Энергия из радиочастотных систем

Содержание

Получение энергии от источников радиоволн

Электронные устройства постепенно внедряются в повседневную жизнь, и, конечно, им всем требуется энергия в той или иной форме для работы. К счастью, энергия окружает нас во многих формах. Энергия может быть преобразована из ветра, света, движущихся объектов, даже используя оставшуюся энергию высокочастотных радиопередач. Поскольку мир становится все более электронным по своей природе, становится все более целесообразным повторно использовать энергию, когда она доступна, например, в радиочастотных / микроволновых сигналах, для установления более эффективного общего использования энергии.

Сбор энергии, вероятно, наиболее известен в приложениях, которые используют солнечный свет в качестве источника энергии. Специально для устройств, которые требуют лишь небольшого количества энергии для работы, солнечный свет может быть преобразован в достаточное для работы постоянное напряжения с помощью относительно небольших солнечных батарей.

В малонаселенных районах часто можно увидеть, что крыши некоторых домов покрыты солнечными батареями, мощности которых вполне хватает, чтобы обеспечить дом электроэнергией, в некоторых случаях и продавать ее энергокомпаниям. Точно так же в областях, где открытые равнины обеспечивают воздействие относительно сильных ветров, например на Среднем Западе Соединенных Штатов, нет ничего необычного в том, чтобы увидеть ветряные турбины, которые могут превращать ветер в «почти бесплатные» источники электрической энергии.

На сегодняшний день солнечный свет, скорее всего, является наиболее популярным источником альтернативной энергии, который можно преобразовать в постоянное напряжение. Компании, такие как Analog Devices, Silicon Laboratories и Texas Instruments, предлагают обширные линейки беспроводных приемопередатчиков, генераторов и других высокочастотных компонентов для солнечных батарей. Кроме того, EnOcean разработала серию переключателей с автономным питанием, которые питаются от солнечных источников, а также многих микросхем, которые используют беспроводную связь на частотах ISM для выполнения управляющих функций в солнечной энергетике. Самым последним «поступлением» является датчик присутствия солнечной энергии для систем управления освещением Bluetooth, использующий Bluetooth Low Energy (BLE) для упрощения автоматизации зданий.

Не столь широко распространенным, но быстро растущим по популярности, является процесс сбора энергии от радиочастотных / сверхширокополосных сигналов, таких как радио- / телевизионные радиостанции и беспроводное оборудование. Сбор энергии таким способом позволяет заменить батареи в приложениях с низким энергопотреблением, таких как датчики систем интернет вещей (IoT) и метки радиочастотной идентификации (RFID). Повторное использование энергии может сократить эксплуатационные расходы и повысить эффективность существующих электронных систем и устройств.

Сбор энергии от радиочастотных / сверхширокополосных сигналов является четким процессом. Это может быть выполнено с помощью интегральных схем (ИС), содержащих основные компоненты, такие как радиоприемники и повышающие преобразователи, которые преобразуют энергию РЧ-сигнала от антенны в переменное или постоянное напряжение, а затем передают энергию на устройство хранения энергии, такое как аккумуляторная батарея или конденсатор. Простые конструкции антенны Vivaldi продемонстрировали отличные возможности в обеспечении сверхширокополосного (UWB) частотного покрытия (например, от 100 МГц до 6 ГГц) для поддержки многих радиочастотных ИС, собирающих энергию.

Преобразование энергии радиочастот

Коммерческие радиочастотные приемники энергии, такие как P210B Powerharvester от Powercast Corp., обеспечивают возможность преобразования РЧ-сигналов в постоянное напряжение. Это приемник, предназначенный для использования в нижней части промышленной, научной и медицинской (ISM) полосы (от 902 до 928 МГц).

С помощью антенны P2110B может обрабатывать входные радиочастотные уровни от -12 до +10 дБм, преобразовывать их в напряжение постоянного тока и сохранять энергию в конденсаторе для использования по мере необходимости. Низкая чувствительность позволяет эффективно собирать энергию даже на значительных расстояниях от источника радиочастот. Компактное устройство является примером доступной в настоящее время технологии сбора энергии радиочастот, которая позволяет управлять питанием небольших электронных устройств без батареи.

P2110B использует свой внутренний конденсатор как часть собственного контролируемого процесса преобразования энергии. Регулируемые уровни напряжения от сборщика энергии могут быть установлены от +2,0 В до +5,5 В постоянного тока при максимальном токе 50 мА. Выходное напряжение микросхемы отдает запасенную энергию, когда на конденсаторе достигнут высокий порог заряда. Когда энергия, запасенная в конденсаторе, падает до порога низкого напряжения, выходное напряжение от P2110B отключается. Как предполагает производитель, микропроцессор может использоваться со сборщиком энергии для оптимизации энергопотребления и повышения производительности подключенных электронных устройств, таких как датчики.

Учитывая ожидаемый быстрый рост беспроводных датчиков IoT и потребность в удаленных беспроводных датчиках в сотовых сетях 5G, сбор энергии, несомненно, будет принимать различные формы, в том числе от фотоэлектрических и термоэлектрических источников. Одним из таких примеров является ИС для сбора энергии из фотоэлектрических источников. AEM10940 от e-peas semiconductors, разработанная для использования с солнечными батареями, может подавать два независимых регулируемых напряжения, чтобы продлить срок службы батареи или даже устранить потребность в батарее в электронной системе управления стабилизацией точки максимальной мощности.

Совсем недавно эта же фирма разработала пару полупроводниковых устройств, модели AEM30940 и AEM40940, для извлечения энергии из радиочастотных источников. Оба оснащены встроенными повышающими преобразователями, которые заряжают батареи и конденсаторы и предназначены для извлечения энергии из сигналов ISM-диапазона с низким энергопотреблением. AEM30940 может работать с низкими уровнями входного радиосигнала: –18,2 дБм с 863 до 868 МГц и с 915 до 921 МГц, –14 дБм с 2110 до 2170 МГц и –9,5 дБм с 2,4 до 2,5 ГГц. Устройство поверхностного монтажа, имеет конфигурационные контакты для упрощения реализации различных режимов работы, а также корпусные контакты низкого и высокого напряжения для подачи полного диапазона напряжений от 50 мВ до 5 В.

AEM40940 извлекает мощность переменного тока из источников радиочастотного сигнала, создавая два независимо регулируемых выходных напряжения. Он включает в себя выпрямитель с низким энергопотреблением и повышающий преобразователь в пластиковом четырехплоскостном корпусе размером всего 5 × 5 мм. Он может использоваться на частотах ISM 868 МГц, 915 МГц и 2,45 ГГц и при уровнях входной мощности от -20 до +10 дБм. Радиочастотный сборщик энергии (или харвестер) обладает относительно высокой общей эффективностью (измеряемой от входного порта до выходного сигнала повышающего преобразователя) — обычно выше 20% для уровней входной мощности от -20 до 0 дБм на частотах 868 и 915 МГц и, как правило, выше 10% для входа на уровне мощности от -10 до +5 дБм при 2,45 ГГц.

Устройства сбора энергии в настоящее время доступны для многих различных источников энергии, включая солнечный свет, ветер, движение, температуру, даже для захвата электромагнитных волн от тепла тела пользователя. Возможности варьируются для каждого подхода к сбору, при этом солнечная энергия остается самой популярной и эффективной формой сбора энергии уже в окружающей среде. Но с распространением в мире устройств беспроводной связи и увеличением энергии радиочастотного / сверхширокополосного сигнала в большинстве населенных пунктов расширяются возможности использования технологии сбора энергии РЧ в качестве питания электронных устройств с низким энергопотреблением, таких как миллиарды датчиков IoT. Ожидается, что волна сборщиков энергии радиочастот покроет планету в ближайшие годы.

Радиочастотная (РЧ) энергия

18 декабря, 2017 Кардиология Нет комментариев

Радиочастотная (РЧ) энергия имеет широкий диапазон и зависит от сопротивления и диэлектрических свойств тканей. Радиочастотный ток – это ток с меняющейся полярностью при частоте от 30 кГц до 300 МГц. Все генераторы РЧ тока, используемые для аблации, работают в диапазоне 300 кГц — 1 МГц. Для аблации структур сердца применяют немодулированный ток, поскольку именно он приводит к образованию коагуляционного некроза.
Существует два варианта подачи электрической энергии: монополярный и биполярный. При монополярной аблации переменный ток проходит между дистальным концом «активного» электрода через ткани к «пассивному» электроду на поверхности грудной стенки. Обычно «пассивным» или референтным электродом служит пластина. Эксперименты показали, что позиция пластины незначительно влияет на размер воздействия, в то время как увеличение ее площади ведет к отклонению импеданса и приводит к увеличению энергии и перегреву электрода. В случае биполярной коагуляции ток проходит между двумя активными электродами в полостях сердца.

Читайте также:  Поставь соседа на запись

Ведущим механизмом коагуляции тканей под воздействие радиочастотного тока является превращение электрической энергии в тепловую. Если плотность тока высокая, а электропроводность низка, то это приводит к возбуждению ионов, которые начинают следовать изменениям направления переменного тока. Оба этих фактора имеют место в ткани окружающей «активный» электрод. Это возбуждение ионов ведет к образованию фрикционной теплоты так, что ткань прилегающая к электроду, а не сам электрод, является главным источником теплоты. Повышение температуры в миокардиальной ткани приводит к некоторым электрофизиологическим эффектам. На изолированных папиллярных мышцах свиных сердец было отмечено, что при температуре ткани 38-45°С в течение 1 минуты происходит повышение функции K-Na каналов клеток вплоть до критического уровня. Нагревание до 45-50°С ведет за собой инактивацию этих структур. Анормальный автоматизм клеток отмечен при повышение температуры свыше 45°С, повышенная возбудимость свыше 50°С. Биологическая смерть клеток зависит от двух факторов – времени воздействия и температуры. Обратимые клеточные изменения происходят при длительном нагревании даже при температуре ниже 45°С, в то время, как необратимая смерть клеток вероятно происходит между 52°С и 55°С. Денатурация внутреннего слоя протеинов мембран клеток играющего важнейшую роль в транспортных обменных процессах является важнейшим механизмом терминальной клеточной смерти. При температуре выше 100°С происходит испарение клеточной жидкости и повреждение клеточной мембраны миоцита, саркоплазматического ретикулума и митохондрий. Если температура превышает 140°С, может произойти карбонизация ткани. В этой связи с целью обеспечения более мягкой коагуляции тканей следует поддерживать температуру тканей на уровне ниже 100°С. Температуру ткани, находящейся в контакте с электродом, можно контролировать специальным катетером для аблации со встроенными в конец катетера термисторами или термопарами. Непосредственно разогревания электрода электрическим током не происходит вследствие его хорошей электропроводности.

Прогрессивное воздействие достигается благодаря созданным устройствам контроля температуры высокочастотной энергии (Haverkampf et al. 1991). Контроль температуры означает, что температура на конце катетера не только изменяется в течение процесса коагуляции, но и поддерживается на определенном уровне благодаря механизму обратной связи для подаваемой мощности. Такое устройство позволяет создавать ограниченное поражение с предсказуемой степенью in vitro и обеспечивает хороший контакт между электродом, вызывающим аблацию, и миокардом. Мониторинг температуры становится практически сложным при увеличении размера электрода или его геометрии. Так, например, для линейной аблации ФП и ТП используются удлиненные электроды, имеющие одну термопару, таким образом невозможно предсказать какой стороной происходит контакт поверхности электрода с эндокардом и температура краевой повехности может оказаться намного выше, чем тела электрода, где расположен термодатчик. Таким образом, температура в серединной точке остается недооцененной.

В некоторых экспериментальных исследованиях продемонстрирован трехмерный окончательный элементарный анализ влияния геометрии электрода, угла наклона контакта электрод-ткань и циркуляции окружающей крови на размер аблационного повреждения.

Длительность радиочастотной аблации так же является важным критерием, влияющим на трансмуральность воздействия. Наибольшее увеличение размера повреждения происходит в течение первых 30 секунд аблации, а затем наступает плато.
Некоторое усовершенствование аблации было достигнуто в результате использования электрода с охлаждением наконечника инфузией физиологического раствора. Такая конструкция позволяет использовать высокие цифры энергии воздействия, увеличивая размер повреждения, но избегая при этом высоких цифр импеданса. Эта концепция была подтверждена в экспериментах in vivo и in vitro. Охлаждение в течение аблации приводит к повышению температуры глубже поверхности эндокарда. Максимальная температура регистрируется на глубине 1 мм и более от поверхности эндокарда, таким образом даже выше, чем в области контакта электрода с поверхностью эндокарда. Катетеры для холодовой аблации могут быть закрытого типа, когда охлаждающий раствор циркулирует внутри системы и открытого типа, имеющие маленькие дырочки через которые происходит орошение электрода и жидкость вытекает наружу.

Таким образом, радиочастотная аблация является безопасной и эффективной методикой. В ходе проведения экспериментальных исследований не отмечено возникновения таких серьезных осложнений, как аритмии, расстройства гемодинамики, ишемия, тромбоз или эмболия. Наибольшую опасность представляет собой перегревание и последующее повреждение аблационного катетера и выпаривание ткани. С целью ограничения риска этих осложнений многие исследователи считают необходимым проводить измерение биофизических параметров (сила тока, напряжение, температура) на конце катетера.

Системы сбора энергии выходят на широкую дорогу

Эффективность и другие рабочие характеристики беспроводных датчиков постоянно повышаются, а вопросы обеспечения автономных устройств энергией выходят за рамки узкой ниши и проникают в повседневные приложения.

Энергия – солнечная, тепловая, пьезоэлектрическая или электромагнитная – окружает нас со всех сторон. «Собирая» хотя бы небольшую ее часть, инжиниринговые компании могут расширить внедрение сенсорных технологий, направленных на обеспечение всеобщего блага. Подобные сенсорные приложения включают различные носимые медицинские средства диагностики и наблюдения, авиационные и автомобильные функциональные мониторы, а также технические средства удаленного учета потребленного газа, тепловой и электрической энергии. Возможность извлечения энергии из разнообразных источников позволит улучшить медицинское обслуживание в районах с плохо развитой инфраструктурой, например, в сельской местности. Глобальное развитие данного направления электроники поддерживается все бóльшим числом технических средств – от специализированных интегральных микросхем, до активных и пассивных дискретных компонентов.

Примеры можно найти среди компонентов готовых отладочных модулей «Energy Harvesting Solution To Go» компаний Energy Micro, Linear Technology и Würth Elektronik. Два базовых компонента этих комплектов – плата сбора энергии и стартовый набор Giant Gecko. Оба элемента содержат пассивные компоненты от Würth Elektronik. Например, трансформаторы WE-EHPI, специально разработанные для устройств сбора энергии из окружающей среды, отличаются высокой эффективностью благодаря низкому активному сопротивлению обмоток и сердечнику, разработанному специально для жестких условий эксплуатации. Эффективное подавление электромагнитных помех реализуется с помощью SMD ферритовых фильтров у каждого вывода трансформатора.

Рисунок 1.Многоцелевая плата сбора энергии компании
Linear Technology.

Многоцелевая плата сбора энергии (Рисунок 1) выпускается с четырьмя преобразователями напряжения от Linear Technology, каждый из которых оптимизирован для различных источников энергии. Например, микросхема LTC3588 предназначена для источников переменного тока с напряжением до 20 В, таких как пьезоэлектрические и индуктивные электрогенераторы. В состав стартового набора Giant Gecko Starter Kit (Рисунок 2) входит микроконтроллер (МК) EFM32GG990F1024, в активном режиме потребляющий всего 200 мкA/MГц. Ядро ARM Cortex M3 этого МК работает на частоте до 48 МГц. МК имеет 1024 КБ Flash памяти, 128 КБ RAM, интерфейс USB, контроллер ЖКИ, а также сенсорный интерфейс LESENCE.

Рисунок 2.Стартовый набор EFM32 Giant Gecko Starter Kit.

Если посмотреть на различных подходы, реализованные в средствах извлечения энергии, станет понятно, что данный комплект содержит все необходимое для начала полноценной работы. В случае беспроводных приложений малого радиуса действия, например, в узлах датчиков, получающих энергию от внешних источников, используются дешевые микросхемы, выполняющие функции измерения, обработки сигналов, сбора данных и коммуникаций. Каждый узел таких систем снабжен маломощным беспроводным интерфейсом.

Рисунок 3.Базовая структура автономного беспроводного датчика. Выход первичного датчика, как правило, соединен с МК, который обрабатывает полученную информацию (т.е., данные о температуре, давлении, ускорении и т.д.).

Большинство автономных датчиков имеет структуру, подобную изображенной на Рисунке 3. Функции основных блоков заключаются в следующем:

  • датчик измеряет и собирает любое количество параметров окружающей среды, необходимых в конкретном приложении;
  • преобразователь конвертирует какой-либо вид энергии в электрическую;
  • модуль управления питанием стабилизирует, перенаправляет и запасает полученную энергию;
  • МК обрабатывает полученные от первичных датчиков сигналы и поддерживает связь с другими узлами системы через радиоканал;
  • приемник сигнала пробуждения принимает внешний запрос на вывод датчика из спящего режима.

Однако ключевой особенностью подобных систем является не просто то, как различные части соединены между собой. Устройства извлечения энергии предъявляют очень серьезные требования к каждому отдельному компоненту, в частности, по потребляемой мощности и эффективности. Так, для того, чтобы продлить срок службы источника энергии, МК и радиомодуль должны работать в режимах с минимальным потреблением всегда, когда это возможно. За последние годы производители МК и радиочастотных микросхем инвестировали большие средства в разработку и производство малопотребляющих приборов, которые могут использоваться в беспроводных сенсорных узлах малого радиуса действия с питанием от извлекаемой энергии. В качестве примера можно привести ВЧ модули и МК, способные работать при напряжении питания 1.8 В, что дает возможность достичь в беспроводном устройстве ультранизкого потребления мощности.

Необходимо также, чтобы микроконтроллер был способен быстро переходить из спящего режима в активный режим. Это уменьшает потребление тока между передачей и приемом информации, а значит, экономит запасы электроэнергии. Ключом к более экономичной архитектуре ВЧ устройств является требование снижения мощности при передаче и приеме пакетов данных. Системы сбора энергии также нуждаются в устойчивых протоколах передачи информации. Минимизация ошибок при пакетном обмене данными снижает время работы устройств в эфире, а значит, снижается ежедневно необходимая «порция» энергии, собранная преобразователем из окружающей среды.

Читайте также:  Урок 8 - библиотека шрифтов для дисплея st7783

Не меньшее значение имеют и вопросы, связанные со структурой сетей беспроводных датчиков. Например, большинство таких сетей работает в циклическом режиме, что бережет энергию и ограничивает пространство радиочастот, но порождает всплески потребляемого датчиками тока. Низкие уровни пиков потребления радио трансиверов снижают остроту проблемы разработки источников питания автономных датчиков.

Эти ограничения еще важнее для датчиков, питание которых полностью основано на сборе внешней энергии. Часто первичные преобразователи энергии имеют выходное сопротивление намного большее, чем аккумуляторы. Это означает, что микромощный узел управления питанием должен не только управлять распределением энергии между преобразователем и датчиком, но и конвертировать импеданс источника.

Независимо от методов и технологии построения систем сбора энергии, все решения подчинены главной цели – максимальному увеличению экономичности, чтобы передавать информацию как можно чаще. Однако каждая технология сбора имеет достаточно узкие пределы использования. Сегодня наиболее распространенными являются преобразователи солнечной энергии, так как работают с эффективностью от 25% до 50% на см 2 (Таблица 1). Следствием широкого распространения фотогальванических элементов будет постоянное снижение их цены в пересчете на см 2 .

Энергия из радиочастотных систем

Войти

ИТЭР: Радиочастотный нагрев плазмы, часть первая.

В одной из предыдущих статей я рассказывал про инжектор нейтрального луча – систему нагрева плазмы пучком нейтральных атомов, разогнанных до 1 МэВ. Эта система отвечает за 33 мегаватта греющей мощности ИТЭР из общей возможности в 73. Еще 40 мегаватт поровну разделено между двумя радиочастотными подсистемами, работающих соотвественно на частоте ионного циклотронного резонанса (ИЦР) и электронного циклотронного резонанса (ЕЦР). Называются они соотвественно ICRH и ECRH (radiofrequency heating). По принципу действия они весьма близки к микроволновке, только та работает на частоте резонансного поглощения вращательных мод молекул воды, а тут речь идет о резонансе с вращением ионов и электронов в магнитном поле токамака.

Для ИТЭР эти частоты (зависящие от величины магнитного поля) получаются 40-55 мегагерц для ICRH и 170 гигагерц для ECRH. Не смотря на разницу частот аж в 4 порядка системы эти довольно схожи – мощные радиоламповые генераторы, высоковольтные источники питания, внешне одинаковые линии передачи мощности и похожие антенны ввода излучения в плазму. Тем не менее есть интересные особенности в реализации.

Рис. 1. Расположение системы ICRH: голубое – генераторы, зеленое – линии передачи, синее – антенны.

Итак, система ICRH мощностью 20 мегаватт, из открыто известных систем будет рекордным источником радиочастотной мощности в своем диапазоне. Система модульная, набранная из 8 + 1 генерирующих модулей по 2.5 мегаватта (1 запасной). Каждый модуль размером примерно с 20 футовый контейнер. В одном таком модуле распологаются две цепочки генератора, согласующие элементы, комбайнер, складывающий радиочастотное излучение ну и оборудование в кубиклах – задающий генератор, управление, защиты, кое-какие вторичные источники питания.

Рис. 2. Модуль генератора.

Ключевым генерирующим элементом является радиолампа – диакрод TH628 производства Thales мощностью от 1.25 до 2 мегаватт в нагрузке в зависимости от КСВ (поскольку нагрузка более чем капризная, ожидается КСВ в диапазоне от 2,5 до 4 после 3(!) ступеней согласования).

Для понимания, что за зверюга эта лампа – назову несколько параметров: ток накала 960 А при напряжении 30 вольт, анодное напряжение 30 киловольт, мощность в систему охлаждение 1.8 мегаватта.

Так, как это тетрод, и его усиление относительно невелико (14db), то предвыходной каскад – тоже довольно рекордная лампа мощностью до 125 киловатт, а всего цепочка усиления – это 3 ламповых и 4 транзисторных каскада. Интересно, что для управления согласованием каскадов используются резонансные полости, форма которых меняется электродвигателями, всего в каждой генерирующей цепочке таких электродвигателей 18, а время настройки генератора по согласованию – 3 минуты жужжания серводвигателями, что весьма необычно 🙂

Что еще более необычно – генераторы будут создаваться, испытываться и инсталлироваться на площадке ITER индийской стороной, хотя, подозреваю, что доля съевших на таких системах не одну собаку европейцев в индийской разработке будет весьма высока 🙂

Для питания радиогенераторов нужны специализированные высоковольтные источники питания. Кроме того, что они высоковольтные и мощные, они должны обладать двумя свойствами – уметь быстро изменять напряжение питания на лампах (амплитудная модуляция мощности поможет управлять плазмой) и уметь еще быстрее отключатся в случае КЗ в системе. Вообще последний пункт можно найти в любых мощных источниках питания в ИТЭР – стандартное требование – это отключение за 10 мкс и остаточное энерговыделение не больше 10 джоулей.

Рис. 4. Идея работы PSM

Наиболее совершенная используемая схема в таких случаях – pulse step modulation. В этом случае от единого трансформатора делается десяток-другой не очень высоковольтных отводов, на каждый из которых вешается AC/DC блок питания, напряжением 1 киловольт и полным током системы (например 100 ампер). В каждом таком блоке имеется ключ, которым можно замкнуть накоротко выводы. Эти блоки объединяются последовательно по напряжению, и соотвественно могут либо поднимать общее напряжение на 1 киловольт, либо в выключенном состоянии и с замкнутым выходом отключатся от системы. Этот прием позволяет очень быстро модулировать выходное напряжение. Выглядят такие блоки питания вот так:

рис 5. PSM источник Ampegon

Естественно, кроме основного 4 мегаваттного БП в системе нужно много относительно небольших источников питания для управляющих и экранных сеток ламп, накальные источники тока, питание для полупроводников и т.п.

После того, как мы превратили полезное электричество в бесполезные радиоволны, необходимо их собрать от генераторов, и передать на антенны, либо на эквиаленты нагрузки. Радиомощность передается по коаксиальным проводникам, диаметром 300 мм. Эти коаксиальные линии способны передавать до 6 мегаватт мощности, а изолирующей средой работает азот под давлением 3 атмосферы. При работе на мощности разность потенциалов будет достигать 40 киловольт, опять же рекордная величина для коаксиальных линий. Для такой линии приходится разрабатывать и соотвествующие элементы – разветвители, разъемы, выключатели и т.п. Всей темой линий передачи занимается ITER USA.

Рис. 6. Элементы “коаксиального кабеля”

После генерации и маршрутизации излучения важной задачей является согласование импеданса между коаксиальной линией и плазмой, при этом характеристики нагрузки сильно меняются как сами по себе так и в результате работы системы ICRH. Для непрерывного согласования используются коаксиальные трансформаторы со скользящими звеньями, которые непрерывно подстраивают импеданс под изменение ситуации.

Рис. 7. То, чего вы никогда не увидите в антенном кабеле своего ТВ.

Рис. 8. Антенна ICRH мощностью 10 мегаватт.

Согласующие трансформаторы, вакуумно-газовые переходы, сама антенна, защита ее от излучения и дугового разряда в результате выпрямления РЧ излучения плазмой, расчет электромагнитных сил от плазмы, работа всего этого хозяйства при температуре до 250 градусов – это тема многолетней исследовательской работы европейского агенства ITER.

Рис. 9. Исследовательский стенд французкого атомного агенства

Рис. 10. Инженерная модель антенны.

Очередной случай, когда “попил народных денег” позволяет создавать продукты, нужные для военных и гражданских, улучшать расчетные методики, лучше понимать пределы инженерии радиочастотных систем высокой мощности.

Рис. 11. Расчет взаимодействия РЧ-излучения с плазмой.

Во второй части этой статьи мы сравним “гудящую канализацию” низкочастотной ICRH с “лазерным мечом” 170 гигаггерцовой ECRH.

Один из лучших источников альтернативной энергии – электромагнитные волны

В этой статье мы рассмотрим, как можно преобразовать эти самые радиоволны в электроток. Если собрать таких установок много, можно будет заряжать аккумуляторы или использовать свободную энергию для любых других своих целей.

Материалы и инструменты для самоделки:
– печатная плата;
– медный провод 10-18;
– керамические и электролитические конденсаторы;
– диоды;
– материалы для изготовления антенны (медный провод);
– паяльник;
– мультиметр;
– желательно осциллограф.







Процесс изготовления самоделки:

Шаг первый. Основа самоделки
Интересен тот факт, что кристаллические приемники, которые известны нам еще с 30-ых годов, могут работать вообще без входного напряжения. Они издают звук только за счет той энергии, которая образуется из сигнала, хоть звук там и очень слабый, но это показатель.



Благодаря современным технологиям сигнал можно значительно усилить, здесь в помощь вступают германиевые диоды, которые имеют очень качественные кристаллы. Благодаря ним можно принимать широкий спектр частот, а не подстраиваться только под одну частоту, а ведь все это энергия.

Читайте также:  Защита электрооборудования от токов утечки

Шаг второй. Создаем схему
Схема устройства довольно простая, она здесь создана исключительно для того, чтобы подтвердить эксперимент. Схема состоит из антенны, она принимает сигнал, который потом поступает на два керамических конденсатора, подключенных параллельно. В результате этого сигнал уже преобразуется в ток с разными потенциалами, то есть с положительным и отрицательным выходом.











Далее к этим двум конденсаторам подключаются диоды, они будут нужны для того, чтобы превратить переменный ток в постоянный. Ну а теперь с помощью этого самого в какой-то мере «постоянного» электротока можно заряжать электролитические конденсаторы. Сперва всю схемку можно просто соединить проводами, а потом спаять на монтажной плате.

Шаг третий. Проверка и оптимизация работы
Для тестирования устройства автор использовал осциллограф и мультиметр. Сразу после подключения мультиметра можно увидеть волнообразное напряжение в районе 10-100 мВ. Если этого не наблюдается, нужно проверить качество соединения и выйти на открытую местность.
Чтобы досконально увидеть, как все работает, нужен будет осциллограф.








Для оптимизации входного сопротивления можно применять все те же керамические конденсаторы, которые подключаются параллельно имеющимся.
Что касается емкости, то ее при необходимости можно также увеличивать путем установки дополнительных электролитических конденсаторов.
Для оптимизации антенны понадобится медный провод, с помощью него можно удлинить имеющуюся покупную антенну, подняв ее тем самым максимально высоко.

Если нужно увеличить ток, то таких устройств нужно создать несколько и подключить параллельно. А если нужно высокое напряжение, то самоделки подключаются последовательно. В общем, совершенству нет предела.

Шаг четвертый. Корпус и антенна
Антенна может быть любой, мощной или слабой, миниатюрной или же большой фиксированной. В любом случае она подключается так, как указано на схеме. Входной сигнал будет идти на металлически корпус, то есть заземляться.
Собирает все автор аккуратно в пластиковом корпусе. Нужно сделать отверстие под антенну, а также выходя для клемм, к которым можно подключаться для тестирования самоделки.

Завершающий этап. Тестирование самоделки
Теперь кристаллический приемник-генератор полностью готов и его можно тестировать. Автор сделал портативную версию приемника, чтобы просто показать, как это работает и работает в принципе. По такой методе можно создать более мощную установку или несколько, получая при этом неплохое количество энергии для бытовых нужд.

Беспроводная передача солнечной энергии из космоса – новости – Новости – 2020

Энергия Солнца (Июнь 2020).

Беспроводная передача энергии солнечной энергии из космоса

Солнечная энергия из космоса является следующей границей сбора энергии. Но как мы получаем энергию из космоса обратно на Землю »// www.allaboutcircuits.com/news/an-introduction-to-harvesting-solar-energy-from-space/” target = “_ blank”> предыдущая статья, Я объяснил концепцию сбора солнечной энергии из космоса с помощью SSPS (Space Solar Power System). Одной из основных проблем, связанных с этой технологией, является способность переносить собранную энергию на Землю.

В этой статье мы рассмотрим два основных жизнеспособных метода передачи энергии космос-Земля: лазеров и микроволн. Мы также кратко обсудим гибридный подход, сочетающий лазерную и микроволновую передачу.

Безопасность беспроводной передачи энергии

В предлагаемых конструкциях лазерные лучи будут работать на защищенных от кожи и глаз длинах волн с интенсивностью, сравнимой с нормальным воздействием солнца, а интенсивность микроволнового излучения будет примерно на одну шестую от интенсивности солнечного света в полдень. Работа на этих уровнях гарантирует, что любой режим передачи будет безопасным для людей, животных и растений.

Космическая солнечная энергия

Системы лазерного луча и СВЧ-системы в настоящее время являются наиболее перспективными технологиями для беспроводной передачи мощности на большом расстоянии от спутника на орбите до поверхности Земли. Эти два метода отличаются по размеру, режиму работы, эффективности и стоимости.

Беспроводная силовая передача с лазерным лучом

В технике беспроводной передачи лазерного луча лазерный луч посылает концентрированный свет на приемник фотоэлектрических элементов через вакуум пространства и атмосферы. Приемник преобразует энергию обратно в электричество через эти шаги:

  1. Мощность постоянного тока, собранная в пространстве, используется для генерации одиночного светового (монохроматического) светового пучка.
  2. Набор оптики формирует лазерный луч в соответствии с требуемым размером луча.
  3. Система управления гарантирует, что лазер направлен на предполагаемый участок приемника на Земле.

Режим работы фотоэлектрического приемника аналогичен режиму сбора солнечной энергии, при котором солнечный свет, падающий на солнечные батареи, вырабатывает электричество. Однако этот метод использует высокоинтенсивные лазерные лучи на специализированных фотогальванических элементах и ​​обеспечивает более высокую эффективность, чем то, что в настоящее время возможно с солнечными батареями. Зеркала и телескопы могут использоваться для прицеливания лазерного луча на любой приемник непосредственно под спутником с беспрепятственным каналом передачи прямой видимости.

Преимущества лазерной передачи лучей

  • Не мешает телевидению, радио, Wi-Fi, мобильному телефону и другим коммуникационным сигналам
  • Требуется меньшее передающее и приемное оборудование по сравнению с СВЧ-передачей. (Например, установка 1GW потребует около передающей оптики диаметром 1 метр и наземного приемника длиной в несколько сотен метров).

Недостатки передачи мощности лазерного луча

  • Страдает от атмосферных потерь из-за факторов окружающей среды, таких как дождь и облака, и, следовательно, не может обеспечить непрерывную мощность
  • Обладает низкой эффективностью преобразования
  • Может потребоваться огромная система хранения аккумуляторов на земле
  • Несет риск повреждения кожи и глаз, если плохо управляется

Микроволновая беспроводная передача энергии

Микроволновая система передачи энергии состоит из источника радиочастотной энергии, передающей антенны, среды передачи или канала и выпрямляющей антенны, обычно называемой rectenna. Процесс передачи включает:

  1. Преобразование мощности постоянного тока из солнечных элементов в микроволновую (RF) энергию
  2. Генерация и концентрация СВЧ-лучей, которые могут быть направлены на фиксированные местоположения, соответствующие приемникам на поверхности Земли
  3. Сбор радиочастотной энергии и преобразование в электричество на приемной станции

Изображение возможной космической солнечной энергетической системы. Изображение предоставлено блоком Национального космического общества.

Солнечные батареи, подключенные к типичному спутнику, генерирующему 1, 6 ГВт в пространстве, и в среднем 1 ГВт на Земле, будут измерять около 5-6 квадратных километров и использовать передающую антенную решетку диаметром около 1 км. Большая матрица передатчика гарантирует, что передаваемый луч будет иметь низкую дивергенцию, а более низкая расходимость пучка означает, что радиочастотная энергия будет более пространственно сконцентрирована, когда она достигнет поверхности Земли.

Прямоугольник состоит из массива дипольных антенн с быстродействующими диодами на дипольных элементах. Микроволновая энергия индуцирует переменный ток в антеннах. Затем он выпрямляется диодами для создания постоянного напряжения, которое может включать в себя устройства постоянного тока или преобразоваться в переменный ток с помощью инвертора. Диоды Шоттки предпочтительнее из-за низкого падения напряжения в прямом направлении, что уменьшает рассеивание мощности и быстрые скорости переключения.

Одна из наиболее эффективных частот для СВЧ-лучей составляет 2, 45 ГГц. Эта частота расположена в диапазоне ISM, позволяет использовать недорогие силовые компоненты и не испытывает значительного затухания от газов или влаги в атмосфере.

В приведенной ниже таблице перечислены различные детали для четырех различных систем солнечной энергии:

Важные характеристики четырех космических систем солнечной энергии.

Преимущества микроволновой беспроводной передачи энергии

  • Преимущества высокотехнологичной микроволновой технологии, способной достигать эффективности до 85%
  • Достигает более низкого атмосферного затухания

Недостатки микроволновой беспроводной передачи энергии

  • Требуется управление потерянной энергией при конверсии DC в микроволны
  • Может вызвать радиопомехи
  • Требуется большое передающее и приемное оборудование

Гибридная беспроводная система беспроводной связи с лазерной и микроволновой передачей

Каждый из двух беспроводных методов передачи энергии, основанных на микроволновой и лазерной системах, имеет свои преимущества и недостатки. Стремясь разработать оптимальную систему, некоторые исследователи считают гибридный подход.

В такой системе лазер передавал бы мощность от солнечной батареи на орбитальную базовую станцию ​​(платформу фотогальванической решетки). Базовая станция преобразует энергию от лазера в электричество, а затем в микроволновое излучение, которое передается на приемную станцию ​​на Земле. Таким образом, лазерный луч используется там, где он не испытывает значительного затухания из атмосферы, тогда передача переходит в микроволновое излучение, которое гораздо меньше подвержено атмосферному затуханию.

Вывод

Японское агентство аэрокосмических исследований надеется создать коммерческую космическую систему солнечной энергии в течение 25 лет. Только время покажет, является ли это достижимой целью. Технологические и экономические проблемы, стоящие перед космической солнечной энергией, далеко не тривиальны, и все три предложенных метода потребуют много исследований и испытаний, прежде чем станут возможными решениями для крупномасштабной энергетики. Но история показывает, что люди могут совершать удивительные вещи, когда присутствует достаточная мотивация.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector