Estoy bastante loco cuando se trata de eficiencia energética. Molesta saber que si los imbéciles que construyeron mi casa hubieran usado última información disponible en ese momento, mi casa requeriría Casi no hay calefacción. Una cosa que realmente me emociona es la La posibilidad de reutilizar la energía residual. Me gusta la idea de tomar energia que de otro modo estaría destinado a difundirse en el entorno y convertirlo en algo útil.
Como tal, era inevitable que un documento sobre la recuperación de microondas La energía llamaría mi atención. Y sí, te lo infligiré, Desafortunadamente, la recolección de radiación Wi-Fi no parece como si nos ganara mucho. Pero antes de llegar a eso, vamos Echa un vistazo a las ideas geniales detrás de la cosechadora.
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Deteniendo reflexiones
La idea básica detrás de la recolección de radiación Wi-Fi es muy antigua. uno: simplemente construya un circuito que absorba todo ese microondas energía. Tomemos una situación muy artificial: imagina un microondas viajando a lo largo de un cable coaxial. Un cable coaxial consta de un cable conductor central encerrado en un cilindro de no conductor material dieléctrico, todo envuelto en un conductor. El poder de la las microondas no se transmiten “en” el cable central. En realidad es en los campos eléctricos y magnéticos en el dieléctrico. Estas propagarse como ondas por el cable con una velocidad que es parcialmente dada por las propiedades del material dieléctrico.
Cuando la onda llega al final del cable, tiene un problema. Derecho en el límite entre el aire y el material dieléctrico, el la onda tiene que cambiar instantáneamente de una velocidad a otra. Si toda la potencia en el microondas debía transmitirse fuera del extremo del cable, el campo eléctrico tendría que tener dos diferentes valores al mismo tiempo y lugar, lo que no puede suceder. Entonces, la onda se refleja desde el final y vuelve a subir cable (posiblemente destruyendo el transmisor en el proceso).
Si no queremos que se refleje el poder, tenemos que terminar el cable de tal manera que se vea (del microondas perspectiva) como el cable solo continúa indefinidamente. Esto es llamado emparejamiento, y es un concepto esencial en microondas ingeniería, óptica y, en realidad, prácticamente en todas partes en física e ingeniería.
En el caso de un cable coaxial, generalmente se elige el dieléctrico de modo que una resistencia de 50 ohmios coincida con las propiedades del cable. Entonces, si pongo una resistencia de 50 ohmios entre el conductor externo recubrimiento y el cable central, toda la energía de microondas será absorbido por la resistencia.
Para un cable coaxial o, de hecho, para cualquier línea de transmisión, diseñar un circuito eléctrico que coincida con las propiedades de la La línea no es tan difícil. Y, de hecho, la antena en su El teléfono móvil tiene exactamente este tipo de circuito: la antena y su el circuito de terminación debe coincidir entre sí y deben igualar las propiedades de propagación del espacio libre tan estrechamente como posible. Una buena coincidencia significa que puede absorber mucha radiación de Una pequeña antena.
Desperdicio de Wi-Fi
Wi-Fi se enfrenta a las mismas restricciones que los receptores. Pero su energía no solo va a la antena receptora; se extiende a mucho área más amplia. Esto significa que la mayor parte de la energía se pierde. Si nosotros si colocamos el tipo correcto de antenas alrededor del lugar, podríamos recuperar mucha de esa energía, ¿verdad? Bueno, es un poco complicado.
En primer lugar, este tipo de receptores tendrían que construirse en las paredes de la casa o departamento. Lo que significa que, a diferencia de Las antenas en los dispositivos, no se pueden ajustar para un óptimo recepción. Mientras tanto, la señal de Wi-Fi llega desde cada dirección, y la polarización (la orientación espacial de la campo eléctrico relativo a la dirección en que viaja la onda) Podría ser cualquier cosa. Las antenas son sensibles a ambas direcciones y polarización.
Luego está el hecho de que la energía se extiende muy delgada. A la fuente, podríamos tener algo así como 10 mW de potencia radiada. Pero, aléjese a 10 metros de distancia y el poder que atraviesa su cuerpo equivaldría a 10-20 microvatios. Entonces las pérdidas simplemente se acumulan. La distancia es un problema y, si su antena solo es buena para uno polarización, pierde la mitad de eso inmediatamente. Entonces puedes agregar cualquier pérdida en el circuito para tomar la energía de microondas y bajar conviértalo a un suministro de CC. Empieza a parecer muy difícil. problema.
Yendo meta en antenas
Para sortear este tipo de problemas, un trío de investigadores sugirió una red de antena que trata de minimizar estos pérdidas.
El primer paso fue eliminar la dependencia de polarización. La manera lo que hicieron fue diseñar una antena de parche (una antena que es un parche plano de metal) que respondería de manera óptima a microondas polarizados vertical y horizontalmente. Aunque el Las antenas responden a ambas polarizaciones, la ubicación física de el cable que une la antena al resto de los circuitos determina qué polarización proporciona energía. Antenas que tienen los cables unidos a los lados son sensibles a la polarización horizontal luz, mientras que las antenas con un cable conectado en la parte superior son sensibles a la luz polarizada verticalmente.
(Uso la palabra “adjunto” en el sentido más flexible posible aquí. Los cables de conexión pueden considerarse como antenas, con la antena de parche vuelve a irradiar la potencia recibida al cable).
Para crear una cosechadora de energía basada en este diseño, el Los investigadores crearon una red de antenas. Columnas impares de se instalaron antenas para recibir luz polarizada verticalmente, mientras columnas pares fueron configuradas para recibir polarizadas horizontalmente ligero.
Ahora, podrías pensar que esto es una tontería, porque pierdes la mitad El poder de cada polarización. Pero este no es el caso. los Todas las antenas hablan entre sí. La columna de antenas que es acoplado en la parte superior todavía recibe ambas polarizaciones. los las microondas polarizadas verticalmente se pasan a los cables ubicados cerca de la parte superior de cada antena. Las microondas polarizadas horizontalmente se pasan a las antenas en columnas adyacentes, donde están entonces pasó a los cables ubicados cerca del lado de cada antena. Con el diseño correcto, todo el poder incidente puede pasar al circuito de conversión de energía.
Entonces, la antena se ve, básicamente, como una rejilla de parches de metal sentado en un material no conductor. Y, como nuestro cable coaxial de antes, el poder que reúne la antena se almacena en el campos que están en el material dieléctrico. Eso significa que queremos un material dieléctrico que absorbe la menor potencia posible. los La cantidad de energía absorbida por el dieléctrico a menudo se mide por algo llamado la tangente de pérdida. Los investigadores buscaron y encontrado: un material que tiene una tangente de pérdida aproximadamente 100 veces más pequeña que los materiales más utilizados en placas de circuito impreso.
No dejes que la realidad se acerque a mi modelo
Ahora, por supuesto, en los modelos, el conjunto de antenas absorbe el 100 por ciento de todas las radiaciones Wi-Fi conocidas (bueno, radiación Wi-Fi de 2.4GHz). Pero �Cómo funciona en realidad? Allí la historia se vuelve más complicada. Si la energía enviada a los cables de acoplamiento se mide directamente, entonces la transferencia de energía es de alrededor del 97 por ciento, lo cual es bastante maldito bueno.
Pero queremos usar esa energía, y ahí es donde las cosas requieren bucear. Si los cables están directamente acoplados a las resistencias de carga (entonces convertir la energía de Wi-Fi en calor), entonces todavía funciona bien, con 92 Porcentaje de la radiación absorbida por las resistencias de carga. La pérdida del cinco por ciento se debe a la absorción en el dieléctrico. material a medida que la energía se transmite a las resistencias de carga.
Las pérdidas reales comienzan cuando la energía se transforma de potencia de microondas a una señal eléctrica de CC utilizable. Incluso en modelos, solo el 80 por ciento de eficiencia es posible aquí. En experimentos, el Los investigadores lograron alrededor del 70 por ciento. Normalmente, tomaría 70 por ciento, pero no en esta ocasión. El problema es que solo obtienes Eficiencia de conversión del 70 por ciento cuando el poder incidente es bastante alto. De hecho, los investigadores probaron poderes incidentes (y esto es la potencia total que cae en la red de la antena, no la potencia radiada) de 1 a 10mW. A 1 mW, la eficiencia de conversión fue de aproximadamente el 30 por ciento. Escalando la tendencia vagamente lineal (en una escala logarítmica) para uso en el mundo real de un transmisor de 100 mW ubicado a unos 10 m de la antena, el La potencia incidente es del orden de un microvatio. Eso corresponde a una eficiencia de conversión de alrededor del cinco por ciento, que en realidad no parece tan bueno
El problema, según los investigadores, radica en el poder red de conversión Hay algunas pérdidas que transmiten el poder a la parte donde la potencia de microondas se convierte en corriente continua poder. Pero hay pérdidas aún mayores en los diodos. Solo diodos permitir que la corriente fluya en una dirección, por lo que una red de diodos puede tomar el campo de microondas oscilante, donde cambia el voltaje de negativo a positivo cada pocos nanosegundos, a un voltaje que Es solo positivo.
Los diodos no son perfectos: toman tiempo para cambiar y requieren que el voltaje aplicado alcance un cierto valor antes Permiten que la corriente fluya. El resultado es que muchas de las la potencia de microondas no se convierte pero se pierde como calor porque es debajo de ese umbral.
Estoy bastante seguro de que esto es fundamental para el funcionamiento de los diodos, así que aunque esas pérdidas pueden reducirse un poco, no creo que estemos va a conseguir diodos que son un orden de magnitud más eficientes en cualquier momento. Por otro lado, creo que los autores podrían argumentar que no importa demasiado Ya ves, porque todas las antenas unidos entre sí, la cuadrícula se puede hacer más grande para que el total incidente de energía en la red es lo suficientemente grande como para alcanzar el pico eficiencia.
No estoy seguro de que esto funcione tampoco. A una distancia de 10 m, el la rejilla de la antena tiene que cubrir una pared completa de una habitación. Eso es el propósito previsto, por supuesto. Desafortunadamente, ahí es donde otros los problemas entran en juego. En la actualidad, la transmisión de energía del antenas individuales a los diodos nos cuesta alrededor del cinco por ciento de El poder total. Pero, las pérdidas de potencia aumentan con la distancia. Y en nuestro escenario del mundo real, donde las antenas se extienden por todo pared, las distancias aumentan en un factor de aproximadamente 40.
La conclusión es que el diseño de la antena es realmente genial. Tiene la ventaja de que funciona sin importar su orientación con respeto al transmisor Wi-Fi y sin importar la interferencia. Pero el la antena tiene que estar acoplada a componentes no ideales, y esos realmente hacer que sea difícil imaginar que funcione en la realidad mundo.
Quiero mi medio vatio de vuelta
Si pudiéramos, ¿valdría la pena? “Sí”, piensa mi cerebro obsesionado con la eficiencia energética, “por supuesto que sí”. Pero una vez el resto de mi cerebro se ha empapado en café por un tiempo, las cosas se ven Mucho menos vale la pena.
De acuerdo con las especificaciones de mis estaciones base, el La potencia transmitida es de un máximo de 100 a 200 mW por canal. yo tengo una estación base de doble banda y una de tres bandas, o aproximadamente 800 mW de potencia de radiofrecuencia que se emite (máxima). En términos de mi poder factura, esto corresponde a aproximadamente 0.02kWh por mes. Ahora el poder absorbido por los dispositivos conectados es insignificante. Mi computadora es Actualmente informa -54dBm, que corresponde a poco menos de cuatro microvatios Entonces, supongamos que toda la potencia transmitida por Wi-Fi está disponible para recuperación.
Esto significa que recuperar la energía del microondas la radiación emitida por mis estaciones base Wi-Fi me ahorraría aproximadamente dos dólares por año. Dicho de otra manera, cosecharía 0.02kWh de mi consumo total mensual de energía (eléctrica), que en invierno es alrededor de 19kWh por día.
Sin embargo, eso no significa que esto sea completamente inútil. Podría ser valioso para la entrega de energía inalámbrica. Las microondas pueden enfocarse a áreas relativamente pequeñas. Y, con algunos cálculos, un transmisor puede usar la interferencia multitrayecto en la mayoría de los entornos para transmitir el poder eficientemente a un área objetivo pequeña, mientras se mantiene la densidad de potencia en el resto del entorno es relativamente baja (entonces nadie camina a través de haces de radiación de 100W). Bajo estas circunstancias, un sistema de antena que es altamente flexible y altamente eficiente hace que la idea sea un poco más simple de implementar. Y, siempre que la eficiencia de conversión sea razonable, creo A la mayoría de nosotros nos gustaría eso.
Un segundo uso podría ser ayudar a crear mejores redes Wi-Fi. Más de los problemas asociados con las redes Wi-Fi se deben a interferencia, ya sea interferencia multitrayecto desde su propio Wi-Fi transmisor o canal de competencia entre vecinos. Ahora, una forma de arreglo que podría ser colocar estas placas (sin el poder electrónica de conversión) en ubicaciones estratégicas de la casa, donde bloquearían algo de esta interferencia. La ventaja que tendría sobre una simple hoja de papel de aluminio es que las antenas como este tienen un área efectiva más grande que su tamaño físico. Eso significa que para algunas situaciones, unos pocos metros cuadrados de papel de aluminio podría ser reemplazado por una antena más pequeña.
�Son estos dos casos de uso suficiente motivación para desarrollar esto? �sistema? No estoy seguro. Sin embargo, apuesto a que estos diseños de antena Aparecer en un dispositivo en alguna parte.
Informes científicos, 2017, DOI: 10.1038 / s41598-017-15298-5