Министерство по развитию информационных технологий и связи республики узбекистан

Методы дальнего поля (радиационные)

Методы дальнего поля позволяют достигать больших расстояний, часто в несколько километров, когда расстояние намного больше диаметра устройства (устройств). Антенны с высокой направленностью или хорошо сколлимированный лазерный свет создают луч энергии, который может соответствовать форме области приема. Максимальная направленность антенн физически ограничена дифракцией .
Как правило, видимый свет (от лазеров) и микроволны (от специально разработанных антенн) представляют собой формы электромагнитного излучения, наиболее подходящие для передачи энергии.
Размеры компонентов могут определяться расстоянием от передатчика до приемника , длиной волны и критерием Рэлея или дифракционным пределом, используемым в стандартной конструкции радиочастотной антенны , что также применимо к лазерам. Предел дифракции Эйри также часто используется для определения приблизительного размера пятна на произвольном расстоянии от апертуры . Электромагнитное излучение испытывает меньшую дифракцию на более коротких длинах волн (более высоких частотах); так, например, синий лазер дифрагирует меньше, чем красный.
Предел Рэлея (также известный как дифракционный предел Аббе ), хотя первоначально применен к разрешению изображения, можно рассматривать в обратном направлении, и диктует , что освещенность (или интенсивность ) любой электромагнитной волны (например, микроволнового или лазерного луча) будет уменьшается по мере того, как луч расходится на расстояние с минимальной скоростью, обратно пропорциональной размеру апертуры. Чем больше отношение апертуры передающей антенны или выходной апертуры лазера к длине волны излучения, тем больше излучение может быть сконцентрировано в компактном луче.
Излучение микроволнового излучения может быть более эффективным ^{[ требуется пояснение ],} чем лазеры, и менее подвержено атмосферному затуханию, вызываемому пылью или аэрозолями, такими как туман.
Здесь уровни мощности вычисляются путем объединения вышеуказанных параметров вместе и добавления коэффициентов усиления и потерь, обусловленных характеристиками антенны, а также прозрачностью и дисперсией среды, через которую проходит излучение. Этот процесс известен как расчет ссылочного бюджета .

Микроволны

Изображение художника солнечного спутника, который может посылать энергию с помощью микроволн на космический корабль или поверхность планеты.
Передачу энергии с помощью радиоволн можно сделать более направленной, что позволит передавать мощность на большие расстояния с более короткими длинами волн электромагнитного излучения, обычно в микроволновом диапазоне. ^[72] ректенна может быть использован для преобразования СВЧ - энергии обратно в электричество. Реализован КПД преобразования ректенны, превышающий 95%. ^{[ необходима цитата ]} Для передачи энергии от находящихся на орбите спутников на солнечной энергии к Земле было предложено излучение энергии с использованием микроволн, и была рассмотрена передача энергии космическим кораблям, покидающим орбиту. ^[73] [74]
Передача мощности микроволнами связана с трудностью, заключающейся в том, что для большинства космических приложений требуемый размер апертуры очень велик из-за дифракционного ограничения направленности антенны. Например, исследование NASA 1978 года спутников на солнечной энергии требовало передающей антенны диаметром 1 километр (0,62 мили) и приемной ректенны диаметром 10 километров (6,2 мили) для микроволнового луча на частоте 2,45 ГГц . ^[75] Эти размеры могут быть несколько уменьшены за счет использования более коротких длин волн, хотя короткие волны могут иметь трудности с атмосферным поглощением и блокировкой луча дождем или каплями воды. Из-за « проклятия истончения решетки » невозможно получить более узкий луч, комбинируя лучи нескольких спутников меньшего размера.
Для наземных приложений приемная решетка большой площади диаметром 10 км позволяет использовать большие уровни общей мощности при работе с низкой плотностью мощности, рекомендованной для защиты человека от электромагнитного воздействия. Безопасная для человека плотность мощности 1 мВт / см ^2, распределенная по площади диаметром 10 км, соответствует общему уровню мощности 750 мегаватт. Это уровень мощности многих современных электростанций. Для сравнения: солнечная фотоэлектрическая ферма аналогичного размера может легко превысить 10 000 мегаватт (округлено) в лучших условиях в дневное время.
После Второй мировой войны, когда были разработаны мощные микроволновые излучатели, известные как резонаторные магнетроны , была исследована идея использования микроволн для передачи энергии. К 1964 году был продемонстрирован миниатюрный вертолет, приводимый в движение микроволновой печью. ^[76]
Японский исследователь Хидэцугу Яги также исследовал беспроводную передачу энергии с помощью разработанной им направленной антенной решетки. В феврале 1926 года Яги и его коллега Синтаро Уда опубликовали свою первую статью о настроенной направленной решетке с высоким коэффициентом усиления, ныне известной как антенна Яги . Хотя она не оказалась особенно полезной для передачи энергии, эта лучевая антенна получила широкое распространение в отраслях радиовещания и беспроводной связи благодаря своим превосходным рабочим характеристикам. ^[77]
Беспроводная передача высокой мощности с использованием микроволн хорошо зарекомендовала себя. Эксперименты в десятки киловатт проводились в Голдстоуне в Калифорнии в 1975 году ^{[78] [79] [80]} и совсем недавно (1997 год) в Гранд-Бассене на острове Реюньон . ^[81] Эти методы позволяют достичь расстояния порядка километра.
В экспериментальных условиях эффективность микроволнового преобразования составила около 54% ​​на расстоянии одного метра. ^[82]
Было предложено перейти на 24 ГГц, поскольку микроволновые излучатели, подобные светодиодам, были сделаны с очень высокой квантовой эффективностью с использованием отрицательного сопротивления , то есть диодов Ганна или IMPATT, и это было бы целесообразно для линий связи малого радиуса действия.
В 2013 году изобретатель Хатем Зейне продемонстрировал, как беспроводная передача энергии с использованием фазированных антенных решеток может обеспечивать электрическую мощность на расстоянии до 30 футов. Он использует те же радиочастоты, что и WiFi. ^[83] [84]
В 2015 году исследователи из Вашингтонского университета представили технологию питания через Wi-Fi, которая обеспечивает непрерывную подзарядку аккумуляторов и обеспечивает питание камер и датчиков температуры без использования аккумуляторов с использованием передачи от маршрутизаторов Wi-Fi. ^[85] [86] Было показано, что сигналы Wi-Fi питают датчики температуры и камеры без батареи на расстоянии до 20 футов. Также было показано, что Wi-Fi можно использовать для беспроводной подзарядки никель-металлогидридных и литий-ионных батарей типа «таблетка» на расстоянии до 28 футов.
В 2017 году Федеральная комиссия по связи (FCC) сертифицировала первый беспроводной передатчик радиочастот (RF) среднего поля. ^[87]

Лазеры

Лазерный луч, сосредоточенный на панели фотоэлектрических элементов, обеспечивает достаточную мощность для полета легкой модели самолета.
В случае электромагнитного излучения, близкого к видимой области спектра (от 0,2 до 2 микрометров ), мощность может передаваться путем преобразования электричества в лазерный луч, который принимается и концентрируется на фотоэлектрических элементах (солнечных элементах). ^[88] [89] Этот механизм обычно известен как «передача энергии», потому что мощность передается на приемник, который может преобразовать ее в электрическую энергию. В приемнике применяются специальные фотоэлектрические преобразователи мощности лазера, оптимизированные для преобразования монохроматического света. ^[90]
Преимущества по сравнению с другими беспроводными методами: ^[91]

• 
  Коллимированное распространение монохроматического волнового фронта обеспечивает узкую площадь поперечного сечения луча для передачи на большие расстояния. В результате при увеличении расстояния от передатчика до приемника происходит небольшое снижение мощности или его отсутствие.
  
• 
  Компактный размер: твердотельные лазеры подходят для небольших изделий.
  
• 
  Отсутствие радиочастотных помех существующей радиосвязи, такой как Wi-Fi и сотовые телефоны.
  
• 
  Контроль доступа: мощность получают только приемники, пораженные лазером.
  

К недостаткам можно отнести:

• 
  Лазерное излучение опасно. Без надлежащего механизма безопасности низкие уровни мощности могут ослепить людей и других животных. Высокая мощность может убить из-за локального точечного нагрева.
  
• 
  Преобразование электричества в свет ограничено. Фотогальванические элементы достигают максимальной эффективности 40% –50%. ^[92]
  
• 
  Атмосферное поглощение, а также поглощение и рассеяние облаками, туманом, дождем и т. Д. Вызывают до 100% потерь.
  
• 
  Требуется прямая видимость цели. (Вместо того, чтобы направлять луч прямо на приемник, лазерный луч также может направляться по оптическому волокну. Тогда говорят о технологии Power-over-Fiber .)
  

Лазерная технология «powerbeaming» была исследована в военном оружии ^{[93] [94] [95]} и в аэрокосмической ^{[96] [97] области} . Также он применяется для питания различных датчиков в промышленных условиях. В последнее время его разрабатывают для питания коммерческой и бытовой электроники . Системы беспроводной передачи энергии с использованием лазеров для потребительского пространства должны удовлетворять требованиям лазерной безопасности, стандартизированным в соответствии с IEC 60825. ^{[ необходима ссылка ]}
В 2018 году была продемонстрирована первая беспроводная система питания с использованием лазеров для потребительских приложений, способная подавать питание на стационарные и движущиеся устройства по комнате. Эта беспроводная система питания соответствует требованиям безопасности в соответствии со стандартом IEC 60825. Он также одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA). ^[98]
Другие детали включают в себя распространение , ^[99] и последовательность и проблему ограничения диапазона . ^[100]
Джеффри Лэндис ^{[101] [102] [103]} - один из пионеров спутников на солнечной энергии ^[104] и лазерной передачи энергии, особенно для космических и лунных миссий. Спрос на безопасные и частые космические полеты привел к предложениям о космическом лифте с лазерным приводом . ^[105] [106]
Центр летных исследований Драйдена НАСА продемонстрировал легкую беспилотную модель самолета, работающую от лазерного луча. ^[107] Это доказательство концепции демонстрирует возможность периодической подзарядки с использованием системы лазерного луча.
Ученые из Китайской академии наук разработали доказательную концепцию использования лазера с двумя длинами волн для беспроводной зарядки портативных устройств или БПЛА. ^[108]

Связь с атмосферным плазменным каналом

При соединении каналов атмосферной плазмы энергия передается между двумя электродами посредством электропроводности через ионизированный воздух. ^[109] Когда между двумя электродами существует градиент электрического поля, превышающий 34 киловольта на сантиметр при атмосферном давлении на уровне моря, возникает электрическая дуга. ^[110] Этот пробой атмосферного диэлектрика приводит к прохождению электрического тока по случайной траектории через ионизированный плазменный канал между двумя электродами. Примером этого является естественная молния, где один электрод является виртуальной точкой в ​​облаке, а другой - точкой на Земле. В настоящее время проводятся исследования лазерно-индуцированного плазменного канала (LIPC) с использованием сверхбыстрых лазеров для искусственного стимулирования развития плазменного канала в воздухе, направления электрической дуги и направления тока по определенному пути контролируемым образом. ^[111] Энергия лазера снижает напряжение пробоя диэлектрика в атмосфере, и воздух становится менее изолирующим из-за перегрева, что снижает плотность ( ) нити воздуха. ^[112]
Этот новый процесс изучается для использования в качестве лазерного громоотвода и в качестве средства инициирования разрядов молний из облаков для исследований естественных каналов молний, ^[113] для исследований искусственного распространения в атмосфере, в качестве замены обычных радиоантенн, ^[114] для приложения, связанные с электросваркой и механической обработкой, ^[115] [116] для отвода энергии от разрядов высоковольтных конденсаторов, для оружейных приложений с направленной энергией, использующих электрическую проводимость через путь заземления, ^{[117] [118] [119] [120 ] ]} и электронных помех . ^[121]

Сбор энергии

В контексте беспроводной энергетики сбор энергии , также называемый сбором энергии или сбором энергии , представляет собой преобразование энергии окружающей среды из окружающей среды в электроэнергию, в основном для питания небольших автономных беспроводных электронных устройств. ^[122] Окружающая энергия может исходить от паразитных электрических или магнитных полей или радиоволн от ближайшего электрического оборудования, света, тепловой энергии (тепла) или кинетической энергии, такой как вибрация или движение устройства. ^[122] Хотя эффективность преобразования обычно невысока, а собираемая мощность зачастую мизерная (милливатты или микроватты), ^[122] ее может хватить для запуска или подзарядки небольших беспроводных устройств на микромощности, таких как удаленные датчики , которые быстро распространяются во многих областях. ^[122] Эта новая технология разрабатывается для устранения необходимости замены батарей или зарядки таких беспроводных устройств, что позволяет им работать полностью автономно. ^[123] [124]
Построение мультифизической модели для описания задачи магнитной гидродинамики в COMSOL®

Программный пакет COMSOL Multiphysics® изначально создан для работы с мультифизическими моделями: пользователь может легко и непринужденно сочетать в нем модели разных явлений, относящихся к разным областям физики. Чаще всего это можно сделать с помощью встроенных инструментов программного пакета, однако в отдельных случаях потребуются некоторые дополнительные усилия. Рассмотрим именно последнюю вариацию в контексте построения модели из области магнитной гидродинамики (МГД).