RF Raccolta di energia

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Perché l'energia investita nelle radiazioni RF non può essere raccolta completamente? Quali sono i principali fattori che influenzano questo? Esistono ricerche significative al giorno d'oggi che descrivono pienamente questo processo? Mi trovo sulla conclusione: "L'energia si sposta da una forma all'altra", ma in questo caso perché non può essere raccolta in quella quantità per usarla per alimentare dispositivi a bassa potenza o immagazzinarla in quantità significative in alcune batterie per dopo uso? Perché non è redditizio al giorno d'oggi e perché non viene utilizzato oggi come energia da acqua, vento e altre fonti di energia?

diagramma del sistema di raccolta dell'energia RF

rf dc energy-harvesting

— psmears
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Non penso sia un duplicato. L'altro riguarda uno schema particolare (che in realtà è solo una truffa) mentre questo sembra riguardare il motivo per cui non è possibile acquisire tutta la RF disponibile. Cioè, perché non possiamo recuperare tutta la RF che stiamo trasmettendo e usarla per il potere.

— JRE,

Intendi tutto lo spettro delle frequenze dicendo "tutte le RF disponibili"?

— Aenid,

@JRE Esattamente quello!

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@Lazar hai aggiunto una nuova taglia a questo, quindi c'è qualcosa sulle informazioni che hai ricevuto finora che manca?

— Andy aka

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Considera un'antenna che converte tutta l'energia elettrica da un oscillatore di potenza a una trasmissione radio elettromagnetica. Diciamo che 1 watt è alimentato all'antenna e 1 watt è la potenza delle onde radio emessa.

Quel potere viene espulso nella maggior parte delle direzioni; proprio come una lampadina emette energia luminosa in (praticamente) tutte le direzioni. La lampadina non è solo un esempio simile, è esattamente lo stesso esempio: la luce emessa è un'onda elettromagnetica.

Ora immagina di essere a 1 metro da quella lampadina con un pannello solare efficiente al 100%. Quindi immagina di costruire diversi pannelli solari che avvolgono esattamente e totalmente la lampadina. Colleghi i pannelli solari in serie e vedi quanta energia puoi estrarre. Bene, per questo esperimento mentale, puoi effettivamente estrarre il 100% di quel potere.

Quindi ti allontani di 10 metri e fai lo stesso. Ovviamente hai bisogno di molti più pannelli solari ma, supponendo che la luce emessa stia colpendo totalmente i pannelli e non vi siano perdite di luce oltre quei pannelli, riceverai il 100% di energia.

Quindi può essere fatto, ma con grandi spese e disagi. Ma non è un grosso problema con un raggio laser affilato e un pannello solare efficiente al 100%. Se riesci a focalizzare sufficientemente la luce da poter raccogliere TUTTA l'energia, ricorda che questo è solo un esercizio di pensiero e i pannelli solari e le lampade / i laser sono tutt'altro che efficienti al 100%.

Tornando a un'onda radio trasmessa, potresti costruire una parabola parabolica e trasmettere ad una frequenza sufficientemente elevata da poter focalizzare la maggior parte della potenza su un'antenna di ricezione (un'altra parabola). Questo viene fatto in tutto il paese dai militari e dalle telecomunicazioni per ottenere dati della linea di vista e comunicazioni vocali che sono "in gran parte" private in quanto è difficile "rubare" un ascolto di ciò che viene trasmesso a meno che non si sia vicini a le antenne e raccogliendo un piccolo lobo laterale di energia.

Per il resto di tutti i trasmettitori che trasmettono, sono generalmente dipoli e diffondono la loro energia emessa in tutte le direzioni in almeno un piano. Ciò consente alle stazioni musicali di essere raccolte abbastanza facilmente e questo, ovviamente, è l'obiettivo.

Puoi facilmente raccogliere quell'energia? Non molto bene perché il potere sta volando in gran parte nello spazio e solo una frazione viene ricevuta dagli "ascoltatori".

L'antenna di ogni ascoltatore è effettivamente una rete (cioè ha una vera "area" nonostante la sua forma lunga e sottile) che cattura la potenza inviata da quel trasmettitore e la quantità che cattura è solitamente femto watt. Normalmente, un ricevitore RF (a rischio di essere troppo generale) può funzionare con circa 10 micro volt ricevuti dall'antenna e, facendo una media su un ampio campione di tipi di antenna, questa tensione avrà un'impedenza di sorgente di circa 50 ohm.

La potenza liberata è quindi di 5 uV quadrati / 50 = 5 femto watt.

Ovviamente più si è vicini al trasmettitore, maggiore è la potenza che può essere liberata ma, se tutto ciò che vi interessa è ottenere energia utilizzabile, utilizzate i cavi.

Se facessi i calcoli sulla somma totale dell'energia che può essere raccolta in un qualsiasi punto della terra, non troverai molti luoghi in cui è possibile raccogliere più di un paio di milli watt.

L'energia solare e la raccolta di energia RF sono fondamentalmente entrambe le forme della stessa cosa: la raccolta di onde elettromagnetiche.

Anche quando siamo in piedi vicino al router? Ho letto che alcuni router forniscono fino a 80mW

I router in genere utilizzano antenne a quarto di onda e per raccogliere energia è possibile utilizzare anche un'antenna a quarto di onda. La distanza realistica che puoi ottenere da vicino è di circa lambda (1 lunghezza d'onda) prima di iniziare a causare strani effetti di caricamento sull'antenna. Questa è una distanza di circa 0,1 metri quindi, usando l'equazione di trasmissione di Friis convertita in dB: -

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

Dove f è in MHz e d è in chilometri. Questa equazione indica quanti dB di perdita di potenza ci si può aspettare a una determinata distanza con una data frequenza portante.

Per 2,45 GHz e 0,1 metri (0,0001 km) la perdita è 32,45 + 67,6 - 80 = 20 dB.

Ma le antenne tx e rx hanno un guadagno di circa 4 dB tra loro (perché sono semi-direzionali) e quindi la perdita è solo di circa 16 dB.

80 mW in diventa (teoricamente) 12,7 mW in uscita.

— Andy aka
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Un'altra cosa da considerare è cosa succede se in realtà provassimo a raccoglierlo tutto passando attraverso un punto - è solo uno scudo elegante e costoso, attraverso il quale nulla potrebbe passare. Potrebbe diventare problematico se fossero su tutti gli edifici. +1 per Andy.

— Sean Boddy,

@SeanBoddy Che ne dici di raccogliere energia dai nostri router wifi domestici?

@MasterYoda Per quanto riguarda il commento sopra, a che punto? Anche se hai raccolto i milliwatt provenienti dal tuo router, non saresti in grado di usarlo per ricevere informazioni. Inoltre, dal momento che è il mondo reale, nel complesso perderai più potenza di quanta tu possa recuperare. (L'alimentazione spreca calore, il trasmettitore spreca calore, così come il ricevitore).

— R Drast,

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@MasterYoda Potresti raccogliere abbastanza per fermare la batteria del telefono in modalità di sospensione! Ovviamente, non sarai in grado di utilizzare il Wi-Fi contemporaneamente. E dovresti confrontarti con il punto di accesso Wi-Fi, quindi perché non collegare semplicemente il tuo telefono a qualunque sia l'AP collegato?

— user253751

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@masteryoda, il punto è che se raccogli la potenza da una trasmissione RF, la trasmissione non è più lì. In un modo molto reale, otterresti più energia netta scollegando il trasmettitore.

— Sean Boddy,

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Se generalizziamo un po 'la tua domanda per coprire non solo la raccolta di energia RF, ma la raccolta di energia elettromagnetica in generale, lo facciamo sempre.

Il sole è essenzialmente un trasmettitore elettromagnetico con una potenza di circa 4 × 10 ²⁶ watt. Una grande fattoria solare ha una potenza (di picco) di 6 × 10 ⁸ watt.

Per metterlo in prospettiva, se avessi 8 chilogrammi d'oro e rimossi un singolo atomo , è circa la stessa frazione della potenza ricevuta dal sole.

Sono $ 287.000 di oro e sei in grado di raccogliere la metà di un trilione di centesimi .

Se prendessi tutte le persone del mondo, raccoglieresti il valore umano di un taglio di unghie.

La ragione ovviamente è perché la maggior parte dell'energia prodotta dal sole non colpisce nemmeno la Terra.

Il problema è più o meno lo stesso con la raccolta di energia RF. Di tutta l'energia RF trasmessa da tutti i trasmettitori del mondo, solo una minima parte di essa colpirà la tua antenna.

— Phil Frost
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Se ho le mie figure corrette (dalla memoria), il sole trasforma 4.000 tonnellate della sua massa in luce ogni secondo e la terra intercetta 2 once di fotoni al secondo. Ehm, 60 grammi.

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Correlati: ho sentito che gli agricoltori con lunghi recinti di filo che corrono paralleli alle linee elettriche potrebbero "rubare" accoppiati a 50/60 Hz CA. Non sono sicuro se questo sia vero o quanto potere sarebbe disponibile, ma ne sto indovinando una piccola quantità, ma abbastanza che le società elettriche hanno notato la perdita e sono andate a cercarla. Dopo aver speso i soldi per acquistare tutto quel filo per il tuo schema, potresti aver fatto meglio a comprare un pannello solare o un mulino a vento o ad acqua. Nessuno ti accuserà di avergli rubato in quel caso.

Forse potresti provare a raccogliere l'energia della gravità dalla pioggia che cade, ecc. Invece?

Non sono sicuro che questa risposta sia abbastanza completa da essere considerata una risposta corretta. Ma a parte questo, credo che il furto di elettricità sia tanto più dalla capacità creata dall'alta tensione e dalla terra, non necessariamente dall'interferenza EM generata da loro.

— Jarrod Christman,

Spesso possono rubare, i suoi due fili conduttori in parallelo, uno inducendo il flusso di elettroni nel secondo - l'elettromagnetismo.

@JarrodChristman: un filo lungo parallelo ad un altro filo lungo è effettivamente un trasformatore, quindi si adatta allo scenario di cui l'OP chiede, proprio nella gamma ELF di "radio". Se si trattasse di un effetto di capacità, allora una grande piastra o scatola di metallo - come un fienile - farebbe il lavoro. Non ne ho mai sentito parlare. Dovrebbe esserci un circuito completo in quel caso ...?

Hai ragione, dopo ulteriori ricerche, l'induzione ha più senso.

— Jarrod Christman,

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"Forse potresti provare a raccogliere l'energia della gravità dalla pioggia che cade, ecc. Invece?" Penso che chiamiamo quelle centrali idroelettriche. Sembra funzionare abbastanza bene. Forse uno potrebbe costruirne uno in miniatura posto sul fondo di un incanalamento. Probabilmente genera più potenza di uno di questi schemi RF.

— Tcrosley,

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Ci sono gruppi di ricerca che lo fanno: IEEE Paper Ce ne sono molti altri ma sono stanco di cercare su Google. Ricordo un articolo \ gruppo che stava catturando energia wireless per alimentare un microcontrollore. Alcuni MSP430 di TI possono funzionare con potenze molto basse (uAmps) TI MSP430 App Note e utilizzare una cella solare molto piccola o un'antenna per funzionare.

— Picco di tensione
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Il problema ha a che fare con la fisica e l'efficienza della conversione energetica. Un riassunto del lavoro sulla frequenza è nel seguente diagramma da [hemour2014towards] di seguito:

La risposta breve è che devi guidare un dispositivo per catturare energia e avere perdite su tutta la linea a causa delle realtà della produzione, come la mancata corrispondenza del dispositivo. Puoi trovare tutto ciò di cui hai bisogno per un corso intensivo riguardante i problemi della raccolta di energia RF leggendo:

@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}
}

Potrei fare tutte le derivazioni per te, ma ho appena letto quei due documenti non appena sono disponibili.

— b degnan
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Wow, possiamo effettivamente raccogliere il potere misurabile in milliwatt!

— Tim Spriggs,

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@TimSpriggs Physics è un'amante severa. :)

— gennaio

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Mi sono state poste più volte domande simili. Sembra assolutamente nessuna idea di valore.

Tutti i commenti sopra sono veri. Aggiungerei che la maggior parte della radiazione RF prodotta dalla nostra tecnologia viene assorbita da terra, pareti, corpi umani ecc. O foglie nello spazio. Nel primo caso, provoca il riscaldamento marginale di alcuni oggetti. Nel secondo caso, si perde per sempre.

L'unica eccezione sono i sistemi RF progettati specificamente per il trasferimento di energia o tenendo presente questa funzionalità. Tuttavia, non possono essere utilizzati per trasmissioni o comunicazioni.

Puoi vedere una chiara contraddizione: la trasmissione presuppone che l'energia RF fluisca liberamente in tutte le direzioni. La "raccolta di energia RF" presuppone che alcuni sistemi raccolgano tutta questa energia, quindi l'ultima è persa per le trasmissioni (o comunicazioni, connessioni WiFi ecc.).

— Maestro
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