Rectenna - Rectenna

A rectenna je přímýkoketující mravenecenna - speciální typ příjmu anténa který se používá pro převod elektromagnetické energie do stejnosměrný proud (DC) elektřina. Používají se v bezdrátový přenos energie systémy, které přenášejí energii pomocí rádiové vlny. Jednoduchý přímkový prvek se skládá z a dipólová anténa s RF dioda připojeny přes dipólové prvky. Dioda opraví the AC indukovaný v anténě mikrovlnami, aby produkoval stejnosměrný proud, který napájí zátěž připojenou přes diodu. Schottkyho diody se obvykle používají, protože mají nejnižší úbytek napětí a nejvyšší rychlost, a proto mají nejnižší ztráty energie v důsledku vedení a spínání.[1] Velké rektorny se skládají z řady mnoha takových dipólových prvků.

Rectenas pro aplikace s paprskovým paprskem

Vynález rectenna v roce 1960 udělal velkou vzdálenost bezdrátový přenos energie proveditelný. Rektenna byla vynalezena v roce 1964 a patentována v roce 1969[2] americkým elektrotechnikem William C. Brown, který to předvedl modelářským vrtulníkem poháněným mikrovlnami přenášenými ze země, přijímanými připojenou přímou cestou.[3] Od sedmdesátých let je jednou z hlavních motivací pro rektenální výzkum vývoj navrhované přijímací antény solární satelity, který by sbíral energii ze slunečního záření ve vesmíru s solární články a přenést ji dolů na Zemi jako mikrovlny do obrovských přímých polí.[4] Navrhovaná vojenská aplikace je u moci trubec průzkumné letadlo s mikrovlnami paprskovanými ze země, což jim umožnilo zůstat nahoře na dlouhou dobu.

V posledních letech se zájem obrátil k používání rektorů jako zdrojů energie pro malá bezdrátová mikroelektronická zařízení. Největší současné použití rectennas je v RFID značky, bezdotykové karty a bezkontaktní čipové karty, které obsahují integrovaný obvod (IC ), který je napájen malým přímým prvkem. Když se zařízení přiblíží k elektronické čtecí jednotce, přijímá rádiové vlny ze čtečky rektoréna, která napájí integrovaný obvod, který přenáší svá data zpět do čtečky.

Rádiové frekvence

Nejjednodušší krystalové rádio přijímač využívající anténa a a demodulační dioda (usměrňovač ), je ve skutečnosti rectenna, i když zahodí DC komponenta před odesláním signálu do sluchátka. Lidé žijící poblíž silného rádia vysílače občas by zjistili, že s dlouhou přijímací anténou mohou získat dostatek elektrické energie k osvětlení žárovky.[5]

Tento příklad však používá pouze jednu anténu s omezenou snímací oblastí. Rectenna využívá více antén rozložených do velké oblasti k zachycení více energie.

Vědci experimentují s použitím rektorů k napájení senzorů ve vzdálených oblastech a distribuovaných sítích senzorů, zejména pro IoT aplikace.[6]

RF rektény se používají pro několik forem bezdrátový přenos energie. V mikrovlnném rozsahu dosáhly experimentální zařízení účinnosti přeměny energie 85-90%.[7] Účinnost převodu záznamu pro přímou komunikaci je 90,6% pro 2,45 GHz,[8] s nižší účinností asi 82% dosáhl 5,82 GHz.[8]

Optické rectennas

Hlavní článek: Optická rectenna

V zásadě jsou podobná zařízení zmenšena na rozměry použité v nanotechnologie, lze použít k převodu světlo přímo na elektřinu. Tento typ zařízení se nazývá optická rectenna (nebo „nantenna“).[9][10] Teoreticky lze vysokou efektivitu udržovat, jak se zařízení zmenšuje, ale účinnost byla doposud omezená a dosud neexistují přesvědčivé důkazy o tom, že nápravy bylo dosaženo na optických frekvencích. The University of Missouri dříve informoval o práci na vývoji levných a vysoce účinných opticko-frekvenčních rektorů.[11] Další prototypová zařízení byla vyšetřována ve spolupráci mezi University of Connecticut a Penn State Altoona pomocí grantu od Národní vědecká nadace.[12] S použitím ukládání atomové vrstvy bylo navrženo, že by bylo možné nakonec dosáhnout účinnosti přeměny solární energie na elektřinu vyšší než 70%.

Vytvoření úspěšné technologie optické přímky má dva hlavní komplikující faktory:

1. Výroba antény dostatečně malé, aby spojila optické vlnové délky.

2. Vytvoření ultrarychlé diody schopné usměrňovat vysokofrekvenční oscilace při frekvenci ~ 500 THz.

Níže je několik příkladů potenciálních cest k vytváření diod, které by byly dostatečně rychlé, aby napravily optické a téměř optické záření.

Geometrické diody

Slibná cesta k vytvoření těchto ultrarychlých diod byla v podobě „geometrických diod“.[13] Uvádí se, že grafenové geometrické diody se opravují terahertzové záření.[14] V dubnu 2020 byly v roce hlášeny geometrické diody křemík nanodráty.[15] Dráty se experimentálně ukázaly, že usměrňují až na 40 GHz, ale to bylo omezeno přístroji a teoreticky by mohlo být schopné usměrňovat signály také v oblasti THz.

Reference

  1. ^ Guler, Ulkuhan; Sendi, Mohammad S.E .; Ghovanloo, Maysam (2017). "Pasivní usměrňovač s dvojím režimem pro širokopásmový tok vstupního výkonu". 60. mezinárodní sympozium o obvodech a systémech (MWSCAS) 2017 IEEE. str. 1376–1379. doi:10.1109 / MWSCAS.2017.8053188. ISBN  978-1-5090-6389-5. S2CID  31003912.
  2. ^ USA 3434678  Převodník z mikrovlnky na DC William C. Brown, et al, podaná 5. května 1965, udělená 25. března 1969
  3. ^ „William C. Brown“. Projekt č. 07-1726: Řezání kabelu. 2007-2008 Internet Science & Technology Fair, Mainland High School. 2012. Citováno 2012-03-30.
  4. ^ Torrey, Lee (10. července 1980). „Past na využití slunce“. Nový vědec. 87 (1209): 124–127. ISSN  0262-4079. Citováno 2012-03-30.
  5. ^ "76.09 - Žárovka antény rádiového vysílače".
  6. ^ „K tobě: Mýtická elektřina?“. The Daily Telegraph. 2004-11-24. Citováno 2009-06-25.
  7. ^ Zhang, J (2000). Rectenny pro RF bezdrátové získávání energie (Disertační práce).
  8. ^ A b McSpadden, J.O., Fan, L. a Kai Chang, „Design and Experiments of a High-Conversion-Efficiency 5,8-GHz Rectenna,“ IEEE Trans. Mikrovlnná teorie a technika, svazek 46, No. 12, Dec.1998, str. 2053-2060. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.475.3488&rep=rep1&type=pdf
  9. ^ Asha Sharma, Virendra Singh, Thomas L. Bougher, Baratunde A. Cola (9. října 2015). „Uhlíková nanotrubička optická přímá“. Přírodní nanotechnologie. 10 (12): 1027–1032. Bibcode:2015NatNa..10.1027S. doi:10.1038 / nnano.2015.220. PMID  26414198.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  10. ^ Patentová přihláška WO 2014063149  se týká
  11. ^ „Nová solární technologie by mohla prolomit fotovoltaické limity“ (Tisková zpráva). University of Missouri. 16. května 2011.
  12. ^ Colin Poitras (4. února 2013). „Klíč k patentované technice UConn Professor k nové technologii solární energie“ (Tisková zpráva).
  13. ^ Zhu, Z (2013). Rectenna solární články. New York: Springer. 209–227.
  14. ^ Zhu, Zixu; Joshi, Saumil; Grover, Sachit; Moddel, Garret (2013-04-15). "Grafenové geometrické diody pro terahertzové rectennas". Journal of Physics D: Applied Physics. 46 (18): 185101. doi:10.1088/0022-3727/46/18/185101. ISSN  0022-3727.
  15. ^ Custer, James P .; Low, Jeremy D .; Hill, David J .; Teitsworth, Taylor S .; Christesen, Joseph D .; McKinney, Collin J .; McBride, James R .; Brooke, Martin A .; Warren, Scott C .; Cahoon, James F. (10.04.2020). "Ratchetingové kvazi-balistické elektrony v křemíkových geometrických diodách při pokojové teplotě". Věda. 368 (6487): 177–180. doi:10.1126 / science.aay8663. ISSN  0036-8075. PMID  32273466. S2CID  215550903.

externí odkazy

  • Významná kariéra Williama C. Browna
  • Zhang, Xu; Grajal, Jesús; Vazquez-Roy, Jose Luis; Radhakrishna, Ujwal; Wang, Xiaoxue; Chern, Winston; Zhou, Lin; Lin, Yuxuan; Shen, Pin-Chun; Ji, Xiang; Ling, Xi; Zubair, Ahmad; Zhang, Yuhao; Wang, Han; Dubey, Madan; Kong, Jing; Dresselhaus, Mildred; Palacios, Tomás (2019). „Dvourozměrná flexibilní přímá linka s podporou MoS2 pro bezdrátové získávání energie v pásmu Wi-Fi“. Příroda. 566 (7744): 368–372. doi:10.1038 / s41586-019-0892-1. PMID  30692651. S2CID  59307657. Shrnutí ležel – Věda denně (28. ledna 2019).