Brezžično napajanje: Elektromagnetni prenos - Globalni pregled

Brezžični prenos moči (BPM), znan tudi kot brezžični prenos energije (BPE) ali brezžično polnjenje, je prenos električne energije brez žic kot fizične povezave. Ta tehnologija temelji na elektromagnetnih poljih za prenos energije med oddajnikom in sprejemnikom na razdaljo. Medtem ko koncept obstaja že več kot sto let, tehnološki napredek zdaj BPM postavlja kot praktično in vse bolj razširjeno rešitev v različnih panogah po svetu.

Razumevanje elektromagnetnega prenosa

Elektromagnetni prenos zajema več metod, ki jih na splošno delimo v dve vrsti: tehnike bližnjega polja in daljnega polja.

Prenos moči v bližnjem polju

Prenos moči v bližnjem polju, znan tudi kot neradiativni prenos, deluje na razdaljah, ki so primerljive z valovno dolžino elektromagnetnega polja ali manjše od nje. Glavne tehnike vključujejo:

Induktivno sprezanje: To je najpogostejša metoda, ki uporablja dve tuljavi – oddajnik in sprejemnik – za ustvarjanje magnetnega polja. Ko je sprejemna tuljava nameščena v magnetnem polju, ki ga ustvarja oddajna tuljava, se v sprejemni tuljavi inducira električna energija. Kot vsakdanje primere si predstavljajte polnilne postaje za električne zobne ščetke ali podloge za brezžično polnjenje pametnih telefonov. Učinkovitost induktivnega sprezanja hitro pada z naraščajočo razdaljo.
Resonančno induktivno sprezanje: Ta metoda izboljšuje učinkovitost in doseg induktivnega sprezanja s uglaševanjem oddajne in sprejemne tuljave na isto frekvenco. To ustvari močnejše magnetno polje in omogoča učinkovitejši prenos energije na nekoliko večjo razdaljo. Uporablja se v nekaterih sistemih brezžičnega polnjenja za električna vozila. Realni primer vključuje podjetja, ki raziskujejo in izvajajo resonančno indukcijsko polnjenje za avtobuse v mestnih okoljih, kar jim omogoča polnjenje na postajališčih.

Prenos moči v daljnem polju

Prenos moči v daljnem polju, znan tudi kot radiacijski prenos, deluje na razdaljah, ki so bistveno večje od valovne dolžine elektromagnetnega polja. Glavne tehnike vključujejo:

Mikrovalovni prenos moči: Ta metoda uporablja mikrovalove za prenos energije na večje razdalje. Zahteva oddajnik za pretvorbo električne energije v mikrovalove in sprejemnik (rekteno) za pretvorbo mikrovalov nazaj v električno energijo. Mikrovalovni prenos moči se preučuje za aplikacije, kot je napajanje oddaljenih senzorjev ali celo prenos energije iz vesoljskih sončnih elektrarn na Zemljo. Primer raziskav na tem področju je tekoče delo na vesoljskih sončnih elektrarnah, ki ga izvajajo različne vesoljske agencije in zasebna podjetja.
Energijsko zajemanje iz radiofrekvenc (RF): Ta tehnika zbira in pretvarja ambientne radijske valove (npr. iz usmerjevalnikov Wi-Fi, celičnih stolpov in oddajnih signalov) v uporabno električno energijo. Količina zajete energije je običajno majhna, vendar je lahko dovolj za napajanje nizkoenergijskih naprav, kot so senzorji ali nosljiva elektronika. Primeri vključujejo senzorje v pametnih zgradbah, ki jih napaja ambientna RF energija.
Prenos moči z laserjem: Ta metoda uporablja laserje za brezžični prenos moči. Laserski žarek je usmerjen na fotovoltaično celico, ki pretvori svetlobo v električno energijo. Prenos moči z laserjem se uporablja v nišnih aplikacijah, kot je daljinsko napajanje dronov ali robotov.

Ključne tehnologije in komponente

Več ključnih tehnologij in komponent je bistvenih za izvajanje sistemov brezžičnega prenosa moči:

Oddajne tuljave: Te tuljave generirajo elektromagnetno polje, potrebno za prenos energije. Skrbno so zasnovane za optimizacijo učinkovitosti in zmanjšanje izgub. Za induktivno in resonančno induktivno sprezanje se uporabljajo različni dizajni tuljav.
Sprejemne tuljave: Te tuljave zajemajo elektromagnetno energijo in jo pretvorijo nazaj v električno energijo. Njihova zasnova je prav tako ključna za učinkovit prenos energije.
Močnostna elektronika: Močnostni elektronski vezji se uporabljajo za nadzor pretoka moči, uravnavanje napetosti in toka ter zagotavljanje učinkovite pretvorbe energije. Ta vezja vključujejo pretvornike, usmernike in DC-DC pretvornike.
Nadzorni sistemi: Nadzorni sistemi spremljajo postopek prenosa energije, prilagajajo obratovalne parametre in zagotavljajo varno in zanesljivo delovanje. Lahko vključujejo senzorje, mikrokrmilnike in komunikacijske vmesnike.
Ščitni materiali: Ščitni materiali se uporabljajo za omejevanje elektromagnetnega polja in preprečevanje motenj z drugimi elektronskimi napravami. Prav tako pomagajo zmanjšati elektromagnetne emisije in zagotavljajo skladnost z varnostnimi predpisi.

Aplikacije brezžičnega prenosa moči

Brezžični prenos moči najde uporabo v široki paleti industrij in sektorjev:

Potrošniška elektronika

To je ena najbolj vidnih aplikacij BPM. Pametni telefoni, pametne ure, brezžične slušalke in druga potrošniška elektronika vse bolj sprejemajo zmogljivosti brezžičnega polnjenja. Standard Qi je najbolj razširjen standard za brezžično polnjenje mobilnih naprav. Ikea na primer integrira polnilnike Qi v pohištvo.

Električna vozila (EV)

Brezžično polnjenje za EV pridobiva na priljubljenosti kot priročna in učinkovita alternativa tradicionalnemu priključnemu polnjenju. Podloge za brezžično polnjenje se lahko vgradijo v ceste ali parkirna mesta, kar EV omogoča samodejno polnjenje med parkiranjem ali celo med vožnjo (dinamično polnjenje). Podjetja, kot je WiTricity, razvijajo in licencirajo tehnologijo brezžičnega polnjenja za EV. Pilotni programi za brezžično polnjenje električnih avtobusov potekajo v različnih mestih po svetu.

Medicinske naprave

Brezžični prenos moči omogoča nove možnosti za medicinske naprave, zlasti vsadljive naprave, kot so srčni spodbujevalniki, inzulinske črpalke in nevronske vsadke. Brezžično polnjenje odpravlja potrebo po baterijah, kar zmanjšuje tveganje okužb in zapletov, povezanih z zamenjavo baterij. Podjetja razvijajo sisteme brezžičnega polnjenja za polžev vsadke in druge medicinske naprave.

Industrijske aplikacije

BPM se uporablja v industrijskih okoljih za napajanje senzorjev, robotov in druge opreme v težkih ali nedostopnih okoljih. Brezžični prenos moči lahko odpravi potrebo po žicah in kablih, izboljša varnost, zanesljivost in prilagodljivost. Primeri vključujejo napajanje senzorjev v proizvodnih obratih in polnjenje robotov v skladiščih. Podjetja uvajajo rešitve za brezžično napajanje za avtomatizacijo polnjenja AGV (avtomatsko vodenih vozil).

Internet stvari (IoT)

Brezžični prenos moči omogoča namestitev nizkoenergijskih naprav IoT na oddaljenih lokacijah ali tam, kjer žično napajanje ni na voljo. RF energijsko zajemanje se lahko uporabi za napajanje senzorjev, aktuatorjev in drugih naprav IoT, kar omogoča široko paleto aplikacij v pametnih mestih, kmetijstvu in spremljanju okolja. Na primer, brezžični senzorji, ki spremljajo pogoje tal na oddaljenih kmetijskih poljih, se lahko napajajo z RF energijskim zajemanjem.

Vesoljska in obrambna industrija

BPM se preučuje za uporabo v vesoljski in obrambni industriji, kot je napajanje dronov, robotov in senzorjev v vojaških operacijah. Prenos moči z laserjem se lahko uporabi za napajanje dronov z oddaljene bazne postaje, kar podaljša njihov čas letenja in doseg. Potekajo raziskave o uporabi mikrovalovnega prenosa moči za napajanje satelitov v orbiti.

Prednosti brezžičnega prenosa moči

Brezžični prenos moči ponuja več prednosti v primerjavi s tradicionalnimi žičnimi sistemi napajanja:

Priročnost: Brezžično polnjenje odpravlja potrebo po kablih in konektorjih, kar naredi polnjenje bolj priročno in uporabniku prijazno.
Varnost: Brezžični prenos moči lahko izboljša varnost z odpravo izpostavljenih žic in konektorjev, kar zmanjšuje tveganje električnih udarov in požarov.
Zanesljivost: Brezžični prenos moči lahko izboljša zanesljivost z odpravo potrebe po fizičnih povezavah, ki so nagnjene k obrabi.
Prilagodljivost: Brezžični prenos moči lahko zagotavlja večjo prilagodljivost pri postavitvi in uporabi naprav, kar omogoča polnjenje naprav na oddaljenih ali nedostopnih lokacijah.
Prihranek stroškov: Brezžični prenos moči lahko zmanjša stroške z odpravo potrebe po kablih, konektorjih in zamenjavi baterij.
Estetika: Rešitve za brezžično polnjenje prispevajo k čistejšim in modernejšim dizajnom z odstranjevanjem vidnih kablov.

Izzivi in premisleki

Kljub številnim prednostim se brezžični prenos moči sooča tudi z več izzivi:

Učinkovitost: Učinkovitost brezžičnega prenosa moči je običajno nižja kot pri žičnem prenosu moči zaradi izgub v elektromagnetnem polju in procesu pretvorbe energije. Izboljšanje učinkovitosti je ključno področje raziskav in razvoja.
Doseg: Doseg brezžičnega prenosa moči je omejen z močjo elektromagnetnega polja. Tehnike bližnjega polja imajo krajši doseg kot tehnike daljnega polja.
Varnost: Izpostavljenost elektromagnetnim poljem lahko povzroči varnostne pomisleke. Potrebni so standardi in predpisi za zagotovitev, da sistemi brezžičnega prenosa moči delujejo v varnih mejah. Mednarodna komisija za zaščito pred neionizirajočim sevanjem (ICNIRP) določa smernice za izpostavljenost elektromagnetnemu polju.
Motnje: Sistemi brezžičnega prenosa moči lahko motijo druge elektronske naprave, zlasti tiste, ki delujejo na podobnih frekvencah. Za zmanjšanje motenj so potrebne tehnike ščitenja in filtriranja.
Stroški: Stroški sistemov brezžičnega prenosa moči so lahko višji kot pri žičnih sistemih napajanja, zlasti za tehnike daljnega polja. Zniževanje stroškov je bistveno za široko sprejetje.
Standardizacija: Pomanjkanje univerzalnih standardov ovira interoperabilnost in globalno sprejetje. Standard Qi za indukcijsko polnjenje je opazna izjema.

Globalni standardi in predpisi

Več mednarodnih organizacij razvija standarde in predpise za brezžični prenos moči, da bi zagotovili varnost, interoperabilnost in združljivost. Ti vključujejo:

Standard Qi: Qi, ki ga je razvil Wireless Power Consortium (WPC), je najbolj razširjen standard za indukcijsko brezžično polnjenje.
AirFuel Alliance: Ta organizacija razvija standarde za resonančno induktivni in RF brezžični prenos moči.
Mednarodna elektrotehniška komisija (IEC): IEC razvija standarde za elektromagnetno združljivost in varnost.
Mednarodna komisija za zaščito pred neionizirajočim sevanjem (ICNIRP): Ta organizacija določa smernice za izpostavljenost elektromagnetnemu polju.
Zvezna komisija za komunikacije (FCC) (ZDA): Ureja radiofrekvenčne naprave in določa omejitve za elektromagnetne emisije.
Evropski inštitut za telekomunikacijske standarde (ETSI) (Evropa): Razvija standarde za telekomunikacije in brezžične tehnologije.

Prihodnji trendi v brezžičnem prenosu moči

Prihodnost brezžičnega prenosa moči je obetavna, pri čemer se pričakuje, da bodo številni nastajajoči trendi oblikovali industrijo:

Povečana učinkovitost: Raziskovalci si prizadevajo izboljšati učinkovitost sistemov brezžičnega prenosa moči z novimi materiali, dizajni vezij in kontrolnimi algoritmi.
Daljši doseg: Napredki v tehnikah daljnega polja omogočajo brezžični prenos moči na večje razdalje, kar odpira nove aplikacije v vesoljski, obrambni in industrijski avtomatizaciji.
Dinamično polnjenje: Pričakuje se, da bo dinamično brezžično polnjenje za električna vozila postalo bolj razširjeno, kar bo omogočilo polnjenje EV med vožnjo.
Minimizacija: Minimizacija komponent za brezžični prenos moči omogoča integracijo v manjše in bolj prenosne naprave.
Polnjenje več naprav: Podloge za brezžično polnjenje, ki lahko hkrati polnijo več naprav, postajajo vse bolj običajne.
Omrežja brezžičnega napajanja: Preučuje se razvoj omrežij brezžičnega napajanja, ki lahko distribuira energijo po stavbi ali območju.
Zajemanje energije iz ambientnih virov: Učinkovitejše tehnologije zajemanja energije bodo omogočile napajanje naprav iz ambientnih radijskih valov in drugih okoljskih virov.

Primeri podjetij, ki uvajajo inovacije v brezžično napajanje

Številna podjetja po vsem svetu premikajo meje tehnologije brezžičnega napajanja. Tukaj je nekaj primerov:

WiTricity (ZDA): Vodilno podjetje v tehnologiji brezžičnega polnjenja za električna vozila.
Energous (ZDA): Razvija WattUp, tehnologijo za brezžični prenos moči, ki temelji na RF.
Ossia (ZDA): Osredotočeno na Cota Real Wireless Power, ki dostavlja moč na daljavo z uporabo radijskih valov.
Powermat Technologies (Izrael): Ponuja rešitve za brezžično polnjenje za javne prostore in potrošniško elektroniko.
Humavox (Izrael): Specializirano za brezžično polnjenje v bližnjem polju za majhne naprave, kot so nosljive naprave in slušni aparati.
NuCurrent (ZDA): Oblikuje in proizvaja tuljave in sisteme za brezžično napajanje.
Murata Manufacturing (Japonska): Globalni voditelj na področju elektronskih komponent, vključno z moduli za brezžični prenos moči.
ConvenientPower (Kitajska): Razvija rešitve za brezžično polnjenje za različne aplikacije, vključno s potrošniško elektroniko in avtomobilsko industrijo.
Xiaomi (Kitajska): Demonstriral je tehnologijo brezžičnega polnjenja pametnih telefonov preko zraka.

Zaključek

Brezžični prenos moči je hitro razvijajoča se tehnologija z potencialom za revolucijo v načinu, kako napajamo naše naprave in sisteme. Od potrošniške elektronike do električnih vozil in medicinskih naprav, BPM najde uporabo v široki paleti industrij. Medtem ko izzivi ostajajo glede učinkovitosti, dosega, varnosti in stroškov, tekoče raziskave in razvoj utirajo pot prihodnosti, kjer bo brezžično napajanje vseprisotno in brezhibno integrirano v naša življenja. Globalna narava tehnoloških inovacij zagotavlja stalno napredovanje in sprejetje teh tehnologij na različnih trgih in v različnih aplikacijah.