RF Colheita de energia

Por que a energia investida na radiação de RF não pode ser totalmente aproveitada? Quais são os principais fatores que afetam isso? Existe alguma pesquisa significativa hoje em dia que descreva completamente esse processo? Estou na conclusão: "A energia se move de uma forma para outra.", Mas, neste caso, por que não pode ser colhida nessa quantidade para usá-la para alimentar dispositivos de baixa potência ou armazená-la em quantidades significativas em algumas baterias para mais tarde? usar? Por que não é lucrativo hoje em dia e por que não é usado hoje em dia como energia da água, vento e outras fontes de energia?

Considere uma antena que converte toda a energia elétrica de um oscilador de potência em uma transmissão de rádio eletromagnética. Digamos que 1 watt seja alimentado na antena e 1 watt é a potência emitida pelas ondas de rádio.

Esse poder é lançado na maioria das direções; assim como uma lâmpada emite energia luminosa em (virtualmente) todas as direções. A lâmpada não é apenas um exemplo semelhante; é exatamente o mesmo exemplo - a luz emitida é uma onda eletromagnética.

Agora imagine que você está a 1 metro dessa lâmpada com um painel solar 100% eficiente. Então imagine que você constrói vários painéis solares que cobrem exatamente e totalmente a lâmpada. Você conecta os painéis solares em série e vê quanta energia pode extrair. Bem, para este experimento mental, você pode realmente extrair 100% desse poder.

Então você fica a 10m de distância e faz o mesmo. Obviamente, você precisa de muito mais painéis solares, mas, assumindo que a luz emitida atinja totalmente os painéis e que não haja vazamento de luz além desses painéis, você receberá 100% de energia.

Portanto, isso pode ser feito, mas com grandes custos e inconvenientes. Mas não há muito problema com um raio laser afiado a lápis e um painel solar 100% eficiente. Se você conseguir focar a luz o suficiente, poderá coletar TODA a energia. Lembre-se de que este é apenas um exercício de reflexão e os painéis solares e as lâmpadas / lasers estão longe de serem 100% eficientes.

Voltando a uma onda de rádio transmitida, você pode construir uma antena parabólica e transmitir a uma frequência suficientemente alta para poder concentrar a maior parte da energia em uma antena de recepção (outra antena). Isso é feito em todo o país por militares e pessoas de telecomunicações para obter dados de linha de visão e comunicações de voz que são "amplamente" privadas, pois é difícil "roubar" uma escuta do que está sendo transmitido, a menos que você esteja próximo. as antenas e pegando um pequeno lóbulo lateral de energia.

Para o resto de todos os transmissores que transmitem, eles geralmente são dipolos e espalham sua energia emitida em todas as direções em pelo menos um plano. Isso permite que as estações de música sejam captadas com muita facilidade e esse é o objetivo.

Você pode facilmente colher essa energia? Não muito bem, porque o poder está voando pelo espaço e apenas uma fração é recebida pelos "ouvintes".

A antena de cada ouvinte é efetivamente uma rede (ou seja, possui uma "área" real, apesar de sua forma longa e fina), que capta a energia enviada pelo transmissor e a quantidade que ele captura normalmente é de femto watts. Normalmente, um receptor de RF (com risco de ser muito geral) pode trabalhar com cerca de 10 micro volts recebidos da antena e, calculando a média de uma ampla amostra de tipos de antena, essa tensão terá uma impedância de fonte de cerca de 50 ohms.

A potência liberada é, portanto, 5 uV ao quadrado / 50 = 5 femto watts.

Obviamente, quanto mais próximo você estiver do transmissor, maior a potência que pode ser liberada, mas, se tudo o que você está interessado é obter energia utilizável, use fios.

Se você fizesse as contas com a soma total de energia que pode ser colhida em qualquer ponto da Terra, não encontraria muitos lugares onde mais de um par de mili-watts pode ser obtido.

A energia solar e a colheita de energia de RF são basicamente as duas formas da mesma coisa - colheita de ondas eletromagnéticas.

Mesmo quando estamos no roteador? Eu li que alguns roteadores dão até 80mW

Os roteadores normalmente usam antenas de quarto de onda e, para coletar energia, você também pode usar uma antena de quarto de onda. A distância realista que você pode aproximar é de cerca de lambda (1 comprimento de onda) antes de começar a causar estranhos efeitos de carregamento na antena. Esta é uma distância de cerca de 0,1 metros, portanto, usando a equação de transmissão de Friis convertida em dB: -

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

Onde f é em MHz ed é em quilômetros. Esta equação indica quantos dB de perda de energia você pode esperar a uma determinada distância com uma determinada frequência portadora.

Para 2,45 GHz e 0,1 metros (0,0001 km), a perda é 32,45 + 67,6 - 80 = 20 dB.

Mas as antenas tx e rx têm um ganho de cerca de 4dB entre elas (porque são semidirecionais) e, portanto, a perda é de apenas 16 dB.

80 mW de entrada torna-se (teoricamente) 12,7 mW de saída.

Se generalizarmos sua pergunta um pouco para cobrir não apenas a captação de energia de RF, mas a captação de energia eletromagnética em geral, fazemos isso o tempo todo.

O sol é essencialmente um transmissor eletromagnético com uma potência de aproximadamente 4 × 10 ²⁶ watts. Uma fazenda solar muito grande tem uma saída (pico) de 6 × 10 ⁸ watts.

Para colocar isso em perspectiva, se você tivesse 8 kg de ouro e removesse um único átomo , isso é aproximadamente a mesma fração da energia recebida do sol.

São US $ 287.000 em ouro e você pode colher metade de um bilionésimo de centavo .

Se você pegasse todas as pessoas do mundo, colheria cerca de um aparador de unha como humano.

A razão, é claro, é que a maior parte da produção de energia solar nem atinge a Terra.

O problema é o mesmo com a colheita de energia de RF. De toda a energia de RF transmitida por todos os transmissores do mundo, apenas uma fração minúscula dela atingirá sua antena.

Relacionado: Ouvi dizer que agricultores com longas cercas de arame paralelas às linhas de energia podiam "roubar" 50/60 Hz CA acoplado. Não tenho certeza se isso é verdade ou quanta energia estaria disponível, mas estou supondo uma pequena quantidade, mas o suficiente para que as empresas de energia percebam a perda e procurem por ela. Depois de gastar o dinheiro para comprar todo esse fio para o seu esquema, é melhor comprar um painel solar ou um moinho de vento ou água. Ninguém o acusará de roubá-los nesse caso.

Talvez você possa tentar extrair energia da gravidade da chuva, etc.

Existem grupos de pesquisa fazendo o seguinte: Artigo IEEE Existem vários outros, mas estou cansado de pesquisar no Google. Lembro-me de um artigo \ grupo que capturava energia sem fio para alimentar um microcontrolador. Alguns dos MSP430 da TI podem funcionar com potências muito baixas (uAmps) Nota sobre o aplicativo TI MSP430 da TI e usar uma célula solar ou antena muito pequena para funcionar.

O problema tem a ver com a física e a eficiência da conversão de energia. Um resumo do trabalho sobre frequência está no seguinte gráfico de [hemour2014towards] abaixo:

A resposta curta é que você precisa dirigir um dispositivo para capturar energia e ter perdas em geral devido às realidades da fabricação, como incompatibilidade de dispositivos. Você pode encontrar tudo o que precisa para um curso intensivo sobre os problemas da coleta de energia de RF lendo:

@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}
}

Eu poderia fazer todas as derivações para você, mas basta ler esses dois documentos, pois estão disponíveis.

Me fizeram várias vezes perguntas semelhantes. Parece absolutamente nenhuma idéia de valor.

Todos os comentários acima são verdadeiros. Eu acrescentaria que a maior parte da radiação de RF que nossa tecnologia produz é absorvida pela terra, paredes, corpos humanos etc. ou sai para o espaço. No primeiro caso, causa aquecimento marginal de alguns objetos. No segundo caso, está perdido para sempre.

A única exceção são os sistemas de RF projetados especificamente para transferência de energia ou mantendo essa funcionalidade em mente. No entanto, eles não podem ser usados ​​para transmissão ou comunicação.

Você pode ver uma clara contradição: a transmissão pressupõe que a energia de RF flua livremente em todas as direções. A "coleta de energia de RF" pressupõe que algum sistema colete toda essa energia; portanto, as últimas são perdidas para transmissão (ou comunicações, conexões Wi-Fi, etc.).