Безжична енергия: Електромагнитно предаване - глобален преглед

Безжичното предаване на енергия (WPT), известно още като безжичен трансфер на енергия (WET) или безжично зареждане, е предаването на електрическа енергия без жици като физическа връзка. Тази технология разчита на електромагнитни полета за прехвърляне на енергия между предавател и приемник на определено разстояние. Въпреки че концепцията съществува повече от век, напредъкът в технологиите сега превръща WPT в практично и все по-разпространено решение в различни индустрии в световен мащаб.

Разбиране на електромагнитното предаване

Електромагнитното предаване обхваща няколко метода, които най-общо се разделят на два типа: техники за близко и далечно поле.

Предаване на енергия в близко поле

Предаването на енергия в близко поле, известно още като нерадиационно предаване, работи на разстояния, сравними или по-малки от дължината на вълната на електромагнитното поле. Основните техники включват:

• Индуктивно свързване: Това е най-разпространеният метод, използващ две намотки — предавателна и приемна — за създаване на магнитно поле. Когато приемната намотка се постави в магнитното поле, генерирано от предавателната намотка, в нея се индуцира електричество. Помислете за докинг станциите за зареждане на електрически четки за зъби или подложките за безжично зареждане на смартфони като ежедневни примери. Ефективността на индуктивното свързване намалява бързо с увеличаване на разстоянието.
• Резонансно индуктивно свързване: Този метод подобрява ефективността и обхвата на индуктивното свързване чрез настройване както на предавателната, така и на приемната намотка да резонират на една и съща честота. Това създава по-силно магнитно поле и позволява по-ефективно предаване на енергия на малко по-голямо разстояние. Използва се в някои системи за безжично зареждане на електрически превозни средства. Пример от реалния свят включва компании, които изследват и внедряват резонансно индуктивно зареждане за автобуси в градска среда, което им позволява да се зареждат на автобусните спирки.

Предаване на енергия в далечно поле

Предаването на енергия в далечно поле, известно още като радиационно предаване, работи на разстояния, значително по-големи от дължината на вълната на електромагнитното поле. Основните техники включват:

• Микровълново предаване на енергия: Този метод използва микровълни за предаване на енергия на по-големи разстояния. Той изисква предавател, който да преобразува електричеството в микровълни, и приемник (ректена), който да преобразува микровълните обратно в електричество. Микровълновото предаване на енергия се изследва за приложения като захранване на отдалечени сензори или дори предаване на енергия от космически слънчеви електроцентрали към Земята. Пример за изследвания в тази област е текущата работа по космическата слънчева енергия от различни космически агенции и частни компании.
• Събиране на радиочестотна (RF) енергия: Тази техника събира и преобразува околните радиовълни (например от Wi-Fi рутери, клетъчни кули и излъчвани сигнали) в използваема електрическа енергия. Количеството събрана енергия обикновено е малко, но може да бъде достатъчно за захранване на устройства с ниска мощност като сензори или носими електронни устройства. Примерите включват сензори в интелигентни сгради, захранвани от околната RF енергия.
• Лазерно предаване на енергия: Този метод използва лазери за безжично предаване на енергия. Лазерен лъч се насочва към фотоволтаична клетка, която преобразува светлината в електричество. Лазерното предаване на енергия се използва в нишови приложения като дистанционно захранване на дронове или роботи.

Ключови технологии и компоненти

Няколко ключови технологии и компоненти са от съществено значение за внедряването на системи за безжично предаване на енергия:

• Предавателни намотки: Тези намотки генерират електромагнитното поле, необходимо за предаване на енергия. Те са внимателно проектирани, за да оптимизират ефективността и да минимизират загубите. Използват се различни дизайни на намотки за индуктивно и резонансно индуктивно свързване.
• Приемни намотки: Тези намотки улавят електромагнитната енергия и я преобразуват обратно в електрическа енергия. Техният дизайн също е от решаващо значение за ефективното предаване на енергия.
• Силова електроника: Силовите електронни вериги се използват за контрол на потока на енергия, регулиране на напрежението и тока и осигуряване на ефективно преобразуване на енергията. Тези вериги включват инвертори, токоизправители и DC-DC преобразуватели.
• Системи за управление: Системите за управление наблюдават процеса на пренос на енергия, регулират работните параметри и осигуряват безопасна и надеждна работа. Те могат да включват сензори, микроконтролери и комуникационни интерфейси.
• Екраниращи материали: Екраниращите материали се използват за задържане на електромагнитното поле и предотвратяване на смущения с други електронни устройства. Те също така помагат за намаляване на електромагнитните емисии и осигуряват съответствие с правилата за безопасност.

Приложения на безжичното предаване на енергия

Безжичното предаване на енергия намира приложения в широк спектър от индустрии и сектори:

Потребителска електроника

Това е едно от най-видимите приложения на WPT. Смартфони, смарт часовници, безжични слушалки и друга потребителска електроника все повече възприемат възможностите за безжично зареждане. Стандартът Qi е най-широко използваният стандарт за безжично зареждане на мобилни устройства. Ikea, например, интегрира Qi зарядни устройства в мебелите си.

Електрически превозни средства (ЕПС)

Безжичното зареждане за ЕПС набира популярност като удобна и ефективна алтернатива на традиционното зареждане с кабел. Безжичните подложки за зареждане могат да бъдат вградени в пътища или паркоместа, което позволява на ЕПС да се зареждат автоматично, докато са паркирани или дори по време на шофиране (динамично зареждане). Компании като WiTricity разработват и лицензират технология за безжично зареждане за ЕПС. Пилотни програми за безжично зареждане на електрически автобуси се провеждат в различни градове по света.

Медицински устройства

Безжичното предаване на енергия открива нови възможности за медицинските устройства, особено за имплантируеми устройства като пейсмейкъри, инсулинови помпи и невронни импланти. Безжичното зареждане елиминира необходимостта от батерии, намалявайки риска от инфекции и усложнения, свързани със смяната на батериите. Компаниите разработват системи за безжично зареждане за кохлеарни импланти и други медицински устройства.

Индустриални приложения

WPT се използва в индустриална среда за захранване на сензори, роботи и друго оборудване в тежки или недостъпни условия. Безжичното предаване на енергия може да елиминира нуждата от жици и кабели, подобрявайки безопасността, надеждността и гъвкавостта. Примерите включват захранване на сензори в производствени заводи и зареждане на роботи в складове. Компаниите внедряват решения за безжично захранване, за да автоматизират зареждането на AGV (Автоматизирани управлявани транспортни средства).

Интернет на нещата (IoT)

Безжичното предаване на енергия позволява внедряването на IoT устройства с ниска мощност на отдалечени места или там, където няма налично захранване по кабел. Събирането на RF енергия може да се използва за захранване на сензори, актуатори и други IoT устройства, което позволява широк спектър от приложения в интелигентни градове, селско стопанство и мониторинг на околната среда. Например, безжични сензори, които следят състоянието на почвата в отдалечени земеделски полета, могат да се захранват чрез събиране на RF енергия.

Аерокосмическа индустрия и отбрана

WPT се изследва за приложения в аерокосмическата индустрия и отбраната, като например захранване на дронове, роботи и сензори във военни операции. Лазерното предаване на енергия може да се използва за захранване на дронове от отдалечена базова станция, удължавайки времето им за полет и обхвата им. Провеждат се изследвания за използване на микровълново предаване на енергия за захранване на сателити в орбита.

Предимства на безжичното предаване на енергия

Безжичното предаване на енергия предлага няколко предимства пред традиционните кабелни системи за захранване:

• Удобство: Безжичното зареждане елиминира нуждата от кабели и конектори, което прави зареждането по-удобно и лесно за употреба.
• Безопасност: Безжичното предаване на енергия може да подобри безопасността, като елиминира откритите жици и конектори, намалявайки риска от електрически удари и пожари.
• Надеждност: Безжичното предаване на енергия може да подобри надеждността, като елиминира нуждата от физически връзки, които могат да бъдат податливи на износване.
• Гъвкавост: Безжичното предаване на енергия може да осигури по-голяма гъвкавост при поставянето и използването на устройства, позволявайки им да се зареждат на отдалечени или недостъпни места.
• Икономии на разходи: Безжичното предаване на енергия може да намали разходите, като елиминира нуждата от кабели, конектори и смяна на батерии.
• Естетика: Решенията за безжично зареждане допринасят за по-изчистен и модерен дизайн, като премахват видимите кабели.

Предизвикателства и съображения

Въпреки многобройните си предимства, безжичното предаване на енергия се сблъсква и с няколко предизвикателства:

• Ефективност: Ефективността на безжичното предаване на енергия обикновено е по-ниска от тази на кабелното предаване поради загуби в електромагнитното поле и процеса на преобразуване на енергията. Подобряването на ефективността е ключова област на изследвания и разработки.
• Обхват: Обхватът на безжичното предаване на енергия е ограничен от силата на електромагнитното поле. Техниките за близко поле имат по-къс обхват от техниките за далечно поле.
• Безопасност: Излагането на електромагнитни полета може да породи опасения за безопасността. Необходими са стандарти и регулации, за да се гарантира, че системите за безжично предаване на енергия работят в безопасни граници. Международната комисия за защита от нейонизиращи лъчения (ICNIRP) определя насоки за излагане на електромагнитни полета.
• Смущения: Системите за безжично предаване на енергия могат да пречат на други електронни устройства, особено на тези, които работят на сходни честоти. Необходими са техники за екраниране и филтриране, за да се минимизират смущенията.
• Разходи: Цената на системите за безжично предаване на енергия може да бъде по-висока от тази на кабелните системи, особено за техниките за далечно поле. Намаляването на разходите е от съществено значение за широкото им възприемане.
• Стандартизация: Липсата на универсални стандарти възпрепятства оперативната съвместимост и глобалното възприемане. Стандартът Qi за индуктивно зареждане е забележително изключение.

Глобални стандарти и регулации

Няколко международни организации разработват стандарти и регулации за безжично предаване на енергия, за да гарантират безопасност, оперативна съвместимост и съвместимост. Те включват:

• Стандарт Qi: Разработен от Wireless Power Consortium (WPC), Qi е най-широко използваният стандарт за индуктивно безжично зареждане.
• AirFuel Alliance: Тази организация разработва стандарти за резонансно индуктивно и RF безжично предаване на енергия.
• Международна електротехническа комисия (IEC): IEC разработва стандарти за електромагнитна съвместимост и безопасност.
• Международна комисия за защита от нейонизиращи лъчения (ICNIRP): Тази организация определя насоки за излагане на електромагнитни полета.
• Федерална комисия по комуникациите (FCC) (САЩ): Регулира радиочестотните устройства и определя ограничения за електромагнитните емисии.
• Европейски институт за телекомуникационни стандарти (ETSI) (Европа): Разработва стандарти за телекомуникации и безжични технологии.

Бъдещи тенденции в безжичното предаване на енергия

Бъдещето на безжичното предаване на енергия изглежда обещаващо, като се очаква няколко нововъзникващи тенденции да оформят индустрията:

• Повишена ефективност: Изследователите работят за подобряване на ефективността на системите за безжично предаване на енергия чрез нови материали, схемни решения и алгоритми за управление.
• По-голям обхват: Напредъкът в техниките за далечно поле позволява безжично предаване на енергия на по-големи разстояния, отваряйки нови приложения в аерокосмическата индустрия, отбраната и индустриалната автоматизация.
• Динамично зареждане: Очаква се динамичното безжично зареждане за електрически превозни средства да стане по-разпространено, позволявайки на ЕПС да се зареждат по време на шофиране.
• Миниатюризация: Миниатюризацията на компонентите за безжично предаване на енергия позволява интеграция в по-малки и по-преносими устройства.
• Зареждане на няколко устройства: Подложките за безжично зареждане, които могат едновременно да зареждат няколко устройства, стават все по-често срещани.
• Безжични енергийни мрежи: Изследва се разработването на безжични енергийни мрежи, които могат да разпределят енергия в сграда или район.
• Събиране на енергия от околни източници: По-ефективните технологии за събиране на енергия ще позволят захранването на устройства от околните радиовълни и други източници от околната среда.

Примери за компании, иновиращи в безжичната енергия

Многобройни компании в световен мащаб разширяват границите на технологията за безжично захранване. Ето няколко примера:

• WiTricity (САЩ): Водеща компания в технологията за безжично зареждане на електрически превозни средства.
• Energous (САЩ): Разработва WattUp, технология за безжично предаване на енергия, базирана на RF.
• Ossia (САЩ): Фокусирана върху Cota Real Wireless Power, която доставя енергия на разстояние с помощта на радиовълни.
• Powermat Technologies (Израел): Предоставя решения за безжично зареждане за обществени места и потребителска електроника.
• Humavox (Израел): Специализира в безжично зареждане в близко поле за малки устройства като носими устройства и слухови апарати.
• NuCurrent (САЩ): Проектира и произвежда безжични намотки и системи за захранване.
• Murata Manufacturing (Япония): Световен лидер в електронните компоненти, включително модули за безжично предаване на енергия.
• ConvenientPower (Китай): Разработва решения за безжично зареждане за различни приложения, включително потребителска електроника и автомобилостроене.
• Xiaomi (Китай): Демонстрира технология за безжично зареждане на смартфони по въздуха.

Заключение

Безжичното предаване на енергия е бързо развиваща се технология с потенциал да революционизира начина, по който захранваме нашите устройства и системи. От потребителска електроника до електрически превозни средства и медицински устройства, WPT намира приложения в широк спектър от индустрии. Въпреки че остават предизвикателства по отношение на ефективността, обхвата, безопасността и разходите, текущите изследвания и разработки проправят пътя към бъдеще, в което безжичната енергия е вездесъща и безпроблемно интегрирана в нашия живот. Глобалният характер на технологичните иновации осигурява непрекъснат напредък и възприемане на тези технологии на различни пазари и в различни приложения.