RF Energy Harvesting

Warum kann in HF-Strahlung investierte Energie nicht vollständig genutzt werden? Was sind die Hauptfaktoren, die dies beeinflussen? Gibt es heutzutage bedeutende Forschungsergebnisse, die diesen Prozess vollständig beschreiben? Ich stehe zu dem Schluss: "Energie wandert von einer Form in eine andere." Warum kann sie in diesem Fall nicht in dieser Menge geerntet werden, um Geräte mit geringem Stromverbrauch mit Strom zu versorgen oder sie für später in einigen Batterien in erheblichen Mengen aufzubewahren? verwenden? Warum ist es heutzutage nicht rentabel und warum wird es heute nicht wie Energie aus Wasser, Wind und anderen Energiequellen verwendet?

Stellen Sie sich eine Antenne vor, die die gesamte elektrische Energie eines Leistungsoszillators in eine elektromagnetische Funkübertragung umwandelt. Nehmen wir an, 1 Watt wird der Antenne zugeführt und 1 Watt ist die abgestrahlte Radiowellenleistung.

Diese Kraft wird in die meisten Richtungen ausgestoßen. Genau wie eine Glühbirne sendet sie Lichtleistung in (praktisch) alle Richtungen aus. Die Glühbirne ist nicht nur ein ähnliches Beispiel, es ist genau dasselbe Beispiel - das emittierte Licht ist eine elektromagnetische Welle.

Stellen Sie sich vor, Sie sind 1 Meter von dieser Glühbirne mit einem 100% effizienten Solarpanel entfernt. Stellen Sie sich dann vor, Sie bauen mehrere Sonnenkollektoren, die die Glühbirne exakt und vollständig abdecken. Sie verdrahten die Solarmodule in Reihe und sehen, wie viel Strom Sie extrahieren können. Nun, für dieses Gedankenexperiment können Sie tatsächlich 100% dieser Kraft extrahieren.

Dann stehst du 10m entfernt und machst dasselbe. Natürlich benötigen Sie viel mehr Sonnenkollektoren, aber wenn das emittierte Licht vollständig auf die Kollektoren trifft und kein Licht über diese Kollektoren austritt, erhalten Sie 100% Leistung.

So kann es gemacht werden, aber mit großem Aufwand und Unannehmlichkeiten. Mit einem bleistiftscharfen Laserstrahl und einem zu 100% effizienten Solarpanel ist dies jedoch kein allzu großes Problem. Wenn Sie das Licht ausreichend fokussieren können, können Sie ALLE Energie sammeln. Denken Sie daran, dies ist nur eine Gedankenübung, und Sonnenkollektoren und Lampen / Laser sind bei weitem nicht zu 100% effizient.

Wenn Sie auf eine gesendete Funkwelle zurückgreifen, können Sie eine Parabolantenne bauen und mit einer ausreichend hohen Frequenz senden, um den größten Teil der Leistung auf eine Empfangsantenne (eine andere Antenne) zu konzentrieren. Dies wird im ganzen Land von Militärs und Telekommunikationsunternehmen durchgeführt, um Daten und Sprachkommunikation aus der Sicht zu erhalten, die "weitgehend" privat sind, da es schwierig ist, das zu "stehlen", was übertragen wird, wenn Sie nicht in der Nähe sind die Antennen und hob einen kleinen Nebenhub an Energie auf.

Bei den übrigen Sendern handelt es sich in der Regel um Dipole, die ihre in alle Richtungen abgestrahlte Energie in mindestens einer Ebene verteilen. So können Musiksender ganz einfach abgeholt werden und das ist natürlich das Ziel.

Kannst du diese Energie leicht ernten? Nicht sehr gut, weil die Energie weitgehend in den Weltraum abfliegt und nur ein Bruchteil von "Zuhörern" empfangen wird.

Die Antenne jedes Zuhörers ist praktisch ein Netz (dh es hat trotz seiner langen, dünnen Form eine echte "Fläche"), das die von diesem Sender gesendete Leistung erfasst, und die Menge, die es erfasst, beträgt üblicherweise Femto-Watt. Normalerweise kann ein HF-Empfänger (mit dem Risiko, zu allgemein zu sein) mit ungefähr 10 Mikrovolt arbeiten, die von der Antenne empfangen werden, und diese Spannung hat im Durchschnitt über eine breite Stichprobe von Antennentypen eine Quellenimpedanz von ungefähr 50 Ohm.

Die freiwerdende Leistung beträgt daher 5 µV im Quadrat / 50 = 5 Femto-Watt.

Je näher Sie sich dem Sender befinden, desto mehr Leistung kann freigesetzt werden. Wenn Sie sich jedoch nur für eine nutzbare Leistung interessieren, verwenden Sie Kabel.

Wenn Sie die Gesamtenergie berechnen, die an einem beliebigen Punkt der Erde gewonnen werden kann, würden Sie nicht viele Stellen finden, an denen mehr als ein paar Milliwatt gesammelt werden können.

Solarenergie und HF-Energiegewinnung sind im Grunde genommen beide Formen der gleichen Sache - elektromagnetische Wellengewinnung.

Auch wenn wir am Router stehen? Ich habe gelesen, dass manche Router bis zu 80mW abgeben

Router verwenden normalerweise Viertelwellenantennen. Zum Sammeln von Energie können Sie auch eine Viertelwellenantenne verwenden. Die realistische Entfernung, die Sie aus nächster Nähe erreichen können, beträgt ungefähr Lambda (1 Wellenlänge), bevor Sie ungewöhnliche Belastungseffekte auf die Antenne auslösen. Dies ist ein Abstand von ungefähr 0,1 Metern, so dass unter Verwendung der Friis-Übertragungsgleichung in dB umgerechnet:

Verlust (dB) = 32,45 + 20 (f) + 20 (d) l o g $log_{10}$$log_{10}$

Dabei ist f in MHz und d in Kilometern. Diese Gleichung gibt an, wie viele dB Verlustleistung bei einer bestimmten Entfernung und einer bestimmten Trägerfrequenz zu erwarten sind.

Für 2,45 GHz und 0,1 Meter (0,0001 km) beträgt der Verlust 32,45 + 67,6 - 80 = 20 dB.

Die Empfangs- und Empfangsantennen haben jedoch einen Gewinn von ca. 4 dB (da sie halbgerichtet sind), so dass der Verlust nur ca. 16 dB beträgt.

80 mW in werden (theoretisch) 12,7 mW aus.

Wenn wir Ihre Frage ein wenig verallgemeinern, um nicht nur die HF-Energiegewinnung, sondern die elektromagnetische Energiegewinnung im Allgemeinen abzudecken, tun wir dies die ganze Zeit.

Die Sonne ist im Wesentlichen ein elektromagnetischer Sender mit einer Leistung von ca. 4 × 10 ²⁶ Watt. Ein sehr großer Solarpark hat eine (Spitzen-) Leistung von 6 × 10 ⁸ Watt.

Wenn Sie also 8 Kilogramm Gold hatten und ein einzelnes Atom entfernt haben, entspricht dies in etwa dem Bruchteil der von der Sonne empfangenen Energie.

Das sind 287.000 US-Dollar Gold, und Sie können die Hälfte eines Billionstel Cent ernten .

Wenn Sie alle Menschen auf der Welt mitnehmen würden, würden Sie den menschlichen Wert eines Fingernagelschnittes ernten.

Der Grund ist natürlich, dass der größte Teil der Sonnenenergie nicht einmal die Erde trifft.

Das Problem ist ähnlich wie beim RF Energy Harvesting. Von der gesamten HF-Energie, die von allen Sendern der Welt gesendet wird, trifft nur ein winziger Bruchteil auf Ihre Antenne.

In Verbindung stehend: Ich hörte, dass Landwirte mit langen Drahtzäunen, die parallel zu Stromleitungen verlaufen, gekoppelte 50/60 Hz Wechselstrom "stehlen" konnten. Ich bin mir nicht sicher, ob dies zutrifft oder wie viel Strom zur Verfügung steht, aber ich vermute eine kleine Menge, aber genug, dass die Energieversorger den Verlust bemerkten und danach suchten. Nachdem Sie das Geld ausgegeben haben, um den ganzen Draht für Ihr Projekt zu kaufen, hätten Sie vielleicht besser ein Solarpanel, eine Wind- oder Wassermühle gekauft. Niemand wird Sie beschuldigen, in diesem Fall von ihnen gestohlen zu haben.

Vielleicht könnten Sie stattdessen versuchen, Schwerkraftenergie aus fallendem Regen usw. zu gewinnen?

Es gibt Forschungsgruppen, die dies tun: IEEE-Papier Es gibt noch einige andere, aber ich bin es leid, zu googeln. Ich erinnere mich an einen Artikel, der drahtlose Energie zur Stromversorgung eines Mikrocontrollers aufzeichnete. Einige der MSP430 von TI können mit sehr geringen Leistungen (uA) betrieben werden. TI MSP430 App Note: Verwenden Sie zum Betrieb entweder eine sehr kleine Solarzelle oder eine Antenne.

Das Problem hat mit der Physik und der Effizienz der Energieumwandlung zu tun. Eine Zusammenfassung der Arbeit über die Häufigkeit finden Sie in der folgenden Darstellung von [hemour2014towards]:

Die kurze Antwort lautet: Sie müssen ein Gerät ansteuern, um Energie zu gewinnen, und Sie haben auf der ganzen Linie Verluste aufgrund der Realitäten der Herstellung, wie z. B. Gerätefehlanpassungen. Alles, was Sie für einen Crashkurs zum Thema RF Energy Harvesting benötigen, finden Sie unter:

@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}
}

Ich könnte alle Ableitungen für Sie erledigen, aber lesen Sie einfach diese beiden Dokumente, sobald sie verfügbar sind.

Mir wurden mehrere Male ähnliche Fragen gestellt. Es sieht aus wie absolut keine Wertidee.

Alle obigen Kommentare sind wahr. Ich möchte hinzufügen, dass der größte Teil der HF-Strahlung, die unsere Technologie erzeugt, entweder von Erde, Wänden, menschlichen Körpern usw. oder von Blättern in den Weltraum absorbiert wird. Im ersten Fall kommt es zu einer geringfügigen Erwärmung einiger Objekte. Im zweiten Fall ist es für immer verloren.

Die einzige Ausnahme bilden HF-Systeme, die speziell für die Leistungsübertragung oder die Berücksichtigung dieser Funktionalität entwickelt wurden. Sie können jedoch nicht für Rundfunk oder Kommunikation verwendet werden.

Sie sehen einen klaren Widerspruch: Rundfunk geht davon aus, dass HF-Energie in alle Richtungen frei fließt. "Ernten von HF-Energie" setzt voraus, dass ein System all diese Energie sammelt, sodass die neueste für die Übertragung (oder Kommunikation, WiFi-Verbindungen usw.) verloren geht.