Беспроводная передача энергии: Электромагнитный перенос - Глобальный обзор

Беспроводная передача энергии (БПЭ), также известная как беспроводной перенос энергии (БПЭн) или беспроводная зарядка, — это передача электрической энергии без проводов в качестве физической связи. Эта технология основана на электромагнитных полях для передачи энергии между передатчиком и приемником на расстоянии. Хотя эта концепция существует уже более века, достижения в области технологий в настоящее время делают БПЭ практичным и все более распространенным решением в различных отраслях по всему миру.

Понимание электромагнитного переноса

Электромагнитный перенос включает в себя несколько методов, которые в широком смысле делятся на два типа: методы ближнего и дальнего поля.

Передача энергии в ближнем поле

Передача энергии в ближнем поле, также известная как нерадиационная передача, работает на расстояниях, сопоставимых или меньших длины волны электромагнитного поля. Основные методы включают в себя:

• Индуктивная связь: Это наиболее распространенный метод, использующий две катушки — передатчик и приемник — для создания магнитного поля. Когда приемная катушка помещается в магнитное поле, создаваемое катушкой передатчика, в приемной катушке индуцируется электричество. В качестве повседневных примеров можно привести док-станции для зарядки электрических зубных щеток или площадки для беспроводной зарядки смартфонов. Эффективность индуктивной связи быстро снижается с увеличением расстояния.
• Резонансная индуктивная связь: Этот метод повышает эффективность и дальность индуктивной связи, настраивая катушки передатчика и приемника на резонанс на одной и той же частоте. Это создает более сильное магнитное поле и обеспечивает более эффективную передачу энергии на несколько большее расстояние. Это используется в некоторых системах беспроводной зарядки для электромобилей. Реальный пример включает компании, которые исследуют и внедряют резонансную индуктивную зарядку для автобусов в городских условиях, позволяя им заряжаться на автобусных остановках.

Передача энергии в дальнем поле

Передача энергии в дальнем поле, также известная как радиационная передача, работает на расстояниях, значительно превышающих длину волны электромагнитного поля. Основные методы включают в себя:

• Микроволновая передача энергии: Этот метод использует микроволны для передачи энергии на большие расстояния. Он требует, чтобы передатчик преобразовывал электричество в микроволны, а приемник (выпрямительная антенна) преобразовывал микроволны обратно в электричество. Микроволновая передача энергии изучается для таких применений, как питание удаленных датчиков или даже передача энергии с космических солнечных электростанций на Землю. Примером исследований в этой области является текущая работа по космической солнечной энергетике, проводимая различными космическими агентствами и частными компаниями.
• Сбор радиочастотной (РЧ) энергии: Этот метод собирает и преобразует окружающие радиоволны (например, от Wi-Fi-маршрутизаторов, сотовых вышек и широковещательных сигналов) в полезную электрическую энергию. Количество собираемой энергии обычно невелико, но его может быть достаточно для питания маломощных устройств, таких как датчики или носимая электроника. Примеры включают датчики в интеллектуальных зданиях, питаемые от окружающего РЧ-энергии.
• Лазерная передача энергии: В этом методе используются лазеры для беспроводной передачи энергии. Лазерный луч направляется на фотоэлектрический элемент, который преобразует свет в электричество. Лазерная передача энергии используется в нишевых приложениях, таких как питание дронов или роботов удаленно.

Ключевые технологии и компоненты

Несколько ключевых технологий и компонентов необходимы для реализации систем беспроводной передачи энергии:

• Катушки передатчика: Эти катушки генерируют электромагнитное поле, необходимое для передачи энергии. Они тщательно разработаны для оптимизации эффективности и минимизации потерь. Различные конструкции катушек используются для индуктивной и резонансной индуктивной связи.
• Катушки приемника: Эти катушки улавливают электромагнитную энергию и преобразуют ее обратно в электрическую энергию. Их конструкция также имеет решающее значение для эффективной передачи энергии.
• Силовая электроника: Силовые электронные схемы используются для управления потоком мощности, регулирования напряжения и тока и обеспечения эффективного преобразования энергии. Эти схемы включают инверторы, выпрямители и DC-DC преобразователи.
• Системы управления: Системы управления отслеживают процесс передачи энергии, регулируют рабочие параметры и обеспечивают безопасную и надежную работу. Они могут включать датчики, микроконтроллеры и интерфейсы связи.
• Экранирующие материалы: Экранирующие материалы используются для удержания электромагнитного поля и предотвращения помех другим электронным устройствам. Они также помогают уменьшить электромагнитное излучение и обеспечить соответствие правилам техники безопасности.

Применения беспроводной передачи энергии

Беспроводная передача энергии находит применение в широком спектре отраслей и секторов:

Бытовая электроника

Это одно из наиболее заметных применений БПЭ. Смартфоны, умные часы, беспроводные наушники и другая бытовая электроника все чаще используют возможности беспроводной зарядки. Стандарт Qi является наиболее широко используемым стандартом для беспроводной зарядки мобильных устройств. Ikea, например, интегрирует зарядные устройства Qi в мебель.

Электромобили (EV)

Беспроводная зарядка для электромобилей набирает обороты как удобная и эффективная альтернатива традиционной зарядке от сети. Площадки для беспроводной зарядки можно встраивать в дороги или парковочные места, позволяя электромобилям заряжаться автоматически во время парковки или даже во время движения (динамическая зарядка). Такие компании, как WiTricity, разрабатывают и лицензируют технологию беспроводной зарядки для электромобилей. В различных городах мира реализуются пилотные программы по беспроводной зарядке электрических автобусов.

Медицинские устройства

Беспроводная передача энергии открывает новые возможности для медицинских устройств, особенно имплантируемых устройств, таких как кардиостимуляторы, инсулиновые помпы и нейронные имплантаты. Беспроводная зарядка устраняет необходимость в батареях, снижая риск инфекций и осложнений, связанных с заменой батарей. Компании разрабатывают системы беспроводной зарядки для кохлеарных имплантатов и других медицинских устройств.

Промышленные применения

БПЭ используется в промышленных условиях для питания датчиков, роботов и другого оборудования в суровых или труднодоступных средах. Беспроводная передача энергии может устранить необходимость в проводах и кабелях, повышая безопасность, надежность и гибкость. Примеры включают питание датчиков на производственных предприятиях и зарядку роботов на складах. Компании развертывают решения беспроводной передачи энергии для автоматизации зарядки AGV (автоматизированных управляемых транспортных средств).

Интернет вещей (IoT)

Беспроводная передача энергии позволяет развертывать маломощные устройства IoT в удаленных местах или там, где нет проводного питания. Сбор РЧ-энергии можно использовать для питания датчиков, приводов и других устройств IoT, что обеспечивает широкий спектр применений в умных городах, сельском хозяйстве и мониторинге окружающей среды. Например, беспроводные датчики, отслеживающие состояние почвы на удаленных сельскохозяйственных полях, могут питаться от сбора РЧ-энергии.

Аэрокосмическая и оборонная промышленность

БПЭ изучается для применения в аэрокосмической и оборонной промышленности, например, для питания дронов, роботов и датчиков в военных операциях. Лазерная передача энергии может использоваться для питания дронов с удаленной базовой станции, увеличивая время и дальность их полета. Ведутся исследования по использованию микроволновой передачи энергии для питания спутников на орбите.

Преимущества беспроводной передачи энергии

Беспроводная передача энергии предлагает ряд преимуществ по сравнению с традиционными проводными энергетическими системами:

• Удобство: Беспроводная зарядка устраняет необходимость в кабелях и разъемах, делая зарядку более удобной и удобной для пользователя.
• Безопасность: Беспроводная передача энергии может повысить безопасность за счет устранения открытых проводов и разъемов, снижая риск поражения электрическим током и пожаров.
• Надежность: Беспроводная передача энергии может повысить надежность за счет устранения необходимости в физических соединениях, которые могут быть подвержены износу.
• Гибкость: Беспроводная передача энергии может обеспечить большую гибкость в размещении и использовании устройств, позволяя заряжать устройства в удаленных или труднодоступных местах.
• Экономия средств: Беспроводная передача энергии может снизить затраты за счет устранения необходимости в кабелях, разъемах и замене батарей.
• Эстетика: Решения для беспроводной зарядки способствуют созданию более чистых и современных конструкций за счет удаления видимых шнуров.

Проблемы и соображения

Несмотря на многочисленные преимущества, беспроводная передача энергии также сталкивается с рядом проблем:

• Эффективность: Эффективность беспроводной передачи энергии обычно ниже, чем у проводной передачи энергии, из-за потерь в электромагнитном поле и процессе преобразования энергии. Повышение эффективности является ключевой областью исследований и разработок.
• Дальность: Дальность беспроводной передачи энергии ограничена силой электромагнитного поля. Методы ближнего поля имеют меньший радиус действия, чем методы дальнего поля.
• Безопасность: Воздействие электромагнитных полей может вызывать опасения по поводу безопасности. Необходимы стандарты и правила, чтобы гарантировать, что системы беспроводной передачи энергии работают в безопасных пределах. Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP) устанавливает руководящие принципы по воздействию электромагнитных полей.
• Помехи: Системы беспроводной передачи энергии могут создавать помехи другим электронным устройствам, особенно тем, которые работают на аналогичных частотах. Для минимизации помех необходимы методы экранирования и фильтрации.
• Стоимость: Стоимость систем беспроводной передачи энергии может быть выше, чем у проводных энергетических систем, особенно для методов дальнего поля. Снижение затрат имеет важное значение для широкого распространения.
• Стандартизация: Отсутствие универсальных стандартов затрудняет совместимость и глобальное внедрение. Стандарт Qi для индуктивной зарядки является заметным исключением.

Глобальные стандарты и правила

Несколько международных организаций разрабатывают стандарты и правила для беспроводной передачи энергии, чтобы обеспечить безопасность, совместимость и совместимость. К ним относятся:

• Стандарт Qi: Разработанный Консорциумом беспроводной энергии (WPC), Qi является наиболее широко используемым стандартом для индуктивной беспроводной зарядки.
• AirFuel Alliance: Эта организация разрабатывает стандарты для резонансной индуктивной и РЧ беспроводной передачи энергии.
• Международная электротехническая комиссия (МЭК): МЭК разрабатывает стандарты по электромагнитной совместимости и безопасности.
• Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP): Эта организация устанавливает руководящие принципы по воздействию электромагнитных полей.
• Федеральная комиссия по связи (FCC) (США): Регулирует радиочастотные устройства и устанавливает ограничения на электромагнитное излучение.
• Европейский институт стандартов электросвязи (ETSI) (Европа): Разрабатывает стандарты для телекоммуникаций и беспроводных технологий.

Будущие тенденции в беспроводной передаче энергии

Будущее беспроводной передачи энергии выглядит многообещающим, и ожидается, что несколько новых тенденций определят развитие отрасли:

• Повышение эффективности: Исследователи работают над повышением эффективности систем беспроводной передачи энергии за счет новых материалов, конструкций схем и алгоритмов управления.
• Увеличение дальности: Достижения в области методов дальнего поля позволяют осуществлять беспроводную передачу энергии на большие расстояния, открывая новые возможности в аэрокосмической, оборонной и промышленной автоматизации.
• Динамическая зарядка: Ожидается, что динамическая беспроводная зарядка для электромобилей станет более распространенной, что позволит электромобилям заряжаться во время движения.
• Миниатюризация: Миниатюризация компонентов беспроводной передачи энергии позволяет интегрировать их в более мелкие и портативные устройства.
• Зарядка нескольких устройств: Площадки для беспроводной зарядки, которые могут одновременно заряжать несколько устройств, становятся все более распространенными.
• Сети беспроводной передачи энергии: Изучается разработка сетей беспроводной передачи энергии, которые могут распределять энергию по всему зданию или области.
• Сбор энергии из окружающих источников: Более эффективные технологии сбора энергии позволят питать устройства от окружающих радиоволн и других источников окружающей среды.

Примеры компаний, внедряющих инновации в беспроводную передачу энергии

Многочисленные компании по всему миру расширяют границы технологии беспроводной передачи энергии. Вот несколько примеров:

• WiTricity (США): Ведущая компания в области технологии беспроводной зарядки для электромобилей.
• Energous (США): Разрабатывает WattUp, технологию для беспроводной передачи энергии на основе РЧ.
• Ossia (США): Сосредоточена на Cota Real Wireless Power, которая обеспечивает передачу энергии на расстоянии с использованием радиоволн.
• Powermat Technologies (Израиль): Предоставляет решения для беспроводной зарядки для общественных мест и бытовой электроники.
• Humavox (Израиль): Специализируется на беспроводной зарядке в ближнем поле для небольших устройств, таких как носимые устройства и слуховые аппараты.
• NuCurrent (США): Проектирует и производит катушки и системы беспроводной передачи энергии.
• Murata Manufacturing (Япония): Мировой лидер в производстве электронных компонентов, включая модули беспроводной передачи энергии.
• ConvenientPower (Китай): Разрабатывает решения для беспроводной зарядки для различных применений, включая бытовую электронику и автомобильную промышленность.
• Xiaomi (Китай): Продемонстрировала технологию беспроводной зарядки по воздуху для смартфонов.

Заключение

Беспроводная передача энергии — это быстро развивающаяся технология, которая может революционизировать способ питания наших устройств и систем. От бытовой электроники до электромобилей и медицинских устройств — БПЭ находит применение в широком спектре отраслей. Хотя проблемы остаются с точки зрения эффективности, дальности, безопасности и стоимости, текущие исследования и разработки прокладывают путь к будущему, где беспроводная энергия станет повсеместной и легко интегрированной в нашу жизнь. Глобальный характер технологических инноваций обеспечивает дальнейшее развитие и внедрение этих технологий на различных рынках и в различных приложениях.