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Transferencia de energía a distancia. Transmisión de energía inalámbrica

Cuando Apple presentó su primer cargador inalámbrico para teléfonos móviles y gadgets, muchos lo consideraron una revolución y un gran avance en los métodos de transferencia de energía inalámbrica.

Pero, ¿fueron pioneros, o incluso antes que ellos, alguien logró hacer algo similar, aunque sin el marketing y las relaciones públicas adecuados? Resulta que hubo, y hace mucho tiempo, muchos de esos inventores.

Entonces, en 1893, el famoso Nikola Tesla demostró al público asombrado el brillo de las lámparas fluorescentes. A pesar de que todos eran inalámbricos.

Ahora bien, cualquier escolar puede repetir este truco saliendo a un campo abierto y parándose con una lámpara fluorescente debajo de una línea de alto voltaje de 220 kV o más.

Un poco más tarde, Tesla logró encender una bombilla incandescente de fósforo de la misma forma inalámbrica.

En Rusia, en 1895, A. Popov mostró en funcionamiento el primer receptor de radio del mundo. Pero en general se trata también de una transferencia inalámbrica de energía.

La pregunta más importante y al mismo tiempo el problema de toda la tecnología de carga inalámbrica y métodos similares radica en dos puntos:

¿Hasta dónde se puede transmitir la electricidad de esta manera?

y que cantidad

Para empezar, averigüemos qué potencia tienen los dispositivos y electrodomésticos que nos rodean. Por ejemplo, un teléfono, un reloj inteligente o una tableta requiere un máximo de 10-12W.

El portátil ya tiene mayores exigencias: 60-80W. Esto se puede comparar con la bombilla incandescente promedio. Pero los electrodomésticos, especialmente los de cocina, ya consumen varios miles de vatios.

Por eso, es muy importante no escatimar en el número de enchufes en la cocina.

Entonces, ¿qué métodos y métodos para transmitir energía eléctrica sin el uso de cables u otros conductores ha inventado la humanidad a lo largo de todos estos años? Y lo más importante, ¿por qué todavía no se aplican tan activamente en nuestras vidas como nos gustaría?

Tome los mismos electrodomésticos de cocina. Echemos un vistazo más de cerca.

Transferir energía a través de bobinas.

El método más sencillo de implementar es utilizar inductores.

El principio aquí es muy simple. Tome 2 bobinas y colóquelas una cerca de la otra. Uno de ellos recibe alimentación. El otro desempeña el papel de receptor.

Cuando se ajusta o cambia la corriente en la fuente de energía, el flujo magnético en la segunda bobina también cambia automáticamente. Como dicen las leyes de la física, en este caso surgirá un EMF y dependerá directamente de la tasa de cambio de este flujo.

Parecería que todo es sencillo. Pero las deficiencias arruinan todo el panorama color de rosa. Tres desventajas:

baja potencia

Con este método, no transferirá grandes volúmenes y no podrá conectar dispositivos potentes. Si intentas hacer esto, simplemente derretirás todos los devanados.

corta distancia

Ni se te ocurra transmitir electricidad a lo largo de decenas o cientos de metros aquí. Este método tiene un efecto limitado.

Para comprender físicamente lo mal que están las cosas, tome dos imanes y determine a qué distancia deben estar antes de que dejen de atraerse o repelerse entre sí. La eficiencia de las bobinas es aproximadamente la misma.

Por supuesto, puedes ser creativo y asegurarte de que estos dos elementos estén siempre cerca uno del otro. Por ejemplo, un coche eléctrico y una vía de carga especial.

¿Pero cuánto costará la construcción de tales autopistas?

baja eficiencia

Otro problema es la baja eficiencia. No supera el 40%. Resulta que de esta forma no podrás transmitir mucha energía eléctrica a largas distancias.

El mismo N. Tesla lo señaló en 1899. Más tarde pasó a experimentar con electricidad atmosférica, con la esperanza de encontrar en él una pista y una solución al problema.

Sin embargo, por inútiles que parezcan todas estas cosas, con su ayuda aún puedes organizar hermosas actuaciones de luz y música.

O recargar equipos mucho más grandes que los teléfonos. Por ejemplo bicicletas eléctricas.

Transferencia de energía láser

Pero ¿cómo se puede transmitir más energía a mayor distancia? Pensemos en qué películas vemos este tipo de tecnología con mucha frecuencia.

Lo primero que le viene a la mente incluso a un escolar es Star Wars, láseres y sables de luz.

Por supuesto, con su ayuda es posible transmitir una gran cantidad de energía eléctrica a distancias muy largas. Pero nuevamente todo se estropea por un pequeño problema.

Afortunadamente para nosotros, pero desafortunadamente para el láser, la Tierra tiene atmósfera. Y simplemente hace un buen trabajo al bloquear y consumir la mayor parte de la energía total de la radiación láser. Por tanto, con esta tecnología necesitamos ir al espacio.

También ha habido intentos y experimentos en la Tierra para probar la funcionalidad del método. La NASA incluso organizó un concurso sobre transferencia inalámbrica de energía láser con un fondo de premios de poco menos de 1 millón de dólares.

Al final, ganó Laser Motive. Su resultado ganador es 1 km y 0,5 kW de potencia continua transmitida. Sin embargo, durante el proceso de transferencia, los científicos perdieron el 90% de toda la energía original.

Pero aun así, incluso con una eficiencia del diez por ciento, el resultado se consideró exitoso.

Recordemos que una simple bombilla tiene aún menos energía útil que va directamente a la luz. Por lo tanto, es rentable fabricar calentadores de infrarrojos a partir de ellos.

Microonda

¿Realmente no existe otra forma que realmente funcione de transmitir electricidad sin cables? Lo hay, y se inventó incluso antes de los intentos y juegos infantiles de Star Wars.

Resulta que las microondas especiales con una longitud de 12 cm (frecuencia de 2,45 GHz) son transparentes a la atmósfera y esto no interfiere con su propagación.

No importa lo malo que sea el tiempo, al transmitir mediante microondas, ¡sólo perderás el cinco por ciento! Pero para hacer esto, primero es necesario convertir la corriente eléctrica en microondas, luego atraparlas y devolverlas a su estado original.

Los científicos resolvieron el primer problema hace mucho tiempo. Inventaron un dispositivo especial para esto y lo llamaron magnetrón.

Además, esto se hizo de manera tan profesional y segura que hoy cada uno de ustedes tiene un dispositivo de este tipo en casa. Ve a la cocina y echa un vistazo a tu microondas.

Tiene el mismo magnetrón en su interior con una eficiencia del 95%.

¿Pero cómo hacer la transformación inversa? Y aquí se desarrollaron dos enfoques:

Americano

soviet

En Estados Unidos, allá por los años sesenta, el científico W. Brown ideó una antena que cumplía la tarea requerida. Es decir, convirtió la radiación que incide sobre él nuevamente en corriente eléctrica.

Incluso le dio su propio nombre: rectenna.

Después de la invención, siguieron los experimentos. Y en 1975, con la ayuda de una rectenna, se transmitieron y recibieron hasta 30 kW de potencia a una distancia de más de un kilómetro. Las pérdidas de transmisión fueron sólo del 18%.

Casi medio siglo después, nadie ha podido superar esta experiencia. Parecería que se ha encontrado el método, entonces, ¿por qué estas recenas no se lanzaron a las masas?

Y aquí nuevamente emergen las deficiencias. Las rectennas se ensamblaron utilizando semiconductores en miniatura. El funcionamiento normal para ellos es la transmisión de sólo unos pocos vatios de potencia.

Y si desea transferir decenas o cientos de kW, prepárese para ensamblar paneles gigantes.

Y aquí es donde surgen dificultades irresolubles. En primer lugar, esto es una reemisión.

No sólo perderás parte de tu energía por ello, sino que tampoco podrás acercarte a los paneles sin perder tu salud.

El segundo dolor de cabeza es la inestabilidad de los semiconductores de los paneles. Basta que uno se queme por una pequeña sobrecarga y el resto falle como una avalancha, como cerillas.

En la URSS todo fue algo diferente. No en vano nuestros militares confiaban en que incluso en el caso de una explosión nuclear, todos los equipos extranjeros fallarían inmediatamente, pero el equipo soviético no. Todo el secreto está en las lámparas.

En la Universidad Estatal de Moscú, dos de nuestros científicos, V. Savin y V. Vanke, diseñaron el llamado convertidor de energía ciclotrón. Tiene unas dimensiones decentes, ya que está montado según la tecnología de lámparas.

Externamente es algo así como un tubo de 40 cm de largo y 15 cm de diámetro. La eficiencia de esta unidad de lámpara es ligeramente menor que la de los semiconductores estadounidenses: hasta un 85%.

Pero a diferencia de los detectores semiconductores, un convertidor de energía ciclotrón tiene una serie de ventajas importantes:

fiabilidad

energía alta

resistencia a la sobrecarga

sin reemisión

bajo coste de fabricación

Sin embargo, a pesar de todo lo anterior, los métodos de implementación de proyectos con semiconductores se consideran avanzados en todo el mundo. Aquí también hay un elemento de moda.

Después de la aparición de los semiconductores, todo el mundo empezó a abandonar abruptamente las tecnologías de tubos. Pero las pruebas prácticas sugieren que este es a menudo un enfoque equivocado.

Por supuesto, a nadie le interesan los teléfonos móviles con tubos de 20 kg ni los ordenadores que ocupan habitaciones enteras.

Pero a veces sólo los viejos métodos probados pueden ayudarnos en situaciones desesperadas.

Como resultado, hoy tenemos tres oportunidades para transmitir energía de forma inalámbrica. El primero que se analiza está limitado tanto por la distancia como por el poder.

Pero esto es suficiente para cargar la batería de un teléfono inteligente, tableta o algo más grande. La eficiencia, aunque pequeña, sigue siendo un método de trabajo.

El primero de ellos empezó de forma muy alentadora. En la década de 2000, en la Isla de la Reunión surgió la necesidad de transmitir constantemente 10 kW de potencia a una distancia de 1 km.

El terreno montañoso y la vegetación local no permitieron el tendido de líneas eléctricas o cables aéreos allí.

Todos los movimientos en la isla hasta el momento se realizaban exclusivamente mediante helicópteros.

Para resolver el problema, se reunieron en un solo equipo las mejores mentes de diferentes países. Incluyendo a los mencionados anteriormente en el artículo, nuestros científicos de la Universidad Estatal de Moscú V. Vanke y V. Savin.

Sin embargo, en el momento en que debería haber comenzado la implementación práctica y la construcción de transmisores y receptores de energía, el proyecto fue congelado y detenido. Y con el inicio de la crisis en 2008, la abandonaron por completo.

De hecho, esto es muy decepcionante, ya que el trabajo teórico realizado allí fue colosal y digno de implementación.

El segundo proyecto parece más loco que el primero. Sin embargo, se le asignan fondos reales. La idea misma fue expresada en 1968 por el físico estadounidense P. Glaser.

Propuso una idea que no era del todo normal en ese momento: lanzar un enorme satélite a una órbita geoestacionaria a 36.000 km de la Tierra. Coloque paneles solares sobre él que recolectarán energía gratuita del sol.

Luego, todo esto debería convertirse en un haz de ondas de microondas y transmitirse al suelo.

Una especie de “estrella de la muerte” en nuestras realidades terrenas.

En tierra, el rayo debe ser captado por antenas gigantes y convertido en electricidad.

¿Qué tamaño deben tener estas antenas? Imaginemos que si el satélite tiene 1 km de diámetro, entonces el receptor en tierra debería ser 5 veces más grande: 5 km (el tamaño del Anillo de los Jardines).

Pero el tamaño es sólo una pequeña parte del problema. Después de todos los cálculos, resultó que dicho satélite generaría electricidad con una capacidad de 5 GW. Al llegar al suelo solo quedarían 2GW. Por ejemplo, la central hidroeléctrica de Krasnoyarsk produce 6 GW.

Por lo tanto, su idea fue considerada, calculada y dejada de lado, ya que inicialmente todo se reducía al precio. El coste del proyecto espacial en aquel entonces alcanzaba el billón de dólares.

Pero la ciencia, afortunadamente, no se detiene. Las tecnologías están mejorando y abaratándose. Varios países ya están desarrollando una estación espacial solar de este tipo. Aunque a principios del siglo XX, sólo una persona brillante era suficiente para la transmisión inalámbrica de electricidad.

El precio total del proyecto bajó del precio original a 25 mil millones de dólares. La pregunta sigue siendo: ¿veremos su implementación en un futuro próximo?

Desafortunadamente, nadie le dará una respuesta clara. Las apuestas sólo se hacen a la segunda mitad de este siglo. Por lo tanto, por ahora, contentémonos con los cargadores inalámbricos para teléfonos inteligentes y esperemos que los científicos puedan aumentar su eficiencia. Bueno, o al final, nacerá un segundo Nikola Tesla en la Tierra.

La transmisión inalámbrica para el suministro de electricidad tiene la capacidad de ofrecer importantes avances en industrias y aplicaciones que dependen del contacto físico del conector. Esto, a su vez, puede resultar poco fiable y conducir al fracaso. La transmisión inalámbrica de energía fue demostrada por primera vez por Nikola Tesla en la década de 1890. Sin embargo, no fue hasta la última década que la tecnología se aprovechó hasta el punto de ofrecer beneficios reales y tangibles para aplicaciones del mundo real. En particular, el desarrollo de sistemas de energía inalámbricos resonantes para el mercado de la electrónica de consumo ha demostrado que la carga inductiva aporta nuevos niveles de comodidad a millones de dispositivos cotidianos.

El poder en cuestión es ampliamente conocido por muchos términos. Incluyendo transmisión inductiva, comunicación, red inalámbrica resonante y retorno del mismo voltaje. Cada una de estas condiciones describe esencialmente el mismo proceso fundamental. Transmisión inalámbrica de electricidad o potencia desde la fuente de alimentación al voltaje de carga sin conectores a través de un espacio de aire. La base son dos bobinas: un transmisor y un receptor. El primero es excitado por una corriente alterna para generar un campo magnético, que a su vez induce un voltaje en el segundo.

¿Cómo funciona el sistema en cuestión?

Los conceptos básicos de la energía inalámbrica implican distribuir energía desde un transmisor a un receptor a través de un campo magnético oscilante. Para ello, la corriente continua suministrada por la fuente de alimentación se convierte en corriente alterna de alta frecuencia. Utilizando componentes electrónicos especialmente diseñados integrados en el transmisor. La corriente alterna activa una bobina de alambre de cobre en el dispensador, que genera un campo magnético. Cuando el segundo devanado (receptor) se coloca muy cerca. El campo magnético puede inducir una corriente alterna en la bobina receptora. Luego, la electrónica del primer dispositivo convierte la CA nuevamente en CC, que se convierte en la entrada de energía.

Circuito de transmisión de energía inalámbrica.

El voltaje de "red" se convierte en una señal de CA, que luego se envía a la bobina transmisora a través de un circuito electrónico. Al fluir a través del devanado del distribuidor se induce un campo magnético. Esto, a su vez, puede extenderse a la bobina receptora, que se encuentra relativamente cerca. Luego, el campo magnético genera una corriente que fluye a través del devanado del receptor. El proceso mediante el cual se propaga la energía entre las bobinas transmisora y receptora también se denomina acoplamiento magnético o resonante. Y esto se logra utilizando ambos devanados funcionando a la misma frecuencia. La corriente que fluye en la bobina del receptor se convierte en corriente continua mediante el circuito receptor. Luego se puede utilizar para alimentar el dispositivo.

¿Qué significa resonancia?

La distancia a la que se puede transmitir energía (o potencia) aumenta si las bobinas del transmisor y del receptor resuenan a la misma frecuencia. Al igual que un diapasón, oscila a una determinada altura y puede alcanzar una amplitud máxima. Esto se refiere a la frecuencia con la que un objeto vibra naturalmente.

Ventajas de la transmisión inalámbrica

¿Cuáles son los beneficios? Ventajas:

Reduce los costos asociados con el mantenimiento de conectores rectos (como en un anillo colector industrial tradicional);
mayor comodidad para cargar dispositivos electrónicos comunes;
transferencia segura a aplicaciones que deben permanecer herméticamente cerradas;
la electrónica puede ocultarse por completo, reduciendo el riesgo de corrosión por elementos como el oxígeno y el agua;
Entrega de energía confiable y consistente a equipos industriales giratorios y altamente móviles;
Proporciona transferencia de energía confiable a sistemas críticos en entornos húmedos, sucios y en movimiento.

Independientemente de la aplicación, eliminar la conexión física proporciona una serie de ventajas sobre los conectores de alimentación por cable tradicionales.

Eficiencia de la transferencia de energía en cuestión.

La eficiencia general de un sistema de energía inalámbrico es el factor más importante para determinar su rendimiento. La eficiencia del sistema mide la cantidad de energía transferida entre la fuente de energía (es decir, el tomacorriente de pared) y el dispositivo receptor. Esto, a su vez, determina aspectos como la velocidad de carga y el alcance de propagación.

Los sistemas de comunicación inalámbrica varían según su nivel de eficiencia en función de factores como la configuración y el diseño de la bobina y la distancia de transmisión. Un dispositivo menos eficiente generará más emisiones y dará como resultado que pase menos energía a través del dispositivo receptor. Normalmente, las tecnologías de transmisión de energía inalámbrica para dispositivos como teléfonos inteligentes pueden alcanzar un rendimiento del 70%.

¿Cómo se mide la eficiencia?

En el sentido de la cantidad de energía (en porcentaje) que se transfiere desde la fuente de energía al dispositivo receptor. Es decir, la transmisión inalámbrica de energía para un teléfono inteligente con una eficiencia del 80% significa que el 20% de la energía de entrada se pierde entre el tomacorriente y la batería del dispositivo que se está cargando. La fórmula para medir la eficiencia operativa es: productividad = corriente continua saliente, dividida por la entrante, el resultado obtenido multiplicado por 100%.

Métodos inalámbricos de transmisión de electricidad.

La energía puede propagarse a través de la red en cuestión a través de casi todos los materiales no metálicos, incluidos, entre otros. Entre ellos se incluyen sólidos como madera, plástico, textiles, vidrio y ladrillo, así como gases y líquidos. Cuando un material metálico o conductor de electricidad (es decir, se coloca muy cerca de un campo electromagnético, el objeto absorbe energía del mismo y como resultado se calienta. Esto a su vez afecta la eficiencia del sistema. Así es como funciona la cocina por inducción , por ejemplo, la transferencia ineficiente de energía desde la placa genera calor para cocinar.

Para crear un sistema de transmisión de energía inalámbrica es necesario volver al origen del tema que nos ocupa. O, más precisamente, al exitoso científico e inventor Nikola Tesla, que creó y patentó un generador capaz de tomar energía sin diversos conductores materialistas. Entonces, para implementar un sistema inalámbrico, es necesario ensamblar todos los elementos y piezas importantes, como resultado se implementará un pequeño dispositivo que crea un campo eléctrico de alto voltaje en el aire a su alrededor. Al mismo tiempo, hay una pequeña potencia de entrada, proporciona transferencia inalámbrica de energía a distancia.

Uno de los métodos más importantes de transferencia de energía es el acoplamiento inductivo. Se utiliza principalmente para campo cercano. Se caracteriza por el hecho de que cuando la corriente pasa por un cable, se induce un voltaje en los extremos del otro. La transferencia de energía se produce mediante reciprocidad entre los dos materiales. Un ejemplo común es un transformador. La transmisión de energía por microondas como idea fue desarrollada por William Brown. Todo el concepto implica convertir energía de CA en energía de RF y transmitirla en el espacio y retransmitirla a energía de CA en el receptor. En este sistema, el voltaje se genera utilizando fuentes de energía de microondas. Como el klistrón. Y esta potencia se transmite a través de una guía de ondas, que protege contra la potencia reflejada. Y también un sintonizador que iguala la impedancia de la fuente de microondas con otros elementos. La sección receptora consta de una antena. Acepta potencia de microondas y un circuito de adaptación de impedancia y filtro. Esta antena receptora, junto con el dispositivo rectificador, puede ser un dipolo. Corresponde a la señal de salida con una notificación sonora similar de la unidad rectificadora. El bloque receptor también consta de una sección similar que consta de diodos, que se utilizan para convertir la señal en una alarma de CC. Este sistema de transmisión utiliza frecuencias en el rango de 2 GHz a 6 GHz.

Transmisión inalámbrica de electricidad mediante un generador que utiliza oscilaciones magnéticas similares. La conclusión es que este dispositivo funcionó gracias a tres transistores.

Utilizar un rayo láser para transmitir potencia en forma de energía luminosa, que se convierte en energía eléctrica en el extremo receptor. El propio material recibe energía a partir de fuentes como el Sol o cualquier generador de electricidad. Y, en consecuencia, genera una luz enfocada de alta intensidad. El tamaño y la forma del haz están determinados por el conjunto de ópticas. Y esta luz láser transmitida es recibida por células fotovoltaicas, que la convierten en señales eléctricas. Suele utilizar cables de fibra óptica para la transmisión. Como en un sistema de energía solar básico, el receptor utilizado en la propagación basada en láser es un conjunto de células fotovoltaicas o un panel solar. Éstos, a su vez, pueden convertir la divagación en electricidad.

Características esenciales del dispositivo.

El poder de una bobina de Tesla proviene de un proceso llamado inducción electromagnética. Es decir, un campo cambiante crea potencial. Hace que la corriente fluya. Cuando la electricidad fluye a través de una bobina de alambre, genera un campo magnético que llena el área alrededor de la bobina de cierta manera. A diferencia de otros experimentos de alto voltaje, la bobina de Tesla resistió muchas pruebas y pruebas. El proceso requirió bastante trabajo y mucho tiempo, pero el resultado fue exitoso y, por lo tanto, el científico lo patentó con éxito. Puedes crear una bobina de este tipo si tienes ciertos componentes. Para la implementación necesitará los siguientes materiales:

longitud 30 cm PVC (cuanto más largo, mejor);
alambre de cobre esmaltado (alambre secundario);
tablero de abedul para la base;
transistor 2222A;
cable de conexión (primario);
resistencia de 22 kOhmios;
interruptores y cables de conexión;
batería de 9 voltios.

Etapas de implementación del dispositivo Tesla.

Para comenzar, debes colocar una pequeña ranura en la parte superior del tubo para envolver un extremo del cable. Enrolle la bobina lenta y cuidadosamente, teniendo cuidado de no superponer los cables ni crear espacios. Este paso es la parte más difícil y tediosa, pero el tiempo invertido producirá un carrete de muy alta calidad y buena calidad. Cada 20 vueltas aproximadamente, se colocan anillos de cinta adhesiva alrededor del devanado. Actúan como una barrera. En caso de que la bobina comience a desenredarse. Una vez terminado, envuelva un poco de cinta adhesiva gruesa alrededor de la parte superior e inferior de la envoltura y rocíela con 2 o 3 capas de esmalte.

Luego necesitas conectar la batería primaria y secundaria a la batería. Después de eso, enciende el transistor y la resistencia. El devanado más pequeño es el devanado primario y el devanado más largo es el devanado secundario. Además, puedes instalar una esfera de aluminio encima de la tubería. Además, conecta el extremo abierto del secundario al añadido, que actuará como antena. Todo debe construirse con mucho cuidado para evitar tocar el dispositivo secundario al encenderlo.

Si se utiliza de forma independiente, existe riesgo de incendio. Debe activar el interruptor, instalar una lámpara incandescente al lado del dispositivo de transmisión de energía inalámbrica y disfrutar del espectáculo de luces.

Transmisión inalámbrica mediante sistema de energía solar.

Las configuraciones tradicionales de implementación de energía por cable normalmente requieren cables entre dispositivos distribuidos y unidades de consumo. Esto crea muchas restricciones, como el coste de los cables del sistema. Pérdidas incurridas en la transmisión. Y también desperdicios en la distribución. La resistencia de la línea de transmisión por sí sola resulta en una pérdida de alrededor del 20-30% de la energía generada.

Uno de los sistemas de transmisión de energía inalámbricos más modernos se basa en la transmisión de energía solar mediante un horno microondas o un rayo láser. El satélite está colocado en órbita geoestacionaria y consta de células fotovoltaicas. Convierten la luz solar en corriente eléctrica, que se utiliza para alimentar un generador de microondas. Y, en consecuencia, se da cuenta del poder de las microondas. Este voltaje se transmite mediante comunicación por radio y se recibe en la estación base. Es una combinación de antena y rectificador. Y se convierte nuevamente en electricidad. Requiere alimentación CA o CC. El satélite puede transmitir hasta 10 MW de potencia de radiofrecuencia.

Si hablamos de un sistema de distribución de CC, incluso esto es imposible. Porque esto requiere un conector entre la fuente de alimentación y el dispositivo. Hay una imagen: un sistema completamente desprovisto de cables, donde se puede obtener alimentación de CA en los hogares sin ningún dispositivo adicional. Donde es posible cargar tu teléfono móvil sin tener que conectarlo físicamente a un enchufe. Por supuesto, un sistema así es posible. Y muchos investigadores modernos están tratando de crear algo modernizado, mientras estudian el papel del desarrollo de nuevos métodos de transmisión inalámbrica de electricidad a distancia. Aunque, desde el punto de vista del componente económico, no será del todo rentable para los estados si estos dispositivos se introducen en todas partes y la electricidad estándar se reemplaza por electricidad natural.

Orígenes y ejemplos de sistemas inalámbricos.

En realidad, este concepto no es nuevo. Toda esta idea fue desarrollada por Nicholas Tesla en 1893. Cuando desarrolló un sistema de iluminación de tubos de vacío mediante técnicas de transmisión inalámbrica. Es imposible imaginar que el mundo existiría sin diversas fuentes de carga, que se expresan en forma material. Hacer posible que teléfonos móviles, robots domésticos, reproductores de MP3, ordenadores, portátiles y otros dispositivos transportables se carguen de forma independiente, sin conexiones adicionales, liberando a los usuarios de constantes cables. Es posible que algunos de estos dispositivos ni siquiera requieran de muchos elementos. La historia de la transferencia inalámbrica de energía es bastante rica, principalmente gracias a los desarrollos de Tesla, Volta y otros. Pero hoy en día esto sigue siendo sólo un dato de la ciencia física.

El principio básico es convertir la energía CA en voltaje CC mediante rectificadores y filtros. Y luego, volver al valor original a alta frecuencia utilizando inversores. Esta energía CA de bajo voltaje y alta fluctuación luego se transfiere del transformador primario al secundario. Convierte a voltaje CC mediante un rectificador, filtro y regulador. La señal de CA se vuelve directa debido al sonido de la corriente. Y también el uso de la sección del puente rectificador. La señal de CC resultante pasa a través de un devanado de retroalimentación, que actúa como un circuito oscilador. Al mismo tiempo, obliga al transistor a conducirlo hacia el convertidor primario en dirección de izquierda a derecha. Cuando la corriente pasa a través del devanado de retroalimentación, la corriente correspondiente fluye hacia el primario del transformador en dirección de derecha a izquierda.

Así funciona el método ultrasónico de transferencia de energía. La señal se genera a través del convertidor primario para ambos semiciclos de la alarma de CA. La frecuencia del sonido depende de los indicadores cuantitativos de las oscilaciones de los circuitos del generador. Esta señal de CA aparece en el devanado secundario del transformador. Y cuando se conecta al convertidor primario de otro objeto, el voltaje de CA es de 25 kHz. A través de él aparece una lectura en el transformador reductor.

Este voltaje de CA se ecualiza mediante un puente rectificador. Y luego se filtra y regula para producir una salida de 5 V para controlar el LED. El voltaje de salida de 12 V del condensador se utiliza para alimentar el motor del ventilador de CC para operarlo. Entonces, desde el punto de vista de la física, la transmisión de electricidad es un área bastante desarrollada. Sin embargo, como muestra la práctica, los sistemas inalámbricos no están completamente desarrollados ni mejorados.

Durante muchos años, los científicos han estado luchando con la cuestión de minimizar los costes eléctricos. Existen diferentes métodos y propuestas, pero la teoría más famosa es la transmisión inalámbrica de electricidad. Proponemos considerar cómo se lleva a cabo, quién es su inventor y por qué aún no se ha implementado.

Teoría

La electricidad inalámbrica es literalmente la transferencia de energía eléctrica sin cables. La gente suele comparar la transmisión inalámbrica de energía eléctrica con la transmisión de información, como radios, teléfonos móviles o acceso a Internet Wi-Fi. La principal diferencia es que la transmisión por radio o microondas es una tecnología destinada a restaurar y transportar información, y no la energía que se gastó originalmente en la transmisión.

La electricidad inalámbrica es un área de la tecnología relativamente nueva, pero que se está desarrollando de forma bastante dinámica. Ahora se están desarrollando métodos para transmitir energía de manera eficiente y segura a distancia sin interrupción.

¿Cómo funciona la electricidad inalámbrica?

El trabajo principal se basa específicamente en el magnetismo y el electromagnetismo, como es el caso de la radiodifusión. La carga inalámbrica, también conocida como carga inductiva, se basa en unos pocos principios operativos sencillos; en particular, la tecnología requiere dos bobinas. Un transmisor y un receptor, que juntos generan un campo magnético alterno de corriente no continua. A su vez, este campo provoca un voltaje en la bobina receptora; Esto se puede utilizar para alimentar un dispositivo móvil o cargar una batería.

Si envía corriente eléctrica a través de un cable, se crea un campo magnético circular alrededor del cable. A pesar de que el campo magnético afecta tanto al bucle como a la bobina, es más pronunciado en el cable. Cuando tomamos una segunda bobina de alambre que no recibe ninguna corriente eléctrica que la atraviese, y un lugar donde colocamos una bobina en el campo magnético de la primera bobina, la corriente eléctrica de la primera bobina se transmitirá a través del campo magnético. y a través de la segunda bobina, creando un acoplamiento inductivo.

Tomemos como ejemplo un cepillo de dientes eléctrico. En él, el cargador está conectado a una toma de corriente, que envía una corriente eléctrica a un cable trenzado dentro del cargador, lo que crea un campo magnético. Hay una segunda bobina dentro del cepillo de dientes, cuando la corriente comienza a fluir y, gracias al MF formado, el cepillo comienza a cargarse sin estar conectado directamente a una fuente de alimentación de 220 V.

Historia

La transmisión inalámbrica de energía, como alternativa a la transmisión y distribución de líneas eléctricas, fue propuesta y demostrada por primera vez por Nikola Tesla. En 1899, Tesla presentó la transmisión inalámbrica de energía a un campo de lámparas fluorescentes ubicadas a veinticinco millas de la fuente de energía sin el uso de cables. Pero en ese momento, era más barato cablear 40 kilómetros de alambre de cobre en lugar de construir los generadores de energía especiales que requería la experiencia de Tesla. Nunca recibió una patente y el invento quedó en lo más recóndito de la ciencia.

Si bien Tesla fue el primero en demostrar las capacidades prácticas de la comunicación inalámbrica en 1899, hoy en día hay muy pocos dispositivos a la venta, como cepillos inalámbricos, auriculares, cargadores de teléfonos y similares.

Tecnología inalámbrica

La transferencia de energía inalámbrica implica la transferencia de energía eléctrica o potencia a distancia sin cables. Así, la tecnología central se basa en los conceptos de electricidad, magnetismo y electromagnetismo.

Magnetismo

Es una fuerza fundamental de la naturaleza que hace que ciertos tipos de materiales se atraigan o se repelan entre sí. Los únicos imanes permanentes son los polos de la Tierra. La corriente de flujo en el bucle genera campos magnéticos que se diferencian de los campos magnéticos oscilantes en la velocidad y el tiempo necesarios para generar corriente alterna (CA). Las fuerzas que aparecen en este caso se representan en el siguiente diagrama.

Así aparece el magnetismo

El electromagnetismo es la interdependencia de campos eléctricos y magnéticos alternos.

Inducción magnética

Si el bucle conductor está conectado a una fuente de alimentación de CA, generará un campo magnético oscilante dentro y alrededor del bucle. Si el segundo circuito conductor está lo suficientemente cerca, captará parte de este campo magnético oscilante, que a su vez genera o induce una corriente eléctrica en la segunda bobina.

Vídeo: cómo se produce la transmisión inalámbrica de electricidad.

Así, se produce una transferencia eléctrica de potencia de un ciclo o bobina a otro, lo que se conoce como inducción magnética. Ejemplos de este fenómeno se utilizan en transformadores y generadores eléctricos. Este concepto se basa en las leyes de inducción electromagnética de Faraday. Allí, afirma que cuando hay un cambio en el flujo magnético que se conecta a una bobina, la fem inducida en la bobina es igual al producto del número de vueltas de la bobina y la tasa de cambio del flujo.

Acoplamiento de potencia

Esta parte es necesaria cuando un dispositivo no puede transmitir energía a otro dispositivo.

El acoplamiento magnético se genera cuando el campo magnético de un objeto es capaz de inducir una corriente eléctrica con otros dispositivos dentro de su alcance.

Se dice que dos dispositivos están mutuamente acoplados inductivamente o magnéticamente cuando están dispuestos de manera que un cambio en la corriente cuando un cable induce un voltaje en los extremos del otro cable por medio de inducción electromagnética. Esto se debe a la inductancia mutua.

Tecnología

Principio de acoplamiento inductivo

Dos dispositivos, mutuamente acoplados inductivamente o magnéticamente, están diseñados de manera que el cambio de corriente cuando un cable induce un voltaje en los extremos del otro cable se produce por inducción electromagnética. Esto se debe a la inductancia mutua.
Se prefiere el acoplamiento inductivo debido a su capacidad de funcionar de forma inalámbrica y a su resistencia a los golpes.

El acoplamiento inductivo resonante es una combinación de acoplamiento inductivo y resonancia. Utilizando el concepto de resonancia, puedes hacer que dos objetos funcionen dependiendo de las señales de cada uno.

Como puede verse en el diagrama anterior, la resonancia la proporciona la inductancia de la bobina. El condensador está conectado en paralelo al devanado. La energía se moverá de un lado a otro entre el campo magnético que rodea la bobina y el campo eléctrico que rodea el condensador. Aquí las pérdidas por radiación serán mínimas.

También existe el concepto de comunicación ionizada inalámbrica.

También se puede implementar, pero requiere un poco más de esfuerzo. Esta técnica ya existe en la naturaleza, pero es poco factible implementarla, ya que requiere un campo magnético elevado, a partir de 2,11 M/m. Fue desarrollado por el brillante científico Richard Walras, quien desarrolló un generador de vórtices que envía y transmite energía térmica a grandes distancias, en particular con la ayuda de colectores especiales. El ejemplo más simple de tal conexión es el rayo.

Pros y contras

Por supuesto, esta invención tiene sus ventajas y desventajas sobre los métodos cableados. Te invitamos a considerarlos.

Las ventajas incluyen:

Ausencia total de cables;
No se requieren fuentes de alimentación;
Se elimina la necesidad de una batería;
La energía se transfiere de manera más eficiente;
Se requiere mucho menos mantenimiento.

Las desventajas incluyen las siguientes:

La distancia es limitada;
los campos magnéticos no son tan seguros para los humanos;
la transmisión inalámbrica de electricidad mediante microondas u otras teorías es prácticamente imposible en casa y con tus propias manos;
Alto costo de instalación.

Los científicos han estado estudiando la cuestión de la transmisión de electricidad sin cables durante el tercer siglo. Últimamente no es que la cuestión no haya perdido su actualidad, sino que, por el contrario, ha dado un paso adelante, lo cual es grato. Decidimos contarles a los lectores del sitio en detalle cómo se ha desarrollado la transmisión inalámbrica de electricidad a distancia desde el principio hasta el día de hoy, así como qué tecnologías ya se utilizan en la práctica.

Historia del desarrollo

La transmisión de electricidad a distancia sin cables se desarrolla de la mano del progreso en el campo de la transmisión por radio, porque el principio de funcionamiento en estos fenómenos es en muchos aspectos similar, si no el mismo. La mayoría de los inventos se basan en el método de inducción electromagnética, así como en campos electrostáticos.

En 1820 a.m. Ampere descubrió la ley de interacción de las corrientes, que era que si una corriente fluye a través de dos conductores ubicados muy cerca en la misma dirección, entonces se atraen entre sí, y si están en conductores diferentes, se repelen.

M. Faraday en 1831 estableció en el proceso de realización de experimentos que un campo magnético alterno (que cambia en magnitud y dirección con el tiempo) generado por el flujo de corriente eléctrica induce corrientes en conductores cercanos. Aquellos. La electricidad se transmite de forma inalámbrica. Discutimos esto en detalle en el artículo anterior.

Bueno, J.C. Maxwell, 33 años después, en 1864, tradujo los datos experimentales de Faraday a forma matemática; las ecuaciones de Maxwell en sí mismas son fundamentales en electrodinámica. Describen cómo se relacionan la corriente eléctrica y el campo electromagnético.

La existencia de ondas electromagnéticas fue confirmada en 1888 por G. Hertz, durante sus experimentos con un transmisor de chispa con un helicóptero en una bobina de Ruhmkorff. De esta forma se produjeron ondas electromagnéticas con frecuencias de hasta medio gigahercio. Vale la pena señalar que estas ondas pueden ser recibidas por varios receptores, pero deben sintonizarse en resonancia con el transmisor. El radio de la instalación rondaba los 3 metros. Cuando se producía una chispa en el transmisor, ocurría lo mismo en los receptores. De hecho, estos son los primeros experimentos de transmisión de electricidad sin cables.

El famoso científico Nikola Tesla llevó a cabo una investigación en profundidad. En 1891 estudió la corriente alterna de alto voltaje y frecuencia. Como resultado, se sacaron las siguientes conclusiones:

Para cada propósito específico, es necesario configurar la instalación a la frecuencia y voltaje adecuados. Sin embargo, la alta frecuencia no es un requisito previo. Los mejores resultados se lograron con una frecuencia de 15-20 kHz y una tensión de transmisión de 20 kV. Para obtener una corriente de alta frecuencia y voltaje, se utilizó una descarga oscilatoria de un capacitor. De esta forma, es posible transmitir electricidad y producir luz.

En sus discursos y conferencias, el científico demostró el brillo de las lámparas (tubos de vacío) bajo la influencia de un campo electrostático de alta frecuencia. De hecho, las principales conclusiones de Tesla fueron que incluso si se utilizan sistemas resonantes, no será posible transferir mucha energía mediante una onda electromagnética.

Paralelamente, varios científicos se dedicaron a investigaciones similares hasta 1897: Jagdish Bose en la India, Alexander Popov en Rusia y Guglielmo Marconi en Italia.

Cada uno de ellos contribuyó al desarrollo de la transmisión de energía inalámbrica:

J. Boche en 1894 encendió pólvora, transmitiendo electricidad a distancia sin cables. Lo hizo en una manifestación en Calcuta.
A. Popov transmitió el primer mensaje en código Morse el 25 de abril (7 de mayo de 1895). En Rusia, este día, 7 de mayo, sigue siendo el Día de la Radio.
En 1896, G. Marconi en Gran Bretaña también transmitió una señal de radio (código Morse) a una distancia de 1,5 km, más tarde 3 km en la llanura de Salisbury.

Vale la pena señalar que el trabajo de Tesla, subestimado en su tiempo y perdido durante siglos, fue superior en parámetros y capacidades al trabajo de sus contemporáneos. Al mismo tiempo, concretamente en 1896, sus dispositivos transmitían señales a largas distancias (48 km), desafortunadamente se trataba de una pequeña cantidad de electricidad.

Y en 1899 Tesla llegó a la conclusión:

La inconsistencia del método de inducción parece enorme en comparación con el método de excitación de la carga de la tierra y el aire.

Estos hallazgos darían lugar a otras investigaciones; en 1900 logró alimentar una lámpara a partir de una bobina colocada en un campo, y en 1903 se inauguró la Torre Wondercliffe en Long Island. Consistía en un transformador con un devanado secundario conectado a tierra y encima había una cúpula esférica de cobre. Con su ayuda fue posible encender 200 lámparas de 50 vatios. Al mismo tiempo, el transmisor se encontraba a 40 km del mismo. Lamentablemente, estos estudios se interrumpieron, se suspendió la financiación y la transmisión gratuita de electricidad sin cables no resultó económicamente rentable para los empresarios. La torre fue destruida en 1917.

Estos días

Las tecnologías de transmisión inalámbrica de energía han logrado grandes avances, principalmente en el campo de la transmisión de datos. Así, las comunicaciones por radio y las tecnologías inalámbricas como Bluetooth y Wi-Fi han logrado un éxito significativo. No hubo innovaciones especiales, principalmente cambiaron las frecuencias y los métodos de cifrado de la señal, la presentación de la señal pasó de la forma analógica a la digital.

Si hablamos de transmitir electricidad sin cables para alimentar equipos eléctricos, cabe mencionar que en 2007, investigadores del Instituto de Massachusetts transmitieron energía a más de 2 metros y de esta forma encendieron una bombilla de 60 vatios. Esta tecnología se llama WiTricity y se basa en la resonancia electromagnética del receptor y el transmisor. Vale la pena señalar que el receptor recibe entre el 40 y el 45% de la electricidad. En la siguiente figura se muestra un diagrama general de un dispositivo para transmitir energía a través de un campo magnético:

El vídeo muestra un ejemplo del uso de esta tecnología para cargar un vehículo eléctrico. La idea es colocar un receptor en la parte inferior del vehículo eléctrico y instalar un transmisor en el suelo de un garaje u otro lugar.

Debe colocar el automóvil de manera que el receptor quede colocado encima del transmisor. El dispositivo transmite de forma inalámbrica bastante electricidad: de 3,6 a 11 kW por hora.

En el futuro, la empresa está considerando suministrar electricidad con esta tecnología a los electrodomésticos, así como a todo el apartamento en su conjunto. En 2010, Haier presentó un televisor inalámbrico que recibe energía mediante tecnología similar, así como señales de video de forma inalámbrica. Otras empresas líderes como Intel y Sony están llevando a cabo avances similares.

Las tecnologías de transmisión inalámbrica de energía están muy extendidas en la vida cotidiana, por ejemplo, para cargar un teléfono inteligente. El principio es similar: hay un transmisor, hay un receptor, la eficiencia es aproximadamente del 50%, es decir, Para cargar con una corriente de 1A, el transmisor consumirá 2A. El transmisor en estos kits generalmente se llama base y la parte que se conecta al teléfono se llama receptor o antena.

Otro nicho es la transmisión inalámbrica de electricidad mediante microondas o láser. Esto proporciona un alcance mayor que el par de metros que proporciona la inducción magnética. En el método de microondas, se instala una reccena (una antena no lineal para convertir una onda electromagnética en corriente continua) en el dispositivo receptor y el transmisor dirige su radiación en esta dirección. En esta versión de transmisión inalámbrica de electricidad, no hay necesidad de visibilidad directa de los objetos. La desventaja es que la radiación de microondas no es segura para el medio ambiente.

En conclusión, me gustaría señalar que la transmisión inalámbrica de electricidad es ciertamente conveniente para su uso en la vida cotidiana, pero tiene sus pros y sus contras. Si hablamos del uso de este tipo de tecnologías para cargar dispositivos, la ventaja es que no es necesario insertar y quitar constantemente el enchufe del conector de su teléfono inteligente y, por lo tanto, el conector no fallará. La desventaja es la baja eficiencia; si para un teléfono inteligente las pérdidas de energía no son significativas (varios vatios), entonces para la carga inalámbrica de un automóvil eléctrico esto es un problema muy grande. El principal objetivo del desarrollo de esta tecnología es aumentar la eficiencia de la instalación, ya que en el contexto de la carrera generalizada por el ahorro energético, el uso de tecnologías de baja eficiencia es muy dudoso.

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