RF Récolte d'énergie

Pourquoi l'énergie investie dans le rayonnement RF ne peut-elle pas être entièrement récupérée? Quels sont les principaux facteurs qui affectent cela? Existe-t-il actuellement des recherches importantes décrivant pleinement ce processus? Je reste sur la conclusion: "L'énergie passe d'une forme à une autre.", Mais dans ce cas, pourquoi ne peut-elle pas être récoltée en cette quantité pour l'utiliser pour alimenter des appareils de faible puissance ou la stocker en quantités importantes dans certaines batteries pour plus tard utilisation? Pourquoi n'est-il pas rentable de nos jours et pourquoi n'est-il pas utilisé aujourd'hui comme l'énergie de l'eau, du vent et d'autres sources d'énergie?

Prenons une antenne qui convertit toute l'énergie électrique d'un oscillateur de puissance en une transmission radio électromagnétique. Disons que 1 watt est fourni à l'antenne et 1 watt est la puissance des ondes radio émises.

Ce pouvoir est déployé dans la plupart des directions; tout comme une ampoule émet une puissance lumineuse dans (pratiquement) toutes les directions. L'ampoule n'est pas seulement un exemple similaire, c'est exactement le même exemple - la lumière émise est une onde électromagnétique.

Imaginez maintenant que vous êtes à 1 mètre de cette ampoule avec un panneau solaire 100% efficace. Imaginez alors que vous construisez plusieurs panneaux solaires qui enveloppent exactement et totalement l'ampoule. Vous câblez les panneaux solaires en série et voyez la puissance que vous pouvez extraire. Eh bien, pour cette expérience de pensée, vous pouvez réellement extraire 100% de cette puissance.

Ensuite, vous vous tenez à 10 mètres et faites de même. Évidemment, vous avez besoin de beaucoup plus de panneaux solaires mais, en supposant que la lumière émise frappe totalement les panneaux et qu'il n'y a pas de fuite de lumière au-delà de ces panneaux, vous recevrez 100% d'énergie.

Cela peut donc être fait, mais à grands frais et inconvénients. Mais pas trop de problème avec un faisceau laser tranchant et un panneau solaire 100% efficace. Si vous pouvez concentrer suffisamment la lumière, vous pouvez collecter TOUTE l'énergie, rappelez-vous que ce n'est qu'un exercice de réflexion et que les panneaux solaires et les lampes / lasers sont loin d'être efficaces à 100%.

Pour en revenir à une onde radio transmise, vous pourriez construire une antenne parabolique et transmettre à une fréquence suffisamment élevée pour pouvoir concentrer la majeure partie de la puissance sur une antenne de réception (une autre antenne). C'est fait à travers le pays par des militaires et des télécoms pour obtenir des données de visibilité directe et des communications vocales qui sont "largement" privées car il est difficile de "voler" une écoute de ce qui est transmis à moins que vous ne soyez proche de les antennes et ramasser un petit lobe latéral d'énergie.

Pour le reste de tous les émetteurs diffusant, ce sont généralement des dipôles et répartissent leur énergie émise dans toutes les directions dans au moins un plan. Cela permet de capter les stations de musique assez facilement et c'est bien sûr le but.

Pouvez-vous facilement récolter cette énergie? Pas très bien car la puissance s'envole largement dans l'espace et seule une fraction est reçue par les "auditeurs".

L'antenne de chaque auditeur est en fait un réseau (c'est-à-dire qu'il a une véritable "zone" malgré sa longue forme mince) qui capture la puissance envoyée par cet émetteur et la quantité qu'il capture est généralement femto watts. Normalement, un récepteur RF (au risque d'être trop général) peut fonctionner avec environ 10 micro-volts reçus de l'antenne et, en moyenne sur un large échantillon de types d'antennes, cette tension aura une impédance de source d'environ 50 ohms.

La puissance libérée est donc de 5 uV au carré / 50 = 5 femto watts.

Évidemment, plus vous êtes proche de l'émetteur, plus la puissance qui peut être libérée est importante, mais si tout ce qui vous intéresse est d'obtenir une puissance utilisable, utilisez des câbles.

Si vous faisiez le calcul sur la somme totale d'énergie qui peut être récoltée à n'importe quel point de la terre, vous ne trouveriez pas beaucoup d'endroits où plus de quelques milli watts peuvent être glanés.

L'énergie solaire et la récupération d'énergie RF sont fondamentalement les deux formes de la même chose - la récolte des ondes électromagnétiques.

Même lorsque nous nous tenons près du routeur? J'ai lu que certains routeurs donnent jusqu'à 80 mW

Les routeurs utilisent généralement des antennes quart d'onde et pour collecter de l'énergie, vous pouvez également utiliser une antenne quart d'onde. La distance réaliste que vous pouvez obtenir de près est d'environ lambda (1 longueur d'onde) avant de commencer à provoquer des effets de chargement étranges sur l'antenne. C'est une distance d'environ 0,1 mètre donc, en utilisant l'équation de transmission Friis convertie en dB: -

Perte (dB) = 32,45 + 20$log_{10}$$log_{10}$

Où f est en MHz et d en kilomètres. Cette équation vous indique combien de dB de perte de puissance vous pouvez vous attendre à une distance donnée avec une fréquence porteuse donnée.

Pour 2,45 GHz et 0,1 mètre (0,0001 km), la perte est de 32,45 + 67,6 - 80 = 20 dB.

Mais les antennes tx et rx ont un gain d'environ 4 dB entre elles (car elles sont semi-directionnelles) et donc la perte n'est que d'environ 16 dB.

80 mW entrants deviennent (théoriquement) 12,7 mW sortants.

Si nous généralisons un peu votre question pour couvrir non seulement la récupération d'énergie RF, mais la récupération d'énergie électromagnétique en général, nous le faisons tout le temps.

Le soleil est essentiellement un émetteur électromagnétique avec une puissance de sortie d'environ 4 × 10 ²⁶ watts. Une très grande ferme solaire a une puissance (crête) de 6 × 10 ⁸ watts.

Pour mettre les choses en perspective, si vous aviez 8 kilogrammes d'or et que vous retiriez un seul atome , c'est à peu près la même fraction que la puissance reçue du soleil.

Cela représente 287 000 $ d'or et vous pouvez récolter un demi-milliardième de cent .

Si vous preniez toutes les personnes dans le monde, vous récolteriez environ la valeur d'un humain de coupe d'ongle.

La raison en est bien sûr parce que la majeure partie de la production d'énergie solaire ne touche même pas la Terre.

Le problème est à peu près le même avec la récupération d'énergie RF. De toute l'énergie RF transmise par tous les émetteurs du monde, seule une infime fraction de celle-ci atteindra votre antenne.

Connexes: J'ai entendu dire que les agriculteurs avec de longues clôtures en fil parallèle aux lignes électriques pouvaient "voler" le CA 50/60 Hz couplé. Je ne sais pas si cela est vrai ou quelle quantité d'énergie serait disponible, mais j'imagine une petite quantité, mais suffisamment pour que les compagnies d'électricité aient remarqué la perte et soient allées la chercher. Après avoir dépensé l'argent pour acheter tout ce fil pour votre projet, vous auriez peut-être mieux fait d'acheter un panneau solaire ou un moulin à vent ou à eau. Personne ne vous accusera de les avoir volés dans ce cas.

Peut-être pourriez-vous plutôt essayer de récolter de l'énergie de gravité sous la pluie, etc.?

Il y a des groupes de recherche qui font ceci: IEEE Paper Il y en a plusieurs autres mais je suis fatigué de googler. Je me souviens d'un article \ groupe qui capturait de l'énergie sans fil pour alimenter un microcontrôleur. Certains des MSP430 de TI peuvent fonctionner avec de très faibles puissances (uAmps) TI MSP430 App Note et utiliser une très petite cellule solaire ou une antenne pour fonctionner.

Le problème est lié à la physique et à l'efficacité de la conversion d'énergie. Un résumé du travail sur la fréquence est dans le graphique suivant de [hemour2014towards] ci-dessous:

La réponse courte est que vous devez conduire un appareil pour capter l'énergie et que vous subissez des pertes généralisées en raison des réalités de la fabrication, telles que l'inadéquation des appareils. Vous pouvez trouver tout ce dont vous avez besoin pour un cours intensif concernant les questions de la récupération d'énergie RF en lisant:

@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}
}

Je pourrais faire toutes les dérivations pour vous, mais lisez simplement ces deux documents dès qu'ils sont disponibles.

On m'a posé plusieurs fois des questions similaires. Cela ne ressemble absolument à aucune idée de valeur.

Tous les commentaires ci-dessus sont vrais. J'ajouterais que la plupart des rayonnements RF produits par notre technologie sont soit absorbés par la terre, les murs, les corps humains, etc., soit partent dans l'espace. Dans le premier cas, il provoque un échauffement marginal de certains objets. Dans le second cas, il est perdu à jamais.

La seule exception est les systèmes RF conçus spécifiquement pour le transfert de puissance ou en gardant cette fonctionnalité à l'esprit. Cependant, ils ne peuvent pas être utilisés pour la radiodiffusion ou les communications.

Vous pouvez voir une contradiction claire: la radiodiffusion suppose que l'énergie RF circule librement dans toutes les directions. "La récolte d'énergie RF" suppose que certains systèmes collectent toute cette énergie, donc la dernière est perdue pour la diffusion (ou les communications, les connexions WiFi, etc.).