КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 17-79-20379
НазваниеСистема беспроводной передачи энергии "Умный стол"
РуководительКапитанова Полина Вячеславовна, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2017 - 06.2020 |
Конкурс№24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-305 - Физические аспекты получения, преобразования и передачи электроэнергии
Ключевые словаметаповерхность, эффективность, передача энергии, резонанс, магнитное поле
Код ГРНТИ29.35.00
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проблема передачи электрической энергии без использования проводов волнует умы человечества еще с конца 19 века, когда Никола Тесла стал ставить свои первые эксперименты и искать пути решения данной проблемы. 21 век – это век «носимой электроники», в котором количество используемых портативных персональных электронных устройств растет в геометрической прогрессии. Мобильные устройства стали неотъемлемой частью жизни человека. Сотовые телефоны, планшеты, ноутбуки и т.д.- все эти устройства требуют постоянной подзарядки их аккумуляторов в конце рабочего дня. Вычислительные мощности устройств постоянно растут, при том, что требования к мобильности и автономности сохраняется. В то же время, технологии хранения энергии в портативных аккумуляторах на сегодняшний день не позволяют удовлетворить пользователей. Более того, зачастую разные мобильные устройства имеют разные стандарты проводных зарядок. Отсюда актуальна задача создания удобных и эффективных систем беспроводной подзарядки мобильных портативных устройств.
На сегодняшний день в продаже существуют системы беспроводной подзарядки мобильных телефонов. Они выполнены по стандарту Qi и работают на основе индуктивной связи между двумя металлическими катушками. Передающая катушка размещена в базе зарядной станции, а приемная катушка располагается в корпусе или чехле сотового телефона. Данные системы беспроводной передачи энергии обладают рядом технических недостатков. Во-первых, область контакта приемника и передатчика ограничена. Требуется точное позиционирование мобильного телефона на терминале зарядной станции. Во-вторых, в самых простых исполнениях такие системы позволяют подзаряжать только одно устройство. В-третьих, эффективность данных устройств мала и чувствительна к расстоянию между передающей и приемной катушками. Увеличение этого расстояния требует увеличение энергии, подаваемой на стационарный терминал. Это в свою очередь приводит как к росту потерь энергии вследствие излучения в свободное пространство, так и к повышению риска негативного воздействия излучаемой энергии на биологические объекты.
В данном проекте будет развита идея и предложена реализации системы беспроводной передачи энергии формата "умный стол", которая позволяет подзаряжать несколько мобильных устройств (сотовый телефон, клавиатура, мышка, монитор, ноутбук и т.д.), находящихся на рабочем столе пользователя одновременно без проводов. При этом предполагается, что подзаряжаемые устройства могут быть размещены в произвольной области поверхности "умного стола".
Научная новизна настоящего проекта заключается в том, что в составе "умного стола" будет использована метаповерхность. Метаповерхность – это планарный аналог метаматериала, который по сравнению с объёмным метаматериалом, прост в изготовлении и в меньшей степени испытывают негативное влияние диссипативных потерь. В то же время, метаповерхность сохраняет функционал объемного метаматериала и позволяет эффективно управлять распределением электромагнитного поля и его поляризацией. Основная задача метаповерхности в составе “умного стола” – это формирование однородного ближнего магнитного поля для возможности подзарядки нескольких портативных устройств одновременно. В ходе выполнения проекта будут исследованы разные типы метаповерхностей, изучены их электромагнитные свойства, решена задача эффективного возбуждения метаповерхности для обеспечения необходимого профиля магнитного поля и подавления электрического поля.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта будут получены результаты аналитического и численного исследования различных типов метаповерхностей. В их числе: 1) диэлектрические метаповерхности, работающие на частотах высших магнитных мультипольных мод; 2) метаповерхности на основе металлических элементарных ячеек, упорядоченных в определенной последовательности. Будет решена задача эффективного возбуждения метаповерхности для обеспечения однородного профиля магнитного поля и подавления электрического поля. На основе результатов численных оценок будет разработан прототип устройства формата "умный стол" для беспроводной зарядки нескольких мобильных устройств одновременно. Будут получены результаты экспериментального исследования эффективности прототипа при подзарядке одного и нескольких устройств одновременно на его поверхности.
Предполагается, что работы, выполненные в ходе проекта, обеспечат возможность создания высокоэффективной системы беспроводной передачи энергии формата "умный стол". Будучи встроенной в поверхность стола данная система может получить широкое практическое применение для подзарядки мобильных устройств в офисе, кафе, ресторанах, аэропортах и т.д. Можно рассмотреть и другой вариант практической реализации системы "умный стол", когда метаповерхность не встраивается в поверхность рабочего стола, а имеет пластичный корпус. По сути представляет собой мобильный коврик, который можно свернуть для транспортировки, а потом развернуть в любом месте, подключить к розетке и наслаждаться удобствами беспроводной подзарядки сразу всех электронных гаджетов, которые есть у пользователя.
Следует отметить, что данный проект направлен на развитие научной карьеры молодых ученых, расширение горизонтов планирования их научной работы, формирование исследовательской команды, которая впоследствии может стать основой научной лаборатории на кафедре Нанофотоники и Метаматериалов, Университет ИТМО.
По результатам работ планируется опубликовать 10 публикаций в рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Основная идея данного проекта - это развитие идеи и реализация системы беспроводной передачи энергии формата "умный стол". Такая система позволит подзаряжать несколько мобильных устройств (сотовый телефон, клавиатура, мышка, монитор, ноутбук и т.д.), находящихся на рабочем столе пользователя одновременно без проводов. При этом предполагается, что подзаряжаемые устройства могут быть размещены в произвольной области поверхности "умного стола". Научная новизна настоящего проекта заключается в том, что в составе передающего модуля "умного стола" будет использована метаповерхность. Метаповерхность – это планарный аналог метаматериала, который по сравнению с объёмным метаматериалом, прост в изготовлении и в меньшей степени испытывают негативное влияние диссипативных потерь. В то же время, метаповерхность сохраняет функционал объемного метаматериала и позволяет эффективно управлять распределением электромагнитного поля и его поляризацией. Основная задача метаповерхности в составе “умного стола” – это формирование однородного ближнего магнитного поля для возможности подзарядки нескольких портативных устройств одновременно. В ходе выполнения первого этапа проекта были численно исследованы разные типы метаповерхностей .В программном пакете CST Microwave Studio были построены численные модели метаповерхностей и изучены их электромагнитные свойства. Было показано, что предлагаемые нами метаповерхности способны формировать однородное магнитное поле вдоль своей поверхности. Была решена задача эффективного возбуждения метаповерхности для обеспечения необходимого профиля магнитного поля и подавления электрического поля. Полученные нами результаты численной оценки эффективности системы формата "умный стол" подтверждают возможность заряжать устройства на его поверхности с эффективностью не хуже 70%.
Публикации
1. Andrey A. Bogdanov, Kirill L. Koshelev, Polina V. Kapitanova, Mikhail V. Rybinb, Sergey A. Gladyshev, Zarina F. Sadrieva, Kirill B. Samusev, Yuri S. Kivshar, Mikhail F. Limonov A direct link between Fano resonances and bound states in the continuum Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, - (год публикации - 2018)
2. Mikhail Balezin, Kseniia Baryshnikova, Polina Kapitanova, Andrey B. Evlyukhin Electromagnetic properties of the Great Pyramid: Multipole resonances and energy concentration Journal of Applied Physics, - (год публикации - 2018)
3. A. Markvart, M. Song, S. Kosulnikov, S. Glybovski, P. Belov, C. Simovski, P. Kapitanova Metamaterials-inspired resonator for wireless power transfer systems Proceedings of International Conference on Metamaterials and Nanophotonics METANANO 2018, - (год публикации - 2018)
4. Polina Kapitanova,Pavel Belov Numerical study of magnetic wireless power transfer system based on magnetic modes of dielectric disk resonator 2017 IEEE International Conference on Microwaves, Antennas, Communications and Electronic Systems (COMCAS), - (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1109/COMCAS.2017.8244857
5. Маркварт А.А., Сун М., Капитанова П.В., Симовский К.Р., Белов П.А. Устройство беспроводной передачи энергии -, - (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Основная идея данного проекта - это развитие идеи и реализация системы беспроводной передачи энергии формата "умный стол". Такая система позволит подзаряжать несколько мобильных устройств (сотовый телефон, клавиатура, мышка, монитор, ноутбук и т.д.), находящихся на рабочем столе пользователя одновременно без проводов. При этом предполагается, что подзаряжаемые устройства могут быть размещены в произвольной области поверхности "умного стола". Научная новизна настоящего проекта заключается в том, что в составе передающего модуля "умного стола" будет использована метаповерхность. Метаповерхность – это планарный аналог метаматериала, который по сравнению с объёмным метаматериалом, прост в изготовлении и в меньшей степени испытывают негативное влияние диссипативных потерь. В то же время, метаповерхность сохраняет функционал объемного метаматериала и позволяет эффективно управлять распределением электромагнитного поля и его поляризацией. Основная задача метаповерхности в составе “умного стола” – это формирование однородного ближнего магнитного поля для возможности подзарядки нескольких портативных устройств одновременно. В ходе выполнения второго этапа проекта были разработаны прототипы двух метаповерхностей и проведены экспериментальные исследования их характеристик. Экспериментально подтверждено, что разработанные метаповерхности формируют однородное магнитное поле вдоль своей поверхности. Измеренная эффективность передачи энергии от метаповерхностей в приемную рамку, размером с сотовый телефон, составляет более 70%.
Публикации
1. Mingzhao Song, Ксения Барышникова, Александр Маркварт, Павел Белов, Елизавета Ненашева, Константин Симовский и Полина Капитанова Smart Table Based on Metasurface for Wireless Power Transfer Physical Review Applied, - (год публикации - 2019)
2. Андрей А. Богданов, Кирилл Л. Кошелев, Полина В. Капитанова, Михаил В. Рыбин, Сергей А. Гладышев, Зарина Ф. Садриева, Кирилл Б. Самусев, Юрий С. Кившар, Михаил Ф. Лимонов Bound states in the continuum and Fano resonances in the strong mode coupling regime Advanced Photonics, - (год публикации - 2018)
3. A. Саянский, С. Глыбовский, J. D. Baena A linear-to-circular polarization converter with broadband transparency based on Huygens’ metasurface 12th International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena - Metamaterials 2018, - (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1109/MetaMaterials.2018.8534062
4. J. P. Del Risco, M. A. Londono, А. Саянский, С. Глыбовский, J. D. Baena Broadband-Reflectionless Perfect Absorber Made of Planar Resonators 2018 12th International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena (Metamaterials), pp. 34 - 36 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1109/MetaMaterials.2018.8534141
5. Маркварт Александр Александрович, Сун Минчжао, Капитанова Полина Вячеславовна, Симовский Константин Руфович, Белов Павел Александрович УСТРОЙСТВО БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ -, 187264 (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект направлен на развитие идеи и практическую реализацию системы беспроводной передачи энергии формата "умный стол". Разрабатываемая система позволяет подзаряжать несколько мобильных устройств (сотовый телефон, клавиатура, мышка, монитор, ноутбук и т.д.), находящихся на рабочем столе пользователя одновременно без проводов. При этом основным преимуществом является то, что эффективная подзарядка осуществляется при произвольном размещении устройств на поверхности "умного стола" и не зависит от их ориентации относительно друг друга. Научная новизна настоящего проекта заключается в том, что была разработана и экспериментально исследована уникальная метаповерхность, которая используется в составе передающего модуля "умного стола". Метаповерхность – это планарный аналог метаматериала, который, по сравнению с объёмным метаматериалом, прост в изготовлении и в меньшей степени испытывают негативное влияние диссипативных потерь. В то же время, метаповерхность сохраняет функционал объемного метаматериала и позволяет эффективно управлять распределением электромагнитного поля и его поляризацией. Благодаря специально разработанной и оптимизированной структуре метаповерхности в составе “умного стола” она формирует однородное ближнее магнитное поле, которое используется подзарядки нескольких портативных устройств одновременно.
В ходе выполнения третьего этапа проекта был разработан первый прототип системы беспроводной передачи энергии формата «Умный стол», состоящий из источника сигнала, передатчика (метаповерхности), и нескольких приемников с нагрузкой. Было выполнено экспериментальное исследование характеристик прототипа и показано, что на рабочих частотах системы 6.78 МГц и 13 МГц эффективность передачи энергии в одну приемную рамку составляет 85% и 90%, соответственно. Экспериментальное тестирование работы системы с тремя приемниками, нагруженными на светодиоды в качестве нагрузки, показало, что разработанный прототип системы формирует однородное магнитное поле вдоль своей поверхности и обеспечивает стабильное свечение светодиодов при произвольном расположении приемных рамок относительно друг друга на поверхности умного стола.
Публикации
1. Aleksandr Markvart ; Mingzhao Song ; Stanislav Glybovski ; Pavel Belov ; Constantin Simovski: Polina Kapitanova Metasurface for Near-Field Wireless Power Transfer With Reduced Electric Field Leakage IEEE Access, vol. 8, pp 40224 - 40231 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2976755
2. Hadi K. Shamkhi, Andrey Sayanskiy, Adrià Canós Valero, Anton S. Kupriianov, Polina Kapitanova, Yuri S. Kivshar, Alexander S. Shalin, and Vladimir R. Tuz Transparency and perfect absorption of all-dielectric resonant metasurfaces governed by the transverse Kerker effect Physical Review Materials, 3, 085201 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.085201
3. Hadi K. Shamkhi, Kseniia V. Baryshnikova, Andrey Sayanskiy, Polina Kapitanova, Pavel D. Terekhov, Pavel Belov, Alina Karabchevsky, Andrey B. Evlyukhin, Yuri Kivshar, and Alexander S. Shalin Transverse Scattering and Generalized Kerker Effects in All-Dielectric Mie-Resonant Metaoptics PHYSICAL REVIEW LETTERS, Том: 122 Выпуск: 19 Номер статьи: 193905 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.193905
4. Nikita Pavlov, Ivan Stenishchev, Anar Ospanova, Pavel Belov, Polina Kapitanova, Alexey Basharin Toroidal Dipole Mode Observation In Situ Physica Status Solidi B: Basic Solid State Physics, 1900406 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1002/pssb.201900406
5. Polina Kapitanova, Mingzhao Song, Ksenia Rudneva, Aleksandr Markvart, Stanislav Glybovski, Constantin Simovskiy, Pavel Belov Water-assisted Metasurface for Wireless Power Transfer Proccedings of EuCAP, - (год публикации - 2020)
6. А. Маркварт, М. Сонг, П. Белов, С. Симовский, П. Капитанова Parametric study of metamaterial-inspired resonator for wireless power transfer Journal of Physics: Conference Series, vol. 1461, pp. 012092 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1461/1/012092
7. - Время Суток телеканал Санкт-Петербург, - (год публикации - )
8. - В Университете ИТМО разработали «умный стол» для зарядки гаджетов на рекордно большом расстоянии ITMO.NEWS, - (год публикации - )
9. - Столовый прибор: беспроводная зарядка стала в сто раз мощнее Известия, - (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
Технологии беспроводной передачи энергии (БПЭ) чрезвычайно важны и актуальны в настоящее время, благодаря их успешному внедрению в потребительские электронные продукты. Спектр применений БПЭ, охватил мобильные и переносные устройства, бытовые приборы и офисное оборудование, электромобили и даже поезда. В настоящее время технологии БПЭ на основе магнитной индукции широко доступны на рынке. В основном эти продукты обеспечивают зарядку одного (максимум трех) мобильных устройств. Технологии БПЭ на основе магнитного резонанса, которые сейчас выходят на потребительский̆ рынок открывают новые возможности, например свобода выбора местоположения зарядного устройства.
Система БПЭ «Умный стол» является уникальной по своему принципу работы, который заключатся в применении магнитно-резонансного метода передачи энергии. Первый прототип устройства, разработанный в ходе проекта, включает в себя источник, соединенный с передатчиком электромагнитной энергии, представляющим собой метаповерхность, состоящую из проводников расположенных в одной плоскости параллельно друг другу и нагруженных на емкостные элементы. Метаповерхность настроена таким образом, что при работе устройства, формирует сильное равномерное магнитное поле, необходимое для эффективной передачи энергии, и подавляет электрическое поле, снижая потери на излучение и коэффициент удельного поглощения электромагнитной энергии в биологических тканях. Экспериментально продемострирована возможность эффективной беспроводной подзарядки одного или нескольких устройств, произвольно расположенных на поверхности стола, одновременно.
В рамках обоснования уникальности данной разработки уместнее будет рассмотреть рынки технологий, а не рынки продуктов или услуг. В логике Национальной технологической инициативы (НТИ) «умный стол» может быть отнесен к сквозной технологии: «Новые и портативные источники энергии».
Использование «умного стола» в проектах различной направленности (например, переносные и мобильные устройства, бытовые приборы и логистические применения, электромобили) может обеспечить его доминирование. Его применение возможно с точки зрения всего рынка портативных источников энергии. Растущие объемы производства и использования смартфонов, большая база пользователей бытовой электроники являются основными потребителями для разрабатываемого «умного стола».