חשמל אלחוטי: העברה אלקטרומגנטית - סקירה גלובלית

העברת חשמל אלחוטית (WPT), הידועה גם כהעברת אנרגיה אלחוטית (WET) או טעינה אלחוטית, היא העברת אנרגיה חשמלית ללא שימוש בחוטים כקישור פיזי. טכנולוגיה זו מסתמכת על שדות אלקטרומגנטיים להעברת אנרגיה בין משדר למקלט על פני מרחק. בעוד שהרעיון קיים למעלה ממאה שנה, התקדמות טכנולוגית הופכת כעת את ה-WPT לפתרון מעשי ונפוץ יותר ויותר במגוון תעשיות ברחבי העולם.

הבנת העברה אלקטרומגנטית

העברה אלקטרומגנטית כוללת מספר שיטות, המחולקות באופן כללי לשני סוגים: טכניקות שדה קרוב וטכניקות שדה רחוק.

העברת חשמל בשדה קרוב

העברת חשמל בשדה קרוב, הידועה גם כהעברה לא-קרינתית, פועלת במרחקים הדומים לאורך הגל של השדה האלקטרומגנטי או קטנים ממנו. הטכניקות העיקריות כוללות:

• צימוד השראותי: זוהי השיטה הנפוצה ביותר, המשתמשת בשני סלילים—משדר ומקלט—ליצירת שדה מגנטי. כאשר סליל המקלט ממוקם בתוך השדה המגנטי שנוצר על ידי סליל המשדר, מושרה חשמל בסליל המקלט. חשבו על עמדות טעינה של מברשות שיניים חשמליות או משטחי טעינה אלחוטיים לסמארטפונים כדוגמאות יומיומיות. היעילות של צימוד השראותי פוחתת במהירות עם הגדלת המרחק.
• צימוד השראותי תהודתי: שיטה זו משפרת את היעילות והטווח של צימוד השראותי על ידי כוונון סלילי המשדר והמקלט לתהודה באותו התדר. הדבר יוצר שדה מגנטי חזק יותר ומאפשר העברת אנרגיה יעילה יותר על פני מרחק מעט גדול יותר. שיטה זו משמשת בחלק ממערכות הטעינה האלחוטית לכלי רכב חשמליים. דוגמה מהעולם האמיתי כוללת חברות החוקרות ומיישמות טעינה השראותית תהודתית לאוטובוסים בסביבות עירוניות, המאפשרת להם להיטען בתחנות אוטובוס.

העברת חשמל בשדה רחוק

העברת חשמל בשדה רחוק, הידועה גם כהעברה קרינתית, פועלת במרחקים גדולים משמעותית מאורך הגל של השדה האלקטרומגנטי. הטכניקות העיקריות כוללות:

• העברת חשמל במיקרוגל: שיטה זו משתמשת במיקרוגלים להעברת אנרגיה למרחקים ארוכים. היא דורשת משדר להמרת חשמל למיקרוגלים ומקלט (רקטנה) להמרת המיקרוגלים בחזרה לחשמל. העברת חשמל במיקרוגל נחקרת ליישומים כמו הפעלת חיישנים מרוחקים או אפילו העברת אנרגיה מתחנות כוח סולאריות בחלל לכדור הארץ. דוגמה למחקר בתחום זה היא העבודה המתמשכת על כוח סולארי מבוסס חלל על ידי סוכנויות חלל שונות וחברות פרטיות.
• קצירת אנרגיית תדרי רדיו (RF): טכניקה זו אוספת וממירה גלי רדיו סביבתיים (למשל, מנתבי Wi-Fi, מגדלי סלולר ואותות שידור) לאנרגיה חשמלית שמישה. כמות האנרגיה הנקצרת היא בדרך כלל קטנה, אך היא יכולה להספיק להפעלת מכשירים בעלי צריכת חשמל נמוכה כמו חיישנים או אלקטרוניקה לבישה. דוגמאות כוללות חיישנים בבניינים חכמים המופעלים על ידי אנרגיית RF סביבתית.
• העברת חשמל בלייזר: שיטה זו משתמשת בלייזרים להעברת חשמל באופן אלחוטי. קרן לייזר מכוונת לתא פוטו-וולטאי, הממיר את האור לחשמל. העברת חשמל בלייזר משמשת ביישומים נישתיים כמו הפעלת רחפנים או רובוטים מרחוק.

טכנולוגיות ורכיבים מרכזיים

מספר טכנולוגיות ורכיבים מרכזיים חיוניים ליישום מערכות העברת חשמל אלחוטית:

• סלילי משדר: סלילים אלה יוצרים את השדה האלקטרומגנטי הנדרש להעברת אנרגיה. הם מתוכננים בקפידה כדי למטב את היעילות ולמזער הפסדים. עיצובי סלילים שונים משמשים לצימוד השראותי ולצימוד השראותי תהודתי.
• סלילי מקלט: סלילים אלה קולטים את האנרגיה האלקטרומגנטית וממירים אותה בחזרה לאנרגיה חשמלית. עיצובם חיוני גם הוא להעברת אנרגיה יעילה.
• אלקטרוניקת הספק: מעגלי אלקטרוניקת הספק משמשים לשליטה בזרימת ההספק, ויסות מתח וזרם, והבטחת המרת אנרגיה יעילה. מעגלים אלה כוללים ממירים, מיישרים וממירי DC-DC.
• מערכות בקרה: מערכות בקרה מנטרות את תהליך העברת האנרגיה, מתאימות את פרמטרי הפעולה ומבטיחות פעולה בטוחה ואמינה. הן עשויות לכלול חיישנים, מיקרו-בקרים וממשקי תקשורת.
• חומרי מיגון: חומרי מיגון משמשים להכיל את השדה האלקטרומגנטי ולמנוע הפרעות למכשירים אלקטרוניים אחרים. הם גם עוזרים להפחית פליטות אלקטרומגנטיות ולהבטיח עמידה בתקנות בטיחות.

יישומים של העברת חשמל אלחוטית

העברת חשמל אלחוטית מוצאת יישומים במגוון רחב של תעשיות ומגזרים:

מוצרי צריכה אלקטרוניים

זהו אחד היישומים הבולטים ביותר של WPT. סמארטפונים, שעונים חכמים, אוזניות אלחוטיות ומוצרי צריכה אלקטרוניים אחרים מאמצים יותר ויותר יכולות טעינה אלחוטית. תקן ה-Qi הוא התקן הנפוץ ביותר לטעינה אלחוטית של מכשירים ניידים. איקאה, למשל, משלבת מטעני Qi ברהיטים.

כלי רכב חשמליים (EVs)

טעינה אלחוטית לכלי רכב חשמליים צוברת תאוצה כחלופה נוחה ויעילה לטעינה המסורתית באמצעות כבל. ניתן להטמיע משטחי טעינה אלחוטיים בכבישים או במקומות חניה, ולאפשר לכלי רכב חשמליים להיטען אוטומטית בזמן חניה או אפילו תוך כדי נסיעה (טעינה דינמית). חברות כמו WiTricity מפתחות ומרשות טכנולוגיית טעינה אלחוטית לכלי רכב חשמליים. תוכניות פיילוט לטעינה אלחוטית של אוטובוסים חשמליים מתקיימות בערים שונות ברחבי העולם.

מכשור רפואי

העברת חשמל אלחוטית מאפשרת אפשרויות חדשות למכשור רפואי, במיוחד למכשירים מושתלים כמו קוצבי לב, משאבות אינסולין ושתלים עצביים. טעינה אלחוטית מבטלת את הצורך בסוללות, ומפחיתה את הסיכון לזיהומים וסיבוכים הקשורים להחלפת סוללות. חברות מפתחות מערכות טעינה אלחוטיות לשתלי שבלול ולמכשור רפואי אחר.

יישומים תעשייתיים

WPT משמש בסביבות תעשייתיות להפעלת חיישנים, רובוטים וציוד אחר בסביבות קשות או בלתי נגישות. העברת חשמל אלחוטית יכולה לבטל את הצורך בחוטים וכבלים, ולשפר את הבטיחות, האמינות והגמישות. דוגמאות כוללות הפעלת חיישנים במפעלי ייצור וטעינת רובוטים במחסנים. חברות פורסות פתרונות חשמל אלחוטיים לאוטומציה של טעינת רכבים מונחים אוטומטיים (AGV).

אינטרנט של הדברים (IoT)

העברת חשמל אלחוטית מאפשרת פריסה של מכשירי IoT בעלי צריכת חשמל נמוכה במקומות מרוחקים או היכן שאין חשמל קווי זמין. ניתן להשתמש בקצירת אנרגיית RF להפעלת חיישנים, מפעילים ומכשירי IoT אחרים, מה שמאפשר מגוון רחב של יישומים בערים חכמות, חקלאות וניטור סביבתי. לדוגמה, חיישנים אלחוטיים המנטרים תנאי קרקע בשדות חקלאיים מרוחקים יכולים להיות מופעלים על ידי קצירת אנרגיית RF.

תעופה וחלל וביטחון

WPT נחקר ליישומים בתעופה וחלל וביטחון, כגון הפעלת רחפנים, רובוטים וחיישנים בפעולות צבאיות. ניתן להשתמש בהעברת חשמל בלייזר להפעלת רחפנים מתחנת בסיס מרוחקת, ולהאריך את זמן הטיסה והטווח שלהם. מחקר מתבצע על שימוש בהעברת חשמל במיקרוגל להפעלת לוויינים במסלול.

יתרונות של העברת חשמל אלחוטית

העברת חשמל אלחוטית מציעה מספר יתרונות על פני מערכות חשמל קוויות מסורתיות:

• נוחות: טעינה אלחוטית מבטלת את הצורך בכבלים ומחברים, והופכת את הטעינה לנוחה וידידותית יותר למשתמש.
• בטיחות: העברת חשמל אלחוטית יכולה לשפר את הבטיחות על ידי ביטול חוטים ומחברים חשופים, ולהפחית את הסיכון להתחשמלות ושריפות.
• אמינות: העברת חשמל אלחוטית יכולה לשפר את האמינות על ידי ביטול הצורך בחיבורים פיזיים, העלולים להיות חשופים לבלאי.
• גמישות: העברת חשמל אלחוטית יכולה לספק גמישות רבה יותר במיקום המכשיר ובשימוש בו, ולאפשר טעינת מכשירים במקומות מרוחקים או בלתי נגישים.
• חיסכון בעלויות: העברת חשמל אלחוטית יכולה להפחית עלויות על ידי ביטול הצורך בכבלים, מחברים והחלפת סוללות.
• אסתטיקה: פתרונות טעינה אלחוטית תורמים לעיצובים נקיים ומודרניים יותר על ידי הסרת כבלים נראים לעין.

אתגרים ושיקולים

למרות יתרונותיה הרבים, העברת חשמל אלחוטית מתמודדת גם עם מספר אתגרים:

• יעילות: היעילות של העברת חשמל אלחוטית נמוכה בדרך כלל מזו של העברת חשמל קווית, עקב הפסדים בשדה האלקטרומגנטי ובתהליך המרת האנרגיה. שיפור היעילות הוא תחום מפתח במחקר ופיתוח.
• טווח: הטווח של העברת חשמל אלחוטית מוגבל על ידי עוצמת השדה האלקטרומגנטי. לטכניקות שדה קרוב יש טווח קצר יותר מאשר לטכניקות שדה רחוק.
• בטיחות: חשיפה לשדות אלקטרומגנטיים יכולה לעורר חששות בטיחותיים. נדרשים תקנים ותקנות כדי להבטיח שמערכות העברת חשמל אלחוטית פועלות בגבולות בטוחים. הוועדה הבינלאומית להגנה מפני קרינה בלתי מייננת (ICNIRP) קובעת הנחיות לחשיפה לשדה אלקטרומגנטי.
• הפרעות: מערכות העברת חשמל אלחוטית עלולות להפריע למכשירים אלקטרוניים אחרים, במיוחד לאלה הפועלים בתדרים דומים. נדרשות טכניקות מיגון וסינון כדי למזער הפרעות.
• עלות: העלות של מערכות העברת חשמל אלחוטית יכולה להיות גבוהה יותר מזו של מערכות חשמל קוויות, במיוחד עבור טכניקות שדה רחוק. הפחתת עלויות חיונית לאימוץ נרחב.
• תקינה: היעדר תקנים אוניברסליים מעכב יכולת פעולה הדדית ואימוץ גלובלי. תקן ה-Qi לטעינה השראותית הוא יוצא דופן בולט.

תקנים ותקנות גלובליים

מספר ארגונים בינלאומיים מפתחים תקנים ותקנות להעברת חשמל אלחוטית כדי להבטיח בטיחות, יכולת פעולה הדדית ותאימות. אלה כוללים:

• תקן Qi: פותח על ידי קונסורציום החשמל האלחוטי (WPC), Qi הוא התקן הנפוץ ביותר לטעינה אלחוטית השראותית.
• AirFuel Alliance: ארגון זה מפתח תקנים להעברת חשמל אלחוטית השראותית תהודתית ובתדרי רדיו (RF).
• הוועדה הבינלאומית לאלקטרוטכניקה (IEC): ה-IEC מפתח תקנים לתאימות אלקטרומגנטית ובטיחות.
• הוועדה הבינלאומית להגנה מפני קרינה בלתי מייננת (ICNIRP): ארגון זה קובע הנחיות לחשיפה לשדה אלקטרומגנטי.
• ועדת התקשורת הפדרלית (FCC) (ארה"ב): מסדירה התקני תדרי רדיו וקובעת מגבלות על פליטות אלקטרומגנטיות.
• המכון האירופי לתקני תקשורת (ETSI) (אירופה): מפתח תקנים לטלקומוניקציה וטכנולוגיות אלחוטיות.

מגמות עתידיות בהעברת חשמל אלחוטית

עתיד העברת החשמל האלחוטית נראה מבטיח, עם מספר מגמות מתפתחות הצפויות לעצב את התעשייה:

• יעילות מוגברת: חוקרים פועלים לשיפור היעילות של מערכות העברת חשמל אלחוטית באמצעות חומרים חדשים, עיצובי מעגלים ואלגוריתמי בקרה.
• טווח ארוך יותר: התקדמות בטכניקות שדה רחוק מאפשרת העברת חשמל אלחוטית למרחקים ארוכים יותר, ופותחת יישומים חדשים בתעופה וחלל, ביטחון ואוטומציה תעשייתית.
• טעינה דינמית: טעינה אלחוטית דינמית לכלי רכב חשמליים צפויה להפוך נפוצה יותר, ולאפשר לכלי רכב להיטען תוך כדי נסיעה.
• מזעור: מזעור רכיבי העברת חשמל אלחוטית מאפשר שילובם במכשירים קטנים וניידים יותר.
• טעינת מכשירים מרובים: משטחי טעינה אלחוטיים שיכולים לטעון מספר מכשירים בו-זמנית הופכים נפוצים יותר ויותר.
• רשתות חשמל אלחוטיות: נחקר פיתוח של רשתות חשמל אלחוטיות שיכולות להפיץ אנרגיה ברחבי בניין או אזור.
• קצירת אנרגיה ממקורות סביבתיים: טכנולוגיות קצירת אנרגיה יעילות יותר יאפשרו הפעלת מכשירים מגלי רדיו סביבתיים ומקורות סביבתיים אחרים.

דוגמאות לחברות המחדשות בתחום החשמל האלחוטי

חברות רבות ברחבי העולם פורצות את גבולות טכנולוגיית החשמל האלחוטי. הנה כמה דוגמאות:

• WiTricity (ארה"ב): חברה מובילה בטכנולוגיית טעינה אלחוטית לכלי רכב חשמליים.
• Energous (ארה"ב): מפתחת את WattUp, טכנולוגיה להעברת חשמל אלחוטית מבוססת RF.
• Ossia (ארה"ב): מתמקדת ב-Cota Real Wireless Power, המספקת חשמל למרחק באמצעות גלי רדיו.
• Powermat Technologies (ישראל): מספקת פתרונות טעינה אלחוטית למקומות ציבוריים ולמוצרי צריכה אלקטרוניים.
• Humavox (ישראל): מתמחה בטעינה אלחוטית בשדה קרוב למכשירים קטנים כמו לבישים ומכשירי שמיעה.
• NuCurrent (ארה"ב): מתכננת ומייצרת סלילי ומערכות חשמל אלחוטי.
• Murata Manufacturing (יפן): מובילה עולמית ברכיבים אלקטרוניים, כולל מודולים להעברת חשמל אלחוטית.
• ConvenientPower (סין): מפתחת פתרונות טעינה אלחוטית ליישומים שונים, כולל מוצרי צריכה אלקטרוניים ורכב.
• Xiaomi (סין): הדגימה טכנולוגיית טעינה אלחוטית באוויר (over-the-air) לסמארטפונים.

סיכום

העברת חשמל אלחוטית היא טכנולוגיה המתפתחת במהירות עם פוטנציאל לחולל מהפכה בדרך שבה אנו מפעילים את המכשירים והמערכות שלנו. ממוצרי צריכה אלקטרוניים ועד כלי רכב חשמליים ומכשור רפואי, WPT מוצאת יישומים במגוון רחב של תעשיות. בעוד שנותרו אתגרים במונחים של יעילות, טווח, בטיחות ועלות, מחקר ופיתוח מתמשכים סוללים את הדרך לעתיד שבו חשמל אלחוטי יהיה נפוץ ומשולב באופן חלק בחיינו. האופי הגלובלי של חדשנות טכנולוגית מבטיח התקדמות ואימוץ מתמשכים של טכנולוגיות אלה בשווקים וביישומים מגוונים.