Zbiór energii RF

Dlaczego energia zainwestowana w promieniowanie RF nie może być w pełni zebrana? Jakie są na to główne czynniki? Czy istnieją obecnie jakieś znaczące badania, które w pełni opisują ten proces? Stoję na konkluzji: „Energia przemieszcza się z jednej formy do drugiej.”, Ale w tym przypadku dlaczego nie można jej zebrać w takiej ilości, aby wykorzystać ją do zasilania urządzeń o niskiej mocy lub przechowywać w znacznych ilościach w niektórych akumulatorach na później posługiwać się? Dlaczego w dzisiejszych czasach nie jest opłacalny i dlaczego nie jest wykorzystywany dzisiaj jak energia z wody, wiatru i innych źródeł energii?

Rozważ antenę, która przekształca całą energię elektryczną z oscylatora mocy na elektromagnetyczną transmisję radiową. Powiedzmy, że 1 wat jest podawany do anteny, a 1 wat to emitowana moc fal radiowych.

Ta moc jest wyrzucana w większości kierunków; tak jak żarówka emituje moc światła (praktycznie) we wszystkich kierunkach. Żarówka to nie tylko podobny przykład, to dokładnie ten sam przykład - emitowane światło jest falą elektromagnetyczną.

Teraz wyobraź sobie, że jesteś 1 metr od tej żarówki ze 100% sprawnym panelem słonecznym. Następnie wyobraź sobie, że budujesz kilka paneli słonecznych, które dokładnie i całkowicie osłaniają żarówkę. Połączysz panele słoneczne szeregowo i zobaczysz, ile mocy możesz pobrać. Cóż, w tym eksperymencie myślowym możesz faktycznie wydobyć 100% tej mocy.

Następnie stajesz w odległości 10 metrów i robisz to samo. Oczywiście potrzebujesz dużo więcej paneli słonecznych, ale zakładając, że emitowane światło całkowicie uderza w panele i nie ma wycieku światła poza nimi, otrzymasz 100% mocy.

Można to zrobić, ale przy dużym koszcie i niedogodnościach. Ale nie ma problemu z ostrym promieniem lasera i 100% wydajnym panelem słonecznym. Jeśli potrafisz wystarczająco skupić światło, możesz zebrać CAŁĄ energię, pamiętaj, że jest to tylko ćwiczenie myślowe, a panele słoneczne i lampy / lasery są dalekie od 100% wydajności.

Wracając do transmitowanej fali radiowej, możesz zbudować antenę paraboliczną i transmitować z wystarczająco wysoką częstotliwością, aby móc skupić większość mocy na antenie odbiorczej (inna antena). Odbywa się to w całym kraju przez wojskowych i telekomunikacyjnych, aby uzyskać dane z linii wzroku i komunikatory głosowe, które są „w dużej mierze” prywatne, ponieważ trudno jest „ukraść” to, co jest transmitowane, chyba że jesteś z bliska anteny i zbieranie małego płata energii.

Przez resztę wszystkich nadajników, które nadają, są one zwykle dipolami i rozpraszają swoją energię emitowaną we wszystkich kierunkach w co najmniej jednej płaszczyźnie. Dzięki temu stacje muzyczne można dość łatwo odbierać i to oczywiście jest celem.

Czy możesz łatwo zebrać tę energię? Niezbyt dobrze, ponieważ moc w dużej mierze leci w kosmos, a „słuchacze” otrzymują tylko niewielką część.

Antena każdego słuchacza jest w rzeczywistości siecią (tzn. Ma prawdziwy „obszar” pomimo swojego długiego cienkiego kształtu), który przechwytuje moc wysyłaną z tego nadajnika, a ilość, którą wychwytuje, jest zwykle w watach femto. Zwykle odbiornik RF (który może być zbyt ogólny) może pracować z około 10 mikro woltami otrzymanymi z anteny i, uśredniając na szerokiej próbce typów anten, napięcie to będzie miało impedancję źródła około 50 omów.

Uwolniona moc wynosi zatem 5 uV do kwadratu / 50 = 5 femto watów.

Oczywiście im bliżej nadajnika, tym większa moc, którą można wyzwolić, ale jeśli interesuje Cię tylko uzyskanie użytecznej mocy, użyj przewodów.

Jeśli wykonałeś matematykę na podstawie sumy energii, którą można zebrać w dowolnym punkcie na ziemi, nie znalazłbyś wielu miejsc, w których można zebrać więcej niż kilka mil watów.

Pozyskiwanie energii słonecznej i częstotliwości radiowej to w zasadzie obie formy tego samego - pozyskiwanie fali elektromagnetycznej.

Nawet kiedy stoimy przy routerze? Czytałem, że niektóre routery dają do 80 mW

Routery zwykle używają anten ćwierćfalowych i do gromadzenia energii można również użyć anteny ćwierćfalowej. Realistyczna odległość, którą można uzyskać z bliska, wynosi około lambda (1 długość fali), zanim zaczniesz powodować dziwne efekty obciążenia anteny. Jest to odległość około 0,1 metra, więc przy użyciu równania transmisji Friis przeliczonego na dB:

$log_{10}$$log_{10}$

Gdzie f jest w MHz, a d jest w kilometrach. To równanie mówi ci, ile dB straty mocy można się spodziewać w danej odległości przy danej częstotliwości nośnej.

Dla 2,45 GHz i 0,1 metra (0,0001 km) strata wynosi 32,45 + 67,6 - 80 = 20 dB.

Ale anteny tx i rx mają między sobą zysk około 4dB (ponieważ są półkierunkowe), a więc strata wynosi tylko około 16 dB.

80 mW staje się (teoretycznie) 12,7 mW na zewnątrz.

Jeśli uogólnimy nieco twoje pytanie, aby objąć nie tylko pozyskiwanie energii w.cz., ale ogólnie pozyskiwanie energii elektromagnetycznej, robimy to cały czas.

Słońce jest zasadniczo nadajnikiem elektromagnetycznym o mocy wyjściowej około 4 × 10 ²⁶ watów. Bardzo duża farma słoneczna ma (szczytową) moc wyjściową 6 × 10 ⁸ watów.

Mówiąc inaczej, jeśli miałeś 8 kilogramów złota i usunąłeś pojedynczy atom , jest to mniej więcej tyle samo energii co energia słoneczna.

To 287 000 $ złota i jesteś w stanie zebrać połowę jednej trylionowej centa .

Gdybyś wziął wszystkich ludzi na świecie, zbierałbyś wartości ludzkie do przycinania paznokci.

Powodem jest oczywiście to, że większość energii słonecznej nawet nie uderza w Ziemię.

Problem jest taki sam w przypadku pozyskiwania energii RF. Z całej energii RF transmitowanej przez wszystkie nadajniki na świecie, tylko niewielka jej część trafi w twoją antenę.

Powiązane: Słyszałem, że rolnicy z długimi ogrodzeniami z drutu biegnącymi równolegle do linii energetycznych mogą „ukraść” sprzężony prąd przemienny o częstotliwości 50/60 Hz. Nie jestem pewien, czy to prawda lub ile mocy byłoby dostępne, ale domyślam się niewielkiej ilości, ale wystarczająco, aby firmy energetyczne zauważyły ​​stratę i zaczęły jej szukać. Po wydaniu pieniędzy na zakup całego drutu na swój program lepiej byłoby kupić panel słoneczny, młyn wiatrowy lub wodny. W takim przypadku nikt nie oskarży cię o kradzież.

Może zamiast tego możesz spróbować zebrać energię grawitacji z opadającego deszczu itp.?

Robią to grupy badawcze: papier IEEE Jest ich jeszcze kilka, ale mam dość googlowania. Pamiętam jedną grupę artykułów, która przechwytywała bezprzewodową energię do zasilania mikrokontrolera. Niektóre MSP430 firmy TI mogą działać z bardzo niskimi mocami (uAmps) TI MSP430 App Note i używać do tego bardzo małego ogniwa słonecznego lub anteny.

Problem dotyczy fizyki i wydajności konwersji energii. Podsumowanie pracy nad częstotliwością znajduje się na następującym wykresie z [hemour2014towards] poniżej:

Krótka odpowiedź brzmi: musisz prowadzić urządzenie, aby przechwycić energię, i masz straty na całej planszy z powodu realiów produkcji, takich jak niedopasowanie urządzenia. Możesz znaleźć wszystko, czego potrzebujesz do kursu awaryjnego dotyczącego kwestii pozyskiwania energii RF, czytając:

@article{hemour2014towards,
title={Towards low-power high-efficiency RF and microwave energy harvesting},
author={Hemour, Simon and Zhao, Yangping and Lorenz, Carlos Henrique Petzl and Houssameddine, Dimitri and Gui, Yongsheng and Hu, Can-Ming and Wu, Ke},
journal={Microwave theory and techniques, IEEE transactions on},
volume={62},
number={4},
pages={965--976},
year={2014},
publisher={IEEE}
}

@article{hemour2014radio,
title={Radio-frequency rectifier for electromagnetic energy harvesting:    Development path and future outlook},
author={Hemour, Simon and Wu, Ke},
journal={Proceedings of the IEEE},
volume={102},
number={11},
pages={1667--1691},
year={2014},
publisher={IEEE}
}

Mógłbym zrobić dla ciebie wszystkie pochodne, ale po prostu przeczytaj te dwa dokumenty, ponieważ są one dostępne.

Zadawano mi kilka razy podobne pytania. Wygląda na to, że absolutnie nie ma wartości.

Wszystkie powyższe komentarze są prawdziwe. Dodałbym, że większość promieniowania RF wytwarzanego przez naszą technologię jest albo absorbowana przez ziemię, ściany, ludzkie ciała itp., Albo opuszcza kosmos. W pierwszym przypadku powoduje marginalne nagrzewanie niektórych obiektów. W drugim przypadku jest utracone na zawsze.

Jedynym wyjątkiem są systemy RF zaprojektowane specjalnie do przenoszenia mocy lub z myślą o tej funkcjonalności. Nie można ich jednak używać do nadawania lub komunikacji.

Widać wyraźną sprzeczność: nadawanie zakłada, że ​​energia RF swobodnie przepływa we wszystkich kierunkach. „Zbieranie energii RF” zakłada, że ​​jakiś system gromadzi całą tę energię, więc najnowszy jest tracony na nadawanie (lub komunikację, połączenia Wi-Fi itp.).