К новому миру без проводов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

«Балашовский техникум механизации сельского хозяйства»

на тему: „К новому миру без проводов“.

Выполнил: студент группы Э-31:

                                                                                                         Ойкин Е.Н.

Руководитель преподаватель:

Черкасова И.Е.

Балашов 2016 г

Содержание

1. Электроэнергия без проводов.

Питающиеся неосязаемым способом бытовые приборы, освобождённые от электрических проводов, не первый раз будоражат умы изобретателей. Но именно теперь специалисты подошли к тому, чтобы научить серийные пылесосы, торшеры, телевизоры, автомобили, имплантаты, мобильные роботы и лэптопы эффективно и безопасно получать ток из беспроводного источника.

В конце XIX века открытие того, что при помощи электричества можно заставить светиться лампочку, вызвало взрыв исследований, целью которых было найти наилучший способ передачи электроэнергии.

Во главе гонки оказался знаменитый физик и изобретатель Никола Тесла, который разработал грандиозный проект. Не в состоянии поверить в реальность создания колоссальной сети проводов, охватывающих все города, улицы, здания и комнаты, Тесла пришёл к выводу, что единственный реализуемый способ передачи - беспроводной. Он спроектировал башню высотой примерно 57 метров, которая должна была транслировать энергию на расстояние в многие километры, и даже начал строить её на Лонг-Айленде. Был проведён ряд экспериментов, но нехватка денег не позволила достроить башню. Идея с передачей энергии по воздуху рассеялась, как только оказалось, что промышленность в состоянии разработать и реализовать проводную инфраструктуру.
     Доцент кафедры физики Массачусетского Технологического Института (МИТ) Марин Солджачич (Marin Soljačić) был пробуждён от сладкого сна настойчивым пиканьем мобильного телефона. "Телефон не умолкал, требуя, чтобы я поставил его заряжаться", - рассказывает Солджачич. Уставший и не собиравшийся вставать, он стал мечтать о том, чтобы телефон, оказавшись дома, начинал заряжаться сам по себе. Солджачич взялся за исследование способов передачи энергии без проводов. Он отказался от проектов передачи энергии на дальние расстояния наподобие проекта Тесла и сосредоточился на способах передачи энергии на небольшие расстояния, которые позволяли бы заряжать или даже включать портативные устройства - мобильные телефоны, карманные компьютеры, ноутбуки. Вначале он рассматривал возможность использования радиоволн, которые столь эффективно передают информацию на расстоянии, но обнаружил, что в этом случае большая часть энергии будет рассеиваться в пространстве. Использование лазера требовало, чтобы источник энергии и подзаряжаемое устройство находились в поле зрения друг друга без каких бы то ни было препятствий между ними. Кроме того, этот метод был чреват повреждениями для объектов, оказавшихся на линии передачи. Поэтому Солджачич стал искать способ передачи, который был бы одновременно эффективен, то есть способен передавать энергию без её рассеивания, и безопасен. В конце концов он остановился на явлении резонансной связи, когда два настроенных на одну и ту же частоту объекта интенсивно обмениваются энергией между собой, при этом лишь слабо взаимодействуя с другими объектами. Классической иллюстрацией этого эффекта является опыт с несколькими бокалами, наполненными вином каждый до своего отличного от остальных уровня. В результате для каждого бокала существует уникальная частота звука, вызывающая вибрацию.

Солджачич понял, что магнитный резонанс является многообещающим способом передачи электроэнергии. Магнитное поле свободно распространяется в пространстве и, при правильно выбранных частотах, безвредно для живых существ. Работая совместно с профессорами физики МИТ Джоном Иоаннопулосом (John Joannopoulos) и Питером Фишером (Peter Fisher) и тремя студентами, он разработал простое устройство, которое без проводов зажигало 60-ваттную электрическую лампочку. Устройство состояло из двух настроенных в резонанс медных катушек, подвешенных с потолка на расстоянии примерно в два метра. Одна катушка подключалась к источнику переменного тока и создавала магнитное поле. Вторая катушка, настроенная на ту же частоту и подключённая к лампочке, резонируя в магнитном поле, генерировала зажигающий лампочку ток. Устройство работало даже когда между катушками помещали тонкую стенку.

Примечательно, что для работы установки даже не требуется наличие прямой видимости между приемником и передатчиком. В качестве опыта учение помещали между ними картонные и железные листы, однако на подачу тока это никак не повлияло. Наиболее эффективное из созданных к этому моменту устройств состоит из 60-сантиметровых медных катушек и магнитного поля частотой в 10 мегагерц. Оно позволяет передавать энергию на расстояние в два метра с 50-процентной эффективностью. Проводятся исследования с серебром и другими материалами с целью уменьшить размер катушек и увеличить эффективность. Солджачич надеется достичь 70-80 процентной эффективности передачи.

Физики из Массачусетса поясняют, что в основе принципа действия установки лежит механизм резонанса, то есть явления, которое вызывает вибрации в объекте, когда на него воздействуют энергией определенной частоты. Однако когда два объекта имеют равные показатели резонанса, то они могут обмениваться энергией, причем, абсолютно никак не воздействуя на окружающие предметы.

В природе существует масса примеров резонанса. Самый известный пример резонанса - когда несколько одинаковых стеклянных стаканов наполняются разным количеством воды, если по каждому стакану постучать металлической ложкой, то каждый стакан будет издавать уникальный звук.

Вместо акустического резонанса физики использовали в WiTricity частотный резонанс электромагнитных волн. В установке обе катушки резонируют в диапазоне частоты 10 МГц и обмениваются электроэнергией и чем дольше взаимодействие между элементами, тем больше тока прибывает приемнику. Причем, чем ниже диапазон резонирования, тем более длинноволновой диапазон в итоге получается и тем больше расстояние между приемником и передатчиком может быть.

Еще один важный фактор заключается в том, что вреда для здоровья людей данная установка не приносит, так как она работает на низких частота преимущественно в магнитном спектре.

"На магнитное взаимодействие организмы людей, насколько нам известно, не реагируют. Вот если бы частота была заметно ваше, например 2ГГц, то получился бы эффект микроволновой печи и это было бы уже совсем другое воздействие" - говорит один из разработчиков установки Марин Соладжич.

В настоящее время исследуются и ряд других способов беспроводной перезарядки аккумуляторов. Такие стартапы как Powercast, Fulton Innovation, и WildCharge начали продвижение на рынок адаптеров, позволяющих беспроводную подзарядку мобильных телефонов, MP3-плейеров и других устройств дома или в машине. Но подход Солджачича отличается тем, что он позволяет обеспечить автоматическую подзарядку устройств, как только они попадают в поле действия беспроводного передатчика.
Работа группы Солджачича привлекла внимание компаний, выпускающих электронные устройства, а также автомобильной промышленности. Исследования финансировались Министерством обороны США, рассчитывавшим получить технологию беспроводной автоматической подзарядки аккумуляторов. Однако Солджачич предпочитает не распространяться относительно возможного промышленного применения своей технологии.

2. Микроволны и лазер для передачи электрической энергии.

Компания «Митсубиши» успешно испытала прототип будущей беспроводной технологии передачи электроэнергии. На полкилометра передали 10 киловатт. Работает технология по принципу микроволновки и лазера.

Перебои в поставках электричества из-за падения деревьев, ветра и ледяного дождя на провода случаются во многих уголках Земли. Но недавно стало известно, что скоро этих досадных неприятностей можно будет избежать - появилась технология, позволяющая передавать электрическую энергию буквально по воздуху.

Всемирно известная японская компания «Митсубиши» объявила на своём официальном сайте об успешном испытании оборудования по передаче электричества без проводов - с использованием микроволн и лазера. Разработку коммерсантов поддерживают власти страны восходящего солнца.

Начатый 6 лет назад проект под названием «Космические системы солнечной энергии» призван достичь весьма амбициозной цели: обеспечить передачу на планету электричества, полученного при помощи гигантских панелей на низкой околоземной орбите (около 36 тысяч км).

Проведённые на настоящий момент испытания, конечно, далеки от конечной цели, однако всё равно впечатляют. Учёным удалось передать 10 киловатт мощности на расстояние 500 метров. Разумеется, до промышленных масштабов передачи электричества по воздуху пока далеко. Но важно, что уже сейчас исследователи доказали, что такое вообще возможно.

Открытие нового способа беспроводной передачи энергии потенциально способно перевернуть весь привычный нам мир. Человечество ещё на шаг приблизилось к открытию неисчерпаемого и малозатратного источника энергии, который в перспективе сможет решить все экологические и энергетические проблемы планеты.

Для Японии поиск альтернативных источников энергии является особенно важным. Страна сильно зависит от импорта электричества. А после аварии на АЭС Фукусима-1 в 2011 году эта проблема стала ещё более актуальной из-за прекращения использования в стране атомной энергии.

Добавим, что американское космическое ведомство НАСА занимается вопросом беспроводной передачи электроэнергии с околоземной орбиты уже несколько десятилетий. Специалисты этого американского ведомства оценивают такие проекты как маловероятные. В НАСА полагают, что пока из-за слишком больших затрат коммерчески успешными такие разработки стать не смогут.

3. Индукционные зарядные устройства.

Даже после того как беспроводное подключение к Интернету стало обыденностью, передача энергии по воздуху по-прежнему воспринимается многими как научная фантастика. Тем не менее в течение последних нескольких лет в этом направлении велись активные исследования, и сейчас первые коммерческие устройства, отучающие технику от еще одного типа проводов, доступны в продаже.

Настоящий бум этот сектор рынка пережил осенью 2009 г., когда компании одна за другой начали анонсировать устройства индуктивной зарядки. Первые образцы не были сертифицированы, поэтому поддерживали только четко ограниченный набор аппаратов. Однако теперь ситуация изменилась. В конце лета 2010 г. Wireless Power Consortium утвердил новый стандарт Qi 1.0 (читается как «чи»), который позволит осуществлять зарядку всех сертифицированных портативных продуктов. Его разработка заняла полтора года. Qi 1.0 сможет передавать до 5 Вт энергии на устройство. В настоящее время Wireless Power Consortium трудится над следующей версией Qi. Известно, что новая ревизия позволит передавать больше энергии и заряжать более «серьезную» технику, например нетбуки, ноутбуки, планшеты.

Основной принцип работы индуктивной зарядки весьма прост и основывается на электромагнитной индукции. В отличие от классических ЗУ их беспроводные аналоги вместо медного проводника используют дополнительный блок преобразования, аналогичный обычному трансформатору, что приводит к некоторому снижению эффективности. КПД этого блока, по данным разных производителей, колеблется от 50% до 90%. Wireless Power Consortium называет промежуточную цифру – 70%.

Попробуем перечислить все достоинства новой технологии.

• Удобство. Владелец телефона просто кладет аппарат на небольшую плоскую панель, не заботясь о подключении проводов и точном позиционировании устройства на передатчике.
• Универсальность. Пользователи сертифицированной техники смогут подзаряжать ее на любой модели Qi-совместимой зарядки.
• Экономность. Хотя общий КПД индуктивных зарядок и ниже, чем у традиционных, благодаря практически полному отсутствию энергопотребления при простое (0.0001 Вт) они вырываются вперед при длительной эксплуатации.

Индуктивное зарядное устройство рассчитано на возможность одновременного «подключения» нескольких аппаратов. В отличие от традиционных ЗУ для этого не понадобятся дополнительные розетки. Ну а с точки зрения эстетики отсутствие лишних проводов всегда было большим плюсом.

Доступные устройства

Energizer Qi – одна из первых моделей, соответствующая недавно принятому стандарту  Qi 1.0. Это значит, что все мобильные устройства, поддерживающие данную спецификацию, можно будет вскоре заряжать с помощью ЗУ Energizer.

В последние годы исследованиями беспроводной передачи энергии для использования в обычной технике занимались многие крупные компании. Достаточно назвать хотя бы Intel, Sony, Fujitsu, Energizer. И хотя некоторые разработки так и не вышли за пределы лабораторий, часть продуктов уже доступна на рынке. Низкая востребованность систем для беспроводной передачи энергии в Украине является следствием того, что до появления официального стандарта Qi они поддерживали не самые распространенные в нашей стране устройства: BlackBerry, iPhone, Nintendo Wii.

Массового выпуска универсальных индуктивных ЗУ, способных заряжать ноутбуки любого производителя, придется подождать еще пару лет. Однако Dell уже представила подобный аксессуар специально для модели Latitude Z

Одной из первых индуктивную зарядку представила компания Powermat. Ее модели поддерживают iPhone, iPod, BlackBerry, а с недавних пор и Droid X. Столь ограниченный перечень обусловлен тем, что изначально ни один телефон не имеет приемника для получения энергии. Он инсталлируется в смартфон позднее вместе с новой батареей и, естественно, специальные версии аккумуляторов доступны только для самых популярных моделей. Обычно батарея с ресивером немного больше предшественницы, но в общем за счет продуманного дизайна в аппарате практически не выделяется.

Компания GEAR4 использует несколько иной подход. Вместо батареи в комплектацию ее ЗУ включен специальный корпус для iPhone, который должен быть на телефоне в момент подзарядки. Прорезиненную накладку необязательно снимать после того, как аккумулятор полностью заряжен, поскольку она может выполнять обычные защитные функции.

Еще одно устройство Energizer, но на этот раз узкоспециализиро-ванное. Предназначено исключи-тельно для зарядки Nintendo Wiimote. Интересно, что оно находится в продаже уже полтора года и позволяет заряжать контроллеры, даже не снимая с них силиконовых накладок

Самое новое ЗУ Energizer Qi уже прошло сертификацию в соответствии со стандартом Qi 1.0 и может подпитывать одновременно до трех аппаратов. При этом на корпусе передатчика размещен дополнительный USB-порт, что позволяет добавить еще один.

Беспроводные системы передачи энергии существуют не только для смартфонов. Еще полтора года назад Energizer приступила к выпуску Wiimote Induction Charging System для беспроводных контроллеров для Nintendo Wii. В отличие от аналогов других производителей в данном случае даже не надо снимать силиконовые накладки с Wiimote. Стоимость перечисленных ЗУ в комплекте с батареей обычно колеблется от $50 до $150.

Несмотря на то что стандарт Qi 1.0 не предусматривает возможности передачи энергии, достаточной для подпитки крупных устройств, некоторые производители разработали соб-ственные системы для подзарядки ноутбуков. Около года назад Dell представила 16-дюймовую модель Latitu-de Z с толщиной корпуса чуть более 1,25 см и массой около 2 кг, которая умеет заряжаться без проводов, находясь на специальной подставке. Стартовая цена лэптопа составляла $3645, а сейчас в зависимости от комплектации находится в районе $2000.

Ближайшее будущее.

Очевидно, что в ближайшее время все усилия исследователей сконцентрируются на решении следующих задач: повышении КПД устройств, увеличении количества передаваемой энергии и расстояния. Также стоит ожидать, что новые модели индуктивных зарядок будут практически универсальны и смогут заряжать мыши, портативные консоли, телефоны, камеры, GPS и пр. Вероятно, в скором времени все портативные гаджеты и мобильники станут по умолчанию оснащаться Qi-совместимыми ресиверами, чтобы их не пришлось докупать вместе с новой батареей.

Fujitsu объявила о том, что в 2012 г. отправит в массовое производство следующее поколение индуктивных ЗУ, которые могут заряжать мобильные устройства в 150 раз быстрее, чем первые лабораторные образцы. При этом эффективность передачи энергии в таких моделях будет составлять как минимум 85%.

В целом, учитывая, что еще год назад Sony представила рабочий прототип системы, передающей 60 Вт энергии, а WiTriCity заявляла о наличии устройств, способных передавать энергию на 2 метра, не исключено, что подобные технологии станут привычными уже через несколько лет.

Можно заглянуть в будущее и чуть дальше – уже сейчас Nissan демонстрирует прототип ЗУ для электромобилей, способный заряжать небольшие электрокары всего за 3 часа. При этом инженеры утверждают, что эффективность подобной системы такая же или даже выше, чем у обычной проводной подзарядки машин.

Заключение.

       Из длинного перечня фантастических технических идей, реализованных сегодня, только мечта о беспроводной передаче электрической энергии продолжает оставаться неприступной.

        К некоторому сожалению приходится констатировать, что до полного отказа от проводов пройдет еще значительный отрезок времени – пока компания Intel планирует подготовить систему беспроводной подзарядки мобильных компьютеров. Когда дело дойдет до настольных компьютеров, бытовой электроники – неизвестно. Но с уверенностью можно говорить, что у новинок появится множество противников – до сих пор не утихают разговоры о возможном влиянии магнитного поля мобильных телефонов на здоровье человека, а ведь система WiTricity должна создавать гораздо более сильное и протяженное в пространстве электромагнитное поле. Тем не менее, будущее именно за подобными решениями, ведь они позволяют полностью отказаться от проводов, которые не только неудобны, но и во многих случаях сильно портят домашний интерьер.        
      Ведь на самом деле существует множество предположений, что постоянное магнитное поле опасно для человека. Сейчас из-за мобильников бьют тревогу, а что будет, когда появятся вот такие современные беспроводные дома, я боюсь представить… Хотя конечно без проводов куда комфортнее.

Список использованных источников.

1. http://ru.wikipedia.org.
2. http://ru.electrik.info.
3. http://mozgochiny.ru.
4. https://geektimes.ru.