Министерство образования Российской федерации
Научно-исследовательская работа по физике на
тему:
«Беспроводная передача электроэнергии»
Выполнил: учащийся 11а класса
Борисов Руслан Дмитриевич
Руководитель: учитель физики Крашенинникова Юлия Геннадьевна
2016
Оглавление
Введение1
Глава 1. Постановка задачи 2
1.1Беспроводная передача электричества2
1.2 Методы беспроводной передачи электроэнергии 3
1.3Всемирная беспроводная система7
Глава 2. Описание практического исследования 8
2.1 Описание системы передачи метода эл.магнитной индукции8
2.2 Ход исследования9
2.3 Объяснение принципа действия9
2.4 Пояснения к схемам
2.5Увеличение расстояния передачи посредством ретрансляции
электромагнитного поля13
Глава 3. Вывод13
Заключение14
Литература15
Цели:
•Изучить способы беспроводной передачи энергии на расстояние.
•Провести практический эксперимент передачи электроэнергии на расстояние.
Исследование зависимости дальности передачи энергии от различных параметров
Гипотеза:
Дальность передачи энергии зависит от частоты переменного тока в передающем контуре от параметров контура.
Методы исследования:
•Изучение уже имеющийся информации, наблюдение, сравнение, сборка экспериментальной модели, анализ результатов.
•Сравнение, обобщение
Актуальность:
Развитие сотовой связи, применение явления электромагнитной индукции в генераторах, трансформаторах, усовершенствование компьютерной техники, применение кардиостимуляторов в медицине, беспилотное управление автомобилей делают данную тему актуальной.
Введение
С самого начала открытия электричества возникла проблема его передачи конечному потребителю. Развитие промышленного производства привело к резкому увеличению спроса на электроэнергию. Провода и столбы линий электрических передач стали неотъемлемым элементом пейзажей. На поддержание этих линий в работоспособном состоянии тратится огромное количество средств и усилий.Да и энергия в них теряется.Ископаемые ресурсы иссякают, и проблемы энергообеспечения настойчиво стучатся в двери энергетики. Автомобили, работающие на электричестве сейчас слишком дороги, маломощны, неудобны современному потребителю.
Современное человеческое общество давно вошло в эру освоения космоса, поэтому наши взгляды обращаются к очевидному источнику неисчерпаемой энергии –Солнцу. Этот термоядерный реактор миллиардами лет излучает фантастические количества энергии, малой части которой хватило бы человечеству на долгие годы. Но возникает проблема: как доставить всю эту энергию на землю.
Развитие современных бытовых приборови мобильных устройств требует все большее число доступного источника энергии и удобного его расположения, ведь к нему нужно тянуть большую связку проводов для работы того или иного прибора, а так же и для зарядки аккумуляторов. Это занимает много времени и окружающего пространство. Очевидно, что электроника становится все более энергоемкой и требует более частой зарядки посредством сотен отличающихся стандартов и разъемов.
Передача электричества по проводам влечет за собой большие потери, особенно, когда речь идет о промышленных масштабах.
Емкость аккумуляторов растет недостаточно быстро и ограничивает развитие многих отраслей (электромобили, мобильная электроника и т.п.).
И решением всех этих проблем может стать метод беспроводной передачи электроэнергии, представьте мир, без проводов и аккумуляторов, где каждый прибор питается энергией Солнца, доставляемой прямиком от источника. Достаточно удобно, да?
.
1
Глава 1. Постановка задачи
Беспроводнаяпередачи электричества.
Беспроводная передача электричества — это способ передачи электрической энергии без использования токопроводящих элементов в электрической цепи.
«Отцом» беспроводного электричества считается Никола Тесла (1856– 1943 гг.) – сербский ученый, инженер и изобретатель, который внес неоценимый вклад в мировую науку. Благодаря его теоретическим работам, а так же патентам, произошел второй этап технической революции.
Основные интересы изобретателя лежали в сфере радиотехники и электротехники. Никола Тесла занимался изучением свойств магнетизма и электричества, созданием и усовершенствованием устройств, работающих на переменном токе. Большое количество его исследований были связаны с беспроводной передачей электричества.
В 1892 году, когда Никола Тесла в рамках научной конференции в Лондоне провел ток по одиночному проводу, который, по сути, являлся незамкнутой цепью. При этом медный провод оставался совершенно холодным. Эта система работала без заземления.
Вскоре после этого, в США ученый демонстрирует первую в мире лампочку, зажженную без помощи проводов и свой беспроводной электродвигатель. В основе этих изобретений лежал принцип электрических колебаний. Никола Тесла считал, что использование подобных ламп экономически более выгодно. Ведь потери энергии минимальны. Так же он отмечал, что свет, производимый его лампой, наиболее близок к естественному освещению.
Давая интервью газете Нью-Йорк Сан в 1901 году, ученый заявил, что система беспроводного освещения помещений готова к коммерческому использованию. Но особого распространения такая система освещения не получила.
Позднее Никола Тесла предположил, что для передачи электрического тока можно использовать колебания электрического поля Земли. И тогда задача передачи энергии и информации на любые расстояния будет решена.
На основе этих исследований в Колорадо-Спрингс был собран Трансформатор Тесла. Он создавал электромагнитные колебания с частотой 150 кГц и длиной волны 2000 метров. Генерируемые им электромагнитные волны концентрическими кругами
2
расходились по поверхности планеты и сходились в противоположной точке земного
шара. Практическим итогом всех этих исследований стала энергетическая установка на Лонг-Айленде, которая зажгла цепь из 200 лампочек на протяжении 25 миль от источника тока. К сожалению, вскоре после этого финансирование закончилось, и лабораторию на Лонг-Айленде пришлось закрыть.
После закрытия этого проекта Тесла не развивал дальше идею беспроводной передачи электричества. Он занимался развитием радиотехники (ему принадлежит система радиолокации подводных лодок), проектировал паровые турбины, насосы, электросчетчики и спидометры. Многие его изобретения до сих пор используются в науке, а так же в повседневной жизни.
1.2Методы беспроводной передачи электроэнергии на расстояние:
Ультразвуковой способ.
Впервые широкой публике установка была представлена в 2011 году. Как и в других способах беспроводной передачи чего-либо, используется приёмник и передатчик. Передатчик излучает ультразвук, приёмник, в свою очередь, преобразует слышимое в электричество. На момент презентации расстояние передачи достигает 7-10 метров, прямая видимость приёмника и передатчика не очень важна т.к. многие преграды, например стены проводят ультразвук. Из известных характеристик — передаваемое напряжение достигает 8 вольт, однако не сообщается получаемая сила тока и мощность. Используемые ультразвуковые частоты никак не действуют на человека. Также нет сведений и об отрицательном воздействии на животных. В этом методе не используются электромагнитные явления, и потому будет меньше радиошума. То есть нет опасности того, что устройства будут мешать обмениваться информацией между датчиками и другими устройствами.
Микроволновое излучение.
Радиоволновую передачу энергии можно сделать более направленной, значительно увеличив расстояние эффективной передачи энергии путем уменьшения длины волны
3
электромагнитного излучения, как правило, до микроволнового диапазона.
Данный способ был предложен для передачи энергии с орбитальных солнечных электростанций на Землю.
Сложностью в создании энергетического микроволнового луча является то, что для использования его в космических программах из-за дифракции, ограничивающей направленность антенны, необходима диафрагма большого размера. Например, согласно исследованию НАСА 1978 года, для микроволнового луча частотой 2,45 ГГц понадобится передающая антенна диаметром в 1 км, а приемной антенны диаметром в 10 км. Эти размеры могут быть снижены путем использования более коротких длин волн, однако короткие волны могут поглощаться атмосферой, а также блокироваться дождем или каплями воды. Из-за «проклятия узкого пучка» невозможно сузить луч, объединяя пучки от нескольких меньших спутников без пропорциональной потери в мощности. Для применения на земле антенна диаметром 10 км позволит достичь значительного уровня мощности при сохранении низкой плотности пучка, что важно по соображениям безопасности для человека и окружающей среды. Безопасный для человека уровень плотности мощности составляет 1 мВт/кв. см, что на площади круга диаметром 10 км соответствует мощности в 750 МВт. Этот уровень соответствует мощности современных электростанций.
В 1964 году было впервые испытано устройство (модель вертолета) способное принимать и использовать энергию СВЧ пучка в виде постоянного тока, благодаря антенной решётке, состоящей из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки. Уже к 1976 году Вильям Браун осуществил передачу СВЧ-пучком мощности в 30 кВт на расстояние в 1,6 км с КПД превышающим 80%. Беспроводная передача энергии высокой мощности с использованием микроволн подтверждена экспериментально. Опыты по передаче десятков киловатт электроэнергии проводились в Голдстоуне, штат Калифорния, в 1975 году и в 1997 году в Гранд Бассине на острове Реюнион. В ходе экспериментов достигнута передача энергии на расстояние порядка одного километра.
Микроволновое излучение большой интенсивности сейчас используется для бесконтактного нагрева тел основным элементом в которых служит магнетрон, а также для радиолокации.
4
Микроволновое излучение малой интенсивности используется в средствах связи, преимущественно портативных — рациях, сотовых телефонах,устройствах Bluetooth, Wi-Fi.
Лазерный метод.
В том случае, если длина волны электромагнитного излучения приближается к видимой области спектра (от 10 мкм до 10 нм), энергию можно передать путем её преобразования в луч лазера, который затем может быть направлен на фотоэлемент приемника.
Лазерная передача энергии по сравнению с другими методами беспроводной передачи обладает рядом преимуществ:
Монохроматическая световая волна, обладающая малым углом расходимости, позволяет узкому пучку эффективно передавать энергию на большие расстояния.
Компактный размер твердотельного лазера — фотоэлектрического полупроводникового диода — удобен для небольших изделий.
Лазер не создает радиочастотных помех для существующих средств связи, таких, как Wi-Fi и сотовые телефоны.
Контроль доступа, так как только приемники, освещенные лазерным лучом, получают электроэнергию.
Недостатки данного метода:
Преобразование низкочастотного электромагнитного излучения в высокочастотное, которым является свет, неэффективно. Преобразование света обратно в электричество также неэффективно, так как КПД фотоэлементов достигает 40-50 %, хотя эффективность преобразования монохроматического света значительно выше, чем эффективность солнечных панелей.
Потери в атмосфере.
Как и при микроволновой передаче, этот метод требует прямой видимости между передатчиком и приемником.
В 2009 лазер смог передать мощность в 500 Вт на расстояние в 1 км с 10 % КПД.
Метод электромагнитной индукции.
Техника беспроводной передачи методом электромагнитной индукции использует ближнее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны. Энергия ближнего поля сама по себе не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Кроме того, как правило, имеют место и
5
резистивные потери. Благодаря электродинамической индукции, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создает переменное магнитное поле, которое действует на вторичную обмотку, индуцируя в ней электрический ток. 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 крайне неэффективной, расходуя большую часть передаваемой энергии впустую.
Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приемник должен находиться в непосредственной близости к передатчику для того, чтобы эффективно с ним взаимодействовать.
Использование резонанса несколько увеличивает дальность передачи. При резонансной индукции передатчик и приемник настроены на одну частоту. Производительность может быть улучшена ещё больше путем изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Импульсная передача энергии происходит в течение нескольких циклов. Таким образом, значительная мощность может быть передана между двумя взаимно настроенными LC-цепями с относительно невысоким коэффициентом связи. Передающая и приемная катушки, как правило, представляют собой однослойные соленоиды или плоскую спираль с набором конденсаторов, которые позволяют настроить принимающий элемент на частоту передатчика.
Передатчик(передающая рамка)
Система питания передатчика
Препятствие, огибаемое электро-магнитным полем
Приемник(приемная рамка) и нагрузка(лампочка)
6
1.3 Всемирная беспроводная система
Одним из условий создания всемирной беспроводной системы является строительство резонансных приемников. Заземленный винтовой резонатор катушки Теслы и расположенный на возвышении терминал могут быть использованы в качестве таковых. Тесла лично неоднократно демонстрировал беспроводную передачу электрической энергии от передающей к приемной катушке Теслы. Это стало частью его беспроводной системы передачи. Тесла предложил установить более тридцати приемо-передающих станций по всему миру. В этой системе приемная катушка действует как понижающий трансформатор с высоким выходным током. Параметры передающей катушки тождественны приемной.
Целью мировой беспроводной системы Теслы являлось совмещение передачи энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которое бы позволило избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействие объединению электрических генерирующих в глобальном масштабе.
Подобное сооружение уже было построено в 1902 году известное также как «Башня Ворденклиф» - первая беспроводная телекоммуникационная башня, созданная Николой Теслой и предназначавшаяся для коммерческой трансатлантической телефонии, радиовещания, и демонстрации беспроводной передачи электроэнергии. Первые полномасштабные испытания башни-резонатора прошли 15 июня 1903 года ровно в полночь по местному времени. К сожалению проект так и не был закончен, а башня была разрушена в 1917 году.
7
Глава 2. Описание практического исследования передачи электроэнергии на расстояние, методом электромагнитной индукции
2.1 Описание системы:
Система представляет собой два устройства: приёмник и передатчик.
Приёмником является кольцо из проволоки диаметром 10см. В разрез кольца включены параллельно светодиод и конденсатор.
Передатчик представляет собой проволочное кольцо диаметром 15см, к которому подключен генератор.
Схема передатчика
L1-Передающий контур (медное проволочное кольцо)
C1..C4-Конденсаторы
VT1,VT2-npnтранзисторы
R1,R2- Токоограничивающие резисторы
Аккумулятор 5-9 В
Схема приемника
L2-Принимающий контур
С5-Конденсатор
HL1-Светодиод
8
2.2 Ход исследования:
Подключаем к передатчику питание
Подносим к нему приёмник так, чтобы кольца передатчика и приёмника находились на одной оси.
При каком- то расстоянии между ними, светодиод приемника начинает светиться. И чем ближе приёмник к передатчику, тем ярче будет свечение светодиода.
Замеряем максимально расстояние от передатчика, на котором все еще будет светиться светодиод
L-максимально расстояние от передатчика до приемника на котором светиться светодиод(лампа)
d1,d2- диаметры передающей и принимающей катушек
Изменяя диаметры передающей катушки, а так же других параметров, мы можем увидеть следующую закономерность: зависимости дальности передачи от параметров.
9
10
11
2.3Объяснение принципа действия
Кольца передатчика и приёмника - это катушки индуктивности, образующие колебательные контуры. Эти контуры настроены на одну и ту же частоту. Передатчик генерирует высокочастотные колебания тока и подаёт их в свой контур. В результате, вокруг катушки контура (проволочного кольца), возникает переменное магнитное поле. Это поле распространяется во все стороны вокруг кольца, постепенно ослабевая с расстоянием.
Если теперь в это магнитное поле внести кольцо приёмника, то в нём наведутся высокочастотные колебания тока, и в разрезе кольца появится высоко частотное напряжение, положительные полупериоды которого будут питать светодиод, и он станет светиться.
2.4Пояснения к схемам
Пояснение к схеме передатчика:
Схема передатчика представляет собой двухтактный генератор гармонических колебаний. По сравнению с однотактными генераторами, он позволяет получить вдвое большую мощность при одинаковом напряжении питания.
Вместе с конденсаторами C1, C2, она образует колебательный контур. От значений ёмкостей C1, C2 и индуктивности L1, зависит частота излучения передатчика. Ровно посередине, от катушки сделан отвод, подключённый к плюсу питания. Этот отвод делит катушку на два "плеча", каждое из которых управляется одним из двух транзисторов: VT1 и VT2. Поскольку мы уже сказали, что генератор - двухтактный, значит эти транзисторы будут работать по очереди, питая только свою половинку периода колебаний тока в контуре.
С помощью конденсаторов C3, C4, создается положительная обратная связь.
Резисторы R1, R2создают начальное смещение на базах транзисторовведь транзистор начинает открываться только тогда, когда на его базе напряжение
достигает определенного порога. Нужно всегда держать транзистор немножко
приоткрытым, чтобы любой, даже самый слабый сигнал, мог управлять транзистором. Для этого мы и ставим резистор в цепь базы.
Пояснение к схеме приемника:
L2 - это приёмное кольцо. Вместе с конденсатором C5, они образуют колебательный контур, настроенный на частоту передатчика. Параллельно конденсатору включён светодиод.
Диод будет светиться не всё время, то есть он горит только по половине периода каждого колебания. Вторая половина периода расходуется вхолостую. Правда, человеческий глаз всё равно этого не заметит, потому как частота очень большая.
12
2.5Увеличение расстояния передачи посредством ретрансляции электромагнитного поля
При экспериментах сначала был испытан вариант, когда передающая и приемная рамки располагались одна напротив другой, и изменялось расстояние между ними(L). При диаметре рамок по 0,3 метра дальность передачи энергии составила также 0,3 метра, при кпд передачи порядка 30%. Если отодвигать приемную рамку дальше, то, яркость свечения лампы падает до нуля. лампы
10
Следующий опыт заключался в том, что приемная рамка отодвигалась на расстояние, когда накал лампочки становился еле заметным, но примерно посредине между передающей и приемной рамками устанавливалась еще одна. Эта третья рамка была настроена своим конденсатором точно на резонанс передатчика. В результате – лампочка приемной рамки стала светиться в полный накал. Т.е. в пространстве был создан некий магнитно-резонансный канал передачи энергии. Расстояние передачи энергии увеличилось до 0,5 метров. Снова отодвигаем приемную рамку с лампочкой на расстояние, когда накал лампочки становится еле заметным. А между приемной рамкой и передающей устанавливаем уже два одинаковых резонансных контура. Таким образом, удается передать энергию уже на расстояние 0,23метра. Еще раз сдвигаем приемную рамку до погасания лампочки и устанавливаем между передатчиком и приемником третий резонансный контур. И снова лампочка светится, но уже на расстоянии 0,25метра. Кпд при такой передаче постепенно снижается в зависимости от расстояния и при 0,25 метрах равен порядка 10%. Но вдохновляет уже сам принцип передачи.
13
Еще один вариант проведения экспериментов. Передающая и приемная рамки остаются в вертикальном положении, а, создающие в предыдущих опытах магнитно-резонансный канал рамки, располагаются горизонтально. В таком варианте дальность передачи при том же кпд была даже несколько больше и составляла 0,25 метра.
При дальнейших экспериментах было замечено, что резонансные рамки можно располагать различными способами – горизонтально в шахматном порядке, смешанно – часть вертикально, часть горизонтально и т.д. Во всех конфигурациях наблюдалась передача энергии на расстояние.
В заключение следует отметить, что. Таким образом, экспериментально подтверждено, что при низких питающих напряжениях, за счет точно настроенных резонансных контуров, можно передавать энергию на расстояние. Такая передача может использоваться, например, для бесконтактной зарядки телефонов, питания светодиодных светильников на расстоянии, питание различной бытовой техники и т.п.
14
Вывод
Изучив все способы беспроводной передачи энергии на расстояние,
проведя практический эксперимент передачи электроэнергии на расстояние,
делаем вывод, что дальность передачи энергии методом электромагнитной энергии зависит от различных параметров, таких как: диаметр катушки, число витков провода, сечение этого провода, частота создаваемых колебаний в контуре.
Думаю, что такой способ передачи электричества пока что только развивается, ученые по
15
Литература
Е.И.Бутиков, А.С.Кондратьев «Физика»
«Элементарный учебник физики под редакцией» Г.С Ладсберга
