3 formas de transferir energía sin cables: desde Tesla hasta la actualidad.
Cuando Apple presentó su primer cargador inalámbrico para teléfonos celulares y dispositivos, muchos lo consideraron una revolución y un gran avance en la entrega de energía inalámbrica.
Pero, ¿fueron pioneros o incluso antes que ellos, alguien logró hacer algo similar, aunque sin el marketing y las relaciones públicas adecuados? Resulta que hubo, además, hace mucho tiempo y había muchos de esos inventores.
Así que allá por 1893, el famoso Nikola Tesla demostró al público asombrado el brillo de las lámparas fluorescentes. A pesar de que todos estaban sin cables.
Ahora cualquier estudiante puede repetir ese truco saliendo a un campo abierto y parándose con una lámpara fluorescente debajo de una línea de alto voltaje de 220 kV o más.
Un poco más tarde, Tesla ya logró encender una bombilla incandescente de fósforo de la misma manera inalámbrica.
En Rusia, en 1895, A. Popov mostró el primer receptor de radio del mundo en funcionamiento. Pero en general, esto también es una transmisión inalámbrica de energía.
La pregunta más importante y al mismo tiempo el problema de toda la tecnología de carga inalámbrica y métodos similares radica en dos puntos:
- ¿Hasta dónde se puede transmitir la electricidad de esta manera?
- y cuántos
Para empezar, averigüemos cuánta energía tienen los dispositivos y electrodomésticos que nos rodean. Por ejemplo, un teléfono, reloj inteligente o tableta requiere un máximo de 10-12 W.
La computadora portátil tiene más solicitudes: 60-80W. Esto se puede comparar con una bombilla incandescente promedio. Pero los electrodomésticos, especialmente los de cocina, ya consumen varios miles de vatios.
Por ello, es muy importante no ahorrar en el número de enchufes de la cocina.
Entonces, ¿cuáles son los métodos y métodos para la transmisión de energía eléctrica sin el uso de cables o cualquier otro conductor que la humanidad ha ideado a lo largo de los años? Y lo más importante, por qué aún no se han introducido tan activamente en nuestras vidas como nos gustaría.
Tome los mismos electrodomésticos de cocina. Vamos a entender con más detalle.
La forma más fácil de implementar es usar inductores.
Aquí el principio es muy simple. Se toman 2 bobinas y se colocan cerca una de la otra. Uno de ellos es la restauración. El otro hace el papel de receptor.
Cuando se ajusta o cambia la corriente en la fuente de alimentación, el flujo magnético en la segunda bobina también cambia automáticamente. Como dicen las leyes de la física, en este caso, surgirá un EMF y dependerá directamente de la tasa de cambio de este flujo.
Parecería que todo es simple. Pero los defectos estropean todo el panorama optimista. Tres contras:
De esta forma, no transferirás grandes volúmenes y no podrás conectar dispositivos potentes. Y si intentas hacer esto, simplemente derrite todos los devanados.
Ni siquiera pienses en transferir electricidad a decenas o cientos de metros aquí. Este método tiene un efecto limitado.
Para comprender físicamente lo mal que están las cosas, tome dos imanes y descubra cuánto deben separarse para que dejen de atraerse o repelerse entre sí. Eso es aproximadamente la misma eficiencia para las bobinas.
Por supuesto, puede idear y asegurarse de que estos dos elementos estén siempre cerca uno del otro. Por ejemplo, un coche eléctrico y una vía especial de recarga.
Pero, ¿cuánto costará la construcción de tales carreteras?
Otro problema es la baja eficiencia. No supera el 40%. Resulta que no podrá transmitir mucha electricidad a largas distancias de esta manera.
El mismo N. Tesla señaló esto allá por 1899. Más tarde, cambió a experimentos con electricidad atmosférica, con la esperanza de encontrar una pista y una solución al problema.
Sin embargo, no importa cuán inútiles puedan parecer todas estas cosas, todavía se pueden usar para organizar bellas interpretaciones de luces y música.
O recargar equipos mucho más grandes que los teléfonos. Por ejemplo, bicicletas eléctricas.
Pero, ¿cómo transferir más energía a una distancia mayor? Piense en las películas en las que vemos esta tecnología muy a menudo.
Lo primero que le viene a la mente incluso a un escolar es Star Wars, láseres y sables de luz.
Por supuesto, con su ayuda, puede transferir una gran cantidad de electricidad a distancias muy decentes. Pero, de nuevo, un pequeño problema lo estropea todo.
Afortunadamente para nosotros, pero desafortunadamente para el láser, la Tierra tiene una atmósfera. Y simplemente amortigua bien y consume la mayor parte de toda la energía de la radiación láser. Por lo tanto, con esta tecnología, necesita ir al espacio.
En la Tierra, también hubo intentos y experimentos para probar el rendimiento del método. La NASA incluso organizó competencias de transmisión de energía inalámbrica por láser con un premio acumulado de poco menos de $ 1 millón.
Al final, ganó Laser Motive. Su resultado ganador es 1 km y 0,5 kW de potencia continua transmitida. Es cierto que en el proceso de transmisión, los científicos perdieron el 90% de toda la energía original.
Pero aun así, incluso con una eficiencia del diez por ciento, el resultado se consideró exitoso.
Recordemos que una simple bombilla tiene energía útil que va directamente a la luz, y aún menos. Por lo tanto, es ventajoso hacer calentadores infrarrojos a partir de ellos.
¿Realmente no hay otra forma realmente funcional de transmitir electricidad sin cables? La hay, y fue inventada antes de los intentos y juegos infantiles en la guerra de las galaxias.
Resulta que las microondas especiales con una longitud de 12 cm (frecuencia de 2,45 GHz) son, por así decirlo, transparentes a la atmósfera y no interfieren con su propagación.
No importa cuán malo sea el clima, al transmitir usando microondas, ¡solo perderá el cinco por ciento! Pero para ello, primero debes convertir la corriente eléctrica en microondas, luego atraparlas y devolverlas a su estado original nuevamente.
Los científicos resolvieron el primer problema hace mucho tiempo. Inventaron un dispositivo especial para esto y lo llamaron magnetrón.
Además, se hizo de manera tan profesional y segura que hoy cada uno de ustedes tiene un dispositivo de este tipo en casa. Ve a la cocina y echa un vistazo a tu microondas.
Ella tiene el mismo magnetrón adentro con una eficiencia del 95%.
Pero aquí está cómo hacer la transformación inversa? Y aquí se han desarrollado dos enfoques:
En los años sesenta, el científico W. Brown inventó una antena en los EE. UU., que realizó la tarea requerida. Es decir, convertía la radiación que caía sobre él de nuevo en corriente eléctrica.
Incluso le dio su nombre: rectenna.
Después de la invención, siguieron los experimentos. Y en 1975, con la ayuda de una rectenna, se transmitieron y recibieron hasta 30 kW de potencia a una distancia de más de un kilómetro. La pérdida de transmisión fue solo del 18%.
Casi medio siglo después, nadie ha podido superar esta experiencia hasta el momento. Parecería que se ha encontrado un método, entonces, ¿por qué no se lanzaron estos rectennas a las masas?
Y aquí nuevamente surgen las deficiencias. Rectennas se ensamblaron sobre la base de semiconductores en miniatura. Su trabajo normal es transmitir solo unos pocos vatios de potencia.
Y si quieres transferir decenas o cientos de kilovatios, entonces prepárate para montar paneles gigantes.
Y aquí es donde aparecen las dificultades irresolubles. En primer lugar, es la reemisión.
No solo perderá algo de su energía debido a eso, sino que no podrá acercarse a los paneles sin perder su salud.
El segundo dolor de cabeza es la inestabilidad de los semiconductores en los paneles. Basta con quemar uno por una pequeña sobrecarga, y el resto falla como una avalancha, como cerillas.
En la URSS, las cosas fueron algo diferentes. No en vano, nuestros militares estaban seguros de que incluso con una explosión nuclear, todos los equipos extranjeros fallarían de inmediato, pero el soviético no. Todo el secreto está en las lámparas.
En la Universidad Estatal de Moscú, dos de nuestros científicos, V. Savin y V. Vanke, diseñaron el llamado convertidor de energía de ciclotrón. Tiene un tamaño decente, ya que se ensambla sobre la base de la tecnología de lámparas.
Exteriormente, esto es algo así como un tubo de 40 cm de largo y 15 cm de diámetro. La eficiencia de esta unidad de lámpara es ligeramente menor que la de los semiconductores estadounidenses, hasta un 85%.
Pero a diferencia de los detectores de semiconductores, el convertidor de energía de ciclotrón tiene una serie de ventajas significativas:
- confiabilidad
- Alto Voltaje
- resistencia a la sobrecarga
- sin reemisión
- bajo costo de fabricación
Sin embargo, a pesar de todo lo anterior, en todo el mundo, son los métodos de semiconductores para implementar proyectos los que se consideran avanzados. También hay un elemento de moda aquí.
Después de la primera aparición de los semiconductores, todos comenzaron a abandonar abruptamente la tecnología de tubos. Pero la experiencia práctica sugiere que este es a menudo el enfoque equivocado.
Eso sí, los móviles de tubo de 20 kg cada uno o los ordenadores que ocupan habitaciones enteras no interesan a nadie.
Pero a veces solo los métodos antiguos probados pueden ayudarnos en situaciones desesperadas.
Como resultado, hoy tenemos tres posibilidades para transferir energía sin cables. El primero de los considerados está limitado tanto por la distancia como por el poder.
Pero esto es suficiente para cargar la batería de un teléfono inteligente, tableta o algo más grande. Aunque la eficiencia es pequeña, el método sigue funcionando.
El método con láser es bueno solo en el espacio. En la superficie de la tierra, esto no es muy efectivo. Es cierto, cuando no hay otra salida, puedes usarla.
Pero los microondas dan vuelo a las fantasías. Con su ayuda, puedes transferir energía:
- en la tierra y en el espacio
- desde la superficie de la tierra a una nave espacial o satélite
- y viceversa, desde un satélite en el espacio de vuelta a la tierra
En los últimos años, de acuerdo con las tecnologías anteriores, los científicos han intentado y están tratando de implementar solo dos proyectos.
El primero empezó muy prometedor. En la década de 2000, en la isla de Reunión, se necesitaba una transmisión constante de 10 kW de potencia en una distancia de 1 km.
El terreno montañoso y la vegetación local no permitían tender allí líneas eléctricas aéreas ni cables.
Todos los movimientos en la isla hasta este punto se realizaron exclusivamente en helicópteros.
Para resolver el problema, las mejores mentes de diferentes países se reunieron en un solo equipo. Incluyendo los mencionados anteriormente en el artículo, nuestros científicos de la Universidad Estatal de Moscú V. Vanke y V. Savin.
Sin embargo, en el momento en que se suponía que debían iniciar la implementación práctica y la construcción de transmisores y receptores de energía, el proyecto se congeló y se detuvo. Y con el inicio de la crisis en 2008, lo abandonaron por completo.
De hecho, esto es muy decepcionante, ya que el trabajo teórico realizado allí fue colosal y digno de implementación.
El segundo proyecto parece más loco que el primero. Sin embargo, se asignan fondos reales para ello. La idea misma fue expresada ya en 1968 por un físico de los EE. UU., P. Glaser.
Propuso en ese momento una idea que no era del todo normal: poner un satélite enorme en una órbita geoestacionaria a 36000 km sobre la tierra. En él, coloque paneles solares que recolectarán energía gratuita del sol.
Luego, todo esto debe convertirse en un haz de ondas de microondas y transmitirse al suelo.
Una especie de “estrella de la muerte” en nuestras realidades terrenales.
En tierra, el haz debe ser captado por antenas gigantes y convertido en electricidad.
¿Qué tan grandes deben ser estas antenas? Imagine que si el satélite tiene 1 km de diámetro, entonces en tierra el receptor debería ser 5 veces más grande: 5 km (el tamaño del Garden Ring).
Pero el tamaño es solo una pequeña parte del problema. Después de todos los cálculos, resultó que dicho satélite generaría electricidad con una capacidad de 5 GW. Al llegar al suelo, solo quedarían 2 GW. Por ejemplo, Krasnoyarsk HPP proporciona 6GW.
Por lo tanto, su idea fue considerada, contada y descartada, ya que inicialmente todo reposaba en el precio. El costo del proyecto espacial en esos días superó el billón de dólares.
Pero la ciencia, afortunadamente, no se detiene. La tecnología es cada vez mejor y más barata. Varios países ya están desarrollando una estación espacial solar de este tipo. Aunque a principios del siglo XX bastaba una sola persona brillante para la transmisión inalámbrica de electricidad.
El costo total del proyecto ha caído del original a $25 mil millones. La pregunta sigue siendo: ¿veremos su implementación en un futuro cercano?
Desafortunadamente nadie puede darte una respuesta clara. Las apuestas se hacen sólo en la segunda mitad de este siglo. Por lo tanto, por ahora, contentémonos con los cargadores inalámbricos para teléfonos inteligentes y esperemos que los científicos puedan aumentar su eficiencia. Bueno, o al final, el segundo Nikola Tesla nacerá en la Tierra.
Transmisión de energía inalámbrica
Resolver el problema de la transmisión inalámbrica de energía eléctrica a largas distancias es un viejo sueño de la humanidad. Uno puede imaginar cuánto más barata sería la electricidad sin el costo de los productos conductores. La revolución científica y tecnológica no se detiene. Hay esperanza de que este sueño se haga realidad en un futuro próximo. Así lo demuestran los nuevos desarrollos en esta área.
Historia de la transmisión de energía inalámbrica
El gran físico francés Ampere en 1820, a través de numerosos experimentos, llegó a la conclusión de que un campo magnético puede excitar una corriente eléctrica en un cuerpo metálico. Así apareció la ley fundamental de Ampere.
Michael Faraday en 1831 descubrió la ley de inducción, que se convirtió en la base para el desarrollo de una ciencia como el electromagnetismo.
James Maxwell, después de largos experimentos, sistematizó sus observaciones, cuya quintaesencia en 1864 fue la ecuación de Maxwell. La fórmula explicaba el comportamiento del campo electromagnético.
Nikola Tesla perfeccionó el aparato para generar un campo electromagnético, inventado por Heinrich Hertz en 1888. En la Exposición Universal de 1893, celebrada en Chicago, Tesla demostró el brillo de las bombillas de fósforo sin cables.
El científico ruso Alexander Popov hizo su contribución al desarrollo de la transmisión inalámbrica de energía. En 1895, en una reunión de la Sociedad Rusa de Física y Química, mostró el receptor de radio detector que había inventado.
Además, hasta el día de hoy, se patentaron nuevos inventos en el campo de la transmisión inalámbrica de energía eléctrica. Se hicieron muchos experimentos, una gran cantidad de descubrimientos. El último logro en esta área es la transmisión de electricidad a largas distancias sin cables utilizando tecnología Wi-Fi. En 2017 se inventó un teléfono móvil sin batería.
¿Cómo funciona esto
La electricidad inalámbrica se basa en el fenómeno del electromagnetismo. Dos bobinas de alambres de metal están involucradas en el trabajo. Uno de ellos está conectado a una fuente de corriente, alrededor de la cual se crea un campo magnético. La segunda bobina, al percibir este campo, induce una corriente eléctrica secundaria en su devanado.
Principios de transmisión
En los últimos desarrollos de científicos de EE. UU. y Corea del Sur, se utilizaron los sistemas de resonancia magnética CMRS y DCRS. La tecnología coreana resultó ser más avanzada. Era posible transferir electricidad a 5 metros. Gracias a las bobinas dipolo DCRS compactas, es posible alimentar todos los consumidores en una habitación de tamaño mediano sin cables.
¡Importante! La imperfección de los equipos modernos limita significativamente la longitud del camino de la electricidad a través del aire.
A pesar de esto, los científicos de todo el mundo están ocupados obteniendo nuevas tecnologías, cuya tarea es transferir energía a una distancia de decenas y cientos de kilómetros. Ya en la actualidad, se están desarrollando e implementando nuevos logros de la ciencia en el campo de la entrega de electricidad sin líneas eléctricas alámbricas.
Tecnología
Las áreas más prometedoras en el desarrollo de nuevos métodos y formas de transporte de electricidad sin contacto material son:
- método ultrasónico;
- método de inducción electromagnética;
- inducción electrostática;
- radiación de microondas;
- método láser;
- conductividad eléctrica de la tierra.
Método ultrasónico
Estudiantes de la Universidad de Pensilvania (EE. UU.) en una exhibición reciente en 2011 demostraron un método para transmitir corriente eléctrica usando ultrasonido. El transmisor generaba ondas acústicas en el rango ultrasónico, el receptor las convertía en corriente eléctrica. El ultrasonido fue elegido como portador de energía no por casualidad. Su efecto sobre el cuerpo humano es absolutamente inofensivo.
La imperfección de este método radica en el hecho de que la eficiencia de transmisión es muy baja, se necesita visibilidad directa entre los suscriptores y una distancia limitada (7-10 metros).
Método de inducción electromagnética
El funcionamiento de un transformador ordinario da una idea de cómo se transmite la electricidad sin cables por el método de inducción electromagnética. El proceso involucra dos bobinas. El campo magnético, excitado por la corriente que fluye a través de las espiras del devanado primario, induce una corriente eléctrica en el devanado secundario del transformador.
Los cargadores de teléfonos inteligentes y los cepillos de dientes eléctricos pueden ser ejemplos del uso del efecto de la inducción electromagnética. La desventaja de este método de transferencia de energía es la proximidad indispensable de las bobinas. Incluso con un ligero aumento en el espacio entre los devanados, la mayor parte de la energía comienza a disiparse en el espacio.
Un tipo de inducción electromagnética es el uso de resonancia. La esencia del método radica en el hecho de que el receptor y el transmisor operan en el mismo rango de frecuencia. Los dispositivos de transmisión y recepción son un solenoide con una sola capa de vueltas. El dispositivo generador está equipado con un circuito de condensador, con el que se sintoniza a la frecuencia del receptor.
inducción electrostática
El método se basa en el principio del paso de energía a través del cuerpo de un dieléctrico. El método se llama acoplamiento capacitivo. El generador crea un campo eléctrico en el tanque, que excita la diferencia de potencial entre los dos electrodos del consumidor.
Nikola Tesla usó el método de inducción electrostática para demostrar una lámpara de iluminación inalámbrica. La lámpara estaba alimentada por un campo eléctrico alterno de alta frecuencia. Brillaba uniformemente, independientemente de su movimiento en el espacio de la habitación.
Radiación de microondas
Los ingenieros espaciales han desarrollado una forma de transmitir electricidad desde los paneles solares en órbita a las naves espaciales mediante una señal de radio de microondas. El problema con este método es que se requieren antenas con una apertura muy grande para recibir y transmitir la radiación del haz.
Los científicos de la NASA en 1978 llegaron a la conclusión de que para transmitir un haz de microondas de 2,45 GHz, la antena emisora debe tener un diámetro de superficie reflectante de 1 km. La rectenna receptora debe tener 10 km de diámetro. Es posible reducir estas dimensiones utilizando ondas ultracortas. Sin embargo, las señales en este rango son rápidamente absorbidas por la atmósfera o bloqueadas por la lluvia.
Preste atención! La densidad de potencia segura de la energía radiada es de 1 mW/cm2. Este estándar lo cumple una antena con un diámetro de 10 km y una potencia de transmisión de 750 MW.
Método láser
La transmisión de electricidad a largas distancias sin cables con la ayuda de un láser comenzó a realizarse hace muy poco tiempo. La idea es que un rayo láser, que lleva un potencial de energía, golpea una fotocélula de un dispositivo receptor, donde la radiación electromagnética de alta frecuencia se convierte en corriente eléctrica.
La tecnología de transferencia de energía láser, utilizada anteriormente en el campo militar, se está introduciendo con éxito en la esfera civil de la actividad humana. Los desarrollos de los científicos estadounidenses llevaron a la invención de un vehículo aéreo no tripulado que recibe energía de un rayo láser. En 2006, se demostró un dron que podía volar sin parar, impulsado por un sistema láser.
En 2009 se llevó a cabo con éxito un experimento en el espacio para transferir energía por kilómetro con una potencia de 500W.
Conductividad eléctrica de la tierra.
Existe una teoría sobre el uso de las entrañas y los océanos de la Tierra para la transmisión inalámbrica de energía. La conductividad eléctrica de la hidrosfera, los depósitos de minerales metálicos se pueden utilizar para transmitir corriente alterna de baja frecuencia. La inducción electrostática de cuerpos dieléctricos puede ocurrir en grandes depósitos de arena de cuarzo y minerales similares.
La transmisión de corriente eléctrica también es posible a través del espacio aéreo por inducción electrostática. Nikola Tesla sugirió una vez que en el futuro habrá tecnologías que utilizarán la tierra, las aguas del océano y la atmósfera del planeta para transmitir electricidad.
Sistema inalámbrico mundial
Por primera vez, el gran científico Tesla dio a conocer el Sistema Mundial de Transmisión de Energía Inalámbrica. En 1904, afirmó que la creación de una EBL, utilizando la alta conductividad eléctrica del plasma y la Tierra, es bastante factible.
Proyectos reales hoy
De todo lo que ofrece el mercado de la ingeniería eléctrica hoy en día, los cargadores para teléfonos inteligentes y los cepillos de dientes eléctricos pertenecen a la transmisión inalámbrica de electricidad. Utilizan el principio de inducción electromagnética.
En la industria aeronáutica, ha comenzado la producción en masa de vehículos aéreos no tripulados impulsados por transmisión inalámbrica de electricidad. Un pequeño helicóptero de microondas con una rectenna puede volar hasta 15 metros sobre el suelo. Han aparecido drones que pueden volar dentro del alcance de un rayo láser.
El fabricante chino de electrodomésticos Haier Group produce televisores LCD inalámbricos desde 2010.
Perspectivas para la transmisión inalámbrica de electricidad
Ahora se están realizando trabajos de investigación y se están desarrollando proyectos para crear vehículos eléctricos que se desplazarán por la superficie de la carretera con un conductor que induce una corriente eléctrica en el motor del vehículo.
Varias empresas líderes están desarrollando fuentes de alimentación inalámbricas que pueden suministrar electricidad a todos los consumidores dentro de la misma habitación.
En el futuro, la aparición de rutas que consisten en una serie de fuentes inalámbricas de electricidad que pueden garantizar el movimiento de aeronaves a largas distancias.
Con la llegada de nuevos materiales, dispositivos mejorados e inventos, la transmisión inalámbrica de electricidad en un futuro cercano cubrirá todas las áreas de la actividad humana.
