Приміщення для бездротової передачі енергії у вигляді об'ємного резонатора. Univ. of Tokyo.
Японські дослідники створили кімнату, майже в будь-якій точці якої можна заряджати телефони і живити невеликі електричні пристрої. Енергія для цього передається бездротовим способом, з використанням індукційних котушок, а провідні стінки приміщення працюють як напіввісний резонатор, створюючи стоячі електромагнітні хвилі потрібної конфігурації.
Системи бездротової зарядки відомі і активно розробляються в останні роки. У багатьох рішеннях, особливо ранніх, для передачі енергії використовується мікрохвильове випромінювання. Дальність передачі в таких системах не дуже висока, а якщо використовувати більш потужні передавачі, то таке випромінювання може бути небезпечним для організму. Більш новий підхід - передача енергії методом магнітно-резонансного зв'язку між індукційними котушками. Часто подібні пристрої реалізовані у вигляді деяких почесних структур (що проводять поверхонь), і заряджуваний пристрій необхідно розміщувати тільки в певних точках такої поверхні. Наступний крок - тривимірні конструкції («кімнати для зарядки»), безпечні для людини і тварин, в яких можна було б заряджати безліч різних пристроїв і розміщувати їх практично в довільних місцях.
Фізики з університетів Токіо і Мічигану запропонували рішення для такого приміщення бездротової зарядки з використанням квазістатичного магнітного поля всередині об'ємного резонатора. Система використовує приміщення розміром з типову кімнату з провідними стінками з металевих листів, які утворюють електромагнітну резонансну порожнину. У стінки вбудовані конденсатори, які підлаштовують резонансні частоти електромагнітних мод і локалізують електричну компоненту поля. Якщо використовувати декілька стоящих мод електромагнітних коливань в такому резонаторі, можна створити досить однорідне магнітне поле (мінімуми одних мод в певних точках компенсуються за рахунок максимумів інших мод), і використовувати його для передачі енергії на приймаючі котушки, які можуть розміщуватися майже в будь-якій точці кімнати. Стаття про результати експериментів з «бездротової зарядки магнітним полем» опублікована в кінці серпня 2021 року в Nature Electronics «.Кімната для зарядки» готова для демонстрації. Univ. of Tokyo.
Розмір спеціально побудованої експериментальної «кімнати» для бездротової зарядки (каркасної конструкції з алюмінієвими панелями) - 3 ст.1 3 ст.1 2 метра. Для ефектної демонстрації автори оформили внутрішню «робочу» ділянку конструкції (резонансну порожнину, в якій намагаються створити однорідне поле) у вигляді житлової кімнати зі стінками і деякою кількістю меблів. Джерело живлення поза кімнатою створює тон з частотою 1,34 МГц (резонансна частота відповідно до обраної геометрією і розмірами приміщення), як видно на демонстраційному відеоролику. Сигнал подається всередину приміщення через котушку збудження, індукційно пов'язану з провідними стінками. Відповідно до принципу електромагнітної індукції магнітне поле котушки породжує електричний струм, який проходить по провідних стінах, підлозі і стелі, створюючи тривимірне магнітне поле всередині такого резонатора. Конфігурація однієї типової резонансної моди не вирішує завдання розповсюдження поля на всю кімнату - в прямокутному приміщенні неминуче створюються «мертві зони» по кутах і у вузлах стоячих хвиль. Запропоноване рішення полягає в поширенні двох основних мод, що доповнюють один одного. Одна з мод використовує мідний стрижень посеред кімнати - малюнок магнітних ліній цієї моди закручується навколо стрижня. Друга мода не використовує стрижень, зате її лінії магнітного поля проходять уздовж сусідніх стінок, компенсуючи мертві зони від «стрижневої» моди. Дві моди магнітного поля в резонансній порожнині.
За перетворення енергії магнітного поля відповідають невеликі прийомні котушки, які через перетворювачі напруги підключаються до пристроїв. Крім смартфонів, без розетки в такому приміщенні вдається передати електроенергію на інші прилади, зокрема, на лампу і вентилятор. Безпечна вихідна потужність для пристроїв при цьому становить 50 ватт: напруженість магнітного поля в кімнаті при такій потужності безпечна для людей, а електрична складова електромагнітних коливань затримується на системі конденсаторів по периметру кімнати. Експерименти показали, що обрана комбінація двох мод дозволяє вдало заповнити магнітним полем майже весь простір - пристрій, який потрібно зарядити або живити, можна розмістити майже скрізь, при цьому ефективність передачі енергії становить не менше 50 відсотків на 98 відсотках простору. Потрібно зауважити, що реальність виглядає поки не так ефектно. Наприклад, ефективність передачі енергії сильно залежить від орієнтації прийомної котушки пристрою. Тому зарядити телефон у такій кімнаті, просто кинувши його на полицю у випадковому положенні, може і не вийти.
Наступний крок - випробування технології в справжніх приміщеннях. Автори експериментують з переобладнанням кількох кімнат у кампусі Мічиганського університету, і роботи з переоснащення завершаться восени. Такі бездротові «зарядні кімнати» в майбутньому, крім подібної побутової техніки, можуть використовуватися і для більш серйозних додатків - зокрема, для харчування роботів, датчиків у бездротових сенсорних мережах або носимих медичних приладів.
Демонстрація кімнати для бездротової зарядки. T. Sasatani et al., Nat Electron (2021).