В начале 20 века ученый Никола Тесла, уроженец Хорватии, работавший тогда в Нью-Йорке, разработал новаторский метод передачи электрической энергии на большие расстояния без проводов, с применением явления электрического резонанса, изучению которого ученый уделял тогда особое внимание. До этого он уже в достаточной степени изучил возможности переменного тока, и отчетливо понимал технические перспективы его применения, однако впереди был следующий важный шаг – система беспроводной передачи электрической энергии.
Согласно представлениям ученого, в такой системе передачи электроэнергии планета Земля выступала в роли электрического проводника, в котором с помощью электрических осцилляторов (электрических колебательных систем) можно было возбуждать стоячие волны. К данному выводу Тесла пришел благодаря наблюдениям за электрическими возмущениями, распространявшимися по поверхности земли после разрядов молний во время грозы.
Тесла зафиксировал с помощью своих приборов, что длина волн, порождаемых разрядами молний, варьируется в диапазоне от 25 до 70 километров, и что эти волны распространяются во всех направлениях земного шара. Мало того, ученый понял, что эти волны не только распространяются до самых отдаленных частей планеты, но и отражаются оттуда, и что длина волн непосредственно связана с размерами земного шара.
Тесла решил, что, создавая подобные электрические возмущения искусственным путем, можно передавать электрическую энергию во всех направлениях планеты, используя это ее свойство. Однако, несмотря на понимание наблюдаемого процесса, техническая реализация стала сложной инженерной задачей.
Требовалось обеспечить высокую скорость передачи электричества в Землю, как это происходит в природных условиях, ведь размеры планеты огромны, а возможности экспериментатора казались просто пылью по сравнению с возможностями природы.
Но, совершенствуя схемы питания своих осцилляторов, и проводя исследования в лаборатории, Тесла, в конце концов, находит решение, он вдруг понимает каким образом создать мощные электрические возмущения в Земле, чтобы скорость подачи электроэнергии не уступала природным.
Если очень качественно заземлить многовитковую катушку, длина провода в которой будет равна четверти длины волны колебаний, возбуждаемых осциллятором, и подать эти колебания на катушку, то в этой заземленной катушке возникнут колебания максимальной силы, и действие в точке заземления будет максимально возможным в силу явления электрического резонанса.
Если второй вывод такой заземленной катушки соединить с металлическим предметом достаточной кривизны, чтобы заряд не утекал в атмосферу, а также подходящей электроемкости, и поднять этот предмет на достаточную высоту, то заряд в этой верхней точке будет максимально возможным, ведь в проводе будет иметь место стоячая электрическая волна, узел которой будет находиться в точке заземления, а пучность – на другом, поднятом на высоту конце катушки. Так, экспериментируя с заземленным резонансным контуром, ученому удалось достичь движения электричества через систему со скоростью, превосходящей природную молнию.
Приемник этой энергии представлял собой воздушный (без сердечника) трансформатор, первичная обмотка которого была такой же, как передающая катушка, и тоже располагалась вертикально, также имела поднятый вверх металлический терминал, и тоже была заземлена, а вторичная катушка состояла из нескольких витков относительно толстого провода, которые располагались вблизи заземленного конца первичной обмотки, и служили для подачи энергии на потребитель.
Шагом совершенствования приемника была разработка своеобразного синхронного выпрямителя, состоящего из вращающегося коммутатора, целью работы которого была зарядка конденсатора на выходе приемной катушки, что повышало эффективность применения принятой от передатчика энергии.
Тесла особенно отмечал в своих статьях, что разработанный им метод беспроводной передачи электрической энергии основан на проводимости, а не на излучении. Если бы система была основана на излучении, то было бы просто невозможным передавать сколько-нибудь значительное количество энергии на расстояние.
Энергия в системе Тесла передавалась через землю, а поднятые терминалы, заряжаемые до очень высоких напряжений, взаимодействовали благодаря электрической проводимости воздушных слоев, и передаваемая энергия практически была доступна в любом месте планеты, благодаря электрическому резонансу.
Тесла сумел продемонстрировать это, когда ему удалось зажечь 200 ламп на расстоянии 40 километров от передатчика. Энергия не передавалась излучением, она практически регенерировалась в приемнике. Ученый утверждал, что, развив его технологию, можно будет беспроводным способом принимать электрическую энергию в любом необходимом количестве в любой точке земного шара.
Когда компания Apple представила свое первое беспроводное зарядное устройство для сотовых телефонов и гаджетов, многие посчитали это революцией и огромным скачком вперед в беспроводных способах передачи энергии.
Но были ли они первопроходцами или еще до них, кому-то удавалось проделать нечто похожее, правда без должного маркетинга и пиара? Оказывается были, притом очень давно и изобретателей таких было множество.
Сейчас такой фокус может повторить любой школьник, выйдя в чистое поле и встав с лампой дневного света под линию высокого напряжения от 220кв и выше.
Чуть попозже, Тесла уже сумел зажечь таким же беспроводным способом фосфорную лампочку накаливания.
В России в 1895г А.Попов показал в работе первый в мире радиоприемник. А ведь по большому счету это тоже является беспроводной передачей энергии.
Самый главный вопрос и одновременно проблема всей технологии беспроводных зарядок и подобных методов заключается в двух моментах:
-
как далеко можно передать электроэнергию таким способом
-
и какое количество
Для начала давайте разберемся, какую мощность имеют приборы и бытовая техника нас окружающие. Например для телефона, смартчасов или планшета требуется максимум 10-12Вт.
У ноутбука запросы уже побольше – 60-80Вт. Это можно сравнить со средней лампочкой накаливания. А вот бытовая техника, особенно кухонная, кушает уже несколько тысяч ватт.
Поэтому очень важно не экономить с количеством розеток на кухне.
Так какие же методы и способы для передачи эл.энергии без применения кабелей или любых других проводников, придумало человечество за все эти годы. И самое главное, почему они до сих пор не внедрены столь активно в нашу жизнь, как того хотелось бы.
Взять ту же самую кухонную технику. Давайте разбираться подробнее.
Самый легко реализуемый способ – использование катушек индуктивности.
Здесь принцип очень простой. Берутся 2 катушки и размещаются недалеко друг от друга. На одну из них подается питание. Другая играет роль приемника.
Когда в источнике питания регулируется или изменяется сила тока, на второй катушке магнитный поток автоматически также изменяется. Как гласят законы физики, при этом будет возникать ЭДС и она будет напрямую зависеть от скорости изменения этого потока.
Казалось бы все просто. Но недостатки портят всю радужную картинку. Минусов три:
-
маленькая мощность
Данным способом вы не передадите большие объемы и не сможете подключить мощные приборы. А попытаетесь это сделать, то просто поплавите все обмотки.
-
небольшое расстояние
Даже не задумывайтесь здесь о передаче электричества на десятки или сотни метров. Такой способ имеет ограниченное действие.
Чтобы физически понять, насколько все плохо, возьмите два магнита и прикиньте, как далеко их нужно развести, чтобы они перестали притягиваться или отталкиваться друг от друга. Вот примерно такая же эффективность и у катушек.
Можно конечно исхитриться и добиться того, чтобы эти два элемента всегда были близко друг от друга. Например электромобиль и специальная подзаряжающая дорога.
Но в какие суммы выльется строительство таких магистралей.
-
малый КПД
Тот же Н.Тесла указал на это еще в 1899г. Позже он перешел на эксперименты с атмосферным электричеством, рассчитывая в нем найти разгадку и решение проблемы.
Однако какими бы не казались бесполезными все эти штуки, с их помощью до сих пор можно устраивать красивые светомузыкальные представления.
Или подзаряжать технику гораздо большую чем телефоны. Например электрические велосипеды.
Но как же передать больше энергии на большее расстояние? Задумайтесь, в каких фильмах подобную технологию мы видим очень часто.
Первое что приходит на ум даже школьнику – это "Звездные войны", лазеры и световые мечи.
Безусловно, с их помощью можно передать большое количество эл.энергии на очень приличные расстояния. Но опять все портит маленькая проблемка.
К нашему счастью, но несчастью для лазера, на Земле есть атмосфера. А она как раз таки хорошо глушит и кушает большую часть всей энергии лазерного излучения. Поэтому с данной технологией нужно идти в космос.
В итоге выиграла компания Laser Motive. Их победный результат – 1км и 0,5квт переданной непрерывной мощности. Правда при этом в процессе передачи, ученые потеряли 90% всей изначальной энергии.
Но все равно, даже с КПД в десять процентов, результат посчитали успешным.
Напомним, что у простой лампочки полезной энергии, которая идет непосредственно на свет, и того меньше. Поэтому из них и выгодно изготавливать инфракрасные обогреватели. 
Неужели нет другого реально работающего способа передать электричество без проводов. Есть, и его изобрели еще до попыток и детских игр в звездные войны.
Оказывается, что специальные микроволны с длиной в 12см (частота 2,45Ггц), являются как бы прозрачными для атмосферы и она им не мешает в распространении.
Какой бы ни была плохой погода, при передаче с помощью микроволн, вы потеряете всего пять процентов! Но для этого вы сначала должны преобразовать электрический ток в микроволны, затем их поймать и опять вернуть в первоначальное состояние.
Первую проблему ученые решили очень давно. Они изобрели для этого специальное устройство и назвали его магнетрон.
Причем это было сделано настолько профессионально и безопасно, что сегодня каждый из вас у себя дома имеет такой аппарат. Зайдите на кухню и обратите внимание на свою микроволновку.
У нее внутри стоит тот самый магнетрон с КПД равным 95%.
Но вот как сделать обратное преобразование? И тут было выработано два подхода:
-
Американский
-
Советский
В США еще в шестидесятых годах ученый У.Браун придумал антенну, которая и выполняла требуемую задачу. То есть преобразовывала падающее на него излучение, обратно в электрический ток.
Он даже дал ей свое название – ректенна.
После изобретения последовали опыты. И в 1975г при помощи ректенны, было передано и принято целых 30 квт мощности на расстоянии более одного километра. Потери при передаче составили всего 18%.
Спустя почти полвека, этот опыт до сих так никто и не смог превзойти. Казалось бы метод найден, так почему же эти ректенны не запустили в массы?
И тут опять всплывают недостатки. Ректенны были собраны на основе миниатюрных полупроводников. Нормальная работа для них – это передача всего нескольких ватт мощности.
А если вы захотите передать десятки или сотни квт, то готовьтесь собирать гигантские панели.
И вот тут как раз таки появляются не разрешимые сложности. Во-первых, это переизлучение.
Мало того, что вы потеряете из-за него часть энергии, так еще и приблизиться к панелям без потери своего здоровья не сможете.
Вторая головная боль – нестабильность полупроводников в панелях. Достаточно из-за малой перегрузки перегореть одному, и остальные выходят из строя лавинообразно, подобно спичкам.
В СССР все было несколько иначе. Не зря наши военные были уверены, что даже при ядерном взрыве, вся зарубежная техника сразу выйдет из строя, а советская нет. Весь секрет тут в лампах.
В МГУ два наших ученых В.Савин и В.Ванке, сконструировали так называемый циклотронный преобразователь энергии. Он имеет приличные размеры, так как собран на основе ламповой технологии.
Внешне это что-то вроде трубки длиной 40см и диаметром 15см. КПД у этого лампового агрегата чуть меньше, чем у американской полупроводниковой штуки – до 85%.
Но в отличие от полупроводниковых детекторов, циклотронный преобразователь энергии имеет ряд существенных достоинств:
-
надежность
-
большая мощность
-
стойкость к перегрузкам
-
отсутствие переизлучения
-
невысокая цена изготовления
После первого появления полупроводников, все резко начали отказываться от ламповых технологий. Но практические испытания говорят о том, что это зачастую неправильный подход.
Конечно, ламповые сотовые телефоны по 20кг или компьютеры, занимающие целые комнаты никому не интересны.
Но иногда только проверенные старые методы, могут нас выручить в безвыходных ситуациях. 
В итоге на сегодняшний день, мы имеем три возможности передать энергию без проводов. Самый первый из рассмотренных ограничен как расстоянием, так и мощностью.
Но этого вполне хватит, чтобы зарядить батарейку смартфона, планшета или чего-то побольше. КПД хоть и маленький, но метод все же рабочий.
Способ с лазерами хорош только в космосе. На поверхности земли это не очень эффективно. Правда когда другого выхода нет, можно воспользоваться и им.
Зато микроволны дают полет для фантазий. С их помощью можно передавать энергию:
-
на земле и в космосе
-
с поверхности земли на космический корабль или спутник
-
и наоборот, со спутника в космосе обратно на землю
За все последние годы, согласно вышеприведенным технологиям, ученые пытались и пытаются реализовать всего два проекта.
Первый из них начинался очень обнадеживающе. В 2000-х годах на о.Реюньон, возникла потребность в постоянной передаче 10кВт мощности на расстояние в 1км.
Горный рельеф и местная растительность, не позволяли проложить там ни воздушные линии электропередач, ни кабельные.
Все перемещения на острове в эту точку осуществлялось исключительно на вертолетах.
Для решения проблемы в одну команду были собраны лучшие умы из разных стран. В том числе и ранее упоминавшиеся в статье, наши ученые из МГУ В.Ванке и В.Савин.
Однако в момент, когда должны были приступать к практической реализации и строительству передатчиков и приемников энергии, проект заморозили и остановили. А с началом кризиса в 2008 году и вовсе забросили.
На самом деле это очень обидно, так как теоретическая работа там была проделана колоссальная и достойная реализации.
Второй проект, выглядит более безумным чем первый. Однако на него выделяются реальные средства. Сама идея была высказана еще в 1968г физиком из США П.Глэйзером.
Он предложил на тот момент не совсем нормальную идею – вывести на геостационарную орбиту в 36000 км над землей огромный спутник. На нем расположить солнечные панели, которые будут собирать бесплатную энергию солнца.
Затем все это должно преобразовываться в пучок СВЧ волн и передаваться на землю.
Этакая "звезда смерти" в наших земных реалиях.
На земле пучок нужно поймать гигантскими антеннами и преобразовать в электричество.
Насколько огромны должны быть эти антенны? Представьте, что если спутник будет в диаметре 1км, то на земле приемник должен быть в 5 раз больше – 5км (размер Садового кольца).
Но размеры это всего лишь малая часть проблем. После всех расчетов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы электричество мощностью в 5ГВт. При достижении земли оставалось бы всего 2ГВт. К примеру Красноярская ГЭС дает 6ГВт.
Поэтому его идею рассмотрели, посчитали и отложили в сторонку, так как все изначально упиралось в цену. Стоимость космического проекта в те времена вылезла за 1трлн.$.
Но наука к счастью не стоит на месте. Технологии совершенствуются и дешевеют. Сейчас разработку такой солнечной космической станции уже ведут несколько стран. Хотя в начале двадцатого века для беспроводной передачи электроэнергии хватало всего одного гениального человека.
Общая цена проекта упала от изначальной до 25млрд.$. Остается вопрос – увидим ли мы в ближайшее время его реализацию?
К сожалению никто вам четкого ответа не даст. Ставки делают только на вторую половину нынешнего столетия. Поэтому пока давайте довольствоваться беспроводными зарядками для смартфонов и надеяться что ученым удастся повысить их КПД. Ну или в конце концов на Земле родится второй Никола Тесла.
Во-первых, мы должны взглянуть на патентную модель Теслы. Сам Тесла утверждал, что эта технология не имеет никакого отношения к радио. Готовясь к посещению ведомства, Тесла установил в своей лаборатории пару маленьких трансформаторов, а затем соединил высоковольтные выводы вместе, используя . флуоресцентную трубку! Длинная стеклянная трубка была откачана почти до вакуума, и образовывала плазму при включении одного трансформатора. Второй трансформатор понижал напряжение, чтобы на нем могли работать обычные вещи, типа освещения и двигателей.
Другими словами, он использовал неоновую вывеску в качестве линии электропередачи. Нет проводов. Просто стеклянная трубка, полная плазмы.
Это было его великое изобретение. Это была модель, которую руководитель Патентного Бюро Америки пришел осмотреть в лаборатории Теслы в Нью-Йорке. Устройство, которое убедило его позволить Тесле продвинуть патент на беспроводную передачу электроэнергии.
Итак, как сказал Тесла, это никак не связано с радио. Закон обратных квадратов не ограничивает его, и даже не применяется к технологии вообще. Но его проблемы были намного сложнее! Тесла предлагал использовать ультра-высокое напряжение для создания вертикального плазменного столба, который соединяется с… САМИМ НЕБОМ, МУА-ХА-ХА!
Плазма является проводником, и Тесла планировал ионизировать небо (если оно еще не было ионизировано, и оказалось, что оно уже само по себе ионизировано). Тесла, очевидно, планировал создать вертикальный проводящий плазменный поток, столб, который будет действовать как огромный кабель, чтобы соединить гигантскую катушку Тесла с проводящей ионосферой высоко в небе. Затем он будет питать ионосферу мегавольтами переменного тока 5-10 кГц. И тогда в любой точке Земли люди могли поднять металлическую пластину на деревянном столбе, подключить ее к заземленному резонансному трансформатору и привести в действие электрические часы и, возможно, несколько лампочек. (Я имею в виду люминесцентные лампы. Не те расточительные, неэффективные лампы накаливания из угольной электростанции Эдисона.)
Так почему же никто не сделал этого после того, как Тесла перестал получать финансирование? Кто-то пытался, еще в 1920 году. Вот их предложение, найденное в журнале Electrical Experimenter. Оказалось, не работает. Ультрафиолетовые прожекторы не могут образовывать достаточно длинные ионизированные потоки:
Сравните вышесказанное с рекламным искусством Теслы с начала 1900-х годов ниже. Обратите особое внимание на дирижабль с лучами плазменного проводника, направленными вверх и вниз. Также обратите внимание на город на заднем плане, с похожими гигантскими «плазменными антеннами», выступающими вверх. Но все в то время просто предполагали, что это были прожекторы! Да, это типичный Тесла, готовящийся к будущим патентным битвам, выставляя свою технологию на всеобщее обозрение, но все секреты в безопасности, потому что никто не знает, на что они смотрят. Даже у самолетов Теслы есть плазменные лучи. Это имеет смысл, если вы используете металлический фюзеляж и крылья в качестве емкостной приемной пластины, поскольку резонансная катушка внутри любого летательного аппарата также нуждается в проводящем соединении с землей.
Итак, почему никто не финансировал это? Даже не создал небольшую версию? Все просто. Никто не знает, как создать ста(100!!)-мегавольтный, 30-ти километровый вертикальный плазменный поток. Гигантский потрескивающий луч непрерывной молнии. Все, что меньше, не будет работать. «Настольная модель» не будет работать, если у вас также не будет настольной модели атмосферы Земли, включая изолирующий воздух и проводящую ионосферу выше. Тесла никогда не раскрывал, как он собирается это сделать. Ученые сегодня предполагают, что это невозможно.
Интересно, что репортер расспросил Теслу по этому поводу, спросив, будут ли в его системе использованы ультрафиолетовые лучи. Тесла ушел от ответа. Позже, в 1915 году, Тесла описал историю изобретения, сказав, что в течение многих лет он пытался заставить его работать с помощью ультрафиолетовых прожекторов, но он потерпел тотальную неудачу, пока не отказался от дуговых ламп и не обнаружил совершенно другой метод. Он отправился в Колорадо из-за высоты и низкого давления воздуха, но затем нашел способ заставить его работать на уровне моря. Он утверждал, что его новый метод позволил ему освещать небо ночью, как если бы это была гигантская люминесцентная лампа. Действительно ли он сделал это? Нам понадобятся свидетельства очевидцев из того места, где оно предположительно произошло: 1899, Колорадо-Спрингс. Возможно, он также работал в Wardenclyffe, так как упомянул, что если бы местные жители не ложились спать так рано, они бы действительно что-то увидели. Плазменные лучи высотой 30 км? Или гигантское сияние по небу, как изображено другом Теслы Хьюго Гернсбеком в «Электрическом экспериментаторе» от мая 1913?
Тем временем Музей Теслы в Белграде недавно опубликовал концепцию этого художника о беспроводной системе Тесла в действии – запитывание судов в море. Сравните с двумя приведенными выше иллюстрациями.
Технология Теслы будет работать только с плазменными лучами. Получить которые можно только в теории. В наше время.
И еще, последнее замечание. 3-х фазная электросеть, каковы процентные потери? Какие потери должна преодолеть система Теслы? Я нахожу различные цифры. По данным МОЭСК и Россетей, 8-20% электрической энергии от генераторов тратится на нагрев проводов и потери при трансформации. И это в новых сетях. В старых может доходить до 30-40%. Тесла утверждал, что его измерения в Колорадо Спрингс показывают 3% потерь для его "Мировой системы". Может быть, это было преувеличено. Но даже в этом случае, потерь меньше, затрат на строительство сетей меньше, и вообще. Разве не здорово было бы повсюду наблюдать плазменные потоки энергии, как в Звездных Войнах. Работа электролабораторий перешла бы на совершенно другой уровень=)
Выбор метода определения места повреждения кабеля зависит от характера повреждения и переходного сопротивления в месте повреждения
x
