Bezdrátový přenos energie: Elektromagnetický přenos – globální přehled

Bezdrátový přenos energie (WPT), známý také jako bezdrátový přenos energie (WET) nebo bezdrátové nabíjení, je přenos elektrické energie bez drátů jako fyzického spojení. Tato technologie se spoléhá na elektromagnetická pole pro přenos energie mezi vysílačem a přijímačem na určitou vzdálenost. Zatímco tento koncept existuje již více než století, pokroky v technologii nyní dělají z WPT praktické a stále více rozšířené řešení napříč různými průmyslovými odvětvími po celém světě.

Pochopení elektromagnetického přenosu

Elektromagnetický přenos zahrnuje několik metod, které se obecně dělí do dvou typů: techniky blízkého pole a vzdáleného pole.

Přenos energie v blízkém poli

Přenos energie v blízkém poli, známý také jako neradiační přenos, funguje na vzdálenosti srovnatelné s vlnovou délkou elektromagnetického pole nebo menší. Mezi hlavní techniky patří:

• Indukční vazba: Jedná se o nejběžnější metodu, která využívá dvě cívky – vysílač a přijímač – k vytvoření magnetického pole. Když je přijímací cívka umístěna v magnetickém poli generovaném vysílací cívkou, je v přijímací cívce indukována elektřina. Představte si nabíjecí doky elektrických zubních kartáčků nebo bezdrátové nabíjecí podložky smartphonů jako každodenní příklady. Účinnost indukční vazby se s rostoucí vzdáleností rychle snižuje.
• Rezonanční indukční vazba: Tato metoda zlepšuje účinnost a dosah indukční vazby tím, že ladí jak vysílací, tak přijímací cívky tak, aby rezonovaly na stejné frekvenci. To vytváří silnější magnetické pole a umožňuje účinnější přenos energie na o něco větší vzdálenost. To se používá v některých bezdrátových nabíjecích systémech pro elektrická vozidla. Skutečným příkladem je výzkum a implementace rezonančního indukčního nabíjení pro autobusy v městském prostředí, což jim umožňuje nabíjet na autobusových zastávkách.

Přenos energie ve vzdáleném poli

Přenos energie ve vzdáleném poli, známý také jako radiační přenos, funguje na vzdálenosti výrazně větší než vlnová délka elektromagnetického pole. Mezi hlavní techniky patří:

• Přenos mikrovlnné energie: Tato metoda používá mikrovlny k přenosu energie na delší vzdálenosti. Vyžaduje vysílač pro převod elektřiny na mikrovlny a přijímač (usměrňovač) pro převod mikrovln zpět na elektřinu. Přenos mikrovlnné energie se zkoumá pro aplikace, jako je napájení vzdálených senzorů nebo dokonce přenos energie ze solárních elektráren ve vesmíru na Zemi. Příkladem výzkumu v této oblasti je probíhající práce na solární energii ve vesmíru různými vesmírnými agenturami a soukromými společnostmi.
• Sběr energie z rádiových frekvencí (RF): Tato technika shromažďuje a převádí okolní rádiové vlny (např. z Wi-Fi routerů, mobilních věží a vysílacích signálů) na použitelnou elektrickou energii. Množství získané energie je obvykle malé, ale může být dostatečné pro napájení zařízení s nízkým výkonem, jako jsou senzory nebo nositelná elektronika. Příkladem jsou senzory v inteligentních budovách napájené okolní RF energií.
• Přenos energie laserem: Tato metoda používá lasery k bezdrátovému přenosu energie. Laserový paprsek je nasměrován na fotovoltaický článek, který převádí světlo na elektřinu. Přenos energie laserem se používá v specializovaných aplikacích, jako je dálkové napájení dronů nebo robotů.

Klíčové technologie a komponenty

Několik klíčových technologií a komponentů je nezbytných pro implementaci systémů bezdrátového přenosu energie:

• Vysílací cívky: Tyto cívky generují elektromagnetické pole potřebné pro přenos energie. Jsou pečlivě navrženy tak, aby optimalizovaly účinnost a minimalizovaly ztráty. Různé konstrukce cívek se používají pro indukční a rezonanční indukční vazbu.
• Přijímací cívky: Tyto cívky zachycují elektromagnetickou energii a převádějí ji zpět na elektrickou energii. Jejich konstrukce je také zásadní pro efektivní přenos energie.
• Výkonová elektronika: Výkonové elektronické obvody se používají k řízení toku energie, regulaci napětí a proudu a zajištění efektivní přeměny energie. Mezi tyto obvody patří střídače, usměrňovače a DC-DC měniče.
• Řídicí systémy: Řídicí systémy monitorují proces přenosu energie, upravují provozní parametry a zajišťují bezpečný a spolehlivý provoz. Mohou zahrnovat senzory, mikrokontroléry a komunikační rozhraní.
• Stínicí materiály: Stínicí materiály se používají k omezení elektromagnetického pole a zabránění rušení jiných elektronických zařízení. Pomáhají také snižovat elektromagnetické emise a zajišťují soulad s bezpečnostními předpisy.

Aplikace bezdrátového přenosu energie

Bezdrátový přenos energie nachází uplatnění v široké škále průmyslových odvětví a sektorů:

Spotřební elektronika

Toto je jedna z nejviditelnějších aplikací WPT. Smartphony, chytré hodinky, bezdrátová sluchátka a další spotřební elektronika stále častěji přijímají možnosti bezdrátového nabíjení. Standard Qi je nejpoužívanějším standardem pro bezdrátové nabíjení mobilních zařízení. Společnost Ikea například integruje nabíječky Qi do nábytku.

Elektrická vozidla (EV)

Bezdrátové nabíjení pro EV získává na významu jako pohodlná a efektivní alternativa k tradičnímu nabíjení pomocí zásuvky. Bezdrátové nabíjecí podložky lze zabudovat do silnic nebo parkovacích míst, což umožňuje EV automatické nabíjení při zaparkování nebo dokonce i za jízdy (dynamické nabíjení). Společnosti jako WiTricity vyvíjejí a licencují technologii bezdrátového nabíjení pro EV. Pilotní programy pro bezdrátové nabíjení elektrických autobusů probíhají v různých městech po celém světě.

Zdravotnické prostředky

Bezdrátový přenos energie umožňuje nové možnosti pro zdravotnické prostředky, zejména implantabilní zařízení, jako jsou kardiostimulátory, inzulínové pumpy a nervové implantáty. Bezdrátové nabíjení eliminuje potřebu baterií, což snižuje riziko infekcí a komplikací spojených s výměnou baterií. Společnosti vyvíjejí bezdrátové nabíjecí systémy pro kochleární implantáty a další zdravotnické prostředky.

Průmyslové aplikace

WPT se používá v průmyslových prostředích k napájení senzorů, robotů a dalšího zařízení v drsném nebo nepřístupném prostředí. Bezdrátový přenos energie může eliminovat potřebu drátů a kabelů, což zlepšuje bezpečnost, spolehlivost a flexibilitu. Příkladem je napájení senzorů ve výrobních závodech a nabíjení robotů ve skladech. Společnosti nasazují bezdrátová energetická řešení pro automatizaci nabíjení AGV (automaticky řízených vozidel).

Internet věcí (IoT)

Bezdrátový přenos energie umožňuje nasazení nízkoenergetických zařízení IoT ve vzdálených lokalitách nebo tam, kde není k dispozici kabelové napájení. Sběr RF energie lze použít k napájení senzorů, akčních členů a dalších zařízení IoT, což umožňuje širokou škálu aplikací v chytrých městech, zemědělství a monitorování životního prostředí. Například bezdrátové senzory monitorující půdní podmínky ve vzdálených zemědělských oblastech mohou být napájeny sběrem RF energie.

Aerospace a obrana

WPT se zkoumá pro aplikace v letectví a obraně, jako je napájení dronů, robotů a senzorů ve vojenských operacích. Přenos energie laserem lze použít k napájení dronů ze vzdálené základnové stanice, což prodlužuje jejich dobu letu a dolet. Provádí se výzkum využívání přenosu mikrovlnné energie k napájení satelitů na oběžné dráze.

Výhody bezdrátového přenosu energie

Bezdrátový přenos energie nabízí několik výhod oproti tradičním kabelovým energetickým systémům:

• Pohodlí: Bezdrátové nabíjení eliminuje potřebu kabelů a konektorů, díky čemuž je nabíjení pohodlnější a uživatelsky přívětivější.
• Bezpečnost: Bezdrátový přenos energie může zlepšit bezpečnost eliminací odkrytých drátů a konektorů, čímž se snižuje riziko úrazu elektrickým proudem a požárů.
• Spolehlivost: Bezdrátový přenos energie může zlepšit spolehlivost eliminací potřeby fyzických spojení, která mohou být náchylná k opotřebení.
• Flexibilita: Bezdrátový přenos energie může poskytnout větší flexibilitu při umísťování a používání zařízení, což umožňuje nabíjení zařízení na vzdálených nebo nepřístupných místech.
• Úspora nákladů: Bezdrátový přenos energie může snížit náklady eliminací potřeby kabelů, konektorů a výměny baterií.
• Estetika: Bezdrátová nabíjecí řešení přispívají k čistšímu a modernějšímu designu odstraněním viditelných šňůr.

Výzvy a úvahy

Navzdory mnoha výhodám čelí bezdrátový přenos energie také několika výzvám:

• Účinnost: Účinnost bezdrátového přenosu energie je obvykle nižší než u kabelového přenosu energie, a to kvůli ztrátám v elektromagnetickém poli a procesu přeměny energie. Zlepšení účinnosti je klíčovou oblastí výzkumu a vývoje.
• Dosah: Dosah bezdrátového přenosu energie je omezen silou elektromagnetického pole. Techniky blízkého pole mají kratší dosah než techniky vzdáleného pole.
• Bezpečnost: Vystavení elektromagnetickým polím může vyvolat obavy o bezpečnost. Pro zajištění provozu systémů bezdrátového přenosu energie v bezpečných mezích jsou zapotřebí normy a předpisy. Mezinárodní komise pro ochranu proti neionizujícímu záření (ICNIRP) stanoví směrnice pro vystavení elektromagnetickému poli.
• Rušení: Systémy bezdrátového přenosu energie mohou rušit jiná elektronická zařízení, zejména ta, která pracují na podobných frekvencích. K minimalizaci rušení jsou zapotřebí stínicí a filtrační techniky.
• Cena: Náklady na systémy bezdrátového přenosu energie mohou být vyšší než u kabelových energetických systémů, zejména u technik vzdáleného pole. Snížení nákladů je zásadní pro široké přijetí.
• Standardizace: Nedostatek univerzálních standardů brání interoperabilitě a globálnímu přijetí. Standard Qi pro indukční nabíjení je pozoruhodnou výjimkou.

Globální standardy a předpisy

Několik mezinárodních organizací vyvíjí standardy a předpisy pro bezdrátový přenos energie, aby byla zajištěna bezpečnost, interoperabilita a kompatibilita. Patří sem:

• Standard Qi: Standard Qi, vyvinutý konsorciem Wireless Power Consortium (WPC), je nejpoužívanějším standardem pro indukční bezdrátové nabíjení.
• AirFuel Alliance: Tato organizace vyvíjí standardy pro rezonanční indukční a RF bezdrátový přenos energie.
• Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC): IEC vyvíjí standardy pro elektromagnetickou kompatibilitu a bezpečnost.
• Mezinárodní komise pro ochranu proti neionizujícímu záření (ICNIRP): Tato organizace stanoví směrnice pro vystavení elektromagnetickému poli.
• Federální komunikační komise (FCC) (USA): Reguluje zařízení rádiových frekvencí a stanoví limity pro elektromagnetické emise.
• Evropský institut pro telekomunikační standardy (ETSI) (Evropa): Vyvíjí standardy pro telekomunikace a bezdrátové technologie.

Budoucí trendy v bezdrátovém přenosu energie

Budoucnost bezdrátového přenosu energie vypadá slibně, s několika novými trendy, které by měly utvářet toto odvětví:

• Zvýšená účinnost: Vědci pracují na zlepšení účinnosti systémů bezdrátového přenosu energie prostřednictvím nových materiálů, návrhů obvodů a řídicích algoritmů.
• Delší dosah: Pokroky v technikách vzdáleného pole umožňují bezdrátový přenos energie na delší vzdálenosti, což otevírá nové aplikace v letectví, obraně a průmyslové automatizaci.
• Dynamické nabíjení: Očekává se, že dynamické bezdrátové nabíjení pro elektrická vozidla bude stále rozšířenější, což umožní EV nabíjet za jízdy.
• Miniaturizace: Miniaturizace komponent bezdrátového přenosu energie umožňuje integraci do menších a přenosnějších zařízení.
• Nabíjení více zařízení: Bezdrátové nabíjecí podložky, které mohou současně nabíjet více zařízení, jsou stále běžnější.
• Bezdrátové energetické sítě: Zkoumá se vývoj bezdrátových energetických sítí, které mohou distribuovat energii v budově nebo oblasti.
• Sběr energie z okolních zdrojů: Účinnější technologie sběru energie umožní napájení zařízení z okolních rádiových vln a dalších zdrojů prostředí.

Příklady společností inovujících v oblasti bezdrátového napájení

Četné společnosti po celém světě posouvají hranice technologie bezdrátového napájení. Zde je několik příkladů:

• WiTricity (USA): Přední společnost v oblasti technologie bezdrátového nabíjení pro elektrická vozidla.
• Energous (USA): Vyvíjí WattUp, technologii pro bezdrátový přenos energie na bázi RF.
• Ossia (USA): Zaměřuje se na Cota Real Wireless Power, která dodává energii na dálku pomocí rádiových vln.
• Powermat Technologies (Izrael): Poskytuje řešení bezdrátového nabíjení pro veřejná místa a spotřební elektroniku.
• Humavox (Izrael): Specializuje se na bezdrátové nabíjení v blízkém poli pro malá zařízení, jako jsou nositelné zařízení a naslouchátka.
• NuCurrent (USA): Navrhuje a vyrábí cívky a systémy pro bezdrátové napájení.
• Murata Manufacturing (Japonsko): Globální lídr v oblasti elektronických součástek, včetně modulů bezdrátového přenosu energie.
• ConvenientPower (Čína): Vyvíjí řešení bezdrátového nabíjení pro různé aplikace, včetně spotřební elektroniky a automobilového průmyslu.
• Xiaomi (Čína): Demonstrovala technologii bezdrátového nabíjení na dálku pro smartphony.

Závěr

Bezdrátový přenos energie je rychle se vyvíjející technologie s potenciálem revolučně změnit způsob, jakým napájíme naše zařízení a systémy. Od spotřební elektroniky přes elektrická vozidla až po zdravotnické prostředky, WPT nachází uplatnění v široké škále průmyslových odvětví. I když zůstávají problémy z hlediska účinnosti, dosahu, bezpečnosti a nákladů, probíhající výzkum a vývoj dláždí cestu pro budoucnost, kde bude bezdrátové napájení všudypřítomné a plynule integrované do našich životů. Globální povaha technologických inovací zajišťuje neustálý pokrok a přijímání těchto technologií napříč různými trhy a aplikacemi.