Langattomat energiansiirtomenetelmät

Andre Marie Amperen vuonna 1820 löytämä sähkövirtojen vuorovaikutuslaki loi perustan sähkön ja magneettisuuden tieteen kehittämiselle edelleen. 11 vuoden kuluttua Michael Faraday totesi kokeellisesti, että sähkövirran tuottama muuttuva magneettikenttä pystyy indusoimaan sähkövirran toisessa johtimessa. Joten se luotiin ensimmäinen sähkömuuntaja.

Vuonna 1864 James Clerk Maxwell systematoi lopulta Faradayn kokeelliset tiedot antamalla heille tarkkojen matemaattisten yhtälöiden muodon, joiden avulla luotiin klassisen sähköodynamiikan perusta, koska nämä yhtälöt kuvasivat sähkömagneettisen kentän suhdetta sähkövirroihin ja varauksiin, ja tämän seurauksena pitäisi olla sähkömagneettisten aaltojen olemassaolo.

Vuonna 1888 Heinrich Hertz vahvisti kokeellisesti Maxwellin ennustamien sähkömagneettisten aaltojen olemassaolon. Hänen kipinlähettimensä kanssa Rumkorff-kelaan perustuva hakkuri voi tuottaa sähkömagneettisia aaltoja, joiden taajuus on enintään 0,5 gigahertsiä, ja joita voi vastaanottaa useita vastaanottimia, jotka on viritetty lähettimen resonanssiin.

Vastaanottimet voivat sijaita jopa 3 metrin etäisyydellä, ja kun lähettimessä tapahtui kipinä, vastaanottimiin ilmestyi myös kipinöitä. Joten pidettiin ensimmäiset kokeet sähköenergian langattomasta siirrosta käyttämällä sähkömagneettisia aaltoja.

Vuonna 1891 Nikola Tesla, tutkiessaan korkeajännitteen ja korkeataajuuden vaihtuvia virtauksia, hän päättelee, että on erittäin tärkeää valita sekä lähettimen aallonpituus että käyttöjännite tiettyihin tarkoituksiin, eikä taajuutta ole tarpeen tehdä liian korkealle.

Tutkija huomauttaa, että taajuuksien ja jännitteiden alaraja, jolla hän tuolloin pystyi saavuttamaan parhaat tulokset, on 15 000 - 20 000 heilahtelua sekunnissa potentiaalin ollessa 20 000 volttia. Tesla vastaanotti korkea- ja korkeajännitevirran kondensaattorin värähtelevällä purkauksella (katso - Tesla-muuntaja). Hän huomautti, että tämäntyyppinen sähkölähetin soveltuu sekä valon tuottamiseen että sähkön siirtoon valon tuottamiseksi.

Vuosina 1891 - 1894 tutkija osoitti toistuvasti tyhjiöputkien langattoman siirron ja hehkuvuuden korkeataajuisella sähköstaattisella kentällä, kun taas huomautti, että lamppu absorboi sähköstaattisen kentän energian, joka muunnetaan valoon, ja sähkömagneettisen kentän energiaa, jota käytetään sähkömagneettiseen induktioon samanlaisen saamiseksi. Tulos heijastuu pääosin, ja vain pieni osa siitä muuttuu valoksi.

Jopa käyttämällä resonanssia siirrossa käyttämällä sähkömagneettista aaltoa, merkittävää määrää sähköenergiaa ei voida siirtää, tutkija väitti. Hänen tavoitteenaan tällä työjaksolla oli siirtää tarkasti suuri määrä sähköenergiaa langattomasti.

Vuoteen 1897 saakka Teslan työn kanssa sähkömagneettisia aaltoja tutkittiin: Jagdish Boche Intiassa, Alexander Popov Venäjällä ja Guglielmo Marconi Italiassa.

Teslan julkisten luentojen jälkeen Jagdish Bose puhuu marraskuussa 1894 Kalkutassa demonstroimalla langattoman sähkönsiirron, jossa hän sytyttää ruutia ja siirtää sähköenergiaa etäisyyteen.

Bochen jälkeen, nimittäin 25. huhtikuuta 1895, Alexander Popov lähetti Morse-koodilla ensimmäisen radiosanoman, ja tätä päivämäärää (7. toukokuuta uudessa tyylissä) vietetään nyt vuosittain Venäjällä radiopäivänä.

Vuonna 1896 Yhdistyneeseen kuningaskuntaan saapunut Marconi osoitti laitteitaan lähettämällä signaalin 1,5 kilometrin päässä Lontoon postilaitoksen katosta toiseen rakennukseen Morse-koodin avulla.Sen jälkeen hän paransi keksintöään ja onnistui lähettämään signaalin Salisburyn tasangolla jo 3 kilometrin etäisyydellä.

Tesla vuonna 1896 lähettää ja vastaanottaa signaaleja onnistuneesti lähettimen ja vastaanottimen välillä noin 48 kilometrin etäisyydellä. Toistaiseksi yksikään tutkijoista ei ole kuitenkaan onnistunut siirtämään merkittävää määrää sähköenergiaa suurelle etäisyydelle.

Tesla kirjoittaa kokeillessaan Colorado Springsissä vuonna 1899: "Induktiomenetelmän epäonnistuminen näyttää valtavalta verrattuna menetelmään, jolla maan ja ilman varaus herätetään." Tämä on alku tiedemiehen tutkimukselle, jonka tavoitteena on siirtää sähköä huomattavan matkan päässä käyttämättä johtoja. Tammikuussa 1900 Tesla tekee päiväkirjaansa merkinnän menestyksekkäästä energian siirrosta kelaan, joka "kannettiin kaukana pellolle", josta lamppu viritettiin.

Ja tutkijan grandioosin menestys tulee olemaan Long Islandilla sijaitsevan Vordencliff-tornin laukaisu 15. kesäkuuta 1903, joka on suunniteltu siirtämään sähköenergiaa huomattavan matkan päässä suuria määriä ilman johtoja. Resonanssimuuntajan maadoitetun sekundaarikäämin, jonka päällä oli kuparinen pallomainen kupu, piti herättää maavaraus ja johtavat ilmakerrokset tullakseen suuren resonanssipiirin elementiksi.

Joten tiedemies onnistui syöttämään 200 50 watin lamppua noin 40 kilometrin etäisyydelle lähettimestä. Taloudellisen toteutettavuuden perusteella Morgan lopetti kuitenkin hankkeen rahoittamisen. Projekti rahoitti alusta alkaen rahaa tavoitteenaan saada langaton viestintä ja siirtää vapaata energiaa teollisessa mittakaavassa etäisyyteen liikemiehenä kategorisesti. Vuonna 1917 torni, joka oli suunniteltu sähköenergian langattomaan siirtoon, tuhoutui.

Lue lisää Nikola Teslan kokeista täältä:Resonoiva menetelmä sähköenergian langattomaan siirtoon, Nikola Tesla

Paljon myöhemmin, vuosina 1961 - 1964, mikroaaltoelektroniikan alan asiantuntija William Brown kokeili Yhdysvalloissa mikroaaltoenergian siirtoreittejä.

Vuonna 1964 hän testasi ensin laitetta (helikopterimallia), joka kykenee vastaanottamaan ja käyttämään mikroaaltoenergiaa tasavirran muodossa, ansiosta antennijärjestelmä, joka koostuu puoliaaltotipoleista, joista kukin on ladattu erittäin tehokkailla Schottky-diodeilla. Vuoteen 1976 mennessä William Brown oli siirtänyt 30 kW: n mikroaaltotehon 1,6 km: n etäisyydelle, hyötysuhde yli 80%.

Vuonna 2007 Massachusettsin teknillisen instituutin tutkimusryhmä professori Marina Solyachichin johdolla pystyi siirtämään energiaa langattomasti 2 metrin etäisyydelle. Lähetetty teho riitti 60 watin lampun virran kytkemiseen.

Heidän teknologiansa (nimeltään WiTricity) on sähkömagneettisen resonanssin ilmiö. Lähetin ja vastaanotin ovat halkaisijaltaan 60 cm kuparikäämiä, jotka resonoivat samalla taajuudella. Lähetin on kytketty energialähteeseen, ja vastaanotin on kytketty hehkulamppuun. Piirit on viritetty taajuudelle 10 MHz. Vastaanotin vastaanottaa tässä tapauksessa vain 40-45% siirretystä sähköstä.

Samanaikaisesti Intel osoitti samanlaista tekniikkaa langattomaan sähkönsiirtoon.

Vuonna 2010 kiinalainen kodinkoneiden valmistaja Haier-ryhmä esitteli CES 2010 -sarjassa ainutlaatuisen tuotteensa - tähän tekniikkaan perustuvan täysin langattoman LCD-television.

Lue myös tästä aiheesta:Qi Electronic Power Wireless -standardi