الطاقة اللاسلكية: النقل الكهرومغناطيسي - نظرة عامة عالمية

نقل الطاقة اللاسلكي (WPT)، المعروف أيضًا بنقل الطاقة بدون أسلاك (WET) أو الشحن اللاسلكي، هو نقل الطاقة الكهربائية بدون أسلاك كحلقة وصل مادية. تعتمد هذه التقنية على المجالات الكهرومغناطيسية لنقل الطاقة بين جهاز إرسال وجهاز استقبال عبر مسافة. على الرغم من أن المفهوم موجود منذ أكثر من قرن، إلا أن التقدم التكنولوجي يجعل الآن من نقل الطاقة اللاسلكي حلاً عمليًا وشائعًا بشكل متزايد في مختلف الصناعات على مستوى العالم.

فهم النقل الكهرومغناطيسي

يشمل النقل الكهرومغناطيسي عدة طرق، تُصنف بشكل عام إلى نوعين: تقنيات المجال القريب وتقنيات المجال البعيد.

نقل الطاقة للمجال القريب

يعمل نقل الطاقة للمجال القريب، المعروف أيضًا بالنقل غير الإشعاعي، على مسافات مماثلة أو أصغر من الطول الموجي للمجال الكهرومغناطيسي. تشمل التقنيات الأساسية ما يلي:

• الاقتران الحثي: هذه هي الطريقة الأكثر شيوعًا، حيث تستخدم ملفين—جهاز إرسال وجهاز استقبال—لإنشاء مجال مغناطيسي. عندما يتم وضع ملف الاستقبال داخل المجال المغناطيسي الذي يولده ملف الإرسال، يتم حث الكهرباء في ملف الاستقبال. فكر في قواعد شحن فرشاة الأسنان الكهربائية أو وسادات الشحن اللاسلكي للهواتف الذكية كأمثلة يومية. تقل كفاءة الاقتران الحثي بسرعة مع زيادة المسافة.
• الاقتران الحثي الرنيني: تعمل هذه الطريقة على تحسين كفاءة ومدى الاقتران الحثي عن طريق ضبط كل من ملفات الإرسال والاستقبال لترن عند نفس التردد. هذا يخلق مجالًا مغناطيسيًا أقوى ويسمح بنقل طاقة أكثر كفاءة عبر مسافة أكبر قليلاً. يُستخدم هذا في بعض أنظمة الشحن اللاسلكي للمركبات الكهربائية. ومن الأمثلة الواقعية على ذلك الشركات التي تبحث وتنفذ الشحن الحثي الرنيني للحافلات في البيئات الحضرية، مما يسمح لها بالشحن في محطات الحافلات.

نقل الطاقة للمجال البعيد

يعمل نقل الطاقة للمجال البعيد، المعروف أيضًا بالنقل الإشعاعي، على مسافات أكبر بكثير من الطول الموجي للمجال الكهرومغناطيسي. تشمل التقنيات الأساسية ما يلي:

• نقل الطاقة بالميكروويف: تستخدم هذه الطريقة الموجات الدقيقة (الميكروويف) لنقل الطاقة عبر مسافات أطول. يتطلب ذلك جهاز إرسال لتحويل الكهرباء إلى موجات دقيقة وجهاز استقبال (ريكتينا) لتحويل الموجات الدقيقة مرة أخرى إلى كهرباء. يجري استكشاف نقل الطاقة بالميكروويف لتطبيقات مثل تشغيل أجهزة الاستشعار عن بعد أو حتى نقل الطاقة من محطات الطاقة الشمسية في الفضاء إلى الأرض. ومن أمثلة الأبحاث في هذا المجال العمل المستمر على الطاقة الشمسية الفضائية من قبل وكالات الفضاء المختلفة والشركات الخاصة.
• حصاد طاقة الترددات الراديوية (RF): تجمع هذه التقنية وتحول موجات الراديو المحيطة (على سبيل المثال، من أجهزة توجيه Wi-Fi وأبراج الهواتف الخلوية وإشارات البث) إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام. تكون كمية الطاقة المحصودة صغيرة عادةً، ولكنها يمكن أن تكون كافية لتشغيل الأجهزة منخفضة الطاقة مثل أجهزة الاستشعار أو الإلكترونيات القابلة للارتداء. تشمل الأمثلة أجهزة الاستشعار في المباني الذكية التي تعمل بطاقة الترددات الراديوية المحيطة.
• نقل الطاقة بالليزر: تستخدم هذه الطريقة أشعة الليزر لنقل الطاقة لاسلكيًا. يتم توجيه شعاع الليزر إلى خلية ضوئية، والتي تحول الضوء إلى كهرباء. يُستخدم نقل الطاقة بالليزر في تطبيقات متخصصة مثل تشغيل الطائرات بدون طيار أو الروبوتات عن بعد.

التقنيات والمكونات الرئيسية

هناك العديد من التقنيات والمكونات الرئيسية الضرورية لتنفيذ أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية:

• ملفات الإرسال: تولد هذه الملفات المجال الكهرومغناطيسي اللازم لنقل الطاقة. يتم تصميمها بعناية لتحسين الكفاءة وتقليل الخسائر. تستخدم تصميمات ملفات مختلفة للاقتران الحثي والاقتران الحثي الرنيني.
• ملفات الاستقبال: تلتقط هذه الملفات الطاقة الكهرومغناطيسية وتحولها مرة أخرى إلى طاقة كهربائية. تصميمها حاسم أيضًا لنقل الطاقة بكفاءة.
• إلكترونيات الطاقة: تُستخدم دوائر إلكترونيات الطاقة للتحكم في تدفق الطاقة، وتنظيم الجهد والتيار، وضمان تحويل الطاقة بكفاءة. تشمل هذه الدوائر العاكسات، والمقومات، ومحولات التيار المستمر إلى التيار المستمر.
• أنظمة التحكم: تراقب أنظمة التحكم عملية نقل الطاقة، وتضبط معلمات التشغيل، وتضمن التشغيل الآمن والموثوق. قد تشمل أجهزة استشعار، ووحدات تحكم دقيقة، وواجهات اتصال.
• مواد التدريع: تُستخدم مواد التدريع لاحتواء المجال الكهرومغناطيسي ومنع التداخل مع الأجهزة الإلكترونية الأخرى. كما أنها تساعد على تقليل الانبعاثات الكهرومغناطيسية وضمان الامتثال للوائح السلامة.

تطبيقات نقل الطاقة اللاسلكي

يجد نقل الطاقة اللاسلكي تطبيقات في مجموعة واسعة من الصناعات والقطاعات:

الإلكترونيات الاستهلاكية

هذا هو أحد أبرز تطبيقات نقل الطاقة اللاسلكي. تتبنى الهواتف الذكية والساعات الذكية وسماعات الأذن اللاسلكية وغيرها من الإلكترونيات الاستهلاكية بشكل متزايد قدرات الشحن اللاسلكي. معيار Qi هو المعيار الأكثر استخدامًا على نطاق واسع للشحن اللاسلكي للأجهزة المحمولة. إيكيا، على سبيل المثال، تدمج شواحن Qi في أثاثها.

المركبات الكهربائية (EVs)

يكتسب الشحن اللاسلكي للمركبات الكهربائية زخمًا كبديل مناسب وفعال للشحن التقليدي بالقابس. يمكن دمج وسادات الشحن اللاسلكي في الطرق أو أماكن وقوف السيارات، مما يسمح للمركبات الكهربائية بالشحن تلقائيًا أثناء وقوفها أو حتى أثناء القيادة (الشحن الديناميكي). تعمل شركات مثل WiTricity على تطوير وترخيص تقنية الشحن اللاسلكي للمركبات الكهربائية. تجري برامج تجريبية لشحن الحافلات الكهربائية لاسلكيًا في مدن مختلفة حول العالم.

الأجهزة الطبية

يمكّن نقل الطاقة اللاسلكي من إمكانيات جديدة للأجهزة الطبية، وخاصة الأجهزة القابلة للزرع مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب ومضخات الأنسولين والغرسات العصبية. يلغي الشحن اللاسلكي الحاجة إلى البطاريات، مما يقلل من خطر العدوى والمضاعفات المرتبطة باستبدال البطاريات. تعمل الشركات على تطوير أنظمة شحن لاسلكي لزراعات القوقعة وغيرها من الأجهزة الطبية.

التطبيقات الصناعية

يُستخدم نقل الطاقة اللاسلكي في البيئات الصناعية لتشغيل أجهزة الاستشعار والروبوتات والمعدات الأخرى في بيئات قاسية أو لا يمكن الوصول إليها. يمكن لنقل الطاقة اللاسلكي أن يلغي الحاجة إلى الأسلاك والكابلات، مما يحسن السلامة والموثوقية والمرونة. تشمل الأمثلة تشغيل أجهزة الاستشعار في مصانع التصنيع وشحن الروبوتات في المستودعات. تقوم الشركات بنشر حلول الطاقة اللاسلكية لأتمتة شحن المركبات الموجهة آليًا (AGVs).

إنترنت الأشياء (IoT)

يمكّن نقل الطاقة اللاسلكي من نشر أجهزة إنترنت الأشياء منخفضة الطاقة في مواقع بعيدة أو حيث لا تتوفر الطاقة السلكية. يمكن استخدام حصاد طاقة الترددات الراديوية لتشغيل أجهزة الاستشعار والمشغلات وأجهزة إنترنت الأشياء الأخرى، مما يتيح مجموعة واسعة من التطبيقات في المدن الذكية والزراعة والمراقبة البيئية. على سبيل المثال، يمكن تشغيل أجهزة الاستشعار اللاسلكية التي تراقب ظروف التربة في الحقول الزراعية النائية عن طريق حصاد طاقة الترددات الراديوية.

الفضاء والدفاع

يُستكشف نقل الطاقة اللاسلكي لتطبيقات في مجال الفضاء والدفاع، مثل تشغيل الطائرات بدون طيار والروبوتات وأجهزة الاستشعار في العمليات العسكرية. يمكن استخدام نقل الطاقة بالليزر لتشغيل الطائرات بدون طيار من محطة قاعدة بعيدة، مما يطيل وقت طيرانها ومداها. تُجرى أبحاث حول استخدام نقل الطاقة بالميكروويف لتشغيل الأقمار الصناعية في المدار.

فوائد نقل الطاقة اللاسلكي

يقدم نقل الطاقة اللاسلكي العديد من المزايا مقارنة بأنظمة الطاقة السلكية التقليدية:

• الراحة: يلغي الشحن اللاسلكي الحاجة إلى الكابلات والموصلات، مما يجعل الشحن أكثر راحة وسهولة في الاستخدام.
• السلامة: يمكن لنقل الطاقة اللاسلكي تحسين السلامة عن طريق القضاء على الأسلاك والموصلات المكشوفة، مما يقلل من خطر الصدمات الكهربائية والحرائق.
• الموثوقية: يمكن لنقل الطاقة اللاسلكي تحسين الموثوقية من خلال التخلص من الحاجة إلى التوصيلات المادية، التي يمكن أن تكون عرضة للتآكل والتلف.
• المرونة: يمكن لنقل الطاقة اللاسلكي توفير مرونة أكبر في وضع الأجهزة واستخدامها، مما يسمح بشحن الأجهزة في مواقع بعيدة أو لا يمكن الوصول إليها.
• توفير التكاليف: يمكن لنقل الطاقة اللاسلكي تقليل التكاليف عن طريق التخلص من الحاجة إلى الكابلات والموصلات واستبدال البطاريات.
• الجماليات: تساهم حلول الشحن اللاسلكي في تصميمات أكثر نظافة وحداثة عن طريق إزالة الأسلاك المرئية.

التحديات والاعتبارات

على الرغم من فوائده العديدة، يواجه نقل الطاقة اللاسلكي أيضًا العديد من التحديات:

• الكفاءة: عادةً ما تكون كفاءة نقل الطاقة اللاسلكي أقل من كفاءة نقل الطاقة السلكي، بسبب الخسائر في المجال الكهرومغناطيسي وعملية تحويل الطاقة. يعد تحسين الكفاءة مجالًا رئيسيًا للبحث والتطوير.
• المدى: يقتصر مدى نقل الطاقة اللاسلكي على قوة المجال الكهرومغناطيسي. تتمتع تقنيات المجال القريب بمدى أقصر من تقنيات المجال البعيد.
• السلامة: يمكن أن يثير التعرض للمجالات الكهرومغناطيسية مخاوف تتعلق بالسلامة. هناك حاجة إلى معايير ولوائح لضمان أن أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية تعمل ضمن حدود آمنة. تضع اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع غير المؤين (ICNIRP) مبادئ توجيهية للتعرض للمجالات الكهرومغناطيسية.
• التداخل: يمكن أن تتداخل أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية مع الأجهزة الإلكترونية الأخرى، خاصة تلك التي تعمل على ترددات مماثلة. هناك حاجة إلى تقنيات التدريع والترشيح لتقليل التداخل.
• التكلفة: يمكن أن تكون تكلفة أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية أعلى من تكلفة أنظمة الطاقة السلكية، خاصة بالنسبة لتقنيات المجال البعيد. يعد خفض التكاليف أمرًا ضروريًا للتبني على نطاق واسع.
• التوحيد القياسي: يعيق نقص المعايير العالمية قابلية التشغيل البيني والتبني العالمي. يعد معيار Qi للشحن الحثي استثناءً ملحوظًا.

المعايير واللوائح العالمية

تعمل العديد من المنظمات الدولية على تطوير معايير ولوائح لنقل الطاقة اللاسلكي لضمان السلامة وقابلية التشغيل البيني والتوافق. وتشمل هذه:

• معيار Qi: تم تطويره من قبل اتحاد الطاقة اللاسلكية (WPC)، وهو المعيار الأكثر استخدامًا للشحن اللاسلكي الحثي.
• تحالف AirFuel: تطور هذه المنظمة معايير لنقل الطاقة اللاسلكية الحثي الرنيني والترددات الراديوية.
• اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC): تطور اللجنة الكهروتقنية الدولية معايير للتوافق الكهرومغناطيسي والسلامة.
• اللجنة الدولية للحماية من الإشعاع غير المؤين (ICNIRP): تضع هذه المنظمة مبادئ توجيهية للتعرض للمجالات الكهرومغناطيسية.
• لجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) (الولايات المتحدة): تنظم أجهزة الترددات الراديوية وتضع حدودًا للانبعاثات الكهرومغناطيسية.
• المعهد الأوروبي لمعايير الاتصالات (ETSI) (أوروبا): يطور معايير للاتصالات والتقنيات اللاسلكية.

الاتجاهات المستقبلية في نقل الطاقة اللاسلكي

يبدو مستقبل نقل الطاقة اللاسلكي واعدًا، مع العديد من الاتجاهات الناشئة المتوقع أن تشكل الصناعة:

• زيادة الكفاءة: يعمل الباحثون على تحسين كفاءة أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية من خلال مواد جديدة وتصميمات دوائر وخوارزميات تحكم.
• مدى أطول: يتيح التقدم في تقنيات المجال البعيد نقل الطاقة اللاسلكي عبر مسافات أطول، مما يفتح تطبيقات جديدة في الفضاء والدفاع والأتمتة الصناعية.
• الشحن الديناميكي: من المتوقع أن يصبح الشحن اللاسلكي الديناميكي للمركبات الكهربائية أكثر انتشارًا، مما يسمح للمركبات الكهربائية بالشحن أثناء القيادة.
• التصغير: يتيح تصغير مكونات نقل الطاقة اللاسلكية دمجها في أجهزة أصغر وأكثر قابلية للحمل.
• شحن أجهزة متعددة: أصبحت وسادات الشحن اللاسلكي التي يمكنها شحن أجهزة متعددة في وقت واحد شائعة بشكل متزايد.
• شبكات الطاقة اللاسلكية: يجري استكشاف تطوير شبكات طاقة لاسلكية يمكنها توزيع الطاقة في جميع أنحاء مبنى أو منطقة.
• حصاد الطاقة من المصادر المحيطة: ستسمح تقنيات حصاد الطاقة الأكثر كفاءة بتشغيل الأجهزة من موجات الراديو المحيطة والمصادر البيئية الأخرى.

أمثلة على الشركات المبتكرة في مجال الطاقة اللاسلكية

تدفع العديد من الشركات على مستوى العالم حدود تقنية الطاقة اللاسلكية. إليك بعض الأمثلة:

• WiTricity (الولايات المتحدة الأمريكية): شركة رائدة في تقنية الشحن اللاسلكي للمركبات الكهربائية.
• Energous (الولايات المتحدة الأمريكية): تطور تقنية WattUp لنقل الطاقة اللاسلكي القائم على الترددات الراديوية.
• Ossia (الولايات المتحدة الأمريكية): تركز على Cota Real Wireless Power، التي توفر الطاقة عن بعد باستخدام موجات الراديو.
• Powermat Technologies (إسرائيل): توفر حلول شحن لاسلكي للأماكن العامة والإلكترونيات الاستهلاكية.
• Humavox (إسرائيل): متخصصة في الشحن اللاسلكي للمجال القريب للأجهزة الصغيرة مثل الأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة السمع.
• NuCurrent (الولايات المتحدة الأمريكية): تصمم وتصنع ملفات وأنظمة الطاقة اللاسلكية.
• Murata Manufacturing (اليابان): شركة عالمية رائدة في المكونات الإلكترونية، بما في ذلك وحدات نقل الطاقة اللاسلكية.
• ConvenientPower (الصين): تطور حلول شحن لاسلكي لتطبيقات مختلفة، بما في ذلك الإلكترونيات الاستهلاكية والسيارات.
• Xiaomi (الصين): عرضت تقنية الشحن اللاسلكي عبر الهواء للهواتف الذكية.

الخاتمة

يعد نقل الطاقة اللاسلكي تقنية سريعة التطور ولديها القدرة على إحداث ثورة في طريقة تشغيل أجهزتنا وأنظمتنا. من الإلكترونيات الاستهلاكية إلى المركبات الكهربائية والأجهزة الطبية، يجد نقل الطاقة اللاسلكي تطبيقات في مجموعة واسعة من الصناعات. بينما لا تزال هناك تحديات من حيث الكفاءة والمدى والسلامة والتكلفة، فإن البحث والتطوير المستمرين يمهدان الطريق لمستقبل تكون فيه الطاقة اللاسلكية منتشرة في كل مكان ومدمجة بسلاسة في حياتنا. تضمن الطبيعة العالمية للابتكار التكنولوجي استمرار التقدم واعتماد هذه التقنيات عبر أسواق وتطبيقات متنوعة.