Trådløs strøm: Elektromagnetisk overføring - en global oversikt

Trådløs strømoverføring (WPT), også kjent som trådløs energioverføring (WET) eller trådløs lading, er overføring av elektrisk energi uten ledninger som en fysisk kobling. Denne teknologien baserer seg på elektromagnetiske felt for å overføre energi mellom en sender og en mottaker over en avstand. Selv om konseptet har eksistert i over et århundre, gjør teknologiske fremskritt nå WPT til en praktisk og stadig mer utbredt løsning i ulike bransjer globalt.

Forståelse av elektromagnetisk overføring

Elektromagnetisk overføring omfatter flere metoder, grovt kategorisert i to typer: nærfelts- og fjernfeltsteknikker.

Nærfelts strømoverføring

Nærfelts strømoverføring, også kjent som ikke-radiativ overføring, opererer på avstander som er sammenlignbare med eller mindre enn bølgelengden til det elektromagnetiske feltet. De primære teknikkene inkluderer:

Induktiv kobling: Dette er den vanligste metoden, som bruker to spoler – en sender og en mottaker – for å skape et magnetfelt. Når mottakerspolen plasseres innenfor magnetfeltet generert av senderspolen, induseres elektrisitet i mottakerspolen. Tenk på ladestasjoner for elektriske tannbørster eller trådløse ladeputer for smarttelefoner som hverdagslige eksempler. Effektiviteten til induktiv kobling avtar raskt med økende avstand.
Resonant induktiv kobling: Denne metoden forbedrer effektiviteten og rekkevidden til induktiv kobling ved å justere både sender- og mottakerspolene til å resonere på samme frekvens. Dette skaper et sterkere magnetfelt og tillater mer effektiv energioverføring over en litt større avstand. Dette brukes i noen trådløse ladesystemer for elektriske kjøretøy. Et eksempel fra den virkelige verden inkluderer selskaper som forsker på og implementerer resonant induktiv lading for busser i bymiljøer, slik at de kan lade på bussholdeplasser.

Fjernfelts strømoverføring

Fjernfelts strømoverføring, også kjent som radiativ overføring, opererer på avstander som er betydelig større enn bølgelengden til det elektromagnetiske feltet. De primære teknikkene inkluderer:

Mikrobølgekraftoverføring: Denne metoden bruker mikrobølger for å overføre energi over lengre avstander. Det krever en sender for å konvertere elektrisitet til mikrobølger og en mottaker (rectenna) for å konvertere mikrobølgene tilbake til elektrisitet. Mikrobølgekraftoverføring utforskes for applikasjoner som å drive fjerntliggende sensorer eller til og med overføre energi fra rombaserte solkraftstasjoner til jorden. Et eksempel på forskning på dette området er det pågående arbeidet med rombasert solenergi av ulike romfartsorganisasjoner og private selskaper.
Radiofrekvens (RF) energihøsting: Denne teknikken samler inn og konverterer omgivende radiobølger (f.eks. fra Wi-Fi-rutere, mobilmaster og kringkastingssignaler) til brukbar elektrisk energi. Mengden energi som høstes er vanligvis liten, men den kan være tilstrekkelig til å drive lavstrømsenheter som sensorer eller bærbar elektronikk. Eksempler inkluderer sensorer i smarte bygninger som drives av omgivende RF-energi.
Laserkraftoverføring: Denne metoden bruker lasere for å overføre strøm trådløst. En laserstråle rettes mot en fotovoltaisk celle, som konverterer lyset til elektrisitet. Laserkraftoverføring brukes i nisjeapplikasjoner som å drive droner eller roboter på avstand.

Nøkkelteknologier og komponenter

Flere nøkkelteknologier og komponenter er essensielle for å implementere systemer for trådløs strømoverføring:

Senderspoler: Disse spolene genererer det elektromagnetiske feltet som kreves for energioverføring. De er nøye utformet for å optimalisere effektiviteten og minimere tap. Ulike spoledesign brukes for induktiv og resonant induktiv kobling.
Mottakerspoler: Disse spolene fanger opp den elektromagnetiske energien og konverterer den tilbake til elektrisk energi. Deres design er også avgjørende for effektiv energioverføring.
Kraftelektronikk: Kraftelektroniske kretser brukes til å kontrollere strømflyten, regulere spenning og strøm, og sikre effektiv energikonvertering. Disse kretsene inkluderer vekselrettere, likerettere og DC-DC-omformere.
Kontrollsystemer: Kontrollsystemer overvåker energioverføringsprosessen, justerer driftsparametere og sikrer trygg og pålitelig drift. De kan inkludere sensorer, mikrokontrollere og kommunikasjonsgrensesnitt.
Skjermingsmaterialer: Skjermingsmaterialer brukes til å begrense det elektromagnetiske feltet og forhindre forstyrrelser med andre elektroniske enheter. De bidrar også til å redusere elektromagnetiske utslipp og sikre samsvar med sikkerhetsforskrifter.

Anvendelser av trådløs strømoverføring

Trådløs strømoverføring finner anvendelse i et bredt spekter av bransjer og sektorer:

Forbrukerelektronikk

Dette er en av de mest synlige anvendelsene av WPT. Smarttelefoner, smartklokker, trådløse ørepropper og annen forbrukerelektronikk tar i økende grad i bruk trådløse lademuligheter. Qi-standarden er den mest utbredte standarden for trådløs lading av mobile enheter. Ikea integrerer for eksempel Qi-ladere i møbler.

Elektriske kjøretøy (EV)

Trådløs lading for elbiler blir stadig mer populært som et praktisk og effektivt alternativ til tradisjonell lading med kabel. Trådløse ladeputer kan bygges inn i veier eller parkeringsplasser, slik at elbiler kan lade automatisk mens de er parkert eller til og med under kjøring (dynamisk lading). Selskaper som WiTricity utvikler og lisensierer trådløs ladeteknologi for elbiler. Pilotprogrammer for trådløs lading av elektriske busser pågår i ulike byer rundt om i verden.

Medisinsk utstyr

Trådløs strømoverføring muliggjør nye muligheter for medisinsk utstyr, spesielt implanterbart utstyr som pacemakere, insulinpumper og nevrale implantater. Trådløs lading eliminerer behovet for batterier, noe som reduserer risikoen for infeksjoner og komplikasjoner forbundet med batteribytter. Selskaper utvikler trådløse ladesystemer for cochleaimplantater og annet medisinsk utstyr.

Industrielle anvendelser

WPT brukes i industrielle miljøer for å drive sensorer, roboter og annet utstyr i tøffe eller utilgjengelige omgivelser. Trådløs strømoverføring kan eliminere behovet for ledninger og kabler, noe som forbedrer sikkerhet, pålitelighet og fleksibilitet. Eksempler inkluderer å drive sensorer i produksjonsanlegg og lade roboter i varehus. Selskaper implementerer trådløse strømløsninger for å automatisere lading av AGV-er (automatiserte styrte kjøretøy).

Tingenes internett (IoT)

Trådløs strømoverføring muliggjør utplassering av lav-effekts IoT-enheter på fjerntliggende steder eller der kablet strøm ikke er tilgjengelig. RF-energihøsting kan brukes til å drive sensorer, aktuatorer og andre IoT-enheter, noe som muliggjør et bredt spekter av applikasjoner i smarte byer, landbruk og miljøovervåking. For eksempel kan trådløse sensorer som overvåker jordforhold på avsidesliggende landbruksfelt drives av RF-energihøsting.

Luftfart og forsvar

WPT utforskes for applikasjoner innen luftfart og forsvar, som for eksempel å drive droner, roboter og sensorer i militære operasjoner. Laserkraftoverføring kan brukes til å drive droner fra en ekstern basestasjon, noe som utvider flytiden og rekkevidden deres. Forskning pågår for å bruke mikrobølgekraftoverføring til å drive satellitter i bane.

Fordeler med trådløs strømoverføring

Trådløs strømoverføring gir flere fordeler sammenlignet med tradisjonelle kablede strømsystemer:

Bekvemmelighet: Trådløs lading eliminerer behovet for kabler og kontakter, noe som gjør lading mer praktisk og brukervennlig.
Sikkerhet: Trådløs strømoverføring kan forbedre sikkerheten ved å eliminere eksponerte ledninger og kontakter, noe som reduserer risikoen for elektriske støt og branner.
Pålitelighet: Trådløs strømoverføring kan forbedre påliteligheten ved å eliminere behovet for fysiske tilkoblinger, som kan være utsatt for slitasje.
Fleksibilitet: Trådløs strømoverføring kan gi større fleksibilitet i plassering og bruk av enheter, slik at enheter kan lades på fjerntliggende eller utilgjengelige steder.
Kostnadsbesparelser: Trådløs strømoverføring kan redusere kostnadene ved å eliminere behovet for kabler, kontakter og batteribytter.
Estetikk: Trådløse ladeløsninger bidrar til renere og mer moderne design ved å fjerne synlige ledninger.

Utfordringer og hensyn

Til tross for de mange fordelene, står trådløs strømoverføring også overfor flere utfordringer:

Effektivitet: Effektiviteten til trådløs strømoverføring er vanligvis lavere enn for kablet strømoverføring, på grunn av tap i det elektromagnetiske feltet og energikonverteringsprosessen. Å forbedre effektiviteten er et sentralt område for forskning og utvikling.
Rekkevidde: Rekkevidden for trådløs strømoverføring er begrenset av styrken på det elektromagnetiske feltet. Nærfeltsteknikker har kortere rekkevidde enn fjernfeltsteknikker.
Sikkerhet: Eksponering for elektromagnetiske felt kan vekke sikkerhetsbekymringer. Standarder og forskrifter er nødvendig for å sikre at systemer for trådløs strømoverføring opererer innenfor trygge grenser. Den internasjonale kommisjonen for beskyttelse mot ikke-ioniserende stråling (ICNIRP) fastsetter retningslinjer for eksponering for elektromagnetiske felt.
Forstyrrelser: Systemer for trådløs strømoverføring kan forstyrre andre elektroniske enheter, spesielt de som opererer på lignende frekvenser. Skjermings- og filtreringsteknikker er nødvendig for å minimere forstyrrelser.
Kostnad: Kostnaden for systemer for trådløs strømoverføring kan være høyere enn for kablede strømsystemer, spesielt for fjernfeltsteknikker. Å redusere kostnadene er avgjørende for utbredt adopsjon.
Standardisering: Mangel på universelle standarder hindrer interoperabilitet og global adopsjon. Qi-standarden for induktiv lading er et bemerkelsesverdig unntak.

Globale standarder og forskrifter

Flere internasjonale organisasjoner utvikler standarder og forskrifter for trådløs strømoverføring for å sikre sikkerhet, interoperabilitet og kompatibilitet. Disse inkluderer:

Qi-standarden: Utviklet av Wireless Power Consortium (WPC), er Qi den mest utbredte standarden for induktiv trådløs lading.
AirFuel Alliance: Denne organisasjonen utvikler standarder for resonant induktiv og RF trådløs strømoverføring.
International Electrotechnical Commission (IEC): IEC utvikler standarder for elektromagnetisk kompatibilitet og sikkerhet.
International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP): Denne organisasjonen fastsetter retningslinjer for eksponering for elektromagnetiske felt.
Federal Communications Commission (FCC) (USA): Regulerer radiofrekvensenheter og setter grenser for elektromagnetiske utslipp.
European Telecommunications Standards Institute (ETSI) (Europa): Utvikler standarder for telekommunikasjon og trådløse teknologier.

Fremtidige trender innen trådløs strømoverføring

Fremtiden for trådløs strømoverføring ser lovende ut, med flere nye trender som forventes å forme bransjen:

Økt effektivitet: Forskere jobber med å forbedre effektiviteten til systemer for trådløs strømoverføring gjennom nye materialer, kretsdesign og kontrollalgoritmer.
Lengre rekkevidde: Fremskritt innen fjernfeltsteknikker muliggjør trådløs strømoverføring over lengre avstander, noe som åpner for nye bruksområder innen luftfart, forsvar og industriell automatisering.
Dynamisk lading: Dynamisk trådløs lading for elektriske kjøretøy forventes å bli mer utbredt, slik at elbiler kan lade mens de kjører.
Miniatyrisering: Miniatyrisering av komponenter for trådløs strømoverføring muliggjør integrering i mindre og mer bærbare enheter.
Lading av flere enheter: Trådløse ladeputer som kan lade flere enheter samtidig blir stadig vanligere.
Trådløse strømnettverk: Utviklingen av trådløse strømnettverk som kan distribuere energi i en bygning eller et område blir utforsket.
Energihøsting fra omgivelseskilder: Mer effektive teknologier for energihøsting vil gjøre det mulig å drive enheter fra omgivende radiobølger og andre miljøkilder.

Eksempler på selskaper som innoverer innen trådløs strøm

Mange selskaper globalt flytter grensene for trådløs strømteknologi. Her er noen få eksempler:

WiTricity (USA): Et ledende selskap innen trådløs ladeteknologi for elektriske kjøretøy.
Energous (USA): Utvikler WattUp, en teknologi for RF-basert trådløs strømoverføring.
Ossia (USA): Fokuserer på Cota Real Wireless Power, som leverer strøm over avstand ved hjelp av radiobølger.
Powermat Technologies (Israel): Leverer trådløse ladeløsninger for offentlige steder og forbrukerelektronikk.
Humavox (Israel): Spesialiserer seg på nærfelts trådløs lading for små enheter som wearables og høreapparater.
NuCurrent (USA): Designer og produserer trådløse strømspoler og systemer.
Murata Manufacturing (Japan): En global leder innen elektroniske komponenter, inkludert moduler for trådløs strømoverføring.
ConvenientPower (Kina): Utvikler trådløse ladeløsninger for ulike applikasjoner, inkludert forbrukerelektronikk og bilindustrien.
Xiaomi (Kina): Har demonstrert trådløs ladeteknologi for smarttelefoner som fungerer på avstand.

Konklusjon

Trådløs strømoverføring er en teknologi i rask utvikling med potensial til å revolusjonere måten vi driver enhetene og systemene våre på. Fra forbrukerelektronikk til elektriske kjøretøy og medisinsk utstyr, finner WPT anvendelser i et bredt spekter av bransjer. Selv om det gjenstår utfordringer når det gjelder effektivitet, rekkevidde, sikkerhet og kostnader, baner pågående forskning og utvikling vei for en fremtid der trådløs strøm er allestedsnærværende og sømløst integrert i livene våre. Den globale naturen til teknologisk innovasjon sikrer kontinuerlig fremgang og adopsjon av disse teknologiene på tvers av ulike markeder og applikasjoner.