النقل اللاسلكي لتوصيل الكهرباء لديه القدرة 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 الكهرباء اللاسلكية لأول مرة بواسطة نيكولا تيسلا في تسعينيات القرن التاسع عشر. ومع ذلك ، فقد تم استخدام التكنولوجيا في العقد الماضي فقط لدرجة أنها توفر فوائد حقيقية وملموسة لتطبيقات العالم الحقيقي. على وجه الخصوص ، أظهر تطوير نظام طاقة لاسلكي رنان لسوق الإلكترونيات الاستهلاكية أن الشحن الاستقرائي يجلب مستويات جديدة من الراحة لملايين الأجهزة اليومية.
القوة المعنية معروفة بعدة مصطلحات. بما في ذلك الإرسال الاستقرائي ، والاتصالات ، والشبكة اللاسلكية الرنانة ونفس الجهد العائد. يصف كل من هذه الشروط بشكل أساسي العملية الأساسية نفسها. النقل اللاسلكي للكهرباء أو الطاقة من مصدر طاقة لتحميل الجهد بدون موصلات عبر فجوة هوائية. الأساس عبارة عن ملفين- الارسال والاستقبال. يتم تنشيط الأول بواسطة تيار متناوب لتوليد مجال مغناطيسي ، والذي بدوره يحث على الجهد في الثانية.
كيف يعمل النظام المعني
تتضمن أساسيات الطاقة اللاسلكية توزيع الطاقة من جهاز إرسال إلى جهاز استقبال عبر مجال مغناطيسي متذبذب. لتحقيق ذلك ، يتم تحويل التيار المباشر الذي يوفره مزود الطاقة إلى تيار متناوب عالي التردد. مع إلكترونيات مصممة خصيصًا مدمجة في جهاز الإرسال. ينشط التيار المتردد ملفًا من الأسلاك النحاسية في الموزع ، مما يولد مجالًا مغناطيسيًا. عندما يتم وضع الملف الثاني (المستلم) على مقربة شديدة. يمكن أن يحفز المجال المغناطيسي تيارًا متناوبًا في الملف المستقبِل. تقوم الإلكترونيات في الجهاز الأول بعد ذلك بتحويل التيار المتردد مرة أخرى إلى التيار المستمر ، والذي يصبح استهلاك الطاقة.
نظام نقل الطاقة اللاسلكي
يتم تحويل جهد "التيار الكهربائي" إلى إشارة التيار المتردد ، والتي يتم إرسالها بعد ذلك إلى ملف الإرسال عبر دائرة إلكترونية. يؤدي التدفق من خلال لف الموزع إلى إحداث مجال مغناطيسي. يمكن أن ينتشر بدوره إلى ملف الاستقبال ، وهو قريب نسبيًا. يولد المجال المغناطيسي بعد ذلك تيارًا يتدفق عبر لف جهاز الاستقبال. يشار أيضًا إلى العملية التي يتم من خلالها توزيع الطاقة بين ملفات الإرسال والاستقبال على أنها اقتران مغناطيسي أو طنين. ويتم تحقيق ذلك بمساعدة كلا الملفين اللذين يعملان على نفس التردد. التيار المتدفق في ملف الاستقبال ،تم تحويلها إلى DC بواسطة دائرة الاستقبال. يمكن بعد ذلك استخدامه لتشغيل الجهاز.
ماذا يعني الرنين
تزداد المسافة التي يمكن أن تنتقل خلالها الطاقة (أو الطاقة) إذا ترددت أصداء ملفات جهاز الإرسال والاستقبال على نفس التردد. تمامًا مثل الشوكة الرنانة التي تتأرجح عند ارتفاع معين ويمكن أن تصل إلى أقصى سعة لها. يشير إلى التردد الذي يهتز عنده الجسم بشكل طبيعي.
مزايا الإرسال اللاسلكي
ما هي الفوائد؟ الايجابيات:
- يقلل من التكاليف المرتبطة بالحفاظ على الموصلات المستقيمة (على سبيل المثال في حلقة الانزلاق الصناعية التقليدية) ؛
- راحة أكبر لشحن الأجهزة الإلكترونية الشائعة ؛
- نقل آمن إلى التطبيقات التي يجب أن تظل مغلقة بإحكام ؛
- يمكن إخفاء الإلكترونيات تمامًا ، مما يقلل من خطر التآكل بسبب عناصر مثل الأكسجين والماء ؛
- مصدر طاقة موثوق ومتسق للمعدات الصناعية الدوارة عالية الحركة ؛
- يضمن نقلًا موثوقًا للطاقة إلى الأنظمة الحيوية في البيئات الرطبة والقذرة والمتحركة.
بغض النظر عن التطبيق ، يوفر إلغاء الاتصال المادي عددًا من المزايا مقارنة بموصلات طاقة الكابلات التقليدية.
كفاءة نقل الطاقة في السؤال
الكفاءة الكلية لنظام الطاقة اللاسلكية هي العامل الأكثر أهمية في تحديدهأداء. تقيس كفاءة النظام مقدار الطاقة المنقولة بين مصدر الطاقة (أي مقبس الحائط) وجهاز الاستقبال. وهذا بدوره يحدد جوانب مثل سرعة الشحن ونطاق الانتشار.
تختلف أنظمة الاتصالات اللاسلكية في 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 ما تصل تقنيات نقل الطاقة اللاسلكية لأجهزة مثل الهواتف الذكية إلى 70٪ من الأداء.
كيف يتم قياس الأداء
المعنى ، كمقدار الطاقة (بالنسبة المئوية) التي تنتقل من مصدر الطاقة إلى جهاز الاستقبال. أي أن نقل الطاقة لاسلكيًا لهاتف ذكي بكفاءة 80٪ يعني أن 20٪ من طاقة الإدخال تضيع بين مقبس الحائط وبطارية الجهاز الذي يتم شحنه. صيغة قياس كفاءة العمل هي: الأداء=إخراج التيار المستمر مقسومًا على الإدخال ، واضرب النتيجة في 100٪.
النقل اللاسلكي للكهرباء
يمكن توزيع الطاقة عبر الشبكة المدروسة من خلال جميع المواد غير المعدنية تقريبًا ، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر. وهي مواد صلبة مثل الخشب والبلاستيك والمنسوجات والزجاج والطوب ، وكذلك الغازات والسوائل. عندما يكون المعدن أويتم وضع مادة موصلة للكهرباء (أي ألياف الكربون) على مقربة شديدة من المجال الكهرومغناطيسي ، ويمتص الجسم الطاقة منها وتسخن نتيجة لذلك. وهذا بدوره يؤثر على كفاءة النظام. هذه هي الطريقة التي يعمل بها الطهي التعريفي ، على سبيل المثال ، يؤدي النقل غير الفعال للطاقة من الموقد إلى توليد حرارة للطهي.
لإنشاء نظام نقل طاقة لاسلكي ، عليك العودة إلى أصول الموضوع. أو بالأحرى ، للعالم والمخترع الناجح نيكولا تيسلا ، الذي ابتكر وحصل على براءة اختراع مولد يمكنه أخذ الطاقة بدون موصلات مادية مختلفة. لذلك ، لتنفيذ نظام لاسلكي ، من الضروري تجميع جميع العناصر والأجزاء المهمة ، ونتيجة لذلك ، سيتم تنفيذ ملف تسلا صغير. هذا جهاز ينتج مجالًا كهربائيًا عالي الجهد في الهواء المحيط به. لديها طاقة إدخال صغيرة ، وتوفر نقل طاقة لاسلكيًا عن بعد.
من أهم طرق نقل الطاقة هو الاقتران الاستقرائي. وهي تستخدم أساسا في المجال القريب. يتميز بحقيقة أنه عندما يمر التيار عبر سلك ، يتم تحفيز الجهد في نهايات سلك آخر. يتم نقل الطاقة من خلال المعاملة بالمثل بين المادتين. مثال شائع هو المحولات. تم تطوير نقل طاقة الميكروويف ، كفكرة ، بواسطة William Brown. يتضمن المفهوم بأكمله تحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة RF ونقلها عبر الفضاء وإعادة الدخول إليهاقوة متغيرة في المتلقي. في هذا النظام ، يتم توليد الجهد باستخدام مصادر طاقة الميكروويف. مثل klystron. وتنتقل هذه القدرة إلى هوائي الإرسال عبر الدليل الموجي الذي يحمي من القدرة المنعكسة. بالإضافة إلى الموالف الذي يطابق مقاومة مصدر الميكروويف مع العناصر الأخرى. يتكون قسم الاستقبال من هوائي. يقبل طاقة الميكروويف ودائرة مطابقة المعاوقة والمرشح. قد يكون هوائي الاستقبال هذا ، جنبًا إلى جنب مع جهاز التصحيح ، ثنائي القطب. يتوافق مع إشارة الخرج مع تنبيه صوتي مماثل لوحدة المعدل. تتكون كتلة المستقبل أيضًا من قسم مشابه يتكون من الثنائيات التي تُستخدم لتحويل الإشارة إلى تنبيه DC. يستخدم نظام الإرسال هذا ترددات بين 2 جيجاهرتز و 6 جيجاهرتز.
نقل لاسلكي للكهرباء بمساعدة سائق Brovin الذي نفذ المولد باستخدام ذبذبات مغناطيسية مماثلة. خلاصة القول هي أن هذا الجهاز عمل بفضل ثلاثة ترانزستورات.
استخدام شعاع الليزر لنقل الطاقة على شكل طاقة ضوئية ، والتي تتحول إلى طاقة كهربائية عند الطرف المستقبل. يتم تشغيل المادة نفسها مباشرة باستخدام مصادر مثل الشمس أو أي مولد كهرباء. وبالتالي ، ينفذ ضوءًا مركّزًا عالي الكثافة. يتم تحديد حجم وشكل الحزمة بواسطة مجموعة البصريات. وهذا الضوء الليزري المرسل تستقبله الخلايا الكهروضوئية التي تحوله إلى إشارات كهربائية. يستخدم عادةكابلات الألياف الضوئية للنقل. كما هو الحال مع نظام الطاقة الشمسية الأساسي ، فإن المستقبل المستخدم في الانتشار القائم على الليزر عبارة عن مجموعة من الخلايا الكهروضوئية أو الألواح الشمسية. يمكنهم بدورهم تحويل الضوء أحادي اللون غير المترابط إلى كهرباء.
الميزات الأساسية للجهاز
تكمن قوة ملف تسلا في عملية تسمى الحث الكهرومغناطيسي. وهذا يعني أن المجال المتغير يخلق إمكانات. يجعل تدفق التيار. عندما تتدفق الكهرباء عبر ملف من الأسلاك ، فإنها تولد مجالًا مغناطيسيًا يملأ المنطقة حول الملف بطريقة معينة. على عكس بعض تجارب الجهد العالي الأخرى ، صمد لفائف تسلا العديد من الاختبارات والتجارب. كانت العملية شاقة وطويلة للغاية ، لكن النتيجة كانت ناجحة ، وبالتالي حصل العالم على براءة اختراع بنجاح. يمكنك إنشاء مثل هذا الملف في وجود مكونات معينة. المواد التالية ستكون مطلوبة للتنفيذ:
- الطول 30 سم PVC (كلما كان ذلك أفضل) ؛
- سلك نحاسي مطلي بالمينا (سلك ثانوي) ؛
- لوح البتولا للقاعدة ؛
- 2222A الترانزستور ؛
- توصيل سلك (أساسي) ؛
- المقاوم 22 كيلو ؛
- مفاتيح وأسلاك توصيل ؛
- 9 فولت البطارية.
مراحل تنفيذ جهاز تسلا
تحتاج أولاً إلى وضع فتحة صغيرة في الجزء العلوي من الأنبوب للالتفاف حول أحد طرفي السلكحول. لف الملف ببطء وحذر ، مع الحرص على عدم تداخل الأسلاك أو خلق فجوات. هذه الخطوة هي الجزء الأصعب والممل ، لكن الوقت الذي تقضيه سيعطي جودة عالية جدًا وملفًا جيدًا. كل 20 لفة أو نحو ذلك ، يتم وضع حلقات من الشريط اللاصق حول الملف. هم بمثابة حاجز. في حالة بدأ الملف في الانهيار. عند الانتهاء ، لف شريطًا ثقيلًا حول الجزء العلوي والسفلي من اللف ورشه بطبقتين أو ثلاث طبقات من المينا.
فأنت بحاجة إلى توصيل البطارية الأساسية والثانوية بالبطارية. بعد - قم بتشغيل الترانزستور والمقاوم. اللف الأصغر هو الملف الأساسي والملف الأطول هو الملف الثانوي. يمكنك اختياريًا تثبيت كرة من الألومنيوم فوق الأنبوب. أيضًا ، قم بتوصيل الطرف المفتوح للثانوي بالطرف الإضافي ، والذي سيكون بمثابة هوائي. يجب الحرص على عدم لمس الجهاز الثانوي عند تشغيل الطاقة.
هناك خطر نشوب حريق إذا تم بيعها بنفسك. تحتاج إلى قلب المفتاح وتركيب المصباح المتوهج بجوار جهاز نقل الطاقة اللاسلكي والاستمتاع بعرض الضوء.
الإرسال اللاسلكي عبر نظام الطاقة الشمسية
تتطلب تكوينات توزيع الطاقة السلكية التقليدية عادةً أسلاكًا بين الأجهزة الموزعة والوحدات الاستهلاكية. هذا يخلق الكثير من القيود مثل تكلفة النظامتكاليف الكابل. الخسائر المتكبدة في الإرسال. وكذلك الهدر في التوزيع. تؤدي مقاومة خط النقل وحدها إلى خسارة حوالي 20-30٪ من الطاقة المولدة.
يعتمد أحد أحدث أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية على نقل الطاقة الشمسية باستخدام فرن الميكروويف أو شعاع الليزر. يوضع القمر الصناعي في مدار ثابت بالنسبة للأرض ويتكون من خلايا ضوئية. يقومون بتحويل ضوء الشمس إلى تيار كهربائي ، والذي يستخدم لتشغيل مولد الميكروويف. وبناءً عليه ، يدرك قوة أفران الميكروويف. يتم إرسال هذا الجهد باستخدام الاتصالات اللاسلكية ويتم استقباله في المحطة الأساسية. إنه مزيج من الهوائي والمقوم. ويتم تحويلها مرة أخرى إلى كهرباء. يتطلب طاقة تيار متردد أو تيار مستمر. يمكن للقمر الصناعي إرسال ما يصل إلى 10 ميغاواط من طاقة التردد اللاسلكي.
عند الحديث عن نظام توزيع DC ، حتى هذا مستحيل. نظرًا لأنه يتطلب موصلًا بين مصدر الطاقة والجهاز. هناك مثل هذه الصورة: النظام خالٍ 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 بالمقبس. بالطبع ، مثل هذا النظام ممكن. ويحاول الكثير من الباحثين المعاصرين ابتكار شيء حديث ، بينما يدرسون دور تطوير طرق جديدة للنقل اللاسلكي للكهرباء عن بعد. على الرغم من أنه من وجهة نظر المكون الاقتصادي ، فإن هذا لن يكون كذلك بالنسبة للدولإنه لأمر مربح للغاية إذا تم إدخال مثل هذه الأجهزة في كل مكان ، واستبدال الكهرباء القياسية بالكهرباء الطبيعية.
أصول وأمثلة للأنظمة اللاسلكية
هذا المفهوم ليس جديدًا حقًا. تم تطوير هذه الفكرة بأكملها بواسطة نيكولاس تيسلا في عام 1893. عندما طور نظام إضاءة الأنابيب المفرغة باستخدام تقنيات الإرسال اللاسلكي. من المستحيل تخيل وجود العالم بدون مصادر مختلفة للشحن ، والتي يتم التعبير عنها في شكل مادي. لإتاحة شحن الهواتف المحمولة والروبوتات المنزلية ومشغلات MP3 وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وغيرها من الأدوات القابلة للنقل من تلقاء نفسها ، دون أي اتصالات إضافية ، وتحرير المستخدمين من الأسلاك الثابتة. قد لا تتطلب بعض هذه الأجهزة عددًا كبيرًا من العناصر. تاريخ نقل الطاقة اللاسلكية غني جدًا ، ويرجع الفضل في ذلك بشكل أساسي إلى تطورات Tesla و Volta وما إلى ذلك ، ولكن اليوم لا تزال البيانات في العلوم الفيزيائية فقط.
المبدأ الأساسي هو تحويل طاقة التيار المتردد إلى جهد تيار مستمر باستخدام المقومات والمرشحات. وبعد ذلك - في العودة إلى القيمة الأصلية عند التردد العالي باستخدام المحولات. يتم بعد ذلك تمرير طاقة التيار المتردد ذات الجهد المنخفض والمتذبذب للغاية من المحول الأساسي إلى المحول الثانوي. يتم تحويله إلى جهد تيار مستمر باستخدام مقوم ومرشح ومنظم. تصبح إشارة التيار المتردد مباشرةبفضل صوت التيار. وكذلك استخدام قسم مقوم الجسر. يتم تمرير إشارة التيار المستمر المستقبلة من خلال ملف التغذية المرتدة الذي يعمل كدائرة مذبذب. في الوقت نفسه ، يجبر الترانزستور على توصيله بالمحول الأساسي في الاتجاه من اليسار إلى اليمين. عندما يمر التيار عبر ملف التغذية المرتدة ، يتدفق التيار المقابل إلى الجانب الأساسي من المحول من اليمين إلى اليسار.
هذه هي الطريقة التي تعمل بها طريقة الموجات فوق الصوتية لنقل الطاقة. يتم إنشاء الإشارة من خلال المستشعر لكلتا دورتين نصفين لتنبيه التيار المتردد. يعتمد تردد الصوت على المؤشرات الكمية لاهتزازات دوائر المولد. تظهر إشارة التيار المتردد هذه على الملف الثانوي للمحول. وعندما يتم توصيله بمحول طاقة كائن آخر ، يكون جهد التيار المتردد 25 كيلو هرتز. تظهر القراءة من خلاله في محول تنحي.
يتم معادلة جهد التيار المتردد هذا بواسطة مقوم الجسر. ثم يتم تصفيتها وتنظيمها للحصول على خرج 5 فولت لقيادة الصمام. يتم استخدام جهد الخرج بجهد 12 فولت من المكثف لتشغيل محرك مروحة DC لتشغيله. لذلك ، من وجهة نظر الفيزياء ، يعتبر نقل الكهرباء منطقة متطورة إلى حد ما. ومع ذلك ، كما تبين الممارسة ، لم يتم تطوير وتحسين الأنظمة اللاسلكية بشكل كامل.
