为什么我们今天不使用无线电力?

电器工程 电源 无线的
2021-12-31 04:57:36

我今天(通过Oatmeal )阅读了有关 Nikola Tesla的信息,并阅读了有关 Wardenclyffe 塔的信息,该塔(除其他外)旨在无线传输电力。请原谅这个问题的幼稚,但如果可以无线传输电流的技术是在 100 多年前发明的,那么我们为什么不在今天的日常生活中使用无线电力呢?换句话说,如果存在无线电力之类的东西,为什么我们必须物理插入我们的电子设备(电话/计算机等)?如果它是效率/成本的问题,那么我想一些富人仍然不介意为增加便利而支付额外费用,因为浪费。

请用外行的方式解释(尽管一个简单的答案就足够了)。

4个回答

我每天都使用无线电力。

在我的牙刷里:

牙刷

在我的手机里:

齐电话

我的设备中使用的方法称为感应充电我在回答这个问题时多谈了一点这是目前无线传输能量的最常见和最实用的形式。但正如许多评论所指出的,这被认为是近场传输。而且有效范围只有几毫米,非常近场。

通过在每个电感线圈上添加一个电容器并调整生成RLC 网络以在相同的(共振)频率。麻省理工学院的一个团队研究了使用感应共振作为无线电力传输系统。

共振感应充电

此后,研究人员成立了一家名为WiTricity的公司,以进一步开发该技术。虽然他们还没有将产品推向商业市场,但他们已经做出了一些令人印象深刻的示范

WiTricity 一词用于 2007 年由 Marin Soljačić 领导的麻省理工学院的一个项目。麻省理工学院的研究人员成功地展示了使用两个 60 厘米(24 英寸)的 5 匝铜线圈以无线方式为 60 瓦灯泡供电的能力。 ) 直径,距离为 2 m (7 ft),效率约为 45%。线圈设计为在 9.9 MHz(≈ 波长 30 m)下一起共振,并沿同一轴定向。一个以感应方式连接到电源,另一个连接到灯泡。即使直接视线被木板挡住,该设置也会打开灯泡。研究人员能够在 3 英尺的距离以大约 90% 的效率为 60 瓦的灯泡供电。该研究项目被分拆成一家私人公司,也称为 WiTricity。

重要的是要注意,发射器和接收器之间的距离在确定可以可靠传输多少能量方面起着至关重要的作用。从基于 MIT 项目的这篇论文中可以看出,电压相对于线圈之间的距离的衰减是指数级的:

指数衰减

但是还有许多其他方法,例如微波和激光,它们能够实现更远的距离。然而,这些方法具有很强的方向性,因此适用于比特斯拉提出的全向 Wardenclyffe Tower 更小​​的区域。在实施其中一种方法时,还需要考虑许多其他因素:

微波:

通过无线电波的电力传输可以更具方向性,允许更长距离的电力传输,具有更短波长的电磁辐射,通常在微波范围内。整流天线可用于将微波能量转换回电能。已实现超过 95% 的整流天线转换效率。已经提出使用微波的能量发射将能量从轨道太阳能卫星传输到地球,并且已经考虑将能量发射到离开轨道的航天器。
...
对于接地应用,直径为 10 公里的大面积接收阵列允许使用较大的总功率水平,同时以建议的人体电磁暴露安全的低功率密度运行。1 mW/cm2 的人体安全功率密度分布在 10 公里直径的区域中对应于 750 兆瓦的总功率水平。这是在许多现代发电厂中发现的功率水平。
...
使用微波的无线高功率传输已得到充分证明。1975 年在加利福尼亚州的戈德斯通以及最近(1997 年)在留尼汪岛的 Grand Bassin 进行了数十千瓦的实验。这些方法可以达到千米级别的距离。

激光

与其他无线方法相比,基于激光的能量传输的优点是:

  1. 准直单色波前传播允许窄光束横截面区域用于大范围的能量传输。
  2. 固态激光器-光伏半导体二极管的紧凑尺寸适合小型产品。
  3. 对现有无线电通信(如 Wi-Fi 和手机)没有射频干扰。
  4. 访问控制;只有被激光照射的接收器才能接收功率。

它的缺点是:

  1. 激光辐射是危险的,即使在低功率水平下,它也会使人和动物失明,在高功率水平下,它可以通过局部点加热杀死
  2. 转化为光,例如使用激光,效率低下
  3. 转换回电能的效率很低,光伏电池的效率达到 40%–50%。(请注意,单色光的转换效率比太阳能电池板的日晒要高)。
  4. 大气吸收,云、雾、雨等吸收和散射造成损失,可高达100%损失
  5. 与微波束一样,这种方法需要与目标有直接的视线。

当然还有特斯拉使用的“地面和空气扰动电荷”方法。就特斯拉系统而言,由于资金耗尽和股市崩盘而被关闭至于为什么后来没有尝试,主要是因为这样的系统不能严格计量。因此,电力公司无法按用量收费并赚大钱。如果没有将技术货币化的方法,就永远不会对研发进行投资。无论如何,这就是(阴谋)理论。尽管还有许多其他原因导致此方法不可行或完全行不通。

我找不到关于效率的确切数字的文章。但我猜效率是你看不到这项技术更广泛使用的主要原因。但是,它确实存在,像我这样的人(阅读:不富裕)确实可以使用它,而且效果很好。

编辑:

我找到了无线充电联盟(Wireless Power Consortium)完成的一个案例研究,该联盟是我手机的 qi 充电器制造商,其中指出(强调我的):

在本节中,我们比较了 5 年期间的总功耗

案例分析:

无线充电器的平均系统效率N sys-wireless = 0.50 (50%)

有线电源适配器的平均系统效率N sys-wired = 0.72 (72%) 假设平均充电功率为 2W。

因此,他们系统的有线部分的效率为 72%,而无线部分的效率为 50%。那是使用感应方法,其中线圈相距几毫米。将其与 Joel 的 WiTricity 进行比较,后者声称 2 米范围内的效率为 40%。

考虑到与无线系统的额外电路和组件相关的额外成本与铜线长度的成本相比,您可以看到为什么长距离无线能量传输对于大众市场的使用仍然被认为是不切实际的。

如果您以球形方式辐射功率(在所有方向上均等),则在另一端接收到的功率将与接收器覆盖的球体的百分比成正比。距离越远,相同尺寸天线捕获的能量越少,与 1/r^2 成正比。其余的能量浪费在自由空间中。当然,这是一个过度简化的模型。如果你知道接收器在哪里,你会让发射器定向,使用共振等,但你明白了。无线能量不会神奇地以 100% 的效率到达您的接收器。最重要的是,您的电源转换电路也不是 100% 高效。

如果发送和接收相距几毫米且功率水平较低,例如在牙刷或手机底座中,那么效率是可以接受的,并且损失的功率不会花费太多。牙刷每年只需花费几美分就可以保持充电,因此为了浴室环境的防水产品而牺牲额外的能源成本是值得的。与插入电源相比,电动汽车下方的垫子在一英尺的离地间隙上传输数千瓦,每月会浪费数十美元的能源成本。试图直接从几英里外山顶上的电力公司塔上运行干衣机根本行不通。

我们可能会看到无线或环境电源在微型嵌入式设备中变得流行,例如监控某物的低功耗微控制器。如果微控制器的功耗足够低,它可以通过一个微型太阳能电池板、RFID 徽章中的线圈、压电设备等连续运行。能量可以从 WiFi 信号、热量、机械运动或其他目前不使用的方式中获取,因为功率水平太低而无法使用。例如,通过蓝牙 LE 传输收集的数据比简单地运行微控制器需要更多的能量,因此传输突发必须短且不频繁,并且在两者之间缓慢填充一些能量存储(电容器)。这是微瓦或纳瓦的领域,因此请忘记在您四处走动时不断为手机充电。

我们不像特斯拉尝试的那样分配电力的原因是因为它不起作用。这基本上是一个愚蠢的想法,因为:

  1. 任何固定体积中的可用功率随着与发射器距离的立方而减小。例如,您可以从距离发射机 10 米的立方米中提取 100 kW。在 100 米处为 100 W。在 200 米处为 12.5 瓦,这勉强足以为一盏灯供电。

  2. 没有办法衡量个人使用,那么如何向人们收费?你不能因为你建了一座塔就指望我付钱。我可以声称我从未使用过任何力量,而你无法证明其他方式。

  3. 我们真的不知道长期暴露于强电场对健康的影响是什么。想想看。如果一个灯泡应该拦截来自这个场的能量来照亮自己,那么你的身体究竟如何不应该拦截一些能量呢?

  4. 您如何防止碰巧具有正确电气特性的普通物体截断电源并加热?您必须非常小心使用任何不是良好绝缘体的材料。你必须仔细记住它的大小、方向和阻抗,以避免它从周围的 E 场中获取能量。想想你认为理所当然的所有金属物体。即使是铝罐苏打水也可能是个问题。

  5. 即使它确实有效,它也是非常低效的。将有许多普通对象,如上面的#4。更别说那些物体在拦截这股力量时会发生什么,想想生产者这边对力量的巨大浪费。每一根湿漉漉的树枝、地面,以及各种各样的东西,都会从这个E场中获得力量。

就像我说的,这是一个愚蠢的想法,当特斯拉也尝试过它时也是一个愚蠢的想法,正如他自己的一些方程式应该告诉他的那样。

法律顾问:

让我们看看我是否理解正确。如果您的系统有辐射或电磁波,那么能量是否被浪费了?

特斯拉:

完全浪费了。从我的电路中,你可以得到电磁波、90% 的电磁波(如果你愿意)和 10% 的通过地球的电流能量。或者,您可以反转这个过程,获得 10% 的电磁波能量和 90% 的通过地球的电流能量。

就像这样:我发明了一把刀。刀可以用锋利的边缘切割。我告诉应用我的发明的人,你必须用锋利的刀刃切割。我很清楚你可以用钝边切黄油,但我的刀不是用来做这个的。你不能让天线发出 90% 的电磁波和 10% 的电流波,因为当你绕地球几个弧度时,电磁波就消失了,而电流传播到地球最远的地方,可以得到恢复。

顺便说一句,这种观点现在得到了证实。请注意,例如,索末菲[*] 的数学论文表明我的理论是正确的,我对现象的解释是正确的,并且该行业完全被误导了。这就是为什么我的这些高频电流追随者犯了错误的原因。他们想制造 200,000 次循环的高频交流发电机,其想法是产生电磁波,其中 90% 产生电磁波,其余产生电流能量。我只使用了低交替,我产生了 90% 的电流能量和只有 10% 的电磁波,这被浪费了,这就是我得到结果的原因。. . .

你看,我设计的设备是一种能够在天线电路中产生巨大的电势和电流差异的设备。无论您是通过传导电流传输还是通过电磁波传输,都必须满足这些要求。你需要高电位电流,你需要大量的振动能量;但你可以毕业这种振动能量。通过适当的设计和波长的选择,您可以安排它,例如,您可以获得 5% 的这些电磁波和 95% 的流经地球的电流。这就是我正在做的事情。或者你可以像这些无线电员一样,得到 95% 的电磁波能量,而只有 5% 的电流能量。. . . 该设备适用于一种或另一种方法。我的系统没有产生辐射;我正在抑制电磁波。. . . 在我的系统中,你应该让自己摆脱存在辐射、能量被辐射的想法。它没有辐射;它是保守的。. . .

特斯拉不傻!

:)