Учёные доверили шоссе зарядку электромобилей

Инженеры и физики создали компьютерную модель, детально описывающую систему передачи электричества по воздуху от дороги к движущемуся автомобилю. Исследователи показали работоспособность подобной схемы и определили оптимальный дизайн её узлов.

Новую вариацию дороги, самостоятельно питающей электрокары, придумали Шаньхуэй Фань (Shanhui Fan) и его коллеги из Стэнфорда.

Рис. 1. Беспроводные зарядные устройства (вроде показанной тут системы, разрабатываемой Siemens) предназначены для установки в гаражах или на парковках. Они способны лишь повысить удобство пользования электромобилем, но не решить проблему малого запаса хода. Радикальное решение — подпитка на ходу (иллюстрация с сайта golem.de).

Авторы работы решили, что для успешной подзарядки электромобиля, несущегося по загородной трассе, необходима аппаратура, способная перебрасывать мощность в 10 кВт на расстояние до 2 метров. Разумеется, для преодоления подъёмов или ускорений использовалась бы энергия из батареи.

Но цепочка таких передатчиков под асфальтом придала бы электромобилям новое дыхание.

«Что делает эту концепцию замечательной, так это тот факт, что вы сможете вести автомобиль неограниченное время без подзарядки, — говорит один из авторов исследования Ричард Сассун (Richard Sassoon), директор проекта „Глобальный климат и энергетика" (GCEP), который финансировал исследование. — Вы будете иметь в батарее больший запас энергии в конце поездки, чем в её начале!»

Рис. 2. Упрощённая схема подпитки автомобиля от «беспроводного шоссе» (иллюстрация Sven Beiker, CARS/Stanford University).

Нужно пояснить, что идея беспроводной подзарядки электромобилей на ходу появилась давно. Но реализовать её оказалось не так-то просто. Дальше всех продвинулись корейцы со своей системой OLEV.

Увы, ориентирована корейская разработка прежде всего на транспортные средства, движущиеся со сравнительно невысокой скоростью. Не случайно дебютировала эта система в развлекательном парке. А в городах предложено ставить такие передатчики перед перекрёстками, там, где машины замедляют ход.

Но вот новаторы из Стэнфордского университета полагают, что комплексу, похожему на OLEV, по силам питать электрические машины и на высоких скоростях.

«Наше видение заключается в том, что вы сможете выехать на любую дорогу и заряжать там свой ​​автомобиль, — говорит Фань. — Крупномасштабное развёртывание предполагает реконструкцию всей системы автомобильных дорог и даже найдёт применение за пределами транспорта».

Рис. 3. Шаньхуэй Фань с соратниками — далеко не первые ребята, кто взялся за тему беспроводной передачи электричества в движении. В ряде работ предшественников такие электрические шоссе предлагалось совмещать с системами автоматического управления движением, и даже с системами формирования «взводов». По отдельности и беспроводную передачу электричества, и повзводное движение автомобилей учёные уже реализовали. Осталось довести оба направления до совершенства и объединить (иллюстрация с сайта asce.org).

Закачивать электричество на борт предлагается за счёт резонансной магнитной связи. В такой схеме энергия передаётся осциллирующим магнитным полем, связывающим две катушки, настроенные на одну частоту.

Этот метод нельзя считать банальным трансформатором или сочетанием электромагнитного излучателя и приёмника. Передаваемый таким методом поток, уточняют учёные, чувствует только точно настроенная катушка.

Рис. 4. Несколько вариаций резонаторов, рассмотренных командой Фаня. В каждой паре слева – передающая сторона (иллюстрация Xiaofang Yu et al.).

В своей работе физики рассмотрели несколько вариантов взаимной ориентации приёмных и передающих катушек, а также ввели в схему металлические пластины (как со стороны передатчика, так и приёмника), влияющие на режим работы связанных магнитным резонансом обмоток и уменьшающие ненужные потери энергии.

Исследователи установили, что при частоте изменения передающего поля в 10 МГц и размерах катушек в 0,6–0,8 м КПД в такой системе может достигать 97% при переправке энергии на 2 метра.

Для сравнения: у OLEV практический КПД 74%, который может быть повышен до 80%, но лишь при очень малом зазоре между днищем машины и дорогой.

Рис. 5. Ещё один интересный аспект внедрения беспроводных передатчиков энергии на шоссе. Такие устройства можно соединять с расположенными здесь же ветряками или солнечными батареями. Это не просто повышение экологичности транспорта, ведь попутно можно избежать ненужной переправки «зелёного» электричества на большие расстояния (иллюстрации rpm2.8k.com, University of Michigan/Shanghai Jiao Tong University Joint Institute).

Результаты расчётов новаторы опубликовали в Applied Physics Letters (PDF-документ). В статье авторы подчеркнули, что постарались учесть реальную обстановку, в которой должна работать система беспроводной передачи электричества.

Рис. 6. Об автоматических шоссе и автомобилях с автопилотом футуристы говорили ещё в конце 1950-х (иллюстрация с сайта paleofuture.com).

Фань со товарищи подали заявку на патент и теперь намерены продолжить развитие придуманной ими системы. Они намечают построить лабораторный прототип комплекса, а позже испытать его и на дороге.

Учёным предстоит убедиться, что магнитно-резонансная передача энергии не будет оказывать никакого вредного воздействия на людей и животных, электронику в автомобиле, наконец, кредитки в кармане водителя.

Любопытно, что сеть электромагнитных катушек в дорожном полотне может иметь ещё одно полезное применение. При помощи слежения за полями от таких устройств, утверждают исследователи, бортовая электроника могла бы точно позиционировать автомобиль посередине полосы. А это пригодилось бы в системах автоматического вождения.

Рис. 7. Прошло полвека, но до сих пор трудно сказать, когда шоссе действительно превратятся в умные комплексы, не только помогающие водителям управлять машинами, но даже питающие последние энергией. Тем не менее новая работа приближает такое будущее. На рисунке и снимке – давно развивающийся проект солнечных магистралей Solar Roadways со встроенными прямо в дорогу солнечными батареями, аккумуляторами и светодиодными пикселями. Прототип такого полотна изобретатели создали летом 2011 года.

Источник(и):

1. membrana.ru

2. Stanford University

http://www.nanonewsnet.ru/articles/2012/uchenye-doverili-shosse-zaryadku-elektromobilei