Der perfekte Wi-Fi-Energy-Harvester wird knapp Kopfgeld

Perfekter Wi-Fi-Energie-Harvester sammelt kaum Kopfgeld

Ich bin ziemlich verrückt, wenn es um Energieeffizienz geht. Es stört Wenn die Idioten, die mein Haus gebaut haben, die Aktuelle Informationen zu der Zeit, würde mein Haus erfordern Fast keine Heizung. Eine Sache, die mich wirklich begeistert, ist die Aussicht auf Wiederverwendung von Abfällenergie. Ich mag die Idee, Energie zu nehmen das wäre sonst dazu bestimmt, in das zu diffundieren Umwelt und verwandeln es in etwas Nützliches.

Als solches war es unvermeidlich, dass ein Papier zur Wiedergewinnung von Mikrowellen geeignet war Energie würde meine Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Und ja, ich werde es dir zufügen, Leider scheint das Ernten von WLAN-Strahlung nicht sinnvoll zu sein wie es uns sehr gewinnen wird. Aber bevor wir dazu kommen, lassen Sie uns werfen sie einen blick auf die coolen ideen hinter dem mähdrescher.

Reflexionen stoppen

Die Grundidee für das Sammeln von Wi-Fi-Strahlung ist sehr alt Erstens: Bauen Sie einfach einen Stromkreis, der die gesamte Mikrowelle absorbiert Energie. Nehmen wir eine sehr künstliche Situation: Stellen Sie sich eine Mikrowelle vor Reisen entlang eines Koaxialkabels. Ein Koaxialkabel besteht aus ein zentraler leitender Draht, der in einem Zylinder aus nichtleitendem Material eingeschlossen ist dielektrisches Material, alles in einen Leiter gewickelt. Die Kraft aus dem Mikrowellen werden nicht “in” der zentralen Leitung übertragen. Es ist tatsächlich so in den elektrischen und magnetischen Feldern im Dielektrikum. Diese Ausbreitung als Wellen entlang des Kabels mit einer Geschwindigkeit, die teilweise ist gegeben durch die Eigenschaften des dielektrischen Materials.

Wenn die Welle auf das Ende des Kabels trifft, liegt ein Problem vor. Richtig an der Grenze zwischen der Luft und dem dielektrischen Material ist die Welle muss sofort von einer Geschwindigkeit zur anderen wechseln. Wenn die gesamte Leistung in der Mikrowelle sollte aus dem übertragen werden Am Ende des Kabels müsste das elektrische Feld zwei haben unterschiedliche Werte zur gleichen Zeit und am gleichen Ort, was nicht passieren kann. Die Welle wird also vom Ende reflektiert und kehrt zum Ende zurück Kabel (möglicherweise den Sender dabei zerstören).

Wenn wir nicht wollen, dass die Macht reflektiert wird, müssen wir kündigen das kabel so, dass es aussieht (aus der mikrowelle) Perspektive) wie das Kabel nur auf unbestimmte Zeit weiter. Das ist Matching genannt, und es ist ein wesentliches Konzept in der Mikrowelle Technik, Optik und eigentlich so ziemlich überall in der Welt Physik und Ingenieurwesen.

Bei einem Koaxialkabel wird üblicherweise das Dielektrikum gewählt so dass ein 50Ohm Widerstand den Eigenschaften des Kabels entspricht. Also, wenn ich einen 50Ohm Widerstand zwischen die Außenseite stecke, leitend Beschichtung und der zentrale Draht, wird die gesamte Mikrowellenenergie sein vom Widerstand absorbiert.

Für ein Koaxialkabel oder in der Tat für jede Übertragungsleitung, Entwerfen eines Stromkreises, der den Eigenschaften des Linie ist nicht so schwer. Und in der Tat die Antenne auf Ihrem Handy hat genau diese Art von Schaltung: die Antenne und ihre Abschlussschaltung müssen zueinander passen und müssen stimmen so gut wie möglich mit den Eigenschaften der Ausbreitung von freiem Speicherplatz überein möglich. Eine gute Übereinstimmung bedeutet, dass Sie viel Strahlung absorbieren können eine kleine Antenne.

Wi-Fi-Verschwendung

Wi-Fi ist den gleichen Einschränkungen ausgesetzt wie Receiver. Aber seine Energie geht nicht einfach zur Empfangsantenne; es breitet sich zu viel aus breiteren Bereich. Dies bedeutet, dass der größte Teil der Energie verloren geht. Wenn wir Wenn wir die richtige Art von Antennen um den Ort platzieren würden, könnten wir viel Energie zurückgewinnen, oder? Nun, es ist irgendwie schwierig.

Zunächst müssten solche Empfänger gebaut werden in die Wände des Hauses oder der Wohnung. Was bedeutet, dass im Gegensatz zu Die Antennen der Geräte können nicht optimal eingestellt werden Rezeption. In der Zwischenzeit kommt das WLAN-Signal von jedem an Richtung und die Polarisation (die räumliche Orientierung der elektrisches Feld in Bezug auf die Richtung, in die sich die Welle bewegt) könnte alles sein. Antennen sind sowohl richtungs- als auch richtungsempfindlich Polarisation.

Dann gibt es die Tatsache, dass die Energie sehr dünn verteilt ist. Beim Als Quelle könnten wir etwa 10mW Strahlungsleistung haben. Bewegen Sie sich jedoch 10 Meter entfernt und die Kraft strömt durch Ihren Körper würde 10-20 Mikrowatt betragen. Die Verluste häufen sich also. Die Entfernung ist ein Problem, und wenn Ihre Antenne nur für eine geeignet ist Polarisation, Sie verlieren sofort die Hälfte davon. Dann können Sie hinzufügen Verluste im Stromkreis nehmen die Mikrowellenenergie auf und ab Wandeln Sie es in eine Gleichstromversorgung um. Es fängt an, sehr schwierig auszusehen Problem.

Gehen Sie Meta auf Antennen

Um diese Art von Problemen zu umgehen, arbeiten drei Forscher schlug ein Antennennetzwerk vor, das versucht, diese zu minimieren Verluste.

Der erste Schritt bestand darin, die Polarisationsabhängigkeit zu beseitigen. Der Weg dass sie dies taten, war eine Patchantenne zu entwerfen (eine Antenne, die ist ein flacher Metallfleck, auf den optimal reagiert wird vertikal und horizontal polarisierte Mikrowellen. Obwohl die Antennen reagieren auf beide Polarisationen, den physikalischen Standort von der Draht, der die Antenne mit dem Rest der Schaltung verbindet bestimmt, welche Polarisation Leistung liefert. Antennen, die haben seitlich angebrachte Drähte sind empfindlich gegen horizontal polarisierte Licht, während Antennen mit einem Kabel an der Spitze sind empfindlich zu vertikal polarisiertem Licht.

(Ich verwende hier das Wort “angehängt” im weitesten Sinne. Die Anschlußdrähte können selbst als Antennen mit gedacht werden die Patchantenne sendet die empfangene Energie an das Kabel zurück.)

Um einen Energy Harvester nach diesem Konzept zu bauen, wurde der Die Forscher erstellten ein Antennengitter. Spalten mit ungeraden Zahlen von Antennen wurden so eingerichtet, dass sie vertikal polarisiertes Licht empfangen Es wurden geradzahlige Spalten eingerichtet, um horizontal polarisiert zu empfangen Licht.

Du denkst vielleicht, dass das albern ist, weil du die Hälfte verlierst die Leistung von jeder Polarisation. Dies ist jedoch nicht der Fall. Das Alle Antennen sprechen miteinander. Die Spalte von Antennen, die ist Oben eingekoppelt erhält man noch beide Polarisationen. Das vertikal polarisierte Mikrowellen werden an die lokalisierten Drähte weitergeleitet Nahe der Oberseite jeder Antenne. Die horizontal polarisierten Mikrowellen werden zu den Antennen in benachbarten Spalten geleitet, wo sie sich dann befinden an die Drähte weitergeleitet, die sich neben jeder Antenne befinden. Mit Durch das richtige Design kann die gesamte einfallende Leistung an den Stromumwandlungsschaltung.

Die Antenne sieht also im Grunde wie ein Gitter aus Metallfeldern aus auf einem nicht leitenden Material sitzen. Und wie unser Koaxialkabel von früher wird die Energie, die die Antenne sammelt, im gespeichert Felder, die sich im dielektrischen Material befinden. Das heißt, wir wollen eine dielektrisches Material, das so wenig Energie wie möglich aufnimmt. Das Die vom Dielektrikum aufgenommene Energiemenge wird häufig mit gemessen so etwas nennt man den Verlust-Tangens. Die Forscher suchten nach – und gefunden – ein Material, dessen Verlustfaktor etwa 100-mal kleiner ist als die am häufigsten verwendeten Materialien in Leiterplatten.

Lassen Sie die Realität nicht in die Nähe meines Modells kommen

In Modellen absorbiert das Antennenarray jetzt natürlich 100 Prozent aller bekannten Wi-Fi-Strahlung (nun ja, 2,4 GHz Wi-Fi-Strahlung). Aber Wie funktioniert das in der Realität? Dort wird die Geschichte komplizierter. Wenn die an die Koppelleitungen gesendete Energie direkt gemessen wird, dann Die Energieübertragung beträgt ungefähr 97 Prozent, was ziemlich verflixt ist gut.

Aber wir wollen diese Energie nutzen, und genau hier setzen die Dinge an tauchen. Wenn die Drähte direkt mit Lastwiderständen gekoppelt sind (so wir verwandle die Wi-Fi-Energie in Wärme Prozent der Strahlung werden von den Lastwiderständen absorbiert. Der Verlust von fünf Prozent ist auf die Absorption im Dielektrikum zurückzuführen Material, da die Energie auf die Lastwiderstände übertragen wird.

Die realen Verluste beginnen, wenn die Energie von umgewandelt wird Mikrowellenleistung auf ein nutzbares elektrisches Gleichstromsignal. Auch in Modellen, hier ist nur ein Wirkungsgrad von 80 Prozent möglich. In Experimenten wurde die Forscher schafften etwa 70 Prozent. Normalerweise würde ich 70 nehmen Prozent, aber nicht bei dieser Gelegenheit. Das Problem ist, dass Sie nur bekommen 70-prozentige Umwandlungseffizienz, wenn die einfallende Leistung recht hoch ist hoch. Tatsächlich testeten die Forscher die Einfallskräfte (und das ist die auf das Antennennetz fallende Gesamtleistung (keine Strahlungsleistung) von 1 bis 10 mW. Bei 1 mW betrug der Umwandlungswirkungsgrad etwa 30 Prozent. Skalieren des vage linearen Trends (auf einer logarithmischen Skala) für die Verwendung in der Praxis eines 100mW Senders etwa 10m von der Antenne entfernt Die einfallende Leistung liegt in der Größenordnung von einem Mikrowatt. Das entspricht eine Umwandlungseffizienz von etwa fünf Prozent, was eigentlich nicht der Fall ist scheine so gut.

Das Problem liegt nach Ansicht der Forscher in der Kraft Conversion-Netzwerk. Es gibt einige Verluste beim Übertragen der Leistung auf der Teil, in dem die Mikrowellenleistung in Gleichstrom umgewandelt wird Leistung. Aber es gibt noch größere Verluste in den Dioden. Nur Dioden Lassen Sie den Strom in eine Richtung fließen, damit ein Netzwerk von Dioden Nehmen Sie das oszillierende Mikrowellenfeld, in dem sich die Spannung ändert von negativ nach positiv alle paar Nanosekunden, bis zu einer Spannung, die ist nur positiv.

Dioden sind nicht perfekt – sie brauchen Zeit, um zu wechseln, und sie erfordern, dass die angelegte Spannung vorher einen bestimmten Wert erreicht Sie lassen Strom fließen. Das Ergebnis ist, dass viele der Mikrowellenleistung wird nicht umgewandelt, sondern geht als Wärme verloren, weil es ist unterhalb dieser Schwelle.

Ich bin mir ziemlich sicher, dass dies für die Funktionsweise von Dioden von grundlegender Bedeutung ist. Also, obwohl diese Verluste etwas reduziert werden können, denke ich nicht, dass wir es sind Dioden, die um eine Größenordnung effizienter sind irgendwann bald. Andererseits denke ich, dass die Autoren streiten könnten dass es nicht so wichtig ist. Sie sehen, weil die Antennen alle miteinander koppeln, kann das Raster vergrößert werden, so dass sich die Summe ergibt Der Strom, der auf das Netz fällt, ist groß genug, um die Spitze zu erreichen Effizienz.

Ich bin mir nicht sicher, ob das auch funktioniert. In 10m Entfernung befindet sich der Das Antennengitter muss eine ganze Wand eines Raumes bedecken. Das ist das Verwendungszweck natürlich. Leider ist das wo anders Probleme treten auf. Derzeit ist die Übertragung der Kraft aus dem Einzelne Antennen zu den Dioden kosten uns rund fünf Prozent die Gesamtleistung. Die Leistungsverluste skalieren jedoch mit der Entfernung. Und in unserem reales Szenario, in dem Antennen über ein ganzes Feld verteilt sind Wand vergrößern sich die Abstände um den Faktor 40.

Die Schlussfolgerung ist, dass das Antennendesign wirklich cool ist. Es hat Der Vorteil, dass es funktioniert, egal in welcher Richtung zum Wi-Fi-Sender und unabhängig von der Störung. Aber die Die Antenne muss mit nicht idealen Komponenten gekoppelt werden, und diese wirklich Machen Sie es sich schwer, sich vorzustellen, wie es in der Realität funktioniert Welt.

Ich will mein halbes Watt zurück

Wenn wir könnten, wäre es das wert? “Ja”, denkt mein Energie-Effizienz-besessenes Gehirn, “natürlich würde es.” Aber einmal Der Rest meines Gehirns hat sich eine Weile in Kaffee eingeweicht viel weniger lohnenswert.

Entsprechend den Angaben auf meinen Basisstationen ist die Die Sendeleistung beträgt maximal 100 bis 200 mW pro Kanal. ich habe eine Dualband- und eine Triband-Basisstation oder etwa 800 mW Hochfrequenzleistung (maximal). In Bezug auf meine Kraft Rechnung, das entspricht ca. 0,02 kWh pro Monat. Nun ist die Macht von den angeschlossenen Geräten aufgenommen wird, ist vernachlässigbar. Mein Computer ist Derzeit werden -54 dBm gemeldet, was knapp vier entspricht Mikrowatt. Nehmen wir also an, dass das gesamte WLAN Strom überträgt ist für die Wiederherstellung verfügbar.

Dies bedeutet, dass die Energie aus der Mikrowelle zurückgewonnen wird Die von meinen Wi-Fi-Basisstationen ausgestrahlte Strahlung würde mir ungefähr zwei ersparen Dollar pro Jahr. Anders ausgedrückt, ich würde 0,02 kWh aus meinen ernten Gesamter monatlicher (elektrischer) Energieverbrauch, der im Winter beträgt etwa 19 kWh pro Tag.

Das heißt aber nicht, dass dies völlig nutzlos ist. Es könnte sein Wertvoll für die drahtlose Stromversorgung. Mikrowellen können auf fokussiert werden relativ kleine Flächen. Und mit einigem Aufwand einen Sender kann die Mehrwegestörung in den meisten Umgebungen zur Übertragung nutzen Die Leistung effizient auf ein kleines Zielgebiet übertragen, dabei aber immer noch halten die Leistungsdichte im übrigen Umfeld relativ gering (so niemand geht durch Strahlenbündel von 100W). Unter diesen Umstände, ein Antennensystem, das sehr flexibel und hoch ist Effizient macht die Umsetzung der gesamten Idee ein bisschen einfacher. Und, vorausgesetzt die Umwandlungseffizienz war angemessen, denke ich Das würde den meisten von uns gefallen.

Eine zweite Möglichkeit könnte darin bestehen, bessere Wi-Fi-Netzwerke zu schaffen. Die meisten der Probleme im Zusammenhang mit Wi-Fi-Netzwerken sind auf Interferenzen, entweder Mehrwegestörungen durch Ihr eigenes WLAN Sender- oder Kanalwettbewerb zwischen Nachbarn. Nun ein Weg zu Dies kann behoben werden, indem diese Platinen (ohne Stromversorgung) platziert werden Konvertierungselektronik) an strategischen Orten im Haushalt, wo sie einige dieser Störungen blockieren würden. Der Vorteil sie über ein einfaches blatt aluminiumfolie müsste das antennen auf diese Weise haben eine größere effektive Fläche als ihre physikalische Größe. Das bedeutet, dass für manche Situationen ein paar Quadratmeter Folie benötigt werden könnte durch eine kleinere Antenne ersetzt werden.

Reichen diese beiden Anwendungsfälle aus, um dies zu entwickeln? System? Ich bin mir nicht sicher. Trotzdem wette ich mit diesen Antennendesigns irgendwo in einem Gerät auftauchen.

Scientific Reports, 2017, DOI: 10.1038 / s41598-017-15298-5

Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: