حصادة طاقة Wi-Fi مثالية تجمع القليل هبة

أنا جميلة جدا عندما يتعلق الأمر بكفاءة الطاقة. إنه يزعج لي أن أعرف أنه إذا كانت الأخلاق التي بنت منزلي قد استخدمت أحدث المعلومات المتاحة في ذلك الوقت ، سيتطلب منزلي تقريبا لا التدفئة. الشيء الوحيد الذي يجعلني متحمس حقا هو احتمال إعادة استخدام طاقة النفايات. أنا أحب فكرة أخذ الطاقة التي من شأنها أن تكون مصير خلاف ذلك لنشر في البيئة وتحويلها إلى شيء مفيد.

على هذا النحو ، كان لا مفر منه أن ورقة عن استعادة الميكروويف سوف الطاقة لفت انتباهي. و ، نعم ، سوف ألحقها بك ، لسوء الحظ ، لا يبدو حصاد إشعاع Wi-Fi مثل ذلك سيفوز بنا كثيرا. ولكن قبل أن نصل إلى ذلك ، دعونا نلقي نظرة على الأفكار الرائعة جدا وراء حصادة.

وقف الانعكاسات

الفكرة الأساسية وراء حصاد إشعاع Wi-Fi هي فكرة قديمة جدًا واحد: مجرد بناء الدائرة التي تمتص كل هذا الميكروويف الطاقة. لنأخذ موقفًا مصطنعًا جدًا: تخيل ميكروويفًا السفر على طول قليلا من الكابل المحوري. يتكون الكابل المحوري من سلك موصل مركزي محاط بأسطوانة غير موصلة المواد العازلة ، كل ملفوفة في موصل. القوة من لا تنتقل الموجات الدقيقة “في” السلك المركزي. إنه في الواقع في المجالات الكهربائية والمغناطيسية في عازل. هؤلاء تنتشر كما موجات أسفل الكابل بسرعة جزئية نظرا لخصائص المواد العازلة.

عندما تصل الموجة إلى نهاية الكبل ، فإنها تواجه مشكلة. حق عند الحدود بين الهواء والمواد العازلة ، موجة يجب أن تتغير على الفور من سرعة إلى أخرى. إذا جميع السلطة في الميكروويف كانت ليتم نقلها من نهاية الكابل ، فإن الحقل الكهربائي يجب أن يكون اثنين قيم مختلفة في نفس الوقت والمكان ، وهو ما لا يمكن أن يحدث. لذلك ، تنعكس الموجة من النهاية وتعود احتياطيًا كابل (ربما تدمير الارسال في هذه العملية).

إذا كنا لا نريد أن تنعكس القوة ، فعلينا إنهاء كابل بطريقة تبدو (من الميكروويف المنظور) مثل كابل يستمر فقط إلى أجل غير مسمى. هذا هو يسمى مطابقة ، وهو مفهوم أساسي في الميكروويف الهندسة والبصريات ، وفي الواقع ، إلى حد كبير في كل مكان في الفيزياء والهندسة.

في حالة وجود كبل متحد المحور ، يتم اختيار العزل الكهربائي عادة بحيث المقاوم 50Ohm سوف تتطابق مع خصائص الكابل. لذلك ، إذا وضعت المقاوم 50Ohm بين موصل خارجي طلاء والسلك المركزي ، وجميع الطاقة الميكروويف يكون يمتصها المقاوم.

لكابل متحد المحور ، أو ، في الواقع ، لأي خط نقل ، تصميم الدائرة الكهربائية التي تتوافق مع خصائص الخط ليس بهذه الصعوبة. و ، في الواقع ، الهوائي الخاص بك الهاتف المحمول لديه بالضبط هذا النوع من الدوائر: الهوائي و إنهاء الدائرة تحتاج إلى تطابق بعضها البعض وتحتاج إلى تطابق خصائص انتشار الفضاء الحر عن قرب ممكن. تطابق جيد يعني أنه يمكنك امتصاص الكثير من الإشعاع من هوائي صغير.

واي فاي الهدر

تواجه Wi-Fi نفس القيود التي تواجه أجهزة الاستقبال. لكن طاقتها لا يذهب فقط إلى هوائي الاستقبال ؛ ينتشر إلى حد كبير مساحة أوسع. هذا يعني أن معظم الطاقة تضيع. اذا نحن كان لوضع النوع الصحيح من الهوائيات في جميع أنحاء المكان ، يمكننا استعادة الكثير من تلك الطاقة ، أليس كذلك؟ حسنًا ، إنه نوع من الخدع.

بادئ ذي بدء ، يجب بناء هذه الأنواع من أجهزة الاستقبال في جدران المنزل أو الشقة. مما يعني أنه على عكس الهوائيات على الأجهزة ، لا يمكن ضبطها على النحو الأمثل استقبال. في غضون ذلك ، تصل إشارة Wi-Fi من كل الاتجاه ، والاستقطاب (الاتجاه المكاني لل المجال الكهربائي نسبة إلى الاتجاه الذي تسير فيه الموجة) يمكن أن يكون أي شيء. الهوائيات حساسة لكل من الاتجاه و الاستقطاب.

ثم هناك حقيقة أن الطاقة تنتشر رقيقة جدا. في المصدر ، قد يكون لدينا شيء مثل 10mW من الطاقة المشعة. لكن ، تحرك 10 أمتار ، والقوة التي تمر جسمك سوف يصل إلى 10-20 ميغاواط. وبالتالي فإن الخسائر تتراكم. تعد المسافة مشكلة ، وإذا كان الهوائي الخاص بك جيدًا لأحد الاستقطاب ، تفقد نصف ذلك على الفور. ثم يمكنك إضافة أي خسائر في الدائرة لاتخاذ الطاقة الميكروويف وأسفل تحويله إلى العاصمة العرض. إنه يبدو وكأنه صعب للغاية مشكلة.

الذهاب الفوقية على الهوائيات

للتغلب على هذه الأنواع من المشاكل ، ثلاثة من الباحثين اقترح شبكة هوائي يحاول تقليلها خسائر.

كانت الخطوة الأولى لإزالة الاعتماد على الاستقطاب. الطريقة أنهم فعلوا هذا كان لتصميم هوائي التصحيح (هوائي ذلك هو قطعة مسطحة من المعدن) التي تستجيب على النحو الأمثل ل أفران ميكروويف مستقطبة رأسياً وأفقياً. على الرغم من أن الهوائيات تستجيب لكلا الاستقطابين ، والموقع المادي لل السلك الذي الأزواج الهوائي إلى بقية الدوائر يحدد الاستقطاب الذي يوفر الطاقة. الهوائيات التي لديها الأسلاك المتصلة على الجانب حساسة للاستقطاب أفقيا الضوء ، في حين أن الهوائيات بسلك متصل في الأعلى حساسة للضوء المستقطب عموديا.

(أنا استخدم كلمة “مرفقة” بأرخص معنى ممكن هنا. يمكن اعتبار أسلاك التوصيل نفسها عبارة عن هوائيات ، مع هوائي التصحيح يعيد إشعاع القدرة المستقبلة إلى السلك.)

لإنشاء حصادة الطاقة على أساس هذا التصميم ، فإن أنشأ الباحثون شبكة من الهوائيات. الأعمدة ذات الأرقام الفردية لـ تم إعداد الهوائيات لاستقبال الضوء المستقطب رأسياً تم إعداد الأعمدة ذات الأرقام الزوجية لتلقي الاستقطاب أفقياً ضوء.

الآن ، قد تعتقد أن هذا سخيف ، لأنك تخسر النصف القوة من كل الاستقطاب. ولكن هذا ليس هو الحال. ال الهوائيات تتحدث مع بعضها البعض. عمود الهوائيات إلى جانب الجزء العلوي لا يزال يتلقى كلا الاستقطاب. ال يتم تمرير الموجات الدقيقة المستقطبة رأسياً إلى الأسلاك الموجودة بالقرب من الجزء العلوي من كل هوائي. أفران الميكروويف المستقطبة أفقياً يتم تمريرها إلى الهوائيات في الأعمدة المجاورة ، حيث هم ثم تنتقل إلى الأسلاك الموجودة بالقرب من جانب كل هوائي. مع التصميم الصحيح ، كل قوة الحادث يمكن أن تنتقل إلى دائرة تحويل الطاقة.

لذلك يبدو الهوائي ، في الأساس ، مثل شبكة من البقع المعدنية يجلس على مادة غير موصلة. و ، مثل الكابلات المحورية لدينا من السابق ، يتم تخزين الطاقة التي يجمعها الهوائي في الحقول الموجودة في المواد العازلة. وهذا يعني أننا نريد أ المواد العازلة التي تمتص قوة أقل قدر ممكن. ال وغالبا ما تقاس كمية الطاقة التي يمتصها عازل ما يسمى فقدان الظل. بحث الباحثون عن و تم العثور عليها – مادة لها فقد في الظل أصغر بمقدار 100 مرة من المواد الأكثر شيوعا في لوحات الدوائر المطبوعة.

لا تدع الواقع بالقرب من النموذج الخاص بي

الآن ، بالطبع ، في النماذج ، يمتص صفيف الهوائي 100 بالمائة جميع إشعاعات Wi-Fi المعروفة (جيدًا ، إشعاع Wi-Fi 2.4 جيجا هرتز). لكن كيف تعمل في الواقع؟ هناك القصة تصبح أكثر تعقيدا. إذا كانت الطاقة المرسلة إلى أسلاك التوصيل تقاس مباشرة ، فعندئذ نقل الطاقة حوالي 97 في المئة ، وهو الرتق جميلة حسن.

لكننا نريد استخدام هذه الطاقة ، وهنا تأخذ الأمور يغوص. إذا تم ربط الأسلاك مباشرة لتحميل المقاومات (لذلك نحن حول طاقة Wi-Fi إلى حرارة) ، ثم لا تزال تعمل بشكل جيد ، مع 92 في المئة من الإشعاع الحصول على امتصاص المقاومات الحمل. فقدان خمسة في المئة ويرجع ذلك إلى امتصاص في عازل المواد كما تنتقل الطاقة إلى مقاومات الحمل.

تبدأ الخسائر الحقيقية عندما تتحول الطاقة من طاقة الميكروويف لإشارة كهربائية قابلة للاستخدام DC. حتى في النماذج ، 80 ٪ فقط كفاءة ممكنة هنا. في التجارب ، و تمكن الباحثون حوالي 70 في المئة. عادة ، أود أن آخذ 70 في المئة ، ولكن ليس في هذه المناسبة. المشكلة هي أن تحصل فقط 70 في المئة كفاءة التحويل عندما تكون قوة الحادث تماما متوسط. في الواقع ، اختبر الباحثون قوى الحادث (وهذا هو إجمالي الطاقة التي تقع على شبكة الهوائي ، وليس القدرة المشعة) من من 1 إلى 10 ميجا واط. في 1mW ، كانت كفاءة التحويل حوالي 30 في المئة. التوسع في الاتجاه الخطي الغامض (على نطاق السجل) لاستخدامه في العالم الحقيقي من الارسال 100MW تقع على بعد حوالي 10M من الهوائي ، و السلطة الحادث هو بناء على طلب من microWatt. هذا يتوافق مع كفاءة التحويل من حوالي خمسة في المئة ، وهو ما لا حقا تبدو جيدة جدا

المشكلة ، وفقا للباحثين ، تكمن في السلطة شبكة التحويل. هناك بعض الخسائر التي تنقل الطاقة إلى الجزء الذي يتم فيه تحويل طاقة الميكروويف إلى تيار مباشر قوة. ولكن هناك خسائر أكبر في الثنائيات. الثنائيات فقط السماح للتيار بالتدفق في اتجاه واحد ، بحيث يمكن لشبكة من الثنائيات تأخذ مجال الميكروويف تتأرجح ، حيث يتغير الجهد من السلبية إلى الإيجابية كل بضعة نانوثانية ، إلى الجهد الذي هو إيجابي فقط.

الثنائيات ليست مثالية – فهي تستغرق وقتًا للتبديل ، وهي كذلك تتطلب أن يصل الجهد المطبق إلى قيمة معينة من قبل أنها تسمح الحالية بالتدفق. والنتيجة هي أن الكثير من لا يتم تحويل طاقة الميكروويف ولكن يتم فقدها كحرارة لأنها تحت هذا الحد.

أنا متأكد من أن هذا أمر أساسي لكيفية عمل الثنائيات ، لذلك في حين أن هذه الخسائر يمكن تخفيضها إلى حد ما ، لا أعتقد أننا الذهاب للحصول على الثنائيات التي هي أمر من حجم أكثر كفاءة في أي وقت قريبا. من ناحية أخرى ، أعتقد أن المؤلفين قد يجادلون أنه لا يهم كثيرا. كما ترى ، لأن الهوائيات كلها زوجين لبعضهم البعض ، ويمكن جعل الشبكة أكبر بحيث المجموع حادثة الطاقة على الشبكة كبيرة بما يكفي للوصول إلى الذروة كفاءة.

لست متأكدًا من أن هذا يعمل أيضًا. على مسافة 10M ، و شبكة الهوائي لديها لتغطية جدار واحد كامل من الغرفة. هذا هو الغرض المقصود ، بالطبع. لسوء الحظ ، هذا هو المكان الآخر مشاكل ركلة فيها. في الوقت الحاضر ، ونقل السلطة من الهوائيات الفردية إلى الثنائيات يكلفنا حوالي خمسة في المئة من القوة الكلية. ولكن ، وفقدان الطاقة مقياس مع المسافة. وفينا سيناريو العالم الحقيقي ، حيث تنتشر الهوائيات عبر كامل الجدار ، وزيادة المسافات بعامل حوالي 40.

الاستنتاج هو أن تصميم الهوائي رائع حقًا. لديها ميزة أنه يعمل بغض النظر عن توجهه باحترام إلى الارسال واي فاي بغض النظر عن التدخل. لكن ال الهوائي يجب أن يقترن بمكونات غير مثالية ، وتلك الموجودة فعلاً تجعل من الصعب تخيل الحصول عليها للعمل في الواقع العالمية.

أريد أن أعيد نصف واط

إذا استطعنا ، هل سيكون الأمر يستحق ذلك؟ “نعم” ، يعتقد بلدي الدماغ المهووس بكفاءة الطاقة ، “بالطبع سيكون كذلك”. لكن لمرة بقية عقلي غارقة في القهوة لفترة من الوقت ، تبدو الأمور أقل كثيرا جديرة بالاهتمام.

وفقا للمواصفات على محطات قاعدتي ، و الطاقة المنقولة بحد أقصى 100 إلى 200 ميجا واط لكل قناة. عندي محطة واحدة ثنائية الموجات ومحطة قاعدة ثلاثية الموجات ، أو حوالي 800 ميجاوات من طاقة التردد اللاسلكي المنبعثة (الحد الأقصى). من حيث قوتي مشروع القانون ، وهذا يتوافق مع حوالي 0.02kWh شهريا. الآن ، القوة استيعابها من قبل الأجهزة المتصلة لا يكاد يذكر. جهاز الكمبيوتر الخاص بي هو حاليا الإبلاغ -54dBm ، وهو ما يتوافق مع أقل بقليل من أربعة microwatts و. لذلك ، دعنا نفترض أن كل طاقة الواي فاي المنقولة متاح للانتعاش.

وهذا يعني أن استعادة الطاقة من الميكروويف الإشعاع المنبعث من محطات قاعدة Wi-Fi الخاصة بي سيوفر لي حوالي اثنين باكز سنويا. بعبارة أخرى ، كنت أحصد 0.02kWh من بلدي إجمالي استهلاك الطاقة الشهرية (الكهربائية) ، وهو في فصل الشتاء حوالي 19 كيلو واط ساعة في اليوم.

هذا لا يعني أن هذا عديم الفائدة تمامًا. يمكن ان تكون قيمة لتسليم الطاقة اللاسلكية. الميكروويف يمكن أن تركز ل مناطق صغيرة نسبيا. ومع بعض الحوسبة ، جهاز إرسال يمكن استخدام تداخل متعدد المسارات في معظم البيئات للإرسال الطاقة بكفاءة إلى منطقة مستهدفة صغيرة ، مع الحفاظ عليها كثافة الطاقة في بقية البيئة منخفضة نسبيا (لذلك لا أحد يمشي من خلال أشعة 100W). تحت هذه الظروف ، ونظام هوائي مرن للغاية وعالية كفاءة يجعل الفكرة كلها أبسط قليلا لتنفيذ. و، شريطة أن تكون كفاءة التحويل معقولة ، على ما أعتقد معظمنا يود ذلك.

قد يكون الاستخدام الثاني هو المساعدة في إنشاء شبكات Wi-Fi أفضل. معظم من المشاكل المرتبطة بشبكات Wi-Fi بسبب تدخل ، إما تدخل متعدد المسيرات من شبكة Wi-Fi الخاصة بك الارسال أو قناة المنافسة بين الجيران. الآن ، وسيلة ل إصلاح التي قد تكون لوضع هذه اللوحات (بدون الطاقة إلكترونيات التحويل) في مواقع استراتيجية في جميع أنحاء المنزل ، حيث سيمنعون بعض هذا التدخل. ميزة هم سيكون على ورقة بسيطة من رقائق الألومنيوم هو أن الهوائيات مثل هذا لديها مساحة أكبر فعالة من حجمها الفعلي. وهذا يعني أنه بالنسبة لبعض الحالات ، بضعة أمتار مربعة من رقائق البطاطس قد يتم استبداله بهوائي أصغر.

هل هذه الحالات استخدام اثنين من الدافع الكافي لتطوير هذا النظام؟ لست واثق. ومع ذلك ، أراهن هذه التصاميم الهوائي يحضر في جهاز في مكان ما.

التقارير العلمية ، 2017 ، DOI: 10.1038 / s41598-017-15298-5