Bezprzewodowe przesyłanie energii - Wireless power transfer

Indukcyjna podkładka ładująca do smartfona jako przykład bezprzewodowego transferu bliskiego pola. Po umieszczeniu telefonu na macie cewka w macie wytwarza pole magnetyczne, które indukuje prąd w innej cewce telefonu, ładując jego baterię.

Bezprzewodowa transmisja mocy ( WPT ), bezprzewodowa transmisja mocy , bezprzewodowa transmisja energii ( WET ) lub elektromagnetyczna transmisja mocy to transmisja energii elektrycznej bez przewodów jako łącze fizyczne. W bezprzewodowym systemie przesyłu energii urządzenie nadawcze, napędzane energią elektryczną ze źródła zasilania , generuje zmienne w czasie pole elektromagnetyczne , które przekazuje moc w przestrzeni do urządzenia odbiorczego, które pobiera energię z pola i dostarcza ją do urządzenia elektrycznego. wczytaj . Technologia bezprzewodowej transmisji energii pozwala wyeliminować użycie przewodów i baterii, zwiększając tym samym mobilność, wygodę i bezpieczeństwo urządzenia elektronicznego dla wszystkich użytkowników. Bezprzewodowe przesyłanie energii jest przydatne do zasilania urządzeń elektrycznych, w których przewody łączące są niewygodne, niebezpieczne lub niemożliwe.

Techniki zasilania bezprzewodowego dzielą się głównie na dwie kategorie: pole bliskie i pole dalekie . W technikach bliskiego pola lub niepromieniujących , energia jest przenoszona na krótkie odległości za pomocą pól magnetycznych za pomocą sprzężenia indukcyjnego między zwojami drutu lub za pomocą pól elektrycznych za pomocą sprzężenia pojemnościowego między metalowymi elektrodami . Sprzężenie indukcyjne jest najczęściej stosowaną technologią bezprzewodową; jej zastosowania obejmują ładowanie urządzeń podręcznych, takich jak telefony i elektryczne szczoteczki do zębów , znaczniki RFID , gotowanie indukcyjne oraz bezprzewodowe ładowanie lub ciągłe bezprzewodowe przesyłanie energii we wszczepialnych urządzeniach medycznych, takich jak sztuczne rozruszniki serca lub pojazdy elektryczne .

W technikach dalekiego pola lub radiacyjnych , zwanych także wiązkami mocy , moc jest przekazywana przez wiązki promieniowania elektromagnetycznego , takie jak mikrofale lub wiązki laserowe . Techniki te mogą transportować energię na większe odległości, ale muszą być skierowane na odbiorcę. Proponowane zastosowania dla tego typu to satelity zasilane energią słoneczną i bezprzewodowo zasilane drony .

Ważną kwestią związaną z wszystkimi bezprzewodowymi systemami zasilania jest ograniczenie narażenia ludzi i innych żywych istot na potencjalnie szkodliwe pola elektromagnetyczne .

Przegląd

Ogólny schemat blokowy bezprzewodowego systemu zasilania

Bezprzewodowe przesyłanie energii to ogólny termin określający szereg różnych technologii przesyłania energii za pomocą pól elektromagnetycznych . Wymienione w poniższej tabeli technologie różnią się odległością, na jaką mogą skutecznie przenosić moc, czy nadajnik musi być skierowany (skierowany) na odbiornik oraz rodzajem wykorzystywanej energii elektromagnetycznej: zmienne w czasie pola elektryczne , magnetyczne Pola , fale radiowe , mikrofale , podczerwień lub widzialne fale świetlne .

Ogólnie rzecz biorąc, bezprzewodowy system zasilania składa się z urządzenia „nadajnika” podłączonego do źródła zasilania, takiego jak linia zasilania sieciowego , które przekształca energię w zmienne w czasie pole elektromagnetyczne, oraz jednego lub więcej urządzeń „odbiorczych”, które odbierają energię i przekształcić go z powrotem w prąd stały lub przemienny, który jest używany przez obciążenie elektryczne . W nadajniku moc wejściowa jest przekształcana na oscylujące pole elektromagnetyczne przez pewien rodzaj urządzenia „ anteny ”. Słowo „antena” jest tu używane luźno; może to być zwój drutu generujący pole magnetyczne , metalowa płytka generująca pole elektryczne , antena emitująca fale radiowe lub laser generujący światło. Podobna antena lub urządzenie sprzęgające w odbiorniku przekształca oscylujące pola w prąd elektryczny. Ważnym parametrem określającym rodzaj fal jest częstotliwość , która określa długość fali.

Energia bezprzewodowa wykorzystuje te same pola i fale, co urządzenia komunikacji bezprzewodowej , takie jak radio , kolejna znana technologia, która wykorzystuje energię elektryczną przesyłaną bez przewodów przez pola elektromagnetyczne, wykorzystywaną w telefonach komórkowych , radiofonii i telewizji oraz Wi - Fi . W komunikacji radiowej celem jest przesyłanie informacji, więc ilość mocy docierającej do odbiorcy nie jest tak istotna, o ile wystarczy, że informacja może być odebrana w zrozumiały sposób. W technologiach komunikacji bezprzewodowej do odbiornika docierają tylko niewielkie ilości energii. W przeciwieństwie do tego, przy bezprzewodowym przesyłaniu mocy ważna jest ilość odbieranej energii, dlatego ważniejszym parametrem jest wydajność (ułamek przesyłanej energii, która jest odbierana). Z tego powodu technologie bezprzewodowego zasilania będą prawdopodobnie bardziej ograniczone odległością niż technologie komunikacji bezprzewodowej.

Bezprzewodowe przesyłanie energii może być wykorzystywane do zasilania bezprzewodowych nadajników lub odbiorników informacji. Ten rodzaj komunikacji jest znany jako komunikacja bezprzewodowa (WPC). Kiedy zebrana energia jest wykorzystywana do zasilania bezprzewodowych nadajników informacji, sieć jest znana jako SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer); podczas gdy jest używany do zasilania bezprzewodowych odbiorników informacji, jest znany jako Wireless Powered Communication Network (WPCN).

Oto różne technologie zasilania bezprzewodowego:

Regiony polowe

Pola elektryczne i magnetyczne są tworzone przez naładowane cząstki w materii, takie jak elektrony . Ładunek stacjonarny wytwarza pole elektrostatyczne w otaczającej go przestrzeni. Stały prąd ładunków ( prąd stały, DC) wytwarza wokół niego statyczne pole magnetyczne . Powyższe pola zawierają energię , ale nie mogą przenosić mocy, ponieważ są statyczne. Jednak zmienne w czasie pola mogą przenosić moc. Przyspieszające ładunki elektryczne, takie jak prąd zmienny (AC) elektronów w przewodzie, wytwarzają zmienne w czasie pola elektryczne i magnetyczne w otaczającej je przestrzeni. Pola te mogą wywierać siły oscylacyjne na elektrony w „antenie odbiorczej”, powodując ich poruszanie się tam iz powrotem. Reprezentują one prąd przemienny, który można wykorzystać do zasilania obciążenia.

Oscylującego pola elektryczne i magnetyczne otaczające przenoszenia ładunków elektrycznych w urządzeniu antena może być podzielona na dwa obszary, w zależności od odległości D _zakresie od anteny. Granica między regionami jest dość niejasno określona. Pola mają różne cechy w tych regionach, a do przenoszenia mocy wykorzystywane są różne technologie:

• Obszar bliskiego pola lub obszar niepromieniujący – oznacza obszar w obrębie około 1 długości fali ( λ ) anteny. W tym obszarze oscylujące pola elektryczne i magnetyczne są oddzielone i moc może być przenoszona za pomocą pól elektrycznych poprzez sprzężenie pojemnościowe ( indukcja elektrostatyczna ) pomiędzy metalowymi elektrodami lub poprzez pola magnetyczne poprzez sprzężenie indukcyjne ( indukcja elektromagnetyczna ) pomiędzy zwojami drutu. Pola te nie są promieniujące , co oznacza, że ​​energia pozostaje w niewielkiej odległości od nadajnika. Jeśli w ich ograniczonym zasięgu nie ma urządzenia odbiorczego ani materiału pochłaniającego, z nadajnika nie wypływa żadna moc. Zasięg tych pól jest krótki i zależy od wielkości i kształtu urządzeń „antenowy”, którymi najczęściej są zwoje drutu. Pola, a tym samym moc przekazywana, zmniejszają się wykładniczo wraz z odległością, więc jeśli odległość między dwoma „antenach” D _zakres jest znacznie większa niż średnica „antenach” D _mrówki bardzo mało energii będą odbierane. Dlatego te techniki nie mogą być stosowane do przenoszenia mocy na dalekie odległości.

Rezonans , taki jak rezonansowe sprzężenie indukcyjne , może znacznie zwiększyć sprzężenie między antenami, umożliwiając wydajną transmisję na nieco większe odległości, chociaż pola nadal maleją wykładniczo. Dlatego asortyment urządzeń bliskiego pola umownie dzieli się na dwie kategorie:

• Krótki zasięg – do około jednej średnicy anteny: D _zasięg  ≤  D _ant . Jest to zakres, w którym zwykłe nierezonansowe sprzężenie pojemnościowe lub indukcyjne może przenosić praktyczne ilości energii.
• Średni zasięg – do 10-krotności średnicy anteny: _zasięg D  ≤ 10 D _ant . Jest to zakres, w którym rezonansowe sprzężenie pojemnościowe lub indukcyjne może przenosić praktyczne ilości energii.

• Pole dalekie lub obszar promieniowania – Powyżej około 1 długości fali ( λ ) anteny pola elektryczne i magnetyczne są prostopadłe do siebie i rozchodzą się jako fala elektromagnetyczna ; przykładami są fale radiowe , mikrofale lub fale świetlne . Ta część energii jest promieniująca , co oznacza, że ​​opuszcza antenę bez względu na to, czy istnieje odbiornik, który ją pochłania. Część energii, która nie uderza w antenę odbiorczą, jest rozpraszana i tracona przez system. Ilość mocy emitowanej przez antenę w postaci fal elektromagnetycznych zależy od stosunku wielkości anteny D _ant do długości fali fal λ , co określa częstotliwość: λ  =  c/f . Przy niskich częstotliwościach f, gdzie antena jest znacznie mniejsza niż wielkość fal D _ant  <<  λ , wypromieniowywana jest bardzo mała moc. Dlatego powyższe urządzenia bliskiego pola, które używają niższych częstotliwości, nie emitują prawie żadnej swojej energii jako promieniowanie elektromagnetyczne. Anteny o tej samej wielkości co długość fali D _ant  ≈  λ, takie jak anteny monopolowe lub dipolowe , emitują moc wydajnie, ale fale elektromagnetyczne są promieniowane we wszystkich kierunkach ( dookólnie ), więc jeśli antena odbiorcza jest daleko, tylko niewielka ilość promieniowanie go uderzy. W związku z tym mogą być używane do transmisji mocy na krótkich dystansach, ale nie do transmisji na dalekie odległości.

Jednak w przeciwieństwie do pól, promieniowanie elektromagnetyczne może być skupione przez odbicie lub załamanie na wiązki. Dzięki zastosowaniu anteny o dużym wzmocnieniu lub układu optycznego, który skupia promieniowanie w wąską wiązkę skierowaną na odbiornik, można go wykorzystać do przesyłu mocy na dalekie odległości . Z kryterium Rayleigha , aby wytworzyć wąskie wiązki niezbędne do skupienia znacznej ilości energii na odległym odbiorniku, antena musi być znacznie większa niż długość fali użytych fal: D _ant  >>  λ  =  c/f . Praktyczne urządzenia mocy wiązki wymagają długości fal w obszarze centymetra lub poniżej, odpowiadających częstotliwościom powyżej 1 GHz, w zakresie mikrofalowym lub wyższym.

Techniki bliskiego pola (niepromieniste)

W dużej odległości względnej, składowe bliskiego pola pól elektrycznych i magnetycznych są w przybliżeniu quasi-statycznymi oscylacyjnymi polami dipolowymi . Pola te zmniejszają się wraz z sześcianem odległości: ( D _zasięg / D _ant ) ^-3 Ponieważ moc jest proporcjonalna do kwadratu natężenia pola, przekazywana moc zmniejsza się jako ( D _zasięg / D _ant ) ^-6 . lub 60 dB na dekadę. Innymi słowy, jeśli są daleko od siebie, podwojenie odległości między dwiema antenami powoduje, że odbierana moc zmniejsza się o współczynnik 2 ⁶ = 64. W rezultacie sprzężenie indukcyjne i pojemnościowe może być używane tylko do przesyłania mocy na krótki dystans, w granicach kilka razy średnica urządzenia antenowego D _ant . W przeciwieństwie do systemu radiacyjnego, w którym maksymalne promieniowanie występuje, gdy anteny dipolowe są zorientowane poprzecznie do kierunku propagacji, w przypadku pól dipolowych maksymalne sprzężenie występuje, gdy dipole są zorientowane wzdłużnie.

Sprzężenie indukcyjne

Ogólny schemat blokowy indukcyjnego bezprzewodowego systemu zasilania

(po lewej) Nowoczesne indukcyjne przenoszenie mocy, elektryczna ładowarka do szczoteczek do zębów. Cewka w stojaku wytwarza pole magnetyczne, indukując prąd zmienny w cewce szczoteczki do zębów, który jest prostowany w celu naładowania baterii.
(po prawej) Żarówka zasilana bezprzewodowo przez indukcję, w 1910 roku.

W sprzężeniu indukcyjnym ( indukcja elektromagnetyczna lub przenoszenie mocy indukcyjnej , IPT) moc przenoszona jest między zwojami drutu za pomocą pola magnetycznego . Cewki nadajnika i odbiornika tworzą razem transformator (patrz schemat) . Prądu przemiennego (AC) przez cewkę przetwornika (L1) tworzy oscylacyjnego pola magnetycznego (B) według prawa Ampera . Pole magnetyczne przechodzi przez cewkę odbiorczą (L2) , gdzie indukuje przemienne pole elektromagnetyczne ( napięcie ) zgodnie z prawem indukcji Faradaya , które wytwarza w odbiorniku prąd przemienny. Indukowany prąd przemienny może albo bezpośrednio napędzać obciążenie, albo być prostowany do prądu stałego (DC) przez prostownik w odbiorniku, który napędza obciążenie. Kilka systemów, takich jak podstawki do ładowania szczoteczek elektrycznych, pracuje z częstotliwością 50/60 Hz, więc prąd sieciowy AC jest doprowadzany bezpośrednio do cewki nadajnika, ale w większości systemów oscylator elektroniczny generuje prąd AC o wyższej częstotliwości, który napędza cewkę, ponieważ wydajność transmisji poprawia się z częstotliwością .

Sprzężenie indukcyjne jest najstarszą i najszerzej stosowaną bezprzewodową technologią zasilania, a także praktycznie jedyną stosowaną do tej pory w produktach komercyjnych. Jest stosowany w indukcyjnych stojakach ładujących do urządzeń bezprzewodowych używanych w wilgotnym środowisku, takich jak elektryczne szczoteczki do zębów i golarki, w celu zmniejszenia ryzyka porażenia prądem. Innym obszarem zastosowania jest „przezskórne” ładowanie biomedycznych urządzeń protetycznych wszczepionych do ludzkiego ciała, takich jak rozruszniki serca i pompy insulinowe , aby uniknąć przechodzenia przewodów przez skórę. Służy również do ładowania pojazdów elektrycznych, takich jak samochody, oraz do ładowania lub zasilania pojazdów tranzytowych, takich jak autobusy i pociągi.

Jednak najszybciej rozwijającym się zastosowaniem są bezprzewodowe podkładki ładujące do ładowania przenośnych i podręcznych urządzeń bezprzewodowych, takich jak laptopy i tablety , myszy komputerowe , telefony komórkowe , cyfrowe odtwarzacze multimedialne i kontrolery gier wideo . W Stanach Zjednoczonych Federalna Komisja Łączności (FCC) wydała swoją pierwszą certyfikację dla systemu ładowania bezprzewodowego w grudniu 2017 r.

Przekazywana moc wzrasta wraz z częstotliwością i indukcyjnością wzajemną między cewkami, która zależy od ich geometrii i odległości między nimi. Powszechnie stosowaną wartością jest współczynnik sprzężenia . Ten bezwymiarowy parametr jest równy ułamkowi strumienia magnetycznego przez cewkę nadajnika, który przechodzi przez cewkę odbiornika, gdy obwód L2 jest otwarty. Jeśli dwie cewki znajdują się na tej samej osi i są blisko siebie, cały strumień magnetyczny przechodzi przez , a sprawność łącza zbliża się do 100%. Im większa separacja między cewkami, tym więcej pola magnetycznego z pierwszej cewki omija drugą, a niższa i wydajność łącza zbliża się do zera przy dużych separacjach. Wydajność łącza i przekazywana moc są w przybliżeniu proporcjonalne do . Aby osiągnąć wysoką wydajność, cewki muszą znajdować się bardzo blisko siebie, ułamek średnicy cewki , zwykle w centymetrach, przy wyrównanych osiach cewek. Zwykle stosuje się szerokie, płaskie cewki w celu zwiększenia sprzężenia. Ferrytowe rdzenie z „strumieniem” mogą ograniczać pola magnetyczne, poprawiając sprzężenie i redukując zakłócenia w pobliskiej elektronice, ale są one ciężkie i nieporęczne, więc małe urządzenia bezprzewodowe często wykorzystują cewki z rdzeniem powietrznym. ${\ Displaystyle M}$${\displaystyle D_{\tekst{zakres}}}$ ${\displaystyle k\;=\;M/{\sqrt {L_{1}L_{2}}}}$${\ Displaystyle L1}$${\ Displaystyle L2}$${\ Displaystyle L1}$${\ Displaystyle L2}$${\displaystyle k=1}$${\displaystyle k}$${\ Displaystyle k ^ {2}}$${\displaystyle D_{\tekst{ant}}}$

Zwykłe sprzężenie indukcyjne może osiągnąć wysoką sprawność tylko wtedy, gdy cewki są bardzo blisko siebie, zwykle sąsiadujące. W większości nowoczesnych układów indukcyjnych stosuje się rezonansowe sprzężenie indukcyjne (opisane poniżej) , w którym zwiększa się sprawność poprzez zastosowanie obwodów rezonansowych . Pozwala to na osiągnięcie wysokich sprawności na większych odległościach niż nierezonansowe sprzężenie indukcyjne.

Prototypowy indukcyjny system ładowania samochodów elektrycznych na targach Tokyo Auto Show 2011

Punkty ładowania indukcyjnego Powermat w kawiarni. Klienci mogą ustawić na nich swoje telefony i komputery, aby się ładowały.

Karta dostępu zasilana bezprzewodowo.

GM EV1 i Toyota RAV4 EV ładują się indukcyjnie na przestarzałej stacji Magne Charge

Rezonansowe sprzężenie indukcyjne

Rezonansowe sprzężenie indukcyjne ( sprzężenie elektrodynamiczne , silnie sprzężony rezonans magnetyczny ) jest formą sprzężenia indukcyjnego, w którym moc przekazywana jest za pomocą pól magnetycznych (B, zielony) pomiędzy dwoma obwodami rezonansowymi (obwodami strojonymi), jednym w nadajniku i drugim w odbiorniku ( patrz schemat po prawej) . Każdy obwód rezonansowy składa się z cewki drutu połączonej z kondensatorem lub cewki rezonansowej lub innego rezonatora o wewnętrznej pojemności. Oba są dostrojone tak, aby rezonowały z tą samą częstotliwością rezonansową . Rezonans między cewkami może znacznie zwiększyć sprzężenie i przenoszenie mocy, analogicznie do sposobu, w jaki wibrujący kamerton może wywoływać drgania współczulne w odległym widelcu nastrojonym na ten sam skok.

Nikola Tesla po raz pierwszy odkrył sprzężenie rezonansowe podczas swoich pionierskich eksperymentów z bezprzewodowym transferem mocy na przełomie XIX i XX wieku, ale możliwości wykorzystania sprzężenia rezonansowego do zwiększenia zasięgu transmisji zostały zbadane dopiero niedawno. W 2007 roku zespół kierowany przez Marin Soljačić z MIT wykorzystał dwa sprzężone obwody strojone, każdy wykonany z 25-centymetrowej cewki rezonansowej z drutu o częstotliwości 10 MHz, aby osiągnąć transmisję 60 W mocy na odległość 2 metrów (6,6 stopy) ( 8-krotność średnicy cewki) przy wydajności około 40%.

Koncepcja rezonansowych systemów sprzężenia indukcyjnego polega na tym, że rezonatory o wysokim współczynniku Q wymieniają energię znacznie szybciej niż tracą energię z powodu wewnętrznego tłumienia . Dlatego przy użyciu rezonansu tę samą ilość mocy można przenieść na większe odległości, wykorzystując znacznie słabsze pola magnetyczne w obszarach peryferyjnych („ogonach”) pól bliskich. Rezonansowe sprzężenie indukcyjne może osiągnąć wysoką sprawność w zakresie od 4 do 10 razy średnica cewki ( D _ant ). Nazywa się to transferem „średnim zakresem”, w przeciwieństwie do „krótkiego zakresu” nierezonansowego transferu indukcyjnego, który może osiągnąć podobną wydajność tylko wtedy, gdy cewki sąsiadują ze sobą. Kolejną zaletą jest to, że obwody rezonansowe oddziałują ze sobą o wiele silniej niż z obiektami nierezonansowymi, że straty mocy spowodowane absorpcją w zbłąkanych pobliskich obiektach są pomijalne.

Wadą teorii sprzężenia rezonansowego jest to, że w bliskich odległościach, gdy dwa obwody rezonansowe są ściśle połączone, częstotliwość rezonansowa systemu nie jest już stała, ale „rozdziela się” na dwa szczyty rezonansowe, więc maksymalny transfer mocy nie występuje już w oryginale częstotliwość rezonansowa i częstotliwość oscylatora muszą być dostrojone do nowego szczytu rezonansowego.

Technologia rezonansowa jest obecnie szeroko stosowana w nowoczesnych, bezprzewodowych systemach zasilania indukcyjnego. Jedną z możliwości przewidzianych dla tej technologii jest zasięg zasilania bezprzewodowego. Cewka w ścianie lub suficie pokoju może być w stanie bezprzewodowo zasilać światła i urządzenia mobilne w dowolnym miejscu pomieszczenia z rozsądną wydajnością. Korzyść środowiskowa i ekonomiczna z bezprzewodowego zasilania małych urządzeń, takich jak zegary, radia, odtwarzacze muzyki i piloty, polega na tym, że może to drastycznie zmniejszyć liczbę 6 miliardów baterii wyrzucanych każdego roku, co jest dużym źródłem toksycznych odpadów i zanieczyszczenia wód gruntowych.

Sprzęgło pojemnościowe

Sprzężenie pojemnościowe, zwane również sprzężeniem elektrycznym, wykorzystuje pola elektryczne do przenoszenia mocy między dwiema elektrodami ( anodą i katodą ) tworząc pojemność do przenoszenia mocy. W sprzężeniu pojemnościowym ( indukcja elektrostatyczna ), sprzężeniu sprzężenia indukcyjnego , energia jest przekazywana przez pola elektryczne między elektrodami, takimi jak metalowe płytki. Elektrody nadajnika i odbiornika tworzą kondensator , a przestrzeń pośrednia pełni rolę dielektryka . Napięcie przemienne generowane przez nadajnik jest przykładane do płytki nadawczej, a oscylujące pole elektryczne indukuje potencjał przemienny na płytce odbiorczej poprzez indukcję elektrostatyczną , co powoduje przepływ prądu przemiennego w obwodzie obciążenia. Ilość przesyłanej mocy rośnie wraz z częstotliwością kwadratu napięcia i pojemności między płytkami, która jest proporcjonalna do powierzchni mniejszej płytki i (dla krótkich odległości) odwrotnie proporcjonalna do separacji.

Pojemnościowe bezprzewodowe systemy zasilania

Sprzężenie bipolarne

Sprzęgło monopolarne

Sprzężenie pojemnościowe było stosowane praktycznie tylko w kilku zastosowaniach o małej mocy, ponieważ bardzo wysokie napięcia na elektrodach wymagane do przesyłania znacznej mocy mogą być niebezpieczne i mogą powodować nieprzyjemne skutki uboczne, takie jak szkodliwe wytwarzanie ozonu . Ponadto, w przeciwieństwie do pól magnetycznych, pola elektryczne silnie oddziałują z większością materiałów, w tym z ludzkim ciałem, ze względu na polaryzację dielektryczną . Materiały znajdujące się między elektrodami lub w ich pobliżu mogą pochłaniać energię, co w przypadku ludzi może powodować nadmierną ekspozycję na pole elektromagnetyczne. Jednak sprzężenie pojemnościowe ma kilka zalet w porównaniu ze sprzężeniem indukcyjnym. Pole jest w dużej mierze ograniczone między płytami kondensatora, co zmniejsza zakłócenia, które w sprzężeniu indukcyjnym wymagają ciężkich rdzeni ferrytowych „utrzymujących strumień”. Również wymagania dotyczące wyrównania między nadajnikiem a odbiornikiem są mniej krytyczne. Sprzężenie pojemnościowe zostało ostatnio zastosowane do ładowania urządzeń przenośnych zasilanych bateryjnie, a także do ładowania lub ciągłego bezprzewodowego przesyłania energii w implantach biomedycznych i jest rozważane jako sposób przenoszenia mocy między warstwami podłoża w obwodach scalonych.

Zastosowano dwa rodzaje obwodów:

• Konstrukcja poprzeczna (bipolarna): W tego typu obwodzie znajdują się dwie płytki nadajnika i dwie płytki odbiornika. Każda płytka nadajnika jest połączona z płytką odbiornika. Oscylator nadajnika napędza płytki nadajnika w przeciwnej fazie (różnica faz 180°) wysokim napięciem przemiennym, a obciążenie jest połączone między dwiema płytkami odbiornika. Naprzemienne pola elektryczne indukują przeciwstawne potencjały przemienne w płytach odbiornika, a to działanie „push-pull” powoduje przepływ prądu tam i z powrotem między płytami przez obciążenie. Wadą tej konfiguracji ładowania bezprzewodowego jest to, że dwie płytki w urządzeniu odbiorczym muszą być ustawione twarzą w twarz z płytkami ładowarki, aby urządzenie mogło działać.
• Konstrukcja podłużna (jednobiegunowa): W tego typu obwodzie nadajnik i odbiornik mają tylko jedną aktywną elektrodę, a uziemienie lub duża pasywna elektroda służy jako droga powrotna dla prądu. Oscylator nadajnika jest podłączony pomiędzy aktywną i pasywną elektrodą. Obciążenie jest również połączone między aktywną i pasywną elektrodą. Pole elektryczne wytwarzane przez przetwornik indukuje przemienne przemieszczenie ładunku w dipolu obciążenia poprzez indukcję elektrostatyczną .

Rezonansowe sprzężenie pojemnościowe

Rezonans może być również używany ze sprzężeniem pojemnościowym w celu rozszerzenia zakresu. Na przełomie XIX i XX wieku Nikola Tesla przeprowadził pierwsze eksperymenty zarówno ze sprzężeniem rezonansowym indukcyjnym, jak i pojemnościowym.

Sprzęgło magnetodynamiczne

W metodzie tej moc przekazywana jest pomiędzy dwoma obracającymi się zworami , jednym w nadajniku i drugim w odbiorniku, które obracają się synchronicznie, sprzężone ze sobą przez pole magnetyczne wytwarzane przez magnesy trwałe na zworach. Zwora nadajnika jest obracana albo przez wirnik silnika elektrycznego , albo jako wirnik , a jej pole magnetyczne wywiera moment obrotowy na zworę odbiornika, obracając ją. Pole magnetyczne działa jak sprzężenie mechaniczne między zworami. Zwora odbiorcza wytwarza moc do napędzania obciążenia, albo przez obracanie oddzielnego generatora elektrycznego, albo przez wykorzystanie samej zwory odbiorczej jako wirnika w generatorze.

Urządzenie to zostało zaproponowane jako alternatywa dla indukcyjnego transferu mocy do bezstykowego ładowania pojazdów elektrycznych . Obracająca się armatura osadzona w podłodze garażu lub krawężniku obracałaby armaturę odbiorczą pod spodem pojazdu, aby naładować akumulatory. Twierdzi się, że ta technika może przenosić moc na odległości od 10 do 15 cm (4 do 6 cali) z wysoką wydajnością, przekraczającą 90%. Ponadto rozproszone pola magnetyczne o niskiej częstotliwości wytwarzane przez obracające się magnesy powodują mniej zakłóceń elektromagnetycznych w pobliskich urządzeniach elektronicznych niż pola magnetyczne o wysokiej częstotliwości wytwarzane przez systemy sprzężenia indukcyjnego. Prototypowy system ładowania pojazdów elektrycznych działa na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej od 2012 roku. Inni badacze twierdzą jednak, że dwie konwersje energii (z elektrycznej na mechaniczną na elektryczną) sprawiają, że system jest mniej wydajny niż systemy elektryczne, takie jak sprzężenie indukcyjne.

Transmisja fal Zenneck

Nowy rodzaj systemu wykorzystujący fale typu Zenneck został przedstawiony przez Oruganti i in., gdzie wykazali, że możliwe jest wzbudzanie fal typu Zenneck na płaskich powierzchniach międzyfazowych metal-powietrze i przesyłanie mocy przez metalowe przeszkody. Pomysł polega na wzbudzeniu zlokalizowanych oscylacji ładunku na granicy metal-powietrze, a powstałe mody rozchodzą się wzdłuż granicy metal-powietrze.

Techniki dalekiego pola (promieniste)

Metody dalekiego pola pozwalają osiągnąć większe zasięgi, często zasięgi wielokilometrowe, gdzie odległość jest znacznie większa niż średnica urządzenia (urządzeń). Wysokowydajnych kierunkowości anteny i dobrze Skolimowane światło laserowe wytwarzają wiązkę energii, która może być wykonana, aby dopasować się do kształtu powierzchni przyjmującej. Maksymalna kierunkowość anten jest fizycznie ograniczona przez dyfrakcję .

Ogólnie rzecz biorąc, światło widzialne (z laserów) i mikrofale (z specjalnie zaprojektowanych anten) to formy promieniowania elektromagnetycznego najlepiej przystosowane do przesyłania energii.

Wymiary elementów mogą być podyktowane odległością od nadajnika do odbiornika , długością fali oraz kryterium Rayleigha lub limitem dyfrakcji , stosowanym w standardowej konstrukcji anteny radiowej , co dotyczy również laserów. Granica dyfrakcji Airy'ego jest również często używana do określenia przybliżonego rozmiaru plamki w dowolnej odległości od apertury . Promieniowanie elektromagnetyczne doświadcza mniejszej dyfrakcji przy krótszych długościach fal (wyższych częstotliwościach); więc na przykład niebieski laser ulega dyfrakcji mniej niż czerwony.

Granica Rayleigha (znana również jako granica dyfrakcji Abbego ), chociaż pierwotnie stosowana do rozdzielczości obrazu, może być oglądana w odwrotnej kolejności i oznacza, że napromieniowanie (lub intensywność ) dowolnej fali elektromagnetycznej (takiej jak mikrofala lub wiązka laserowa) będzie zmniejsza się, gdy wiązka rozchodzi się na odległość z minimalną szybkością odwrotnie proporcjonalną do rozmiaru apertury. Im większy stosunek apertury anteny nadawczej lub apertury wyjściowej lasera do długości fali promieniowania, tym bardziej promieniowanie może być skoncentrowane w kompaktowej wiązce

Promieniowanie mikrofalowe może być bardziej wydajne niż lasery i jest mniej podatne na tłumienie atmosferyczne powodowane przez kurz lub aerozole, takie jak mgła.

Tutaj poziomy mocy są obliczane przez połączenie powyższych parametrów i dodanie zysków i strat wynikających z charakterystyki anteny oraz przezroczystości i dyspersji ośrodka, przez który przechodzi promieniowanie. Proces ten jest znany jako obliczanie budżetu łącza .

Mikrofale

Przedstawienie artysty przedstawiające satelitę słonecznego, który może wysyłać energię za pomocą mikrofal do statku kosmicznego lub powierzchni planety.

Transmisja energii za pomocą fal radiowych może być bardziej ukierunkowana, umożliwiając przesyłanie mocy na większe odległości, przy krótszych długościach fal promieniowania elektromagnetycznego, zwykle w zakresie mikrofalowym . Rectenna może być użyty do konwersji z tyłu energii mikrofalowej w energię elektryczną. Osiągnięto wydajność konwersji Rectenna przekraczającą 95%. Zaproponowano przesyłanie energii za pomocą mikrofal do przesyłania energii z orbitujących satelitów energii słonecznej na Ziemię i rozważono przesyłanie energii do statku kosmicznego opuszczającego orbitę.

Promieniowanie mocy przez mikrofale ma tę trudność, że w większości zastosowań kosmicznych wymagane rozmiary apertur są bardzo duże ze względu na dyfrakcję ograniczającą kierunkowość anteny. Na przykład, badanie NASA z 1978 r. nad satelitami energii słonecznej wymagało anteny nadawczej o średnicy 1 kilometra (0,62 mi) i anteny odbiorczej o średnicy 10 km (6,2 mi) dla wiązki mikrofalowej o częstotliwości 2,45 GHz . Rozmiary te można nieco zmniejszyć, stosując krótsze fale, chociaż fale krótkie mogą mieć trudności z absorpcją atmosfery i blokowaniem wiązki przez deszcz lub krople wody. Ze względu na „ przekleństwo cienkiej tablicy ”, nie jest możliwe wykonanie węższej wiązki poprzez połączenie wiązek kilku mniejszych satelitów.

W przypadku zastosowań naziemnych szyk odbiorczy o dużej powierzchni o średnicy 10 km umożliwia stosowanie dużych całkowitych poziomów mocy podczas pracy przy niskiej gęstości mocy sugerowanej dla bezpieczeństwa narażenia ludzi na promieniowanie elektromagnetyczne. Ludzka bezpieczne gęstość mocy 1 mW / cm ² rozłożone a 10 km Powierzchnia średnica odpowiada 750 MW całkowitego poziomu mocy. Jest to poziom mocy spotykany w wielu nowoczesnych elektrowniach. Dla porównania, farma fotowoltaiczna o podobnej wielkości może z łatwością przekroczyć 10 000 megawatów (w zaokrągleniu) w najlepszych warunkach w ciągu dnia.

Po II wojnie światowej, w czasie której opracowano emitery mikrofal o dużej mocy, znane jako magnetrony wnękowe, zbadano pomysł wykorzystania mikrofal do przenoszenia mocy. Do 1964 roku zademonstrowano miniaturowy helikopter napędzany energią mikrofalową.

Japoński naukowiec Hidetsugu Yagi zbadał również bezprzewodową transmisję energii za pomocą zaprojektowanej przez siebie anteny kierunkowej. W lutym 1926 Yagi i jego kolega Shintaro Uda opublikowali swój pierwszy artykuł na temat dostrojonego układu kierunkowego o wysokim wzmocnieniu, znanego obecnie jako antena Yagi . Chociaż nie okazała się szczególnie przydatna do transmisji mocy, ta antena wiązkowa została szeroko zastosowana w przemyśle nadawczym i telekomunikacji bezprzewodowej ze względu na jej doskonałe właściwości użytkowe.

Bezprzewodowa transmisja dużej mocy za pomocą mikrofal jest dobrze sprawdzona. Eksperymenty w dziesiątkach kilowatów przeprowadzono w Goldstone w Kalifornii w 1975 roku, a ostatnio (1997) w Grand Bassin na Reunion Island . Te metody pozwalają osiągnąć odległości rzędu kilometra.

W warunkach eksperymentalnych zmierzono wydajność konwersji mikrofal na około 54% na jednym metrze.

Zasugerowano zmianę na 24 GHz, ponieważ emitery mikrofalowe podobne do diod LED zostały wykonane z bardzo wysoką wydajnością kwantową przy użyciu ujemnej rezystancji , tj. diod Gunn lub IMPATT, co byłoby opłacalne dla połączeń krótkiego zasięgu.

W 2013 r. wynalazca Hatem Zeine zademonstrował, w jaki sposób bezprzewodowa transmisja energii za pomocą anten z układem fazowanym może dostarczać energię elektryczną do 30 stóp. Wykorzystuje te same częstotliwości radiowe, co WiFi.

W 2015 roku naukowcy z University of Washington wprowadzili zasilanie przez Wi-Fi, które ładuje akumulatory i zasila bezbateryjne kamery i czujniki temperatury za pomocą transmisji z routerów Wi-Fi. Wykazano, że sygnały Wi-Fi zasilają czujniki temperatury i kamery bez baterii w zasięgu do 6 metrów. Wykazano również, że Wi-Fi może być wykorzystywane do bezprzewodowego ładowania podtrzymującego baterii niklowo-metalowo-wodorkowych i litowo-jonowych ogniw pastylkowych z odległości do 28 stóp.

W 2017 roku Federalna Komisja Łączności (FCC) certyfikowała pierwszy nadajnik o częstotliwości radiowej (RF) o średniej częstotliwości radiowej mocy bezprzewodowej.

Lasery

Wiązka laserowa skoncentrowana na panelu ogniw fotowoltaicznych zapewnia wystarczającą moc lekkiemu modelowi samolotu do lotu.

W przypadku promieniowania elektromagnetycznego bliższego widzialnemu obszarowi widma (od 0,2 do 2 mikrometrów ), moc może być przekazywana poprzez przekształcenie energii elektrycznej w wiązkę laserową , która jest odbierana i skoncentrowana na ogniwach fotowoltaicznych (ogniwach słonecznych). Mechanizm ten jest powszechnie znany jako „przesyłanie mocy”, ponieważ energia jest przesyłana do odbiornika, który może przekształcić ją w energię elektryczną. W odbiorniku zastosowano specjalne fotowoltaiczne konwertery mocy lasera, które są zoptymalizowane pod kątem monochromatycznej konwersji światła.

Zalety w porównaniu z innymi metodami bezprzewodowymi to:

• Skolimowana monochromatyczna propagacja czoła fali umożliwia wąski przekrój wiązki dla transmisji na duże odległości. W rezultacie przy zwiększaniu odległości od nadajnika do odbiornika zmniejsza się moc lub nie ma jej wcale.
• Kompaktowy rozmiar: lasery półprzewodnikowe pasują do małych produktów.
• Brak zakłóceń o częstotliwości radiowej w istniejącej komunikacji radiowej, takiej jak Wi-Fi i telefony komórkowe.
• Kontrola dostępu: tylko odbiorniki trafione przez laser otrzymują moc.

Wady obejmują:

• Promieniowanie laserowe jest niebezpieczne. Bez odpowiedniego mechanizmu bezpieczeństwa niskie poziomy mocy mogą oślepić ludzi i inne zwierzęta. Wysokie poziomy mocy mogą zabić poprzez miejscowe ogrzewanie punktowe.
• Konwersja między elektrycznością a światłem jest ograniczona. Ogniwa fotowoltaiczne osiągają maksymalnie 40%-50% sprawności.
• Absorpcja atmosferyczna, a także pochłanianie i rozpraszanie przez chmury, mgłę, deszcz itp. powoduje straty do 100%.
• Wymaga bezpośredniego pola widzenia z celem. (Zamiast być kierowane bezpośrednio na odbiornik, światło lasera może być również kierowane przez światłowód. Wtedy mówi się o technologii Power-over-Fiber ).

Technologia laserowego "wiązki mocy" została zbadana w uzbrojeniu wojskowym i zastosowaniach lotniczych . Znajduje również zastosowanie do zasilania różnego rodzaju czujników w środowiskach przemysłowych. Ostatnio został opracowany do zasilania elektroniki komercyjnej i konsumenckiej . Bezprzewodowe systemy przesyłania energii wykorzystujące lasery w przestrzeni konsumenckiej muszą spełniać wymagania bezpieczeństwa laserowego znormalizowane zgodnie z normą IEC 60825.

W 2018 r. zademonstrowano pierwszy bezprzewodowy system zasilania wykorzystujący lasery do zastosowań konsumenckich, który jest w stanie dostarczać energię do urządzeń stacjonarnych i ruchomych w całym pomieszczeniu. Ten bezprzewodowy system zasilania jest zgodny z przepisami bezpieczeństwa zgodnie z normą IEC 60825. Jest również zatwierdzony przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków (FDA).

Inne szczegóły obejmują propagację oraz problem spójności i ograniczenia zasięgu .

Geoffrey Landis jest jednym z pionierów satelitów energii słonecznej i laserowego transferu energii, zwłaszcza dla misji kosmicznych i księżycowych. Zapotrzebowanie na bezpieczne i częste misje kosmiczne zaowocowało propozycjami kosmicznej windy zasilanej laserem .

Centrum Badań Lotów Dryden NASA zademonstrowało lekki bezzałogowy model samolotu zasilany wiązką laserową. Ta weryfikacja koncepcji demonstruje możliwość okresowego ładowania przy użyciu systemu wiązki laserowej.

Naukowcy z Chińskiej Akademii Nauk opracowali weryfikację koncepcji wykorzystania lasera o dwóch długościach fali do bezprzewodowego ładowania urządzeń przenośnych lub UAV.

Sprzężenie kanałów plazmy atmosferycznej

W sprzężeniu kanałów plazmy atmosferycznej energia jest przenoszona między dwiema elektrodami przez przewodnictwo elektryczne przez zjonizowane powietrze. Gdy między dwiema elektrodami występuje gradient pola elektrycznego, przekraczający 34 kilowolty na centymetr przy ciśnieniu atmosferycznym na poziomie morza, powstaje łuk elektryczny. Ten rozkład dielektryka atmosferycznego powoduje przepływ prądu elektrycznego wzdłuż losowej trajektorii przez kanał zjonizowanej plazmy między dwiema elektrodami. Przykładem tego są naturalne wyładowania atmosferyczne, w których jedna elektroda jest wirtualnym punktem w chmurze, a druga punktem na Ziemi. Obecnie trwają badania nad kanałem plazmowym indukowanym laserem (LIPC) przy użyciu ultraszybkich laserów do sztucznego promowania rozwoju kanału plazmowego w powietrzu, kierowania łukiem elektrycznym i prowadzenia prądu po określonej ścieżce w sposób kontrolowany. Energia lasera zmniejsza napięcie przebicia dielektryka atmosferycznego, a przegrzanie powoduje, że powietrze staje się mniej izolacyjne, co obniża gęstość ( ) włókna powietrza. ${\displaystyle p}$

Ten nowy proces jest badany pod kątem wykorzystania jako piorunochron laserowy i jako środek wyzwalania piorunów z chmur do badań naturalnych kanałów piorunowych, do badań sztucznej propagacji atmosferycznej, jako substytut konwencjonalnych anten radiowych, do zastosowań związanych ze spawaniem elektrycznym i obróbka mechaniczna, do odprowadzania energii z wyładowań kondensatorów wysokiego napięcia, do zastosowań w broni kierowanej energią , wykorzystujących przewodzenie elektryczne przez ścieżkę powrotną uziemienia i zagłuszanie elektroniczne .

Zbieranie energii

W kontekście zasilania bezprzewodowego, zbieranie energii , zwane również zbieraniem mocy lub pochłanianiem energii , to konwersja energii otoczenia ze środowiska na energię elektryczną, głównie w celu zasilania małych autonomicznych bezprzewodowych urządzeń elektronicznych. Energia otoczenia może pochodzić z rozproszonych pól elektrycznych lub magnetycznych lub fal radiowych z pobliskiego sprzętu elektrycznego, światła, energii cieplnej (ciepła) lub energii kinetycznej, takiej jak wibracje lub ruch urządzenia. Chociaż wydajność konwersji jest zwykle niska, a pobierana moc często znikoma (miliwaty lub mikrowaty), może być wystarczająca do uruchamiania lub ładowania niewielkich urządzeń bezprzewodowych o małej mocy, takich jak zdalne czujniki , które mnożą się w wielu dziedzinach. Ta nowa technologia jest opracowywana w celu wyeliminowania konieczności wymiany baterii lub ładowania takich urządzeń bezprzewodowych, pozwalając im działać całkowicie autonomicznie.

Historia

Rozwój XIX wieku i ślepe zaułki

XIX wiek przyniósł wiele rozwoju teorii i kontrteorii dotyczących sposobu przesyłania energii elektrycznej. W 1826 roku André-Marie Ampère odkrył prawo Ampère'a dotyczące obwodów, pokazujące, że prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne. Michael Faraday opisany w 1831 roku ze swoim prawem indukcji na siłę elektromotoryczną jazdy prądu w pętli prądowej przez zmienną w czasie strumienia magnetycznego. Przesył energii elektrycznej bez przewodów był obserwowany przez wielu wynalazców i eksperymentatorów, ale brak spójnej teorii przypisywał te zjawiska niejasno indukcji elektromagnetycznej . Zwięzłe wyjaśnienie tych zjawisk będzie pochodzić z 1860 Maxwella równania przez James Clerk Maxwell , ustanawiającego jednolity teorię, że elektryczność i magnetyzm do elektromagnetyzmu , przewidując istnienie fal elektromagnetycznych jako „Wireless” nośnikiem energii elektromagnetycznej. Około 1884 r. John Henry Poynting zdefiniował wektor Poyntinga i podał twierdzenie Poyntinga , które opisuje przepływ mocy przez obszar w promieniowaniu elektromagnetycznym i pozwala na prawidłową analizę bezprzewodowych systemów przesyłania mocy. Następnie Heinrich Rudolf Hertz w 1888 r. potwierdził teorię, która obejmowała dowody na istnienie fal radiowych .

W tym samym okresie William Henry Ward (1871) i Mahlon Loomis (1872) przedstawili dwa schematy bezprzewodowej sygnalizacji , które opierały się na błędnym przekonaniu, że na małej wysokości dostępna jest zelektryfikowana warstwa atmosferyczna. W patentach obu wynalazców zauważono, że ta warstwa połączona z ścieżką powrotną za pomocą „prądów ziemskich” pozwoliłaby na telegrafię bezprzewodową, a także zasilanie telegrafu, eliminując sztuczne baterie, a także mogłaby być wykorzystywana do oświetlenia, ogrzewania i motywowania moc. Bardziej praktyczna demonstracja transmisji bezprzewodowej przez przewodzenie pojawiła się w magnetoelektrycznym telefonie Amosa Dolbeara z 1879 roku, który wykorzystywał przewodnictwo doziemne do transmisji na odległość ćwierć mili.

Tesla

Tesla demonstruje transmisję bezprzewodową przez „indukcję elektrostatyczną” podczas wykładu w 1891 roku w Columbia College . Dwie blachy są połączone z oscylatorem cewki Tesli , który dostarcza prąd przemienny o wysokiej częstotliwości radiowej . Oscylujące pole elektryczne pomiędzy arkuszami jonizuje gaz pod niskim ciśnieniem w dwóch długich rurkach Geisslera w jego dłoniach, powodując ich świecenie w sposób podobny do rur neonowych .

Po 1890 r. wynalazca Nikola Tesla eksperymentował z przesyłaniem mocy przez sprzężenie indukcyjne i pojemnościowe za pomocą wzbudzanych iskrą transformatorów rezonansowych o częstotliwości radiowej , obecnie nazywanych cewkami Tesli , które generowały wysokie napięcia prądu przemiennego. Na początku próbował opracować bezprzewodowy system oświetleniowy oparty na sprzężeniu indukcyjnym i pojemnościowym bliskiego pola i przeprowadził serię publicznych demonstracji, podczas których zapalał rurki Geisslera, a nawet żarówki żarowe z całej sceny. Odkrył, że może zwiększyć odległość, z której mógłby zapalić lampę, używając obwodu odbiorczego LC dostrojonego do rezonansu z obwodem LC nadajnika. za pomocą rezonansowego sprzężenia indukcyjnego . Tesli nie udało się stworzyć komercyjnego produktu ze swoich odkryć, ale jego metoda rezonansowego sprzężenia indukcyjnego jest obecnie szeroko stosowana w elektronice i jest obecnie stosowana w bezprzewodowych systemach zasilania krótkiego zasięgu.

(po lewej) Eksperyment z rezonansowym transferem indukcyjnym przeprowadzonym przez Teslę w Colorado Springs 1899. Cewka jest w rezonansie z pobliskim nadajnikiem powiększającym Tesli, zasilając żarówkę na dole. (po prawej) Nieudana elektrownia Tesli w Wardenclyffe.

Następnie Tesla opracował bezprzewodowy system dystrybucji energii, który miał nadzieję, że będzie w stanie przesyłać energię na duże odległości bezpośrednio do domów i fabryk. Na początku wydawał się zapożyczać od pomysłów Mahlona Loomisa, proponując system złożony z balonów do zawieszania elektrod nadawczo-odbiorczych w powietrzu na wysokości powyżej 30 000 stóp (9100 m), gdzie, jak sądził, ciśnienie pozwoli mu na wysyłanie wysokich napięć (miliony woltów) duże odległości. Aby dalej badać przewodzący charakter powietrza o niskim ciśnieniu, w 1899 r. zorganizował ośrodek testowy na dużej wysokości w Colorado Springs. Przeprowadził tam eksperymenty z dużą cewką pracującą w zakresie megawoltów, a także obserwacje szumu elektronicznego uderzenie pioruna doprowadziło go do błędnego wniosku, że może wykorzystać całą kulę ziemską do przewodzenia energii elektrycznej. Teoria obejmowała kierowanie impulsów prądu przemiennego do Ziemi z częstotliwością rezonansową z uziemionej cewki Tesli działającej przeciwko podwyższonej pojemności, aby spowodować drgania potencjału Ziemi. Tesla sądził, że pozwoli to na odbiór prądu przemiennego za pomocą podobnej anteny pojemnościowej dostrojonej do rezonansu w dowolnym miejscu na Ziemi z bardzo małą stratą mocy. Jego obserwacje doprowadziły go również do przekonania, że ​​wysokie napięcie zastosowane w cewce na wysokości kilkuset stóp „rozbije warstwę powietrza”, eliminując potrzebę wielokilometrowego kabla zawieszonego na balonach, aby utworzyć jego atmosferyczny obwód powrotny. Tesla zamierzał w przyszłym roku zaproponować „ światowy system bezprzewodowy ”, który miał transmitować zarówno informacje, jak i moc na całym świecie. W 1901 r. w Shoreham w stanie Nowy Jork próbował zbudować dużą bezprzewodową elektrownię wysokiego napięcia, obecnie nazywaną Wardenclyffe Tower , ale w 1904 r. inwestycja została wyczerpana i obiekt nigdy nie został ukończony.

Technologie bliskiego pola i bezpromieniste

Indukcyjny transfer mocy między pobliskimi cewkami drutu był najwcześniejszą technologią zasilania bezprzewodowego, która została opracowana, istniejącą od czasu opracowania transformatora w XIX wieku. Ogrzewanie indukcyjne jest stosowane od początku XX wieku.

Wraz z pojawieniem się urządzeń bezprzewodowych opracowano stojaki do ładowania indukcyjnego do urządzeń używanych w wilgotnym środowisku, takich jak elektryczne szczoteczki do zębów i elektryczne maszynki do golenia , aby wyeliminować ryzyko porażenia prądem. Jednym z pierwszych proponowanych zastosowań transferu indukcyjnego było zasilanie lokomotyw elektrycznych. W 1892 Maurice Hutin i Maurice Leblanc opatentowali bezprzewodową metodę zasilania pociągów kolejowych za pomocą cewek rezonansowych sprzężonych indukcyjnie z przewodem torowym przy częstotliwości 3 kHz.

Na początku lat 60. rezonansowy indukcyjny transfer energii bezprzewodowej był z powodzeniem stosowany w wszczepialnych urządzeniach medycznych, w tym w takich urządzeniach, jak rozruszniki serca i sztuczne serca. Podczas gdy wczesne systemy wykorzystywały rezonansową cewkę odbiorczą, późniejsze systemy zaimplementowały również rezonansowe cewki nadawcze. Te urządzenia medyczne zostały zaprojektowane z myślą o wysokiej wydajności przy użyciu elektroniki o niskim poborze mocy, a jednocześnie skutecznie kompensują pewne niewspółosiowość i dynamiczne skręcanie cewek. Odstęp między cewkami w zastosowaniach do implantacji jest zwykle mniejszy niż 20 cm. Obecnie rezonansowy transfer energii indukcyjnej jest regularnie stosowany do dostarczania energii elektrycznej w wielu dostępnych na rynku wszczepialnych urządzeniach medycznych.

Pierwsze pasywne technologie RFID (identyfikacja częstotliwości radiowej) zostały wynalezione przez Mario Cardullo (1973) i Koelle et al. (1975) i do lat 90. były stosowane w kartach zbliżeniowych i bezstykowych kartach chipowych .

Rozpowszechnienie w ostatnich dziesięcioleciach przenośnych urządzeń do komunikacji bezprzewodowej, takich jak telefony komórkowe , tablety i laptopy, napędza obecnie rozwój technologii bezprzewodowego zasilania i ładowania średniego zasięgu, aby wyeliminować potrzebę podłączania tych urządzeń do gniazdek ściennych podczas ładowania. Bezprzewodowa Moc Konsorcjum powstało w 2008 roku w celu opracowania interoperacyjnych standardów w całej producentów. Jego Qi indukcyjny średnia moc opublikowany w sierpniu 2009 zapewnia wysoką ładowania i zasilania przenośnych urządzeń do 5 watów na odległości 4 cm (1,6 cala) efektywność. Bezprzewodowe urządzenie umieszcza się na płaskiej płycie ładowarki (którą można wbudować np. w blaty w kawiarniach), a moc jest przekazywana z płaskiej cewki w ładowarce do podobnej w urządzeniu. W 2007 roku zespół kierowany przez Marina Soljačića z MIT użył nadajnika z podwójnym rezonansem z wtórnym dostrojeniem o średnicy 25 cm do 10 MHz, aby przesłać 60 W mocy do podobnego odbiornika z podwójnym rezonansem na odległość 2 metrów (6,6 stopy) (osiem). razy średnica cewki nadajnika) przy sprawności około 40%.

W 2008 roku zespół Grega Leyha i Mike'a Kennana z Nevada Lightning Lab zastosował uziemiony podwójny rezonansowy nadajnik z wtórnym dostrojonym do 60 kHz o średnicy 57 cm i podobnym uziemionym podwójnym rezonansowym odbiornikiem do przesyłania energii przez sprzężone pola elektryczne z obwodem powrotnym prądu doziemnego na odległość 12 metrów (39 stóp). W 2011 roku dr Christopher A. Tucker i profesor Kevin Warwick z University of Reading odtworzyli miniaturowy patent Tesli z 1900 r. 0,645,576 i zademonstrowali przenoszenie mocy na ponad 4 metry (13 stóp) przy średnicy cewki 10 centymetrów (3,9 cala) przy częstotliwość rezonansowa 27,50 MHz, ze skuteczną sprawnością 60%.

Mikrofale i lasery

Przed II wojną światową poczyniono niewielkie postępy w bezprzewodowej transmisji energii. Radio zostało opracowane do celów komunikacyjnych, ale nie mogło być wykorzystywane do przesyłania energii, ponieważ fale radiowe o stosunkowo niskiej częstotliwości rozchodziły się we wszystkich kierunkach, a do odbiornika docierała niewielka ilość energii. W komunikacji radiowej, w odbiorniku, wzmacniacz wzmacnia słaby sygnał wykorzystując energię z innego źródła. Do transmisji mocy wydajna transmisja wymagała nadajników, które mogłyby generować mikrofale o wyższej częstotliwości , które mogą być skupiane w wąskich wiązkach w kierunku odbiornika.

Rozwój technologii mikrofalowych w czasie II wojny światowej, takich jak lampy klistronowe i magnetronowe oraz anteny paraboliczne , po raz pierwszy sprawił, że metody radiacyjne ( pola dalekiego ) stały się praktyczne, a pierwszą bezprzewodową transmisję mocy na duże odległości osiągnięto w latach 60. XX wieku przez Williama C. Browna . W 1964 r. Brown wynalazł rektenę, która skutecznie przekształca mikrofale w prąd stały, a w 1964 r. zademonstrował ją w pierwszym bezprzewodowo zasilanym samolocie, modelu helikoptera zasilanego mikrofalami emitowanymi z ziemi. Główną motywacją do badań mikrofalowych w latach 70. i 80. było opracowanie satelity słonecznego . Opracowany w 1968 roku przez Petera Glasera , miałby pozyskiwać energię ze światła słonecznego za pomocą ogniw słonecznych i przesyłać ją na Ziemię jako mikrofale do ogromnych prostokątów, które przekształcałyby ją w energię elektryczną w sieci energetycznej . W przełomowych eksperymentach z 1975 roku, jako dyrektor techniczny programu JPL/Raytheon, Brown zademonstrował transmisję dalekiego zasięgu, wysyłając 475 W mocy mikrofalowej do rektenny oddalonej o milę, ze sprawnością konwersji mikrofal na prąd stały na poziomie 54%. W Laboratorium Napędu Odrzutowego NASA wraz z Robertem Dickinsonem przetransmitowali 30 kW mocy wyjściowej prądu stałego na odległość 1,5 km za pomocą mikrofal 2,38 GHz z czaszy o długości 26 m do układu prostokątnego o wymiarach 7,3 x 3,5 m. Sprawność konwersji incydentu RF na DC przez rectennę wynosiła 80%. W 1983 roku Japonia uruchomiła Microwave Ionosphere Nonlinear Interaction Experiment (MINIX), eksperyment rakietowy w celu przetestowania transmisji mikrofal o dużej mocy przez jonosferę.

W ostatnich latach przedmiotem badań był rozwój bezprzewodowych dronów, który rozpoczął się w 1959 r. w ramach projektu RAMP (Raytheon Airborne Microwave Platform) Departamentu Obrony (Raytheon Airborne Microwave Platform), który sponsorował badania Browna. W 1987 r. Kanadyjskie Centrum Badań Komunikacyjnych opracowało mały prototyp samolotu o nazwie Stacjonarna platforma przekaźnikowa dużej wysokości (SHARP) do przekazywania danych telekomunikacyjnych między punktami na Ziemi, podobnie jak satelita komunikacyjny . Zasilany przez rectennę mógł latać na wysokości 13 mil (21 km) i unosić się w powietrzu przez miesiące. W 1992 roku zespół z Uniwersytetu w Kioto zbudował bardziej zaawansowany statek o nazwie MILAX (Microwave Lifted Airplane eXperiment).

W 2003 roku NASA obleciała pierwszy samolot o napędzie laserowym. Silnik małego modelu samolotu był zasilany energią elektryczną generowaną przez fotokomórki z wiązki światła podczerwonego z naziemnego lasera, podczas gdy system sterowania utrzymywał laser skierowany na samolot.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Książki i artykuły

Patenty

Zewnętrzne linki

• Howstuffworks „How Wireless Power Works” – opisuje bezprzewodową transmisję mocy bliskiego i średniego zasięgu przy użyciu technik indukcyjnych i radiacyjnych.
• Przenoszenie mocy mikrofalowej , – jej historia przed 1980 rokiem.
• Stacjonarna platforma przekaźnikowa dużej wysokości (SHARP) – zasilana wiązką mikrofal.
• Marin Soljačić MIT WiTricity – strony dotyczące bezprzewodowej transmisji energii.
• Rezence – oficjalna strona standardu bezprzewodowego zasilania promowanego przez Alliance for Wireless Power
• Qi – oficjalna strona standardu bezprzewodowego zasilania promowanego przez Wireless Power Consortium
• PMA – oficjalna strona standardu bezprzewodowego zasilania promowanego przez Power Matters Alliance
• WiPow – oficjalna strona Koalicji WiPow, promująca ustandaryzowane zasilanie bezprzewodowe dla urządzeń medycznych, mobilnych i kołowych