7 причин, почему беспроводное электричество и мощные беспроводные зарядки останутся в научной фантастике

Беспроводные зарядки удобны: бросил гаджет на подставку, и ничего подключать не надо. А как здорово было бы использовать их для подзарядки электроавтомобилей!

И почему эти странные ученые до сих пор не могут воспроизвести технологию великого Тесла? Странные они, сто лет работают и результата нет.

Именно так думает почти каждый, кто задумывается современных технологиях передачи электричества. Ведь без проводов быстрее, удобней и надежнее (наверно).

На практике передача малых токов без проводов легко осуществима на малых расстояниях. Но как только требуется высокий ток, повышенная мощность работы или большое расстояние трансляции — начинаются серьезные проблемы, связанные с простейшими физическими законами.

А есть и другие трудноразрешимые задачи.

Никола Тесла — великий учитель и великий обманщик

Большая часть мифов, связанных с беспроводной передачей электричества, досталась человечеству от конспирологов и «переваренных» ими многочисленных мифов о великом сербско-американском изобретателе.

Ещё в начале двадцатого века он экспериментами в Колорадо-Спрингс показал возможность передачи электромагнитного поля на удалении, когда ему удалось зажечь лампочку на расстоянии свыше трёх километров.

Как ему это удалось? Официального ответа на этот вопрос нет, поскольку методика эксперимента осталась в тайне. А известные записи рассказывают совсем о другом.

Зато есть законы физики и впечатления очевидцев, которые говорят о невероятной мощности передатчика (по меркам времени, конечно): потрачено было намного больше энергии, чем нужно какой-то лампочке.

А поскольку цифр нет, данных нет — не миф ли это, как и многие другие его разработки? Тесла оказался величайшим мистификатором своего времени, а раскрыть это во всей красе позволяют современные «достижения».

Сегодня его труды пытаются повторить с помощью инвестиций новозеландской энергетической компании Powerco силами местного стартапа Emrod.

Согласно официальной информации, проект Emrod предусматривает беспроводную передачу энергии между приёмником и передатчиком на расстоянии прямой видимости, а это, на самом деле, могут быть десятки километров.

Созданный прототип на данный момент проходит лабораторные испытания, а затем начнутся и полевые, в которых планируется передавать ток мощностью до 2 кВт.

Заявлено, что за счёт новых радиопоглощающих материалов КПД приёмной (выпрямляющей) антенны доведён до 100%, а КПД передающей системы приближается к 70 %.

И тут-то они попались: ничто не может иметь КПД в 100%. Законы сохранения энергии и принцип причинности никто не отменял: передающаяся волна не может полностью преобразовываться в необходимый тип энергии.

В случае с электричеством и реальными инженерными устройствами все совсем печально.

Передача энергии через катушки

Самый легко реализуемый способ — использование катушек индуктивности.

Здесь принцип очень простой. Берутся 2 катушки и размещаются недалеко друг от друга. На одну из них подается питание. Другая играет роль приемника.

Когда в источнике питания регулируется или изменяется сила тока, на второй катушке магнитный поток автоматически также изменяется. Как гласят законы физики, при этом будет возникать ЭДС и она будет напрямую зависеть от скорости изменения этого потока.

Казалось бы все просто. Но недостатки портят всю радужную картинку. Минусов три:

• маленькая мощность

Данным способом вы не передадите большие объемы и не сможете подключить мощные приборы. А попытаетесь это сделать, то просто поплавите все обмотки.

• небольшое расстояние

Даже не задумывайтесь здесь о передаче электричества на десятки или сотни метров. Такой способ имеет ограниченное действие.

Чтобы физически понять, насколько все плохо, возьмите два магнита и прикиньте, как далеко их нужно развести, чтобы они перестали притягиваться или отталкиваться друг от друга. Вот примерно такая же эффективность и у катушек.

Можно конечно исхитриться и добиться того, чтобы эти два элемента всегда были близко друг от друга. Например электромобиль и специальная подзаряжающая дорога.

Но в какие суммы выльется строительство таких магистралей.

• малый КПД

Еще одна проблема это низкий КПД. Он не превышает 40%. Получается, что таким способом передать много эл.энергии на большие расстояния вы не сможете.

Тот же Н.Тесла указал на это еще в 1899г. Позже он перешел на эксперименты с атмосферным электричеством, рассчитывая в нем найти разгадку и решение проблемы.

Однако какими бы не казались бесполезными все эти штуки, с их помощью до сих пор можно устраивать красивые светомузыкальные представления.

Или подзаряжать технику гораздо большую чем телефоны. Например электрические велосипеды.

Беспроводные зарядки имеют низкое КПД

Сегодня существует три основных варианта мощности беспроводных Qi-зарядок: 5 Вт, 7,5 Вт, 10 Вт. Для сравнения, самые распространенные проводные — 5 Вт, 10 Вт и 18 Вт.

Коэффициент полезного действия проводных блоков питания, преобразующих переменный ток в постоянный с заданными параметрами, балансирует в пределах от 50 до 85%. Остальное выделяется теплом и выражается нагревом элементов электроцепи.

Минимальным условием для работы Qi хотя бы с 5 Вт — зарядное устройство на 10 Вт. Иначе ничего не выйдет, зарядка не заработает.

При этом для работы Qi с мощностью 10 Вт необходим блок питания с поддержкой QC 3.0 на 18 Вт или мощнее (чаще предлагается использовать PD на 24 Вт).

КПД преобразования составляет всего 55%.

Сама передача от зарядки к устройству тоже является источником потерь: телефон в среднем принимает 4,2 Вт из 5Вт (КПД 85%) и 9,1Вт из 10Вт (КПД около 90%).

Из 18 Вт сделать 9,1 Вт с КПД 50% — это теперь называется «зеленая экономичная энергетика»?

Неужели нет более удачных технологий? Есть. Теоретически проблема проста: повышаем напряжение, уменьшаем ток, снижаем потери.

Только в электронике аккумулятор на 4,35 В, поэтому придётся оснащать смартфон понижающим преобразователем. Который должен быть рассчитан

• на конкретные параметры зарядки
• с запасом по напряжению
• и обладать большими потерями из-за преобразования и особенностей использованных для него транзисторов

Высокомощные беспроводные интерфейсы, активно продвигаемые Xiaomi и другими китайскими брендами предлагают более высокие токи.

За счет этого, а так же дорогой электроники (и специфичного распределения себестоимости) им удаётся достичь КПД до 55-70%.

Однако им требуются высокомощные Power Delivery источники тока с мощностью 65 Вт и выше, которые сами по себе имеют достаточно высокие потери.

Поэтому чаще всего производители комплектуют Qi-зарядку собственным блоком питания. В итоге общая стоимость аксессуара на свободном рынке может достигать 20-40% от стоимости самого гаджета. Отдельно ничего не купить. Так зачем, если скорее всего с новым смартфоном придётся покупать более мощное устройство?

Магнетизм

Это фундаментальная сила природы, которая провоцирует определенные типы материала притягивать или отталкивать друг друга. Единственными постоянными магнитами считаются полюса Земли. Ток потока в контуре генерирует магнитные поля, которые отличаются от осциллирующих магнитных полей скоростью и временем, потребным для генерации переменного тока (AC). Силы, которые при этом появляются, изображает схема ниже.

Электромагнетизм – это взаимозависимость переменных электрических и магнитных полей.

Тепловые потери никто не отменял

Второй проблемой являются уже упомянутые выше тепловые потери: энергия, которая теряется в процессе преобразования электрического тока из переменного в постоянный и при передаче его на расстояние, превращается в тепловую.

Происходит нагрев. Преимущественно самого зарядного устройства, а за счет этого — и заряжаемых гаджетов.

Для обычного LiPo-аккумулятора потери даже при обычной зарядке составляют не менее 15-20%. Добавляем потери выше, характерные для беспроводной передачи — получаем очень много тепла.

Все это куда-то нужно направить и рассеять в пространстве: LiPo батареи очень боятся любого нагрева — часто достаточно 100 градусов для маленького пожара.

Ещё одна проблема кроется в устройстве беспроводной зарядке. Что это? Набор электромагнитных катушек с парой чипов, которые передают поле в такие же катушки заряжаемому гаджету.

Плохое позиционирование и разные размеры катушек увеличивают потери и нагрев, снижая скорость зарядки.

Иногда это пытаются решать магнитами (MagSafe), иногда — перемещаемыми катушками или увеличением их числа, иногда — просто отключая процесс при нагреве. Результаты неплохие, но только для малых токов.

Увеличиваем мощность передачи — получаем кратное увеличение потерь. Фактически, даже 65 Вт без точного позиционирования можно рассматривать в виде маленького пожара.

Стоит ли рисковать или оставить технологию в виде прототипа на тот момент, когда люди привыкнут использовать беспроводные зарядки?

Мощностная муфта

Эта деталь необходима, когда одно устройство не может передавать энергию на другой прибор.

Магнитная связь генерируется, когда магнитное поле объекта способно индуцировать электрический ток с другими устройствами в поле его досягаемости.

Два устройства, как говорят, взаимно индуктивно-связанной или магнитную связь, когда они выполнены так, что изменение тока при том, что один провод индуцирует напряжение на концах другого провода посредством электромагнитной индукции. Это связано с взаимной индуктивности

Беспроводное электричество взаимодействует с металлом

На самом деле существующие зарядки чуть сложнее, чем просто набор катушек: есть ещё несколько уровней защиты на уровне протокола (да-да, зарядник и гаджет общаются между собой) и схемотехники.

Один из уровней блокирует включение зарядки при попадании металлического предмета на электромагнитный передатчик.

Оказавшись над передающей индукционной катушкой, металл неизбежно начнёт нагреваться. Например, нескольких минут хватит, чтобы та же скрепка раскалилась и начала плавить пластик.

В MagSafe и автомобильных держателях магниты и их ответные металлические части лежат в стороне от катушки, поэтому взаимодействия нет.

В более сложных системах сначала нужно отладить очень точное позиционирование. Для автомобиля, дрона или розетки такое маловероятно.

Теоретически, можно подобрать частоту передачи, при которой взаимодействие будет минимальным (потребуются хитрые катушки).

Прототип решения существует и много лет тестируется. Но до серии ещё не дошло, и вряд ли это произойдёт в обозримом будущем: стоимость высокая, сложность изготовления и работы повышена.

Ко всему прочему, процесс зарядки более нестабилен.

Перспективы

В настоящее время ведутся исследования и разработки проектов строительства электромобилей. Они будут двигаться с помощью проводника, который индуцирует ток в двигателе транспортного средства.

Многие компании-новаторы разрабатывают беспроводной метод передачи электроэнергии к источникам питания, такие устройства должны обеспечивать питание всех потребителей в одном помещении. Перспективным направлением являются также новые маршруты, которые благодаря беспроводному источнику обеспечат движение летательного аппарата на значительном удалении. Новые материалы, улучшенные устройства и многое другое со временем охватят все сферы человеческой деятельности.

Вред электромагнитного излучения не доказан. И не опровергнут

Это самый интересный вопрос, на который есть конкретный ответ только с определенными устройствами и границами. Безусловно, Qi-зарядки для гаджетов совершенно безопасны.

Даже самые мощные экземпляры, доступные для покупки в рознице, работоспособны только на малом расстоянии: мощность излучения не должна превышать 50 мВт/см2 на расстоянии 20 см от зарядки.

Правда, есть тонкость: расстояние и мощность на нём лимитировано правилами Комиссий по связи (разных стран). Поскольку предположения о возможном вреде существуют, но однозначно не установлены.

Дальше излучение практически не проникает ввиду своих свойств: электромагнитное излучение катушки с током распространяется кольцеобразно, образуя замкнутый контур.

Направленное излучение требует других частот, других мощностей, других типов излучения. Вред которых, кстати, чуть более изучен.

Маломощные радиопередающие устройства, в частности, мобильные телефоны, не оказывают влияния на организм человек: эксперименты показывают отсутствие негативного влияния на организм человека.

Облучение высокомощных станций, например, радиолокаторов и базовых станций, на определенных частотах вредно в непосредственной близости от источника и может вызывать недомогания. В остальном подтвержденной информации нет.

Что будет, если значительно увеличить мощность Qi-подобной зарядки? Очевидно, все зависит от конкретных параметров тока: силы, напряжения и частоты.

Их правильный подбор осуществить можно, но из-за человеческой глупости всегда можно получить внештатную ситуацию.

А вот излюбленный гиками «метод передачи тока Теслы» прекрасно выбивает автоматы, портит технику: резонанс частоты неизбежен.

Впрочем, и тут нужно только правильно подобрать параметры для исключения взаимодействия. И надеяться, что неподходящая под новый стандарт техника не окажется между зарядкой и заряжаемым устройством.

Базовые элементы электрогенерирующей установки

Двухэлементная установка: колебательная и приемная. Первый элемент — трансформатор Тесла, который питается от микросхемы IR2153. Качер будет работать на частоте 230 килогерц, работая на микросхеме с частотой 23 килогерца. На выходе будут 2 полевых транзистора. Катушка намотана медным проводом 0,35 мм. 950 оборотов. Есть почти все подробности. Единственный недостаток — диета. В следующем видео вы можете увидеть, как получилось устройство. В этом китайском магазине продаются готовые роллы.

Другая часть диаграммы более сложна. Выйдет дороже. Используются редкие ферриты. Но игра стоит свеч. Схема полностью не соответствует привычным представлениям физики и электроники.

Чем больше источников тока, тем менее предсказуемы последствия

Наконец, ещё одна нерешенная физическая проблема: суперпозиция электромагнитных полей. Чем больше зарядных устройств и их мощность, тем дальше и больше распространяются их волны.

В какой-то момент они начнут взаимодействовать. Это не кажется проблемой, на первый взгляд.

Ровно до тех пор, пока кто-нибудь не решит поставить пару зарядок рядом, сместив вектор распространения на что-то чувствительное к электромагнитному полю.

Этим «чем-то» может быть устройство связи, кардиостимулятор, станция связи и любое другое электронное устройство.

Проблема не в том, что оно попадёт под действие одного источника — теоретически, даже мощные беспроводные зарядки можно спроектировать так, чтобы не мешать электронике.

Но при наложении волн друг на друга получится неизвестная величина, которую сложно предсказать. Нужен ли такой риск?

Кстати, судя по слухам именно это «убило» беспроводную зарядку AirPower от Apple, которая могла нести 32 катушки (слаботочных!).

«Со временем эти гармоники суммируются и в воздухе появляются очень мощные сигналы, — поясняет — А это может представлять сложность — к примеру, такое излучение может остановить чей-нибудь кардиостимулятор, если будет достаточно мощным. Или замкнуть чей-нибудь слуховой аппарат».

Уильям Лампкинс, технический вице-президент O & S Services

Если от аппарата Apple гармоники разлетались во все стороны, возможно, AirPower не смог пройти тесты регуляторов США или ЕС.

Технология

Резонансная индуктивная связь является сочетанием индуктивной связи и резонанса. Используя понятие резонанса можно заставить два объекта работать зависимо от сигналов друг друга.

Как видно из схемы выше, резонанс обеспечивает индуктивность катушки. Конденсатор подключен параллельно к обмотке. Энергия будет перемещаться назад и вперед между магнитным полем, окружающим катушку и электрическим полем вокруг конденсатора. Здесь потери на излучение будет минимальными.

Существует также концепция беспроводной ионизированной связи.

Она тоже воплотима в жизнь, но здесь необходимо приложить немного больше усилий. Эта техника уже существует в природе, но вряд ли есть целесообразность ее реализации, поскольку она нуждается в высоком магнитном поле, от 2,11 М /м [10] . Её разработал гениальный ученый Ричард Волрас, разработчик вихревого генератора, который посылает и передает энергию тепла на огромные расстояния, в частности при помощи специальных коллекторов. Самой простой пример такой связи – это молния.

Для каждого устройства нужна своя зарядка

Та же проблема с позиционированием электромагнитных катушек в итоге ведёт к следующей — отсутствие единого стандарта в отрасли.

Компании договорились использовать слаботочную Qi-технологию и унифицировали устройства. Но то Samsung, то Xiaomi выпускают модели, которые не работают с чужими зарядками на полной скорости.

Высокомощная беспроводная зарядка Xiaomi, представленная пару месяцев назад, работает только при точном попадании на базу.

И заряжает быстро батарею только до 50%, снижая мощность в последствии с 80 до 20 Вт. Причем, даже на максимальной «скорости» эффективность составляет только 65 Вт.

Эта зарядка не работает «на пониженных оборотах» с другими смартфонами — катушки имеют другой размер. По той же причине стандартные Qi-зарядки «раскачиваются» с соответствующим Mi 11 Ultra только до 10 Вт.

Нужен единый стандарт процесса, иначе инфраструктура будет работать только для одного производителя.

Даже в отношении смартфонов пользователю это не выгодно. А что говорить об автомобилях?

Особенно когда существующие прототипы от Momentum Dynamic обещают невероятные невозможные 100% КПД?

Наиболее перспективные направления

Беспроводное электричество постоянно изучается многими физиками, рассматриваются наиболее перспективные направления в этой области, к которым относятся:

1. Заряжайте мобильные устройства без подключения к кабелю;
2. Реализация электроснабжения беспилотных летательных аппаратов — направление, которое будет пользоваться большим спросом как в гражданской, так и в военной отраслях, поскольку такие устройства в последнее время используются для различных целей.

Та же процедура удаленной передачи данных без использования проводов считалась когда-то прорывом в физических и энергетических исследованиях, сейчас никого не удивляет и стала доступна каждому. Благодаря современному развитию технологий и разработок, транспортировка электроэнергии этим методом становится реальностью и может быть реализована.

Ожидание относительно короткое. Если японцы сдержат свои обещания, в 2022 году вся бытовая техника, компьютеры и портативные устройства смогут освободиться от ига проводов, поработивших человечество. Покупателю останется только принести домой, например, новый телевизор, повесить его на стену и начать смотреть фильм буквально сразу, не задумываясь над тем, на каком экране скрыть некрасивый черный шнур питания. На улицах, в квартирах, в кафе будут встроены беспроводные передатчики энергии, что позволит людям забыть о разряженных батареях. Конечно, на окончательное воплощение таких идей в жизнь уйдет целых десять лет, но у нас есть все шансы на светлое будущее. К тому же уже есть вполне функциональные технологии. Жалко, что Никола Тесла не увидит этот день…

Придётся модернизировать энергоснабжение всего мира

Наконец, существует ещё одна причина, о которой любят вспоминать только противники электромобилей. Существующий мир уже опутан проводами определенного сечения, разработанными электросетями и обустроенными электростанциями.

Любое резкое повышение потребления электроэнергии требует серьезной модернизации.

В российских новостройках промышленных городов это почти незаметно. Но представьте: в Лондоне ещё существуют дома с «пробками», запитанные от тонких линий вековой давности. Сохранились целые улицы, запитанные при личном участие Вестингауза в начале прошлого века.

А тут предлагается не просто использовать повсеместно электричество, но делать это с низким КПД, огромными тепловыми потерями.

Большинство городов к этому не готово. Потому что беспроводную зарядку все равно нужно чем-то питать — и эту линию придётся сделать ОЧЕНЬ толстой, увеличив и выработку энергии.

То есть потребуется на 50% больше ветряков, солнечных панелей — или ещё одна ТЭЦ, поскольку они плохо масштабируются.

Меры безопасности

После того, как ваш CT собран, перед запуском необходимо предпринять несколько мер предосторожности. Для начала нужно проверить проводку в помещении, куда вы планируете подключать трансформатор

Во-вторых, проверьте изоляцию обмоток.

Также стоит помнить о простейших мерах предосторожности. Напряжение вторичной обмотки в среднем составляет 700А, 15А на одного человека уже смертельно опасно

Кроме того, стоит убрать все электроприборы подальше, попав в зону действия катушки, они могут сгореть.

CT — революционное открытие своего времени, которое сегодня недооценивают. Сегодня трансформатор Tesla служит только для развлечения домашних электриков и в световых дисплеях. Сделать катушку можно самостоятельно, используя подручные средства. Вам понадобится труба из ПВХ, несколько сотен метров медного провода, пара метров медных трубок, транзистор и пара резисторов.

Самостоятельное изготовление

Итак, простейший способ изготовления катушки Теслы для чайников своими руками. Часто в интернете можно увидеть суммы, превышающие стоимость неплохого смартфона, но на деле трансформатор на 12V, который даст возможность насладиться включением светильника без использования розетки, можно собрать из кучи гаражного хлама.

Понадобится медная эмалированная проволока. Если эмалированной не найти, тогда дополнительно понадобится обычный лак для ногтей. Диаметр провода может быть от 0.1 до 0.3 мм. Чтобы соблюсти количество витков понадобиться около 200 метров. Намотать можно на обычную ПВХ-трубу диаметром от 4 до 7 см. Высота от 15 до 30 см. Также придется прикупить транзистор, например, D13007, пара резисторов и проводов. Неплохо было бы обзавестись кулером от компьютера, который будет охлаждать транзистор.

Теперь можно приступить к сборке:

1. отрезать 30 см трубы;
2. намотать на нее проволоку. Витки должны быть как можно плотнее друг к другу. Если проволока не покрыта эмалью, покрыть в конце лаком. Сверху трубы конец провода продеть через стенку и вывести наверх так, чтобы он торчал на 2 см выше поставленной трубы.;
3. изготовить платформу. Подойдет обычная плита из ДСП;
4. можно делать первую катушку. Нужно взять медную трубу 6 мм, выгнуть ее в три с половиной витка и закрепить на каркасе. Если диаметр трубки меньше, то витков должно быть больше. Ее диаметр должен быть на 3 см больше второй катушки. Закрепить на каркасе. Тут же закрепить вторую катушку;
5. способов изготовления тороида довольно много. Можно использовать медные трубки. Но проще взять обычную алюминиевую гофру и металлическую перекладину для крепления на выпирающем конце проволоки. Если проволока слишком хлипкая, чтобы удержать тороид, можно использовать гвоздь, как на картинке ниже;
6. не стоит забывать про защитное кольцо. Хотя если один конец первичного контура заземлить, от него можно отказаться;
7. когда конструкция готова, транзистор соединяется по схеме, крепится к радиатору или кулеру, далее нужно подвести питание и монтаж окончен.

В качестве питания установки многие используют обычную крону Дюрасель.

Принцип работы

Сегодня многие домашние электрики пытаются собрать трансформаторы тока, при этом не всегда понимая принцип работы трансформатора Тесла, из-за чего выходят из строя. Действительно, ТТ недалеко от обычного трансформатора.

Обмоток две: первичная и вторичная. При приложении переменного напряжения от внешнего источника к первичной обмотке вокруг нее создается магнитное поле или, как его еще называют, колебательный контур. Когда заряд пробивает искровой промежуток, энергия начинает течь через магнитное поле к вторичной обмотке, где образуется второй колебательный контур. Часть энергии, запасенной в цепи, будет представлена ​​напряжением. Его величина будет прямо пропорциональна времени формирования контура.

Поэтому в KT есть две подключенные схемы генератора, что является отличительной особенностью по сравнению с обычными трансформаторами. Их взаимодействие создает ионизирующий эффект, поэтому мы видим стримеры (молнии).