การเก็บเกี่ยวพลังงาน RF

ทำไมพลังงานที่ลงทุนในรังสี RF ไม่สามารถเก็บเกี่ยวได้อย่างสมบูรณ์? อะไรคือปัจจัยหลักที่ส่งผลกระทบต่อสิ่งนี้? มีการวิจัยที่สำคัญในปัจจุบันที่อธิบายกระบวนการนี้อย่างเต็มที่หรือไม่? ฉันยืนอยู่กับข้อสรุป: "พลังงานเคลื่อนที่จากรูปแบบหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่ง" แต่ในกรณีนี้เหตุใดจึงไม่สามารถเก็บเกี่ยวในปริมาณนั้นเพื่อใช้สำหรับจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำหรือเก็บไว้ในปริมาณมากในแบตเตอรี่บางรุ่น ใช้? ทำไมวันนี้ถึงไม่ทำกำไรและทำไมวันนี้ไม่ใช้เช่นพลังงานจากน้ำลมและแหล่งพลังงานอื่น ๆ

พิจารณาเสาอากาศที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดจากออสซิลเลเตอร์ไฟฟ้าไปเป็นการส่งสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สมมุติว่า 1 วัตต์ถูกป้อนเข้ากับเสาอากาศและ 1 วัตต์คือพลังงานคลื่นวิทยุที่ปล่อยออกมา

พลังนั้นแผ่ออกไปในทุกทิศทาง เหมือนหลอดไฟที่ปล่อยพลังงานแสงในทุกทิศทาง หลอดไฟไม่ได้เป็นเพียงตัวอย่างที่คล้ายกัน แต่เป็นตัวอย่างเดียวกันทั้งหมด - หลอดไฟที่ปล่อยออกมาเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ตอนนี้คิดว่าคุณอยู่ห่างจากหลอดไฟนั้น 1 เมตรพร้อมแผงโซลาร์เซลล์ที่มีประสิทธิภาพ 100% จากนั้นลองจินตนาการว่าคุณสร้างแผงโซลาร์เซลล์จำนวนมากที่หุ้มหลอดไฟทั้งหมด คุณเดินสายแผงโซลาร์เซลล์เป็นชุดและดูว่าคุณสามารถดึงพลังงานได้มากแค่ไหน สำหรับการทดลองความคิดนี้คุณสามารถดึงพลังนั้นได้ 100%

จากนั้นคุณยืนห่างออกไป 10 เมตรและทำเช่นเดียวกัน เห็นได้ชัดว่าคุณต้องการแผงโซลาร์เซลล์จำนวนมาก แต่สมมติว่าแสงที่ปล่อยออกมากระทบแผงทั้งหมดและไม่มีการรั่วไหลของแสงเกินกว่าแผงเหล่านั้นคุณจะได้รับพลังงาน 100%

ดังนั้นจึงสามารถทำได้ แต่มีค่าใช้จ่ายและความไม่สะดวก แต่ปัญหาไม่มากเกินไปกับลำแสงเลเซอร์ที่คมชัดและแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพ 100% หากคุณสามารถโฟกัสแสงได้อย่างเพียงพอคุณสามารถรวบรวมพลังงานทั้งหมดได้โปรดจำไว้ว่านี่เป็นเพียงการออกกำลังกายที่มีความคิดและแผงโซลาร์เซลล์และหลอดไฟ / เลเซอร์อยู่ไกลจากประสิทธิภาพ 100%

เมื่อกลับไปที่คลื่นวิทยุที่ส่งคุณสามารถสร้างจานพาราโบลาและส่งที่ความถี่สูงพอที่จะสามารถโฟกัสพลังงานส่วนใหญ่ไปยังเสาอากาศรับ (จานอื่น) สิ่งนี้กระทำได้ทั่วประเทศโดยทหารและโทรคมนาคมเพื่อรับข้อมูลและเสียงที่เป็น "ส่วนใหญ่" ส่วนตัวซึ่งยากที่จะ "ขโมย" ฟังสิ่งที่ถูกส่งเว้นแต่คุณจะเข้าใกล้ เสาอากาศและรับพลังงานด้านข้างขนาดเล็ก

สำหรับส่วนที่เหลือของเครื่องส่งสัญญาณที่ออกอากาศทั้งหมดพวกเขามักจะเป็นไดโพลและกระจายพลังงานที่ปล่อยออกมาในทุกทิศทางอย่างน้อยหนึ่งระนาบ สิ่งนี้ทำให้สถานีเพลงสามารถหยิบขึ้นมาได้ง่ายและแน่นอนว่าเป็นเป้าหมาย

คุณสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานได้อย่างง่ายดายหรือไม่? ไม่ค่อยดีนักเพราะพลังส่วนใหญ่บินไปในอวกาศและ "ผู้ฟัง" ได้รับเพียงเศษเสี้ยว

เสาอากาศของผู้ฟังแต่ละคนมีประสิทธิภาพสุทธิ (เช่นมีพื้นที่ "จริง" แม้จะมีรูปร่างผอมยาว) ที่จับพลังงานที่ส่งมาจากเครื่องส่งสัญญาณนั้นและปริมาณที่จับได้คือ femto วัตต์ โดยปกติแล้วตัวรับสัญญาณ RF (ที่มีความเสี่ยงสูงเกินไป) สามารถทำงานกับ 10 ไมโครโวลต์ที่ได้รับจากเสาอากาศและเฉลี่ยทั่วทั้งตัวอย่างประเภทเสาอากาศแรงดันไฟฟ้านี้จะมีอิมพีแดนซ์แหล่งกำเนิดประมาณ 50 โอห์ม

กำลังที่ปลดปล่อยจึงเท่ากับ 5 uV กำลังสอง / 50 = 5 femto วัตต์

เห็นได้ชัดว่ายิ่งคุณอยู่ใกล้กับเครื่องส่งสัญญาณมากเท่าไหร่พลังที่สามารถปลดปล่อยได้มากขึ้นเท่านั้น แต่หากสิ่งที่คุณสนใจคือการได้รับพลังงานที่ใช้งานได้ให้ใช้สายไฟ

หากคุณคำนวณทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับผลรวมของพลังงานที่สามารถเก็บเกี่ยวได้ ณ จุดใดจุดหนึ่งบนโลกคุณจะไม่พบสถานที่มากมายที่สามารถรวบรวมวัตต์ได้มากกว่าสองพันมิลลิวัตต์

พลังงานแสงอาทิตย์และการเก็บเกี่ยวพลังงานคลื่นความถี่วิทยุนั้นมีทั้งรูปแบบเดียวกัน - การเก็บเกี่ยวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

แม้ว่าเราจะยืนด้วยเราเตอร์? ฉันอ่านว่าเราเตอร์บางตัวมอบพลังงานได้สูงถึง 80mW

โดยทั่วไปแล้วเราเตอร์ใช้เสาอากาศแบบคลื่นเป็นหนึ่งในสี่และเพื่อรวบรวมพลังงานคุณสามารถใช้เสาอากาศแบบคลื่นหนึ่งในสี่ ระยะทางที่สมจริงที่คุณสามารถเข้าใกล้ได้นั้นเป็นเรื่องเกี่ยวกับแลมบ์ดา (1 ความยาวคลื่น) ก่อนที่คุณจะเริ่มก่อให้เกิดผลกระทบต่อการโหลดที่แปลกประหลาดบนเสาอากาศ นี่คือระยะทางประมาณ 0.1 เมตรดังนั้นโดยใช้สมการส่ง Friis ที่แปลงเป็น dB: -

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

โดยที่ f อยู่ใน MHz และ d อยู่ในกิโลเมตร สมการนี้บอกคุณว่ามีการสูญเสียพลังงานกี่เดซิเบลในระยะทางที่กำหนดพร้อมกับความถี่พาหะที่กำหนด

สำหรับ 2.45 GHz และ 0.1 เมตร (0.0001 km) การสูญเสียคือ 32.45 + 67.6 - 80 = 20 dB

แต่เสาอากาศ tx และ rx มีอัตราขยาย 4dB ระหว่างกัน (เพราะเป็นแบบกึ่งทิศทาง) ดังนั้นการสูญเสียจะอยู่ที่ประมาณ 16 เดซิเบล

80 mW เข้า (ตามหลักทฤษฏี) 12.7 mW

หากเราสรุปคำถามของคุณสักเล็กน้อยเพื่อไม่เพียง แต่ครอบคลุมการเก็บเกี่ยวพลังงาน RF แต่เป็นการเก็บเกี่ยวพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าโดยทั่วไปเราก็ทำเช่นนั้นตลอดเวลา

ดวงอาทิตย์เป็นเครื่องส่งสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีกำลังขับประมาณ 4 × 10 ²⁶วัตต์ โซล่าฟาร์มขนาดใหญ่มากมีกำลังขับสูงสุด 6 × 10 ⁸วัตต์

ในการวางมุมมองนี้ถ้าคุณมีทองคำ 8 กิโลกรัมและคุณเอาอะตอมเดี่ยวออกนั่นเป็นเพียงเศษเสี้ยวเดียวกับพลังงานที่ได้รับจากดวงอาทิตย์

นั่นคือ $ 287,000 ของทองและคุณสามารถที่จะเก็บเกี่ยวกึ่งหนึ่งของ 1000000000000 ของร้อยละ

หากคุณเอาคนทั้งหมดในโลกคุณจะเก็บเกี่ยวเกี่ยวกับคุณค่าของการตัดเล็บมือของมนุษย์

เหตุผลก็คือเนื่องจากพลังงานส่วนใหญ่ของดวงอาทิตย์ไม่ได้ส่งผลกระทบต่อโลก

ปัญหาเหมือนกันมากกับการเก็บเกี่ยวพลังงาน RF จากพลังงานคลื่นความถี่วิทยุทั้งหมดที่ส่งมาจากเครื่องส่งสัญญาณทั่วโลกเพียงเศษเสี้ยวเล็ก ๆ เท่านั้นที่จะกระทบกับเสาอากาศของคุณ

ที่เกี่ยวข้อง: ฉันได้ยินมาว่าเกษตรกรที่มีรั้วลวดยาววิ่งขนานกับสายไฟสามารถ "ขโมย" ควบคู่ไปกับ 50/60 Hz AC ไม่แน่ใจว่านี่เป็นเรื่องจริงหรือว่าจะมีพลังงานมากแค่ไหน แต่ฉันคาดเดาได้เล็กน้อย แต่เพียงพอที่ บริษัท พลังงานสังเกตเห็นความสูญเสียและไปหามัน หลังจากที่คุณใช้จ่ายเงินเพื่อซื้อลวดทั้งหมดสำหรับโครงการของคุณคุณอาจทำได้ดีกว่าการซื้อแผงโซลาร์เซลล์หรือกังหันลมหรือโรงน้ำ ไม่มีใครจะกล่าวหาคุณว่าขโมยของพวกเขาในกรณีนั้น

บางทีคุณอาจลองเก็บเกี่ยวพลังงานจากแรงโน้มถ่วงจากฝนที่ตกเป็นต้น

มีกลุ่มวิจัยที่ทำสิ่งนี้: IEEE Paper มีอีกหลายอย่าง แต่ฉันเบื่อที่จะทำ Google ฉันจำได้หนึ่งบทความ \ group ที่กำลังจับภาพพลังงานไร้สายเพื่อขับเคลื่อนไมโครคอนโทรลเลอร์ MSP430 บางรุ่นจาก TI สามารถรันโดยใช้พลังงานต่ำมาก (uAmps) TI MSP430 App Noteและใช้เซลล์สุริยะขนาดเล็กมากหรือเสาอากาศในการทำงาน

ปัญหาเกี่ยวข้องกับฟิสิกส์และประสิทธิภาพของการแปลงพลังงาน บทสรุปของการทำงานมากกว่าความถี่อยู่ในพล็อตต่อไปนี้จาก [hemour2014towards] ด้านล่าง:

คำตอบสั้น ๆ คือคุณต้องขับอุปกรณ์เพื่อจับพลังงานและคุณมีการสูญเสียทั่วกระดานเนื่องจากความเป็นจริงของการผลิตเช่นอุปกรณ์ไม่ตรงกัน คุณสามารถค้นหาทุกสิ่งที่คุณต้องการสำหรับหลักสูตรความผิดพลาดเกี่ยวกับปัญหาการเก็บเกี่ยวพลังงาน RF โดยการอ่าน:

@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}
}

ฉันสามารถทำอนุพันธ์ทั้งหมดให้คุณได้ แต่อ่านเอกสารทั้งสองนี้ตามที่มีอยู่

ฉันถูกถามคำถามที่คล้ายกันหลายครั้ง ดูเหมือนไม่มีความคิดที่คุ้มค่าอย่างแน่นอน

ความคิดเห็นทั้งหมดข้างต้นเป็นความจริง ฉันจะเพิ่มว่าส่วนใหญ่ของคลื่นวิทยุ RF ที่เทคโนโลยีของเราผลิตนั้นถูกดูดกลืนโดยโลก, ผนัง, ร่างกายมนุษย์ ฯลฯ หรือออกไปสู่อวกาศ ในกรณีแรกมันทำให้เกิดความร้อนเล็กน้อยของวัตถุบางอย่าง ในกรณีที่สองมันหายไปตลอดกาล

ข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวคือระบบ RF ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการถ่ายโอนพลังงานหรือคำนึงถึงหน้าที่การใช้งานนี้ อย่างไรก็ตามไม่สามารถใช้สำหรับการออกอากาศหรือการสื่อสาร

คุณสามารถเห็นความขัดแย้งที่ชัดเจน: การออกอากาศถือว่าพลังงาน RF ไหลไปทุกทิศทางอย่างอิสระ "การเก็บเกี่ยวพลังงาน RF" ถือว่าบางระบบรวบรวมพลังงานทั้งหมดดังนั้นข้อมูลล่าสุดจะหายไปสำหรับการออกอากาศ (หรือการสื่อสารการเชื่อมต่อ WiFi เป็นต้น)