محول WiFi إلى الطاقة غير قابل للاستخدام ، ولكن مع ذلك قد يكون مصدرًا للطاقة في المستقبل
لقد تحولت قليلاً إلى كفاءة الطاقة. أشعر بالإحباط من حقيقة أن الحمقى الذين بنوا منزلي لم يستخدموا أحدث المعلومات المتاحة في وقت البناء - لأن بيتي حينها لن يكون بحاجة إلى التدفئة. وأحد الأشياء الأكثر إثارة للاهتمام بالنسبة لي هو احتمال إعادة استخدام الطاقة المحررة. تعجبني فكرة جمع الطاقة ، والتي بخلاف ذلك محكوم عليها بالتبدد في البيئة ، وتحويلها إلى شيء مفيد.
لذلك ، لم يستطعني استخدام طاقة الميكروويف. لسوء الحظ ، من غير المحتمل أن يعطينا جمع إشعاع WiFi أي شيء مفيد. ولكن أولاً ، دعنا نلقي نظرة على الأفكار المثيرة للاهتمام جدًا وراء هذا الجهاز.
توقف الانعكاسات
الفكرة الأساسية لتجميع إشعاع WiFi قديمة جدًا: تحتاج فقط إلى إنشاء دائرة تمتص كل طاقة الميكروويف. خذ مثالًا مصطنعًا: تخيل نبضة ميكروويف تسافر عبر قطعة من الكابل المحوري. يتكون الكبل المحوري من سلك موصل مركزي محاط بأسطوانة عازلة غير موصلة ، وكل هذا ملفوف في موصل. لا تنتقل طاقة الميكروويف عبر السلك المركزي. يقع في المجالات الكهربائية والمغناطيسية في عازل. ينتشرون عبر الكبل مثل الموجات ، بسرعة تعتمد ، على وجه الخصوص ، على خصائص العازل.
عندما تصل الموجة إلى نهاية الكبل ، يكون لديها مشكلة. مباشرة على الحدود بين الهواء والعزل الكهربائي ، تحتاج إلى التبديل على الفور من سرعة إلى أخرى. إذا تم نقل كل طاقة الموجات الدقيقة من نهاية الكبل ، فسيكون للمجال الكهربائي في نفس المكان قيمتين مختلفتين ، لكن هذا لا يحدث. لذلك ، تنعكس الموجة من النهاية وتعود عبر كابل (في هذه العملية ، ربما تدمر جهاز الإرسال).
إذا كنا لا نريد أن تنعكس الطاقة ، فنحن بحاجة إلى الحد من الكبل بحيث من وجهة نظر الموجات الدقيقة ، يبدو الكبل وكأنه يمتد إلى ما لا نهاية. يسمى هذا المفهوم "المطابقة" ، وهو حجر الزاوية في تطوير إلكترونيات الميكروويف ، والبصريات ، ومن حيث المبدأ في الفيزياء والهندسة.
في حالة الكبل المحوري ، يتم اختيار العازل الكهربائي عادةً بحيث يتطابق المقاوم 50 أوم مع خصائص الكبل. لذا ، إذا قمت بوضع مقاوم 50 أوم بين الغلاف الخارجي الموصّل والكابل المركزي ، فسيتم امتصاص كل طاقة الميكروويف بواسطة المقاوم.
بالنسبة للكبل المحوري أو أي خط نقل بشكل عام ، فإن تطوير الدوائر الكهربائية التي تتوافق مع خصائص الخط هي مهمة بسيطة. يحتوي الهوائي الموجود في هاتفك المحمول على مثل هذا المخطط: يجب أن يتطابق الهوائي والدائرة الطرفية مع بعضهما البعض ويتطابقان مع خصائص الانتشار في الفضاء قدر الإمكان. المحاذاة الجيدة تعني قدرة هوائي صغير على امتصاص الكثير من الإشعاع.
فقدان واي فاي
قيود WiFi هي نفسها التي تفرضها أجهزة الاستقبال. لكن طاقتها لا تذهب فقط إلى هوائي الاستقبال ، بل تنتشر على نطاق أوسع. هذا يعني أن معظمها يختفي. إذا وضعنا الهوائيات الصحيحة على كامل المنطقة ، فيمكننا استعادة بعض هذه الطاقة. ولكن اتضح أن هذه مهمة صعبة إلى حد ما.
أولاً ، يجب بناء مثل هذه أجهزة الاستقبال في جدران المنزل أو الشقة. هذا يعني أنه ، على عكس الهوائيات على الأجهزة ، لا يمكن ضبطها للاستقبال الأمثل. تأتي إشارات WiFi من جميع الاتجاهات ، ويمكن أن يكون هناك أي استقطاب (الاتجاه المكاني للمجال الكهربائي بالنسبة لاتجاه انتشار الموجة). تعتبر الهوائيات حساسة لكل من الاتجاه والاستقطاب.
ثم ، يتم تلطيخ الطاقة إلى حد كبير. بالقرب من المصدر ، ينبعث حوالي 10 ميغاواط من الطاقة. ولكن إذا تحركت مسافة 10 أمتار ، فإن الطاقة التي تمر عبر جسمك ستنخفض إلى 10-20 μW. تتراكم الخسائر. المسافة مشكلة ، وإذا كان الهوائي مضبوطًا على استقطاب واحد فقط ، فستفقد نصف الطاقة بالفعل. أضف جميع الخسائر في دائرة تجمع الطاقة وتحولها إلى تيار مباشر. بدأ كل شيء يبدو معقدًا للغاية.
بناء الهوائيات الفوقية
للتحايل على مثل هذه المشاكل ، اقترح ثلاثة باحثين شبكة هوائي تحاول تقليل هذه الخسائر.
تحتاج أولاً إلى التخلص من الاعتماد على الاستقطاب. لقد اقتربوا من هذا عن طريق تطوير هوائي مسطح يستجيب على النحو الأمثل للاستقطاب الرأسي والأفقي للموجات الدقيقة. على الرغم من أن الهوائيات تستجيب لكلا الاستقطابين ، فإن الموقع المادي للسلك الذي يربط الهوائي ببقية الدائرة يحدد الاستقطاب الذي يولد الطاقة. الهوائيات ذات الأسلاك على الجانب حساسة للضوء المستقطب أفقياً ، والهوائيات ذات الأسلاك في الأعلى حساسة للضوء المستقطب رأسياً [
يقول المؤلف ضوء - ضوء. ربما كان مخطئًا وكان يعني مجرد موجات راديو / تقريبًا. perev. ].
سأوضح أن الأسلاك المتصلة يمكن اعتبارها أيضًا هوائيات يعيد بها هوائي الاستقبال المسطح إشعاع الطاقة المستقبلة.
لإنشاء جهاز لجمع الطاقة على هذا المبدأ ، أنشأ الباحثون مجموعة من الهوائيات. تم ضبط الأعمدة الفردية للهوائيات لاستقبال الضوء المستقطب رأسياً ، والأعمدة الزوجية أفقياً.
قد يبدو لك أن كل هذا غبي ، لأنه مع كل استقطاب تفقد نصف الطاقة. ليس في هذه الحالة. جميع الهوائيات تتواصل مع بعضها البعض. لا يزال عمود الهوائيات ذات الأسلاك في الأعلى يقبل كلا الاستقطابين. يتم إرسال الموجات الدقيقة المستقطبة رأسياً إلى الأسلاك الموجودة أعلى كل هوائي. ترسل الموجات الدقيقة المستقطبة أفقياً إلى الهوائيات في أعمدة مجاورة ، حيث تدخل الأسلاك الموجودة على جانب كل هوائي. مع الدوائر الصحيحة ، يمكن نقل كل الطاقة إلى دائرة المحول.
لذلك يبدو الهوائي كشبكة من الألواح المعدنية الموجودة على مادة لا توصل التيار. وكما هو الحال في مثال الكبل المحوري لدينا ، يتم تخزين الطاقة التي يجمعها الهوائي في الحقول في العازل الكهربائي. هذا يعني أننا بحاجة إلى عازل يمتص الحد الأدنى من الطاقة. غالبًا ما يشار إلى كمية الطاقة التي يمتصها العازل باسم ظل الخسارة. قام الباحثون بتفتيش والعثور على المواد ذات المماس الضائع بحوالي 100 مرة أقل من تلك المستخدمة بشكل شائع في لوحات الدوائر المطبوعة.
الابتعاد عن واقع نموذجي
في النماذج ، بالطبع ، يمتص صفيف الهوائي 100٪ من طاقة إشعاع WiFi (بشكل أدق ، 2.4 جيجا هرتز WiFi). ولكن كيف يعمل هذا عمليًا؟ كل شيء معقد قليلاً هنا. إذا قمت بقياس الطاقة القادمة إلى أسلاك التوصيل مباشرة ، يمكنك الحصول على حوالي 97 ٪ من ناقل الحركة ، وهو أمر رائع في الأساس.
لكننا نريد استخدام هذه الطاقة ، وهنا كل شيء يفسد. إذا قمت بتوصيل الأسلاك مباشرة بمقاومة الحمل (وقمت بتحويل طاقة WiFi إلى حرارة) ، فإن كل شيء يعمل بشكل جيد ويتم امتصاص 92 ٪ من الإشعاع بواسطة المقاومة. يحدث فقدان بنسبة 5 ٪ بسبب الامتصاص في العازل أثناء نقل الطاقة إلى المقاومات.
تبدأ الخسائر الحقيقية عندما يتم تحويل الموجات الدقيقة إلى إشارات DC كهربائية قابلة للاستخدام. حتى في النماذج ، لا يتضح أكثر من 80 ٪. في التجارب ، تمكن الباحثون من تحقيق النتيجة بنسبة 70٪. أوافق على 70٪ ولكن ليس هذه المرة. المشكلة هي أنه يتم الحصول على كفاءة 70 ٪ فقط مع قوة عالية بما فيه الكفاية للإشارة الأولية. اختبر الباحثون هذه الإشارة باستخدام الطاقات (وهذه هي الطاقة الإجمالية التي تدخل صفيف الهوائي ، وليس تلك التي تم إصدارها في الأصل) من 1 إلى 10 ميجاوات. في حالة 1 ميغاواط ، كانت كفاءة التحويل 30٪. يشير الاعتماد الخطي (على مقياس لوغاريتمي) إلى أنه إذا كان في العالم الواقعي جهاز إرسال بسعة 100 ميجاوات يقع على بعد 10 أمتار من الهوائي ، فسيستقبل الهوائي طاقة بترتيب الميكرووات. وهذا يتوافق مع كفاءة التحويل بنسبة 5 ٪ ، وهي ليست جيدة جدًا.
يقول الباحثون أن المشكلة تكمن في شبكة تحويل الطاقة. عندما يتم نقل طاقة الموجات الدقيقة إلى حيث يتم تحويلها إلى التيار المباشر ، تحدث خسائر. تحدث خسائر أكبر على الثنائيات. تسمح الثنائيات للتيار بالتدفق في اتجاه واحد ، لذلك يمكن لشبكة من الثنائيات أن تتأرجح مجال ميكروويف متذبذب ، حيث يتغير الجهد من سالب إلى موجب كل بضعة نانو ثانية ، وينتج جهدًا إيجابيًا.
لكن الثنائيات ليست مثالية - فهي تحتاج إلى وقت للتبديل ، فهي تحتاج إلى الجهد المطبق للوصول إلى قيمة معينة قبل أن تسمح للتيار بالتدفق. ونتيجة لذلك ، لا يتم تحويل جزء كبير من طاقة الموجات الدقيقة ، ولكنه يفقد في شكل حرارة ، لأنه لا يصل إلى المستوى المطلوب.
أنا متأكد من أن مشكلة تشغيل الثنائيات مشكلة أساسية ، وعلى الرغم من أنه يمكن تقليل هذه الخسائر قليلاً ، إلا أنني لا أعتقد أنه في المستقبل القريب سنكون قادرين على إصدار نظام من الثنائيات أكثر كفاءة. من ناحية أخرى ، أعتقد أن المؤلفين يمكن أن يوضحوا أن هذا ليس مهمًا في الواقع. بمجرد توصيل جميع الهوائيات ببعضها البعض ، يمكن زيادة صفيفها ، وستصبح الكمية الإجمالية من الطاقة المستلمة كبيرة بما يكفي لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة.
لكنني لست متأكدًا مما إذا كان هذا سيعمل. على مسافة 10 أمتار ، يجب أن يغطي صفيف الهوائي جدار الغرفة بالكامل. لسوء الحظ ، ثم تدخل مشاكل أخرى حيز التنفيذ. في الوقت الحالي ، يكلفنا نقل الطاقة من الهوائيات الفردية إلى الثنائيات حوالي 5٪ من إجمالي الطاقة. لكن الخسائر تتسع مع المسافة. في العالم الحقيقي ، حيث تمتد الهوائيات عبر الجدار ، تزداد المسافات بنحو 40 مرة.
ونتيجة لذلك ، تبين أن دائرة الهوائي باردة. ميزتها هي أنها تعمل بغض النظر عن الاتجاه فيما يتعلق بجهاز إرسال WiFi والتداخل. ولكن يجب أن يكون الهوائي متصلاً بمكونات غير كاملة ، وبسبب ذلك ، من الصعب جدًا تصور كيفية جعله يعمل في الواقع.
أعد لي نصف واط
وإذا استطعنا القيام بذلك ، فهل يستحق ذلك؟ "نعم" ، يعتقد عقلي ، مشغولاً بكفاءة الطاقة ، "بالطبع". ولكن بعد علاج طويل لبقية عقلي بالكافيين ، بدأت الفكرة تبدو غير جديرة بالاهتمام.
وفقًا لمواصفات محطاتي الأساسية ، لا تتجاوز طاقة المرسل 100-200 ميجاوات لكل قناة. لدي محطة واحدة ذات قناتين ومحطة واحدة ذات ثلاث قنوات ، والتي تعطي أقصى طاقة إجمالية تبلغ 800 ميجاوات. وفقا لفاتورة الكهرباء الخاصة بي يخرج 0.02 كيلووات ساعة في الشهر. يمكن إهمال الطاقة التي تمتصها أجهزتي المتصلة. يشير الكمبيوتر إلى قوة إشارة تبلغ -54 ديسيبل ، وهو ما يتوافق مع قيمة أقل بقليل من 4 μW. افترض أن جميع الطاقة المنقولة عبر WiFi متاحة لالتقاطها.
هذا يعني أن الحصول على طاقة إشعاع الميكروويف المنبعثة من محطات قاعدتي سيوفر لي حوالي دولارين في السنة. بمعنى آخر ، سأقوم بإزالة 0.02 كيلووات في الساعة من إجمالي فاتورة الكهرباء الشهرية ، والتي تصل إلى 19 كيلو واط في الساعة في الشتاء.
هذا لا يعني أن كل هذا دون جدوى. يمكن أن تكون هذه الفكرة قيّمة لنقل الطاقة اللاسلكية. يمكن تركيز الموجات الدقيقة على منطقة صغيرة إلى حد ما. مع بعض الحسابات ، يمكن لجهاز الإرسال استخدام تداخل تعدد المسيرات في معظم الحالات لنقل الطاقة بكفاءة إلى منطقة هدف صغيرة ، تاركًا كثافة الطاقة في جميع الأماكن الأخرى في المساحة المحيطة منخفضة نسبيًا (بحيث لا يضطر أحد إلى تمرير 100 واط عبر الشعاع). في ظل هذه الظروف ، يصبح نظام الهوائي المرن والفعال للغاية أسهل في التنفيذ. مع كفاءة التحويل المقبولة ، سيحبها معظمنا.
حالة استخدام أخرى هي إنشاء شبكات WiFi محسنة. تأتي معظم مشاكل شبكات اليوم من التداخل ، أو التداخل متعدد المسارات لمرسل WiFi الخاص بك ، أو الصراع على القنوات من الجيران. لتصحيح هذا الوضع ، سيكون من الممكن ترتيب مثل هذه الهوائيات (بدون دوائر تحويل) في أماكن استراتيجية في المنزل بحيث تحجب جزءًا من التداخل. سيكون لديهم ميزة على ورقة من الألمنيوم في أن منطقة عملهم الفعالة أكبر من حجمهم المادي. في ظل ظروف معينة ، يمكن استبدال بضعة أمتار مربعة من الرقائق بهوائي أصغر.
هل يكفي مثالان كهذا لبدء تطوير مثل هذا النظام؟ لست متأكدا. ومع ذلك ، أنا متأكد من أن مخطط الهوائي هذا سيظهر بالتأكيد في أي جهاز.