ВОПРОСЫ, ПРОБЛЕМЫ И ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ С ПОМОЩЬЮ ВОЛН СВЧ ДИАПАЗОНА

В наш век информационных технологий наблюдается растущий тренд на мобилизацию техники и переход от стационарных устройств на любой возможный вид переносных аппаратов. Однако далеко не каждая аккумуляторная батарея способна осуществлять питание нагрузки сколь угодно продолжительное время, а если это и возможно, то размеры батареи представляют серьёзную проблему для мобильности устройства. Решением данной проблемы является технологии беспроводной передачи энергии, а именно беспроводная передача энергии для зарядки аккумуляторов.

В связи с этим в последнее десятилетие всё больше компаний обращают свои взоры на разработку устройств беспроводной передачи энергии, в частности, для зарядки аккумуляторов без проводов. [1]

Понятие «беспроводная передача энергии» является собирательным термином, который относится к ряду технологий для передачи энергии с помощью электромагнитных полей принципиально разными способами. Такие технологии, прежде всего, характеризуются расстоянием, на которое они могут передавать мощность с максимальной эффективностью, а также используемым типом электромагнитной энергии: изменяющееся во времени электрические и магнитные поля, радиоволны, сверхвысокочастотные (СВЧ) излучения и видимые световые волны.

Рисунок 1. Существующие методы беспроводной передачи энергии

Рассматривая методы беспроводной передачи энергии, можно утверждать, что схема осуществления передачи энергии основана на передающем элементе (антенна или связанные катушки), подключенного к источнику питания, и принимающем элементе, подключенного на нагрузку.

Рисунок 2. Общая схема беспроводной передачи энергии

Из рассчётов учёных можно сделать вывод, что наиболее эффективная передача энергии осуществляется при использовании малых длин волн. Из приведённых выше схемы ясно, что для описанных целей больше всего подходит СВЧ диапазон волнового спектра. [2, с. 3-15]

В микроволновом диапазоне для передачи энергии используется ректенна – устройство по принципу действия обратное излучающей антенне. Ректенна позволяет преобразовывать энергии с КПД до 95%. Данный способ планируется применять для передачи энергии космическим и орбитальным аппаратам.

Уходя в более высокий диапазон частот, ученые нашли еще один способ беспроводной передачи энергии – лазерный. Он заключается в передаче энергии посредством светового луча и последующего его преобразования в электричество в фотодетекторе. К преимуществам относится высокая фокусировка луча, а к недостаткам – низкий КПД.

Наиболее понятной большинству людей сферой применения беспроводной передачи энергии является зарядка аккумуляторов интеллектуальных гаджетов, таких как смартфоны, планшеты, ноутбуки и другие. Зачастую пользователь сталкивается с проблемой замены старого зарядного устройства, кроме этого, провода занимают пространство в помещении, использование которого и без этого ограничено, поэтому широкое внедрение универсального зарядного устройства освободит пользователей от подобного рода проблем.

Особо стоит отметить, что технологии беспроводной передачи энергии могут применяться не только в беспроводной зарядке аккумуляторных батарей мобильных устройств, но и в промышленной отрасли: заряд аккумуляторов транспортных средств, имплантируемых устройств в медицине, в военной технике, в качестве источника энергии для светодиодного освещения в помещении и многое др. В медицине использование разнообразных имплантируемых устройств в сердце человека требует со временем их подзарядки. Такими устройствами являются кардиостимуляторы, инфузионные насосы и другие, поэтому широкое внедрение беспроводных систем зарядки для замены элементов питания в таких устройствах, позволяет отказаться от хирургического вмешательства.

Технология беспроводной передачи также может применяться в технике военного назначения для повышения надежности, безопасности электронных устройств и эргономичности. Примером подобного использования данной технологии являются военные каски, в которых электронные устройства питаются от батарей, расположенных в специальном жилете солдата, что исключает необходимость соединения проводов или одноразовых батарей, а также радиоуправляемые машины-саперы и различного рода беспилотники.

Однако высокий КПД микроволновой технологии беспроводной передачи энергии оплачивается высокой комплексностью устройств приёмников и передатчиков. В СВЧ диапазоне существует атмосферное «окно», в котором ослабление энергии минимально. Но приемная часть энергии очень сложна и требует разработки современных компонент антенны. [5]

Сложность заключается в том, что для использования микроволнового передающего излучения в космических программах из-за дифракции, ограничивающей направленность антенны, необходима диафрагма большого размера. Например, согласно исследованию НАСА 1978 года, для микроволнового луча частотой 2,45 ГГц понадобится передающая антенна диаметром в 1 км, а приёмной ректенны диаметром в 10 км.

Эти размеры могут быть снижены путём использования более коротких длин волн, однако короткие волны могут поглощаться атмосферой, а также блокироваться дождем или каплями воды.

Для применения на Земле антенна диаметром 10 км позволит достичь значительного уровня мощности при сохранении низкой плотности пучка, что важно по соображениям безопасности для человека и окружающей среды. Безопасный для человека уровень плотности мощности составляет 1 мВт/кв. см, что на площади круга диаметром 10 км соответствует мощности в 750 МВт. Этот уровень соответствует мощности современных электростанций. [4]

Авторами проекта предполагается экспериментальная проверка возможностей передачи энергии с помощью волн СВЧ-диапазона. В рамках кафедры физик ПГУТИ авторам выделяется аудитория и установки для экспериментов, а также еженедельные брифы и консультации с научным руководителем.

Впоследствии планируется разработка проекта по решению проблем беспроводной передачи энергии с помощью микроволн, либо переход на один из других ранее перечисленных способов беспроводной передачи, разработка соответствующего устройства и коммерциализация проекта.

Список литературы:

1. Агрегатор статей естественно-научной тематики [электронный ресурс], сайт – URL: http://biofile.ru/bio/3848.html (дата посещения: 04.12.2016);
2. Автореферат Беспроводная передача энергии: Автореф. вып. квал. раб. – Томск, 2016 – 49 с.;
3. Андронов Е.В., Глазов Г.Н. Теоретический аппарат измерений на СВЧ – НПФ «Микран», 2010 – С. 1-44;
4. Википедия – свободная интернет энциклопедия [электронный ресурс], сайт – URL: http://qoo.by/K2v (дата посещения: 04.12.2016)
5. Electrik INFO – сайт электрика [электронный ресурс], сайт – URL: http://electrik.info/main/fakty/673-besprovodnaya-peredacha-elektroenergii-trudnaya-istoriya-stanovleniya.html (дата посещения: 04.12.2016)