Сбор энергии РФ

Почему энергия, вложенная в радиочастотное излучение, не может быть собрана полностью? Каковы основные факторы, которые влияют на это? Есть ли какое-либо существенное исследование в настоящее время, которое полностью описывает этот процесс? Я стою на заключении: «Энергия перемещается из одной формы в другую», но в этом случае почему ее нельзя собрать в таком количестве, чтобы использовать ее для питания устройств с низким энергопотреблением или хранить ее в значительных количествах в некоторых батареях для дальнейшего использования? использовать? Почему это не выгодно в наши дни и почему не используется сегодня как энергия из воды, ветра и других источников энергии?

Рассмотрим антенну, которая преобразует всю электрическую энергию от силового генератора в электромагнитную радиопередачу. Скажем, 1 ватт подается на антенну, а 1 ватт - это излучаемая мощность радиоволны.

Эта сила рассеивается в большинстве направлений; так же, как лампочка излучает силу света (практически) во всех направлениях. Лампочка - это не просто подобный пример, это точно такой же пример - излучаемый свет - это электромагнитная волна.

Теперь представьте, что вы на расстоянии 1 метра от этой лампочки со 100% эффективной панелью солнечных батарей. Затем представьте, что вы построили несколько солнечных панелей, которые полностью и полностью окутывают лампочку. Вы подключаете солнечные батареи последовательно и видите, сколько энергии вы можете извлечь. Ну, для этого мысленного эксперимента вы действительно можете извлечь 100% этой силы.

Тогда вы стоите на расстоянии 10 метров и делаете то же самое. Очевидно, вам нужно гораздо больше солнечных панелей, но, предполагая, что излучаемый свет полностью попадает на панели и нет утечки света за пределы этих панелей, вы получите 100% мощности.

Так что это можно сделать, но с большими затратами и неудобствами. Но не слишком большая проблема с острым лазерным лучом карандаша и 100% эффективной панелью солнечных батарей. Если вы можете сфокусировать свет достаточно, вы сможете собрать ВСЕ энергию, помните, что это всего лишь упражнение на мысль, а солнечные панели и лампы / лазеры далеки от 100% эффективности.

Возвращаясь к переданной радиоволне, вы можете построить параболическую антенну и передавать на достаточно высокой частоте, чтобы иметь возможность сосредоточить большую часть мощности на приемной антенне (другая антенна). Это делается по всей стране военными и телекоммуникационными специалистами для получения данных и голосовых сообщений на линии прямой видимости, которые являются «в значительной степени» частными, поскольку трудно «украсть» прослушивание того, что передается, если вы не находитесь близко к антенны и поднимая небольшой боковой лепесток энергии.

Для остальной части всех передатчиков, вещающих, они обычно являются диполями и распространяют свою энергию, излучаемую во всех направлениях, по меньшей мере, в одной плоскости. Это позволяет легко подобрать музыкальные станции, и это, конечно, является целью.

Можете ли вы легко собрать эту энергию? Не очень хорошо, потому что сила в значительной степени улетает в космос, и «слушатели» получают лишь небольшую часть.

Антенна каждого слушателя фактически является сетью (то есть имеет реальную «область», несмотря на свою длинную тонкую форму), которая улавливает мощность, передаваемую от этого передатчика, и величина, которую он захватывает, обычно составляет фемтоватт. Как правило, радиочастотный приемник (с риском быть слишком общим) может работать с напряжением около 10 мкВ, полученным от антенны, и, в среднем по широкой выборке типов антенн, это напряжение будет иметь сопротивление источника около 50 Ом.

Таким образом, выделяемая мощность составляет 5 мкВ в квадрате / 50 = 5 фемто-ватт.

Очевидно, что чем ближе вы находитесь к передатчику, тем больше мощность, которая может быть выделена, но, если все, что вас интересует, это получение полезной мощности, используйте провода.

Если бы вы вычислили общую сумму энергии, которую можно собрать в любой точке земли, вы не найдете много мест, где можно получить более пары милли-ватт.

Сбор солнечной энергии и радиочастотной энергии - это, по сути, обе формы одного и того же - сбор электромагнитных волн.

Даже когда мы поддерживаем роутер? Я читал, что некоторые маршрутизаторы дают до 80 мВт

Маршрутизаторы обычно используют четвертьволновые антенны, и для сбора энергии вы также можете использовать четвертьволновую антенну. Реальное расстояние, которое вы можете приблизить, составляет около лямбды (1 длина волны), прежде чем вы начнете вызывать странные эффекты нагрузки на антенну. Это расстояние около 0,1 метра, поэтому, используя уравнение пропускания Фриса, преобразуемое в дБ:

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

Где f в МГц, а d в ​​километрах. Это уравнение говорит вам, сколько дБ потери мощности вы можете ожидать на данном расстоянии с данной несущей частотой.

Для 2,45 ГГц и 0,1 метра (0,0001 км) потери составляют 32,45 + 67,6 - 80 = 20 дБ.

Но антенны tx и rx имеют усиление около 4 дБ (потому что они являются полунаправленными), и поэтому потери составляют всего около 16 дБ.

Выход 80 мВт (теоретически) составляет 12,7 мВт.

Если мы немного обобщим ваш вопрос, чтобы охватить не только сбор радиочастотной энергии, но и сбор электромагнитной энергии в целом, мы будем делать это постоянно.

Солнце по сути является электромагнитным передатчиком с выходной мощностью примерно 4 × 10 ²⁶ Вт. Очень большая солнечная ферма имеет (пиковую) мощность 6 × 10 ⁸ Вт.

Для сравнения, если у вас было 8 килограммов золота и вы удалили один атом , это примерно та же доля, что и энергия, полученная от Солнца.

Это $ 287 000 золота, и вы можете собрать половину одной триллионной доли цента .

Если бы вы забрали всех людей в мире, вы бы заработали на человеческой ценности обрезки ногтей.

Причина, конечно, в том, что большая часть солнечной энергии даже не попадает на Землю.

Проблема почти такая же, как в случае сбора энергии в РФ. Из всей радиочастотной энергии, передаваемой всеми передатчиками в мире, только незначительная ее доля попадет на вашу антенну.

В связи с этим: я слышал, что фермеры с длинными проволочными изгородями, идущими параллельно линиям электропередач, могут «красть» соединенный переменный ток 50/60 Гц. Не уверен, правда ли это или сколько энергии будет доступно, но я предполагаю небольшое количество, но достаточно, чтобы энергетические компании заметили потерю и пошли искать ее. После того, как вы потратили деньги на покупку всего этого провода для вашей схемы, вы могли бы лучше купить солнечную батарею, ветряную или водяную мельницу. Никто не обвинит вас в краже у них в этом случае.

Может быть, вы могли бы попробовать собрать энергию гравитации от падающего дождя и т. Д. Вместо этого?

Есть исследовательские группы, которые делают это: IEEE Paper Есть еще несколько, но я устал от поиска в Google. Я помню одну статью \ группу, которая собирала беспроводную энергию для питания микроконтроллера. Некоторые из MSP430 от TI могут работать с очень низким энергопотреблением (uAmps) TI MSP430 App Note и использовать для работы либо очень маленький солнечный элемент, либо антенну.

Проблема связана с физикой и эффективностью преобразования энергии. Краткое описание работы над частотой приведено на следующем графике от [hemour2014towards] ниже:

Короткий ответ заключается в том, что вам нужно управлять устройством для сбора энергии, и у вас есть потери по всем направлениям из-за реалий производства, таких как несоответствие устройств. Вы можете найти все необходимое для ускоренного курса по вопросам сбора энергии в РФ, прочитав:

@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}
}

Я мог бы сделать все деривации для вас, но просто прочитайте эти два документа, как они доступны.

Мне задавали несколько раз похожие вопросы. Похоже, абсолютно не ценная идея.

Все вышеприведенные комментарии верны. Я бы добавил, что большая часть радиочастотного излучения, которое производит наша технология, либо поглощается землей, стенами, человеческими телами и т. Д., Либо уходит в космос. В первом случае это вызывает незначительный нагрев некоторых объектов. Во втором случае он потерян навсегда.

Единственным исключением являются радиочастотные системы, разработанные специально для передачи энергии или с учетом этой функциональности. Однако их нельзя использовать для вещания или связи.

Вы можете увидеть явное противоречие: вещание предполагает, что радиочастотная энергия течет во всех направлениях свободно. «Сбор РЧ-энергии» предполагает, что некоторая система собирает всю эту энергию, поэтому последние теряются для радиовещания (или связи, WiFi-подключений и т. Д.).