Беспроводная передача электроэнергии

В ближайшем будущем электричество будет передаваться по воздуху Идея передачи электроэнергии без проводов не нова — она занимает умы ученых уже не первое столетие. Явление электромагнитной индукции, позволяющее реализовать эту идею, открыли еще в 1831 году английский физик Майкл Фарадей и американский ученый Джозеф Генри (Фарадей, впрочем, успел опубликовать статью с описанием открытия раньше), а эксперименты в этой области велись на протяжении всей второй половины XIX века.

Самым же известным изобретателем и экспериментатором в сфере передачи электричества «по воздуху» стал родившийся на территории современной Хорватии сербский ученый Никола Тесла. Его опыты с электроустановками были до того масштабны и зрелищны, что современники считали его чуть ли не волшебником. Кое-кто, кстати, даже полагает, что именно работа одного из приборов Теслы вызвала взрыв в сибирской тайге в районе реки Подкаменная Тунгуска 30 июня 1908 года. В XX веке научные работы над передачей электроэнергии «по воздуху» не прекращались. Были изобретены новые (помимо электромагнитной индукции) способы реализации этой идеи — к примеру, передача энергии посредством лазерного или микроволнового излучения. Об этих способах мы расскажем ниже.

Ведущие ученые из разных стран мира сегодня единогласно называют беспроводную передачу электричества одним из важнейших индустриальных прорывов ближайшего будущего. С ними согласны и писатели-фантасты — например, Артур Кларк, описавший промышленное использование технологии в своих произведениях. Впрочем, коммерческие продукты, применяющие методы беспроводной передачи электроэнергии, один за другим появляются в розничной продаже уже сегодня. В основном речь идет об устройствах для зарядки мобильных гаджетов, а также — в гораздо меньшей степени — для подпитки батарей электромобилей.

Как это работает

Беспроводная передача электроэнергии может осуществляться по несколькими технологиям. Наиболее известными и перспективными из них являются следующие три.

Электромагнитная индукция

Преимущество: высокий КПД Недостаток: минимальная дальность действия Электромагнитной индукцией называют явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре под воздействием проходящего через него магнитного поля. Это означает, что если подать ток на одну индукционную катушку (в случае с гаджетами — встроенную в зарядное устройство), а рядом с ней расположить другую (встроенную в заряжаемое оборудование), то магнитный поток, возникающий под действием подаваемого тока в первой катушке, возбуждает электрический ток во второй. КПД таких систем превышает 80%, но только в тех случаях, когда заряжаемое устройство находится на минимальном расстоянии от зарядного — не более пары сантиметров. При увеличении дистанции КПД резко падает. Тем не менее именно на принципе электромагнитной индукции сегодня основана работа абсолютного большинства беспроводных зарядных устройств.

Лазерное излучение

Преимущества: большая дальность действия; защищенность сетей Недостаток: необходима прямая видимость между передатчиком и приемником Лазерный луч способен передавать не только информацию, но и энергию, причем на большие расстояния конкретному устройству и в строго выверенных объемах, тогда как при применении электромагнитной индукции электричество может получать любой приемник с соответствующими характеристиками, находящийся в зоне действия магнитного поля. Минус в том, что между лазерным передатчиком и фотоэлектрическим элементом приемника должна сохраняться прямая видимость, иначе энергия не будет достигать получателя. Работающие установки, использующие питание от лазерного луча, уже построены. Так, американский производитель самолетов и военной техники Lockheed Martin совместно с компанией LaserMotive испытала беспилотный летательный аппарат Stalker, способный оставаться в воздухе, получая питание от лазерного луча, в течение 48 часов. А Национальное аэрокосмическое агентство США (НАСА) создало небольшую радиоуправляемую модель самолета, получающего энергию от мощной лазерной пушки.

Микроволновое излучение

Преимущество: большая дальность действия Недостаток: высокая стоимость оборудования Для передачи электроэнергии можно использовать радиоантенну, создающую микроволновое излучение. При этом на устройстве-приемнике должна быть установлена ректенна, преобразующая принимаемое микроволновое излучение в электроток. Эта технология обеспечивает возможность значительного удаления приемника от передатчика и не требует их нахождения  в прямой видимости друг от друга. С увеличением дальности, однако, пропорционально растут размеры и себестоимость оборудования. К тому же работа установки для передачи электроэнергии с помощью микроволнового излучения большой мощности может, как считается, нанести вред окружающей среде.

Микроволновый вертолет

В 1964 году американский ученый Уильям Браун продемонстрировал модель вертолета, не имеющего иных источников питания, кроме ректенны. Чтобы поднять в воздух на высоту около 15 м модель вертолета массой 2,25 кг, понадобилась ректенна массой 900 г и площадью около 0,4 м². Диаметр рефлектора антенны-источника составлял несколько метров.

Влага нестрашна

Одними из первых массовых бытовых приборов, использующих электромагнитную индукцию для беспроводной зарядки, в 90-е годы прошлого века стали электрические зубные щетки. Чтобы пользователя не ударило током во влажном помещении, крэдл и зубная щетка не имеют разъемов, а их корпуса герметичны — энергия от крэдла к щетке передается бесконтактно.

На острие луча

В 2003 году инженеры НАСА создали модель самолета, оборудованного фотоэлектрическим элементом, который при попадании на него луча лазера мощностью 1 кВт давал достаточно энергии для питания небольшого — мощностью всего 6 Ватт — двигателя самолета.

Существующие решения

Около пяти лет назад в продаже начали появляться первые пригодные для повседневного использования системы беспроводной зарядки мобильных гаджетов. Все они работают по принципу электромагнитной индукции.

Одновременно с выходом этой технологии на массовый рынок крупнейшие производители телекоммуникационного оборудования решили объединиться в Консорциум беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium) — организацию, призванную, помимо прочего, разработать всемирный стандарт для беспроводных зарядных устройств, работающих по принципу электромагнитной индукции. Данный стандарт получил название QI (читается «чи» или «ци» — от китайского «воздух» и «поток духовной энергии»). В настоящее время именно он регламентирует беспроводную передачу энергии на расстоянии до 4 см от заряжающей поверхности к мобильному устройству, оборудованному пластиной-приемником. Из крупных производителей гаджетов поддержку стандарта QI на части своих моделей обеспечивают HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung и Sony. Предполагается, что QI вскоре станет единым стандартом для всех подобных устройств, что позволит, к примеру, создавать зоны подзарядки гаджетов в общественных местах — на транспортных узлах, в кафе и т. д.

В настоящее время на мировом рынке представлено более 150 устройств с поддержкой стандарта QI — все они относятся к числу техники малой мощности (до 5 Ватт). В будущем предполагается появление оборудования средней мощности — до 120 Ватт.

Аксессуары для Nokia Lumia

Для смартфонов компании Nokia, поддерживающих беспроводную зарядку, сегодня разработано немало устройств — к примеру, зарядная площадка Nokia DT-901 Wireless Charging Pillow by Fatboy, выполненная в виде небольшой подушки. Чтобы зарядить смартфон, его необходимо просто на нее положить, не подключая никаких проводов. Сама же подушка подключена проводом к сетевому адаптеру.

Помимо зарядных подушек в продаже доступны и другие аксессуары Nokia с поддержкой беспроводной передачи электричества. Это и зарядная площадка с жесткой поверхностью Nokia DT-900, и аудиосистема Nokia MD-100W JBL PowerUp Wireless Charging Speaker. Последняя, к слову, позволяет во время зарядки смартфона транслировать музыкальные треки из его памяти — тоже по воздуху.

Все вышеупомянутые аксессуары компании Nokia и ее партнеров соответствуют стандарту QI. Кстати, старшая модель Nokia Lumia 920 имеет встроенный QI-приемник, тогда как владельцам младшей Lumia 820 придется купить дополнительную заднюю панель.

Беспроводная зарядка Google Nexus

В момент начала продаж смартфона Google Nexus 4, производством которого занимается компания LG, устройство не поддерживало зарядку «по воздуху». Но спустя некоторое время фирмы Google и LG все же представили систему беспроводной зарядки для своего общего детища. Так Nexus 4 стал первым массовым Андроид-смартфоном, который обзавелся фирменной зарядной площадкой, тогда как предыдущие решения представляли собой аксессуары от сторонних производителей. Работает данное зарядное устройство по принципу электромагнитной индукции, как и рассмотренные выше аксессуары Nokia, и также соответствует стандарту QI.

Универсальная зарядная площадка

Зарядные площадки компании WildCharger по-настоящему универсальны: они позволяют питать энергией большинство популярных моделей смартфонов, не оборудованных модулем для беспроводной зарядки, а также обычные телефоны. Помимо самой зарядной площадки, на которой умещается сразу несколько устройств, необходимо приобрести еще и чехол-приемник для мобильного гаджета. Он соединяется с USB-портом смартфона и через него заряжает аккумулятор.

Эти мягкие и приятные на ощупь подушечки предназначены не для утомленных пользователей, а для разрядившихся смартфонов Nokia                 QI-совместимые зарядные устройства вовсе не обязательно должны получать питание от электрической сети: в ближайшее время на рынке появится карманная USB-панель Qimini от гонконгской компании Tektos       Из линейки более привычных беспроводных зарядных устройств Nokia пользователь сможет выбрать то, которое подходит по цвету к его смартфону     Смартфон Google Nexus 4 от LG Electronics стал первым Android-устройством с поддержкой
беспроводной зарядки            

Масштабные проекты

Сегодня инженеры активно ведут работы над крупными проектами, связанными с применением беспроводной передачи данных, — бытовыми электросетями и питающимися «по воздуху» электромобилями.

Технология Intel WCT

Заряжать ноутбуки со значительно большей, чем у смартфонов, емкостью аккумулятора пока непозволительная роскошь, так как этот процесс может растянуться на десятки часов. А вот подпитывать смартфоны от лэптопов станет возможно уже в  ближайшем будущем. Компания Intel совместно с Integrated Device Technology (IDT) ведет работу над проектом Wireless Charging Technology (WCT). По его завершении на рынок будут выпущены ноутбуки, поддерживающие беспроводную зарядку компактных мобильных устройств при их размещении в непосредственной близости от лэптопа. При этом на плечи фирмы Integrated Device Technology легло производство чипов для беспроводной зарядки мобильных гаджетов, а Intel будет заниматься разработкой и стандартизацией готовых устройств с поддержкой технологии WCT.

Беспроводная электросеть для дома

Основатели компании WiTricity мыслят более глобально: они предложили создать в каждом доме централизованную сеть для беспроводной передачи электроэнергии. Такой подход позволит избавиться от тянущихся от розеток к бытовым электроприборам проводов и от необходимости периодически менять аккумуляторные батареи в устройствах. По мнению инженеров WiTricity, для гаджетов, которые пользователи перемещают лишь в пределах дома, источники автономного питания не нужны.

Беспроводная зарядка электромобилей

Корпорация Qualcomm в последние годы ведет работы по внедрению технологий беспроводной зарядки — причем не только батарей мобильных  гаджетов (разрабатываемое Qualcomm собственное решение для зарядки смартфонов называется WiPower), но и аккумуляторов электромобилей. Проект по созданию коммерчески привлекательной системы беспроводной передачи электроэнергии от зарядного устройства автомобилю, называется Qualcomm Halo, а сама технология в исполнении Qualcomm  получила имя Wireless Electric Vehicle Charging (WEVC). Она предполагает использование двух индукционных катушек: первая устанавливается внутри электрокара, а вторая — под дорожным полотном в местах, помеченных как зарядные площадки.

Долгосрочную перспективу технологии WEVC трудно переоценить: густая сеть автозарядных точек позволит оснащать электрокары аккумуляторами меньшей емкости и за счет этого существенно снизить их себестоимость.

Ноутбук как зарядное устройство

Когда Intel обеспечит серийное производство лэптопов с поддержкой беспроводной зарядки мобильных устройств, смартфоны не нужно будет даже помещать на специальную площадку — достаточно будет оставлять их на столе рядом с компьютером.

В каждый дом

Передавать электроэнергию оборудованным соответствующими адаптерами бытовым приборам, гаджетам, аудио- и видеоаппаратуре, по задумке инженеров WiTricity, станут устанавливаемые в каждой комнате потолочные источники питания.

Доступные и удобные электромобили

Реализация проекта QualComm Halo сделает использование электромобилей куда более простым и удобным, чем сейчас. К примеру, на электрическое питание можно будет перевести все городские такси — заряжаться они могут во время стоянки, если места парковки оборудовать беспроводными зарядными устройствами.