29 января 2016 в 10:15

Российские физики разработали технологию беспроводной передачи энергии с кпд 80% новость



В то время как Apple внедряет беспроводную зарядку в iPhone, российские физики из Университета ИТМО и «НИИ Гириконд» разработали более эффективную технологию беспроводной передачи энергии при использовании керамических диэлектриков.

«У нас пока только пионерские работы, но для расстояния в 20 сантиметров и мощности 1 Ватт наша система уже работает», — рассказал ТАСС один из авторов статьи, научный сотрудник Университета ИТМО, Полина Капитанова. Соавтор изобретения — Елизавета Ненашева из «НИИ Гириконд» (оба — Санкт-Петербург).

Суть изобретения в следующем. Сейчас для беспроводной передачи электричества используется резонансное взаимодействие медных катушек, одна из которых подключена к источнику переменного электрического тока, который создавал магнитное поле. Оно доходит до второй катушки, настроенной на ту же самую резонансную частоту, и создаёт в ней переменный ток, с помощью которого заряжается устройство на базе. Технология WiTricity повсеместно применяются в мобильных гаджетах, а на расстоянии два метра кпд составляет 45%.

Российские физики использовали тот же резонансный метод, но значительно усовершенствовали его. Медные катушки заменили на диэлектрические керамические резонаторы, в которых магнитное поле можно возбуждать с меньшими потерями энергии. Вместо режима магнитного диполя они использовали режим магнитного квадруполя. Для передачи энергии применили более высокие частоты резонаторов, на которых магнитное поле меньше затухает при распространении в пространстве.

На графиках показана теоретическая эффективность, в зависимости от отношения расстояния к длине волны, российской технологии при работе в режиме магнитного квадруполя (зелёная линия), ныне используемого режима магнитного диполя (красная пунктирная линия) и новой технологии, разработанной в Массачусетском технологическом институте (синяя пунктирная линия).



В результате, теоретическая эффективность нового подхода достигает 80%, хотя на практике пока удалось передать около 1 Вт мощности на расстояние 20-30 см на частотах около 2 ГГц, но эксперименты продолжаются, в том числе с новыми керамическими материалами, которые позволяют увеличить дальность передачи и снизить рабочую частоту в десятки мегагерц. Планируется уменьшить размер резонаторов, чтобы они были пригодны для практического использования, и чтобы приёмник был эффективен при любой ориентации в пространстве.

Результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Анатолий Ализар @alizar
карма
667,3
рейтинг 410,0
Редактор
Самое читаемое

Комментарии (41)

  • +5
    Как я понимаю керамика очень непростая — титанат лантана-бария с добавками неодима и самария.
    • +9
      И случайно сверх проводящая, но это мелочи, сверхпроводники уже завтра в каждой мобилке )
      • +5
        «ученые путешествуют во времени» ©
    • +1
      И как им в голову пришло это всё вместе слепить?! Нет, правда — сплав из 2 пары элементов ещё можно как-то понять, но как додумываются о более сложных?
      • +2
        Расчеты. Почитайте как открывали светоизлучающие гетероструктуры (светодиоды), там сначала рассчитывали параметры, которые требуются от вещества, а потом подбирали вещество под расчет.
      • +1
        Предварительно проводится мат. моделирование, по результатам которого подбираются наиболее подходящие составляющие.
        • +1
          Иногда свойства сплава кардинально отличаются от свойств составляющих, например, температура плавления припоя ПОС-90 меньше, чем температуры плавления свинца и олова, его составляющих.
          Или вот, взять диамагнетик кремний и добавить в ферромагнетик железо — в итоге магнитная восприимчивость сплава только увеличивается. И таких примеров много.
          • +1
            В том то и дело, что не кардинально, а плавно меняется по мере изменения состава. А резкие изменения можно предсказать исходя из свойств атомов используемых элементов.
            Берутся составляющие, планируется эксперимент, получаются образцы (много разных) определяются параметры, результат интерполируется полиномом. Планируется ещё эксперимент, получаются ещё образцы, проверяется, насколько близок полином к истинной кривой, улучшается.
            Подобный анализ трёх-четырёхкомопнентных групп сплавов — в порядке вещей последние лет сорок. Данных накоплено море.
            • 0
              Я понимаю, что вырвал слова из контекста, но буйная фантазия включается автоматически.
              «…свойства меняются по мере изменения состава…» «…изменения можно предсказать исходя из свойств атомов используемых элементов…» «…Берутся составляющие, получаются образцы (много разных), определяются параметры…»

              Перед глазами нарисовалась лаборатория: стоя́т такие бочки с сотнями атомов элементов (как мешки с мукой у пекаря), и учёные „смешивают“ в большом котле очередное „зелье“ меняя количества атомов исходя из результатов предыдущего „шабаша“.
              • +1
                Мне, почему-то такое в голову не приходило. В реале — делаются опытном производстве образцы из сплавов указанного состава, одинаковой, требуемой для эксперимента, формы.
                Как конкретно определяются необходимые составы сплавов — кратко не ответишь, там целая наука — планирование эксперимента.
      • 0
        Не говорю за всех, но некоторые банально перебирают все комбинации и ищут интересные/перспективные свойства на новой комбинации материалов. Вот и получаются (на первый взгляд) бредовые комбинации
        • +1
          Традиционная селекция и генная инженерия?
          • 0
            Микро-/наноэлектроника
      • +2
        Подобные керамики начали исследовать задолго до широкого моделирования на компьютерах. Довольно сложный состав имели первые высокотемпературные сверхпроводники. Думаю, опыт и частично моделирование в голове. Спецы ведь занимались соответствующими классами веществ десятилетиями. Я даже был знаком с человеком, который лет за 5 до открытия высокотемпературных сверхпроводников( а там похожая керамика, довольно сложного состава) исследовал сопротивление в зависимости от температуры очень близких по составу керамик… Облом в том, что у него под рукой был только жидкий азот, а надо было на жидком гелии — тогда бы получил сверхпроводимость и нобелевскую. Как-то же они к этому пришли, что такая керамика лантан-барий-оксид меди и почему мерили электропроводность. Это 1978 год ИОНХ, там из ЭВМ только и была СМ-4. Думали, искали — так наверное. Теперь легче. В данном случае просто взяли готовую керамику с известными свойствами.
  • +7
    Да, занятная технология.
    Поменяли метод возбуждения, это нормально, только на 2ГГц уже особо не важно магнитное там поле или электрическое, можно было и рупором излучать.
    Но дальше всё чудесатее и чудесатее.
    «Для передачи энергии применили более высокие частоты резонаторов, на которых магнитное поле меньше затухает при распространении в пространстве.» а ниже «которые позволяют увеличить дальность передачи и снизить рабочую частоту в десятки мегагерц.»
    «чтобы приёмник был эффективен при любой ориентации в пространстве.» и при этом КПД оставалось 80%? Ну а что, обставил такой передатчик несколькими приемниками, с каждого получил по 80% запитал от них передатчик и всё вот он долгожданный вечный двигатель.

    • 0
      >«чтобы приёмник был эффективен при любой ориентации в пространстве.» и при этом КПД оставалось 80%? Ну а что, обставил такой передатчик несколькими приемниками, с каждого получил по 80% запитал от них передатчик и всё вот он долгожданный вечный двигатель.

      Думаю очевидно, что обставив такой передатчик несколькими приемниками, они поделят энергию между собой. Условно 10 Вт передатчик и пять приемников, каждый их которых получит по 1.6 Вт
      • 0
        Тогда откуда единственный приемник знает о существовании или отсутствии других приемников?
        И когда он один получает 80%, а когда много начинает делиться.
        • +2
          По возмущениям в Силе, очевидно=)
        • 0
          Никто, вроде, не обещал, что передатчик тоже будет одинаково излучать во всех направлениях.
      • 0
        80% — это максимум, если поймать всё излучение по всей площади, как я понимаю.
        Фактическое КПД пропорционально площади приёмника(ов), если все части приёмника(ов) находятся на одном расстоянии от передатчика.
        • +1
          Если бы резонансная передача работала так же как «обычная» — пропорционально площади контура, то КПД составил бы доли процента.
    • +2
      А если обложить приёмниками стену, то запитать от зарядки соседа всю домашнюю аппаратуру, включая стиралку.
    • 0
      Речь об ориентации приемника, а не передатчика
    • +7
      Читайте оригинальную статью на APL (ссылка есть в последнем абзаце), иначе с корявым научно-популярным изложением сейчас тут дойдёт до «учёный изнасиловал журналиста».
    • 0
      видимо речь об эффективности преобразования электроэнергии в излучение/поле.
      а уж мощность принимаемого излучения (если ничего не ориентировать) падает пропорционально квадрату расстояния до источника.
      так что передать 80% энергии это, если только их друг на друга положить
    • +2
      «и снизить рабочую частоту в десятки мегагерц». Ага и «снизить массу самолёта в десятки килограмм». Если речь идёт о 2 ГГц, то снижать НА десятки МГц не имеет смысла. Возможно имелось в виду «до десятков МГц»?
  • 0
    при беглом взгляде на картинку, подумал что использовали диэлектрические линзы, а тут оно вон как — резонаторы керамические…
    • 0
      Резонатор непростой: большая диэлектрическая проницаемость и очень маленький тангенс угла потерь для рабочих частот. Т.е. по сути в этой керамике нет стеклообразной фазы.
  • –1
    Здравствуй, башня Теслы?
    • +12
      Здравствуй, микроволновка в квартире
      • +1
        Вот и меня немало смутили цифры: около 1 Вт мощности на расстояние 20-30 см на частотах около 2 ГГцНа такой частоте, при немного большей мощности можно гирлянду люминесцентных ламп зажечь, и без всяких супер-материалов. Попутно еще и пиццу разогреть.
  • +3
    Медные катушки заменили на диэлектрические керамические резонаторы

    А мне почему-то на фотографии видятся все те же медные катушки с двумя диэлектрическими линзами.
    • +1
      По сути да, только передача энергии работает в квадрупольном режиме из-за свойств примененной керамики с большим показателем преломления (из-за высокой диэлектрической проницаемости).
  • +1
    «Российские физики разработали технологию беспроводной передачи энергии», а ниже
    «Российские физики использовали тот же резонансный метод, но значительно усовершенствовали его»

    Они разработали или все же усовершенствовали?
    И что будет, если расстояние увеличить на те же 2 метра для чистоты сравнения?
    • –1
      Думаете, есть разница? Тогда ЭВМ тоже никто не изобретал, просто проапгрейдили написание вертикальных палочек в пещере.
  • +8
    Какой забавный график. Судя по подписям, по оси X не расстояние между источником и приёмником, а отношение расстояния к длине волны, которая в 30 раз больше у синего пунктира. Т.е. в реальной жизни технология от MIT на самом деле даже более дальнобойная, чем сабж.
  • +3
    А никого не пугает эта микроволновка? 2ГГц
    информационные сигналы маломощны, а тут передача мощности
    даже если сотовые «не влияют на здоровье» то вот такие штуки уже наверняка
  • –8
    Теперь у всех троллейбусов в Сколково?
    image
  • +3
    Или я что-то пропустил, но как катушками можно передавать 45% мощности на расстоянии в 2 метра?
    может все-таки 2см?
  • +2
    К заявленным 80% на 2 ГГц надо добавить что получить эти 2 ГГц из постоянного тока на передающей стороне при таких порядках мощности получится в лучшем случае с КПД 40-50%, потери из-за неидеальности диодов приёмной стороны будут того же порядка.
  • +2
    Как, наверное, злятся сами ученые, когда из их не законченной разработки создают «сенсацию», пишут пресс-релизы и объявляют публике о победе разума над загнивающим западом. Ведь правду говорят — дураку полработы не показывают.

Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.