Trådløs strøm: Elektromagnetisk overførsel - Et globalt overblik

Trådløs strømoverførsel (WPT), også kendt som trådløs energioverførsel (WET) eller trådløs opladning, er transmission af elektrisk energi uden ledninger som en fysisk forbindelse. Denne teknologi er afhængig af elektromagnetiske felter til at overføre energi mellem en sender og en modtager over en afstand. Selvom konceptet har eksisteret i over et århundrede, gør fremskridt inden for teknologi nu WPT til en praktisk og stadig mere allestedsnærværende løsning på tværs af forskellige industrier globalt.

Forståelse af elektromagnetisk overførsel

Elektromagnetisk overførsel omfatter flere metoder, der bredt kan opdeles i to typer: nær-felt og fjern-felt teknikker.

Nær-felt strømoverførsel

Nær-felt strømoverførsel, også kendt som ikke-radiativ overførsel, opererer ved afstande, der kan sammenlignes med eller er mindre end bølgelængden af det elektromagnetiske felt. De primære teknikker omfatter:

• Induktiv kobling: Dette er den mest almindelige metode, der bruger to spoler - en sender og en modtager - til at skabe et magnetfelt. Når modtagerspolen er placeret inden for det magnetfelt, der genereres af senderspolen, induceres elektricitet i modtagerspolen. Tænk på elektriske tandbørsteopladningsstationer eller smartphones trådløse opladningsplader som hverdags eksempler. Effektiviteten af induktiv kobling falder hurtigt med stigende afstand.
• Resonant induktiv kobling: Denne metode forbedrer effektiviteten og rækkevidden af induktiv kobling ved at tune både sender- og modtagerspolerne til at resonere ved samme frekvens. Dette skaber et stærkere magnetfelt og giver mulighed for mere effektiv energioverførsel over en lidt større afstand. Dette bruges i nogle trådløse opladningssystemer til elektriske køretøjer. Et eksempel fra den virkelige verden omfatter virksomheder, der undersøger og implementerer resonant induktiv opladning til busser i bymiljøer, hvilket giver dem mulighed for at oplade ved busstoppesteder.

Fjern-felt strømoverførsel

Fjern-felt strømoverførsel, også kendt som radiativ overførsel, opererer ved afstande, der er væsentligt større end bølgelængden af det elektromagnetiske felt. De primære teknikker omfatter:

• Mikrobølgekraftoverførsel: Denne metode bruger mikrobølger til at transmittere energi over længere afstande. Det kræver en sender til at konvertere elektricitet til mikrobølger og en modtager (rectenna) til at konvertere mikrobølgerne tilbage til elektricitet. Mikrobølgekraftoverførsel undersøges til applikationer som f.eks. strømforsyning til fjerntliggende sensorer eller endda transmission af energi fra rumbaserede solenergistationer til Jorden. Et eksempel på forskning inden for dette område er det igangværende arbejde med rumbaseret solenergi af forskellige rumagenturer og private virksomheder.
• Radiofrekvens (RF) Energihøstning: Denne teknik opsamler og konverterer omgivende radiobølger (f.eks. fra Wi-Fi-routere, mobilmaster og broadcast-signaler) til brugbar elektrisk energi. Mængden af energi, der høstes, er typisk lille, men den kan være tilstrækkelig til at drive lavenergibesparende enheder som sensorer eller bærbar elektronik. Eksempler omfatter sensorer i smarte bygninger, der drives af omgivende RF-energi.
• Laser kraftoverførsel: Denne metode bruger lasere til at transmittere strøm trådløst. En laserstråle rettes mod en fotovoltaisk celle, som konverterer lyset til elektricitet. Laser kraftoverførsel bruges i nicheapplikationer som f.eks. strømforsyning af droner eller robotter eksternt.

Nøgle teknologier og komponenter

Flere nøgleteknologier og komponenter er afgørende for implementering af trådløse strømoverførselssystemer:

• Senderspoler: Disse spoler genererer det elektromagnetiske felt, der kræves til energioverførsel. De er omhyggeligt designet til at optimere effektiviteten og minimere tab. Forskellige spole designs bruges til induktiv og resonant induktiv kobling.
• Modtagerspoler: Disse spoler fanger den elektromagnetiske energi og konverterer den tilbage til elektrisk energi. Deres design er også afgørende for effektiv energioverførsel.
• Effektelektronik: Effektelektroniske kredsløb bruges til at kontrollere strømmen, regulere spænding og strøm og sikre effektiv energiomdannelse. Disse kredsløb omfatter invertere, ensrettere og DC-DC konvertere.
• Kontrolsystemer: Kontrolsystemer overvåger energioverførselsprocessen, justerer driftsparametrene og sikrer sikker og pålidelig drift. De kan omfatte sensorer, mikrocontrollere og kommunikationsgrænseflader.
• Afskærmningsmaterialer: Afskærmningsmaterialer bruges til at indeholde det elektromagnetiske felt og forhindre interferens med andre elektroniske enheder. De hjælper også med at reducere elektromagnetiske emissioner og sikre overholdelse af sikkerhedsforskrifterne.

Anvendelser af trådløs strømoverførsel

Trådløs strømoverførsel finder anvendelse i en bred vifte af industrier og sektorer:

Forbrugerelektronik

Dette er en af de mest synlige anvendelser af WPT. Smartphones, smartwatches, trådløse ørepropper og anden forbrugerelektronik vedtager i stigende grad trådløse opladningsfunktioner. Qi-standarden er den mest udbredte standard for trådløs opladning af mobile enheder. Ikea integrerer f.eks. Qi-opladere i møbler.

Elektriske køretøjer (EV'er)

Trådløs opladning til elbiler vinder frem som et praktisk og effektivt alternativ til traditionel plug-in opladning. Trådløse opladningsplader kan indlejres i veje eller parkeringspladser, så elbiler kan oplade automatisk, mens de er parkeret eller endda under kørsel (dynamisk opladning). Virksomheder som WiTricity udvikler og licenserer trådløs opladningsteknologi til elbiler. Pilotprogrammer til trådløs opladning af elektriske busser er i gang i forskellige byer rundt om i verden.

Medicinsk udstyr

Trådløs strømoverførsel muliggør nye muligheder for medicinsk udstyr, især implanterbart udstyr såsom pacemakere, insulinpumper og neurale implantater. Trådløs opladning eliminerer behovet for batterier, hvilket reducerer risikoen for infektioner og komplikationer forbundet med batteriudskiftninger. Virksomheder udvikler trådløse opladningssystemer til cochleaimplantater og andet medicinsk udstyr.

Industrielle applikationer

WPT bruges i industrielle omgivelser til at drive sensorer, robotter og andet udstyr i barske eller utilgængelige miljøer. Trådløs strømoverførsel kan eliminere behovet for ledninger og kabler, hvilket forbedrer sikkerhed, pålidelighed og fleksibilitet. Eksempler omfatter strømforsyning af sensorer i produktionsanlæg og opladning af robotter på lagre. Virksomheder implementerer trådløse strømløsninger til at automatisere opladning af AGV'er (Automated Guided Vehicles).

Internet of Things (IoT)

Trådløs strømoverførsel muliggør implementering af lavenergibesparende IoT-enheder på fjerntliggende steder, eller hvor kablet strøm ikke er tilgængelig. RF-energihøstning kan bruges til at drive sensorer, aktuatorer og andre IoT-enheder, hvilket muliggør en bred vifte af applikationer i smarte byer, landbrug og miljøovervågning. For eksempel kan trådløse sensorer, der overvåger jordforhold i fjerntliggende landbrugsmarker, drives af RF-energihøstning.

Luftfart og forsvar

WPT undersøges til applikationer inden for luftfart og forsvar, såsom strømforsyning af droner, robotter og sensorer i militære operationer. Laser kraftoverførsel kan bruges til at drive droner fra en fjernbase station, hvilket forlænger deres flyvetid og rækkevidde. Forskning udføres i brugen af mikrobølgekraftoverførsel til at drive satellitter i kredsløb.

Fordele ved trådløs strømoverførsel

Trådløs strømoverførsel giver flere fordele i forhold til traditionelle kablede strømsystemer:

• Bekvemmelighed: Trådløs opladning eliminerer behovet for kabler og stik, hvilket gør opladningen mere bekvem og brugervenlig.
• Sikkerhed: Trådløs strømoverførsel kan forbedre sikkerheden ved at eliminere blottede ledninger og stik, hvilket reducerer risikoen for elektriske stød og brande.
• Pålidelighed: Trådløs strømoverførsel kan forbedre pålideligheden ved at eliminere behovet for fysiske forbindelser, som kan være tilbøjelige til slid.
• Fleksibilitet: Trådløs strømoverførsel kan give større fleksibilitet i placering og brug af enheder, hvilket giver mulighed for, at enheder kan oplades på fjerntliggende eller utilgængelige steder.
• Omkostningsbesparelser: Trådløs strømoverførsel kan reducere omkostningerne ved at eliminere behovet for kabler, stik og batteriudskiftninger.
• Æstetik: Trådløse opladningsløsninger bidrager til renere og mere moderne designs ved at fjerne synlige ledninger.

Udfordringer og overvejelser

På trods af sine mange fordele står trådløs strømoverførsel også over for flere udfordringer:

• Effektivitet: Effektiviteten af trådløs strømoverførsel er typisk lavere end for kablet strømoverførsel på grund af tab i det elektromagnetiske felt og energiomdannelsesprocessen. Forbedring af effektiviteten er et centralt område for forskning og udvikling.
• Rækkevidde: Rækkevidden af trådløs strømoverførsel er begrænset af styrken af det elektromagnetiske felt. Nær-felt teknikker har en kortere rækkevidde end fjern-felt teknikker.
• Sikkerhed: Eksponering for elektromagnetiske felter kan give anledning til sikkerhedsmæssige betænkeligheder. Standarder og regler er nødvendige for at sikre, at trådløse strømoverførselssystemer fungerer inden for sikre grænser. Den Internationale Kommission for Ikke-Ioniserende Strålingsbeskyttelse (ICNIRP) fastsætter retningslinjer for eksponering for elektromagnetiske felter.
• Interferens: Trådløse strømoverførselssystemer kan forstyrre andre elektroniske enheder, især dem, der opererer ved lignende frekvenser. Afskærmning og filtreringsteknikker er nødvendige for at minimere interferens.
• Omkostninger: Omkostningerne ved trådløse strømoverførselssystemer kan være højere end for kablede strømsystemer, især for fjern-felt teknikker. Reduktion af omkostningerne er afgørende for udbredt anvendelse.
• Standardisering: Manglen på universelle standarder hæmmer interoperabilitet og global vedtagelse. Qi-standarden for induktiv opladning er en bemærkelsesværdig undtagelse.

Globale standarder og regler

Flere internationale organisationer udvikler standarder og regler for trådløs strømoverførsel for at sikre sikkerhed, interoperabilitet og kompatibilitet. Disse omfatter:

• Qi Standard: Udviklet af Wireless Power Consortium (WPC), Qi er den mest udbredte standard for induktiv trådløs opladning.
• AirFuel Alliance: Denne organisation udvikler standarder for resonant induktiv og RF trådløs strømoverførsel.
• International Electrotechnical Commission (IEC): IEC udvikler standarder for elektromagnetisk kompatibilitet og sikkerhed.
• International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP): Denne organisation fastsætter retningslinjer for eksponering for elektromagnetiske felter.
• Federal Communications Commission (FCC) (US): Regulerer radiofrekvensenheder og sætter grænser for elektromagnetiske emissioner.
• European Telecommunications Standards Institute (ETSI) (Europa): Udvikler standarder for telekommunikation og trådløse teknologier.

Fremtidige tendenser inden for trådløs strømoverførsel

Fremtiden for trådløs strømoverførsel ser lovende ud, med flere nye tendenser, der forventes at forme industrien:

• Øget effektivitet: Forskere arbejder på at forbedre effektiviteten af trådløse strømoverførselssystemer gennem nye materialer, kredsløbsdesign og kontrolalgoritmer.
• Længere rækkevidde: Fremskridt inden for fjern-felt teknikker muliggør trådløs strømoverførsel over længere afstande, hvilket åbner op for nye applikationer inden for luftfart, forsvar og industriel automatisering.
• Dynamisk opladning: Dynamisk trådløs opladning til elektriske køretøjer forventes at blive mere udbredt, hvilket giver elbiler mulighed for at oplade under kørsel.
• Miniaturisering: Miniaturisering af trådløse strømoverførselskomponenter muliggør integration i mindre og mere bærbare enheder.
• Opladning af flere enheder: Trådløse opladningsplader, der samtidigt kan oplade flere enheder, bliver mere og mere almindelige.
• Trådløse strømnetværk: Udviklingen af trådløse strømnetværk, der kan distribuere energi i en bygning eller et område, undersøges.
• Energihøstning fra omgivende kilder: Mere effektive energihøstningsteknologier vil muliggøre strømforsyning af enheder fra omgivende radiobølger og andre miljømæssige kilder.

Eksempler på virksomheder, der innoverer inden for trådløs strøm

Talrige virksomheder globalt flytter grænserne for trådløs strømteknologi. Her er et par eksempler:

• WiTricity (USA): En førende virksomhed inden for trådløs opladningsteknologi til elektriske køretøjer.
• Energous (USA): Udvikler WattUp, en teknologi til RF-baseret trådløs strømoverførsel.
• Ossia (USA): Fokuseret på Cota Real Wireless Power, som leverer strøm over afstand ved hjælp af radiobølger.
• Powermat Technologies (Israel): Leverer trådløse opladningsløsninger til offentlige steder og forbrugerelektronik.
• Humavox (Israel): Specialiseret i nær-felt trådløs opladning til små enheder som wearables og høreapparater.
• NuCurrent (USA): Designer og fremstiller trådløse strømspoler og systemer.
• Murata Manufacturing (Japan): En global leder inden for elektroniske komponenter, herunder trådløse strømoverførselsmoduler.
• ConvenientPower (Kina): Udvikler trådløse opladningsløsninger til forskellige applikationer, herunder forbrugerelektronik og biler.
• Xiaomi (Kina): Har demonstreret over-the-air trådløs opladningsteknologi til smartphones.

Konklusion

Trådløs strømoverførsel er en hurtigt udviklende teknologi med potentiale til at revolutionere den måde, vi forsyner vores enheder og systemer med strøm på. Fra forbrugerelektronik til elektriske køretøjer til medicinsk udstyr finder WPT anvendelse i en bred vifte af industrier. Selvom der fortsat er udfordringer med hensyn til effektivitet, rækkevidde, sikkerhed og omkostninger, baner igangværende forskning og udvikling vejen for en fremtid, hvor trådløs strøm er allestedsnærværende og problemfrit integreret i vores liv. Den globale karakter af teknologisk innovation sikrer fortsat fremskridt og vedtagelse af disse teknologier på tværs af forskellige markeder og applikationer.