منذ اكتشاف الكهرباء من قبل الإنسان، حاول العديد من العلماء دراسة ظاهرة التيارات المذهلة وزيادة كفاءتها الفعالة، وإجراء العديد من التجارب واختراع مواد أكثر حداثة ذات خصائص محسنة لنقل الطاقة بدون مقاومة. الاتجاه الواعد في مثل هذا العمل العلمي هو النقل اللاسلكي للكهرباء لمسافات طويلة وبأقل تكاليف نقل. تتناول هذه المقالة طرق نقل الطاقة عبر مسافة، وكذلك أنواع الأجهزة لمثل هذه الإجراءات.

نقل الطاقة لاسلكيًا هو وسيلة نقل لا تستخدم فيها موصلات أو شبكات كابلات، وينتقل التيار على مسافة كبيرة إلى المستهلك بأقصى عامل طاقة فعال عبر الهواء. ولهذا تستخدم أجهزة لتوليد الكهرباء، وكذلك جهاز إرسال يقوم بتجميع التيار وتبديده في جميع الاتجاهات، وكذلك جهاز استقبال مزود بجهاز مستهلك. يلتقط جهاز الاستقبال الموجات والمجالات الكهرومغناطيسية، ومن خلال تركيزها على مقطع قصير من الموصل، ينقل الطاقة إلى مصباح أو أي جهاز آخر بقوة معينة.

هناك العديد من الطرق لنقل الكهرباء لاسلكيًا، والتي ابتكرها العديد من العلماء أثناء دراسة التيارات، لكن نيكولا تيسلا حقق أعظم النتائج من الناحية العملية. وتمكن من صنع جهاز إرسال واستقبال يفصل بينهما مسافة 48 كيلومترا. لكن في ذلك الوقت لم تكن هناك تقنيات يمكنها نقل الكهرباء عبر هذه المسافة بمعامل يزيد عن 50٪. وفي هذا الصدد، أعرب العالم عن آفاق كبيرة ليس لنقل الطاقة المولدة الجاهزة، ولكن لتوليد التيار من المجال المغناطيسي للأرض واستخدامه لتلبية الاحتياجات المحلية. كان لا بد من نقل هذه الكهرباء لاسلكيًا، عن طريق النقل عبر المجالات المغناطيسية.

طرق نقل الكهرباء لاسلكيا

اقترح معظم المنظرين والممارسين الذين يدرسون تشغيل التيار الكهربائي طرقًا خاصة بهم لنقله عبر مسافة دون استخدام الموصلات. في بداية هذا البحث، حاول العديد من العلماء استعارة ممارسات من مبدأ تشغيل أجهزة الراديو التي تستخدم لنقل شفرة مورس أو موجات الراديو القصيرة. لكن مثل هذه التقنيات لم تبرر نفسها، حيث أن تبديد التيار كان صغيرًا جدًا ولا يمكنه تغطية مسافات طويلة، علاوة على ذلك، لم يكن نقل الكهرباء عبر موجات الراديو ممكنًا إلا عند العمل بقدرات منخفضة، والتي لم تكن قادرة على تشغيل حتى أبسط آلية .

نتيجة للتجارب، تم الكشف عن أن موجات الميكروويف هي الأكثر ملاءمة لنقل الكهرباء بدون سلك، لأنها تتمتع بتكوين وجهد أكثر استقرارًا، كما أنها تفقد طاقة أقل بكثير عند تبديدها مقارنة بأي طريقة أخرى.

ولأول مرة، تمكن المخترع والمصمم ويليام براون من تطبيق هذه الطريقة بنجاح، حيث قام بتصميم منصة طيران تتكون من منصة معدنية بمحرك تبلغ قوته حوالي 0.1 حصان. تم تصنيع المنصة على شكل هوائي استقبال مزود بشبكة تلتقط موجات الميكروويف، والتي يتم إرسالها بواسطة مولد مصمم خصيصًا. وبعد أربعة عشر عامًا فقط، قدم نفس المصمم طائرة منخفضة الطاقة تستقبل الطاقة من جهاز إرسال على مسافة 1.6 كيلومتر، ويتم نقل التيار في شعاع مركز عبر موجات الميكروويف. لسوء الحظ، لم يتم استخدام هذا العمل على نطاق واسع، لأنه في ذلك الوقت لم تكن هناك تقنيات يمكنها ضمان نقل تيار الجهد العالي بهذه الطريقة، على الرغم من أن كفاءة جهاز الاستقبال والمولد كانت أكثر من 80٪.

في عام 1968، طور العلماء الأمريكيون مشروعًا، مدعومًا بالعمل العلمي، يقترح وضع ألواح شمسية كبيرة في مدار أرضي منخفض. كان لا بد من توجيه مستقبلات الطاقة نحو الشمس، وتقع أجهزة التخزين الحالية في قاعدتها. وبعد امتصاص الإشعاع الشمسي وتحويله إلى موجات ميكروويف أو موجات مغناطيسية، يتم توجيه التيار إلى الأرض عبر جهاز خاص. يجب أن يتم الاستقبال بواسطة هوائي خاص بمساحة كبيرة، يتم ضبطه على موجة معينة وتحويل الموجات إلى تيار مباشر أو متناوب. وقد حظي هذا النظام بتقدير كبير في العديد من البلدان باعتباره بديلاً واعداً لمصادر الكهرباء الحديثة.

تشغيل السيارة الكهربائية لاسلكياً

يقوم العديد من الشركات المصنعة للسيارات التي تعمل بالتيار الكهربائي بتطوير طريقة بديلة لإعادة شحن السيارة دون توصيلها بالشبكة. وقد تم تحقيق نجاح كبير في هذا المجال من خلال تقنية شحن المركبات من سطح طريق خاص، عندما تستقبل السيارة الطاقة من طبقة مشحونة بمجال مغناطيسي أو موجات الميكروويف. لكن مثل هذا التجديد لم يكن ممكنا إلا إذا كانت المسافة بين الطريق وجهاز الاستقبال لا تزيد عن 15 سم، وهو أمر غير ممكن دائما في الظروف الحديثة.

هذا النظام في مرحلة التطوير، لذلك يمكن الافتراض أن هذا النوع من نقل الطاقة بدون موصل سيظل قيد التطوير وربما سيتم إدخاله في صناعة النقل الحديثة.

التطورات الحديثة في نقل الطاقة

في الواقع الحديث، أصبحت الكهرباء اللاسلكية مرة أخرى مجالًا ذا صلة بدراسة الأجهزة وتصميمها. هناك أكثر الطرق الواعدة لتطوير نقل الطاقة لاسلكياً، والتي تشمل:

1. استخدام الكهرباء في المناطق الجبلية، في الحالات التي لا يمكن فيها مد الكابلات الناقلة للمستهلك. وعلى الرغم من دراسة مسألة الكهرباء، إلا أن هناك أماكن على وجه الأرض لا توجد فيها كهرباء، ولا يمكن للأشخاص الذين يعيشون هناك أن يتمتعوا بمثل هذه الميزة الحضارية. وبطبيعة الحال، غالبا ما تستخدم مصادر الطاقة المستقلة هناك، مثل الألواح الشمسية أو المولدات، ولكن هذا المورد محدود ولا يمكنه تلبية الاحتياجات بالكامل؛
2. تقوم بعض الشركات المصنعة للأجهزة المنزلية الحديثة بإدخال أجهزة لنقل الطاقة اللاسلكية في منتجاتها. على سبيل المثال، يتم تقديم وحدة خاصة في السوق تتصل بمصدر الطاقة الرئيسي، ومن خلال تحويل التيار المباشر إلى موجات ميكروويف، تنقلها إلى الأجهزة المحيطة. الشرط الوحيد لاستخدام هذا الجهاز هو أن يحتوي الجهاز المنزلي على جهاز استقبال يقوم بتحويل هذه الموجات إلى تيار مباشر. هناك أجهزة تلفزيون معروضة للبيع تعمل بالكامل على الطاقة اللاسلكية المستلمة من جهاز الإرسال؛
3. للأغراض العسكرية، في معظم الحالات في قطاع الدفاع، هناك تطورات في أجهزة الاتصالات والأجهزة المساعدة الأخرى.

وحدثت طفرة كبيرة في هذا المجال من التكنولوجيا في عام 2014، عندما قام مجموعة من العلماء بتطوير جهاز لتوليد واستقبال الطاقة عبر مسافة لاسلكيا، باستخدام نظام العدسات الموضوعة بين ملفات الإرسال والاستقبال. في السابق، كان يُعتقد أن نقل التيار بدون موصل ممكن عبر مسافة لا تتجاوز حجم الأجهزة، لذلك كان من الضروري وجود هيكل ضخم لنقل الكهرباء لمسافات طويلة. لكن المصممين المعاصرين غيروا مبدأ تشغيل هذا الجهاز وقاموا بإنشاء جهاز إرسال لا يرسل موجات الميكروويف، بل يرسل مجالات مغناطيسية ذات ترددات منخفضة. في هذه الحالة، لا تفقد الإلكترونات الطاقة وتنتقل عبر مسافة في شعاع مركز، علاوة على ذلك، فإن استهلاك الطاقة ممكن ليس فقط من خلال الاتصال بالجزء المستقبل، ولكن أيضًا ببساطة من خلال التواجد في منطقة العمل الميدانية.

لمعلوماتك.ويخطط التقنيون لجعل الهاتف المحمول أو الكمبيوتر اللوحي أول جهاز يتلقى الطاقة اللاسلكية؛ ويجري بالفعل تطوير مثل هذا النظام.

الاتجاهات الواعدة

تتم دراسة الكهرباء اللاسلكية بشكل مستمر من قبل العديد من علماء الفيزياء، ويعتبرون أهم الاتجاهات الواعدة في هذا المجال، والتي تشمل:

1. يعيد شحن الأجهزة المحمولة دون الاتصال بالكابل؛
2. يعد توفير الطاقة للمركبات الجوية بدون طيار مجالًا سيكون مطلوبًا بشدة في كل من الصناعات المدنية والعسكرية، حيث أصبحت هذه الأجهزة تستخدم بشكل متكرر مؤخرًا لأغراض مختلفة.

إن إجراء نقل البيانات عبر المسافة دون استخدام الأسلاك كان يعتبر طفرة في الفيزياء وأبحاث الطاقة منذ بعض الوقت؛ والآن لم يعد هذا مفاجئًا لأي شخص وأصبح في متناول أي شخص. وبفضل التطورات والتطورات التكنولوجية الحديثة، أصبح نقل الكهرباء بهذه الطريقة أمرا واقعا ويمكن تحقيقه على أرض الواقع.

فيديو

يتمتع النقل اللاسلكي لتوصيل الكهرباء بالقدرة على تحقيق تقدم كبير في الصناعات والتطبيقات التي تعتمد على الاتصال المادي للموصل. وهذا بدوره يمكن أن يكون غير موثوق به ويؤدي إلى الفشل. تم عرض نقل الطاقة لاسلكيًا لأول مرة بواسطة نيكولا تيسلا في تسعينيات القرن التاسع عشر. ومع ذلك، لم يتم الاستفادة من هذه التكنولوجيا إلى الحد الذي تقدم فيه فوائد حقيقية وملموسة لتطبيقات العالم الحقيقي إلا في العقد الماضي. وعلى وجه الخصوص، أظهر تطوير أنظمة الطاقة اللاسلكية الرنانة لسوق الإلكترونيات الاستهلاكية أن الشحن الاستقرائي يوفر مستويات جديدة من الراحة لملايين الأجهزة اليومية.

القوة المعنية معروفة على نطاق واسع بمصطلحات عديدة. بما في ذلك النقل الحثي والاتصالات والشبكة اللاسلكية الرنانة وعودة الجهد نفسه. يصف كل شرط من هذه الشروط بشكل أساسي نفس العملية الأساسية. نقل الكهرباء أو الطاقة لاسلكياً من مصدر الطاقة إلى جهد الحمل بدون موصلات عبر فجوة هوائية. الأساس عبارة عن ملفين - جهاز إرسال وجهاز استقبال. يتم إثارة الأول بواسطة تيار متناوب لتوليد مجال مغناطيسي، والذي بدوره يولّد جهدًا في الثاني.

كيف يعمل النظام المعني؟

تتضمن أساسيات الطاقة اللاسلكية توزيع الطاقة من جهاز الإرسال إلى جهاز الاستقبال من خلال مجال مغناطيسي متذبذب. ولتحقيق ذلك، يتم تحويل التيار المباشر الذي يوفره مصدر الطاقة إلى تيار متردد عالي التردد. استخدام إلكترونيات مصممة خصيصًا مدمجة في جهاز الإرسال. يقوم التيار المتردد بتنشيط ملف من الأسلاك النحاسية في الموزع، مما يولد مجالًا مغناطيسيًا. عندما يتم وضع اللف الثاني (المتلقي) على مقربة. يمكن للمجال المغناطيسي أن يحفز تيارًا متناوبًا في ملف الاستقبال. تقوم الإلكترونيات الموجودة في الجهاز الأول بعد ذلك بتحويل التيار المتردد مرة أخرى إلى تيار مستمر، والذي يصبح مصدر الطاقة.

دائرة نقل الطاقة اللاسلكية

يتم تحويل الجهد "الرئيسي" إلى إشارة تيار متردد، والتي يتم إرسالها بعد ذلك إلى ملف جهاز الإرسال من خلال دائرة إلكترونية. يتدفق التدفق من خلال لف الموزع إلى مجال مغناطيسي. وهذا بدوره يمكن أن ينتشر إلى ملف الاستقبال، الموجود في مكان قريب نسبيًا. يقوم المجال المغناطيسي بعد ذلك بتوليد تيار يتدفق عبر ملف المستقبل. يشار أيضًا إلى العملية التي يتم من خلالها نشر الطاقة بين ملفات الإرسال والاستقبال باسم الاقتران المغناطيسي أو الرنيني. ويتم تحقيق ذلك باستخدام كلا الملفين اللذين يعملان بنفس التردد. يتم تحويل التيار المتدفق في ملف الاستقبال إلى تيار مستمر بواسطة دائرة الاستقبال. ويمكن بعد ذلك استخدامه لتشغيل الجهاز.

ما هو معنى الرنين ؟

تزداد المسافة التي يمكن أن تنتقل عبرها الطاقة (أو الطاقة) إذا كان لملفات المرسل والمستقبل صدى على نفس التردد. تمامًا مثل الشوكة الرنانة، التي تتأرجح عند ارتفاع معين ويمكن أن تصل إلى أقصى سعة. يشير هذا إلى التردد الذي يهتز به الجسم بشكل طبيعي.

مزايا الإرسال اللاسلكي

ما هي المنافع؟ الايجابيات:

• يقلل من التكاليف المرتبطة بالحفاظ على الموصلات المستقيمة (كما هو الحال في حلقة الانزلاق الصناعية التقليدية)؛
• راحة أكبر لشحن الأجهزة الإلكترونية الشائعة؛
• النقل الآمن إلى التطبيقات التي يجب أن تظل مغلقة بإحكام؛
• يمكن إخفاء الإلكترونيات تمامًا، مما يقلل من خطر التآكل الناتج عن عناصر مثل الأكسجين والماء؛
• توصيل طاقة موثوق ومتسق للمعدات الصناعية الدوارة عالية الحركة؛
• يوفر نقلًا موثوقًا للطاقة إلى الأنظمة الحيوية في البيئات الرطبة والقذرة والمتحركة.

بغض النظر عن التطبيق، فإن إلغاء الاتصال الفعلي يوفر عددًا من المزايا مقارنة بموصلات طاقة الكابلات التقليدية.

كفاءة نقل الطاقة المعنية

تعد الكفاءة الإجمالية لنظام الطاقة اللاسلكي العامل الأكثر أهمية في تحديد أدائه. تقيس كفاءة النظام مقدار الطاقة المنقولة بين مصدر الطاقة (أي منفذ الحائط) وجهاز الاستقبال. وهذا بدوره يحدد جوانب مثل سرعة الشحن ونطاق الانتشار.

تختلف أنظمة الاتصالات اللاسلكية حسب مستوى كفاءتها بناءً على عوامل مثل تكوين الملف وتصميمه ومسافة الإرسال. سيؤدي الجهاز الأقل كفاءة إلى توليد المزيد من الانبعاثات ويؤدي إلى مرور طاقة أقل عبر جهاز الاستقبال. عادةً، يمكن لتقنيات نقل الطاقة اللاسلكية لأجهزة مثل الهواتف الذكية تحقيق أداء يصل إلى 70%.

كيف يتم قياس الكفاءة؟

بمعنى مقدار الطاقة (بالنسبة المئوية) التي يتم نقلها من مصدر الطاقة إلى الجهاز المستقبل. أي أن نقل الطاقة لاسلكيًا للهاتف الذكي بكفاءة 80% يعني فقدان 20% من طاقة الإدخال بين مقبس الحائط وبطارية الجهاز الذي يتم شحنه. ومعادلة قياس كفاءة التشغيل هي: الإنتاجية = التيار المباشر الصادر، مقسوماً على الداخل، النتيجة المتحصل عليها مضروبة في 100%.

الطرق اللاسلكية لنقل الكهرباء

يمكن أن تنتشر الطاقة عبر الشبكة المعنية عبر جميع المواد غير المعدنية تقريبًا، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر. وتشمل هذه المواد الصلبة مثل الخشب والبلاستيك والمنسوجات والزجاج والطوب، وكذلك الغازات والسوائل. عندما يتم وضع مادة معدنية أو موصلة للكهرباء (أي، على مقربة من مجال كهرومغناطيسي، فإن الجسم يمتص الطاقة منها ويسخن نتيجة لذلك. وهذا بدوره يؤثر على كفاءة النظام. هذه هي الطريقة التي يعمل بها الطبخ التعريفي على سبيل المثال، يؤدي نقل الطاقة غير الفعال من الموقد إلى توليد حرارة للطهي.

لإنشاء نظام نقل الطاقة لاسلكيًا، من الضروري العودة إلى أصول الموضوع المطروح. أو بتعبير أدق للعالم والمخترع الناجح نيكولا تيسلا، الذي ابتكر وحصل على براءة اختراع مولد قادر على الحصول على الطاقة دون موصلات مادية مختلفة. لذلك، لتنفيذ نظام لاسلكي، من الضروري تجميع جميع العناصر والأجزاء المهمة، ونتيجة لذلك سيتم تنفيذ جهاز صغير يخلق مجالًا كهربائيًا عالي الجهد في الهواء المحيط به. وفي الوقت نفسه، هناك طاقة إدخال صغيرة، فهي توفر نقل الطاقة لاسلكيًا عبر مسافة.

واحدة من أهم طرق نقل الطاقة هي الاقتران الحثي. يتم استخدامه بشكل رئيسي في المجال القريب. ويتميز بحقيقة أنه عندما يمر التيار عبر أحد الأسلاك، يتولد جهد عند طرفي السلك الآخر. يحدث نقل الطاقة من خلال المعاملة بالمثل بين المادتين. والمثال الشائع هو المحول. تم تطوير فكرة نقل الطاقة بالموجات الدقيقة بواسطة ويليام براون. يتضمن المفهوم بأكمله تحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة التردد اللاسلكي ونقلها في الفضاء وإعادة إرسالها إلى طاقة التيار المتردد عند جهاز الاستقبال. في هذا النظام، يتم توليد الجهد باستخدام مصادر طاقة الميكروويف. مثل الكليسترون. وتنتقل هذه القوة عبر دليل موجي يحمي من القوة المنعكسة. وأيضًا موالف يطابق مقاومة مصدر الميكروويف مع العناصر الأخرى. يتكون قسم الاستقبال من هوائي. فهو يقبل طاقة الميكروويف ودائرة مطابقة للممانعة والفلتر. يمكن أن يكون هوائي الاستقبال هذا، مع جهاز التصحيح، ثنائي القطب. يتوافق مع إشارة الخرج مع إشعار صوتي مماثل لوحدة المقوم. تتكون كتلة الاستقبال أيضًا من قسم مماثل يتكون من الثنائيات، والتي تستخدم لتحويل الإشارة إلى إنذار DC. يستخدم نظام النقل هذا ترددات تتراوح بين 2 جيجا هرتز إلى 6 جيجا هرتز.

نقل لاسلكي للكهرباء باستخدام مولد يستخدم ذبذبات مغناطيسية مماثلة. خلاصة القول هي أن هذا الجهاز يعمل بفضل ثلاثة ترانزستورات.

يتم استخدام شعاع الليزر لنقل الطاقة على شكل طاقة ضوئية، والتي يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية عند الطرف المتلقي. تتلقى المادة نفسها الطاقة باستخدام مصادر مثل الشمس أو أي مولد كهربائي. وبناءً على ذلك، فإنه يحقق ضوءًا مركَّزًا بكثافة عالية. يتم تحديد حجم وشكل الحزمة من خلال مجموعة البصريات. ويتم استقبال ضوء الليزر المنقول هذا بواسطة الخلايا الكهروضوئية، والتي تحوله إلى إشارات كهربائية. وعادة ما تستخدم كابلات الألياف الضوئية للإرسال. كما هو الحال في نظام الطاقة الشمسية الأساسي، فإن جهاز الاستقبال المستخدم في الانتشار المعتمد على الليزر عبارة عن مجموعة من الخلايا الكهروضوئية أو الألواح الشمسية. وهذه بدورها يمكن أن تحول التجوال إلى كهرباء.

الميزات الأساسية للجهاز

تأتي قوة ملف تسلا من عملية تسمى الحث الكهرومغناطيسي. وهذا يعني أن المجال المتغير يخلق الإمكانات. يتسبب في تدفق التيار. عندما تتدفق الكهرباء عبر ملف من الأسلاك، فإنها تولد مجالًا مغناطيسيًا يملأ المنطقة المحيطة بالملف بطريقة معينة. على عكس بعض تجارب الجهد العالي الأخرى، صمد ملف تسلا أمام العديد من الاختبارات والتجارب. كانت العملية كثيفة العمالة وتستغرق وقتا طويلا، ولكن النتيجة كانت ناجحة، وبالتالي حصل على براءة اختراع بنجاح من قبل العالم. يمكنك إنشاء مثل هذا الملف إذا كان لديك مكونات معينة. للتنفيذ سوف تحتاج إلى المواد التالية:

1. الطول 30 سم PVC (كلما كان ذلك أفضل كلما كان ذلك أفضل)؛
2. الأسلاك النحاسية المطلية بالمينا (سلك ثانوي)؛
3. لوح البتولا للقاعدة
4. 2222A الترانزستور.
5. سلك الاتصال (الابتدائي) ؛
6. المقاوم 22 كيلو أوم.
7. المفاتيح وأسلاك التوصيل؛
8. بطارية 9 فولت.

مراحل تنفيذ جهاز تسلا

للبدء، تحتاج إلى وضع فتحة صغيرة في الجزء العلوي من الأنبوب لتلتف حول أحد طرفي السلك. قم بلف الملف ببطء وحذر، مع الحرص على عدم تداخل الأسلاك أو خلق فجوات. هذه الخطوة هي الجزء الأكثر صعوبة ومملًا، لكن الوقت المستغرق سينتج بكرة جيدة وجودة عالية جدًا. كل 20 دورة أو نحو ذلك، يتم وضع حلقات من الشريط اللاصق حول الملف. إنهم بمثابة حاجز. في حالة بدء الملف في الانهيار. بمجرد الانتهاء، لف شريطًا لاصقًا ثقيلًا حول الجزء العلوي والسفلي من الغلاف ورشه بطبقتين أو ثلاث طبقات من المينا.

ثم تحتاج إلى توصيل البطارية الأساسية والثانوية بالبطارية. بعد ذلك، قم بتشغيل الترانزستور والمقاوم. اللف الأصغر هو اللف الأولي واللف الأطول هو اللف الثانوي. يمكنك أيضًا تثبيت كرة ألومنيوم أعلى الأنبوب. قم أيضًا بتوصيل الطرف المفتوح للثانوي بالطرف المضاف، والذي سيكون بمثابة هوائي. يجب أن يتم تصميم كل شيء بعناية فائقة لتجنب لمس الجهاز الثانوي عند تشغيله.

إذا تم استخدامه بشكل مستقل، هناك خطر نشوب حريق. تحتاج إلى قلب المفتاح، وتثبيت مصباح متوهج بجوار جهاز نقل الطاقة اللاسلكي والاستمتاع بعرض الضوء.

الإرسال اللاسلكي عبر نظام الطاقة الشمسية

تتطلب تكوينات تنفيذ الطاقة السلكية التقليدية عادةً أسلاكًا بين الأجهزة الموزعة ووحدات المستهلك. وهذا يخلق العديد من القيود مثل تكلفة تكاليف كابل النظام. الخسائر المتكبدة في الإرسال. وأيضا النفايات في التوزيع. تؤدي مقاومة خط النقل وحدها إلى فقدان حوالي 20-30% من الطاقة المولدة.

يعتمد أحد أحدث أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية على نقل الطاقة الشمسية باستخدام فرن الميكروويف أو شعاع الليزر. يتم وضع القمر الصناعي في مدار ثابت بالنسبة للأرض ويتكون من خلايا ضوئية. إنها تحول ضوء الشمس إلى تيار كهربائي، والذي يستخدم لتشغيل مولد الموجات الدقيقة. وبناء على ذلك، فهو يدرك قوة الموجات الدقيقة. يتم إرسال هذا الجهد باستخدام الاتصالات اللاسلكية واستقباله في المحطة الأساسية. إنه مزيج من الهوائي والمقوم. ويتم تحويلها مرة أخرى إلى كهرباء. يتطلب طاقة التيار المتردد أو التيار المستمر. يمكن للقمر الصناعي إرسال ما يصل إلى 10 ميجاوات من طاقة التردد اللاسلكي.

إذا كنا نتحدث عن نظام توزيع التيار المستمر، فهذا أمر مستحيل. لأن هذا يتطلب وجود موصل بين مصدر الطاقة والجهاز. هناك صورة: نظام خالي تمامًا من الأسلاك، حيث يمكنك الحصول على طاقة التيار المتردد في المنازل دون أي أجهزة إضافية. حيث يمكن شحن هاتفك المحمول دون الحاجة إلى توصيله فعليًا بمقبس. وبطبيعة الحال، مثل هذا النظام ممكن. ويحاول العديد من الباحثين المعاصرين إنشاء شيء حديث، أثناء دراسة دور تطوير طرق جديدة لنقل الكهرباء لاسلكيًا عبر مسافة. على الرغم من أنه، من وجهة نظر المكون الاقتصادي، لن يكون الأمر مربحًا تمامًا للدول إذا تم إدخال هذه الأجهزة في كل مكان واستبدال الكهرباء القياسية بالكهرباء الطبيعية.

أصول وأمثلة على الأنظمة اللاسلكية

وهذا المفهوم ليس جديدا في الواقع. تم تطوير هذه الفكرة بالكامل بواسطة نيكولاس تيسلا في عام 1893. عندما قام بتطوير نظام إضاءة الأنابيب المفرغة باستخدام تقنية الإرسال اللاسلكي. من المستحيل أن نتصور أن العالم سيكون موجودا دون مصادر مختلفة للشحن، والتي يتم التعبير عنها في شكل مادي. لتمكين الهواتف المحمولة والروبوتات المنزلية ومشغلات MP3 وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وغيرها من الأدوات المحمولة من الشحن بشكل مستقل، دون أي اتصالات إضافية، مما يحرر المستخدمين من الأسلاك الثابتة. قد لا تتطلب بعض هذه الأجهزة العديد من العناصر. إن تاريخ نقل الطاقة اللاسلكية غني جدًا، ويرجع الفضل في ذلك بشكل رئيسي إلى تطورات تسلا وفولتا وغيرهما، لكن اليوم لا تزال هذه مجرد بيانات في العلوم الفيزيائية.

المبدأ الأساسي هو تحويل طاقة التيار المتردد إلى جهد تيار مستمر باستخدام المقومات والمرشحات. وبعد ذلك - العودة إلى القيمة الأصلية عند التردد العالي باستخدام العاكسون. يتم بعد ذلك نقل طاقة التيار المتردد ذات الجهد المنخفض وعالية التقلب من المحول الأساسي إلى المحول الثانوي. يتحول إلى جهد تيار مستمر باستخدام مقوم وفلتر ومنظم. تصبح إشارة التيار المتردد مباشرة بسبب صوت التيار. وأيضا استخدام قسم مقوم الجسر. تمر إشارة التيار المستمر الناتجة عبر ملف تغذية مرتدة، والذي يعمل كدائرة مذبذب. وفي الوقت نفسه، يجبر الترانزستور على توصيله إلى المحول الأساسي في الاتجاه من اليسار إلى اليمين. عندما يمر التيار عبر ملف التغذية المرتدة، يتدفق التيار المقابل إلى المحول الأساسي في الاتجاه من اليمين إلى اليسار.

هذه هي الطريقة التي تعمل بها طريقة الموجات فوق الصوتية لنقل الطاقة. يتم إنشاء الإشارة من خلال المحول الأساسي لكلا نصفي دورات إنذار التيار المتردد. يعتمد تردد الصوت على المؤشرات الكمية لتذبذبات دوائر المولد. تظهر إشارة التيار المتردد هذه على الملف الثانوي للمحول. وعندما يتم توصيله بالمحول الأساسي لجسم آخر، يكون جهد التيار المتردد 25 كيلو هرتز. تظهر من خلاله قراءة في المحول التنحي.

يتم معادلة جهد التيار المتردد هذا باستخدام مقوم الجسر. ومن ثم يتم تصفيته وتنظيمه لإنتاج مخرج 5 فولت لتشغيل مؤشر LED. يتم استخدام جهد الخرج 12 فولت من المكثف لتشغيل محرك مروحة التيار المستمر لتشغيله. لذا، من وجهة نظر الفيزياء، يعد نقل الكهرباء مجالًا متطورًا إلى حد ما. ومع ذلك، كما تظهر الممارسة، فإن الأنظمة اللاسلكية لم يتم تطويرها وتحسينها بشكل كامل.

لسنوات عديدة، كان العلماء يكافحون مع مسألة تقليل تكاليف الكهرباء. هناك طرق ومقترحات مختلفة، لكن النظرية الأكثر شهرة هي النقل اللاسلكي للكهرباء. نقترح النظر في كيفية تنفيذها ومن هو مخترعها ولماذا لم يتم تنفيذها بعد.

نظرية

الكهرباء اللاسلكية هي حرفياً نقل الطاقة الكهربائية بدون أسلاك. غالبًا ما يقارن الأشخاص بين النقل اللاسلكي للطاقة الكهربائية ونقل المعلومات، مثل أجهزة الراديو أو الهواتف المحمولة أو الوصول إلى الإنترنت عبر شبكة Wi-Fi. والفرق الرئيسي هو أن الإرسال عبر الراديو أو الميكروويف هو تقنية تهدف إلى استعادة المعلومات ونقلها، وليس الطاقة التي تم إنفاقها في الأصل على الإرسال.

تعد الكهرباء اللاسلكية مجالًا تكنولوجيًا جديدًا نسبيًا، ولكنه يتطور بشكل ديناميكي تمامًا. ويجري الآن تطوير طرق لنقل الطاقة بكفاءة وأمان عبر مسافة دون انقطاع.

كيف تعمل الكهرباء اللاسلكية؟

يعتمد العمل الرئيسي بشكل خاص على المغناطيسية والكهرومغناطيسية، كما هو الحال مع البث الإذاعي. يعتمد الشحن اللاسلكي، المعروف أيضًا باسم الشحن الاستقرائي، على بعض مبادئ التشغيل البسيطة، ولا سيما التكنولوجيا التي تتطلب ملفين. جهاز إرسال واستقبال، يعملان معًا على توليد مجال مغناطيسي متناوب للتيار غير المباشر. وهذا المجال بدوره يسبب جهدًا في ملف الاستقبال؛ يمكن استخدام هذا لتشغيل جهاز محمول أو شحن البطارية.

إذا قمت بإرسال تيار كهربائي عبر سلك، يتم إنشاء مجال مغناطيسي دائري حول الكابل. على الرغم من أن المجال المغناطيسي يؤثر على كل من الحلقة والملف، إلا أنه يكون أكثر وضوحًا على الكابل. عندما نأخذ ملفًا ثانيًا من السلك لا يستقبل أي تيار كهربائي يمر عبره، ومكان نضع فيه ملفًا في المجال المغناطيسي للملف الأول، فإن التيار الكهربائي من الملف الأول سينتقل عبر المجال المغناطيسي ومن خلال الملف الثاني، يتم إنشاء اقتران حثي.

لنأخذ فرشاة الأسنان الكهربائية كمثال. وفيه يتم توصيل الشاحن بمنفذ، الذي يرسل تيارًا كهربائيًا إلى سلك ملتوي داخل الشاحن، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا. يوجد ملف ثانٍ داخل فرشاة الأسنان، عندما يبدأ التيار بالتدفق، وبفضل MF المتكون، تبدأ الفرشاة في الشحن دون توصيلها مباشرة بمصدر طاقة 220 فولت.

قصة

تم اقتراح وعرض نقل الطاقة لاسلكيًا، كبديل لنقل وتوزيع الخطوط الكهربائية، لأول مرة بواسطة نيكولا تيسلا. في عام 1899، قدم تسلا النقل اللاسلكي للطاقة إلى حقل من مصابيح الفلورسنت يقع على بعد خمسة وعشرين ميلاً من مصدر الطاقة دون استخدام الأسلاك. ولكن في ذلك الوقت، كان توصيل 25 ميلاً من الأسلاك النحاسية أرخص من بناء مولدات الطاقة الخاصة التي تتطلبها خبرة تسلا. ولم يحصل على براءة اختراع قط، وظل اختراعه في طيات العلم.

في حين أن تسلا كان أول شخص يوضح القدرات العملية للاتصالات اللاسلكية في عام 1899، إلا أنه يوجد اليوم عدد قليل جدًا من الأجهزة المعروضة للبيع، مثل الفرش اللاسلكية وسماعات الرأس وشواحن الهاتف وما شابه.

التكنولوجيا اللاسلكية

يتضمن نقل الطاقة لاسلكيًا نقل الطاقة الكهربائية أو الطاقة عبر مسافة بدون أسلاك. وبالتالي، فإن التكنولوجيا الأساسية تكمن في مفاهيم الكهرباء والمغناطيسية والكهرومغناطيسية.

المغناطيسية

إنها قوة أساسية في الطبيعة تجعل أنواعًا معينة من المواد تتجاذب أو تتنافر مع بعضها البعض. المغناطيس الدائم الوحيد هو قطبي الأرض. يولد تيار التدفق في الحلقة مجالات مغناطيسية تختلف عن المجالات المغناطيسية المتأرجحة في السرعة والوقت اللازمين لتوليد تيار متردد (AC). القوى التي تظهر في هذه الحالة موضحة في الرسم البياني أدناه.

هكذا تظهر المغناطيسية

الكهرومغناطيسية هي الترابط بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتناوبة.

الحث المغناطيسي

إذا تم توصيل الحلقة الموصلة بمصدر طاقة تيار متردد، فسوف تولد مجالًا مغناطيسيًا متذبذبًا داخل الحلقة وحولها. إذا كانت الدائرة الموصلة الثانية قريبة بدرجة كافية، فسوف تلتقط جزءًا من هذا المجال المغناطيسي المتذبذب، والذي بدوره يولد أو يحفز تيارًا كهربائيًا في الملف الثاني.

فيديو: كيف يحدث نقل الكهرباء لاسلكيا

وبالتالي، هناك نقل كهربائي للطاقة من دورة أو ملف إلى آخر، وهو ما يعرف بالحث المغناطيسي. وتستخدم أمثلة على هذه الظاهرة في المحولات الكهربائية والمولدات. يعتمد هذا المفهوم على قوانين فاراداي للحث الكهرومغناطيسي. هناك، ذكر أنه عندما يكون هناك تغيير في التدفق المغناطيسي المتصل بالملف، فإن القوة الدافعة الكهربية المستحثة في الملف تساوي حاصل ضرب عدد لفات الملف ومعدل تغير التدفق.

اقتران الطاقة

يعد هذا الجزء ضروريًا عندما لا يتمكن أحد الأجهزة من نقل الطاقة إلى جهاز آخر.

يتم إنشاء الاقتران المغناطيسي عندما يكون المجال المغناطيسي لجسم ما قادرًا على حث تيار كهربائي على الأجهزة الأخرى الموجودة ضمن نطاقه.

يُقال إن جهازين مقترنين حثيًا متبادلاً أو مقترنين مغناطيسيًا عندما يتم ترتيبهما بحيث يؤدي التغير في التيار حيث يقوم أحد السلكين إلى إحداث جهد عند طرفي السلك الآخر عن طريق الحث الكهرومغناطيسي. هذا يرجع إلى الحث المتبادل

تكنولوجيا

مبدأ اقتران حثي

تم تصميم جهازين مقترنين بشكل متبادل حثيًا أو مقترنين مغناطيسيًا بحيث يتم إنتاج التغير في التيار عندما يقوم أحد الأسلاك بتحريض جهد عند طرفي السلك الآخر عن طريق الحث الكهرومغناطيسي. هذا يرجع إلى الحث المتبادل.
يُفضل استخدام أداة التوصيل الحثي نظرًا لقدرتها على العمل لاسلكيًا بالإضافة إلى مقاومتها للصدمات.

الاقتران الحثي الرنيني هو مزيج من الاقتران الحثي والرنين. باستخدام مفهوم الرنين، يمكنك جعل جسمين يعملان اعتمادًا على إشارات بعضهما البعض.

كما يتبين من الرسم البياني أعلاه، يتم توفير الرنين من خلال محاثة الملف. يتم توصيل المكثف بالتوازي مع اللف. سوف تتحرك الطاقة ذهابًا وإيابًا بين المجال المغناطيسي المحيط بالملف والمجال الكهربائي المحيط بالمكثف. هنا، ستكون خسائر الإشعاع ضئيلة.

هناك أيضًا مفهوم الاتصال المؤين اللاسلكي.

ويمكن تنفيذه أيضًا، ولكنه يتطلب المزيد من الجهد. هذه التقنية موجودة بالفعل في الطبيعة، ولكن من الصعب تنفيذها، لأنها تتطلب مجالًا مغناطيسيًا عاليًا، من 2.11 م/م. تم تطويره من قبل العالم اللامع ريتشارد والراس، مطور مولد الدوامة الذي يرسل وينقل الطاقة الحرارية لمسافات شاسعة، وخاصة بمساعدة المجمعات الخاصة. أبسط مثال على هذا الاتصال هو البرق.

المميزات والعيوب

وبطبيعة الحال، فإن هذا الاختراع له مزاياه وعيوبه مقارنة بالطرق السلكية. نحن ندعوك للنظر فيها.

المزايا تشمل:

1. الغياب التام للأسلاك.
2. لا حاجة لإمدادات الطاقة؛
3. يتم التخلص من الحاجة إلى البطارية؛
4. يتم نقل الطاقة بشكل أكثر كفاءة.
5. صيانة أقل بكثير المطلوبة.

تشمل العيوب ما يلي:

• المسافة محدودة.
• المجالات المغناطيسية ليست آمنة جدًا للبشر؛
• يعد النقل اللاسلكي للكهرباء باستخدام أجهزة الميكروويف أو النظريات الأخرى مستحيلًا عمليًا في المنزل أو بأيديك؛
• تكلفة التثبيت عالية.

ليست هذه هي المرة الأولى التي تثير فيها الأجهزة المنزلية التي تعمل بوسائل غير ملموسة، متحررة من الأسلاك الكهربائية، عقول المخترعين. ولكن الآن وصل الخبراء إلى حد تعليم المكانس الكهربائية التجارية، ومصابيح الأرضية، وأجهزة التلفزيون، والسيارات، والمزروعات، والروبوتات المتنقلة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة لتلقي التيار بشكل فعال وآمن من مصدر لاسلكي.

في الآونة الأخيرة، اتخذ فريق من العلماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، بقيادة مارين سولياتشيتش، خطوة أخرى نحو تحويل تكنولوجيا الكهرباء اللاسلكية من "خدعة" مختبرية إلى تكنولوجيا قابلة للتكرار. وبشكل غير متوقع، اكتشفوا تأثيرًا يسمح لهم بزيادة كفاءة الإرسال. ولكن قبل الحديث عن التجربة الجديدة، من المفيد الاستطراد.

في هذه الحالة، يتم استخدام مجال مغناطيسي قريب كحامل للطاقة، يتأرجح بتردد عالٍ يصل إلى عدة ميغاهيرتز. للنقل، هناك حاجة إلى ملفين مغناطيسيين، مضبوطين على نفس تردد الرنين. يقارن العلماء نقل الطاقة بينهما بتدمير الزجاج الرنان عندما "يسمع" صوتًا بتردد محدد بدقة.

الملفات المغناطيسية المثالية (في هذا الشكل) (الصفراء)، المحاطة بمجالاتها (الأحمر والأزرق)، تنقل الطاقة إلى بعضها البعض على مسافة D، أكبر بعدة مرات من حجم الملفات نفسها. وهذا ما يسميه العلماء الاقتران المغناطيسي الرنيني (أو الاقتران) - الاقتران المغناطيسي الرنيني (الرسم التوضيحي بواسطة WiTricity).

ونتيجة لتفاعل الملفات يتم الحصول على ما يسمى بـ “الكهرباء اللاسلكية” (WiTricity). بالمناسبة، هذه الكلمة هي علامة تجارية مملوكة للشركة التي تحمل الاسم نفسه، والتي أسسها سولياتشيتش وعدد من زملائه من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. وتشير الشركة إلى أن هذا المصطلح ينطبق فقط على التكنولوجيا الخاصة بها وعلى المنتجات التي تم إنشاؤها بناءً عليها. نرجو منك عدم استخدام "المدينة البيضاء" كمرادف لنقل الطاقة لاسلكيًا بشكل عام.

ويطلب المخترعون أيضًا عدم الخلط بين WiTricity ونقل الطاقة عبر الموجات الكهرومغناطيسية: ويقولون إن الطريقة الجديدة "غير إشعاعية".

وبعض "الملاحظات" الأكثر أهمية التي أشار إليها المبدعون. WiTricity ليس نظيرًا لمحول ذو ملفات مفصولة بعدة أمتار (الأخير في هذه الحالة يتوقف عن العمل). هذه ليست فرشاة أسنان كهربائية محسنة: على الرغم من أنه يمكن شحنها دون اتصال كهربائي، إلا أنها لا تزال تتطلب وضعها في "قفص الاتهام" لتقريب الملفات الحثية المرسلة والمستقبلة إلى مسافة ملليمتر واحد. "Whitecity" ليس ميكروويفًا يمكنه قلي كائن حي، نظرًا لأن المجال المغناطيسي النابض الذي يعمل في نظام WiTricity لا يؤثر على الشخص. أخيرًا، "الكهرباء اللاسلكية" ليست حتى برج "واردنكليف" "الغامض والرهيب" الذي صممه تسلا، والذي كان المخترع العظيم ينوي من خلاله إثبات نقل الطاقة عبر مسافات طويلة.

أول تجربة في نقل الطاقة لاسلكيا باستخدام طريقة WiTricity إلى مصباح كهربائي بقدرة 60 واط، على بعد أكثر من مترين من المصدر، أجراها مارين وزملاؤه في عام 2007. كانت الكفاءة منخفضة - حوالي 40٪، ولكن حتى ذلك الحين أشار المخترعون إلى الميزة الملموسة للمنتج الجديد - السلامة.

المجال المستخدم في النظام أضعف بمقدار 10 آلاف مرة مما يسود في قلب ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي. لذلك لا الكائنات الحية، ولا المزروعات الطبية، ولا أجهزة تنظيم ضربات القلب وغيرها من المعدات الحساسة من هذا النوع، ولا الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية يمكنها أن تشعر بتأثير هذا المجال.

المؤلفون الرئيسيون لـ WiTricity: مارين سولجاسيتش (يسار)، أريستيديس كاراليس، وجون جوانوبولوس. على اليمين: مخطط دائرة WiTricity. يتم توصيل ملف الإرسال (يسار) بالمقبس. الاستقبال - متصل بالمستهلك. خطوط المجال المغناطيسي للملف الأول (اللون الأزرق) قادرة على الانحناء حول عوائق موصلة صغيرة نسبيًا (ولا تلاحظ الخشب أو القماش أو الزجاج أو الخرسانة أو أي شخص على الإطلاق)، وتنقل الطاقة بنجاح (الخطوط الصفراء) إلى حلقة الاستقبال (الصورة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا / دونا كوفيني، رسم توضيحي بواسطة WiTricity).

الآن اكتشف سولجاتشيتش وزملاؤه أن كفاءة نظام WiTricity لا تتأثر فقط بحجم الملفات وهندستها وضبطها، وكذلك المسافة بينها، ولكن أيضًا بعدد المستهلكين. ولكن من المفارقة للوهلة الأولى أن جهازي استقبال موضوعين على مسافة 1.6 إلى 2.7 متر على جانبي "هوائي" الإرسال أظهرا كفاءة أفضل بنسبة 10٪ مما لو تم الاتصال فقط بين مصدر واحد ومستهلك، كما كان الحال. في التجارب السابقة.

علاوة على ذلك، لوحظ التحسن بغض النظر عن مدى كفاءة أزواج المرسل والمستقبل بشكل منفصل. اقترح العلماء أنه مع إضافة المزيد من المستهلكين الجدد، ستزداد الكفاءة، على الرغم من أنه ليس من الواضح تمامًا بعد. (يتم الكشف عن تفاصيل التجربة في رسائل الفيزياء التطبيقية.)

بلغت مساحة ملف الإرسال في التجربة الجديدة 1 متر مربع، وكانت مساحة ملفات الاستقبال 0.07 م2 فقط لكل منهما. وهذا أمر مثير للاهتمام أيضًا: إن ضخامة "أجهزة الاستقبال" في التجارب السابقة أثارت تساؤلات حول رغبة الشركات المصنعة للمعدات في تجهيز معداتها بمثل هذه الأنظمة - من غير المرجح أن ترغب في جهاز كمبيوتر محمول ذاتي الشحن، وحدة WiTricity قابلة للمقارنة في حجم الكمبيوتر نفسه

على اليسار: 1 - دائرة خاصة تحول التيار المتردد العادي إلى تيار عالي التردد، وتقوم بتشغيل ملف إرسال ينشئ مجالًا مغناطيسيًا متذبذبًا. 2 – يجب ضبط ملف الاستقبال في جهاز المستهلك على نفس التردد . 3- يؤدي اتصال الرنين بين الملفين إلى تحويل المجال المغناطيسي مرة أخرى إلى تيار كهربائي، وهو ما يزود المصباح الكهربائي بالطاقة.
على اليمين: وفقا لمؤلفي النظام، يمكن لملف واحد في السقف توفير الطاقة لجميع الأجهزة والأجهزة في الغرفة - من عدة مصابيح وجهاز تلفزيون إلى جهاز كمبيوتر محمول ومشغل DVD (الرسم التوضيحي من WiTricity).

لكن الشيء الرئيسي هو أن تأثير تحسين الكفاءة الإجمالية أثناء العمل مع العديد من المستهلكين في نفس الوقت يعني الضوء الأخضر لحلم سولياتشيتش الأزرق - منزل مليء بمجموعة متنوعة من المعدات التي تتلقى الطاقة من "بواعث غير قابلة للانبعاث" غير مرئية مخبأة في أسقف أو جدران الغرف.

أو ربما ليس فقط في الغرف، ولكن أيضا في المرآب؟ وبالطبع يمكنك شحن السيارة الكهربائية بالطريقة المعتادة. لكن جمال WiTricity هو أنك لا تحتاج إلى توصيل أي شيء في أي مكان أو حتى تذكره - من الناحية النظرية، يمكن تعليم السيارة نفسها عند وصولها إلى المرآب (أو ساحة انتظار الشركة) لإرسال "طلب" إلى النظام وإعادة شحن البطارية من ملف مغناطيسي موضوع على الأرض.

بالمناسبة، في بعض التجارب، قام متخصصو WiTricity بزيادة قوة النقل إلى ثلاثة كيلووات (وتذكر أنهم بدأوا بمصباح كهربائي بقوة 60 واط). تختلف الكفاءة اعتمادًا على مجموعة كاملة من المعلمات، ومع ذلك، وفقًا للشركة، مع وجود ملفات قريبة بدرجة كافية، يمكن أن تتجاوز 95٪.

ليس من الصعب تخمين أن الطريقة الواعدة لنقل الكهرباء عبر عدة أمتار بدون أسلاك والحاجة إلى توجيه نوع من "حزم الطاقة" يجب أن تكون موضع اهتمام مجموعة واسعة من الشركات. ويعمل البعض بالفعل في هذا الاتجاه بمفردهم.

على سبيل المثال، بدءًا من المبادئ التي تم إثباتها واختبارها بواسطة Soljachich وزملائه، تعمل شركة Intel الآن على تطوير تعديلها لنقل الطاقة الرنانة - وصلة الطاقة الرنانة اللاسلكية (WREL). وبالعودة إلى عام 2008، فقد حققت الشركة نتائج رائعة في هذا المجال، حيث أظهرت نقل التيار "المغناطيسي" بكفاءة تصل إلى 75%.

أحد التركيبات التجريبية لـ Intel WREL، الذي ينقل الطاقة لاسلكيًا (مع إشارة صوتية) من مشغل MP3 إلى مكبر صوت صغير (صورة من gizmodo.com).

تجري شركة سوني الآن تجاربها الخاصة، مستنسخة تجارب علماء الفيزياء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

ومع ذلك، فإن سولياتشيتش واثق من أن ابتكاره لن يضيع بين منتجات زملائه المنافسين. ففي نهاية المطاف، كان رواد التكنولوجيا هم الذين استفادوا منها إلى أقصى حد وهم على استعداد لدراستها وتحسينها بشكل متعمق. على سبيل المثال، إعداد زوج من الملفات ليس بالأمر السهل كما يبدو للوهلة السطحية. أجرى العالم تجارب في المختبر لعدة سنوات متتالية قبل أن يبني نظامًا يعمل بشكل موثوق حقًا.

عينة توضيحية لشاشة LCD تستقبل الطاقة الكهربائية من خلال النموذج الأولي الأول لمجموعة أدوات WiTricity المنزلية. يقع ملف الإرسال على الأرض، وملف الاستقبال على الطاولة (صورة WiTricity).

"الكهرباء اللاسلكية"، وفقًا لمؤلفيها، كان من المفترض في الأصل أن تكون أحد منتجات OEM. لذلك يمكننا أن نتوقع في المستقبل ظهور هذه التكنولوجيا في منتجات الشركات الأخرى.

وقد تم بالفعل إطلاق بالون تجريبي تجاه المستهلكين المحتملين. في يناير خلال معرض CES 2010 في لاس فيغاس، عرضت شركة Haier الصينية أول تلفزيون HDTV لاسلكي بالكامل في العالم. لم يتم نقل إشارة الفيديو من المشغل فقط إلى شاشته عبر الأثير (والتي تم استخدام معيار الواجهة الرقمية اللاسلكية المنزلية، الذي وُلد رسميًا قبل شهر واحد فقط)، ولكن أيضًا مصدر الطاقة. تم توفير هذا الأخير على وجه التحديد بواسطة تقنية WiTricity.

وتتفاوض شركة Soljachich أيضًا مع شركات تصنيع الأثاث حول تركيب ملفات في الطاولات وجدران الخزانات. ومن المتوقع أن يتم الإعلان الأول عن منتج تسلسلي من شريك WiTricity بحلول نهاية عام 2010.

بشكل عام، يتوقع الخبراء ظهور أكثر الكتب مبيعا في السوق - منتجات جديدة مع جهاز استقبال WiTricity المدمج. علاوة على ذلك، لا يمكن لأحد أن يقول بثقة أي نوع من الأشياء سيكونون.

تعتبر شركة هاير واحدة من أكبر الشركات المصنعة للإلكترونيات الاستهلاكية في العالم. ليس من المستغرب أن يصبح مهندسوها مهتمين بإمكانية الجمع بين أحدث التقنيات للإرسال اللاسلكي لإشارة HDTV وإمدادات الطاقة اللاسلكية، بل وتمكنوا من أن يكونوا أول من أظهر مثل هذا الجهاز أثناء العمل (الصور engadget.com، gizmodo) .com).

ومن المثير للاهتمام أن قصة WiTricity بدأت منذ عدة سنوات بسلسلة من الاستيقاظ المؤسف لمارين. عدة مرات على مدار الشهر، استيقظ على صوت هاتف معطل يطلب منه "تناول الطعام". تفاجأ العالم الذي نسي توصيل هاتفه المحمول بمأخذ التيار في الوقت المناسب: أليس من المضحك أن الهاتف يقع على بعد أمتار قليلة من الشبكة الكهربائية، لكنه غير قادر على استقبال هذه الطاقة. بعد الاستيقاظ مرة أخرى في الساعة الثالثة صباحًا، فكر سولياتشيتش: سيكون من الرائع أن يتمكن الهاتف من الاعتناء بشحنه بنفسه.

لاحظ أننا لا نتحدث فورًا عن إصدار جديد من "الحصائر" لشحن أجهزة الجيب. تعمل مثل هذه الأنظمة فقط إذا تم وضع الجهاز مباشرة على "البساط"، وبالنسبة للأشخاص النسيان، فإن هذا ليس أفضل من الاضطرار ببساطة إلى توصيل السلك بمأخذ التيار. لا، كان على الهاتف أن يستقبل الكهرباء في أي مكان في الغرفة، أو حتى في الشقة، ولا يهم ما إذا كنت قد ألقيته على الطاولة أو الأريكة أو حافة النافذة.

لم يكن الحث الكهرومغناطيسي العادي وأشعة الميكروويف الموجهة وأشعة الليزر تحت الحمراء "الحذرة" مناسبة هنا. بدأت مارين بالبحث عن خيارات أخرى. لم يكن من الممكن أن يعتقد بعد ذلك أنه بعد مرور بعض الوقت، سيقوده الهاتف الذي يصدر صفيرًا و"جائعًا" إلى إنشاء شركته الخاصة وظهور تقنية قادرة على "تصدر عناوين الأخبار"، والأهم من ذلك، أن تهم الشركاء الصناعيين.

دعونا نضيف أن المدير التنفيذي للشركة، إريك جيلر، تحدث ذات مرة بشيء من التفصيل عن مبادئ وتاريخ ومستقبل WiTricity.

عندما قدمت شركة أبل أول شاحن لاسلكي للهواتف المحمولة والأدوات الذكية، اعتبره الكثيرون ثورة وقفزة هائلة إلى الأمام في طرق نقل الطاقة اللاسلكية.

ولكن هل كانوا رواداً، أو حتى قبلهم، هل تمكن أحد من القيام بشيء مماثل، وإن كان بدون تسويق وعلاقات عامة سليمة؟ اتضح أنه كان هناك منذ وقت طويل جدًا، وكان هناك العديد من هؤلاء المخترعين.

لذلك، في عام 1893، أظهر نيكولا تيسلا الشهير وهج مصابيح الفلورسنت للجمهور المذهول. على الرغم من أنها كانت جميعها لاسلكية.

الآن يمكن لأي تلميذ تكرار هذه الخدعة من خلال الخروج إلى حقل مفتوح والوقوف مع مصباح الفلورسنت تحت خط الجهد العالي 220 كيلو فولت وما فوق.

وبعد ذلك بقليل، كان تسلا قادرا بالفعل على إضاءة لمبة الفوسفور المتوهجة بنفس الطريقة اللاسلكية.

في روسيا عام 1895، أظهر أ. بوبوف أول جهاز استقبال راديو في العالم قيد التشغيل. ولكن بشكل عام، يعد هذا أيضًا نقلًا لاسلكيًا للطاقة.

السؤال الأهم وفي نفس الوقت مشكلة تقنية الشحن اللاسلكي برمتها والطرق المشابهة تكمن في نقطتين:

• إلى أي مدى يمكن أن تنتقل الكهرباء بهذه الطريقة؟

• وما الكمية

أولاً، دعونا نتعرف على القوة التي تتمتع بها الأجهزة والأجهزة المنزلية من حولنا. على سبيل المثال، يتطلب الهاتف أو الساعة الذكية أو الجهاز اللوحي بحد أقصى 10-12 واط.

لدى الكمبيوتر المحمول بالفعل متطلبات أعلى - 60-80 واط. ويمكن مقارنة ذلك بالمصباح المتوهج المتوسط. لكن الأجهزة المنزلية، وخاصة أدوات المطبخ، تستهلك بالفعل عدة آلاف من واط.

لذلك، من المهم جدًا عدم التبذير في عدد المنافذ الموجودة في المطبخ.

فما هي الأساليب والطرق التي توصلت إليها البشرية طوال هذه السنوات لنقل الطاقة الكهربائية دون استخدام الكابلات أو أي موصلات أخرى؟ والأهم من ذلك، لماذا لا يتم تنفيذها بشكل فعال في حياتنا كما نود؟

خذ نفس أدوات المطبخ. دعونا نلقي نظرة فاحصة.

نقل الطاقة من خلال الملفات

الطريقة الأكثر سهولة في التنفيذ هي استخدام المحاثات.

المبدأ هنا بسيط جدا. خذ ملفين وضعهما بالقرب من بعضهما البعض. واحد منهم مزود بالطاقة. والآخر يلعب دور المتلقي.

عندما يتم تعديل أو تغيير التيار في مصدر الطاقة، فإن التدفق المغناطيسي في الملف الثاني يتغير تلقائيًا أيضًا. وكما تقول قوانين الفيزياء، في هذه الحالة سينشأ المجال الكهرومغناطيسي وسيعتمد بشكل مباشر على معدل تغير هذا التدفق.

يبدو أن كل شيء بسيط. لكن أوجه القصور تفسد الصورة الوردية بأكملها. ثلاثة عيوب:

• طاقة منخفضة

باستخدام هذه الطريقة، لن تقوم بنقل كميات كبيرة ولن تتمكن من توصيل الأجهزة القوية. إذا حاولت القيام بذلك، فسوف تذوب ببساطة جميع اللفات.

• مسافة قصيرة

لا تفكر حتى في نقل الكهرباء لعشرات أو مئات الأمتار هنا. هذه الطريقة لها تأثير محدود.

لفهم مدى سوء الأمور جسديًا، خذ مغناطيسين واكتشف مدى المسافة بينهما قبل أن يتوقفوا عن جذب أو تنافر بعضهم البعض. كفاءة الملفات هي نفسها تقريبًا.

يمكنك بالطبع أن تكون مبدعًا وتتأكد من أن هذين العنصرين قريبان دائمًا من بعضهما البعض. على سبيل المثال، سيارة كهربائية وطريق شحن خاص.

ولكن كم سيكلف بناء مثل هذه الطرق السريعة؟

• انخفاض الكفاءة

مشكلة أخرى هي انخفاض الكفاءة. ولا تتجاوز 40%. اتضح أنك لن تتمكن من نقل الكثير من الطاقة الكهربائية لمسافات طويلة بهذه الطريقة.

أشار نفس N. Tesla إلى هذا في عام 1899. وفي وقت لاحق، تحول إلى إجراء تجارب على كهرباء الغلاف الجوي، على أمل العثور على دليل وحل للمشكلة فيها.

ومع ذلك، بغض النظر عن مدى عدم جدوى كل هذه الأشياء، بمساعدتهم لا يزال بإمكانك تنظيم عروض ضوئية وموسيقية جميلة.

أو إعادة شحن معدات أكبر بكثير من الهواتف. على سبيل المثال الدراجات الكهربائية.

نقل الطاقة بالليزر

ولكن كيف يمكن نقل المزيد من الطاقة عبر مسافة أكبر؟ فكر في الأفلام التي نرى مثل هذه التكنولوجيا في كثير من الأحيان.

أول ما يتبادر إلى الذهن حتى بالنسبة لتلميذ المدرسة هو حرب النجوم والليزر والسيوف الضوئية.

بالطبع، بمساعدتهم من الممكن نقل كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية لمسافات طويلة جدًا. ولكن مرة أخرى كل شيء مدلل بمشكلة صغيرة.

لحسن حظنا، ولسوء الحظ بالنسبة لليزر، فإن للأرض غلافًا جويًا. وهو يقوم بعمل جيد في التشويش والتهام معظم الطاقة الإجمالية لإشعاع الليزر. لذلك، مع هذه التكنولوجيا نحن بحاجة للذهاب إلى الفضاء.

وكانت هناك أيضًا محاولات وتجارب على الأرض لاختبار وظيفة هذه الطريقة. حتى أن وكالة ناسا عقدت مسابقة حول نقل الطاقة لاسلكيًا بالليزر بجوائز مالية تقل قليلًا عن مليون دولار.

وفي النهاية فاز فريق Laser Motive. وكانت النتيجة الفائزة هي 1 كيلومتر و0.5 كيلو واط من الطاقة المستمرة المرسلة. ومع ذلك، أثناء عملية النقل، فقد العلماء 90% من إجمالي الطاقة الأصلية.

ولكن لا يزال، حتى مع كفاءة عشرة في المئة، كانت النتيجة تعتبر ناجحة.

دعونا نتذكر أن المصباح الكهربائي البسيط يحتوي على طاقة أقل فائدة تذهب مباشرة إلى الضوء. لذلك، من المربح صنع سخانات الأشعة تحت الحمراء منها.

الميكروويف

هل هناك حقا أي طريقة أخرى فعالة لنقل الكهرباء بدون أسلاك؟ يوجد، وقد تم اختراعه حتى قبل محاولات وألعاب الأطفال في حرب النجوم.

وتبين أن الموجات الدقيقة الخاصة التي يبلغ طولها 12 سم (التردد 2.45 جيجا هرتز) شفافة للجو ولا تتداخل مع انتشارها.

بغض النظر عن مدى سوء الطقس، عند الإرسال باستخدام الموجات الدقيقة، سوف تخسر خمسة بالمائة فقط! ولكن للقيام بذلك، عليك أولاً تحويل التيار الكهربائي إلى أفران ميكروويف، ثم التقاطها وإعادتها إلى حالتها الأصلية.

لقد حل العلماء المشكلة الأولى منذ زمن طويل. لقد اخترعوا جهازًا خاصًا لهذا الغرض وأطلقوا عليه اسم المغنطرون.

علاوة على ذلك، فقد تم ذلك بشكل احترافي وآمن لدرجة أن كل واحد منكم لديه مثل هذا الجهاز في المنزل اليوم. اذهب إلى المطبخ وألقي نظرة على الميكروويف الخاص بك.

يحتوي على نفس المغنطرون بالداخل بكفاءة 95%.

ولكن كيف نفعل التحول العكسي؟ وهنا تم تطوير منهجين:

• أمريكي

• السوفييتي

في الولايات المتحدة الأمريكية، في الستينيات، ابتكر العالم دبليو براون هوائيًا أدى المهمة المطلوبة. أي أنها حولت الحادث الإشعاعي الواقع عليها مرة أخرى إلى تيار كهربائي.

حتى أنه أطلق عليه اسمه - المستقيم.

وبعد الاختراع توالت التجارب. وفي عام 1975، بمساعدة المستقيم، تم نقل ما يصل إلى 30 كيلو واط من الطاقة واستقبالها على مسافة أكثر من كيلومتر واحد. بلغت خسائر النقل 18٪ فقط.

وبعد مرور ما يقرب من نصف قرن، لم يتمكن أحد من تجاوز هذه التجربة. يبدو أن الطريقة قد تم العثور عليها، فلماذا لم يتم إطلاق هذه الأجهزة للجماهير؟

وهنا تظهر أوجه القصور مرة أخرى. تم تجميع Rectennas باستخدام أشباه الموصلات المصغرة. التشغيل العادي بالنسبة لهم هو نقل بضعة واط فقط من الطاقة.

وإذا كنت ترغب في نقل عشرات أو مئات كيلوواط، فاستعد لتجميع الألواح العملاقة.

وهنا تنشأ صعوبات غير قابلة للحل. أولاً، هذا هو إعادة الانبعاث.

لن تفقد بعضًا من طاقتك بسبب ذلك فحسب، بل لن تتمكن أيضًا من الاقتراب من الألواح دون أن تفقد صحتك.

الصداع الثاني هو عدم استقرار أشباه الموصلات في الألواح. يكفي أن يحترق المرء بسبب الحمل الزائد البسيط، والباقي يفشل مثل الانهيار الجليدي، مثل أعواد الثقاب.

في الاتحاد السوفييتي كان كل شيء مختلفًا بعض الشيء. لا عجب أن جيشنا كان واثقا من أنه حتى في حالة حدوث انفجار نووي، فإن جميع المعدات الأجنبية ستفشل على الفور، لكن المعدات السوفيتية لن تكون كذلك. السر كله في المصابيح.

في جامعة موسكو الحكومية، قام اثنان من علمائنا، V. Savin و V. Vanke، بتصميم ما يسمى بمحول الطاقة السيكلوتروني. لها أبعاد لائقة، حيث يتم تجميعها على أساس تكنولوجيا المصابيح.

ومن الخارج يكون مثل الأنبوب بطول 40 سم وقطر 15 سم. كفاءة وحدة المصباح هذه أقل قليلاً من كفاءة أشباه الموصلات الأمريكية - تصل إلى 85٪.

ولكن على عكس كاشفات أشباه الموصلات، يتمتع محول طاقة السيكلوترون بعدد من المزايا المهمة:

• مصداقية

• قوة عالية

• مقاومة الزائد

• لا إعادة الانبعاث

• تكلفة التصنيع منخفضة

ومع ذلك، على الرغم من كل ما سبق، فإن أساليب أشباه الموصلات لتنفيذ المشاريع تعتبر متقدمة في جميع أنحاء العالم. هناك أيضًا عنصر من عناصر الموضة هنا.

بعد أول ظهور لأشباه الموصلات، بدأ الجميع فجأة في التخلي عن تقنيات الأنابيب. لكن الاختبارات العملية تشير إلى أن هذا هو النهج الخاطئ في كثير من الأحيان.

وبطبيعة الحال، لا أحد مهتم بالهواتف المحمولة أو أجهزة الكمبيوتر الأنبوبية التي يبلغ وزنها 20 كجم والتي تشغل غرفًا بأكملها.

ولكن في بعض الأحيان فقط الأساليب القديمة التي أثبتت جدواها هي التي يمكن أن تساعدنا في المواقف اليائسة.

ونتيجة لذلك، لدينا اليوم ثلاث فرص لنقل الطاقة لاسلكيًا. أول ما تمت مناقشته محدود بالمسافة والقوة.

ولكن هذا يكفي لشحن بطارية الهاتف الذكي أو الجهاز اللوحي أو أي شيء أكبر. الكفاءة، على الرغم من صغرها، لا تزال طريقة عمل.

بدأ أولهم بشكل مشجع للغاية. في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، ظهرت الحاجة في جزيرة ريونيون إلى النقل المستمر بقدرة 10 كيلووات من الطاقة على مسافة كيلومتر واحد.

لم تسمح التضاريس الجبلية والغطاء النباتي المحلي بمد خطوط أو كابلات الكهرباء العلوية هناك.

تم تنفيذ جميع التحركات في الجزيرة حتى هذه اللحظة بطائرات الهليكوبتر حصريًا.

ولحل المشكلة، تم جمع أفضل العقول من مختلف البلدان في فريق واحد. بما في ذلك أولئك الذين سبق ذكرهم في المقال، علماءنا من جامعة موسكو الحكومية V. Vanke و V. Savin.

ومع ذلك، في الوقت الذي كان من المفترض أن يبدأ فيه التنفيذ العملي وبناء أجهزة إرسال واستقبال الطاقة، تم تجميد المشروع وتوقف. ومع بداية الأزمة عام 2008، تخلوا عنها تماماً.

في الواقع، هذا مخيب للآمال للغاية، لأن العمل النظري الذي تم إنجازه هناك كان هائلاً ويستحق التنفيذ.

المشروع الثاني يبدو أكثر جنونا من الأول. ومع ذلك، يتم تخصيص أموال حقيقية لذلك. تم التعبير عن الفكرة نفسها في عام 1968 من قبل الفيزيائي الأمريكي ب. جلاسر.

لقد اقترح فكرة ليست طبيعية تمامًا في ذلك الوقت - إطلاق قمر صناعي ضخم إلى مدار ثابت بالنسبة للأرض على ارتفاع 36000 كيلومتر فوق الأرض. ضع الألواح الشمسية عليها والتي ستجمع الطاقة المجانية من الشمس.

ثم يجب تحويل كل هذا إلى شعاع من موجات الميكروويف ونقله إلى الأرض.

نوع من "نجمة الموت" في واقعنا الأرضي.

وعلى الأرض، يجب التقاط الشعاع بواسطة هوائيات عملاقة وتحويله إلى كهرباء.

ما الحجم الذي يجب أن تكون عليه هذه الهوائيات؟ تخيل أنه إذا كان قطر القمر الصناعي كيلومترًا واحدًا، فيجب أن يكون جهاز الاستقبال الموجود على الأرض أكبر بخمس مرات - 5 كم (حجم حلقة الحديقة).

لكن الحجم ليس سوى جزء صغير من المشكلة. وبعد كل الحسابات، تبين أن مثل هذا القمر الصناعي سيولد كهرباء بقدرة 5 جيجاوات. عند الوصول إلى الأرض، لن يتبقى سوى 2 غيغاواط. على سبيل المثال، تنتج محطة كراسنويارسك للطاقة الكهرومائية 6 جيجاوات.

لذلك، تم النظر في فكرته وحسابها ووضعها جانبا، لأن كل شيء وصل في البداية إلى السعر. وبلغت تكلفة المشروع الفضائي في تلك الأيام تريليون دولار.

لكن العلم، لحسن الحظ، لا يقف ساكنا. التقنيات تتحسن وتصبح أرخص. وتقوم العديد من البلدان بالفعل بتطوير مثل هذه المحطة الفضائية الشمسية. على الرغم من أنه في بداية القرن العشرين، كان هناك شخص واحد فقط يكفي لنقل الكهرباء لاسلكيًا.

وانخفض السعر الإجمالي للمشروع من الأصل إلى 25 مليار دولار. ويبقى السؤال: هل سنرى تنفيذه في المستقبل القريب؟

لسوء الحظ، لن يعطيك أحد إجابة واضحة. يتم وضع الرهانات فقط على النصف الثاني من هذا القرن. لذلك، في الوقت الحالي، دعونا نكتفي بالشواحن اللاسلكية للهواتف الذكية ونأمل أن يتمكن العلماء من زيادة كفاءتها. حسنًا، أو في النهاية، سيولد نيكولا تيسلا ثانيًا على الأرض.