वायरलेस पावर: इलेक्ट्रोमैग्नेटिक ट्रांसफर - एक वैश्विक अवलोकन

वायरलेस पावर ट्रांसफर (WPT), जिसे वायरलेस एनर्जी ट्रांसफर (WET) या वायरलेस चार्जिंग के रूप में भी जाना जाता है, एक भौतिक लिंक के रूप में तारों के बिना विद्युत ऊर्जा का संचरण है। यह तकनीक एक ट्रांसमीटर और एक रिसीवर के बीच दूरी पर ऊर्जा स्थानांतरित करने के लिए विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों पर निर्भर करती है। जबकि यह अवधारणा एक सदी से भी अधिक समय से है, प्रौद्योगिकी में प्रगति अब WPT को विश्व स्तर पर विभिन्न उद्योगों में एक व्यावहारिक और तेजी से सर्वव्यापी समाधान बना रही है।

विद्युत चुम्बकीय स्थानांतरण को समझना

विद्युत चुम्बकीय स्थानांतरण में कई विधियाँ शामिल हैं, जिन्हें मोटे तौर पर दो प्रकारों में वर्गीकृत किया गया है: निकट-क्षेत्र और दूर-क्षेत्र तकनीकें।

निकट-क्षेत्र विद्युत स्थानांतरण

निकट-क्षेत्र विद्युत स्थानांतरण, जिसे गैर-विकिरण स्थानांतरण के रूप में भी जाना जाता है, विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की तरंग दैर्ध्य के बराबर या उससे छोटी दूरी पर संचालित होता है। प्राथमिक तकनीकों में शामिल हैं:

• इंडक्टिव कपलिंग: यह सबसे आम तरीका है, जिसमें चुंबकीय क्षेत्र बनाने के लिए दो कॉइल - एक ट्रांसमीटर और एक रिसीवर - का उपयोग किया जाता है। जब रिसीवर कॉइल को ट्रांसमीटर कॉइल द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र के भीतर रखा जाता है, तो रिसीवर कॉइल में बिजली प्रेरित होती है। इलेक्ट्रिक टूथब्रश चार्जिंग डॉक या स्मार्टफोन वायरलेस चार्जिंग पैड को रोजमर्रा के उदाहरणों के रूप में सोचें। इंडक्टिव कपलिंग की दक्षता बढ़ती दूरी के साथ तेजी से घटती है।
• रेज़ोनेंट इंडक्टिव कपलिंग: यह विधि ट्रांसमीटर और रिसीवर दोनों कॉइल को एक ही आवृत्ति पर गुंजयमान करने के लिए ट्यून करके इंडक्टिव कपलिंग की दक्षता और सीमा में सुधार करती है। यह एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र बनाता है और थोड़ी बड़ी दूरी पर अधिक कुशल ऊर्जा हस्तांतरण की अनुमति देता है। इसका उपयोग इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए कुछ वायरलेस चार्जिंग सिस्टम में किया जाता है। एक वास्तविक दुनिया के उदाहरण में शहरी वातावरण में बसों के लिए गुंजयमान इंडक्टिव चार्जिंग पर शोध और कार्यान्वयन करने वाली कंपनियां शामिल हैं, जिससे वे बस स्टॉप पर चार्ज कर पाती हैं।

दूर-क्षेत्र विद्युत स्थानांतरण

दूर-क्षेत्र विद्युत स्थानांतरण, जिसे विकिरण स्थानांतरण के रूप में भी जाना जाता है, विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की तरंग दैर्ध्य से काफी बड़ी दूरी पर संचालित होता है। प्राथमिक तकनीकों में शामिल हैं:

• माइक्रोवेव पावर ट्रांसफर: यह विधि लंबी दूरी पर ऊर्जा संचारित करने के लिए माइक्रोवेव का उपयोग करती है। इसके लिए बिजली को माइक्रोवेव में बदलने के लिए एक ट्रांसमीटर और माइक्रोवेव को वापस बिजली में बदलने के लिए एक रिसीवर (रेक्टेना) की आवश्यकता होती है। माइक्रोवेव पावर ट्रांसफर का उपयोग रिमोट सेंसर को पावर देने या यहां तक कि अंतरिक्ष-आधारित सौर ऊर्जा स्टेशनों से पृथ्वी पर ऊर्जा संचारित करने जैसे अनुप्रयोगों के लिए किया जा रहा है। इस क्षेत्र में अनुसंधान का एक उदाहरण विभिन्न अंतरिक्ष एजेंसियों और निजी कंपनियों द्वारा अंतरिक्ष-आधारित सौर ऊर्जा पर चल रहा काम है।
• रेडियो फ़्रीक्वेंसी (RF) ऊर्जा संचयन: यह तकनीक परिवेशी रेडियो तरंगों (जैसे, वाई-फाई राउटर, सेलुलर टावर और प्रसारण सिग्नल) को एकत्र करती है और उन्हें उपयोग करने योग्य विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती है। संचित ऊर्जा की मात्रा आमतौर पर छोटी होती है, लेकिन यह कम-शक्ति वाले उपकरणों जैसे सेंसर या पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स को बिजली देने के लिए पर्याप्त हो सकती है। उदाहरणों में स्मार्ट इमारतों में परिवेशी RF ऊर्जा द्वारा संचालित सेंसर शामिल हैं।
• लेज़र पावर ट्रांसफर: यह विधि वायरलेस तरीके से बिजली संचारित करने के लिए लेज़रों का उपयोग करती है। एक लेज़र बीम को एक फोटोवोल्टिक सेल पर निर्देशित किया जाता है, जो प्रकाश को बिजली में परिवर्तित करता है। लेज़र पावर ट्रांसफर का उपयोग ड्रोन या रोबोट को दूर से पावर देने जैसे विशिष्ट अनुप्रयोगों में किया जाता है।

मुख्य प्रौद्योगिकियां और घटक

वायरलेस पावर ट्रांसफर सिस्टम को लागू करने के लिए कई प्रमुख प्रौद्योगिकियां और घटक आवश्यक हैं:

• ट्रांसमीटर कॉइल: ये कॉइल ऊर्जा हस्तांतरण के लिए आवश्यक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं। उन्हें दक्षता को अनुकूलित करने और नुकसान को कम करने के लिए सावधानीपूर्वक डिज़ाइन किया गया है। इंडक्टिव और रेज़ोनेंट इंडक्टिव कपलिंग के लिए अलग-अलग कॉइल डिज़ाइन का उपयोग किया जाता है।
• रिसीवर कॉइल: ये कॉइल विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा को पकड़ते हैं और इसे वापस विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। उनका डिज़ाइन भी कुशल ऊर्जा हस्तांतरण के लिए महत्वपूर्ण है।
• पावर इलेक्ट्रॉनिक्स: पावर इलेक्ट्रॉनिक सर्किट का उपयोग बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करने, वोल्टेज और करंट को विनियमित करने और कुशल ऊर्जा रूपांतरण सुनिश्चित करने के लिए किया जाता है। इन सर्किट में इन्वर्टर, रेक्टिफायर और डीसी-डीसी कन्वर्टर शामिल हैं।
• नियंत्रण प्रणाली: नियंत्रण प्रणाली ऊर्जा हस्तांतरण प्रक्रिया की निगरानी करती है, ऑपरेटिंग पैरामीटर को समायोजित करती है और सुरक्षित और विश्वसनीय संचालन सुनिश्चित करती है। इनमें सेंसर, माइक्रो कंट्रोलर और संचार इंटरफेस शामिल हो सकते हैं।
• शील्डिंग सामग्री: परिरक्षण सामग्री का उपयोग विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र को समाहित करने और अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के साथ हस्तक्षेप को रोकने के लिए किया जाता है। वे विद्युत चुम्बकीय उत्सर्जन को कम करने और सुरक्षा नियमों का अनुपालन सुनिश्चित करने में भी मदद करते हैं।

वायरलेस पावर ट्रांसफर के अनुप्रयोग

वायरलेस पावर ट्रांसफर उद्योगों और क्षेत्रों की एक विस्तृत श्रृंखला में अनुप्रयोगों को खोज रहा है:

उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स

यह WPT के सबसे दृश्यमान अनुप्रयोगों में से एक है। स्मार्टफोन, स्मार्टवॉच, वायरलेस ईयरबड्स और अन्य उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स तेजी से वायरलेस चार्जिंग क्षमताओं को अपना रहे हैं। Qi मानक मोबाइल उपकरणों की वायरलेस चार्जिंग के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला मानक है। उदाहरण के लिए, Ikea फर्नीचर में Qi चार्जर को एकीकृत करता है।

इलेक्ट्रिक वाहन (EV)

पारंपरिक प्लग-इन चार्जिंग के सुविधाजनक और कुशल विकल्प के रूप में EV के लिए वायरलेस चार्जिंग गति पकड़ रही है। वायरलेस चार्जिंग पैड को सड़कों या पार्किंग स्थलों में एम्बेड किया जा सकता है, जिससे EV को पार्क करते समय या यहां तक कि ड्राइविंग करते समय (डायनेमिक चार्जिंग) स्वचालित रूप से चार्ज किया जा सकता है। WiTricity जैसी कंपनियां EV के लिए वायरलेस चार्जिंग तकनीक विकसित और लाइसेंस कर रही हैं। दुनिया भर के विभिन्न शहरों में इलेक्ट्रिक बसों को वायरलेस तरीके से चार्ज करने के लिए पायलट कार्यक्रम चल रहे हैं।

चिकित्सा उपकरण

वायरलेस पावर ट्रांसफर चिकित्सा उपकरणों, विशेष रूप से प्रत्यारोपण योग्य उपकरणों जैसे पेसमेकर, इंसुलिन पंप और तंत्रिका प्रत्यारोपण के लिए नई संभावनाओं को सक्षम कर रहा है। वायरलेस चार्जिंग बैटरी की आवश्यकता को समाप्त करती है, जिससे बैटरी प्रतिस्थापन से जुड़े संक्रमणों और जटिलताओं का खतरा कम हो जाता है। कंपनियां कोक्लीयर इम्प्लांट और अन्य चिकित्सा उपकरणों के लिए वायरलेस चार्जिंग सिस्टम विकसित कर रही हैं।

औद्योगिक अनुप्रयोग

WPT का उपयोग औद्योगिक सेटिंग्स में सेंसर, रोबोट और अन्य उपकरणों को कठोर या दुर्गम वातावरण में संचालित करने के लिए किया जा रहा है। वायरलेस पावर ट्रांसफर तारों और केबलों की आवश्यकता को समाप्त कर सकता है, जिससे सुरक्षा, विश्वसनीयता और लचीलापन में सुधार होता है। उदाहरणों में विनिर्माण संयंत्रों में सेंसर को बिजली देना और गोदामों में रोबोट को चार्ज करना शामिल है। कंपनियां AGV (स्वचालित निर्देशित वाहन) की चार्जिंग को स्वचालित करने के लिए वायरलेस पावर समाधान तैनात कर रही हैं।

इंटरनेट ऑफ़ थिंग्स (IoT)

वायरलेस पावर ट्रांसफर दूरस्थ स्थानों में या जहां वायर्ड पावर उपलब्ध नहीं है, कम-शक्ति वाले IoT उपकरणों की तैनाती को सक्षम कर रहा है। RF ऊर्जा संचयन का उपयोग स्मार्ट शहरों, कृषि और पर्यावरण निगरानी में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला को सक्षम करते हुए, सेंसर, एक्चुएटर और अन्य IoT उपकरणों को बिजली देने के लिए किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, दूरस्थ कृषि क्षेत्रों में मिट्टी की स्थिति की निगरानी करने वाले वायरलेस सेंसर को RF ऊर्जा संचयन द्वारा संचालित किया जा सकता है।

एयरोस्पेस और रक्षा

WPT का उपयोग एयरोस्पेस और रक्षा में अनुप्रयोगों के लिए किया जा रहा है, जैसे कि सैन्य अभियानों में ड्रोन, रोबोट और सेंसर को बिजली देना। लेज़र पावर ट्रांसफर का उपयोग ड्रोन को एक दूरस्थ बेस स्टेशन से पावर देने के लिए किया जा सकता है, जिससे उनका उड़ान समय और रेंज बढ़ जाती है। कक्षा में उपग्रहों को पावर देने के लिए माइक्रोवेव पावर ट्रांसफर का उपयोग करने पर शोध किया जा रहा है।

वायरलेस पावर ट्रांसफर के लाभ

वायरलेस पावर ट्रांसफर पारंपरिक वायर्ड पावर सिस्टम पर कई फायदे प्रदान करता है:

• सुविधा: वायरलेस चार्जिंग केबलों और कनेक्टर्स की आवश्यकता को समाप्त करता है, जिससे चार्जिंग अधिक सुविधाजनक और उपयोगकर्ता के अनुकूल हो जाती है।
• सुरक्षा: वायरलेस पावर ट्रांसफर उजागर तारों और कनेक्टर्स को समाप्त करके सुरक्षा में सुधार कर सकता है, जिससे बिजली के झटकों और आग लगने का खतरा कम हो जाता है।
• विश्वसनीयता: वायरलेस पावर ट्रांसफर भौतिक कनेक्शन की आवश्यकता को समाप्त करके विश्वसनीयता में सुधार कर सकता है, जो पहनने और आंसू की चपेट में आ सकते हैं।
• लचीलापन: वायरलेस पावर ट्रांसफर डिवाइस प्लेसमेंट और उपयोग में अधिक लचीलापन प्रदान कर सकता है, जिससे उपकरणों को दूरस्थ या दुर्गम स्थानों पर चार्ज किया जा सकता है।
• लागत बचत: वायरलेस पावर ट्रांसफर केबलों, कनेक्टर्स और बैटरी प्रतिस्थापन की आवश्यकता को समाप्त करके लागत कम कर सकता है।
• सौंदर्यशास्त्र: वायरलेस चार्जिंग समाधान दृश्यमान डोरियों को हटाकर क्लीनर और अधिक आधुनिक डिज़ाइन में योगदान करते हैं।

चुनौतियां और विचार

अपने कई लाभों के बावजूद, वायरलेस पावर ट्रांसफर को कई चुनौतियों का भी सामना करना पड़ता है:

• दक्षता: विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र और ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रिया में नुकसान के कारण वायरलेस पावर ट्रांसफर की दक्षता आमतौर पर वायर्ड पावर ट्रांसफर की तुलना में कम होती है। दक्षता में सुधार अनुसंधान और विकास का एक महत्वपूर्ण क्षेत्र है।
• रेंज: वायरलेस पावर ट्रांसफर की रेंज विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की ताकत से सीमित है। निकट-क्षेत्र तकनीकों की तुलना में दूर-क्षेत्र तकनीकों की सीमा कम होती है।
• सुरक्षा: विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के संपर्क में आने से सुरक्षा संबंधी चिंताएं बढ़ सकती हैं। यह सुनिश्चित करने के लिए मानकों और विनियमों की आवश्यकता है कि वायरलेस पावर ट्रांसफर सिस्टम सुरक्षित सीमाओं के भीतर काम करें। गैर-आयनीकरण विकिरण संरक्षण पर अंतर्राष्ट्रीय आयोग (ICNIRP) विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के जोखिम के लिए दिशानिर्देश निर्धारित करता है।
• हस्तक्षेप: वायरलेस पावर ट्रांसफर सिस्टम अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं, विशेष रूप से समान आवृत्तियों पर काम करने वाले उपकरणों के साथ। हस्तक्षेप को कम करने के लिए परिरक्षण और फ़िल्टरिंग तकनीकों की आवश्यकता होती है।
• लागत: वायरलेस पावर ट्रांसफर सिस्टम की लागत वायर्ड पावर सिस्टम की तुलना में अधिक हो सकती है, खासकर दूर-क्षेत्र तकनीकों के लिए। व्यापक रूप से अपनाने के लिए लागत को कम करना आवश्यक है।
• मानकीकरण: सार्वभौमिक मानकों की कमी अंतर-क्षमता और वैश्विक अपनाने में बाधा डालती है। इंडक्टिव चार्जिंग के लिए Qi मानक एक उल्लेखनीय अपवाद है।

वैश्विक मानक और विनियम

सुरक्षा, अंतर-क्षमता और संगतता सुनिश्चित करने के लिए कई अंतर्राष्ट्रीय संगठन वायरलेस पावर ट्रांसफर के लिए मानक और विनियम विकसित कर रहे हैं। इनमें शामिल हैं:

• Qi मानक: वायरलेस पावर कंसोर्टियम (WPC) द्वारा विकसित, Qi इंडक्टिव वायरलेस चार्जिंग के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला मानक है।
• एयरफ्यूल एलायंस: यह संगठन गुंजयमान इंडक्टिव और RF वायरलेस पावर ट्रांसफर के लिए मानक विकसित करता है।
• अंतर्राष्ट्रीय इलेक्ट्रोटेक्निकल कमीशन (IEC): IEC विद्युत चुम्बकीय संगतता और सुरक्षा के लिए मानक विकसित करता है।
• गैर-आयनीकरण विकिरण संरक्षण पर अंतर्राष्ट्रीय आयोग (ICNIRP): यह संगठन विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के जोखिम के लिए दिशानिर्देश निर्धारित करता है।
• फेडरल कम्युनिकेशंस कमीशन (FCC) (US): रेडियो फ़्रीक्वेंसी उपकरणों को विनियमित करता है और विद्युत चुम्बकीय उत्सर्जन पर सीमाएं निर्धारित करता है।
• यूरोपीय दूरसंचार मानक संस्थान (ETSI) (यूरोप): दूरसंचार और वायरलेस तकनीकों के लिए मानक विकसित करता है।

वायरलेस पावर ट्रांसफर में भविष्य के रुझान

वायरलेस पावर ट्रांसफर का भविष्य आशाजनक दिखता है, कई उभरते रुझानों के साथ उद्योग को आकार देने की उम्मीद है:

• बढ़ी हुई दक्षता: शोधकर्ता नई सामग्री, सर्किट डिज़ाइन और नियंत्रण एल्गोरिदम के माध्यम से वायरलेस पावर ट्रांसफर सिस्टम की दक्षता में सुधार करने पर काम कर रहे हैं।
• लंबी रेंज: दूर-क्षेत्र तकनीकों में प्रगति एयरोस्पेस, रक्षा और औद्योगिक स्वचालन में नए अनुप्रयोगों को खोलते हुए लंबी दूरी पर वायरलेस पावर ट्रांसफर को सक्षम कर रही है।
• डायनेमिक चार्जिंग: इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए डायनेमिक वायरलेस चार्जिंग के अधिक प्रचलित होने की उम्मीद है, जिससे EV को ड्राइविंग करते समय चार्ज किया जा सकता है।
• लघुकरण: वायरलेस पावर ट्रांसफर घटकों का लघुकरण छोटे और अधिक पोर्टेबल उपकरणों में एकीकरण को सक्षम कर रहा है।
• मल्टी-डिवाइस चार्जिंग: वायरलेस चार्जिंग पैड जो एक साथ कई डिवाइस को चार्ज कर सकते हैं, तेजी से आम होते जा रहे हैं।
• वायरलेस पावर नेटवर्क: वायरलेस पावर नेटवर्क का विकास जो पूरे भवन या क्षेत्र में ऊर्जा वितरित कर सकता है, का पता लगाया जा रहा है।
• परिवेश स्रोतों से ऊर्जा संचयन: अधिक कुशल ऊर्जा संचयन प्रौद्योगिकियां परिवेश रेडियो तरंगों और अन्य पर्यावरणीय स्रोतों से उपकरणों को बिजली देने की अनुमति देंगी।

वायरलेस पावर में नवाचार करने वाली कंपनियों के उदाहरण

विश्व स्तर पर कई कंपनियां वायरलेस पावर तकनीक की सीमाओं को आगे बढ़ा रही हैं। यहाँ कुछ उदाहरण दिए गए हैं:

• WiTricity (USA): इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए वायरलेस चार्जिंग तकनीक में एक अग्रणी कंपनी।
• Energous (USA): RF-आधारित वायरलेस पावर ट्रांसफर के लिए एक तकनीक WattUp विकसित करता है।
• Ossia (USA): Cota रियल वायरलेस पावर पर ध्यान केंद्रित किया गया है, जो रेडियो तरंगों का उपयोग करके दूरी पर बिजली पहुंचाता है।
• Powermat Technologies (Israel): सार्वजनिक स्थानों और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए वायरलेस चार्जिंग समाधान प्रदान करता है।
• Humavox (Israel): पहनने योग्य और हियरिंग एड जैसे छोटे उपकरणों के लिए नियर-फील्ड वायरलेस चार्जिंग में माहिर है।
• NuCurrent (USA): वायरलेस पावर कॉइल और सिस्टम डिज़ाइन और बनाती है।
• Murata Manufacturing (Japan): वायरलेस पावर ट्रांसफर मॉड्यूल सहित इलेक्ट्रॉनिक घटकों में एक वैश्विक नेता।
• ConvenientPower (China): उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स और ऑटोमोटिव सहित विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए वायरलेस चार्जिंग समाधान विकसित करता है।
• Xiaomi (China): स्मार्टफोन के लिए ओवर-द-एयर वायरलेस चार्जिंग तकनीक का प्रदर्शन किया है।

निष्कर्ष

वायरलेस पावर ट्रांसफर एक तेजी से विकसित हो रही तकनीक है जिसमें हमारे उपकरणों और सिस्टम को बिजली देने के तरीके में क्रांति लाने की क्षमता है। उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स से लेकर इलेक्ट्रिक वाहनों से लेकर चिकित्सा उपकरणों तक, WPT उद्योगों की एक विस्तृत श्रृंखला में अनुप्रयोगों को खोज रहा है। जबकि दक्षता, रेंज, सुरक्षा और लागत के मामले में चुनौतियाँ बनी हुई हैं, चल रहे अनुसंधान और विकास एक ऐसे भविष्य का मार्ग प्रशस्त कर रहे हैं जहाँ वायरलेस पावर सर्वव्यापी है और हमारे जीवन में निर्बाध रूप से एकीकृत है। तकनीकी नवाचार की वैश्विक प्रकृति विविध बाजारों और अनुप्रयोगों में इन तकनीकों की निरंतर उन्नति और अपनाने को सुनिश्चित करती है।