HF-Energieernte

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 Funkwellenleistung.

Diese Kraft wird in die meisten Richtungen geschleudert; genauso wie eine Glühbirne Lichtenergie in (fast) alle Richtungen abstrahlt. Die Glühbirne ist nicht nur ein ähnliches Beispiel, es ist genau das gleiche Beispiel – das emittierte Licht ist eine elektromagnetische Welle.

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

Dann stehst du 10m entfernt und tust dasselbe. Natürlich benötigen Sie viel mehr Solarmodule, aber vorausgesetzt, das emittierte Licht trifft vollständig auf die Module und es gibt kein Licht außerhalb dieser Module, dann erhalten Sie 100 % Leistung.

Es ist also möglich, aber mit großen Kosten und Unannehmlichkeiten. Aber kein allzu großes Problem mit einem bleistiftscharfen Laserstrahl und einem 100 % effizienten Solarmodul. Wenn Sie das Licht ausreichend fokussieren können, können Sie die GESAMTE Energie sammeln. Denken Sie daran, dass dies nur eine Gedankenübung ist und Sonnenkollektoren und Lampen/Laser weit davon entfernt sind, 100 % effizient zu sein.

Zurück zu einer gesendeten Funkwelle, Sie könnten eine Parabolschüssel bauen und mit einer ausreichend hohen Frequenz senden, um den größten Teil der Leistung auf eine Empfangsantenne (eine andere Schüssel) fokussieren zu können. Dies wird im ganzen Land von Militär- und Telekommunikationsmitarbeitern durchgeführt, um Sichtliniendaten und Sprachkommunikation zu erhalten, die „weitgehend“ privat sind, da es schwierig ist, zu „stehlen“, was übertragen wird, es sei denn, Sie sind in der Nähe die Antennen und nehmen eine kleine Nebenkeule von Energie auf.

Für den Rest aller sendenden Sender sind sie im Allgemeinen Dipole und verteilen ihre in alle Richtungen emittierte Energie in mindestens einer Ebene. Damit lassen sich Musiksender ganz einfach abholen und das ist natürlich auch das Ziel.

Können Sie diese Energie leicht ernten? Nicht sehr gut, weil die Leistung größtenteils ins All abfliegt und nur ein Bruchteil von "Hörern" empfangen wird.

Die Antenne jedes Zuhörers ist praktisch ein Netz (dh sie hat trotz ihrer langen, dünnen Form eine echte "Fläche"), das die von diesem Sender gesendete Leistung aufnimmt, und die Menge, die es aufnimmt, beträgt normalerweise Femto-Watt. Normalerweise kann ein HF-Empfänger (auf die Gefahr hin, zu allgemein zu sein) mit etwa 10 Mikrovolt arbeiten, die von der Antenne empfangen werden, und im Durchschnitt einer breiten Stichprobe von Antennentypen hat diese Spannung eine Quellenimpedanz von etwa 50 Ohm.

Die freigesetzte Leistung beträgt also 5 uV zum Quadrat / 50 = 5 Femtowatt.

Je näher Sie am Sender sind, desto größer ist natürlich die Leistung, die freigesetzt werden kann. Wenn Sie jedoch nur daran interessiert sind, nutzbare Leistung zu erhalten, verwenden Sie Kabel.

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

Solarenergie und HF-Energieernte sind im Grunde beide Formen derselben Sache – elektromagnetische Wellenernte.

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

Router verwenden normalerweise Viertelwellenantennen, und zum Sammeln von Energie können Sie auch eine Viertelwellenantenne verwenden. Die realistische Entfernung, die Sie aus nächster Nähe erreichen können, beträgt etwa Lambda (1 Wellenlänge), bevor Sie anfangen, seltsame Belastungseffekte an der Antenne zu verursachen. Dies ist eine Entfernung von etwa 0,1 Metern, also mit der Friis-Übertragungsgleichung in dB umgerechnet: -

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

Wobei f in MHz und d in Kilometern steht. Diese Gleichung sagt Ihnen, wie viel dB Leistungsverlust Sie in einer bestimmten Entfernung mit einer bestimmten Trägerfrequenz erwarten können.

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

Aber die TX- und RX-Antennen haben etwa 4 dB Verstärkung (weil sie halbgerichtet sind) und so beträgt der Verlust nur etwa 16 dB.

80 mW rein werden (theoretisch) 12,7 mW raus.

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

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

Um dies ins rechte Licht zu rücken: Wenn Sie 8 Kilogramm Gold hätten und ein einzelnes Atom entfernen , ist das ungefähr der gleiche Bruchteil wie die Energie, die von der Sonne empfangen wird.

Das sind 287.000 Dollar Gold, und Sie können einen halben Billionstel Cent ernten .

Wenn Sie alle Menschen auf der Welt nehmen würden, würden Sie Menschen im Wert von etwa einem Fingernagelschnitt ernten.

Der Grund liegt natürlich darin, dass der größte Teil der Sonnenenergie nicht einmal auf 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 davon auf Ihre Antenne.

Verwandte: Ich habe gehört, dass Landwirte mit langen Drahtzäunen, die parallel zu Stromleitungen verlaufen, gekoppelten 50/60-Hz-Wechselstrom "stehlen" könnten. Ich bin mir nicht sicher, ob das stimmt oder wie viel Strom verfügbar wäre, aber ich vermute eine kleine Menge, aber genug, dass die Energieunternehmen den Verlust bemerkten und danach suchten. Nachdem Sie das Geld ausgegeben haben, um den ganzen Draht für Ihr System zu kaufen, hätten Sie vielleicht besser ein Solarpanel oder eine Wind- oder Wassermühle gekauft. Niemand wird Sie in diesem Fall des Diebstahls beschuldigen.

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

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

Die kurze Antwort ist, dass Sie ein Gerät antreiben müssen, um Energie zu gewinnen, und dass Sie aufgrund der Realitäten der Herstellung, wie z. Alles, was Sie für einen Crashkurs zum Thema RF Energy Harvesting brauchen, 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 machen, aber lesen Sie einfach diese beiden Dokumente, sobald sie verfügbar sind.

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

Alle obigen Kommentare sind wahr. Ich möchte hinzufügen, dass der größte Teil der von unserer Technologie erzeugten HF-Strahlung entweder von der Erde, Wänden, menschlichen Körpern usw. absorbiert wird oder in den Weltraum gelangt. Im ersten Fall verursacht es eine geringfügige Erwärmung einiger Objekte. Im zweiten Fall ist es für immer verloren.

Die einzige Ausnahme sind HF-Systeme, die speziell für die Energieübertragung entwickelt wurden oder diese Funktionalität berücksichtigen. 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. "RF-Energie sammeln" geht davon aus, dass ein System all diese Energie sammelt, sodass die neueste für die Übertragung (oder Kommunikation, WiFi-Verbindungen usw.) verloren geht.

Es gibt Forschungsgruppen, die dies tun: IEEE Paper Es gibt noch einige mehr, aber ich bin es leid, zu googeln. Ich erinnere mich an einen Artikel/eine Gruppe, die drahtlose Energie erfasste, um einen Mikrocontroller mit Strom zu versorgen. Einige der MSP430 von TI können mit sehr geringer Leistung (uAmps) betrieben werden und verwenden entweder eine sehr kleine Solarzelle oder Antenne zum Betrieb.