В работе ученые внесли в конструкцию системы ряд изменений, которые позволили повысить ранее достигнутые параметры эффективности и функциональности установки.
«За счет использования керамического материала со сверхвысокой диэлектрической проницаемостью мы снизили рабочую частоту резонаторов более чем на порядок — до сотен мегагерц. Это обеспечило передачу больших мощностей и стало важным улучшением, так как аналогичные системы работают именно в этом частотном диапазоне», — отмечает Полина Капитанова, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.
Ранее эффективность российского прототипа падала до 50% уже на расстоянии 2 см, теперь передача идет с 90% эффективностью на дистанции до 10 см и снижается только при 16 см.
«Мы смогли в пять раз увеличить расстояние, на которое можно передавать энергию, и сделали систему более устойчивой к смещению и повороту резонаторов относительно друг друга. В будущем это даст больше свободы пользователю, — объясняет Полина Капитанова. - Третье глобальное изменение коснулось дизайна резонаторов. Теперь это два диска. В отличие от ранее использованной нами сферической формы, плоская конфигурация практична и позволяет говорить о применении нашей технологии в более компактных приборах».
Впервые новая система беспроводной энергии была предложена сотрудниками Университета ИТМО в начале этого года. Тогда вместо использования привычных металлических резонаторов ученые решили прибегнуть к диэлектрическим сферическим резонаторам из микроволновой керамики с высоким значением диэлектрической проницаемости.
Последние улучшения в российской системе позволили достичь эффективности, сопоставимой с эффективностью ее наиболее известного зарубежного аналога WiTricity. При этом отечественная разработка более устойчива к изменению взаимной ориентации приемника и источника энергии. Ученые показали, что при сдвиге дисков относительно друг друга на 4−5 см передача энергии все еще возможна, она не прерывается, даже если один из них повернуть на угол до 60 градусов по отношению к другому.
Хотя резонаторы относительно компактны, они все еще достаточно велики для того, чтобы использовать их, к примеру, в мобильных телефонах. Диаметр дисков составляет 8,5 см, поэтому пока ученые предлагают применять технологию в электрокарах.
«Подобные беспроводные системы могут пригодиться для подзарядки автомобилей, — говорит Полина Капитанова. — Резонаторы из микроволновой керамики способны работать на более высоких мощностях, чем если бы они были сделаны из металлов, которые по своей природе быстро нагреваются».
Также разработчики рассматривают возможность создания комбинированной системы, одна часть которой в виде керамического диска будет встроена в рабочую поверхность, например, в кухонную тумбу или столик в ресторане, а другая, более миниатюрная, — в электрический прибор вроде чайника или гаджета. По мнению ученых, эффективность системы не снизится, если в приемнике использовать компактный резонатор.
Как и в случае WiTricity, новая технология основана на эффекте резонанса ближних электромагнитных полей, но российские ученые впервые экспериментально продемонстрировали возможность использования диэлектрических резонаторов. Уменьшить рабочую частоту резонаторов помогла сверхвысокая диэлектрическая проницаемость керамики, из которой они сделаны. У новых образцов значение этой характеристики равно 1000, что в сто раз выше, чем у обычной керамики и в десять раз превосходит предыдущий прототип. Материал был заработан компанией ООО «Керамика» специально для экспериментальной установки.
Статья: Mingzhao Song,Pavel Belov, and Polina Kapitanova (2016), Wireless power transfer based on dielectric resonators with colossal permittivity, Applied Physics Letters.
