов К.А., Вдовин С.АПрименение регулируемых электроприводов в нефте-газовой отрасли. East European Scientific Journal #4 (44), 2019 part 4 (Warsaw, Poland.
  8. Burlyaeva V., Sorokina E. Chebanov K.. Formation of the system of professional competences in the process of theoretical training. Slovak international scientific journal №33, 2019 VOL.2
  9. Таций М.Н., Бурляева В.А.,Чебанов К.А. Формирование педагогических технологий преодо-ления социально-профессионального инфантилизма обучающихся колледжа. Высшее образование сегодня. 2019. № 1. С. 8-13.
  10. Чебанов К.А., Карамян О.Ю., Соловьева Ж.А. Новое рождение ветроэнергетики. Деловой журнал Neftegaz.RU. 2019. № 4. С 120-124.
  11. Чебанов К.А., Надеева Т.А., Пьянов М.С. Оптимизация профессиональной подготовки будущего педагога профессионального обучения. Гуманитарные и социальные науки. № 5 2019 г.
  12. Бурляева В.А., Олешкевич Т.А., Чебанов К.ААктуальные проблемы современной системы образования в России. Modern humanities success/Успехи гуманитарных наук №7, 2019 год.
  13. Чебанов К.А., Бурляева В.А., Надеева Т.А. Практико-ориентированная концепция оптимизации профессиональной подготовки будущего педагога профессионального обучения. МИР НАУКИ, КУЛЬТУРЫ, ОБРАЗОВАНИЯ № 6 2019
  14. В.А. Бурляева, К.А. Чебанов, Т.А. Олешкевич Формирование профессиональной мобильности выпускников образовательных организаций и учреждений в условиях дуального обучения. Гуманитарные и социальные науки. № 6 2019 г.
  15. В.А. Бурляева,  К.А. Чебанов, Т.А. Олешкевич. Актуальные проблемы современной системы образования в России. Педагогический журнал № 6, 2019
  16. 14 Кумратова Ж.Р., Овсепян Г.С., Чебанов К.А. Инновационные технологии и инновации в электроэнергетике. Новости науки 2019: сборник материалов VIII-ой международной очно-заочной научно-практической конференции (15 марта 2019 г., г. Москва). / в 2 т. Т. 2: Издательство НИЦ «Империя», 2019. – 326 с. ISBN 978-5-6042141-9-0
  17. Ворохобина Я.В., Тихонов Э.Е., Чебанов К.А.  Об одном подходе к разработке прогностических нейросетевых регуляторов на базе СОК для автоматизированных систем управления энергетическими системами. Сборник материалов X международной научно-практической конференции Кавказский диалог, 29 ноября 2019, Невинномысск:- НГГТИ, 2019
  18. Любицкий М. В., Чебанов К.А., Вдовин С.А. Моделирование электро-механических переходных процессов синхронного электропривода. Научный вестник НГГТИ  № 2 2019.
  19. В.А. Бурляева, К.А. Чебанов. Теоретические подходы к технологиям управления и контроля качества образования. Научный вестник НГГТИ № 3, 2019.
  20. Бурляева В.А., Надеева Т.А., Соловьева Н.В.,Чебанов К.А. Формирование профессиональных способностей преподавателя в условиях модернизирующегося социума, электронный. Научное издание «Педагогический журнал» 6Д`2019. – Ногинск: Издательство «АНАЛИТИКА РОДИС», 2019.
  21. В.А. Бурляева,  К.А. Чебанов, Тихонов Э.Е., Бельченко В.С. Анализ способов определения потерь на корону. Научный вестник НГГТИ № 3, 2019.
  22. Зубков С.В., Чебанов К.А. Общая характеристика мероприятий по повышению устойчивости электроэнергетических систем. ЛУЧШАЯ НАУЧНАЯ СТАТЬЯ 2019: сборник статей XXII Международного научно-исследовательского конкурса. — Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». — 2019.
  23. Чебанов К.А., Бурляева В.А., Синяк В.С. Анализ основных сведений о потерях электроэнергии в электрических сетях и характеристика ТСО. Роль энергетической безопасности в обеспечении экономического суверенитета России: материалы национальной конференции (г. Невинномысск, 26-29 октября 2018 года). – Невинномысск: НГГТИ, 2019.
  24. Афанасьев А.А., Чебанов А.К.,  Чебанов К.А. Оптимизация уровней напряжения и мест размыкания контуров в сети 110 кВ. «Роль энергетической безопасности в обеспечении экономического суверенитета России»: материалы национальной конференции (г. Невинномысск, 26-29 октября 2018 года). – Невинномысск: НГГТИ, 2019.
  25. Кумратова Ж.Р., Чебанов К.А. СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА. НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ И ОТКРЫТИЯ 2019: сборник статей IX Международного научно-исследовательского конкурса. В 2 Ч. Ч. 1. – Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». – 2019. – 240 с. ISBN 978-5-907204-24-9 Ч. 1.
  26. Корозкин В. Ю., Чебанов К.А., Кумратова Ж.Р. Ограничение пропускной способности электропередач. Новый подход к решению повышения пропускной способности сетей. «Современная техника и  технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 — 403 с.
  27. Бурляева В.А., Чебанов К.А. Перспективы организационных форм дуального обучения как формы социального партнерства. Модернизация профессионального образования в новых социально-экономических условиях: теория и практика: материалы ХIII  Межрегиональной научно-практической конференции, 2019
  28.  Аристархов Е.Ф., Чебанов К.А. Общая характеристика электросетевого комплекса России  и проблемы снижения потерь энергии. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8.
  29. Баркар В.С., Чебанов К.А., Сорокин А.Г. Показатели графиков электрических нагрузок. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8
  30. Добнер Б.А., Любицкий М.В., Чебанов К.А. Вариант расчета характеристик асинхронного двигателя при частотном управлении U1/f1=const. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8.
  31. Еремин В.А., Чебанов К.А. Основные направления в области повышения энергоэффективности асинхронных двигателей. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8.
  32. Казимиров И.А., Чебанов К.А., Чебанов А.К. Современные требования уровню несинусоидальности токов и напряжений в электрических сетях. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8.
  33. Корозкин В.Ю., Чебанов К.А., Кумратова Ж.Р. Ограничение пропускной способности электропередач. Новый подход к решению повышения пропускной способности сетей. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8.
  34. Куролесов Д.О., Чебанов К.А. Современные требования к качеству электрической энергии в электрических сетях. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8.
  35. Любицкий М.В., Добнер Б.А., Вдовин С.А. Причины повреждений и диагностика асинхронных электродвигателей. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8.
  36. Неделькин А.В., Чебанов К.А. Высоковольтные подстанции – планирование размещения. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8.
  37. Резников Ю.Д., Чебанов К.А. Современные материалы, применяемые при монтаже электропроводки. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8.
  38. Чебанов К.А., Бурляева В.А., Шашко Е.В. Тенденции и прогнозы развития энергетики. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8.
  39. Чебанов К.А., Пелихов В.В. Анализ состояния развития малой энергетики в России. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8.
  40. Чебанов К.А., Чебанов А.К., Татаркулов А.С. Прогноз развития энергетической отрасли в России. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8.
  41. Чувичилов Ю.С., Чебанов К.А., Бурляева В.А. Влияние несинусоидальности токов и напряжений на работу электрооборудования. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VIII международной научно-практической конференции 26 апреля 2019 года/-Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2019 – 403 с. ISBN 978-5-9644-0309-8.
  42. Чебанов К.А., Бурляева В.А. и коллектив авторов Трансформация профессионального образования в новых экономических условиях.
  43. Филимонюк Л.А., Чебанов К.А., Катурина Н. Development of Diagnostic Material for Evaiuation of the Effectiveness of the Project Organization in the Fieid of Social Entrepreneurship in Education on the Example of «Provita OOO» (Limited Liability Company) c/ Stavropol. Science and Education Studes, №.1. (29),January – March, 2018.
  44. Чебанов К.А., Любицкий А.М., Любицкий М.В. Анализ возможности использования синхронных двигателей с постоянными магнитами на  предприятиях энергетики. Восточный Европейский научный журнал. №12, 2018.
  45. Бурляева В.А., Кумратова Ж.Р., Овсепян Г.С., Чебанов К.А. СОЦИАЛЬНОЕ ПАРТНЕРСТВО ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ В РАМКАХ ДУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ. Ежемесячный международный научный журнал «European multi science journal» №20/2018.
  46. Бурляева В.А., Буркина И.В., Булах К.В., Чебанов К.А. Кластерный подход целостной системы профессионального образования (на примере Ставропольского края). Мир науки, культуры, образования № 4 (71) 31.08.2018.
  47. Бурляева В.А., Буркина И.В., Булах К.В., Чебанов К.А. Особенности построения моделей реализации дуального образования (обучения) на региональном уровне.  Мир науки, культуры, образования №______2018.
  48. Чебанов К.А.,  Бурляева В.А., Семкина Е.Н. Дуальная система обучения в современной системе высшего образования как ответ на вызовы глобализации: преимущества и проблемы. Вестник СПГУТД, №4 2018.
  49. Чебанов К.А., Гринь А.И, Куролесов Д.О. Достоинства и недостатки существующей системы нормирования потерь электроэнергии на предприятиях электросетевого комплекса. Актуальные научные исследования: материалы национальной конференции (г. Невинномысск, 08 февраля 2018 года). – Невинномысск: НГГТИ, 2018.
  50. Омельченко Д.П., Чебанов К.А., Пьянов М.С.. Гидроэнергетика в России. Перспективы развития. Актуальные научные исследования: материалы национальной конференции (г. Невинномысск, 08 февраля 2018 года). – Невинномысск: НГГТИ, 2018.
  51. Гончарова Н. С., Чебанов К. А., Бурляева В.А. Основные направления планирования профориентационной работы с обучающимися в общеобразовательных учреждениях Научный вестник НГГТИ № 2 2018.
  52. Корниенко Г.В., Бурляева В.А., Чебанов К.А. Аналитический обзор методов локализации коммерческих потерь электроэнергии. Научный вестник НГГТИ № 3 2018.
  53. Ракитский В.Е., Кумратова Ж.Р., Чебанов К.А. Способы оценки долевого вклада потребителей в уровень несимметрии напряжения. Научный вестник НГГТИ № 3 2018.
  54. Пигус Е.Д., Бурляева В.А., Чебанов К.А. Анализ истории развития беспроводной передачи энергии. ЛУЧШАЯ НАУЧНАЯ СТАТЬЯ 2018: сборник статей XXI Международного научноисследовательского конкурса. — Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». — 2018.
  55. Олешкевич Т.А., Бурляева В.А., Чебанов К.А. Развитие культуры межэтнических отношений в молодежной среде в процессе формирования общекультурных компетенций направленных на толлерантность.  Научный вестник НГГТИ № 3 2018.
  56. КумратоваЖ.Р., Чебанов К.А., Голуб В.А. История развития электроэнергетики Ставропольского края. Кавказский диалог: материалы IX международной научно-практической конференции (30 ноября 2018). — Невинномысск: ГАОУ ВО «Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт». 2018. — 308 с.
  57. КумратоваЖ.Р., Чебанов К.А., Жуков А.А. Энергетика Северного Кавказа проблемы и возможные решения. Кавказский диалог: материалы IX международной научно-практической конференции (30 ноября 2018). — Невинномысск: ГАОУ ВО «Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт». 2018. — 308 с.
  58. Гончарова Н. С., Чебанов К. А., Сорокина Е. Н. Основные направления планирования профориентационной работы с обучающимися в общеобразовательных учреждениях. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VII международной научно-практической конференции 20 апреля 2018 года/– Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2018.
  59. Гринь А.И., Чебанов К.А., Чебанов А.К., Саитов А.Д. Анализ эффективности формирования финансово устойчивых электроснабжающих организаций. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VII международной научно-практической конференции 20 апреля 2018 года/– Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2018.
  60. Чебанов К.А., Гринь А.И., Сорокин А.Г., Кучеров А.Н. Исследование оптимальных методов расчета потерь электроэнергии в питающих сетях. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VII международной научно-практической конференции 20 апреля 2018 года/– Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2018.
  61. Чебанов К.А., Буланенко Н.В. Нормирование потерь электроэнергии в электроснабжающих организациях. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VII международной научно-практической конференции 20 апреля 2018 года/– Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2018.
  62. Чебанов К.А., Гринь А.И., Сорокин А.Г., Дацев О.В. Анализ обеспечения экономичности электроснабжения. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VII международной научно-практической конференции 20 апреля 2018 года/– Невинномысск: ГАОУ ВО «НГГТИ», 2018.
  63. Чебанов К.А., Филимонюк Л.А., Литвинова Е.Р. The Features of Effective Organization of Social Entrepreneurship in Education. London Review of Education and Science №2 (22), July-December, 2017.
  64. Филимонюк Л.А., Халяпина Л.В., Чебанов К.А., Уварова Н.Н., Соловьева Е.В., Ахмедова Е.М. The formation of graduate students of psychological and pedagogical competence of the direction of value-semantic orientation in the educational area of society // British Educational Research Journal. 2017. Volume 43. Issue 6.
  65. Бурляева В. А., Булах К.В., Буркина И.В., Чебанов К. А. Кластерный подход целостной системы профессионального образования (на примере Ставропольского края).
  66. Чебанов К.А., Карамян О.Ю., Соловьева Ж.А. Преимущество в решении проблем при объединении энергокомпаний. ADVANTAGE IN DECISION PROBLEMS WHEN MERGING UTILITY. Sciences of Europe (Praha, Czech Republic) ISSN 3162-2364 VOL 1, No 19 (19) (2017)
  67. Любицкий А.М., Маричев А.А., Мицней И.М., Чебанов К.А., Анализ и исследование способов оптимизации пусковых режимов асинхронных приводов с автономными источниками питания. Analysis and study of the ways of optimization of start-up modes asynchronous drives with independent power supply. Sciences of Europe (Praha, Czech Republic) ISSN 3162-2364 VOL 1, No 21 (21) (2017).
  68. Чебанов К.А., Карамян О.Ю., Соловьева Ж.А. Совершенствование солнечной генерации на уровне массового использования. Деловой журнал Neftegaz.RU. 2017. № 2. С. 76-79.
  69. Буялова Г. В., Бурляева В. А., Чебанов К. А. Вторичная занятость студентов в условиях глобализирующейся российской действительности. European Social Science Journal (Европейский журнал социальных наук). 2017. № 6.
  70. Чебанов К.А., Бурляева В.А., Надеева Т.А. Теоретические аспекты развития и диагностики профессиональных способностей. Право и практика №3/2017 ISSN 2411-2275.
  71. Чебанов К.А.,  Бурляева В.А., Надеева Т.А. Формирование культурного самосознания у обучающихся через феномен «духовности». European Social Science Journal (Европейский журнал социальных наук). 2017. № 9.
  72. Чебанов К.А., Саданова В.Н., Бессонова И.Г. Реализация технологий развития художественной культуры студентов в процессе профессиональной подготовки к дизайнерской деятельности на примере выполнения натюрморта с этническими мотивами Северного Кавказа. Право и практика №4/2017.
  73. Бурляева В.А., Чебанов К.А., Гончарова Н.С. Формирование у учащихся школ системы знаний посредством профориентационной работы. № 11 / 2017 «Общество: социология, психология, педагогика».
  74. Чебанов К.А., Бурляева В.А., Николаева А.А., Чебанова Д.А. Профориентационная работа как условие формирования системы знаний о будущей профессии. Право и практика №4/2017.
  75. Чебанов К.А., Бурляева В.А., Олешкевич Т.А., Кило А.А. Анализ исследования ценностных ориентаций в молодежной среде. Право и практика №4/2017.
  76. Чебанов К.А., Бурляева В.А., Овчаренко В.Ю. Оптимизация и повышение эффективности функционирования предприятий электросетевого комплекса. Научный вестник НГГТИ № 1 2017 ISBN 978-5-9644-0090-5 ISSN 2312-6140.
  77. Чебанов К.А., Бурляева В.А., Решетняк С.И. Анализ экономических особенностей реализации электроэнергии в России. Научный вестник НГГТИ № 1 2017 ISBN 978-5-9644-0090-5 ISSN 2312-6140.
  78. Чебанов К.А., Петров А.С. Анализ форсированности финансово устойчивых электроснабжающих организаций. Научный вестник НГГТИ № 1 2017 ISBN 978-5-9644-0090-5 ISSN 2312-6140.
  79. Чебанов К.А., Рябов А.Г. Анализ применения автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии как фактора повышения энергоэффективности. Научный вестник НГГТИ № 1 2017 ISBN 978-5-9644-0090-5 ISSN 2312-6140.
  80. Чебанов К.А., Чомаев У.А. Анализ методики расчета потерь электроэнергии. Научный вестник НГГТИ № 1 2017 ISBN 978-5-9644-0090-5 ISSN 2312-6140.
  81. Дацев О.В., Гринь А.И., Чебанов К.А. Исследование расчета потерь электроэнергии на предприятиях электросетевого комплекса. Научные достижения и открытия 2017: сборник статей III Международного научно-практического конкурса / Под общ. Ред. Г.Ю. Гуляева – Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». – 2017.
  82. Чебанов К.А., Бурляева В.А. Информационные технологии в условиях реализации компетентностной модели подготовки специалиста профессионального обучения.  Научный вестник НГГТИ № 3 2017.
  83. Чебанов К.А., Чебанов А.К., Петров А.С. Анализ форсированности финансово устойчивых электроснабжающих организаций. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VI международной научно-практической конференции 14 апреля 2017 года/ — Невинномысск: НГГТИ, 2017.
  84. Чебанов К.А., Сорокин А.Г., Рябов А.Г. Анализ применения автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии как фактора повышения энергоэффективности. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VI международной научно-практической конференции 14 апреля 2017 года/ — Невинномысск: НГГТИ, 2017.
  85. Чебанов К.А., Чомаев У.А. Анализ методики расчета потерь электроэнергии. «Современная техника и технологии: исследования, разработки и их использование в комплексной подготовке специалистов», Материалы VI международной научно-практической конференции 14 апреля 2017 года/ — Невинномысск: НГГТИ, 2017.
  86. Бурляева В.А., Чебанов К.А. Перспективы организационных форм дуального обучения как формы социального партнерства. Сборник материалов межрегиональной конференции «Модернизация профессионального образования в новых социально-экономических условиях: теория и практика». НГГТИ 2017.
  87. Чебанов К.А., Бурляева В.А. Структуры профессиональных способностей преподавателя: социологический анализ. Сборник материалов межрегиональной конференции «Модернизация профессионального образования в новых социально-экономических условиях: теория и практика». НГГТИ 2017.
  88. Чебанов К.А. Фактор повышения энергоэффективности с учетом применения автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии. Актуальные научные исследования: материалы национальной конференции. Невинномысск, 17 января 2017 года. – Невинномысск: НГГТИ, 2017.
  89. Гринь А.И., Чебанов К.А., Бурляева В.А. Исследование влияния не симметрии на величину потерь. Актуальные научные исследования: материалы национальной конференции. Невинномысск, 17 января 2017 года. – Невинномысск: НГГТИ, 2017.

нужные изобретения или выдумки мечтателя? – Profile – Coalition Journal

катушка тесла и исследование ее возможностей

 
Для просмотра нажмите на картинку
 
 





 
 
Читать далее
 
 
Смотреть видео
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
катушка тесла и исследование ее возможностей

Катушка Тесла. Устройство и виды. Работа и применение
Исследовательская работа. Приборы и методы экспериментальной физики. Катушка Тесла.
Принцип работы катушки Тесла, как работает катушка индуктивности
Исследовательский проект: «Катушка Тесла». Руководитель: Томилина Ольга Сергеевна
Особенности катушки Тесла
Беспроводная передача энергии и катушка Теслы: нужные изобретения или выдумки мечтателя?

Следующий эксперимент Тесла направил на исследование возможности самостоятельного создания стоячей электромагнитной волны. На огромное основание трансформатора были намотаны витки первичной обмотки. Вторичная обмотка соединялась с метровой мачтой и заканчивалась медным шаром метрового диаметра. Трансформатор Тесла, также катушка Тесла — устройство, изобретённое Николой Тесла и носящее его имя. Является резонансным трансформатором, производящим высокое напряжение высокой частоты. Прибор был запатентован 22 сентября года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала».
Цель исследования: изготовить высокочастотную катушку Тесла и на основе собранной действующей установки провести эксперименты. Объект, предмет и цель исследования обусловили постановку следующей гипотезы: вокруг катушки Тесла образуется электромагнитное поле огромной напряженности, способное передавать электрический ток беспроводным способом. Наблюдения навели изобретателя на мысль о возможности передачи электроэнергии без проводов на большие расстояния. Следующий эксперимент Тесла направил на исследование возможности самостоятельного создания стоячей электромагнитной волны. На огромное основание трансформатора были намотаны витки первичной обмотки.
Что такое катушка Тесла, зачем она нужна и как ее сделать своими руками? Как работает катушка Тесла и ее устройство? Но одно из самых неоднозначных – катушка Тесла, сохранилось до наших времен и нашло применение в медицине, военной отрасли и световых шоу. Самостоятельное изготовление.
Среди разных идей, которые Никола Тесла принёс в мир, одной из самых амбициозных была идея освоения передачи электроэнергии без проводов — за тысячи километров от источника. Это решило бы множество проблем, которые портят жизнь человечеству и в наши дни. Ряд экспериментов в этой области привел талантливого инженера к созданию «катушки Тесла» — самого известного из его изобретений.
Гипотеза исследования : 1. Вокруг катушки Тесла образуется электромагнитное поле огромной напряженности 2. Электромагнитное поле катушки Тесла способно передавать электрический ток без проводным способом. Тесла и его изобретения. Ни?кола Те?сла ( 10 июля г (Хорватия) – 7 января г (Нью-Йорк, США)) — физик, инженер, изобретатель в области электротехники и радиотехники. Широко известен благодаря своему научно-революционному вкладу в изучение свойств электричества и магнетизма, теоретические работы Теслы дали основу для изобретения и развития многих современных устройств, работающих на п.
Что такое катушка Тесла или катушка индуктивности, что из себя представляет, как работает и как выглядит, схема и принцип работы катушки Тесла, где она применяется в современном мире.
Катушка Тесла на будущее. В настоящее время остаются актуальными вопросы, которыми занимался ученый Тесла. Рассмотрение этих проблемных вопросов дает возможность студентам и инженерам институтов взглянуть на проблемы науки более широко, структурировать и обобщать материал, отказаться от шаблонных мыслей. Взгляды Тесла актуальны сегодня не только в технике и науке, но и для работ в новых изобретениях, применения новых технологий на производстве.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ с катушкой ТЕСЛА. Качер Бровина — разновидность генератора на одном транзисторе, якобы работающего в нештатном для обычных транзисторов режиме, и демонстрирующая таинственные свойства, восходящие к исследованиям Тесла и не.
Исследовательский проект: «Катушка Тесла». Руководитель: Томилина Ольга Сергеевна. Руководитель: Томилина Ольга Сергеевна». а) Никола Тесла – физик, инженер 4. б) Трансформатор (катушка) Тесла 5. Библиографический список 8.

Естественно-научные и технические направления

Название направления:Код ГРНТИ:Название темы:
 20   ИНФОРМАТИКА    20.23 

Медицинские информационные системы

 20.23 

Нейрокомпьютерные технологии, интеллектуальная цифровая обработка сигналов, интеллектуальные информационные системы

 20.53 

Исследование процессов обработки информации в распределенных вычислительных средах

 28   КИБЕРНЕТИКА      

 28.15 

Методы и алгоритмы управления подвижными объектами

 28.15 

Робототехника и системы управления

 28.17 

Технологии дополненной и виртуальной реальности
 28.19 

Моделирование автоматизированных технических систем

 28.23 

Методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки решений по созданию электронных образовательных ресурсов

 28.45 

Управление морскими подвижными объектами. Адаптивный электропривод

 29  ФИЗИКА  29.31 

Оптическая система бесконтактного экспресс анализа вибросостояния оборудования

 30 
 МЕХАНИКА 
 30.17 

Воздействие морской среды на океанотехнические системы

 30.51 

Разработка нового поколения реабилитационных экзоскелетов и интеллектуальных протезов  конечностей

 31   ХИМИЯ  31.15 

Исследование структуры и термодинамики агрегации люминесцентных производных Pt(II) в жидкой фазе

 31.15 
 34.17 

Молекулярная биофизика. Химическая термодинамика.

 31.17 

Модификация материалов нанопорошками, полученными при микробиологической переработке твердосплавных изделий

 31.23 

Направленная функционализация биологически активных соединений тритерпеновыми гликозидами для поиска новых перспективных фармацевтических субстанций

34   БИОЛОГИЯ 
 34.17 

Исследование молекулярных механизмов биологического синергизма лекарственных препаратов ДНК-направленного действия

 34.35 

Биоиндикация и биотестирование урбанизированных территорий

 34.35 

Оценка функционирования морских экосистем

 38  ГЕОЛОГИЯ  38.57 

Методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

 44    ЭНЕРГЕТИКА    44.01 

Эффективные экологически безопасные системы охлаждения энергоустановок 

 44.29 

Компьютерный инжиниринг  цифровых  распределительных сетей электроснабжения

 44.29 

Возобновляемые источники энергии

 45  ЭЛЕКТРОТЕХНИКА  45.53 

Силовое электротехническое оборудование

 47   ЭЛЕКТРОНИКА.   РАДИОТЕХНИКА           47.14 

Цифровые измерительные преобразователи для технологических целей

 47.14

Проектирование интегральных схем

 47.14 

Разработка оборудования для контроля параметров технологических процессов

 47.14 

Системы дистанционного контроля параметров технических объектов

 47.45 

Диэлектрические волноводы и микроволновые устройства на их основе

 47.49 

Технологии радиочастотной идентификации (RFID)

 47.49 

Позиционирование автономных необитаемых подводных аппаратов в задачах их автоматического прохода по сложным фарватерам и причаливания

 47.49 

Разработка оборудования для беспроводной передачи энергии для зарядки батарей электротранспорта

 47.49 

Разработка оборудования для поиска людей под завалами в шахтах и разрушениях, горных лавинах и селях, под водой

 47.51 

Методы и средства цифровой обработки изображений

 49  СВЯЗЬ  49.37 

Системы дистанционного управления безэкипажным судном

 50   АВТОМАТИКА.   ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА  50.07 

Высокопроизводительные вычислительные системы, построенные на нетрадиционных архитектурах

 50.07 

Разработка моделей систем управления с использованием технологий «Интернет вещей» и «Умный дом»

 55  МАШИНОСТРОЕНИЕ      55 

Машиностроение

 55.45 
 55.45 

Проектирование и конструирование полупогружных плавучих кранов

 55.45 

Повышение энергоэффективности и экологической безопасности эксплуатации судов

 55.47 

Проектирование беспилотных летательных аппаратов

 58  ЯДЕРНАЯ ТЕХНИКА  58.33 

Регулирование параметров компенсатора давления на атомных электростанциях (АЭС)

 61  ХИМИЧЕСКАЯ   ТЕХНОЛОГИЯ.   ХИМИЧЕСКАЯ   ПРОМЫШЛЕННОСТЬ  61.31 Получение высокочистых аморфных кремнезёмов с развитой удельной поверхностью
 65  ПИЩЕВАЯ   ПРОМЫШЛЕННОСТЬ  65.13 

Разработка новых технологий по созданию продуктов функционального назначения

 73    ТРАНСПОРТ    73.34 

Технологии концептуального проектирования перспективных судов и кораблей на основе распределенного параллельного проектирования и конструирования

 73.34 

Защита морских судов и сооружений от коррозионно-механических разрушений

 73.43 

Транспортное моделирование

 81  ОБЩИЕ И КОМПЛЕКСНЫЕ
 ПРОБЛЕМЫ ТЕХНИЧЕСКИХ И   ПРИКЛАДНЫХ НАУК И   ОТРАСЛЕЙ НАРОДНОГО   ХОЗЯЙСТВА 
 81 

Испытательные стенды высокого давления и медицинская техника

 84  СТАНДАРТИЗАЦИЯ  84.01

Стандартизация

 87    ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ   СРЕДЫ. ЭКОЛОГИЯ   ЧЕЛОВЕКА    87.15 

Оценка физических и химических факторов загрязнения техносферы и разработка мер защиты

 87.19 

Плавучая лаборатория для экспресс-контроля и мониторинга акваторий на базе беспилотного морского аппарата

 87.53 

Переработка и утилизация техногенных отходов

 89  ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ И   КОСМОСА  89.57 

Технологии сбора, обработки, хранения геоданных и создание продуктов на их основе

ученые спрогнозировали развитие беспроводных технологий

Спутники, собирающие солнечную энергию, ректенны, лазеры и даже микроволновой метод — исследователи со всего мира пытаются воплотить в жизнь задумку ученого Теслы, который предвидел возможность передачи энергии без проводов.

Беспроводное электричество — мечта столетней давности, которая может стать реальностью в ближайшие годы. Появление беспроводной зарядки, электромобилей, 5G и необходимость внедрения концепции устойчивого развития привели к созданию работоспособных технологий беспроводной передачи данных. Над такими проектами сегодня работают компании из разных стран мира — от американской Wave Inc. до японской Space Power Technologies и новозеландского энергетического стартапа Emrod. Некоторые системы уже проходят испытания, и будет интересно посмотреть, кто окажется первым в этой гонке и предложит эффективное, экономичное и жизнеспособное беспроводное решение для электроснабжения.

Читайте лучшие материалы раздела на странице «Фокус. Диджитал» в Facebook

«Прежде чем перейти к рассмотрению методов беспроводной передачи электроэнергии, стоит разобраться в основной концепции этой технологии», — считает колумнист interestingengineering.com Рупендра Брахамбхатт.

Никола Тесла — автор революционной идеи передачи электроэнергии по воздуху

В 1891 году изобретатель Никола Тесла разработал катушку Теслы (Tesla coil) — резонансный трансформатор, передающий электроэнергию без проводов, но только на короткие расстояния. Из-за ограниченного потенциала она не нашла практического применения. Но ученый не собирался сдаваться и разработал проект энергетической установки, которая могла бы проводить высоковольтную беспроводную передачу энергии (WPT). Экспериментируя со станцией, Тесла пытался передавать с ее помощью сообщения по беспроводной сети на большие расстояния. К сожалению, инвестор JP Morgan отказался предоставить дополнительные средства для тестов, и в 1906 году проект был закрыт, а затем снесен.

Никола Тесла в лаборатории в Колорадо-Спрингс [+–]

Никола Тесла умер в 1943 году, не сумев до конца реализовать свою идею о беспроводном электричестве, но за последние 100 лет ряд экспериментов и исследований доказали, что изобретатель, возможно, был на правильном пути в своем подходе к использованию земли в качестве среды для беспроводной передачи энергии. Сегодня разрабатываются различные методы беспроводной передачи энергии, и продолжаются исследования по их широкомасштабному внедрению. Рассмотрим самые популярные из них.

Солнечная спутниковая передача энергии

Данный метод предполагает использование спутников, выводимых на высокую околоземную орбиту. По идее, спутник должен преобразовывать солнечный свет в энергию, состоящую из микроволн. Эти микроволновые сигналы затем будут передаваться на антенну или на главную станцию ​​энергосистемы, находящуюся на Земле. Оттуда сигналы будут передаваться на базовую станцию ​​электросети, которая преобразует микроволны в электричество постоянного тока. На сетевой станции электричество также будет преобразовано в пакеты энергии, аналогичные пакетам данных в Интернете, которые будут передаваться в отдельные дома и храниться в специальных энергоприемниках.

«Недавно Калифорнийский технологический институт заявил, что пожертвует $100 млн на проект Space Solar Power Project, направленный на создание спутниковой беспроводной сети, работающей на базе микроволнового излучения и способной обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии в любую точку планеты», — пишет Брахамбхатт.

Передача микроволновой энергии

В этом методе микроволновое излучение преобразуется в электроэнергию постоянного тока с помощью микроволнового приемника и выпрямителя постоянного тока. Наивысший КПД, достигнутый при передаче микроволновой энергии, составил 84%, что было зарегистрировано в 1975 году группой ученых из Японии, но системы с более высокой выходной мощностью имели более низкий КПД. Следующая цель — добиться высокоэффективной передачи энергии на большие расстояния.

По словам колумниста, исследование, опубликованное в августе 2021 года в Университете Цукуба (Япония), показывает, что микроволновое излучение высокой энергии может выступать в качестве эффективного беспроводного источника энергии для запуска ракет в космос. Когда ракета отправляется в космос, на долю топлива приходится около 90% ее веса, и эту нагрузку можно устранить, используя эту технологию беспроводной связи на основе микроволновой энергии.

Лазерная передача электричества

Лазерная передача позволяет фотоэлектрическому приемнику принимать лазерные лучи и генерировать из них электрическую энергию. Достоинством лазерной передачи энергии является то, что лазерными лучами можно легче управлять для беспроводной передачи электроэнергии на большие расстояния.

Технология беспроводной передачи электроэнергии на основе ректенн

Энергетический стартап Emrod скоро протестирует прототип беспроводной энергетической инфраструктуры в Новой Зеландии. Если испытание пройдет успешно, это станет большим толчком для реализации планов правительства по созданию беспроводной передачи энергии по всей стране.

Инженеры разработали технологию, в которой используется беспроводная сеть антенн и выпрямляющих антенн (ректенн), переносящих энергию в виде электромагнитных волн дальнего действия от одной точки к другой. По заявлению компании, «лазерная защитная завеса малой мощности гарантирует, что передающий луч немедленно отключается до того, как какой-либо преходящий объект (например, птица или вертолет) достигнет главного луча, гарантируя, что он никогда не коснется чего-либо, кроме чистого воздуха».

«В компании утверждают, что эта технология подходит для гористой местности Новой Зеландии и ее погодных условий. Технология беспроводной передачи электроэнергии на основе ректенн подойдет для регионов, где традиционные электрические сети не могут быть установлены из-за финансовых или географических ограничений. Но препятствия на пути развития инфраструктуры Emrod все же есть: стартапу предстоит убедить людей, что излучение им не навредит», — сообщает колумнист.

Другие новаторские инициативы в области беспроводной передачи энергии

Питание для электрокаров от Wireless Advanced Vehicle Electrification (WAVE)

Американская компания WAVE производит решения для беспроводной связи для электромобилей средней и большой мощности. Зарядные системы могут быть установлены под землей, под дорогами или на парковках, и способны обеспечивать беспроводную мощность до 1 МВт. Данная технология уже проходит тестирование.

Солнечная спутниковая система Beyond Earth

Этот некоммерческий исследовательский институт предложил идею создания полностью функциональной системы передачи энергии через солнечные спутники. Институт утверждает, что предлагаемая беспроводная система может обеспечивать работу промышленных предприятий на Земле, а также поможет покорителям Луны.

Предлагаемая энергетическая система будет состоять из двух основных блоков: спутника, получающего энергию от Солнца и обрабатывающего ее через свои фотоэлектрические элементы, концентраторы и субблоки, и приемника-ректенны, передающего энергию на Землю или Луну в соответствии с требованиями.

Институт планирует завершить строительство предлагаемой солнечной спутниковой беспроводной системы электроснабжения к 2030 году.

Намагниченный бетон Magment

Департамент транспорта Индианы объединил усилия с Университетом Пердью и немецкой компанией Magment для тестирования дорог с намагниченным бетоном, которые могут заряжать электромобили во время движения. Об этом проекте Фокус подробно рассказывал здесь. Испытания намагниченного участка дороги уже начались в Западном Лафайетте (США).

«Наряду с IoT и AI, беспроводная передача энергии также является неизбежным технологическим развитием, которое человечество испытает на совершенно новом уровне в ближайшие годы», — резюмирует автор.

Ранее мы сообщали о том, что японские ученые сконструировали комнату, которая заряжает попавшие в нее гаджеты.

Невидимые и сверхпроводящие: ученые создают материалы будущего

МОСКВА, 17 ноя — РИА Новости. На всем протяжении истории человечества освоение новых материалов оказывало ключевое влияние на развитие цивилизации. Природный камень, бронза и железо дали названия целым эпохам. В 20–30-е годы ХХ века наступила эра полимеров, и с тех пор нельзя представить нашу жизнь без пластика и резины. Спустя несколько десятилетий на первый план вышел кремний, который дал импульс современному развитию электроники и цифровых технологий. Сегодня ученые переходят к созданию новейших материалов со свойствами, которые не встречаются в природе. О последних научных достижениях в этой сфере рассказали исследователи из российских университетов, входящих в Проект «5-100».

Материалы с «невозможными» свойствами

Во многих лабораториях мира исследователи работают над созданием «метаматериалов», свойства которых выходят за пределы свойств образующих их компонентов. С физической точки зрения они представляют собой искусственно сформированные и особым образом выстроенные структуры, обладающие недостижимыми в природе электромагнитными или оптическими свойствами.

В перспективе новые материалы позволят добиться невидимости, создать универсальные беспроводные зарядные устройства и системы для хранения информации огромных объемов, управлять свойствами сверхпроводников.

Невидимость, столь популярная в произведениях писателей-фантастов, может относиться не только к оптическим свойствам объектов. Шум, от которого мы защищены, невидим, как и физические удары, которых мы не чувствуем. Современные материалы позволяют добиться «невидимости» для защиты солдат, транспортных средств и многого другого.

В 2020 году Forbes сообщил, что Армейская исследовательская лаборатория США (ARL) финансирует исследования по созданию метаматериалов, которые могут направлять энергию механических волн вокруг объектов, защищая их от взрывов, ударных волн, землетрясений или вибрации. Подобные разработки могут сделать подводную лодку или мост «невидимыми» для механической энергии.

Покрытие-невидимка

Российские ученые придумали, как создать плоское стелс-покрытие, которое может скрывать от радаров и других систем обнаружения любые объекты вытянутой формы (антенны самолетов, мачты кораблей). Результаты были опубликованы в журнале Scientific Reports.

«Мы придумали специальное покрытие, основанное на идеальном магнитном дипольном рассеивателе, которое превращает вытянутый металлический объект с электрическим откликом в объект с магнитным откликом. В результате подобный объект становится невидимым», — рассказал один из авторов работы, сотрудник НИТУ «МИСиС» Алексей Башарин.

Для этого ученые подобрали такую структуру «плоского» метаматериала, которая почти не взаимодействует с падающими на нее электромагнитными волнами, «пропуская» их через себя.

Материал представляет собой набор из металлических и диэлектрических наночастиц, которые уложены в повторяющийся узор. Этот «рисунок» устроен таким образом, что скрываемый им предмет перестает взаимодействовать с электрической компонентой света и не рассеивает ее. Благодаря этому можно избежать появления эффектов, которые выдают существование «невидимого» объекта, а также идеально изолировать различные излучатели, к примеру, антенны спутников, расположенные близко друг к другу.

В ближайшее время ученые планируют создать усовершенствованную версию покрытия, которая будет взаимодействовать не только с электрической компонентой электромагнитных волн, но и с их магнитной составляющей. Экспериментальное создание подобных структур, как считает Алексей Башарин, станет большим шагом к созданию идеальной невидимости.

Передача энергии без проводов

Ученые из Университета ИТМО разработали метаматериал, который может передавать энергию беспроводным способом. Он позволит создавать универсальные зарядные устройства для подзарядки сразу же нескольких гаджетов и мелкой электроники одновременно.

Передающий резонатор, созданный из нового метаматериала, может работать на нескольких частотах, обеспечивая подзарядку беспроводных приемников, относящихся к разным стандартам беспроводной передачи энергии. Это происходит благодаря уникальной конструкции резонатора, состоящего из массива параллельных проводников, соединенных друг с другом по краям емкостными элементами.

«У нашего метаматериала много уникальных свойств. Например, у него есть несколько резонансных частот, на которых ближнее магнитное поле имеет равномерное распределение вдоль поверхности резонатора, а электрическое поле сильно подавлено в емкостных элементах структуры. Работая на этих частотах, энергию можно передавать сразу к нескольким приемникам „по воздуху“ с помощью ближнего магнитного поля, увеличив эффективность и безопасность системы», — пояснила научный сотрудник Университета ИТМО Полина Капитанова.

Ученые уже создали прототип нового универсального зарядного устройства. Его работу они проверили, подключив светодиодные нагрузки к разным типам беспроводных приемников и разместив их над передающим резонатором на основе метаматериала. Зарядное устройство стабильно передавало энергию на трех различных частотах, снабжая ей все приемные устройства. Результаты были опубликованы в научном журнале Applied Physics Letters.

Управление сверхпроводимостью

В 2020 году широкий резонанс вызвало научное достижение, связанное с заявлением о создании первого сверхпроводника, активного при комнатных температурах. Такого рода технологии, по словам авторов, позволят отказаться от использования электрических батарей.

Сверхпроводники — это материалы, способные проводить электричество без сопротивления. Сверхпроводимость входит в число наиболее выдающихся открытий XX века. Существуют прототипы квантовых компьютеров, использующие сверхпроводниковые элементы для хранения информации. Сверхпроводники также используют для создания мощного магнитного поля, к примеру, в проекте Международного экспериментального термоядерного реактора ITER.

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) предложили новый инструмент изменения и управления свойствами сверхпроводящих материалов за счет изменения геометрии материала — сворачивания в тонкую трубочку. До этого традиционным способом контролирования свойств было введение дополнительных примесей в материал, добавление дефектов.

В процессе моделирования исследователи обнаружили интересный эффект: под действием электрического тока в свернутом виде у материала (ниобия) изменяется конфигурация циркулирующих сверхпроводящих токов. В результате у материала одновременно существуют проводящие и непроводящие участки, и на эти состояния можно влиять, меняя параметры магнитного поля. В перспективе это открытие позволит управлять свойствами сверхпроводников.

Как отмечают авторы статьи, опубликованной в журнале Communications Physics, если сверхпроводящие свойства ниобия в плоской структуре уже хорошо изучены, то свойства материала при другой геометрии — когда они свернуты в трубочку — не изучены достаточно, при этом не существует инструмента для их прогнозирования. Исследователи предложили модели для подобного прогнозирования свойств.

Недорогие наноструктурные пленки

Еще одни современный материал — металлические пленки с упорядоченной наноразмерной структурой — обладает уникальными свойствами, которые позволяют ученым контролировать магнитные поля и перемагничивать эти пленки. Это дает возможность создавать системы для записи и надежного хранения огромных объемов информации или сенсоры магнитных наночастиц, с помощью которых можно отслеживать состояние крови пациента, концентрацию в ней частиц, скорость высвобождения и усвоения лекарственного препарата в организме.

Создание упорядоченного массива наноразмерных отверстий с одинаковым диаметром на большой площади — задача сложная и затратная, во всяком случае, если решать ее напрямую, создавая отверстия в сплошной пленке. Ученые Уральского федерального университета (УрФУ) пошли по другому, менее затратному пути и предложили использовать эффект самосборки или самоорганизации.

Этот эффект заключается в применении технологии анодирования алюминия для получения пористых поверхностей с небольшой модификацией, позволяющей получать отверстия с хорошо контролируемым диаметром, упорядоченные в гексагональную решетку. Анодированный слой алюминия состоит из очень твердого материала с химической формулой Al2O3, который в кристаллическом состоянии известен как корунд или сапфир. В результате процесса самоорганизации пор получается поверхность, напоминающая пчелиные соты, уменьшенные приблизительно в миллион раз.

Подложку из алюминия с упорядоченными порами разработали еще четверть века назад. В последние годы ее используют как основу для нанесения пленок, в том числе магнитных, и как шаблон для выращивания металлических нанопроводов.

Физики УрФУ совместно с исследователями Института материаловедения Мадрида (Испания) при помощи известного метода получили уникальную аморфную пленку TbCo с перпендикулярной магнитной анизотропией. Результаты работы представлены в журнале Nanotechnology

«Необычен этот материал тем, что в нем присутствуют две магнитные подрешетки, магнитные моменты которых направлены в противоположные стороны. Для определенных составов пленки при ее нагреве или охлаждении будут существенно изменяться ее магнитные свойства. Например, будет доминировать магнитный момент тербия, кобальта, либо они окажутся практически равными. Это свойство может оказаться особенно полезно при создании сред для магнитной записи информации», — рассказал старший научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел УрФУ Никита Кулеш.

Магнитная пленка с наноразмерными отверстиями интересна тем, что позволяет преодолеть так называемый суперпарамагнитный предел — когда размер бита становится настолько мал, что энергия тепловых колебаний начинает преобладать над энергией магнитной анизотропии, сообщили ученые.

На данный момент в УрФУ реализован полный цикл создания наноперфорированных пленочных образцов разных составов покрытия. В том числе осуществляется электрохимический синтез пористых подложек анодированного алюминия с различным диаметром отверстий или массивом наноразмерных выпуклостей, проводится осаждение пленочных покрытий с прецизионным контролем состава и толщины, а также имеется оборудование для исследования полученных образцов.

Проект «5-100», реализуемый в рамках национального проекта «Образование», призван способствовать наращиванию научно-исследовательского потенциала российских университетов, укреплению их конкурентных позиций на глобальном рынке образовательных услуг.

(PDF) Обзор исследований беспроводной передачи энергии

6

1234567890 ‘’ «»

MEIE 2018 IOP Publishing

IOP Conf. Серия: Физический журнал: конф. Series 1074 (2018) 012140 doi: 10.1088 / 1742-6596 / 1074/1/012140

[3] Nikola T 1914 АППАРАТ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ US1119732

[4] Zhao Z, Zhang Y and Chen K 2013 New Progress of Технология передачи энергии с магнитной связью

Протоколы CSEE 33 (03): 1-13 + 21

[5] Zhao Z, Zhang Y и Chen K 2013 Новый прогресс в области технологии передачи энергии с магнитной связью Resonant Wireless

Technology Proceedings of the CSEE 33 (03): 1-13 + 21

[6] CHEN L, ZENG R 2017 Исследование беспроводной системы передачи энергии на основе технологии магнитного

резонансного источника питания связи 34 (04): 10-12

[7] Хуанг X, Тан Л., Чен Зи и др. 2013 Обзор и результаты исследований в области беспроводной передачи энергии

Технология Сделки Китайского электротехнического общества 28 (10): 1-11.

[8] Ян Х 2016 Принцип и применение беспроводной передачи энергии Беспроводной Интернет

Технология (16): 16-18

[9] Fan X, Mo X, Zhang X 2015 Состояние исследований и применение беспроводной передачи энергии

технология Чжунго Дяньцзи Гунчэн Сюэбао / труды Китайского общества

Электротехника 35 (10): 2584-2600.

[10] Chen P, Liu X, Liu Z, Liu Z and Yang J, 2017 Исследование резонансно-связанной беспроводной энергии

технология передачи Материалы для записи информации 18 (03): 55-56

[11] Yu C 2012 Research на магнитно-резонансной беспроводной системе передачи энергии Харбинский институт

Технологии

[12] Лю Н. 2014 Исследование характеристик беспроводной системы передачи энергии через

Магнитно-резонансный резонанс Шаньдунский университет

[13] Ли Л., Ян Q 2017 Исследования о текущих разработках беспроводной системы передачи энергии через

Магнитно-резонансные материалы для регистрации информации 18 (4): 4-6

[14] Лю З., Чен З, Линь X, Чжао Х. и Ли Дж. 2017 Обзор прогресса в с магнитной связью

Технология резонансной беспроводной передачи энергии Журнал Нанкинского университета информации

Наука и технологии (издание Natural Science) 9 (01): 1-7

[15] Chen W, Chen Q 2016 Обзор и прогресс исследований магнитно-резонансной беспроводной энергии

технология передачи Передовые технологии электротехники и энергетики

[16] Li Z 2016 Анализ эффективности передачи и оптимизация беспроводной передачи энергии через

магнитного резонанса Университет Хунань

[17] Линь М. 2016 Обсуждение факторов влияния мощности передачи и эффективности системы радиопередачи

Технология беспроводного Интернета (14): 23-24

[ 18] Li Y, Yang Q, Yan Z, Zhang C, Chen H & Zhang X 2012 Анализ эффективного диапазона

беспроводной передачи энергии и его факторов воздействия Передовые электрические технологии

Engineering and Energy 31 (3): 31- 34

[19] Fan M 2012 Исследование беспроводной передачи энергии на основе резонансной связи Тайюань

University of Technol ogy

[20] Zheng Z 2017 Исследование характеристики расстояния для резонансной беспроводной передачи энергии

Механические и электрические технологии (4): 57-59

[21] Хуанг Р., Чжан Б., Чжу З., Ло Б. и Мин Z 2016 Обзор исследований

электромагнитных сред беспроводной сети T Southern Power System Technology

10 (11): 39-44

[22] Peng Z 2016 Анализ факторов, влияющих на эффективное расстояние передачи беспроводной мощности

Хэйлунцзян Научно-техническая информация (24): 14-14

[23] Лю Цзинь, Се У, Сюй Кв. 2017 Анализ системы беспроводной передачи энергии с магнитно-резонансной муфтой

.Электротехнические технологии (09): 108-111 + 156 (2017-09-18)

[24] Chen C, Huang X, Sun W. и др., 2014 Влияние металлических препятствий на беспроводную передачу энергии

Система на основе двойного резонанса Сделки Китайского электротехнического общества 29 (9): 22-26

[25] Чжан Б., Хуанг Р. и Цю Д. 2015 Ключевые проблемы беспроводной передачи энергии среднего уровня через

Журнал магнитного резонанса электропитания 13 (04): 1- 7

[26] Kim DW, Chung YD, Kang HK и др. 2012 Характеристики бесконтактной передачи энергии для катушки

HTS на основе электромагнитной резонансной связи Транзакции IEEE на прикладных

Исследования характеристик беспроводной системы передачи энергии на основе U -Type Coupling Mechanism

Для решения проблемы электропитания высокоскоростного вращающегося оборудования предлагается система беспроводной передачи энергии, основанная на U-образном механизме связи сердечника с первичной обмоткой.Во-первых, установлена ​​передаточная модель системы беспроводной передачи энергии U-образного соединительного механизма. Выражения для передаваемой мощности и эффективности передачи получены теоретическим расчетом, а также проанализированы факторы, влияющие на передаточные характеристики системы. В то же время распределение магнитного поля системы и параметры связи изменяются при изменении относительного положения первичной и вторичной катушек посредством анализа моделирования. Наконец, экспериментальная платформа создана для экспериментальной проверки.Результаты показывают, что система может получить выходную мощность 1,72 Вт с эффективностью передачи 51,19%, когда расстояние между вторичной обмоткой и U-образным сердечником составляет 15 мм и 30 мм соответственно. Эффективность передачи и мощность первичной и вторичной катушек при различных перекосах проверяются и сравниваются. Доказано, что система беспроводной передачи энергии на основе U-образного соединительного механизма может эффективно реализовать стабильное питание системы мониторинга вращающегося оборудования.

1.Введение

Технология беспроводной передачи энергии (WPT) как новый тип режима передачи энергии получила широкое развитие в различных рабочих средах и областях применения по мере углубления исследований. В частности, технология динамического WPT обеспечивает беспроводное питание для оборудования относительного движения, что эффективно решает проблемы потерь на трение, контактной дуги и неудобной установки. Технология WPT — это эффективная и реальная схема электропитания, обеспечивающая безопасную, долгосрочную и стабильную работу относительно движущегося оборудования [1–3].

Для динамического беспроводного электропитания относительного движущегося оборудования наиболее широко используемыми областями являются динамическая беспроводная зарядка электромобилей и рельсовых поездов, а также беспроводное электропитание вращающегося оборудования. В 2015 году Корейская академия науки и технологий предложила биполярный основной путь I-типа и биполярный основной путь S-типа для беспроводного электроснабжения трамваев. Гусеница с двутавровым сердечником имеет такие преимущества, как узкая ширина, большой воздушный зазор, более высокая выходная мощность и низкая стоимость строительства.Трек с U-образным сердечником меньше, чем трек I-типа, максимальный КПД достигает 91%, а мощность составляет 9,5 кВт [4, 5]. В 2016 г. Сеульский университет Южной Кореи предложил систему БПЭ с соединительной структурой типа SS и достиг передачи мощности 300 кВт с КПД 96% при воздушном зазоре 7 см через построенную экспериментальную платформу [6]. В 2016 году Немецкий институт интегрированных систем и устройств им. Фраунгофера предложил технологию индуктивного беспроводного электропитания для вращающегося оборудования. Система состоит из трех частей: подшипника, вращающегося вала, вращающегося трансформатора и датчика нагрузки, закрепленной на валу.Он имеет небольшие размеры и прост в установке. Он может реализовать беспроводную передачу энергии мощностью 20 Вт при КПД передачи 89,7% [7]. В 2017 году Тяньцзиньский технологический университет предложил систему беспроводного питания с асимметричной связью с одной прямоугольной катушкой на передатчике и многоквадратной катушкой на приемном конце. Была создана уменьшенная экспериментальная модель 10: 1, и было подтверждено, что эффективность передачи системы может достигать 91,4%, а максимальная мощность нагрузки составляла 139 Вт при различных степенях смещения катушки, когда расстояние передачи составляло 5 см [8].В 2018 году Харбинский технологический институт предложил систему беспроводного питания вращающегося оборудования. В системе используется соленоидный механизм вложенной связи с каркасным магнитопроводом. С помощью экспериментальной системы реализуется беспроводная передача мощности с уровнем мощности 3 кВт с эффективностью передачи 87,1% при зазоре 1 см [9]. В 2019 году Институт электротехники Китайской академии наук разработал всенаправленный трехмерный приемный резонатор с учетом ситуации, когда конец нагрузки будет иметь угол отклонения и смещения в особых условиях в 2019 году.Он может осуществлять беспроводную передачу энергии под любым углом, в разных направлениях и с высокой мощностью. В имитационном эксперименте, когда расстояние смещения системы находится в пределах радиуса, ослабление мощности нагрузки составляет менее 25%, что доказывает, что разработанное трехмерное резонансное устройство обладает определенной способностью противодействия смещению [10]. В 2020 году Оклендский университет Новой Зеландии предложил индуктивную систему БПЭ на основе активного повышающего мостового инвертора для беспроводной зарядки электромобилей. По сравнению с традиционной системой полного моста, система не требует дополнительного коммутационного оборудования, снижает потери при переключении и может отслеживать максимальную эффективность в широком диапазоне рабочих условий.Реализуемость предложенной системы подтверждена разработанным экспериментальным прототипом мощностью 3,5 кВт [11]. В 2020 году для решения проблемы беспроводного электропитания оборудования на вращающемся валу Пекинский научно-технический университет разработал систему высокочастотного индукционного электропитания с первичной обмоткой, состоящей из алюминиевого кольца, и вторичной обмоткой, изготовленной из печатной платы. Были изучены и проанализированы потери на вихревые токи, вызванные центральным приводным валом катушки. Система стабильно применяется в полевых условиях с хорошей производительностью [12, 13].В 2018 г. в Университете Малайи была разработана система БПЭ мощностью 1 кВт, которая может передавать 1 кВт мощности с КПД передачи 90,5% и все еще может гарантировать КПД передачи 72% при условии смещения 40% [14]. В 2021 году Малайский университет предложил трехкатушечную систему БПЭ с компенсационной структурой S S -LCLCC. Когда сопротивление нагрузки системы составляет 222 Ом, эффективность передачи энергии разработанной системы на 10% выше, чем у традиционной системы БПЭ [15].Важные экспериментальные параметры результатов вышеуказанных исследований перечислены и сопоставлены, как показано в Таблице 1.


Учреждение Разрыв P (кВт) η (% )

Корейский институт науки и технологий 20 см 9,5 91
Корейский институт науки и технологий 7 см 300 Институт интегрированных систем и устройств им. Фраунгофера 3 мм 20 89.7
Тяньцзиньский политехнический университет 5 см 139 91,4
Харбинский технологический институт 1 см 3 87,1
Институт электротехники Китая, Китайская академия электротехники 16 см 80 88
Оклендский университет 15 см 2,2 95,4
Университет Малайи 150 мм 1 .5
University of Malaya 420 91,2

Нацеленная на проблему беспроводного электропитания для вращающегося оборудования, эта статья предлагает систему U — механизм сцепления сердечника на первичной стороне. По сравнению с традиционной космической плоской катушкой и спиральной катушкой, U-образный соединительный механизм первичной стороны может уменьшить размер конструкции катушки первичной стороны и облегчить установку в ограниченном пространстве.U-образная структура сердечника может улучшить коэффициент связи и распределение магнитного поля в канале передачи энергии. На основе топологии схемы системы БПЭ с U-образным соединительным механизмом получены выражения для эффективности передачи и мощности системы, создана имитационная модель системы, проанализировано пространственное распределение магнитного поля системы, и осуществима система. проверено путем создания экспериментальной платформы.

2. Анализ системы БПЭ соединительного механизма U-типа

Взаимная индуктивность и коэффициент связи между первичной и вторичной обмотками требуются в процессе передачи мощности системы БПЭ, а взаимная индуктивность и коэффициент связи связаны с относительной положение и расстояние между первичной и вторичной сторонами.Для повышения эффективности и передачи выходной мощности необходимо разработать соответствующий механизм связи, отвечающий требованиям взаимной индуктивности и коэффициента связи. Структурная схема системы БПЭ на основе соединительной конструкции с U-образным сердечником показана на рисунке 1, на котором первичная обмотка намотана на U-образный магнитопровод и остается неподвижной, а обмотка вторичной стороны закреплена на оси вращения и вращается. с валом.


Система БПЭ с U-образным соединительным механизмом использует последовательно-последовательную (SsS) топологию схемы компенсации реактивной мощности.Структура топологии S-S имеет простую схемную структуру и удобный дизайн параметров. Более того, выходные характеристики системы не зависят от значений индуктивности первичной и вторичной катушек и могут выдавать постоянный ток [16, 17]. Топология схемы системы показана на рисунке 2. Напряжение переменного тока на входе системы передается на инвертор после выпрямления, чтобы генерировать высокочастотное напряжение переменного тока в качестве входного напряжения первичной катушки. Вторичная катушка генерирует высокочастотное переменное напряжение за счет индукции и выводит его на сторону нагрузки через схему выпрямителя.На рисунке 2 US представляет источник переменного напряжения, S1, S2, S3 и S4 представляют собой лампу переключателя схемы инвертора, C1 и C2 представляют собой емкости компенсации резонанса первичной и вторичной стороны соответственно, L1 и L2 представляют собой самоиндукцию катушки. для первичной стороны и вторичной стороны, соответственно, M представляет взаимную индуктивность первичной стороны и вторичной стороны катушки, а RL представляет собой эквивалентное значение сопротивления нагрузки.


Для расчета эффективности передачи и мощности системы положим R 1 = R S + R Tx , X 1 = L 1 + 1/ ωC 1 , R 2 = R L + R Rx и X 2 = L 2 ωC 2 , где R S — внутреннее сопротивление источника напряжения, R TX и R RX — эквивалентные сопротивления первичной и вторичной стороны соответственно. , а ω — рабочая угловая частота системы.Полное сопротивление первичного и вторичного контуров можно выразить следующим образом:

Полное сопротивление отражения первичной и вторичной цепей можно выразить следующим образом:

Среди них

Из формулы (1) и уравнения (3) общий импеданс первичных и вторичных цепей можно получить следующим образом:

В соответствии с KVL и KCL выражения тока первичного и вторичного контуров следующие:

Выходная мощность и эффективность передачи системы могут быть получены следующим образом:

Из уравнения (6) видно, что после определения параметров системы основными факторами, влияющими на выходную мощность и эффективность передачи системы, являются резонансная частота и взаимная индуктивность системы, а взаимная индуктивность тесно связана с относительное расстояние между первичной и вторичной обмотками.Следовательно, тенденцию изменения эффективности передачи и мощности можно найти, изучив изменение относительного расстояния между первичной и вторичной обмотками.

3. Моделирование и анализ электромагнитных параметров U-образного соединительного механизма Система WPT

Чтобы изучить влияние относительного положения системы на взаимную индуктивность и коэффициент связи, необходимо понять распределение интенсивность магнитной индукции системы.Параметры в таблице 2 были использованы для моделирования и анализа.

высота отверстия сердечника

Параметр Значение

Ширина отверстия сердечника (мм) 60
Площадь поперечного сечения магнитопровода (мм 2 ) 600
Диаметр первичной катушки (мм) 2
Количество витков первичной катушки (виток) 30
Поперечное сечение площадь вторичной обмотки (мм 2 ) 0.25
Витки (витки) вторичной обмотки 9
Внутренний диаметр вторичной обмотки (мм) 100

График распределения интенсивности вокруг магнитного поля Катушка первичной стороны на основе U-образного магнитного сердечника показана на рисунке 3. Из рисунка 3 видно, что магнитное поле вокруг катушки первичной стороны на основе U-образного сердечника распределено симметрично.Интенсивность магнитной индукции внутри сердечника является максимальной, отверстие в магнитопроводе уменьшается, и, наконец, образуется замкнутая петля магнитного поля. Максимальная интенсивность магнитной индукции внутри сердечника может достигать 390 мТл, интенсивность магнитной индукции в отверстии сердечника в основном составляет около 10 мТл, а максимальная интенсивность магнитной индукции в отверстии может достигать 100 мТл.


При изучении влияния взаимного расположения катушек на взаимную индуктивность и коэффициент связи системы исследуется закон изменения взаимной индуктивности и коэффициента связи путем изменения поперечного расстояния d и продольного расстояния h между первичной обмоткой и вторичной обмоткой, как показано на рисунке 4.Чтобы избежать интерференции между первичной и вторичной обмотками, вызванной высокоскоростным вращением, d = 15 мм и h = 15 мм принимаются в качестве минимального контрольного расстояния, а параметры, указанные в таблице 2, используются для анализ моделирования и физического производства.


Установите d = 30 мм и h = 30 мм в качестве исходного стандартного шага; Электромагнитные параметры соединительного механизма измеряются с помощью электромагнитного моделирования Максвелла и мостового измерителя RLC при начальном стандартном расстоянии, как показано в Таблице 3.Из данных в таблице 3 видно, что результаты моделирования и фактические измеренные значения в основном совпадают, а максимальная погрешность составляет всего 3,03%. Когда рабочая частота системы изменяется от 100 кГц до 300 кГц, самоиндукция и взаимная индуктивность катушки мало отличаются. Поэтому в последующем анализе f = 200 кГц можно использовать в качестве рабочей частоты системы для анализа и исследований.


901 1

Параметр Имитационное значение / μ H Экспериментальные значения / μ H Величина ошибки (%)
f = 100 кГц 122.91 120,79 1,72
f = 200 кГц 122,81 120,52 1,86
f = 300 кГц
L 2 f = 100 кГц 45,15 44,35 1,77
f = 200 кГц 45 14 44,32 1,82
f = 300 кГц 45,14 44,28 1,91

9013 9013 9013 9013 M 16,12 2,54
f = 200 кГц 16,53 16,06 2,84
f = 300 кГц 16,52 90,1301 3,03

Когда рабочая частота системы составляет 200 кГц, d и h фиксированы соответственно. Согласно расчету моделирования, при изменении расстояния d и h , соответственно, взаимная индуктивность между катушками изменяется, и тенденция изменения показана на рисунке 5. Из рисунка 5 видно, что когда вторичная сторона катушка движется вправо, изменение взаимной индуктивности M не очевидно.При перемещении катушки вправо на 15 мм взаимная индуктивность увеличивается на 0,2 мк Гн и 1,21%. Когда вторичная катушка движется вниз, взаимная индуктивность явно изменяется. При перемещении катушки на 15 мм взаимная индуктивность увеличивается на 4,28, мк, Гн и 25,90%. Следовательно, максимальный КПД и выходную мощность системы можно улучшить, перемещая вторичную катушку вверх и вниз, чтобы сделать взаимную индуктивность системы максимальным значением.


Из приведенного выше анализа можно сделать вывод, что изменение d мало влияет на взаимную индуктивность.Чтобы сохранить большое расстояние между первичной и вторичной обмотками в горизонтальном направлении, всегда можно поддерживать d = 30 мм, и система может получить максимальную взаимную индуктивность M = 20,81 μ H при ч. = 15 мм при условии минимального опорного расстояния в вертикальном направлении. Следовательно, d = 30 мм и h = 15 мм выбраны как положение максимальной взаимной индуктивности системы. На данный момент распределение интенсивности магнитной индукции системы показано на рисунке 6.Из рисунка 6 видно, что интенсивность магнитной индукции вокруг первичной катушки является наибольшей вблизи отверстия U-образного сердечника, что составляет около 10 мТл.


4. Анализ моделирования и экспериментальные исследования

На основании результатов анализа, приведенного выше, в данной статье выбирается d = 30 мм и h = 15 мм в качестве относительного положения первичной и вторичной сторон и используется метод Максвелла. и программное обеспечение Simplorer для создания модели на основе структурных параметров в таблице 1 для совместного анализа моделирования.Совместная имитационная модель показана на рисунке 7.


Конкретные параметры схемы системы в имитационной модели показаны в таблице 4.


Параметр Значение

f (кГц) 200
L 1 ( мкгн ) 120,52
74
C 1 (нФ) 5,25
L 2 ( мкч ) 44,32
9027 511.12
C 2 (нФ) 14,29
R L (Ом) 100
Пиковое напряжение переменного тока (В)

Формы входного напряжения, тока, выходного напряжения и тока системы показаны на рисунке 8.

На рис. 8 (а) показаны формы сигналов входного напряжения и тока при моделировании системы. Видно, что напряжение и ток в основном совпадают по фазе. После нескольких циклов ток достигает стабильного состояния, и пиковое значение может быть стабилизировано на уровне 560 мА. Таким образом, входная мощность может быть оценена как 4,20 Вт. На рис. 8 (b) показаны кривые выходного напряжения и тока системы до выпрямления. Видно, что выходное напряжение и ток находятся в обратной фазе с формой волны входного напряжения и тока.После нескольких циклов напряжение и ток достигают стабильного состояния. Пиковые значения напряжения и тока, соответственно, стабилизированы на уровне 10,4 В и 530 мА, а выходная мощность составляет 2,76 Вт. В итоге выходная эффективность моделирования системы составляет 65,71%.

Согласно приведенным выше результатам моделирования, экспериментальная платформа системы радиопередачи U-образного соединительного механизма построена, как показано на рисунке 9. Размерные параметры соединительного механизма системы показаны в таблице 1, а параметры схемы системы Компоненты показаны в Таблице 4.В эксперименте UTP3705 S используется в качестве источника питания постоянного тока, осциллограф UTD2112CEX используется для обнаружения формы сигнала, а цифровой мостовой измеритель VC4092D используется для измерения индуктивности, емкости, импеданса и других параметров системы.


Значения самоиндукции и взаимной индуктивности первичной и вторичной катушек, измеренные цифровым мостовым измерителем VC4092D, показаны в таблице 3. Форма волны входного напряжения первичной стороны и форма выходного напряжения вторичной стороны измеряется осциллографом, как показано на Рисунок 10.Амплитуда формы волны входного напряжения первичной стороны составляет около 12,2 В, а амплитуда формы волны выходного напряжения вторичной стороны составляет около 6,14 В.

Входная мощность и выходная мощность системы могут быть получены путем измерения входной мощности источника постоянного тока. питание на первичной стороне и мощность, потребляемая нагрузкой на вторичной стороне. Входная мощность системы — это входная мощность схемы инвертора в цепи первичной стороны, а выходная мощность системы — это мощность, входящая в нагрузку после выпрямления вторичной стороны.Входная мощность и выходная мощность системы составляют 3,36 Вт и 1,72 Вт соответственно. КПД системы составляет 51,19%. По сравнению с результатами моделирования и эксперимента разница в эффективности передачи между моделированием и экспериментом составляет 14,52%. Поскольку эффективность передачи, измеренная экспериментально, включает потери мощности, вызванные инвертором и выпрямителем, в то время как эффективность передачи моделирующей части не вычисляет потери этих двух частей, эффективность передачи экспериментальных результатов меньше, чем у результатов моделирования.

Когда относительное расстояние между первичной и вторичной обмотками системы составляет d = 25 мм, d = 20 мм, d = 15 мм и d = 10 мм, показаны результаты сравнения. на рисунке.

Из рисунка 11 видно, что при изменении относительного положения между первичной обмоткой и вторичной обмоткой эффективность передачи и мощность передачи системы изменяются. С уменьшением расстояния d эффективность передачи и мощность передачи постепенно увеличиваются, но уменьшение расстояния увеличивает риск столкновения между первичной катушкой и вторичной катушкой.Следовательно, расстояние d между первичной обмоткой и вторичной обмоткой по-прежнему установлено равным 30 мм; это оптимальное относительное положение между первичной и вторичной обмотками.


Таким образом, хотя есть некоторые различия между экспериментальными результатами и результатами моделирования, посредством анализа моделирования и экспериментальной проверки можно увидеть, что система беспроводной передачи энергии с U-образным соединительным механизмом может эффективно реализовать беспроводную передачу электроэнергии, что обеспечивает хорошее решение для беспроводного питания оборудования с высокоскоростным вращающимся валом.

5. Заключение

В данной статье предлагается система БПЭ, основанная на механизме связи магнитного сердечника U-типа. Путем теоретического анализа, анализа моделирования и экспериментальной проверки были получены следующие выводы: (1) относительное расстояние между механизмом связи первичного U-образного сердечника и вторичной катушкой влияет на взаимную индуктивность и коэффициент связи системы, тем самым влияя на передачу КПД и выходная мощность системы; (2) электромагнитное моделирование показывает, что магнитное поле системы в основном распределяется вблизи отверстия U-образного сердечника; (3) экспериментальные результаты показывают, что эффективность передачи системы может достигать 51.19%, а выходная мощность составляет 1,72 Вт, что подтверждает возможность использования U-образной соединительной конструкции магнитного сердечника для реализации беспроводной передачи энергии. Заключение этой статьи обеспечивает теоретическую основу и руководство по применению беспроводного механизма передачи энергии с U-образным сердечником. Еще есть возможности для улучшения и оптимизации. Как улучшить эффективность передачи и выходную мощность системы — это направление дальнейших исследований в рамках последующих работ.

Доступность данных

Наборы данных, подтверждающие выводы этой статьи, включены в статью.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Выражение признательности

Эта работа была финансово поддержана Национальным планом поддержки науки и технологий «12-й пятилетний», «Оптимизация качества продукции из прецизионной полосы, исследования и разработки ключевого оборудования» (грант № 2015BAF30B00) и «Фундаментальные исследования» Фонды для центральных университетов »(грант № FRF-AT-19-001).

Исследования в области технологии беспроводной передачи энергии в микроволновом диапазоне | JAXA

Исследования в области технологии беспроводной передачи энергии в микроволновом диапазоне

Микроволны — это форма электромагнитных волн в диапазоне длин волн, часто используемом для связи, 0.От 1 мм до 10 см (частоты от 0,1 до 100 ГГц). Антенные решетки, состоящие из множества антенных элементов, могут использоваться для передачи электроэнергии из космоса на землю в микроволновой форме. Управляя и синхронизируя фазы и амплитуды микроволн, посылаемых каждым антенным элементом решетки, можно получить желаемую форму луча, и точно сфокусированный луч может быть направлен (передан) в любом направлении. Используя эти уникальные свойства, SSPS (M-SSPS) на основе микроволнового излучения представляет собой космическую систему, которая преобразует энергию солнечного света в лучшую микроволновую энергию, передает микроволновую энергию на место приема энергии на Земле и преобразует их обратно в электричество постоянного тока.

Преимущества передачи энергии микроволн
  • Микроволны (работающие на частотах менее 10 ГГц) могут проникать сквозь облачный покров и дождь.
  • Микроволны имеют более низкую плотность энергии, чем лазеры, что делает их более безопасными.
Исследования и разработки в области высокоточной СВЧ-технологии управления наведением луча

Исследовательская группа SSPS интенсивно исследует технологию, позволяющую направлять пучок микроволн в направлении любой цели с очень высокой точностью.Для крупномасштабной SSPS, способной обеспечить выходную мощность 1 ГВт (1 миллион кВт) на наземную площадку с геостационарной орбиты (GEO) на высоте 36 000 километров над поверхностью Земли, потребуется наведение микроволнового луча с чрезвычайно высокой точностью. Если может быть получена точность наведения в 0,001 градуса (т. Е. Отклонение наведения в несколько сотен метров), можно будет безопасно и эффективно передавать микроволновую энергию на расстояние 36000 км от орбитальной гигантской фазированной антенной решетки размером с километр до место установки наземной антенны для приема энергии с предполагаемым диаметром 2 км.

На поверхность огромной панели орбитальной фазированной антенной решетки можно будет установить несколько миллиардов антенных элементов, каждый из которых выровнен по положению опорной точки антенны. Отдельные антенные панели нельзя было удерживать в жесткой конструкции относительно друг друга, потому что общая масса такого огромного количества антенных панелей неизбежно деформировала бы плоскую поверхность. Смещение должно быть компенсировано электронным способом, чтобы точно управлять механизмом наведения микроволнового луча.

Программное обеспечение системы обратной направленности используется для приложений будущих космических программ, требующих высокоточной технологии управления наведением луча. В системе, которую мы представляем, антенна, передающая пилот-сигнал, установленная на антенной панели для приема наземной энергии, передает пилот-сигнал на антенны, принимающие пилот-сигнал, установленные на панелях орбитальных антенн, передающих энергию, чтобы позволить антенне, передающей энергию, массив знает направление, в котором нужно отправить микроволновку.Угол между направлением, в котором приходит сигнал, и нормалью к решетке может быть точно определен методом амплитудного моноимпульса, а фаза микроволн регулируется так, чтобы направлять микроволновый луч в правильном направлении. Чтобы гарантировать, что максимальная мощность может достигать наземной приемной антенны, фаза микроволн на каждой передающей антенной панели дополнительно регулируется методом вектора электрического поля вращающихся элементов (REV) на основе полученных данных об интенсивности луча.Мы занимаемся исследованием и разработкой уникального метода управления микроволновым лучом и алгоритма управления, которые включают комбинированные эффекты амплитудного моноимпульса и методов REV.

СВЧ-управление наведением луча
(с амплитудным моноимпульсным и REV методами)
Наземные демонстрации беспроводной микроволновой передачи энергии

Исследовательская группа SSPS работала с Japan Space Systems (J-spaceystems) над продвижением исследований и разработок в области высокоточной технологии управления микроволновой беспроводной передачей энергии.В 2014 финансовом году мы провели наземную демонстрацию технологии беспроводной передачи энергии сверхвысоких частот в диапазоне 5,8 ГГц. Наземная тестовая модель беспроводной передачи энергии, подобная изображенной ниже, была изготовлена ​​для оценки точности (цель: среднеквадратичное значение 0,5 градуса), с которой наведение микроволнового луча может быть направлено внутрь безэховой камеры. JAXA отвечало за разработку подсистемы управления наведением микроволнового луча для наземной тестовой модели. JAXA разработала высокоточный контроллер наведения микроволнового луча с точностью 0.15 градусов RMS и продемонстрировали эффективность техники управления наведением луча. Демонстрация проводилась с использованием сверхмощной СВЧ-мощности класса кВт на частоте 5,8 ГГц. Демонстрация также была разработана для моделирования деформации огромной антенной панели из-за тепловых искажений и крутящего момента градиента силы тяжести в космосе.

Другой тест беспроводной передачи энергии был проведен на открытом воздухе, чтобы продемонстрировать беспроводную микроволновую передачу энергии на расстояние около 50 метров, и фактически принимаемая мощность была передана пользователю.

Наземная демонстрация беспроводной передачи энергии в микроволновом диапазоне

Схема наземной испытательной модели
Технологические вызовы

В нашей работе по разработке технологии беспроводной микроволновой передачи энергии перед нами стоит ряд технологических задач.

  • Повышение точности управления наведением микроволнового луча.
  • Повышение эффективности преобразования энергии постоянного тока в микроволны (в космосе)
  • Повышена эффективность преобразования СВЧ в питание постоянного тока (на земле)
  • Уменьшить размер и вес электронных модулей

Возможность подключения к мобильной сети Adhoc с использованием сети беспроводной передачи электроэнергии

Предлагаемое видение, показанное на рис.1 может быть реализована с использованием отдельных точек источников передачи, которые могут обеспечить требуемую способность передачи энергии с использованием радиационных полей ближней и дальней зоны. Мы предлагаем систему, показанную на рис. 2, для реализации одной из таких точек источника с помощью плоской антенной решетки, которая легко скрывается в стенах или предметах интерьера. Система состоит из источника непрерывных волн (Tx) для генерации ВЧ-мощности на частоте 2,4 ГГц, которая усиливается до мощности примерно 1 Вт (в соответствии с правилами FCC 14 ) и подается в антенную решетку с усилением 22 дБи.Радиочастотная мощность передается по беспроводной сети на удаленный приемник, который расположен в пределах нескольких футов от источника и состоит из массива элементов ректенны вместе со схемами управления питанием, позволяющими комбинировать мощность постоянного тока. Чтобы обеспечить непрерывную зарядку, для которой требуется примерно 5 В, мы использовали коммерческую стандартную схему управления питанием (COTS), которая использует схему накопления и сброса для обеспечения выходного напряжения 5 В постоянного тока. Кроме того, чтобы учесть повышение тока для эффективной зарядки, мы использовали параллельное соединение массивов выпрямителей.Таким образом, ключевыми конструктивными элементами для создания этой системы являются массив передатчиков, конструкция и интеграция массива приемников, схема управления питанием и интерфейс зарядки USB для эффективного подключения к зарядному устройству мобильного телефона. Затем мы характеризуем систему с помощью нескольких панелей и сообщаем результаты беспроводной зарядки в мобильных условиях.

Конструкция панели передатчика

Чтобы обеспечить беспроводную зарядку на расстоянии до нескольких футов, сохраняя при этом передаваемую мощность в пределах безопасных и разрешенного FCC уровня мощности 1 Вт, мы ожидаем, что требования к усилению антенны будут составлять 20 дБи или более.Это привело нас к конструкции плоской антенной решетки, содержащей \ (8 \ times 8 \) элементов патч-антенны, как показано на рис. 2. Это требует питания всех 64 элементов без значительных потерь, обеспечивая при этом низкопрофильный, компактный, и экономичный дизайн. Для этого мы разработали четыре независимых антенных панели, состоящих из антенной подрешетки с патч-элементами \ (4 \ times 4 \). Субмассивы питались через сеть делителей мощности, что позволяло подавать питание на все четыре панели с одного входа. Каждая панель субматрицы состояла из четырех последовательно загружаемых патчей.Это позволило избежать сложной корпоративной сети питания, которая могла привести к многоуровневой структуре и дополнительным затратам.

Рисунок 3

Измерения коэффициента отражения ( слева, ) и диаграммы усиления ( справа, ) для подматрицы 4 \ (\ times \) 4. Фотография измеряемого массива приведена на вставке. Графики, созданные с помощью Matlab R2019b, доступны на https://mathworks.com. Рисунок был нарисован с помощью MS-PowerPoint 2016.

Дизайн подмассива был выполнен с использованием двухполупериодного электромагнитного моделирования, чтобы обеспечить оптимизацию обратных потерь и усиления подмассивов.Использовалась подложка с низкими потерями Rogers RO4003 (\ (\ epsilon _r = 3,38 \)) с имеющейся в продаже толщиной 1,52 мм. Коэффициент отражения для подматрицы \ (4 \ times 4 \) показывает отличное согласование на частоте 2,4 ГГц, как показано на рис.3, однако мы замечаем отклонение от конструкции на 300 МГц, вероятно, связанное с допусками в допусках моделирования и изготовления подложки. в процессе травления металла. Коэффициент усиления и диаграмма направленности подрешетки показаны на рис. 3 и показывают максимальное усиление 16 дБи в поперечном направлении.Это также предполагает, что с четырьмя такими подрешетками общее усиление решетки передатчиков должно быть около 22 дБи.

Возможности передачи мощности антенны передатчика

Чтобы понять возможности передачи энергии, сначала мы записываем передачу энергии от антенны передатчика как функцию расстояния от приемника. Для этого эксперимента в качестве приемника использовалась одиночная патч-антенна с усилением 7 дБи для предварительных испытаний передачи ВЧ-мощности. Мы измеряем коэффициент передачи на 2.4 ГГц и ВЧ-мощность приемника как функция расстояния. Расстояние между передатчиком и приемником варьировалось от 0,25 футов до 6 футов. Экспериментальная установка показана на рис. 4. Потери РЧ мощности (S \ (_ {21} \)) колеблются между 22 и 30 дБ при этой РЧ передаче. Принимаемая мощность мала также из-за приема с одной антенной, который можно улучшить, используя несколько приемных антенн. Мы также отмечаем уменьшение мощности, когда приемник находится очень близко к передатчику, поскольку луч решетки плохо сформирован в ближнем поле, и прямая связь в ближнем поле приводит к меньшей передаче.

Рисунок 4

Возможности передачи разработанного передатчика с использованием одноэлементного приемника как функция расстояния между Tx и Rx. График, созданный с помощью Matlab R2019b, доступен на https://mathworks.com.

Полученная мощность была измерена в случае, когда передаваемая мощность 30 дБм (1 Вт), S \ (_ {21} \) и принимаемая мощность как функция расстояния показаны на рис. 4. Полученная мощность была регистрируется с помощью анализатора спектра. Как показано на графике, мощность достигает 4.Получается 5 дБм (3 мВт). Для увеличения принимаемой мощности требуется приемная антенна с большей апертурой. В частности, это достигается за счет использования нескольких приемных антенн. Эти исследования были продолжены, чтобы получить эффективный дизайн.

Эффективный преобразователь РЧ в постоянный ток со схемой управления питанием с накоплением и сбросом

Были протестированы два различных доступных выпрямителя с блоками управления питанием, чтобы найти наиболее подходящие для зарядки смартфона. Эти блоки были коммерчески доступной ИС управления питанием LM2775EVM TI, а также выпрямителем и модулем управления питанием на основе COTS RFD199A.Генератор сигналов был настроен на обеспечение входного высокочастотного сигнала мощности на частоте 2,4 ГГц. Мультиметр True RMS, который регистрирует среднеквадратичное значение напряжения, использовался для регистрации выходного постоянного напряжения на выходе каждого модуля. Сравнение выходного постоянного напряжения с входной РЧ-мощностью показано на рис. 5. LM2775EVM обеспечивает необходимое выходное напряжение 4,5 В для зарядки при входной мощности не менее 25 дБмВт. Кроме того, выходное напряжение насыщено для входа выше 35 дБмВт и выходного 6,9 В. Хотя этот модуль можно использовать для регулирования выходного напряжения, требуемая входная мощность слишком высока для достижения необходимого значения напряжения.С другой стороны, RFD199A способен регулировать напряжение на уровне 5,598 В, в то время как входная мощность составляет всего 8 дБмВт. RFD199A был охарактеризован до 33 дБмВт, что является максимальной входной мощностью, с которой он может работать. Для получения 5,598 В, требуемого стандартом USB и подходящего для зарядки телефона, требуется минимум 6,3 мВт ВЧ-мощности.

Рисунок 5

Сравнение выбранных топологий выпрямитель + управление питанием для предлагаемой системы приемника. График, созданный с помощью Matlab R2019b, доступен по адресу https: // mathworks.com.

RFD199A, если он используется с накопительным конденсатором, принимает РЧ сигнал на частоте 2,45 ГГц и преобразует его в импульсный сигнал постоянного напряжения в диапазоне от 5,3 В до 4,2 В. Сигнал является непрерывным для высокой мощности, в то время как он является импульсным с уменьшающейся скважностью. цикл для входного радиосигнала с уменьшающейся мощностью. Модуль состоит из двух частей: выпрямителя и системы управления питанием, состоящей из переключателя, управляемого напряжением. Когда напряжение на накопительном конденсаторе достигает 5,3 В, управляемый напряжением переключатель включается для сброса мощности на нагрузку и выключается, а когда оно падает ниже 4.2 В. Выходной сигнал является непрерывным, если имеется достаточно мощности, чтобы напряжение на конденсаторе не упало ниже 4,2 В. Следовательно, система управления питанием гарантирует, что напряжение на нагрузке находится в диапазоне от 4,2 В до 5,3 В, что является допустимым. подходит для зарядки телефона.

Выходной ток модуля RFD199A имеет решающее значение для эффективной зарядки. Ток, потребляемый модулем, является функцией сопротивления нагрузки, подключенной к модулю. Зная, что входное сопротивление смартфонов составляет \ (<~ 50 ~ \ Omega \), мы анализируем выходное напряжение в условиях такой низкой нагрузки.Это показано на рис. 5. Как показано, при таком изменении нагрузки с использованием предлагаемого модуля возможно выходное напряжение от 2 до 5 В. Хотя это выходное напряжение характеризуется отсутствием выходного конденсатора, и было обнаружено, что использование накопительного конденсатора улучшает общий уровень напряжения.

Разработка интерфейса зарядки USB 2.0

Точное входное сопротивление нагрузки (телефона) зависит от интерфейса зарядки USB. Мы изучаем 2 разные конфигурации зарядки с использованием интерфейса USB 2.0, подключенного к смартфону.Это (1) конфигурация выделенного порта зарядки (DCP) и (2) конфигурация стандартного нисходящего порта (SDP) 29 . Схема для двух конфигураций показана на рис. 6. DCP используется для зарядки от вилок питания, где зарядка происходит без цифровой связи. DCP идентифицируется путем закорачивания линий D + и D-, что позволяет использовать любой USB-кабель в качестве замены для зарядки и обеспечивает максимальный ток 1,5 А. SDP, с другой стороны, может быть включен с помощью линий D + и D-, заземленных отдельно. через 24.8 к \ (\ Омега \). Таким образом, максимальный ток нагрузки составляет 2,5 мА в приостановленном состоянии и не более 500 мА при подключенных устройствах. Следовательно, эти две конфигурации относятся к условиям зарядки с низким током (SDP) и высоким током (DCP). Но в нашем случае важнее всего входное сопротивление, которое мы наблюдаем в каждом случае. При выборе конструкции выпрямителя мы предпочитаем более высокое сопротивление.

Рисунок 6

Стандартные режимы зарядки интерфейса USB 2.0, а именно DCP и SDP, и сравнение измеренного входного сопротивления.График, созданный с помощью Matlab R2019b, доступен на https://mathworks.com. Рисунок был нарисован с помощью MS-PowerPoint 2016.

Мы провели эксперимент с использованием конфигураций SDP и DCP для сравнительного измерения входного сопротивления в двух случаях. Этот входной импеданс будет действовать как нагрузка для выпрямителя и схемы управления питанием. Для этого измерения мы подаем 5 В через USB-кабель, изменяя подаваемый ток. Затем измеряем ток, потребляемый смартфоном. Мы обнаружили, что DCP позволяет насыщать потребляемый ток при 0.9 A, тогда как SDP ограничивает его значением 0,375 A. Но закон ВАХ для области насыщения показывает, что сопротивление для DCP меньше, чем SDP. Режим зарядки с низким током имеет входное сопротивление 13,33 \ (\ Omega \), что лучше для конструкции выпрямителя, поскольку эффективность выпрямителя в целом увеличивается с более высоким импедансом нагрузки. Кроме того, даже при зарядке малым током верхний предел составляет от 0,37 А до 0,5 А, и мы ожидаем меньшего тока, чем этот, от нашей конструкции выпрямителя, поэтому SDP является лучшей конфигурацией зарядки для наших приложений.

Текущие требования к зарядке смартфона

Измерения показывают, что модуль управления питанием и выпрямителя адаптируется к нагрузкам с низким входным сопротивлением, как показано на рис. 5. Кроме того, на рис. 6 мы видим, что стандартное сопротивление выходного порта телефон небольшое сопротивление. Мы дополнительно подтверждаем текущие требования к зарядке телефона. Был проведен эксперимент с фиксированным напряжением и различными значениями тока для определения минимально необходимого тока для зарядки.Эксперимент показал, что минимальные напряжение и ток, необходимые для зарядки телефона, составляют примерно 4,2 В и 62 мА соответственно. Более высокие уровни тока могут обеспечить более быструю зарядку. Результаты показаны в таблице 1.

Таблица 1 Стандартные требования к току и напряжению смартфона для зарядки.

Демонстрация беспроводного электропитания с использованием одного передатчика

После разработки антенной решетки передатчика, приемника, выпрямителя и модуля управления питанием и интерфейсов зарядки USB мы проводим эксперименты по беспроводному питанию мобильного устройства через единственный источник передатчика. .На приемнике мы настраиваем систему следующим образом. Один патч-антенный элемент подключен к одному выпрямителю и модулю управления питанием. Для достижения необходимого тока мы использовали несколько таких ректеннных модулей. Затем параллельно подключается выход с преобразованием постоянного тока. Эта конфигурация позволяет улучшить сбор мощности, поскольку сбор мощности осуществляется на уровне постоянного тока, что позволяет избежать эффекта изменения фазы в принимаемом РЧ-сигнале на разных антеннах.

Для достижения необходимого тока и обеспечения беспроводной зарядки рассмотрим корпуса с 5 и 10 элементами ректенны (рис.2) на приемнике. Как показано в таблице 2, для этих случаев расстояние варьируется от 1 фута до 4 футов, а мощность варьируется в пределах 25 дБм, 30 дБм и 35 дБм. В целом мы наблюдаем тенденцию увеличения продолжительности включения с увеличением количества элементов. Тем не менее, отмечены 2 исключительных случая, когда рабочий цикл уменьшается при увеличении количества элементов в массиве приемников. Эти случаи связаны с мощностью приемника и местоположением (1) мощности 25 дБм на расстоянии 3 футов и (2) 35 дБмВт на расстоянии 3 футов. Отметим, что в радиационной ближней зоне пучок плохо сформирован и имеет поперечное распределение мощности.Достаточная экспозиция всех элементов при предлагаемых вариантах эксперимента сохраняется не для всех случаев. Это ожидаемая причина этих аномалий. Обратите внимание, что передаваемая от антенны мощность на 6 дБ меньше этой подаваемой мощности из-за потерь в сети делителя мощности. В случае, когда мощности недостаточно для обеспечения выхода 5 В, схема управления питанием предназначена для хранения зарядов до тех пор, пока напряжение не превысит 5,3 В (условие включения), а затем питание будет включено до тех пор, пока напряжение не упадет ниже 4.2 В (выключенное состояние). Следовательно, мы наблюдаем импульсный выход, и наблюдается увеличение рабочего цикла с увеличением доступной входной ВЧ-мощности. Примечательно, что зарядка телефона наблюдалась при рабочем цикле не менее 25%. Рабочий цикл увеличивается, в то время как количество приемных антенн было увеличено до 10 с 5, что обеспечило более высокий рабочий цикл. Ожидается, что увеличенное соотношение включения и выключения тока увеличит скорость зарядки аккумулятора.

При сравнении результатов для 5-элементного приемника и 10-элементного приемника, в среднем, рабочий цикл улучшается из-за большего сбора энергии.Кроме того, как и ожидалось, рабочий цикл и возможности зарядки приемника улучшились, когда передаваемая мощность составляет 35 дБмВт. Мы также отмечаем, что с точки зрения изменения расстояния, рабочий цикл и зарядка улучшаются для 3 футов и более. Это связано с низкой эффективностью зарядки в ближней зоне массива передатчиков, что также ясно из графика зависимости мощности от расстояния, показанного на рис. 4. Это связано с отсутствием когерентной мощности излучения и четко определенного луча. в непосредственной близости от массива.То есть передатчик наиболее эффективен для приемников, размещенных на расстоянии 3 фута или более.

Таблица 2 Запись рабочего цикла для различной беспроводной зарядки для случаев с различными расстояниями между Tx и Rx и с изменяющейся входной РЧ-мощностью с использованием 5 Tx-антенн (первые 3 строки для входной мощности) и 10 Tx-антенн (последние 3 строки. для входной мощности). Импульсы выходного напряжения во всех случаях находились в диапазоне от 4,2 до 5,5 В. Рисунок 7

Экспериментальная установка для демонстрации зарядки телефона с использованием разработанной установки.

Рисунок 8

Беспроводная электросеть с распределением мощности. Слева: мощность, измеренная при нагрузке 1 кОм (\ Омега \). Точки пересечения представляют собой точки измерения, а двухмерный график интерполируется. Справа: возможность зарядки от электросети телефона Samsung Galaxy. График, созданный с помощью Matlab R2019b, доступен на https://mathworks.com. Рисунок сетки создается с помощью MS-PowerPoint 2016.

Рис. 9

Распределение мощности энергосистемы с передатчиками, имеющими возможность управления лучом.График, созданный с помощью Matlab R2019b, доступен на https://mathworks.com. Рисунок сетки создается с помощью MS-PowerPoint 2016.

Рис. 10

Сравнение рабочего цикла блока управления питанием для сценариев с одним Tx и с несколькими Tx с управляемым лучом. График, созданный с помощью Matlab R2019b, доступен на https://mathworks.com.

Tesla’s Wireless Power — Научный центр Tesla в Wardenclyffe

Спустя более века после его смерти открытие Теслы в области беспроводной связи редко ему приписывают.Томас Эдисон чаще ассоциируется с изобретением электричества; однако его эксперименты не увенчались успехом. Фактически, переменные токи переменного тока Теслы оказались более надежным методом проведения электричества.

Вопреки теории, контакт металла с металлом необходим для проведения электричества, Тесла удалось передать токи через пластик на короткие расстояния с помощью магнитной индукции. Лаборатория Теслы в Ворденклиффе была его последним местом экспериментов с 185-футовой башней с металлическими прутьями, простирающимися под землей.Сегодня на ум приходит изображение электрических болтов, идущих от вершины башни, где катушки обмениваются электрическими токами.

Эксперименты Tesla с беспроводной мощностью

В конце 19 века в работе Теслы над башней исследовалась электрическая передача с использованием радиочастотного резонанса для создания электрической энергии через две катушки для генерации высокого напряжения и высокочастотных токов. В его экспериментах использовались индуктивная и емкостная связи в ближнем поле. Индуктивное поле ближнего поля — это беспроводной физический уровень малого радиуса действия, который передает маломощное, нераспространяющееся магнитное поле между устройствами.Емкостные муфты передают мощность между двумя сетями путем смещения токов, создаваемых электрическими полями.

Tesla продемонстрировала перед толпой демонстрацию того, как лампы накаливания можно зажигать без проводов, когда они находятся рядом с катушкой. По мере продвижения своих исследований он тестировал передачу на большие расстояния с использованием LC-цепей.

Тесла продолжил свои исследования по разработке метода передачи на большие расстояния на большой высоте в Колорадо-Спрингс. Его теория заключалась в том, что воздух низкого давления, присутствующий на высоте 30 000 футов, позволит электрической передаче перемещаться на гораздо большие расстояния.Он предположил, что может использовать всю планету для проведения электричества, посылая импульсы переменного тока в землю. Наши учебники по истории на сегодняшний день не отражают, что он добился каких-либо успехов в доказательстве этой теории.

Тем не менее, он точно предсказал успех Интернета и сотовых телефонов, работающих с использованием беспроводной связи на большие расстояния. Он считал, что беспроводная передача данных может решить множество глобальных проблем, предоставляя средства мгновенной связи. «Будет сделан большой шаг к объединению и гармоничному существованию различных рас, населяющих земной шар.”

Современные приложения беспроводной технологии Tesla

Катушка

Тесла все еще используется в некоторых наших теле- и радиотехнических конструкциях, но не имеет большого практического применения. Однако его метод резонансной индуктивной связи применяется в наших беспроводных системах малого радиуса действия.

На пороге предоставления бесплатной энергии всем исследование Теслы было подавлено влиятельными людьми, которые не хотели, чтобы энергия стала бесплатным товаром. Банкиры отказали Тесле в финансировании, и его теория о всемирной передаче данных была опровергнута; однако его исследование имело такое значение, что после его смерти оно было конфисковано ФБР.

Исследования Tesla в области беспроводного электропитания по-прежнему имеют потенциал для будущих инноваций, поскольку наша технология развивается с учетом новых технологий искусственного интеллекта.

Использование беспроводного питания для персональных устройств комфорта

Разработка следующего поколения устройств для личного комфорта.

Статус: Текущий

Источники финансирования: Программа Министерства энергетики США ARPA-E DELTA (обеспечение эффективных местных тепловых удобств) Поддержка отрасли в натуральном выражении

Цель проекта

Целью этого проекта является разработка и тестирование устройств для личного комфорта с беспроводным питанием, а также работа с промышленностью над определением стратегии вывода технологий на рынок, которая обеспечит их внедрение.

Значение для промышленности

CBE продемонстрировал посредством фундаментальных испытаний на людях, что наиболее эффективными способами обеспечения персонализированного теплового комфорта для сотрудников офиса являются ступни, туловище, руки и лицо.
Основная предпосылка заключается в том, что для того, чтобы системы личного комфорта могли конкурировать с традиционными системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, люди должны чувствовать себя как можно более нормально в рабочей среде, использующей индивидуальное охлаждение и обогрев.Жильцы не должны быть запутаны шнурами или обременены батареями или задачами по зарядке батарей, чтобы достичь уровня комфорта, который они привыкли без усилий испытывать с помощью обычных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Исследовательский подход

CBE сотрудничает с Департаментом электротехники и информатики (EECS) и WiTricity для разработки и интеграции технологии высокорезонансной беспроводной передачи энергии (HRWPT) в офисные рабочие станции для беспрепятственного обеспечения местного теплового комфорта для ног, рук, лица и туловища. оккупантов.Использование HRWPT резко сократит потребление энергии и количество проводов, обеспечивая при этом личный комфорт без необходимости использования специальной одежды, больших батарей или привязного оборудования.
Используя постоянные усилия по разработке систем беспроводной зарядки для бытовой электроники в том же диапазоне мощности, команда проекта разработает и протестирует четыре различных устройства: два будут питаться от низкопрофильного напольного коврика, а два — от системы нижнего уровня для передачи энергии на два настольных устройства. Передающая система напольного коврика будет питать стельки с подогревом для пассажиров и зарядное устройство для офисного кресла с обогревом / охлаждением, работающим от аккумуляторов.Передатчики под столом будут питать нагретую / охлаждаемую подставку для запястья клавиатуры и небольшой передвижной настольный вентилятор постоянного тока.
CBE проведет подробное исследование механизмов теплопередачи и протестирует все четыре устройства на предмет эргономичности использования и теплового комфорта в диапазоне температур окружающей среды 66-79ºF и за его пределами.
Партнеры по проекту Merck (Dr. Scholl’s), Staples и Personal Comfort Systems помогут с тестированием продуктов, оценкой потребителей и целевым маркетингом.

Публикации и отчеты

  • Хойт, Т., Э. Аренс и Х. Чжан. 2014. Увеличение заданных значений температуры воздуха: моделирование энергосбережения и конструктивные соображения для новых и модернизируемых зданий. Строительство и окружающая среда . http://dx.doi.org/10.1016/j.buildenv.2014.09.010https://escholarship.org/uc/item/13s1q2xc

  • Чжан, Х., Э. Аренс, Д. Ким, Э. Бухбергер, Ф. Бауман и К. Хьюизенга, 2010. Комфорт, воспринимаемое качество воздуха и производительность в маломощной системе кондиционирования рабочей среды. Строительство и окружающая среда, 45 (1), стр. 29-39.

  • Хойт, Т., Х. Л. Кванг, Х. Чжан, Э. Аренс и Т. Вебстер, 2009. Экономия энергии за счет увеличения заданных значений температуры воздуха и уменьшения смешивания воздуха в помещении. Международная конференция по экологической эргономике , Бостон, июль.

Спутниковая солнечная беспроводная передача энергии для наземного питания базовой нагрузки: чистая энергия будущего | European Journal of Futures Research

Мировой спрос на энергию непрерывно растет, и ожидается, что к 2040 году он вырастет в несколько раз [1].Это связано с тем, что в развивающихся странах растет потребность в повседневных удобствах и количество жителей. Возникла необходимость найти источники зеленой энергии для устойчивого развития, чтобы обеспечить общество комфортом, кровом и будущей безопасностью [2]. Возникает вопрос: будет ли преобразование чистой энергии достаточно быстрым, чтобы своевременно удовлетворить мировой спрос на энергию в ближайшие десятилетия?

Есть области, такие как коммуникационные технологии и биомедицинские исследования, где трансформация происходит гораздо более быстрыми темпами, и из-за высокой конкуренции на рынках клиенты получают качественные продукты по более низкой цене [3].Можно ли ожидать такой же скорости трансформации рынка энергетических секторов? Несмотря на то, что правительства во всем мире разрабатывают политику и стимулируют преобразование чистой энергии, этого недостаточно для достижения цели [4, 5]. У умеренного преобразования энергии есть много причин. Одна из существенных проблем заключается в том, что между рынками энергетического сектора нет конкуренции или конкуренции с низкой маржой, поэтому они не беспокоятся о принятии новых технологий. В реальной энергетической системе есть структурные особенности, которые замедляют или даже предотвращают технологические изменения, поэтому есть вероятность, что преобразование энергии может не происходить в темпе, который требуется [6].Энергетическая система будущего, основанная на технологии чистой энергии, показана на рис. 1. Для стационарного использования модернизация сети с использованием возобновляемых ресурсов является основной целью. Кроме того, при использовании энергии в транспортном секторе должны использоваться альтернативы углеводородному топливу, для чего требуются недорогие электромобили с высокой эффективностью. Для модернизации энергосистемы с использованием технологий чистой энергии чрезвычайно важно влияние потребителей на поведение, и крайне необходимы совместные, открытые и глобальные междисциплинарные исследования.Обсуждение преобразования энергии затрагивает множество вопросов, которые могут быть решены только с использованием социальных наук и поведенческих исследований. Здесь мы должны понимать, что рынок энергетики неконкурентоспособен. Таким образом, они не реагируют на развитие технологий или во многих случаях не хотят трансформации [3, 4]. Потребители не беспокоятся об источнике энергии, если им придется платить один и тот же счет за электроэнергию. Идея долгосрочной выгоды все еще чужда потребителям в энергетическом секторе, поскольку они озабочены только стоимостью и надежностью [7].Таким образом, в области производства и использования энергии необходимы знания в области социальных наук. Требуется лучше понять роль общественного мнения, экономических тенденций и правительственных постановлений в развитии и внедрении чистой энергии [3,4,5].

Рис. 1

Инновации в энергетических технологиях

В стационарной энергетической системе источникам, обеспечивающим базовую нагрузку (непрерывное электроснабжение), отдается более высокий приоритет для преобразования энергии по сравнению с источниками прерывистого питания [1].К сожалению, большинство возобновляемых источников энергии, используемых для электроснабжения, нерегулярно производят электроэнергию и требуют дополнительных накопителей [8]. В последнее время большая часть промышленности и институциональной работы сосредоточена на освоении земной солнечной энергии. Исследования сосредоточены на потенциальных эффектах распределенного производства электроэнергии или интеграции в сеть как для солнечных фотоэлектрических, так и для солнечных тепловых электростанций [8]. Однако есть проблемы с освоением земной солнечной энергии.Например, солнечные фотоэлектрические и солнечные тепловые системы могут обеспечивать электроэнергией только в дневное время, а солнечное излучение исчезает в пасмурные и штормовые дни. Другой отрицательный момент солнечных панелей или солнечной тепловой энергии заключается в том, что они требуют регулярного ухода и обслуживания. В солнечной фотогальванике это ключевая проблема, потому что загрязнение и грязь могут снизить эффективность фотогальваники или выработку электроэнергии.

С другой стороны, среди доступных возобновляемых источников энергии солнечная энергия из космоса является наиболее перспективной, поскольку может обеспечить круглосуточный спрос на энергию [8].Следовательно, это подходящий источник энергии, который может способствовать устойчивому развитию человечества. Это надлежащий соискатель, который обеспечивает практическую энергию без углекислого газа, удобную для непрерывного источника питания или питания базовой нагрузки. Есть несколько преимуществ, которые побудили исследовать спутниковую солнечную электростанцию ​​(SSPS) для модернизации сети. В SSPS нет препятствий для солнечного потока со стороны окружающей среды Земли, как показано на рис. 2. SSPS представляет собой метод сбора космической солнечной энергии с использованием спутников и передачи ее на землю по беспроводной связи с использованием микроволн [9 , 10].Во многих аспектах SSPS имеет преимущества перед земной солнечной энергией из-за беспрепятственного и неискаженного солнечного излучения, доступного в космосе [9]. Кроме того, SSPS имеет трехкратное увеличение доступности энергии по сравнению с наземной солнечной энергетической системой [9].

Рис. 2

С 1970 года космическое агентство США НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) в сотрудничестве с Министерством энергетики США работает над SSPS для производства электроэнергии на Земле [11]. Совместными усилиями была разработана предложенная модель SSPS мощностью 5 ГВт при базовой нагрузке 2.Рабочая частота 45 ГГц [12]. К сожалению, из-за высокой стоимости и отсутствия финансирования исследования были приостановлены в 1980 году. После этого космические агентства по всему миру пытаются снизить предполагаемую начальную стоимость SSPS. Модель Sun Tower была предложена с множеством улучшений [12]. Интегрированный симметричный концентратор был предложен позже с высокой эффективностью сбора солнечной энергии. Несколько агентств также предложили модель с эффективным отводом тепла. Японское космическое агентство JAXA (Японское агентство аэрокосмических исследований) разрабатывает прототип модели SSPS для пилотной демонстрации в 5.Рабочая частота 8 ГГц [1].

В этой работе предлагается модель SSPS мощностью 10 ГВт для выработки электроэнергии при базовой нагрузке. Модель основана на SSPS на геостационарной орбите (36 000 км). Для сбора микроволновой энергии требуется антенна большого размера на земле. Встроенные выпрямители в наземной антенне преобразуют микроволновую энергию в электрическую. Для базовой мощности 10 ГВт из космоса создание одного блока SSPS практически невозможно. Требуется оптимизированный размер блоков меньшей мощности, которые в совокупности будут обеспечивать мощность 10 ГВт.

Провод

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *