Transmisi daya secara nirkabel - dari awal hingga hari ini

2024 Pengarang: Matthew Elmers | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 22:16

Mengomentari artikel pertahanan udara pada generasi keempat, "berbenturan" dengan TOP2 tentang masalah catu daya nirkabel jarak jauh UAV kecil dan ultra-kecil (UAV) (lihat di sini), serta pada topik: algoritma swarm (agen) untuk UAV dan prospek pertahanan udara "generasi ke-4". Saya akan mencoba menyoroti masalah transmisi daya nirkabel sejauh yang saya ketahui. Algoritma swarm (konsep agen) dan kemungkinan inefisiensi dari sistem pertahanan udara yang ada, secara umum, merupakan topik untuk artikel terpisah.

Transmisi listrik tanpa kabel adalah metode mentransfer energi listrik tanpa menggunakan elemen konduktif dalam rangkaian listrik.

Pada akhir abad ke-19, penemuan bahwa listrik dapat digunakan untuk membuat bola lampu menyala memicu ledakan penelitian untuk menemukan cara terbaik untuk mentransmisikan listrik.

Transmisi daya secara nirkabel - dari awal hingga hari ini

Transmisi energi nirkabel juga dipelajari secara aktif pada awal abad ke-20, ketika para ilmuwan menaruh perhatian besar pada pencarian berbagai cara transmisi energi nirkabel. Tujuan dari penelitian ini sederhana - untuk menghasilkan medan listrik di satu tempat sehingga dapat dideteksi oleh perangkat di kejauhan. Pada saat yang sama, upaya telah dilakukan untuk memasok energi dari jarak jauh tidak hanya ke sensor yang sangat sensitif untuk mendeteksi tegangan, tetapi juga ke konsumen energi yang signifikan. Jadi, pada tahun 1904 di st. Louis World's Fair dianugerahi hadiah atas keberhasilan peluncuran mesin pesawat dengan kapasitas 0,1 tenaga kuda, dilakukan pada jarak 30 m.

Ahli "listrik" diketahui banyak orang (William Sturgeon, Michael Faraday, Nicolas Joseph Callan, James Clerk Maxwel, Heinrich Hertz, Mahlon Loomas, dll.), tetapi hanya sedikit orang yang tahu bahwa peneliti Jepang Hidetsugu Yagi menggunakan antena yang dikembangkannya sendiri untuk mengirimkan energi. Pada bulan Februari 1926, ia mempublikasikan hasil penelitiannya, di mana ia menggambarkan struktur dan metode penyetelan antena Yagi.

Pekerjaan dan proyek yang sangat serius dilakukan di Uni Soviet pada periode 1930-1941. dan secara paralel di Drittes Reich.

Secara alami, terutama untuk tujuan militer: kekalahan tenaga kerja musuh, penghancuran infrastruktur militer dan industri, dll. Di Uni Soviet, pekerjaan serius juga dilakukan pada penggunaan radiasi gelombang mikro untuk mencegah korosi permukaan struktur dan produk logam. Tapi ini adalah cerita terpisah yang membutuhkan investasi waktu yang signifikan: sekali lagi Anda harus naik ke loteng berdebu atau ruang bawah tanah yang sama-sama berdebu.

Salah satu fisikawan Rusia terbesar abad terakhir, penerima Hadiah Nobel, akademisi Pyotr Leonidovich Kapitsa mencurahkan sebagian dari biografi kreatifnya untuk meneliti prospek penggunaan osilasi dan gelombang gelombang mikro untuk menciptakan sistem transmisi energi baru dan sangat efisien.

Pada tahun 1962, dalam kata pengantar monografinya, ia menulis:

Dari daftar panjang ide teknis fantastis yang diterapkan pada abad kedua puluh, hanya impian transmisi nirkabel energi listrik yang tetap tidak terpenuhi. Uraian rinci tentang berkas energi dalam novel fiksi ilmiah menggoda para insinyur dengan kebutuhan mereka yang jelas, dan dengan kerumitan implementasi praktis.

Tetapi situasi secara bertahap mulai berubah menjadi lebih baik.

Pada tahun 1964, ahli elektronika gelombang mikro William C. Brown pertama kali menguji perangkat (model helikopter) yang mampu menerima dan menggunakan energi pancaran gelombang mikro dalam bentuk arus searah, berkat susunan antena yang terdiri dari dipol setengah gelombang, masing-masing yang dimuat dengan dioda Schottky efisiensi tinggi …

Juga pada tahun 1964, William C. Brown memamerkan model helikopternya, yang ditenagai oleh pemancar gelombang mikro untuk penerbangan, di CBS's Walter Cronkite News.

Pada prinsipnya, event dan teknologi ini adalah yang paling menarik di TopWar (di bawah ini akan sedikit tentang "kehidupan sehari-hari" dan energi). Sejarah & Eksperimen Penerbangan Microwave Bertenaga Nirkabel (film dalam bahasa Inggris, tetapi semuanya cukup jelas)

Sudah pada tahun 1976, William Brown melakukan transmisi sinar gelombang mikro dengan daya 30 kW pada jarak 1,6 km dengan efisiensi melebihi 80%.

Pengujian dilakukan di laboratorium dan ditugaskan oleh Raytheon Co.

Apa yang membuat Raytheon terkenal dan minat utama perusahaan ini, menurut saya, tidak layak untuk disebutkan? Nah, jika ada yang belum tahu, lihat Kronologi Sejarah Raytheon:

Baca lebih lanjut tentang hasil yang dicapai di sini (dalam format bahasa Inggris dan RIS, Ekspor Langsung BibTex dan RefWorks):

→ Transmisi Daya Microwave - Jurnal IOSR

→ Helikopter bertenaga microwave. William C. Brown. Perusahaan Raytheon.

Pada tahun 1968, peneliti ruang angkasa Amerika Peter E. Glaser mengusulkan penempatan panel surya besar di orbit geostasioner, dan mentransmisikan energi yang dihasilkan olehnya (pada tingkat 5-10 GW) ke permukaan bumi dengan sinar gelombang mikro yang terfokus dengan baik., kemudian mengubahnya menjadi energi arus searah atau arus bolak-balik frekuensi teknis dan mendistribusikannya ke konsumen.

Skema semacam itu memungkinkan untuk menggunakan fluks intens radiasi matahari yang ada di orbit geostasioner (~ 1, 4 kW / sq. M.), Dan mentransmisikan energi yang diterima ke permukaan bumi secara terus menerus, terlepas dari waktu hari dan kondisi cuaca. Karena kemiringan alami bidang khatulistiwa ke bidang ekliptika dengan sudut 23,5 derajat, satelit yang terletak di orbit geostasioner diterangi oleh fluks radiasi matahari hampir terus menerus, kecuali untuk periode waktu yang singkat di dekat hari-hari musim semi. dan ekuinoks musim gugur, ketika satelit ini jatuh ke dalam bayang-bayang Bumi. Periode waktu ini dapat diprediksi secara akurat, dan secara total tidak melebihi 1% dari total panjang tahun.

Frekuensi osilasi elektromagnetik dari sinar gelombang mikro harus sesuai dengan rentang yang dialokasikan untuk digunakan dalam industri, penelitian ilmiah dan kedokteran. Jika frekuensi ini dipilih sama dengan 2,45 GHz, maka kondisi meteorologi, termasuk awan tebal dan curah hujan yang tinggi, praktis tidak berpengaruh pada efisiensi transfer energi. Pita 5,8 GHz menggoda karena memungkinkan untuk mengurangi ukuran antena pengirim dan penerima. Namun, pengaruh kondisi meteorologi di sini sudah membutuhkan studi tambahan.

Tingkat perkembangan elektronik gelombang mikro saat ini memungkinkan kita untuk berbicara tentang nilai efisiensi transfer energi yang cukup tinggi oleh sinar gelombang mikro dari orbit geostasioner ke permukaan bumi - sekitar 70% 75%. Dalam hal ini, diameter antena pemancar biasanya dipilih sama dengan 1 km, dan rectenna terestrial memiliki dimensi 10 km x 13 km untuk garis lintang 35 derajat. SCES dengan daya keluaran 5 GW memiliki kerapatan daya terpancar di tengah antena pemancar 23 kW / m², di tengah antena penerima - 230 W / m².

Berbagai jenis generator gelombang mikro solid-state dan vakum untuk antena pemancar SCES telah diselidiki. William Brown menunjukkan, khususnya, bahwa magnetron, yang dikembangkan dengan baik oleh industri, ditujukan untuk oven microwave, juga dapat digunakan dalam mentransmisikan susunan antena SCES, jika masing-masing dilengkapi dengan sirkuit umpan balik fase negatifnya sendiri sehubungan dengan sinyal sinkronisasi eksternal (disebut Magnetron Directional Amplifier - MDA).

Rektenna adalah sistem penerima dan konversi yang sangat efisien, namun tegangan rendah dioda dan kebutuhan untuk pergantian serial dapat menyebabkan kerusakan longsoran salju. Konverter energi siklotron sebagian besar dapat menghilangkan masalah ini.

Antena pemancar SCES dapat berupa susunan antena aktif yang memancarkan kembali berdasarkan pandu gelombang yang ditempatkan. Orientasi kasarnya dilakukan secara mekanis; untuk panduan yang tepat dari pancaran gelombang mikro, sinyal pilot digunakan, dipancarkan dari pusat rectenna penerima dan dianalisis pada permukaan antena pemancar oleh jaringan sensor yang sesuai.

Dari tahun 1965 hingga 1975 program ilmiah yang dipimpin oleh Bill Brown berhasil diselesaikan, menunjukkan kemampuan untuk mentransmisikan daya 30 kW melalui jarak lebih dari 1 mil dengan efisiensi 84%.

Pada tahun 1978-1979 di Amerika Serikat, di bawah kepemimpinan Departemen Energi (DOE) dan NASA (NASA), program penelitian negara bagian pertama dilakukan yang bertujuan untuk menentukan prospek SCES.

Pada 1995-1997, NASA kembali membahas masa depan SCES, berdasarkan kemajuan teknologi yang dicapai saat itu.

Penelitian dilanjutkan pada tahun 1999-2000 (Space Solar Power (SSP) Strategic Research & Technology Program).

Penelitian paling aktif dan sistematis di bidang SCES dilakukan oleh Jepang. Pada tahun 1981, di bawah kepemimpinan Profesor M. Nagatomo (Makoto Nagatomo) dan S. Sasaki (Susumu Sasaki), Institute of Space Research Jepang memulai penelitian pengembangan prototipe SCES dengan tingkat daya 10 MW, yang dapat dibuat menggunakan kendaraan peluncuran yang ada. Penciptaan prototipe semacam itu memungkinkan akumulasi pengalaman teknologi dan mempersiapkan dasar untuk pembentukan sistem komersial.

Proyek tersebut diberi nama SKES2000 (SPS2000) dan mendapat pengakuan di banyak negara di dunia.

Inilah bagaimana WiTricity dan perusahaan WiTricity lahir.

Pada bulan Juni 2007, Marin Soljačić dan beberapa orang lain di Massachusetts Institute of Technology mengumumkan pengembangan sistem di mana bola lampu 60 W disuplai dari sumber yang terletak 2 m, dengan efisiensi 40%.

Menurut penulis penemuan ini, ini bukan resonansi "murni" dari sirkuit yang digabungkan dan bukan transformator Tesla dengan kopling induktif. Radius transmisi energi untuk hari ini sedikit lebih dari dua meter, di masa depan - hingga 5-7 meter.

Secara umum, para ilmuwan menguji dua skema yang berbeda secara fundamental.

Teknologi serupa sedang dikembangkan dengan tergesa-gesa oleh perusahaan lain: Intel telah mendemonstrasikan teknologi WREL-nya dengan efisiensi transmisi daya hingga 75%. Pada tahun 2009, Sony mendemonstrasikan pengoperasian TV tanpa koneksi jaringan. Hanya satu keadaan yang mengkhawatirkan: terlepas dari metode transmisi dan penyesuaian teknis, kepadatan energi dan kekuatan medan di tempat harus cukup tinggi untuk menyalakan perangkat dengan kapasitas beberapa puluh watt. Menurut pengembangnya sendiri, masih belum ada informasi tentang efek biologis dari sistem tersebut pada manusia. Mengingat penampilan baru-baru ini dan pendekatan yang berbeda untuk implementasi perangkat transmisi daya, studi semacam itu masih ada di depan, dan hasilnya tidak akan segera muncul. Dan kita akan dapat menilai dampak negatifnya hanya secara tidak langsung. Sesuatu akan hilang dari rumah kita lagi, seperti kecoa.

Pada tahun 2010, Haier Group, produsen peralatan rumah tangga Cina, meluncurkan produk uniknya di CES 2010, TV LCD nirkabel sepenuhnya berdasarkan penelitian Profesor Marina Solyachich tentang transmisi daya nirkabel dan antarmuka digital rumah nirkabel (WHDI).

Pada tahun 2012-2015. insinyur di University of Washington telah mengembangkan teknologi yang memungkinkan Wi-Fi digunakan sebagai sumber daya untuk menyalakan perangkat portabel dan mengisi daya gadget. Teknologi tersebut telah diakui oleh majalah Popular Science sebagai salah satu inovasi terbaik tahun 2015. Teknologi nirkabel di mana-mana telah merevolusi dirinya sendiri. Dan sekarang giliran transmisi daya nirkabel melalui udara, yang oleh para pengembang di University of Washington disebut PoWiFi (untuk Power Over WiFi).

Selama fase pengujian, para peneliti berhasil mengisi baterai lithium-ion dan nikel-metal hidrida berkapasitas kecil. Menggunakan router Asus RT-AC68U dan beberapa sensor yang terletak pada jarak 8,5 meter darinya. Sensor ini mengubah energi gelombang elektromagnetik menjadi arus searah dengan tegangan 1, 8 hingga 2, 4 volt, yang diperlukan untuk memberi daya pada mikrokontroler dan sistem sensor. Keunikan teknologi ini adalah bahwa kualitas sinyal kerja tidak memburuk dalam kasus ini. Anda hanya perlu mem-flash router, dan Anda dapat menggunakannya seperti biasa, plus memasok daya ke perangkat berdaya rendah. Dalam salah satu demonstrasi, kamera pengintai rahasia kecil beresolusi rendah yang terletak lebih dari 5 meter dari router berhasil dinyalakan. Kemudian fitness tracker Jawbone Up24 di charge 41%, butuh waktu 2,5 jam.

Untuk pertanyaan rumit tentang mengapa proses ini tidak berdampak negatif pada kualitas saluran komunikasi jaringan, pengembang menjawab bahwa ini menjadi mungkin karena router yang di-flash mengirimkan paket energi melalui saluran transfer informasi yang tidak terisi selama bekerja. Mereka sampai pada keputusan ini ketika mereka menemukan bahwa selama periode hening, energi hanya mengalir keluar dari sistem, dan sebenarnya energi itu dapat diarahkan ke perangkat berdaya rendah.

Di masa depan, teknologi PoWiFi dapat berfungsi dengan baik untuk memberi daya pada sensor yang terpasang pada peralatan rumah tangga dan peralatan militer, untuk mengontrolnya secara nirkabel dan melakukan pengisian/pengisian ulang jarak jauh.

Transfer energi untuk UAV relevan (kemungkinan besar, sudah menggunakan teknologi PoWiMax atau dari radar udara dari pesawat pengangkut):

Idenya terlihat cukup menggoda. Alih-alih 20-30 menit waktu penerbangan hari ini:

→ LOCUST - Drone Angkatan Laut yang Berkerumun

→ Di AS menguji "kerumunan" mikrodron Perdix

→ Intel menjalankan pertunjukan drone selama pertunjukan paruh waktu Lady Gaga - Platform Intel® Aero untuk UAV

dapatkan 40-80 menit dengan mengisi ulang drone menggunakan teknologi nirkabel.

Mari saya jelaskan:

-pertukaran drone m / y masih diperlukan (algoritma swarm);

-pertukaran m / y drone dan pesawat (rahim) juga diperlukan (pusat kendali, koreksi BZ, penargetan ulang, perintah untuk menghilangkan, mencegah "tembakan ramah", transfer informasi pengintaian dan perintah untuk menggunakan senjata).

Untuk UAV, negatif dari hukum kuadrat terbalik (antena pemancar isotropik) sebagian "mengkompensasi" lebar berkas antena dan pola radiasi:

Ini bukan koneksi seluler, di mana sel harus menyediakan komunikasi 360 ° ke elemen akhir.

Katakanlah variasi ini:

Pesawat pengangkut (untuk Perdix) F-18 ini memiliki (sekarang) radar AN/APG-65:

atau kedepannya akan ada AN/APG-79 AESA:

Ini cukup untuk memperpanjang masa aktif Perdix Micro-Drones dari 20 menit saat ini menjadi satu jam, dan bahkan mungkin lebih. Kemungkinan besar, drone perantara Perdix Middle akan digunakan, yang akan disinari pada jarak yang cukup oleh radar pesawat tempur, dan, pada gilirannya, akan melakukan "distribusi" energi untuk adik-adik Perdix Micro- Drone melalui PoWiFi / PoWiMax, secara bersamaan bertukar informasi dengan mereka (penerbangan dan aerobatik, tugas target, koordinasi kawanan).

Apakah era serangan babi hutan sudah berlalu?

Mungkin, segera akan datang untuk mengisi daya ponsel dan perangkat seluler lainnya yang berada di kisaran Wi-Fi, Wi-Max atau 5G - di kereta bawah tanah, di kereta, di pesawat, sambil berjalan / jogging di taman?

Penutup: 10-20 tahun setelah pengenalan luas ke dalam kehidupan sehari-hari dari banyak pemancar gelombang mikro elektromagnetik (Ponsel, Microwave, Komputer, WiFi, alat Blu, dll.), Tiba-tiba kecoak di kota-kota besar tiba-tiba menjadi langka! Sekarang kecoa adalah serangga yang hanya bisa ditemukan di kebun binatang. Mereka tiba-tiba menghilang dari rumah yang dulu sangat mereka cintai.

KECOA KARL™!

Monster-monster ini, para pemimpin daftar "organisme tahan radio" menyerah tanpa malu-malu!

referensi

Siapa yang berikutnya dalam antrean?

Catatan: Pemancar WiMAX tipikal mentransmisikan daya sekitar +43 dBm (20 W), sedangkan stasiun bergerak biasanya mentransmisikan pada +23 dBm (200 mW).

Tingkat radiasi yang diizinkan dari stasiun pangkalan komunikasi bergerak (900 dan 1800 MHz, tingkat total dari semua sumber) di area perumahan sanitasi di beberapa negara sangat berbeda:

CHAOS PENUH

Obat belum memberikan jawaban yang jelas untuk pertanyaan: apakah seluler / WiFi berbahaya dan sejauh mana? Dan bagaimana dengan transmisi nirkabel listrik dengan teknologi gelombang mikro?

Di sini dayanya bukan watt dan mil watt, tetapi sudah kW …

Tautan, dokumen bekas, foto, dan video:

"(JOURNAL OF RADIO ELECTRONICS!" N 12, 2007 (DAYA LISTRIK DARI RUANG - PLTS RUANG SURYA, V. A. Banke)

"Elektronik gelombang mikro - perspektif dalam energi luar angkasa" V. Banke, Ph. D.