Реферат на тему Беспроводная передача электричества

Содержание:

СТРУКТУРА.. 2

ВВЕДЕНИЕ. 3

1.   Физические
принципы.. 6

2.   Технические
подходы и достижения. 15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 25

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ.. 27

ПРИЛОЖЕНИЕ. 30

Введение:

Последние столетия
развития человеческой цивилизации тесно взаимосвязаны с развитием энергетики.
При том, что современное общество называют техногенным, но наибольшее ускорение
научно-технический прогресс получил с началом использования электроэнергии.

Главное преимущество
электроэнергии в возможности сравнительно просто передавать с помощью проводов
на большие расстояния и преобразовывать в другие виды энергии. Уже в 2013 г. в
мире было произведено 23300 млрд кВт-час электроэнергии, и вся эта энергия по проводам
была распределена и доставлена потребителям – к этому времени линии электропередач,
провода буквально опутали и Землю, и жилище человека. Учитывая протяжённость
только российских распределительных сетей, которые составляют более 3млн. км,
стоит отметить, что большая часть была построена в 60- 70годы прошлого века и
нуждается в замене и модернизации. Срок службы воздушных линий (ВЛ), в среднем
ровняется 30-35годам, в ближайшее время количество аварий на них будет
возрастать в возрастающей прогрессии. Стоит отметить тот факт, что линии ВЛ
имеют множество недостатков. В настоящее время актуально стоит вопрос замены
голых проводов на самонесущие изолированные провода системы (СИП). Причиной
таких замен являются положительные свойства как экономические, так и
технологические. Потери энергии при передаче
через воздушные электросети довольно высоки. Известно, что при передаче
электрической энергии потери в линии с неизолированными проводами с учетом
износа достигают 30 %[1]. Мощность теряется как на оборудовании, обеспечивающем преобразование
энергии, так и на протяженных проводных линиях. Потери электроэнергии в
проводах зависят от силы тока, поэтому при передаче ее на дальние расстояния
напряжение повышают с помощью трансформаторов, во столько же раз уменьшая силу
тока, что при передаче той же мощности позволяет значительно снизить потери.
Однако с ростом напряжения начинают происходить различные разрядные явления,
которые также вносят свой вклад в потери[2]. В связи
с этим обозначены как перспективные работы по беспроводной передаче
энергии (далее БПЭ)[3],
однако при этом особого внимания заслуживают совершенствование технологий как в
части энергоэффективности[4], так и аутентификации для
обеспечения безопасности беспроводных
сетей[5].

Запрос на БПЭ стремительно
растет с развитием спутниковых систем и мобильной связи, а также потребностями обеспечения
электропитания транспортных средств. Созданные автономные источники питания, в
том числе аккумуляторы, не могут обеспечить потребности в быстрой зарядке, а
затем длительной и энергоёмкой разрядке.

В этой ситуации
столкнулись разные миропонимания сущности и задач передачи электрической
энергии без использования токопроводящих элементов в электрической цепи.
Технологические принципы такой передачи включают в себя индукционный (на малых
расстояниях и относительно малых мощностях), резонансный (используется в бесконтактных
смарт-картах и чипах RFID), и направленный электромагнитный потоки для
относительно больших расстояний и мощностей (в диапазоне от ультрафиолета до
СВЧ). Производительность современных сетей связи в значительной степени
ограничена временем автономной работы составляющих их беспроводных устройств)[6]. В БПЭ на основе индукции
применяются индукционные технологии, и такая БПЭ используется для мобильных и
переносных устройств, аудиовидеоаппаратуры, производственного и осветительного
оборудования, роботов, игрушек, устанавливаемых на автомобилях устройств,
устройств медицинского назначения и т. д. Принимается, что рабочая мощность
излучения находится в диапазоне от нескольких до десятков ватт.

В БПЭ на основе резонанса
используются резонансные технологии и по сравнению с технологией на основе
индукции эта технология обеспечивает бóльшую пространственную свободу. Данная
технология используется для следующих применений для любой ориентации (x-y и z)
без применения методов совмещения (сотовые телефоны, смартфоны, планшетные и
портативные компьютеры, носимые устройства; цифровые фотокамеры, цифровые
видеокамеры, музыкальные проигрыватели, переносные ТВ; ручные цифровые
инструменты, настольные системы заказа блюд, осветительное оборудование
(например, светодиоды) и т. д.

Цель
нашей работы – рассмотреть основные подходы в развитии теории и практики
применения БПЭ, что предусматривает раскрытие следующих задач:

1) Проанализировать
физические принципы БПЭ определяющих ее развитие факторов с точки зрения фактов
и теорий, поддерживающих те или иные точки зрения;

2) Систематизировать
основные технологические подходы при создании устройств для БПЭ и практику их
воплощения.

Структура работы включает
введение, 2 раздела, заключение, список источников и литературы. [1] Гура А.В. Замена
голых проводов на самонесущие изолированные провода / Науч. рук. Г.П. Шеховцва
// Работы Научно-практической конференции. Томск, 2014. — С. 4-8. URL: https://www.tomintech.ru/lyceum/media/uploads/Sbornik_elektro_2014.pdf. [2] Самарин А.
Современные технологии мониторинга воздушных электросетей ЛЭП // Control
Engineering Russia, 2013. URL: https://controlengrussia.com/otraslevye-resheniya/
sovremenny-e-tehnologii-monitoringa-vozdushny-h-e-lektrosetej-le-p/. [3] Александр Новак
рассказал об энергетике будущего в рамках Всемирного фестиваля молодежи и
студентов. URL: https://minenergo.gov.ru/node/9579. [4] Материалы
заседания координационного совета Минэнерго России по энергосбережению и
повышению энергетической эффективности в угольной промышленности под
руководством заместителя Министра энергетики Российской Федерации Яновского
А.Б. (14.12.12). URL: https://minenergo.gov.ru/node/1873. [5] Евгений Грабчак
принял участие в Конференции по киберзащите промышленных объектов. URL: https://minenergo.gov.ru/node/15857. [6] S. Bi, C. K. Ho
and R. Zhang. Wireless powered communication: opportunities and challenges. //
IEEE Commun. Mag. 2015. Vol. 53. № 4.

Заключение:

Беспроводная передача мощности (WPT), а
также беспроводная передача энергии (WET), или электромагнитная передача
энергии, является отдельным видом передачей электрической энергии, без использования
проводов в качестве физической линии связи.

Беспроводная передача энергии или
Witricity (WIreless electricity) это технология, полезная в тех случаях, когда
требуется мгновенная или постоянная энергия, но соединительные провода
неудобны, опасны или невозможны. В системе беспроводной передачи энергии, особое
устройство передатчика электроэнергии от источника питания, генерирует
изменяющееся во времени электромагнитное поле, которое передает мощность через
пространство к устройству приемника, функция которого состоит в извлечении
энергии из поля и подаче его к электрической нагрузке.

В представленной работе освещены выбранные
аспекты беспроводной передачи энергии, общие физические принципы и прикладные
решения, позволяющие разобраться с некоторыми из сложных концепций. Раскрыты
направления применения технологий беспроводной передачи энергии в большинстве
областей, включая транспорт, связь, домашнюю автоматизацию, биомедицинские
системы и бытовую технику. Практические аспекты имеют свои особенности для
пользователей, обслуживания и инженерного конструирования в области энергетики,
открывают новые горизонты науки для студентов университетов и исследовательских
институтов по физике, электротехнике, электронике и информатике.

Технология беспроводной передачи энергии
может исключить применение проводов и батарей, тем самым увеличивая
мобильность, удобство и безопасность электронного устройства для всех
пользователей. Беспроводная передача мощности перспективна для развития систем питания
электрических устройств, где соединительные провода являются неудобными,
опасными, или не представляется возможным их установить.

Беспроводные технологии питания в основном
делятся на две категории, ближнее поле и дальнее поле. Современные
представления характеризуют теорию и практику WPT через два подхода: теории
связанных мод и теории цепей. Оба подхода зависят от методов резонанса, зависят
от квалификации пользователей и требуют тщательного обучения. Углубленный охват
исследований и разработок сосредоточен на концепциях ближнего поля.

В ближней зоне, при нерадиационных
методах, мощность передается на короткие расстояния с помощью магнитных полей с
помощью индуктивной связи между катушками проволоки, или с помощью
электрических полей с использованием емкостной связи между металлическими
электродами. Индуктивная связь является наиболее широко используемой
беспроводной технологией; ее приложения включают в себя зарядку портативных
устройств, таких как телефоны и электрические зубные щетки, RFID — теги, и
непрерывной беспроводной передачи энергии в электрические транспортные
средства, а также имплантируемые медицинские устройства, спутниковые систем,
игры для детей и др.

Поскольку источники ископаемой энергии
быстро истощаются во всем мире, а цены на нефть растут, солнечная энергия,
освоенная с помощью беспроводной передачи энергии (WPT), стала разумной
альтернативой для возобновляемых источников энергии, сбора и передачи энергии с
использованием БПЭ (WPT). Они находят применение в транспортных, электрических
и гибридных транспортных средствах.

Ведущие эксперты в данной области
разрабатывают физические принципы и технологии беспроводной передачи энергии в
ее приложениях. Важнейшие вопросы исследований связаны с ограничением
воздействия на людей и других живых существ со всех беспроводных систем
питания, и связанных с ними потенциально вредных электромагнитных полей.

Фрагмент текста работы:

1. Физические принципы

Рассмотрим устоявшиеся понятия о беспроводной
энергии ее видах, а также современные исследовательские направлениях. Мечта
Николы Теслы в начале 20-го века о «Мировой беспроводной системе» привела его к
созданию Башни Уорденклифф, прототипа базовой станции, служащей источником его
решений[1]. Базовая станция должна
была поставлять беспроводную электрическую энергию удаленному приемнику.

Развитие теорий и технологических решений,
основанных на этой мечте, привело к множеству интенсивных исследований в области
линий электропередачи, межмашинных коммуникаций и беспроводной передачи энергии
по всему миру. Еще в 1931 г., согласно легенде, сербский инженер Николо Тесла
поставил на автомобиль электродвигатель, подсоединил к нему закрытую коробку с
парой торчащих стержней и в течение недели без проводов ездил на своем
электромобиле. Очевидцев этому было множество, но принцип передачи
электроэнергии так и остался невыясненным. Ранее, в 1897 г. был зарегистрирован
первый из патентов Тесла по применению беспроводной передачи. В 1899 году в
Колорадо-Спрингс Тесла писал[2]: «Несостоятельность метода
индукции представляется огромной по сравнению с методом возбуждения заряда
земли и воздуха».

Однако идеи и реальные эксперименты
замечательного изобретателя Николо Тесла вселяют надежду, что рано или поздно
будет найдено теоретическое обоснование и осуществлена реальная возможность
черпать электроэнергию из «эфира», без проводов, и передавать ее путем
структурирования «эфира». Рассмотрим возможные технологии передачи
электроэнергии на расстояние без проводов[3].

Электромагнитное
излучение. Человечество уже более ста лет использует
электромагнитные волны для передачи сигналов, информации на большие расстояния
без проводов. Однако дошедший сигнал оказывается значительно ослабленным,
энергия волны многократно убывает в связи с рассеиванием. Энергия волны убывает
обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Характеристики
приборов Николы Теслы следующие: КПД = 4%, дальность передачи – 42 км, высота
антенны – 60 м, длина волны – 2000 м. Значимо, что в устройстве Теслы, Земля
рассматривается как один из проводов в передаче электричества, потому что
излучение и прием настолько длинных волн без заземления неэффективны. [1] Wireless Power Transfer / Johnson I. 
(2012). River Publishers. 416 р. ISBN  978-8792329233. URL: https://books.google.com.ua/books?id=zDPqqBJ76ZAC&hl=ru&source=gbs_navlinks_s. [2] Nikola Tesla
Colorado Spring Notes. 1899-1900. June 5, 1899. Nolit, 1978. URL: http://www.
bibliotecapleyades.net/tesla/coloradonotes/coloradonotes.htm. [3]
Белан
Н.Н. Передача электроэнергии без проводов. URL: https://pgu.ru/upload/iblock/0b6/ 2.pdf.