Recolección de energía RF

¿Por qué la energía invertida en radiación de radiofrecuencia no puede aprovecharse por completo? ¿Cuáles son los principales factores que inciden en esto? ¿Hay alguna investigación significativa hoy en día que describa completamente este proceso? Me quedo con la conclusión: "La energía se mueve de una forma a otra", pero en este caso, ¿por qué no se puede recolectar en esa cantidad para usarla para alimentar dispositivos de baja potencia o almacenarla en cantidades significativas en algunas baterías para más adelante? ¿utilizar? ¿Por qué no es rentable hoy en día y por qué no se utiliza hoy en día como la energía del agua, el viento y otras fuentes de energía?

diagrama del sistema de recolección de energía RF

No creo que sea un duplicado. El otro es sobre un esquema particular (que en realidad es solo una estafa), mientras que esto parece ser sobre por qué no puede capturar toda la RF disponible. Es decir, ¿por qué no podemos recuperar toda la radiofrecuencia que estamos transmitiendo y usarla como fuente de energía?
¿Quiere decir todo el espectro de frecuencias al decir 'todas las RF disponibles'?
@JRE ¡Exactamente eso!
@Lazar, ha agregado una nueva recompensa a esto, ¿hay algo que falte en la información que ha recibido hasta ahora?

Respuestas (6)

Considere una antena que convierte toda la energía eléctrica de un oscilador de potencia en una transmisión de radio electromagnética. Digamos que se alimenta 1 vatio a la antena y 1 vatio es la potencia de onda de radio emitida.

Ese poder se lanza en la mayoría de las direcciones; al igual que una bombilla emite energía luminosa en (prácticamente) todas las direcciones. La bombilla no es solo un ejemplo similar, es exactamente el mismo ejemplo: la luz emitida es una onda electromagnética.

Ahora imagina que estás a 1 metro de esa bombilla con un panel solar 100% eficiente. Luego imagina que construyes varios paneles solares que envuelven exacta y totalmente la bombilla. Cablea los paneles solares en serie y ve cuánta energía puede extraer. Bueno, para este experimento mental, en realidad puedes extraer el 100% de ese poder.

Luego te paras a 10 m de distancia y haces lo mismo. Obviamente, necesita muchos más paneles solares pero, suponiendo que la luz emitida incide totalmente en los paneles y no hay fugas de luz más allá de esos paneles, recibirá el 100% de la energía.

Así que se puede hacer, pero a un gran costo y molestias. Pero no es un gran problema con un rayo láser afilado como un lápiz y un panel solar 100% eficiente. Si puede enfocar la luz lo suficiente, puede recolectar TODA la energía. Recuerde que esto es solo un ejercicio mental y que los paneles solares y las lámparas/láseres están lejos de ser 100% eficientes.

Volviendo a una onda de radio transmitida, podría construir un plato parabólico y transmitir a una frecuencia suficientemente alta para poder concentrar la mayor parte de la potencia en una antena receptora (otro plato). Esto se hace en todo el país por personal militar y de telecomunicaciones para obtener datos de línea de visión y comunicaciones de voz que son "en gran medida" privadas en el sentido de que es difícil "robar" una escucha de lo que se transmite a menos que esté cerca de las antenas y recogiendo un pequeño lóbulo lateral de energía.

Para el resto de todos los transmisores que emiten, son generalmente dipolos y difunden su energía emitida en todas direcciones en al menos un plano. Esto permite que las estaciones de música se recojan con bastante facilidad y ese, por supuesto, es el objetivo.

¿Puedes cosechar fácilmente esa energía? No muy bien porque la energía está volando en gran parte hacia el espacio y los "oyentes" solo reciben una fracción.

La antena de cada oyente es efectivamente una red (es decir, tiene un "área" real a pesar de su forma larga y delgada) que captura la energía enviada desde ese transmisor y la cantidad que captura suele ser femto watts. Normalmente, un receptor de RF (a riesgo de ser demasiado general) puede funcionar con alrededor de 10 microvoltios recibidos de la antena y, en promedio a través de una amplia muestra de tipos de antena, este voltaje tendrá una impedancia de fuente de alrededor de 50 ohmios.

La potencia liberada es por tanto 5 uV al cuadrado / 50 = 5 femtovatios.

Obviamente, cuanto más cerca esté del transmisor, mayor será la potencia que se puede liberar, pero si todo lo que le interesa es obtener potencia utilizable, entonces use cables.

Si hiciera los cálculos sobre la suma total de energía que se puede recolectar en cualquier punto de la tierra, no encontraría muchos lugares donde se puedan recolectar más de un par de milivatios.

La energía solar y la recolección de energía RF son básicamente formas de lo mismo: la recolección de ondas electromagnéticas.

¿Incluso cuando estamos junto al enrutador? Leí que algunos routers dan hasta 80mW

Los enrutadores generalmente usan antenas de cuarto de onda y, para recolectar energía, también puede usar una antena de cuarto de onda. La distancia realista a la que puede acercarse es aproximadamente lambda (1 longitud de onda) antes de que comience a causar efectos de carga extraños en la antena. Esta es una distancia de aproximadamente 0,1 metros, por lo que, utilizando la ecuación de transmisión de Friis convertida a dB: -

Pérdida (dB) = 32,45 + 20 yo o gramo 10 (f) + 20 yo o gramo 10 (d)

Donde f está en MHz y d está en kilómetros. Esta ecuación le dice cuántos dB de pérdida de potencia puede esperar a una distancia dada con una frecuencia portadora dada.

Para 2,45 GHz y 0,1 metros (0,0001 km) la pérdida es 32,45 + 67,6 - 80 = 20 dB.

Pero las antenas tx y rx tienen una ganancia de aproximadamente 4dB entre ellas (porque son semidireccionales) y, por lo tanto, la pérdida es de solo unos 16 dB.

80 mW de entrada se convierte (teóricamente) en 12,7 mW de salida.

Otra cosa a considerar es lo que sucede si en realidad tratamos de recolectar todo lo que pasa por un punto; eso es solo un escudo elegante y costoso, a través del cual nada podría pasar. Podría volverse problemático si estuvieran en todos los edificios. +1 para Andy.
@SeanBoddy ¿Qué pasa con la recolección de energía de nuestros enrutadores wifi domésticos?
@MasterYoda Con respecto al comentario anterior, ¿hasta qué punto? Incluso si recogiera los milivatios provenientes de su enrutador, no podría usarlo para transmitir información. Además, dado que es el mundo real, perderá más energía en general de la que puede recuperar. (La fuente de alimentación desperdicia calor, el transmisor desperdicia calor, también lo haría el receptor).
@RDrast Sí, tiene razón, pero pensé en un dispositivo que puede escanear un rango de frecuencia y encontrar dónde se transmite la mayor cantidad de energía (señal fuerte) y luego almacenar energía en la batería para uso futuro, no inmediatamente para cargar dispositivos. No importa cuántos milivatios, durante algún tiempo, la batería se cargará y se podrá utilizar.
@MasterYoda: una señal muy fuerte podría ser de 1 milivatio.
¿Incluso cuando estamos junto al enrutador? Leí que algunos enrutadores dan hasta 80 mW - eham.net/ehamforum/smf/index.php?topic=41599.0;wap2
@MasterYoda ¡Puedes recolectar lo suficiente para evitar que la batería de tu teléfono se descargue en modo de suspensión! Por supuesto, entonces no podría usar Wi-Fi al mismo tiempo. Y tendrías que enfrentarte al punto de acceso Wi-Fi, entonces, ¿por qué no conectar tu teléfono a lo que sea que esté conectado el AP?
Sí, no tiene sentido, pero es un tema un poco triste, realmente genial para investigar y tal vez encontrar alguna solución explotable. Gracias por las respuestas.
@MasterYoda: vea el cálculo que hice para el enrutador wifi a 0,1 m entre las antenas de envío y recepción.
@masteryoda, el punto es que si recolecta la energía de una transmisión de RF, la transmisión ya no está allí. De una manera muy real, ganaría más energía neta al desenchufar el transmisor.
@SeanBoddy Recolectar la energía de RF es más como colocar un obstáculo en el camino de las ondas, produciendo una "sombra". Todas las antenas tienen un área de captura equivalente. Pero no pueden extraer energía de regiones fuera de su campo cercano, o tal vez de su "cono de luz", como analogía. La energía que se convirtió en energía útil mediante la recolección 1) se irradió hasta el infinito o 2) se convirtió en calor al golpear algo que la absorbió. Esto es idéntico al comportamiento de la luz, solo que la escala de tamaño es diferente. Si no "cosecha" la luz de una bombilla, ¿a algo le "importa"?
@nocomprende, se te olvidó 3) tener su energía eléctrica equivalente consumida por uno de los dispositivos con los que en realidad estaba tratando de comunicarse. Si la pared entre usted y el enrutador consumió la mitad de la energía, su dispositivo no puede obtener una señal utilizable y, lo que es peor, no obtuvo prácticamente nada a cambio de energía. Puedo hacer esta matemática. Desconecte el enrutador. En serio.
@Andyaka Quiero señalar que la energía solar NO ES la recolección de energía RF. RF y la luz solar son ondas electromagnéticas, pero las frecuencias de RF son completamente diferentes de las frecuencias de la luz visible
@ClaudioAviChami tienes toda la razón y estiré demasiado la verdad. Corrección en camino.
Me gustaría señalar que las diversas pérdidas y parásitos de los componentes mismos se ignoran en gran medida aquí. Todos los componentes electrónicos tienen pérdidas y, por lo tanto, se restarán de estos máximos teóricos. Incluso los diodos de rectificación tienen pérdidas significativas, lo que significa que un máximo teórico de 12,7 mW es probablemente más de la mitad en la realidad.
@rdtsc todos los puntos excelentes, pero "más como la mitad de eso en realidad" es solo una caída de 3dB; creo que más que eso, pero estas también son aproximadamente las mismas pérdidas para otros esquemas de "recuperación".

Si generalizamos un poco su pregunta para cubrir no solo la recolección de energía de RF, sino también la recolección de energía electromagnética en general, lo hacemos todo el tiempo.

granja solar gigante

El sol es esencialmente un transmisor electromagnético con una potencia de salida de aproximadamente 4 × 10 26 vatios. Una granja solar muy grande tiene una salida (máxima) de 6 × 10 8 vatios.

Para poner esto en perspectiva, si tuviera 8 kilogramos de oro y quitara un solo átomo , esa es aproximadamente la misma fracción que la energía recibida del sol.

Eso es $ 287,000 de oro, y puede cosechar la mitad de una billonésima parte de un centavo .

Si tomaras a todas las personas del mundo, cosecharías el valor de un corte de uñas de humanos.

La razón, por supuesto, es que la mayor parte de la producción de energía del sol ni siquiera llega a la Tierra.

El problema es muy similar con la recolección de energía de RF. De toda la energía de radiofrecuencia transmitida por todos los transmisores del mundo, solo una fracción minúscula llegará a su antena.

Si mis cifras son correctas (de memoria), el sol convierte 4.000 toneladas de su masa en luz cada segundo, y la tierra intercepta 2 onzas de fotones por segundo. Eh, 60 gramos.

Relacionado: Escuché que los granjeros con cercas de alambre largas que corren paralelas a las líneas eléctricas podrían "robar" CA acoplada de 50/60 Hz. No estoy seguro de si esto es cierto o de cuánta energía habría disponible, pero supongo que una cantidad pequeña, pero suficiente para que las compañías eléctricas notaran la pérdida y fueran a buscarla. Después de haber gastado el dinero para comprar todo ese cable para su esquema, podría haberlo hecho mejor comprando un panel solar o un molino de viento o agua. Nadie te acusará de robarles en ese caso.

¿Tal vez podría intentar recolectar energía de gravedad de la lluvia que cae, etc. en su lugar?

No estoy seguro de si esta respuesta es lo suficientemente completa como para ser considerada una respuesta adecuada. Pero aparte de eso, creo que el robo de electricidad se debe más a la capacitancia creada por el alto voltaje y la tierra, no necesariamente a la interferencia electromagnética generada por ellos.
Ofc pueden robar, sus dos cables conductores en paralelo, uno induciendo el flujo de electrones en el segundo: electromagnetismo.
@JarrodChristman: un cable largo paralelo a otro cable largo es efectivamente un transformador, por lo que se ajusta al escenario sobre el que pregunta el OP, solo en el rango ELF de "radio". Si fuera un efecto de capacitancia, entonces una gran placa o caja de metal, como un granero, haría el trabajo. Nunca he oído hablar de eso. Tendría que haber un circuito completo en ese caso...?
Tienes razón, después de investigar más, la inducción tiene más sentido.
"¿Tal vez podrías intentar recolectar la energía de la gravedad de la lluvia que cae, etc.?" Creo que llamamos a esas plantas hidroeléctricas. Parece que funciona bastante bien. Tal vez se podría construir uno en miniatura colocado en el fondo de un bajante. Probablemente genere más energía que uno de estos esquemas de RF.
@tcrosley Sí, la microenergía puede funcionar, si está dispuesto a esperar que la naturaleza le dé lluvia, viento, días despejados, etc. Es una noción interesante, pero la RF no es lo suficientemente densa en energía y no hay fuentes naturales confiables. . En última instancia, por supuesto, TODA la energía del universo proviene de la gravedad y del Big Bang. Lástima que no podamos usar la gravedad tal como es.

El problema tiene que ver con la física y la eficiencia de conversión de energía. Un resumen del trabajo sobre la frecuencia se encuentra en la siguiente gráfica de [hemour2014hacia] a continuación:ingrese la descripción de la imagen aquí

La respuesta corta es que tiene que manejar un dispositivo para capturar energía, y tiene pérdidas en todos los ámbitos debido a las realidades de la fabricación, como la falta de coincidencia del dispositivo. Puede encontrar todo lo que necesita para un curso intensivo sobre los problemas de la recolección de energía de RF leyendo:

@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}
}

Podría hacer todas las derivaciones por usted, pero solo lea esos dos documentos cuando estén disponibles.

¡Guau, en realidad podemos recolectar energía medible en milivatios!
@TimSpriggs Physics es una amante dura. :)

Me hicieron varias veces preguntas similares. Parece absolutamente ninguna idea de valor.

Todos los comentarios anteriores son ciertos. Agregaría que la mayor parte de la radiación de RF que produce nuestra tecnología es absorbida por la tierra, las paredes, los cuerpos humanos, etc. o sale al espacio. En el primer caso, provoca un calentamiento marginal de algunos objetos. En el segundo caso, se pierde para siempre.

La única excepción son los sistemas de RF diseñados específicamente para la transferencia de energía o teniendo en cuenta esta funcionalidad. Sin embargo, no pueden ser utilizados para radiodifusión o comunicaciones.

Puede ver una clara contradicción: la transmisión asume que la energía de RF fluye libremente en todas las direcciones. La "recolección de energía de RF" supone que algún sistema recolecta toda esta energía, por lo que la última se pierde para la transmisión (o comunicaciones, conexiones WiFi, etc.).

Hay grupos de investigación que hacen esto: IEEE Paper Hay varios más, pero estoy cansado de buscar en Google. Recuerdo un artículo\grupo que capturaba energía inalámbrica para alimentar un microcontrolador. Algunos de los MSP430 de TI pueden funcionar con potencias muy bajas (uAmps) TI MSP430 App Note y usar una celda solar muy pequeña o una antena para funcionar.

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