Une récupération d’énergie Wi-Fi parfaite s’accumule à peine prime

Le récupérateur d'énergie Wi-Fi parfait recueille une rare prime

Je suis assez cinglé en matière d’efficacité énergétique. Ça dérange que je sache que si les abrutis qui ont construit ma maison avaient utilisé le dernières informations disponibles à l’époque, ma maison aurait besoin presque pas de chauffage. Une chose qui me passionne vraiment est le perspective de réutilisation des déchets d’énergie. J’aime l’idée de prendre de l’énergie qui serait autrement destiné à se diffuser dans le environnement et le transformer en quelque chose d’utile.

En tant que tel, il était inévitable qu’un article sur la récupération des micro-ondes l’énergie attirerait mon attention. Et oui, je vous l’infligerai, aussi. Malheureusement, la collecte du rayonnement Wi-Fi ne semble pas comme il nous gagnera beaucoup. Mais avant d’y arriver, Jetez un coup d’œil aux très bonnes idées derrière la moissonneuse.

Arrêter les reflets

L’idée de base de la collecte du rayonnement Wi-Fi est très ancienne. un: il suffit de construire un circuit qui absorbe tout ce micro-ondes énergie. Prenons une situation très artificielle: imaginez un micro-ondes voyageant le long d’un morceau de câble coaxial. Un câble coaxial est constitué de un fil conducteur central enfermé dans un cylindre de non-conducteur matériau diélectrique, tout enveloppé dans un conducteur. Le pouvoir du les micro-ondes ne sont pas transmises “dans” le fil central. C’est en fait dans les champs électriques et magnétiques dans le diélectrique. Celles-ci se propager comme des vagues le long du câble avec une vitesse partiellement donnée par les propriétés du matériau diélectrique.

Lorsque la vague touche l’extrémité du câble, cela pose un problème. Droite à la limite entre l’air et le matériau diélectrique, le la vague doit changer instantanément d’une vitesse à l’autre. Si toute la puissance dans le micro-ondes devait être transmise de la bout du câble, le champ électrique devrait avoir deux différentes valeurs au même moment et au même endroit, ce qui ne peut pas arriver. Ainsi, la vague est réfléchie à la fin et revient vers le haut de la câble (éventuellement en détruisant l’émetteur).

Si nous ne voulons pas que le pouvoir soit reflété, nous devons mettre fin le câble de telle sorte qu’il ait l’air (du micro-ondes perspective) comme le câble ne fait que continuer indéfiniment. C’est appelé appariement, et c’est un concept essentiel en micro-ondes ingénierie, optique, et, en fait, à peu près partout dans physique et ingénierie.

Dans le cas d’un câble coaxial, le diélectrique est généralement choisi telle qu’une résistance de 50 Ohm corresponde aux propriétés du câble. Donc, si je mets une résistance de 50 Ohm entre l’extérieur conducteur revêtement et le fil central, toute l’énergie des micro-ondes sera absorbé par la résistance.

Pour un câble coaxial, ou en fait pour toute ligne de transmission, concevoir un circuit électrique qui correspond aux propriétés du la ligne n’est pas si difficile. Et, en fait, l’antenne de votre téléphone mobile a exactement ce genre de circuit: l’antenne et son circuit de terminaison doivent correspondre et ils doivent correspondre aux propriétés de propagation d’espace libre aussi étroitement que possible. Une bonne correspondance signifie que vous pouvez absorber beaucoup de radiations de une petite antenne.

Gaspillage Wi-Fi

Le Wi-Fi est soumis aux mêmes contraintes que les récepteurs. Mais son énergie ne va pas seulement à l’antenne de réception; il se répand beaucoup zone plus large. Cela signifie que la majeure partie de l’énergie est perdue. Si nous devaient placer le bon type d’antenne autour de la place, nous pourrions récupérer beaucoup de cette énergie, non? Eh bien, c’est un peu délicat.

Tout d’abord, ces types de récepteurs devraient être construits dans les murs de la maison ou de l’appartement. Ce qui signifie que, contrairement � antennes sur les appareils, elles ne peuvent pas être ajustées de manière optimale accueil. Dans l’intervalle, le signal Wi-Fi arrive de tous les direction, et la polarisation (l’orientation spatiale de la champ électrique par rapport à la direction de déplacement de la vague) pourrait être n’importe quoi. Les antennes sont sensibles à la fois aux directions et aux polarisation.

Ensuite, il y a le fait que l’énergie est très mince. À la source, nous pourrions avoir quelque chose comme 10 mW de puissance rayonnée. Mais éloignez-vous de 10 mètres et la puissance qui traverse votre corps équivaudrait à 10-20 microWatts. Donc, les pertes s’accumulent. La distance est un problème, et si votre antenne est bonne pour un seul polarisation, vous perdez la moitié de cela immédiatement. Ensuite, vous pouvez ajouter toutes les pertes dans le circuit pour prendre l’énergie micro-ondes et vers le bas convertissez-le en courant continu. Cela commence à ressembler à un très difficile problème.

Aller méta sur antennes

Pour résoudre ce type de problèmes, un trio de chercheurs suggéré un réseau d’antenne qui tente de minimiser ces pertes.

La première étape consistait à supprimer la dépendance à la polarisation. Le chemin qu’ils ont fait cela était de concevoir une antenne patch (une antenne qui est un morceau de métal plat) qui répondrait de manière optimale � micro-ondes polarisées verticalement et horizontalement. Bien que le antennes répondent aux deux polarisations, la localisation physique de le fil qui relie l’antenne au reste du circuit détermine quelle polarisation fournit le pouvoir. Antennes qui ont les fils attachés sur le côté sont sensibles à la polarisation horizontale lumière, tandis que les antennes avec un fil attaché au sommet sont sensibles à la lumière polarisée verticalement.

(J’utilise le mot “attaché” dans le sens le plus large possible ici. Les fils de connexion peuvent eux-mêmes être considérés comme des antennes, avec l’antenne patch réémettant l’alimentation reçue vers le fil.)

Pour créer un récupérateur d’énergie basé sur cette conception, le les chercheurs ont créé une grille d’antennes. Colonnes impaires de antennes ont été configurées pour recevoir de la lumière polarisée verticalement, tandis que des colonnes paires ont été configurées pour recevoir des polarisations horizontales lumière.

Maintenant, vous pourriez penser que c’est idiot, parce que vous perdez la moitié la puissance de chaque polarisation. Mais ce n’est pas le cas. le les antennes se parlent toutes. La colonne d’antennes qui est couplé au sommet reçoit toujours les deux polarisations. le Des micro-ondes polarisées verticalement sont transmises aux fils situés près du sommet de chaque antenne. Les micro-ondes polarisées horizontalement sont passés aux antennes dans les colonnes adjacentes, où ils sont ensuite transmis aux fils situés près du côté de chaque antenne. Avec la bonne conception, toute la puissance incidente peut être transmise au circuit de conversion de puissance.

Donc, l’antenne ressemble en gros à une grille de pièces métalliques assis sur un matériau non conducteur. Et, comme notre câble coaxial de plus tôt, la puissance que l’antenne recueille est stockée dans le champs qui sont dans le matériau diélectrique. Cela signifie que nous voulons un matériau diélectrique absorbant le moins de puissance possible. le La quantité de puissance absorbée par le diélectrique est souvent mesurée par quelque chose appelé la tangente de perte. Les chercheurs ont recherché et trouvé-un matériau qui a une perte tangente environ 100 fois plus petit que les matériaux les plus couramment utilisés dans les cartes de circuit imprimé.

Ne laissez pas la réalité proche de mon modèle

Maintenant, bien sûr, dans les modèles, le réseau d’antennes absorbe 100% de tous les rayonnements Wi-Fi connus (puits, rayonnement Wi-Fi à 2,4 GHz). Mais Comment ça marche dans la réalité? Là l’histoire devient plus compliquée. Si l’énergie envoyée aux fils de couplage est mesurée directement, alors le transfert d’énergie est d’environ 97 pour cent, ce qui est sacrément bien.

Mais nous voulons utiliser cette énergie, et c’est là que les choses prennent une se plonger. Si les fils sont directement couplés à des résistances de charge (nous transformer l’énergie Wi-Fi en chaleur), alors cela fonctionne toujours bien, avec 92 pourcentage du rayonnement absorbé par les résistances de charge. La perte de 5% est due à l’absorption dans le diélectrique matériau lorsque l’énergie est transmise aux résistances de charge.

Les véritables pertes commencent lorsque l’énergie est transformée de micro-ondes à un signal électrique CC utilisable. Même dans les modèles, seule une efficacité de 80% est possible ici. À titre expérimental, le les chercheurs ont géré environ 70 pour cent. Normalement, je prendrais 70 pour cent, mais pas à cette occasion. Le problème est que vous obtenez seulement Efficacité de conversion de 70% lorsque la puissance incidente est assez élevée haute. En fait, les chercheurs ont testé la puissance des incidents (et c’est puissance totale tombant sur le réseau d’antenne, puissance non rayonnée) de 1 à 10 mW. À 1 mW, l’efficacité de conversion était d’environ 30%. Mise à l’échelle de la tendance vaguement linéaire (sur une échelle logarithmique) pour une utilisation réelle d’un émetteur de 100 mW situé à environ 10 m de l’antenne, la La puissance incidente est de l’ordre du microWatt. Cela correspond � une efficacité de conversion d’environ cinq pour cent, ce qui ne fait pas vraiment semble si bon.

Le problème, selon les chercheurs, réside dans le pouvoir réseau de conversion. Certaines pertes transmettent le pouvoir de la partie où le micro-ondes est transformée en courant continu Puissance. Mais il y a des pertes encore plus grandes dans les diodes. Diodes seulement permettre au courant de circuler dans une direction, ainsi un réseau de diodes peut prendre le champ micro-ondes oscillant, où la tension change de négatif à positif toutes les quelques nanosecondes, à une tension est seulement positif.

Les diodes ne sont pas parfaites – elles prennent du temps à changer et elles exiger que la tension appliquée atteigne une certaine valeur avant ils permettent au courant de circuler. Le résultat est que beaucoup de la puissance micro-ondes n’est pas convertie mais est perdue en chaleur car il est en dessous de ce seuil.

Je suis à peu près sûr que c’est fondamental pour le fonctionnement des diodes, Ainsi, bien que ces pertes puissent être quelque peu réduites, je ne pense pas que nous soyons va obtenir des diodes qui sont un ordre de grandeur plus efficace dans peu de temps. D’autre part, je pense que les auteurs pourraient argumenter que cela n’a pas d’importance. Vous voyez, parce que toutes les antennes coupler les uns aux autres, la grille peut être agrandie pour que le total la puissance incidente sur le réseau est assez grande pour atteindre le pic Efficacité.

Je ne suis pas sûr que cela fonctionne non plus. A 10m, le La grille de l’antenne doit couvrir tout le mur d’une pièce. C’est le but prévu, bien sûr. Malheureusement, c’est là que d’autres problèmes se mettent en branle. À l’heure actuelle, la transmission de puissance du antennes individuelles aux diodes nous coûte environ cinq pour cent des la puissance totale. Mais les pertes de puissance sont proportionnelles à la distance. Et dans notre scénario du monde réel, où les antennes sont réparties sur un ensemble mur, les distances sont multipliées par 40.

La conclusion est que la conception de l’antenne est vraiment cool. Il a l’avantage qu’il fonctionne quelle que soit son orientation à l’émetteur Wi-Fi et peu importe les interférences. Mais le antenne doit être couplé à des composants non idéaux, et ceux vraiment il est difficile d’imaginer le faire fonctionner dans le réel monde.

Je veux récupérer ma moitié de watt

Si nous pouvions, cela en vaudrait-il la peine? “Oui”, pense mon cerveau obsédé par l’efficacité énergétique, “bien sûr que ce serait le cas”. Mais une fois le reste de mon cerveau a trempé dans le café pendant un moment, les choses semblent beaucoup moins intéressant.

Selon les spécifications de mes stations de base, le la puissance transmise est au maximum de 100 à 200 mW par canal. j’ai une station de base bi-bande et une station de base tri-bande, soit environ 800 mW de puissance radiofréquence émise (maximum). En termes de pouvoir facture, cela correspond à environ 0,02 kWh par mois. Maintenant, le pouvoir absorbé par les appareils connectés est négligeable. Mon ordinateur est rapportant actuellement -54dBm, ce qui correspond à un peu moins de quatre microWatts. Alors, supposons que toute la puissance transmise par Wi-Fi est disponible pour la récupération.

Cela signifie que récupérer l’énergie du micro-ondes le rayonnement émis par mes stations de base Wi-Fi me ferait économiser environ deux dollars par an. Autrement dit, je récolterais 0,02 kWh sur mon consommation mensuelle totale d’énergie (électrique), qui est en hiver environ 19 kWh par jour.

Cela ne signifie pas pour autant que cela soit totalement inutile. Il pourrait être précieux pour la livraison d’énergie sans fil. Les micro-ondes peuvent être concentrés sur zones relativement petites. Et, avec quelques calculs, un émetteur peut utiliser l’interférence par trajets multiples dans la plupart des environnements pour transmettre le pouvoir efficacement à une petite zone cible, tout en gardant la densité de puissance dans le reste de l’environnement est relativement faible (donc personne ne marche à travers des rayons de rayonnement de 100W). Sous ces circonstances, un système d’antenne hautement flexible et hautement efficace rend l’idée un peu plus simple à mettre en œuvre. Et, à condition que l’efficacité de la conversion soit raisonnable, je pense la plupart d’entre nous aimeraient cela.

Une deuxième utilisation pourrait être d’aider à créer de meilleurs réseaux Wi-Fi. Plus des problèmes associés aux réseaux Wi-Fi sont dus � interférence, soit inter-trajets multiples provenant de votre propre réseau Wi-Fi concurrence entre émetteurs ou canaux entre voisins. Maintenant, un moyen de résoudre cela pourrait être de placer ces conseils (sans le pouvoir conversion électronique) à des endroits stratégiques de la maison, où ils bloqueraient une partie de cette interférence. L’avantage qu’ils aurait sur une simple feuille de papier d’aluminium est que les antennes comme cela ont une surface effective plus grande que leur taille physique. Cela signifie que dans certaines situations, quelques mètres carrés de film pourrait être remplacé par une antenne plus petite.

Ces deux cas d’utilisation sont-ils suffisamment motivants pour développer cette système? Je ne suis pas sûr. Néanmoins, je parie que ces conceptions d’antenne monter dans un appareil quelque part.

Rapports scientifiques, 2017, DOI: 10.1038 / s41598-017-15298-5

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