Bežični prijenos energije: Elektromagnetski prijenos - Globalni pregled

Bežični prijenos energije (WPT), također poznat kao bežični prijenos energije (WET) ili bežično punjenje, je prijenos električne energije bez žica kao fizičke veze. Ova se tehnologija oslanja na elektromagnetska polja za prijenos energije između odašiljača i prijemnika na određenoj udaljenosti. Iako je koncept prisutan već više od jednog stoljeća, napredak u tehnologiji sada čini WPT praktičnim i sveprisutnijim rješenjem u raznim industrijama širom svijeta.

Razumijevanje elektromagnetskog prijenosa

Elektromagnetski prijenos obuhvaća nekoliko metoda, koje se općenito dijele u dvije vrste: tehnike bliskog i dalekog polja.

Prijenos energije bliskog polja

Prijenos energije bliskog polja, također poznat kao neradijativni prijenos, djeluje na udaljenostima usporedivim s valnom duljinom elektromagnetskog polja ili manjim od nje. Primarne tehnike uključuju:

• Induktivno spajanje: Ovo je najčešća metoda, koja koristi dvije zavojnice—odašiljač i prijemnik—za stvaranje magnetskog polja. Kada se prijemna zavojnica postavi unutar magnetskog polja koje generira odašiljačka zavojnica, u prijemnoj se zavojnici inducira elektricitet. Razmislite o priključnim stanicama za punjenje električnih četkica za zube ili podlogama za bežično punjenje pametnih telefona kao svakodnevnim primjerima. Učinkovitost induktivnog spajanja brzo se smanjuje s povećanjem udaljenosti.
• Rezonantno induktivno spajanje: Ova metoda poboljšava učinkovitost i domet induktivnog spajanja podešavanjem zavojnica odašiljača i prijemnika da rezoniraju na istoj frekvenciji. To stvara jače magnetsko polje i omogućuje učinkovitiji prijenos energije na nešto većoj udaljenosti. To se koristi u nekim sustavima bežičnog punjenja za električna vozila. Primjer iz stvarnog svijeta uključuje tvrtke koje istražuju i implementiraju rezonantno induktivno punjenje za autobuse u urbanim sredinama, omogućujući im punjenje na autobusnim stanicama.

Prijenos energije dalekog polja

Prijenos energije dalekog polja, također poznat kao radijativni prijenos, djeluje na udaljenostima znatno većim od valne duljine elektromagnetskog polja. Primarne tehnike uključuju:

• Prijenos energije mikrovalovima: Ova metoda koristi mikrovalove za prijenos energije na veće udaljenosti. Zahtijeva odašiljač za pretvaranje električne energije u mikrovalove i prijemnik (rectenna) za pretvaranje mikrovalova natrag u električnu energiju. Prijenos energije mikrovalovima istražuje se za primjene kao što je napajanje udaljenih senzora ili čak prijenos energije iz solarnih elektrana u svemiru na Zemlju. Primjer istraživanja u ovom području je tekući rad na solarnoj energiji u svemiru od strane različitih svemirskih agencija i privatnih tvrtki.
• Prikupljanje radiofrekvencijske (RF) energije: Ova tehnika prikuplja i pretvara ambijentalne radio valove (npr. od Wi-Fi usmjerivača, mobilnih tornjeva i signala emitiranja) u uporabljivu električnu energiju. Količina prikupljene energije obično je mala, ali može biti dovoljna za napajanje uređaja male snage kao što su senzori ili nosiva elektronika. Primjeri uključuju senzore u pametnim zgradama koje napaja ambijentalna RF energija.
• Prijenos energije laserom: Ova metoda koristi lasere za bežični prijenos energije. Laserska zraka usmjerena je na fotonaponsku ćeliju, koja pretvara svjetlost u električnu energiju. Prijenos energije laserom koristi se u nišnim aplikacijama kao što je daljinsko napajanje dronova ili robota.

Ključne tehnologije i komponente

Nekoliko je ključnih tehnologija i komponenti bitno za implementaciju sustava bežičnog prijenosa energije:

• Zavojnice odašiljača: Ove zavojnice generiraju elektromagnetsko polje potrebno za prijenos energije. Pažljivo su dizajnirane za optimizaciju učinkovitosti i smanjenje gubitaka. Različiti dizajni zavojnica koriste se za induktivno i rezonantno induktivno spajanje.
• Zavojnice prijemnika: Ove zavojnice hvataju elektromagnetsku energiju i pretvaraju je natrag u električnu energiju. Njihov je dizajn također ključan za učinkovit prijenos energije.
• Elektronika snage: Elektronički sklopovi snage koriste se za kontrolu protoka snage, reguliranje napona i struje te osiguravanje učinkovite pretvorbe energije. Ovi sklopovi uključuju pretvarače, ispravljače i DC-DC pretvarače.
• Upravljački sustavi: Upravljački sustavi nadziru proces prijenosa energije, prilagođavaju radne parametre i osiguravaju siguran i pouzdan rad. Mogu uključivati senzore, mikrokontrolere i komunikacijska sučelja.
• Materijali za zaštitu: Materijali za zaštitu koriste se za zadržavanje elektromagnetskog polja i sprječavanje smetnji s drugim elektroničkim uređajima. Oni također pomažu u smanjenju elektromagnetskih emisija i osiguravaju usklađenost sa sigurnosnim propisima.

Primjene bežičnog prijenosa energije

Bežični prijenos energije pronalazi primjenu u širokom rasponu industrija i sektora:

Potrošačka elektronika

Ovo je jedna od najvidljivijih primjena WPT-a. Pametni telefoni, pametni satovi, bežične slušalice i druga potrošačka elektronika sve više usvajaju mogućnosti bežičnog punjenja. Qi standard je najčešće korišteni standard za bežično punjenje mobilnih uređaja. Ikea, na primjer, integrira Qi punjače u namještaj.

Električna vozila (EV)

Bežično punjenje za električna vozila dobiva na popularnosti kao praktična i učinkovita alternativa tradicionalnom punjenju putem utikača. Podloge za bežično punjenje mogu se ugraditi u ceste ili parkirna mjesta, omogućujući električnim vozilima da se automatski pune dok su parkirana ili čak tijekom vožnje (dinamičko punjenje). Tvrtke poput WiTricity razvijaju i licenciraju tehnologiju bežičnog punjenja za električna vozila. Pilot programi za bežično punjenje električnih autobusa provode se u raznim gradovima diljem svijeta.

Medicinski uređaji

Bežični prijenos energije omogućuje nove mogućnosti za medicinske uređaje, posebno implantabilne uređaje kao što su srčani stimulatori, inzulinske pumpe i neuralni implantati. Bežično punjenje eliminira potrebu za baterijama, smanjujući rizik od infekcija i komplikacija povezanih s zamjenama baterija. Tvrtke razvijaju sustave bežičnog punjenja za kohlearne implantate i druge medicinske uređaje.

Industrijske primjene

WPT se koristi u industrijskim okruženjima za napajanje senzora, robota i druge opreme u teškim ili nepristupačnim okruženjima. Bežični prijenos energije može eliminirati potrebu za žicama i kablovima, poboljšavajući sigurnost, pouzdanost i fleksibilnost. Primjeri uključuju napajanje senzora u proizvodnim pogonima i punjenje robota u skladištima. Tvrtke primjenjuju rješenja bežičnog napajanja za automatizaciju punjenja AGV-ova (Automated Guided Vehicles).

Internet stvari (IoT)

Bežični prijenos energije omogućuje postavljanje IoT uređaja male snage na udaljenim lokacijama ili gdje žično napajanje nije dostupno. Prikupljanje RF energije može se koristiti za napajanje senzora, aktuatora i drugih IoT uređaja, omogućujući širok raspon primjena u pametnim gradovima, poljoprivredi i nadzoru okoliša. Na primjer, bežični senzori koji nadziru uvjete tla u udaljenim poljoprivrednim poljima mogu se napajati prikupljanjem RF energije.

Zrakoplovstvo i obrana

WPT se istražuje za primjene u zrakoplovstvu i obrani, kao što je napajanje dronova, robota i senzora u vojnim operacijama. Prijenos energije laserom može se koristiti za napajanje dronova s udaljene bazne stanice, produljujući njihovo vrijeme leta i domet. Istraživanja se provode o korištenju prijenosa energije mikrovalovima za napajanje satelita u orbiti.

Prednosti bežičnog prijenosa energije

Bežični prijenos energije nudi nekoliko prednosti u odnosu na tradicionalne žičane sustave napajanja:

• Praktičnost: Bežično punjenje eliminira potrebu za kablovima i konektorima, čineći punjenje praktičnijim i jednostavnijim za korištenje.
• Sigurnost: Bežični prijenos energije može poboljšati sigurnost uklanjanjem izloženih žica i konektora, smanjujući rizik od električnih udara i požara.
• Pouzdanost: Bežični prijenos energije može poboljšati pouzdanost uklanjanjem potrebe za fizičkim vezama, koje su sklone trošenju.
• Fleksibilnost: Bežični prijenos energije može pružiti veću fleksibilnost u postavljanju i korištenju uređaja, omogućujući punjenje uređaja na udaljenim ili nepristupačnim lokacijama.
• Ušteda troškova: Bežični prijenos energije može smanjiti troškove uklanjanjem potrebe za kablovima, konektorima i zamjenama baterija.
• Estetika: Rješenja za bežično punjenje doprinose čišćim i modernijim dizajnima uklanjanjem vidljivih kabela.

Izazovi i razmatranja

Unatoč mnogim prednostima, bežični prijenos energije također se suočava s nekoliko izazova:

• Učinkovitost: Učinkovitost bežičnog prijenosa energije obično je niža od one žičanog prijenosa energije, zbog gubitaka u elektromagnetskom polju i procesu pretvorbe energije. Poboljšanje učinkovitosti ključno je područje istraživanja i razvoja.
• Domet: Domet bežičnog prijenosa energije ograničen je snagom elektromagnetskog polja. Tehnike bliskog polja imaju kraći domet od tehnika dalekog polja.
• Sigurnost: Izloženost elektromagnetskim poljima može izazvati sigurnosne probleme. Potrebni su standardi i propisi kako bi se osiguralo da sustavi bežičnog prijenosa energije rade unutar sigurnih granica. Međunarodna komisija za zaštitu od neionizirajućeg zračenja (ICNIRP) postavlja smjernice za izloženost elektromagnetskim poljima.
• Smetnje: Sustavi bežičnog prijenosa energije mogu ometati druge elektroničke uređaje, posebno one koji rade na sličnim frekvencijama. Potrebne su tehnike zaštite i filtriranja kako bi se smanjile smetnje.
• Trošak: Trošak sustava bežičnog prijenosa energije može biti veći od onog žičanih sustava napajanja, posebno za tehnike dalekog polja. Smanjenje troškova ključno je za široko rasprostranjeno usvajanje.
• Standardizacija: Nedostatak univerzalnih standarda ometa interoperabilnost i globalno usvajanje. Qi standard za induktivno punjenje je značajna iznimka.

Globalni standardi i propisi

Nekoliko međunarodnih organizacija razvija standarde i propise za bežični prijenos energije kako bi se osigurala sigurnost, interoperabilnost i kompatibilnost. To uključuje:

• Qi standard: Razvijen od strane Wireless Power Consortium (WPC), Qi je najčešće korišteni standard za induktivno bežično punjenje.
• AirFuel Alliance: Ova organizacija razvija standarde za rezonantni induktivni i RF bežični prijenos energije.
• Međunarodna elektrotehnička komisija (IEC): IEC razvija standarde za elektromagnetsku kompatibilnost i sigurnost.
• Međunarodna komisija za zaštitu od neionizirajućeg zračenja (ICNIRP): Ova organizacija postavlja smjernice za izloženost elektromagnetskim poljima.
• Federal Communications Commission (FCC) (SAD): Regulira radiofrekvencijske uređaje i postavlja ograničenja elektromagnetskih emisija.
• European Telecommunications Standards Institute (ETSI) (Europa): Razvija standarde za telekomunikacije i bežične tehnologije.

Budući trendovi u bežičnom prijenosu energije

Budućnost bežičnog prijenosa energije izgleda obećavajuće, s nekoliko novih trendova koji će oblikovati industriju:

• Povećana učinkovitost: Istraživači rade na poboljšanju učinkovitosti sustava bežičnog prijenosa energije putem novih materijala, dizajna sklopova i upravljačkih algoritama.
• Veći domet: Napredak u tehnikama dalekog polja omogućuje bežični prijenos energije na veće udaljenosti, otvarajući nove primjene u zrakoplovstvu, obrani i industrijskoj automatizaciji.
• Dinamičko punjenje: Očekuje se da će dinamičko bežično punjenje za električna vozila postati sve raširenije, omogućujući električnim vozilima da se pune tijekom vožnje.
• Minijaturizacija: Minijaturizacija komponenti bežičnog prijenosa energije omogućuje integraciju u manje i prenosivije uređaje.
• Punjenje više uređaja: Podloge za bežično punjenje koje mogu istovremeno puniti više uređaja postaju sve češće.
• Mreže bežičnog napajanja: Istražuje se razvoj mreža bežičnog napajanja koje mogu distribuirati energiju po zgradi ili području.
• Prikupljanje energije iz ambijentalnih izvora: Učinkovitije tehnologije prikupljanja energije omogućit će napajanje uređaja iz ambijentalnih radio valova i drugih izvora iz okoliša.

Primjeri tvrtki koje inoviraju u bežičnoj energiji

Brojne tvrtke diljem svijeta pomiču granice tehnologije bežične energije. Evo nekoliko primjera:

• WiTricity (SAD): Vodeća tvrtka u tehnologiji bežičnog punjenja za električna vozila.
• Energous (SAD): Razvija WattUp, tehnologiju za bežični prijenos energije na temelju RF-a.
• Ossia (SAD): Usredotočen na Cota Real Wireless Power, koji isporučuje energiju na daljinu pomoću radio valova.
• Powermat Technologies (Izrael): Pruža rješenja za bežično punjenje za javna mjesta i potrošačku elektroniku.
• Humavox (Izrael): Specijaliziran za bežično punjenje bliskog polja za male uređaje poput nosivih uređaja i slušnih pomagala.
• NuCurrent (SAD): Dizajnira i proizvodi zavojnice i sustave za bežičnu energiju.
• Murata Manufacturing (Japan): Globalni lider u elektroničkim komponentama, uključujući module za bežični prijenos energije.
• ConvenientPower (Kina): Razvija rješenja za bežično punjenje za različite primjene, uključujući potrošačku elektroniku i automobilsku industriju.
• Xiaomi (Kina): Demonstrirao je tehnologiju bežičnog punjenja za pametne telefone putem zraka.

Zaključak

Bežični prijenos energije je tehnologija koja se brzo razvija i ima potencijal revolucionirati način na koji napajamo naše uređaje i sustave. Od potrošačke elektronike do električnih vozila do medicinskih uređaja, WPT pronalazi primjenu u širokom rasponu industrija. Iako izazovi ostaju u smislu učinkovitosti, dometa, sigurnosti i troškova, tekuća istraživanja i razvoj utiru put budućnosti u kojoj je bežična energija sveprisutna i besprijekorno integrirana u naše živote. Globalna priroda tehnoloških inovacija osigurava kontinuirani napredak i usvajanje ovih tehnologija na različitim tržištima i aplikacijama.