Μέθοδοι ασύρματης μετάδοσης ισχύος

Ο νόμος της αλληλεπίδρασης των ηλεκτρικών ρευμάτων, που ανακαλύφθηκε από τον Andre Marie Ampere το 1820, έθεσε τα θεμέλια για την περαιτέρω ανάπτυξη της επιστήμης της ηλεκτρικής ενέργειας και του μαγνητισμού. Μετά από 11 χρόνια, ο Michael Faraday απέδειξε πειραματικά ότι ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο που παράγεται από ένα ηλεκτρικό ρεύμα είναι ικανό να προκαλέσει ηλεκτρικό ρεύμα σε άλλο αγωγό. Έτσι δημιουργήθηκε πρώτου ηλεκτρικού μετασχηματιστή.

Το 1864 ο James Clerk Maxwell συστηματοποίησε τελικά τα πειραματικά δεδομένα του Faraday, δίνοντάς τους τη μορφή ακριβών μαθηματικών εξισώσεων, χάρη στις οποίες δημιουργήθηκε η βάση της κλασσικής ηλεκτροδυναμικής, διότι αυτές οι εξισώσεις περιγράφουν τη σχέση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου με τα ηλεκτρικά ρεύματα και τα φορτία και η συνέπεια αυτού είναι η ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Το 1888, ο Heinrich Hertz επιβεβαίωσε πειραματικά την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που προέβλεπε ο Maxwell. Ο πομπός του με ένα τρυπάνι βασισμένο σε ένα πηνίο Rumkorff θα μπορούσε να παράγει ηλεκτρομαγνητικά κύματα με συχνότητα μέχρι 0,5 gigahertz, τα οποία θα μπορούσαν να ληφθούν από πολλούς δέκτες συντονισμένους σε συντονισμό με τον πομπό.

Οι δέκτες θα μπορούσαν να τοποθετηθούν σε απόσταση μέχρι 3 μέτρα, και όταν εμφανίστηκε ένας σπινθήρας στον πομπό, εμφανίστηκαν επίσης σπινθήρες στους δέκτες. Έτσι έγιναν πρώτα πειράματα στην ασύρματη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Το 1891 Νικόλα Τέσλα, ενώ μελετά εναλλασσόμενα ρεύματα υψηλής τάσης και υψηλής συχνότητας, καταλήγει στο συμπέρασμα ότι είναι εξαιρετικά σημαντικό να επιλέγουμε τόσο το μήκος κύματος όσο και την τάση λειτουργίας του πομπού για ειδικούς σκοπούς και δεν είναι απαραίτητο να κάνουμε τη συχνότητα πολύ υψηλή.

Ο επιστήμονας σημειώνει ότι το κατώτατο όριο συχνοτήτων και τάσεων στις οποίες κατά τη στιγμή εκείνη ήταν σε θέση να επιτύχει τα καλύτερα αποτελέσματα είναι από 15.000 έως 20.000 ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο με δυναμικό 20.000 βολτ. Ο Tesla έλαβε ένα ρεύμα υψηλής συχνότητας και υψηλής τάσης χρησιμοποιώντας μια ταλαντωτική εκφόρτιση ενός πυκνωτή (βλ. Μετασχηματιστής Tesla) Σημείωσε ότι αυτός ο τύπος ηλεκτρικού πομπού είναι κατάλληλος τόσο για την παραγωγή φωτός όσο και για τη μετάδοση ηλεκτρικού ρεύματος για την παραγωγή φωτός.

Κατά την περίοδο από το 1891 έως το 1894 ο επιστήμονας κατέδειξε επανειλημμένα την ασύρματη μετάδοση και τη λάμψη των σωλήνων κενού σε ένα ηλεκτροστατικό πεδίο υψηλής συχνότητας, σημειώνοντας ότι η ενέργεια του ηλεκτροστατικού πεδίου απορροφάται από τη λάμπα μετατρέπεται σε φως και την ενέργεια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που χρησιμοποιείται για την ηλεκτρομαγνητική επαγωγή. Το αποτέλεσμα αντανακλάται κυρίως και μόνο ένα μικρό κλάσμα του μετατρέπεται σε φως.

Ακόμη και η χρήση συντονισμού στη μετάδοση με ηλεκτρομαγνητικό κύμα, δεν μπορεί να μεταδοθεί σημαντική ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας, ισχυρίστηκε ο επιστήμονας. Ο στόχος του κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου εργασίας ήταν να μεταφέρει με ακρίβεια μια μεγάλη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας ασύρματα.

Μέχρι το 1897, παράλληλα με το έργο του Tesla, διεξήχθη έρευνα για τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα από τους: Jagdish Boche στην Ινδία, Alexander Popov στη Ρωσία και Guglielmo Marconi στην Ιταλία.

Μετά τις δημόσιες διαλέξεις του Tesla, ο Jagdish Bose μιλάει τον Νοέμβριο του 1894 στην Καλκούτα με μια επίδειξη ασύρματης μετάδοσης ηλεκτρισμού, όπου ανάβει πυρίτιδα, μεταδίδοντας ηλεκτρική ενέργεια σε απόσταση.

Μετά τον Boche, δηλαδή στις 25 Απριλίου 1895, ο Alexander Popov, χρησιμοποιώντας τον κώδικα Morse, μεταδόθηκε το πρώτο ραδιοφωνικό μήνυμα και αυτή η ημερομηνία (7 Μαΐου σε νέο στυλ) εορτάζεται ετησίως στη Ρωσία ως Ημέρα Ραδιοφώνου.

Το 1896, ο Marconi, που έφτασε στο Ηνωμένο Βασίλειο, έδειξε τη συσκευή του, μεταδίδοντας ένα σήμα 1,5 χιλιομέτρων από την οροφή του κτιρίου ταχυδρομικών γραφείων στο Λονδίνο σε άλλο κτίριο χρησιμοποιώντας κώδικα Morse.Μετά από αυτό, βελτίωσε την εφεύρεσή του και κατάφερε να μεταδώσει ένα σήμα κατά μήκος της πεδιάδας Salisbury ήδη σε απόσταση 3 χιλιομέτρων.

Ο Tesla το 1896 μεταδίδει επιτυχώς και δέχεται σήματα σε απόσταση μεταξύ του πομπού και του δέκτη περίπου 48 χιλιομέτρων. Ωστόσο, μέχρι στιγμής κανένας από τους ερευνητές δεν κατάφερε να μεταφέρει σημαντική ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλη απόσταση.

Πειράζοντας στο Colorado Springs, το 1899, ο Tesla γράφει: «Η αποτυχία της μεθόδου επαγωγής φαίνεται τεράστια σε σύγκριση με τη μέθοδο της διέγερσης της φόρτισης της γης και του αέρα». Αυτή θα είναι η αρχή της έρευνας ενός επιστήμονα με στόχο τη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς τη χρήση καλωδίων. Τον Ιανουάριο του 1900, ο Tesla θα κάνει μια σημείωση στο ημερολόγιό του σχετικά με την επιτυχή μεταφορά ενέργειας στο πηνίο, "που μεταφέρθηκε μακριά στο πεδίο" από το οποίο τροφοδοτήθηκε ο λαμπτήρας.

Και η μεγαλύτερη επιτυχία του επιστήμονα θα είναι η εκτόξευση, στις 15 Ιουνίου 1903, του πύργου Vordencliff στο Long Island, σχεδιασμένη να μεταδίδει ηλεκτρική ενέργεια σε μεγάλη απόσταση σε μεγάλες ποσότητες χωρίς καλώδια. Η γειωμένη δευτερεύουσα περιέλιξη του συντονιστή μετασχηματιστή, που ολοκληρώνεται από έναν σφαιρικό θόλο χαλκού, υποτίθεται ότι διεγείρει ένα φορτίο από γη και αγώγιμα στρώματα αέρα προκειμένου να γίνει ένα στοιχείο ενός μεγάλου κυκλώματος συντονισμού.

Έτσι, ο επιστήμονας κατάφερε να τροφοδοτήσει 200 ​​λάμπες των 50 W σε απόσταση περίπου 40 χιλιομέτρων από τον πομπό. Ωστόσο, με βάση την οικονομική σκοπιμότητα, η χρηματοδότηση του έργου διακόπτεται από την Morgan, η οποία από την αρχή είχε επενδύσει χρήματα στο έργο με στόχο τη λήψη ασύρματων επικοινωνιών και τη μεταφορά της ελεύθερης ενέργειας σε βιομηχανική κλίμακα σε απόσταση, όπως κατηγορηματικά δεν την εξυπηρετούσε ένας επιχειρηματίας. Το 1917, ο πύργος, που σχεδιάστηκε για ασύρματη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας, καταστράφηκε.

Διαβάστε περισσότερα για τα πειράματα του Nikola Tesla εδώ:Η συντονισμένη μέθοδος ασύρματης μετάδοσης ηλεκτρικής ενέργειας από τον Nikola Tesla

Πολύ αργότερα, από το 1961 έως το 1964, ένας εμπειρογνώμονας στον τομέα των ηλεκτρονικών μικροκυμάτων, William Brown, πειραματίστηκε στις Ηνωμένες Πολιτείες με μονοπάτια μεταφοράς ενέργειας μικροκυμάτων.

Το 1964, εξέτασε πρώτα μια συσκευή (μοντέλο ελικοπτέρου) ικανή να δέχεται και να χρησιμοποιεί ενέργεια μικροκυμάτων υπό μορφή συνεχούς ρεύματος, χάρη σε μια συστοιχία κεραιών αποτελούμενη από δίπολα μισού κύματος, καθένα από τα οποία φορτώνεται με πολύ αποδοτικές διόδους Schottky. Μέχρι το 1976, ο William Brown είχε μεταβιβάσει ισχύ μικροκυμάτων 30 kW σε απόσταση 1,6 km με απόδοση μεγαλύτερη του 80%.

Το 2007, μια ερευνητική ομάδα στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, υπό την καθοδήγηση της καθηγήτριας Marina Solyachich, μπόρεσε να μεταδώσει ασύρματα ενέργεια σε απόσταση 2 μέτρων. Η μεταδιδόμενη ισχύς ήταν αρκετή για να τροφοδοτήσει έναν λαμπτήρα 60 watt.

Στην καρδιά της τεχνολογίας τους (που ονομάζεται WiTricity) βρίσκεται το φαινόμενο του ηλεκτρομαγνητικού συντονισμού. Ο πομπός και ο δέκτης είναι δύο πηνία χαλκού διαμέτρου 60 εκατοστών που ακούν με την ίδια συχνότητα. Ο πομπός συνδέεται με μια πηγή ενέργειας και ο δέκτης συνδέεται με έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως. Τα κυκλώματα συντονίζονται σε συχνότητα 10 MHz. Ο δέκτης σε αυτή την περίπτωση λαμβάνει μόνο το 40-45% της μεταφερόμενης ηλεκτρικής ενέργειας.

Την ίδια στιγμή, η Intel παρουσίασε μια παρόμοια τεχνολογία για την ασύρματη μετάδοση ισχύος.

Το 2010, ο όμιλος Haier, ένας κινέζος κατασκευαστής οικιακών συσκευών, παρουσίασε στο CES 2010 το μοναδικό του προϊόν - μια πλήρως ασύρματη LCD τηλεόραση βασισμένη σε αυτή την τεχνολογία.

Διαβάστε επίσης σε αυτό το θέμα:Qi πρότυπο ηλεκτρονικής τροφοδοσίας ασύρματου δικτύου