Le convertisseur WiFi-énergie est inutilisable, mais peut néanmoins être une source d'énergie pour l'avenir
Je suis un peu tourné vers l'efficacité énergétique. Je suis frustré par le fait que les idiots qui ont construit ma maison n’ont pas utilisé les dernières informations disponibles au moment de la construction - car alors ma maison n’aurait presque plus besoin de chauffage. Et l'une des choses les plus intéressantes pour moi est la perspective de réutiliser l'énergie libérée. J'aime l'idée de collecter de l'énergie, qui autrement est simplement vouée à se dissiper dans l'environnement, et de la transformer en quelque chose d'utile.
Par conséquent, le
travail de réutilisation de l'énergie micro-ondes ne pouvait pas me passer. Malheureusement, la collecte du rayonnement WiFi ne nous donnera probablement rien d'utile. Mais d'abord, regardons les idées très intéressantes derrière cet appareil.
Arrêt des réflexions
L'idée de base de la collecte du rayonnement WiFi est assez ancienne: il suffit de faire un circuit qui absorbe toute l'énergie micro-ondes. Prenons un exemple artificiel: imaginez une impulsion micro-ondes traversant un morceau de câble coaxial. Un câble coaxial se compose d'un fil conducteur central entouré d'un cylindre de diélectrique non conducteur, et tout cela est enveloppé dans un conducteur. L'énergie des micro-ondes n'est pas transmise par le fil central. Il est situé dans des champs électriques et magnétiques dans un diélectrique. Ils se propagent à travers le câble comme des ondes, avec une vitesse dépendant notamment des propriétés du diélectrique.
Lorsque l'onde atteint l'extrémité du câble, elle a un problème. Juste à la frontière entre l'air et le diélectrique, elle doit passer instantanément d'une vitesse à l'autre. Si toute l'énergie des micro-ondes était transmise depuis l'extrémité du câble, alors le champ électrique au même endroit aurait deux valeurs différentes, mais cela ne se produit pas. Par conséquent, l'onde est réfléchie par l'extrémité et renvoyée via un câble (ce qui détruit probablement l'émetteur).
Si nous ne voulons pas que l'énergie soit réfléchie, nous devons limiter le câble de sorte que du point de vue des micro-ondes, le câble semble s'étirer sans fin. Ce concept, appelé «appariement», est la pierre angulaire du développement de l'électronique hyperfréquence, de l'optique et, en principe, de la physique et de l'ingénierie.
Dans le cas d'un câble coaxial, le diélectrique est généralement choisi pour que la résistance de 50 ohms corresponde aux propriétés du câble. Donc, si je place une résistance de 50 ohms entre le revêtement conducteur externe et le câble central, toute l'énergie micro-ondes sera absorbée par la résistance.
Pour un câble coaxial ou toute ligne de transmission en général, le développement de circuits électriques cohérents avec les propriétés de la ligne est une tâche simple. L'antenne de votre téléphone mobile a exactement un tel schéma: l'antenne et son circuit terminal doivent correspondre les uns aux autres et correspondre au mieux aux propriétés de propagation dans l'espace. Un bon alignement signifie la capacité d'une petite antenne à absorber beaucoup de rayonnement.
Perte WiFi
Les restrictions pour le WiFi sont les mêmes que pour les récepteurs. Mais son énergie ne va pas seulement à l'antenne de réception, elle se propage beaucoup plus largement. Cela signifie que la majeure partie disparaît. Si nous plaçions les bonnes antennes sur toute la zone, nous pourrions récupérer une partie de cette énergie. Mais il s'avère que c'est une tâche assez difficile.
Tout d'abord, ces récepteurs devraient être intégrés aux murs d'une maison ou d'un appartement. Cela signifie que, contrairement aux antennes des appareils, elles ne peuvent pas être réglées pour une réception optimale. Les signaux WiFi proviennent de toutes les directions, et il peut y avoir n'importe quelle polarisation (orientation spatiale du champ électrique par rapport à la direction de propagation des ondes). Les antennes sont sensibles à la fois à la direction et à la polarisation.
Ensuite, l'énergie est à peu près tachée. Près de la source, environ 10 mW d'énergie sont émis. Mais si vous vous déplacez de 10 mètres, l'énergie passant à travers votre corps diminuera à 10-20 μW. Les pertes s'accumulent. La distance est un problème et si votre antenne est réglée sur une seule polarisation, vous perdrez déjà la moitié de l'énergie. Ajoutez toutes les pertes dans un circuit qui recueille l'énergie et la convertit en courant continu. Tout commence à paraître très compliqué.
Construire des méta-antennes
Pour contourner ces problèmes, trois chercheurs ont proposé un réseau d'antennes essayant de minimiser ces pertes.
Vous devez d'abord éliminer la dépendance à la polarisation. Ils l'ont approché en développant une antenne plate qui répond de manière optimale à la polarisation verticale et horizontale des micro-ondes. Bien que les antennes répondent aux deux polarisations, l'emplacement physique du fil reliant l'antenne au reste du circuit détermine quelle polarisation génère de l'énergie. Les antennes avec des fils sur le côté sont sensibles à la lumière polarisée horizontalement, et les antennes avec des fils sur le dessus sont sensibles à la lumière polarisée verticalement [
l'auteur dit lumière - lumière. Il s'est peut-être trompé et ne voulait dire que des ondes radio / env. perev. ].
Je précise que les fils de connexion peuvent également être considérés comme des antennes par lesquelles l’antenne plate de réception retransmet l’énergie reçue.
Pour créer un dispositif de collecte d'énergie sur ce principe, les chercheurs ont créé un réseau d'antennes. Les colonnes impaires des antennes ont été réglées pour recevoir la lumière polarisée verticalement et les colonnes paires horizontalement.
Cela peut vous sembler stupide, car à chaque polarisation, vous perdez la moitié de l'énergie. Pas dans ce cas. Toutes les antennes communiquent entre elles. La colonne d'antennes avec des fils sur le dessus accepte toujours les deux polarisations. Les micro-ondes polarisées verticalement sont transmises aux fils situés au-dessus de chaque antenne. Les micro-ondes polarisées horizontalement sont transmises aux antennes dans des colonnes adjacentes, où elles pénètrent dans les fils situés sur le côté de chaque antenne. Avec le bon circuit, toute l'énergie peut être transférée au circuit convertisseur.
Ainsi, l'antenne ressemble à un réseau de plaques métalliques situées sur un matériau qui ne conduit pas de courant. Et, comme dans notre exemple de câble coaxial, l'énergie collectée par l'antenne est stockée dans des champs dans le diélectrique. Cela signifie que nous avons besoin d'un diélectrique qui absorbe un minimum d'énergie. La quantité d'énergie absorbée par un diélectrique est souvent appelée tangente de perte. Les chercheurs ont recherché et trouvé des matériaux avec une tangente de perte environ 100 fois inférieure à ceux couramment utilisés dans les cartes de circuits imprimés.
Reste en dehors de ma réalité de modèle
Dans les modèles, bien sûr, le réseau d'antennes absorbe 100% de l'énergie de rayonnement WiFi (plus précisément, 2,4 GHz WiFi). Mais comment cela fonctionne-t-il dans la pratique? Tout est un peu compliqué ici. Si vous mesurez directement l'énergie provenant des fils de connexion, vous pouvez obtenir environ 97% de la transmission, ce qui est fondamentalement cool.
Mais nous voulons utiliser cette énergie, et ici tout se gâte. Si vous connectez directement les fils à la résistance de charge (et transformez l'énergie WiFi en chaleur), tout fonctionne bien et 92% du rayonnement est absorbé par la résistance. Une perte de 5% se produit en raison de l'absorption dans le diélectrique lors du transfert d'énergie aux résistances.
Les pertes réelles commencent lorsque les micro-ondes sont converties en signaux électriques DC utilisables. Même dans les modèles, cela ne dépasse pas 80%. Dans les expériences, les chercheurs ont réussi à porter le résultat à 70%. Je serais d'accord pour 70%, mais pas cette fois. Le problème est qu'une efficacité de 70% n'est obtenue qu'avec une puissance suffisamment élevée du signal primaire. Les chercheurs ont testé ce signal avec des énergies (et c'est l'énergie totale qui pénètre dans le réseau d'antennes, et non celle qui a été émise à l'origine) de 1 à 10 mW. Dans le cas de 1 mW, l'efficacité de conversion était de 30%. La dépendance linéaire (sur une échelle logarithmique) suggère que si dans le monde réel un émetteur d'une capacité de 100 mW est situé à 10 m de l'antenne, alors l'antenne recevra une énergie de l'ordre des microwatts. Et cela correspond à une efficacité de conversion de 5%, ce qui n'est pas très bon.
Les chercheurs disent que le problème réside dans le réseau de conversion d'énergie. Lorsque l'énergie des micro-ondes est transférée à l'endroit où elle est convertie en courant continu, des pertes se produisent. Des pertes encore plus importantes se produisent sur les diodes. Les diodes permettent au courant de circuler dans une direction, de sorte qu'un réseau de diodes peut prendre un champ micro-ondes oscillant, où la tension passe du négatif au positif toutes les quelques nanosecondes, et produit une tension positive.
Mais les diodes ne sont pas idéales - elles ont besoin de temps pour commuter, elles ont besoin de la tension appliquée pour atteindre une certaine valeur avant de permettre au courant de circuler. En conséquence, une partie importante de l'énergie des micro-ondes n'est pas convertie, mais perdue sous forme de chaleur, car elle n'atteint pas le niveau souhaité.
Je suis sûr que ce problème de fonctionnement des diodes est fondamental, et que même si ces pertes peuvent être légèrement réduites, je ne pense pas que dans un avenir proche nous pourrons rendre un ordre de grandeur plus efficace. D'un autre côté, je pense que les auteurs pourraient préciser que ce n'est en fait pas si important. Une fois que toutes les antennes sont connectées les unes aux autres, leur réseau peut être agrandi et la quantité totale d'énergie reçue deviendra suffisamment grande pour atteindre une efficacité maximale.
Mais je ne sais pas si cela fonctionnera. À une distance de 10 m, le réseau d'antennes doit couvrir tout le mur de la pièce. Malheureusement, d'autres problèmes entrent en vigueur. Actuellement, le transfert d'énergie des antennes individuelles aux diodes nous coûte environ 5% de l'énergie totale. Mais les pertes évoluent avec la distance. Dans le monde réel, où les antennes s'étendent à travers le mur, les distances augmentent d'environ 40 fois.
En conséquence, le circuit d'antenne s'est avéré être cool. Son avantage est qu'il fonctionne indépendamment de l'orientation par rapport à l'émetteur WiFi et aux interférences. Mais l'antenne doit être connectée avec des composants imparfaits, et à cause de cela, il s'avère très difficile d'imaginer comment la faire fonctionner dans la réalité.
Rends-moi mon demi-watt
Et si nous pouvions le faire, cela en vaudrait-il la peine? "Oui", pense mon cerveau, préoccupé par l'efficacité énergétique, "bien sûr." Mais après un long traitement du reste de mon cerveau avec de la caféine, l'idée commence à paraître moins intéressante.
Selon les spécifications de mes stations de base, l'énergie de l'émetteur ne dépasse pas 100-200 mW par canal. J'ai une station à deux canaux et une à trois canaux, ce qui donne une puissance totale maximale de 800 mW. Selon ma facture d'électricité sort 0,02 kWh par mois. L'énergie absorbée par mes appareils connectés peut être négligée. Mon ordinateur signale une intensité de signal de -54 dBm, ce qui correspond à une valeur légèrement inférieure à 4 μW. Supposons que toute l'énergie transmise via WiFi est disponible pour la capture.
Cela signifie que la capture de l'énergie du rayonnement micro-ondes émis par mes stations de base me ferait économiser environ deux dollars par an. En d'autres termes, je retirerais 0,02 kWh de ma facture d'électricité mensuelle totale, qui peut atteindre 19 kWh en hiver.
Cela ne signifie pas que tout cela est complètement vain. Cette idée peut être utile pour transmettre de l'énergie sans fil. Les micro-ondes peuvent être focalisées sur une zone assez petite. Avec certains calculs, l'émetteur peut utiliser des interférences à trajets multiples dans la plupart des situations pour transférer efficacement l'énergie vers une petite zone cible, laissant la densité d'énergie à tous les autres endroits de l'espace environnant relativement faible (de sorte que personne ne doit passer 100 watts à travers le faisceau). Dans de telles conditions, un système d'antenne extrêmement flexible et efficace devient beaucoup plus simple à mettre en œuvre. Avec une efficacité de conversion acceptable, la plupart d'entre nous l'apprécieront.
Un autre cas d'utilisation est de créer des réseaux WiFi améliorés. La plupart des problèmes des réseaux actuels proviennent des interférences, ou des interférences de trajets multiples de votre émetteur WiFi, ou de la lutte pour les canaux des voisins. Pour corriger cette situation, il serait possible de disposer de telles antennes (sans circuits de conversion) à des endroits stratégiques de la maison afin qu'elles bloquent une partie des interférences. Ils auront un avantage sur une feuille de papier d'aluminium en ce que leur zone d'action effective est supérieure à leur taille physique. Dans certaines conditions, quelques mètres carrés de feuille peuvent être remplacés par une antenne plus petite.
Quelques exemples suffisent-ils pour commencer à développer un tel système? Pas sûr. Néanmoins, je suis sûr qu'un tel schéma d'antenne apparaîtra certainement dans n'importe quel appareil.