Идея беспроводной передачи энергии (Wireless power transfer or transmission) появилась несколько столетий назад, однако всё ограничивалось экспериментальными разработками. Сейчас же существующие технологии постепенно переходят в массовое производство, например, довольно привычным для нас стали беспроводные зарядные устройства. Дальнейшее развитие данных технологий позволит передавать энергию для поддержания работы не только наземных устройств, но и дронов и спутников.
Беспроводная передача энергии относительно большой мощности на длинные расстояния – также известная как излучение энергии (Power beaming) – это способ передачи значительного количества энергии без перемещения или использования масс между передатчиком и приёмником. Процесс этот происходит за счёт электромагнитного излучения.
Существует два основных подхода к разработке решений в области беспроводных технологий передачи энергии: с помощью микроволн и лазер. Пилотные проекты по использованию микроволнового излучения с успехом реализовывались еще в 1960-х годах. В 1964 году на одной из демонстраций технологий в течении 10 часов поддерживался полёт вертолёта на высоте 15 метров за счёт передачи энергии микроволновым излучением. На сегодняшний день технологии микроволнового излучения являются частью Wi-fi и Bluetooth. Несмотря на падение стоимости данной технологии в 1980-х, разработки в этом направлении продолжают приносить технический результат. Весной 2022 года U.S. Naval Research Laboratory успешно провела эксперимент по передаче энергии мощностью 1,6 кВт на расстояние более 1 км, что действительно стало прорывным для данного подхода в беспроводных технологиях (проект SCOPE-M).
Второй подход – это использование технологии лазера (также известного как optical beaming). Электричество потребляется от легкодоступного источника и преобразуется в свет, после чего проецируется через открытое пространство или через оптоволокно. На другом конце специальные устройства с световые элементами, соответствующими длине волны лазера, преобразуют интенсивный свет обратно в электричество. Осенью 2022 года DARPA анонсировала начало программы POWER (Persistence Optical Wireless Energy Relay), в планы которой входит разработка технологий по передаче энергии с использованием лазера с борта воздушного судна на другие машинные системы за тысячи миль.
У обоих способов есть преимущества и недостатки. Например, определенные волны лазеров могут быть опасны для здоровья человека, также они разрушаются, проходя через атмосферу, в отличие от микроволн, которые способны не терять значительное количество мощности даже во время ливня. Поэтому некоторые исследователи считают, что лазеры лучше подходят для передачи на небольшие расстояния, а в ином случае более предпочтительны микроволны. Однако большинство разработчиков склоняются к важности для передачи энергии такого параметра как интенсивность мощности (энергии), в чем лазеры имеют огромное преимущество. Кроме того, лазеры удобны для использования в небольших изделиях, есть возможность контроля доступа и отсутствует риск радиочастотных помех.
для систем автономного и дистанционного управления (наблюдение и разведка, связь, внешние меры про- тиводействия и т.п.);
для систем распределения энергии для удалённых установок (пополнение запасов энергии, необслуживаемые датчики и т.п.);
для систем распределения энергии для планетарных тел (для затемненных постоянно участков, разведка астероидов и т.п.).
С точки зрения решения задач космической беспроводной энергетики лазерное излучение является более эффективным, так как используются существенно меньшие размеры приемно-передающих систем и фронт волны излучения не искажается при расстояниях передачи энергии, превышающих сотни километров.
Лазерные системы могут быть использованы:
для передачи энергии из космоса на Землю;
для передачи энергии с поверхности Земли на борт орбитальных космических аппаратов;
для передачи энергии из одной точки Земли в другую с помощью орбитального ретранслятора;
для передачи энергии с окололунной или марсианской орбиты на лунную или марсианскую базы
для взаимодействия с космическим мусором.
Разработка данной технологии способствует глобальному преобразованию энергетической отрасли: сможет быть достигнут переход к возобновляемым источникам энергии без потери в мощности и масштабах, что заменит существующую инфраструктуру и решит насущные для мировой энергетики проблемы, а также способствует научному и технологическому развитию космического направления.
В рамках настоящего дайджеста рассматривается передача энергии с помощью лазеров в рамках космической области.
база данных ФИПС (Российская Федерация);
база данных Patentscope (Всемирная организация интеллектуальной собственности – ВОИС);
база данных Espacenet (Европейское патентное ведомство – ЕПВ).
Поиск проводился по ключевым словам wireless, remote (беспроводной); transmission, transfer, deliver, supply, maintain, charge (передача/поддрежка/зарядка); light (свет); beam (луч); solar (солненчый); power, energy, electricity (энергия/электричество) и подклассам МПК H02J 50/30, H02J 17/00, B64G. В результате поиска было отобрано 594 патентных семей и 2261 патентных публикаций (заявки, патенты на ИЗ, ПО, ПМ). Для анализа тенденций выбрана группировка по патентным семействам.
Рисунок 1 – Распределение количества патентных публикаций в мире в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
Рисунок 2 – Распределение количества патентных публикаций в мире по странам и патентным ведомствам (топ-15) в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
Рисунок 3 – Распределение количества патентных публикаций в мире по странам (топ-5) в период с 2003 г. по 2013 г.
Рисунок 4 – Распределение количества патентных публикаций в мире по странам (топ-5) в период с 2013 г. по 01.10.2023 г.
Рисунок 5 – Распределение количества патентных публикаций в мире по странам заявителей и патентным ведомствам (топ-15) в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
Также при анализе выборки было выявлено довольно высокое количество патентных заявок среди остальных видов патентных публикаций.
Из распределений на рисунках 2 и 5 можно определить, что разработчики довольно часто выбирают для подачи систему PCT или Европейское патентное ведомство. Тенденция может быть вызвана желанием получить наиболее широкое технологическое преимущество.
Китай, США и Япония – наиболее востребованные юрисдикции для подачи патентных заявок и страны с наибольшим количеством патентных заявителей. При этом Китай только в 2011 году стал набирать объем патентных публикаций по рассматриваемую направлению, в отличие от Японии и США.
Можно также обратить внимание, что патентное ведомство Канады относительно актуально как ведомство подачи, но заявителей из этой страны довольно мало.
Рисунок 6 – Распределение количества патентных публикаций по организациям (топ-20) в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
LASERMOTIVE или с 2017 года PowerLight Technologies – американская инженерная компания, основной деятельностью которой является разработка систем беспроводной передачи энергии. Одно их основных достижений компании – это победа в конкурсе от НАСА «Power Beam challenge» в 2009 году с демонстрацией лазерной системы, передавшей мощность в 500 Вт на расстояние в 1 км с 10 % КПД.
Рисунок 7 – Распределение количества патентных публикаций PowerLight Technologies по годам в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
Рисунок 8 – Распределение количества патентных публикаций PowerLight Technologies по годам в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
Рисунок 9 – Распределение публикаций непатентной литературы по теме «Теплозащитные материалы и покрытия ракетных двигателей» за период с 2006 г. по 2023 г. (по данным портала eLibrary)
Рисунок 10 – География патентирования Shenzhen technology university в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
Рисунок 11 – Распределение количества патентных публикаций Nissan Motor по годам в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
Рисунок 12 – География патентирования Nissan Motor в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
Рисунок 13 – Распределение количества патентных публикаций WI Charge по годам в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
Рисунок 14 – География патентирования WI Charge в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
Рисунок 15 – Распределение количества патентных публикаций Mitsubishi Electric по годам в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
Рисунок 16 – География патентирования Mitsubishi Electric в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
Рисунок 17– Распределение количества патентных публикаций Mitsubishi Electricпо годам в период с 2003 г. по 01.10.2023 г.
H02J 07/02
Схемы зарядки или деполяризации батарей или схемы питания сетей от батарей
H02J 07/00
Схемы зарядки батарей от сети переменного тока через преобразователи
H02J 50/90
Схемные устройства или системы для беспроводного питания или распределения электрической энергии, включая обнаружение положения или оптимизацию, например выравнивание
H04B 10/80
Передающие системы, использующие электромагнитные волны иные, чем радиоволны, например, видимый свет, инфракрасный или ультрафиолетовый свет, или использующие корпускулярное излучение, например, квантовую связь. Оптические аспекты, относящиеся к использованию оптической передачи для особенных применений, не предусмотренные в группах H04B 10/03 — H04B 10/70, например, для подачи оптической мощности, для оптической передачи через воду
H02J 07/35
Схемы зарядки или деполяризации батарей, или схемы питания сетей от батарей. Параллельная работа в сетях с использованием как электрических аккумуляторов, так и других источников постоянного тока, например с целью обеспечения буферного режима (7/14 имеет преимущество)..с элементами, чувствительными к свету
H02J 50/00
Схемные устройства или системы для беспроводного питания или распределения электрической энергии
H01S 03/00
Лазеры, т.е. устройства для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, использующие стимулированное излучение электромагнитных волн с длиной волны большей, чем длина волны в ультрафиолетовом диапазоне (полупроводниковые лазеры 5/00)
H02J 50/80
Схемные устройства или системы для беспроводного питания или распределения электрической энергии, включая обмен данными, касающимися подачи или распределения электрической мощности между передающими устройствами и принимающими устройствами
H02J 50/40
Схемные устройства или системы для беспроводного питания или распределения электрической энергии, включающие в себя два или более передающих или приёмных устройства (H02J 50/50 имеет преимущество)
H02N 06/00
Генераторы, в которых световое излучение непосредственно преобразуется в электрическую энергию (солнечные элементы или их сборки H01L 25/00, H01L 31/00)
B60L 11/18
Электрическая силовая установка с питанием внутри транспортного средства, использующая энергию, поступающую от первичных элементов, вторичных элементов или топливных элементов
H02J 05/00
Схемы передачи электрической энергии между сетями переменного и постоянного тока (3/36 имеет преимущество)
H01M 10/44
Вторичные элементы; их изготовление. Способы и устройства для обслуживания и поддержания в рабочем состоянии вторичных элементов или вторичных полуэлементов. Способы зарядки или разрядки (схемы зарядки H 02J 7/00) [2]
H02J 50/20
Схемные устройства или системы для беспроводного питания или распределения электрической энергии с использованием микроволн или радиочастотных волн
H02J 50/60
Схемные устройства или системы для беспроводного питания или распределения электрической энергии способные реагировать на наличие чужеродных объектов, например обнаружение живых объектов
H01L 31/052
Средства охлаждения непосредственно связанные или встроенные в фотоэлектрический элемент, например, встроенные элементы Пельтье для активного охлаждения или радиаторы, непосредственно соединенные с фотоэлектрическими элементами (средства охлаждения, объединенные с фотоэлектрическим модулем H02S 40/42)
B60L 08/00
Электрические тяговые системы транспортных средств с питанием от природных источников энергоснабжения, например солнца, ветра
H01F 38/00
Приспосабливание трансформаторов или индуктивностей для специального применения или функционирования
H02J 50/10
Схемные устройства или системы для беспроводного питания или распределения электрической энергии c использованием индуктивного соединения
H04B 10/00
Передающие системы, использующие электромагнитные волны иные, чем радиоволны, например видимый свет, инфракрасный или ультрафиолетовый свет, или использующие корпускулярное излучение, например, квантовую связь
Для анализа тенденций выбрана группировка по патентным семействам.
Рисунок 18 – Распределение количества патентных публикаций по годам в период с 2003 г. по 01.10.2023 г
Рисунок 19 – Распределение количества патентных публикаций по организациям (топ-15) в период с 2003 г. по 01.10.2023 г
Рисунок 20 – Распределение количества непатентных публикаций по годам в период с 2003 г. по 01.10.2023 г
Рисунок 21 – Распределение количества непатентных публикаций по организациям (топ-15) в период с 2003 г. по 01.10.2023 г
В результате анализа выборки патентных публикаций в РФ можно предположить, что рассматриваемое направление не востребовано. Из распределения на рисунке 18 видно, что активность патентования довольно низкая.
В связи с подавляющей долей представителей образовательных учреждений среди организаций с наибольшим количеством патентных публикаций можно предположить, что коммерциализация разработок на отечественном рынке не является приоритетом.
Среди правообладателей присутствуют иностранные представители, заинтересованные в охране своих разработок на российском рынке, но их количество невелико.
Несмотря на статистику патентных публикаций, объем непатентной литературы довольно значительный. Такая тенденция может говорить о ведении активных исследований в направлении беспроводной передачи энергии. Разработками и исследований среди организаций преимущественно заняты представители образовательных учреждений.
По графикам, представленным на рисунках 19 и 21, однозначно выделяется ПАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королёва».
В 2016 году специалисты ПАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королёва» успешно провели эксперимент по беспроводной передаче электроэнергии на расстояние 1,5 км в результате чего бы л заряжен аккумулятор ёмкостью 2000 мАч за 8 часов. А в 2020 году ПАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королёва» подало заявку на получение патента RU2734680C1 «Квадрокоптер». Изобретение раскрывает конструкцию квадрокоптера и систему его электропитания. Предполагается, что беспилотный летальный аппарат сможет получать энергию от лазерного луча, генерируемого на земле, в воздухе или космосе.
В настоящем дайджесте рассмотрено патентование разработок по направлению «лазерные системы передачи энергии» для космической области.
Возрастающий интерес к способам беспроводной передачи энергии выражен как в увеличивающемся объеме непатентной литературы, так и в растущем потоке патентных публикациях на мировом рынке.
Направление востребовано не только для космических компаний, но и для представителей других областей машиностроительной и энергетической промышленностей. Невысокое число учебных заведений в качестве правообладателей патентов может говорить о переходе технологии на новый уровень готовности.
В рамках рассматриваемого направления разработчиков непосредственно занимает создание новых технических решений в части реализации приёмопередаточных устройств, а также совершенствование преобразовательных систем.
Основываясь на статистике, можно предположить, что Российская Федерация не является актуальным рынком для представителей из других стран, а разработки в рассматриваемом направлении для отечественных представителей представляют интерес преимущественно с точки зрения научных изысканий.
Общая картина по направлению лазерных систем передачи энергии представляется позитивной. В силу технологического прогресса становятся доступны новые инструменты для создания устройств реализации беспроводной передачи энергии. Актуальность также продолжит расти, так как новый источник энергии способствует решению ряда горящих вопросов, в том числе и в космической области. Например, увеличение срока службы КА без потери в массе и габаритах.
Следите за новыми выпусками, чтобы быть в курсе важных изменений!
До новых встреч, ваш #ДайджестПИ
Оставить отзыв о дайджесте
