Анализ возможностей беспроводной передачи

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Объект исследования: технологии беспроводной передачи электроэнергии, устройство для беспроводной передачи электроэнергии методом электромагнитной индукции.

Результаты, полученные лично авторами: проанализированы различные технологии беспроводной передачи электроэнергии, проведен эксперимент по беспроводной передаче энергии методом электромагнитной индукции и обобщены его результаты.

Беспроводная передача электрической энергии (БПЭЭ) на сегодняшний день актуальная задача, так как потребление электрической энергии растёт, затраты на её передачу увеличиваются, а при помощи БПЭЭ можно сэкономить средства на передачу и приём электрической энергии от источника к потребителю. Техническим результатом является создание способа и устройства для передачи электрической энергии без проводов и снижение затрат на передачу электроэнергии за счет исключения таких элементов как линия электропередачи, провода, изоляторы, кабели и подстанции. Мы опирались на потребности и возрастающий интерес человека к БПЭЭ.

В ходе работы были рассмотрены следующие методы БПЭЭ: ультразвуковой, метод электромагнитной индукции, микроволновое излучение, лазерный метод, магнитно-резонансная система.

Ультразвуковой метод, как и другие способы беспроводной передачи чего-либо, использует приёмник и передатчик. Передатчик излучает ультразвук, приёмник, в свою очередь, преобразует слышимое в электричество. При этом расстояние передачи достигает 7-10 метров, а передаваемое напряжение достигает 8 вольт. Недостатком метода является необходимость прямая видимость приёмника и передатчика.

При беспроводной передаче энергии методом электромагнитной индукции используется ближнее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны. Благодаря электромагнитной индукции, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создаёт переменное магнитное поле, которое действует на вторичную обмотку, индуцируя в ней ЭДС. Для достижения высокой эффективности взаимодействие должно быть достаточно тесным. По мере удаления вторичной обмотки от первичной, все большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. Даже на относительно небольших расстояниях индуктивная связь становится малоэффективной. Использование резонанса несколько увеличивает дальность передачи.

Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной, значительно увеличив расстояние эффективной передачи энергии путём уменьшения длины волны электромагнитного излучения, как правило, до микроволнового диапазона. Беспроводная передача энергии высокой мощности с использованием микроволн подтверждена экспериментально, достигнута передача энергии на расстояние порядка одного километра. Недостатком технологии является сложность создания энергетического микроволнового узконаправленного луча.

В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к видимой области спектра (от 10 мкм до 10 нм), энергию можно передать путём её преобразования в луч лазера, который затем может быть направлен на фотоэлемент приёмника. К преимуществам лазерной передачи можно отнести удобство применения для небольших изделий, передачу энергии на большие расстояния, отсутствие радиочастотных помех для существующих средств связи, таких, как Wi-Fi и сотовые телефоны, возможность контроля доступа. К недостаткам можно отнести потери в атмосфере, необходимость прямой видимости между передатчиком и приёмником, преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, что неэффективно. Преобразование света обратно в электричество также неэффективно, так как КПД фотоэлементов достигает 40-50 %.

В настоящее время самой совершенной технологией передачи энергии считается магнитно-резонансная система CMRS. Она обеспечивает передачу тока на расстояние 2,1 метра. Недостатки: сложная конфигурация катушек, большие размеры, высокая частота передачи и слишком высокая чувствительность к внешним помехам, таким как присутствие человека.

Резонансная система из дипольных катушек DCRS работает на расстоянии до 5 метров между приёмником и передатчиком. Здесь используются довольно компактные катушки 10х20х300 см. При работе с мощностью на 100 Вт кпд равняется 36,9% на 3 м, 18,7% на 4 м и 9,2% на 5 м.

В данной работе был проведен эксперимент по реализации беспроводной передачи электроэнергии методом электромагнитной индукции. Были изготовлены две одинаковых катушки, одна из которых подключалась к низкочастотному генератору, а к другой подключалась нагрузка.

В ходе эксперимента анализировалась эффективность передачи электроэнергии на различных частотах при различных расстояниях между катушками.

Диапазон частот, на котором беспроводная передача электроэнергии оказалась наиболее эффективной, составил 0.15 - 1 МГц. Расстояние между катушками соответствующее эффективной энергопередачи не превышало их диаметр. Дальнейшее увеличение расстояния приводило к значительному снижению эффективности.

Материал поступил в редколлегию 24.04.2017

УДК 658.011.56

А.В. Кудяков

Научный руководитель: старший преподаватель кафедры «Электронные,

радиоэлектронные и электротехнические системы», А.Н.Школин

kudyakov12@mail.ru