Бездротова енергія: електромагнітна передача – глобальний огляд

Бездротова передача енергії (WPT), також відома як бездротова передача енергії (WET) або бездротова зарядка, – це передача електричної енергії без дротів як фізичного з'єднання. Ця технологія покладається на електромагнітні поля для передачі енергії між передавачем і приймачем на відстані. Хоча ця концепція існує вже понад століття, технологічний прогрес зараз робить WPT практичним і все більш поширеним рішенням у різних галузях промисловості в усьому світі.

Розуміння електромагнітної передачі

Електромагнітна передача охоплює кілька методів, які загалом поділяються на два типи: техніки ближнього та дальнього поля.

Передача енергії в ближньому полі

Передача енергії в ближньому полі, також відома як невипромінювальна передача, працює на відстанях, порівнянних із довжиною хвилі електромагнітного поля або менших за неї. Основні методи включають:

• Індуктивний зв'язок: Це найпоширеніший метод, що використовує дві котушки — передавальну та приймальну — для створення магнітного поля. Коли приймальна котушка потрапляє в магнітне поле, створене передавальною котушкою, в ній індукується електричний струм. Подумайте про зарядні станції для електричних зубних щіток або бездротові зарядні панелі для смартфонів як про повсякденні приклади. Ефективність індуктивного зв'язку стрімко зменшується зі збільшенням відстані.
• Резонансний індуктивний зв'язок: Цей метод підвищує ефективність та дальність індуктивного зв'язку шляхом налаштування передавальної та приймальної котушок на резонанс на одній частоті. Це створює сильніше магнітне поле та дозволяє ефективніше передавати енергію на дещо більшу відстань. Цей метод використовується в деяких системах бездротової зарядки для електромобілів. Реальний приклад — це дослідження та впровадження компаніями резонансної індуктивної зарядки для автобусів у міському середовищі, що дозволяє їм заряджатися на автобусних зупинках.

Передача енергії в дальньому полі

Передача енергії в дальньому полі, також відома як випромінювальна передача, працює на відстанях, значно більших за довжину хвилі електромагнітного поля. Основні методи включають:

• Мікрохвильова передача енергії: Цей метод використовує мікрохвилі для передачі енергії на великі відстані. Він вимагає передавача для перетворення електрики в мікрохвилі та приймача (ректени) для перетворення мікрохвиль назад в електрику. Мікрохвильова передача енергії досліджується для таких застосувань, як живлення віддалених датчиків або навіть передача енергії з космічних сонячних електростанцій на Землю. Прикладом досліджень у цій галузі є поточна робота над космічною сонячною енергетикою, яку проводять різні космічні агентства та приватні компанії.
• Збір радіочастотної (РЧ) енергії: Ця техніка збирає та перетворює навколишні радіохвилі (наприклад, від Wi-Fi роутерів, стільникових веж та телерадіосигналів) у корисну електричну енергію. Кількість зібраної енергії зазвичай невелика, але її може бути достатньо для живлення малопотужних пристроїв, таких як датчики або носима електроніка. Приклади включають датчики в розумних будинках, що живляться від навколишньої РЧ-енергії.
• Лазерна передача енергії: Цей метод використовує лазери для бездротової передачі енергії. Лазерний промінь спрямовується на фотоелемент, який перетворює світло на електрику. Лазерна передача енергії використовується в нішевих застосуваннях, таких як дистанційне живлення дронів або роботів.

Ключові технології та компоненти

Декілька ключових технологій та компонентів є важливими для впровадження систем бездротової передачі енергії:

• Передавальні котушки: Ці котушки генерують електромагнітне поле, необхідне для передачі енергії. Вони ретельно розроблені для оптимізації ефективності та мінімізації втрат. Для індуктивного та резонансного індуктивного зв'язку використовуються різні конструкції котушок.
• Приймальні котушки: Ці котушки вловлюють електромагнітну енергію та перетворюють її назад в електричну. Їхня конструкція також є вирішальною для ефективної передачі енергії.
• Силова електроніка: Силові електронні схеми використовуються для керування потоком енергії, регулювання напруги та струму, а також для забезпечення ефективного перетворення енергії. Ці схеми включають інвертори, випрямлячі та перетворювачі постійного струму.
• Системи керування: Системи керування контролюють процес передачі енергії, регулюють робочі параметри та забезпечують безпечну й надійну роботу. Вони можуть включати датчики, мікроконтролери та комунікаційні інтерфейси.
• Екрануючі матеріали: Екрануючі матеріали використовуються для утримання електромагнітного поля та запобігання перешкодам для інших електронних пристроїв. Вони також допомагають зменшити електромагнітні випромінювання та забезпечити відповідність нормам безпеки.

Застосування бездротової передачі енергії

Бездротова передача енергії знаходить застосування в широкому спектрі галузей та секторів:

Споживча електроніка

Це одне з найпомітніших застосувань WPT. Смартфони, розумні годинники, бездротові навушники та інша споживча електроніка все частіше використовують можливості бездротової зарядки. Стандарт Qi є найпоширенішим стандартом для бездротової зарядки мобільних пристроїв. Ikea, наприклад, інтегрує зарядні пристрої Qi в меблі.

Електромобілі (ЕВ)

Бездротова зарядка для ЕВ набирає популярності як зручна та ефективна альтернатива традиційній зарядці через роз'єм. Бездротові зарядні панелі можна вбудовувати в дороги або паркувальні місця, що дозволяє ЕВ заряджатися автоматично під час паркування або навіть під час руху (динамічна зарядка). Компанії, такі як WiTricity, розробляють та ліцензують технологію бездротової зарядки для ЕВ. У різних містах світу проводяться пілотні програми з бездротової зарядки електричних автобусів.

Медичні пристрої

Бездротова передача енергії відкриває нові можливості для медичних пристроїв, зокрема для імплантованих пристроїв, таких як кардіостимулятори, інсулінові помпи та нейронні імплантати. Бездротова зарядка усуває потребу в батареях, знижуючи ризик інфекцій та ускладнень, пов'язаних із заміною батарей. Компанії розробляють системи бездротової зарядки для кохлеарних імплантатів та інших медичних пристроїв.

Промислове застосування

WPT використовується в промислових умовах для живлення датчиків, роботів та іншого обладнання в суворих або важкодоступних середовищах. Бездротова передача енергії може усунути потребу в дротах і кабелях, покращуючи безпеку, надійність і гнучкість. Приклади включають живлення датчиків на виробничих підприємствах та зарядку роботів на складах. Компанії впроваджують рішення для бездротової енергії для автоматизації зарядки AGV (автоматизованих керованих транспортних засобів).

Інтернет речей (ІоТ)

Бездротова передача енергії уможливлює розгортання малопотужних пристроїв ІоТ у віддалених місцях або там, де дротове живлення недоступне. Збір РЧ-енергії можна використовувати для живлення датчиків, приводів та інших пристроїв ІоТ, що відкриває широкий спектр застосувань у розумних містах, сільському господарстві та моніторингу навколишнього середовища. Наприклад, бездротові датчики, що контролюють стан ґрунту на віддалених сільськогосподарських полях, можуть живитися за рахунок збору РЧ-енергії.

Аерокосмічна та оборонна галузі

WPT досліджується для застосувань в аерокосмічній та оборонній галузях, таких як живлення дронів, роботів і датчиків у військових операціях. Лазерна передача енергії може використовуватися для живлення дронів з віддаленої базової станції, що збільшує час їхнього польоту та дальність. Проводяться дослідження щодо використання мікрохвильової передачі енергії для живлення супутників на орбіті.

Переваги бездротової передачі енергії

Бездротова передача енергії пропонує кілька переваг у порівнянні з традиційними дротовими системами живлення:

• Зручність: Бездротова зарядка усуває потребу в кабелях та роз'ємах, роблячи зарядку зручнішою та простішою для користувача.
• Безпека: Бездротова передача енергії може підвищити безпеку, усунувши відкриті дроти та роз'єми, що знижує ризик ураження електричним струмом та пожеж.
• Надійність: Бездротова передача енергії може підвищити надійність, усунувши потребу у фізичних з'єднаннях, які можуть зношуватися.
• Гнучкість: Бездротова передача енергії може забезпечити більшу гнучкість у розміщенні та використанні пристроїв, дозволяючи заряджати їх у віддалених або важкодоступних місцях.
• Економія коштів: Бездротова передача енергії може зменшити витрати, усунувши потребу в кабелях, роз'ємах та заміні батарей.
• Естетика: Рішення для бездротової зарядки сприяють створенню чистішого та сучаснішого дизайну, усуваючи видимі шнури.

Виклики та міркування

Незважаючи на численні переваги, бездротова передача енергії також стикається з кількома проблемами:

• Ефективність: Ефективність бездротової передачі енергії зазвичай нижча, ніж у дротової, через втрати в електромагнітному полі та процесі перетворення енергії. Підвищення ефективності є ключовою сферою досліджень і розробок.
• Дальність: Дальність бездротової передачі енергії обмежена силою електромагнітного поля. Техніки ближнього поля мають менший радіус дії, ніж техніки дальнього поля.
• Безпека: Вплив електромагнітних полів може викликати занепокоєння щодо безпеки. Необхідні стандарти та норми, щоб забезпечити роботу систем бездротової передачі енергії в безпечних межах. Міжнародна комісія із захисту від неіонізуючого випромінювання (ICNIRP) встановлює рекомендації щодо впливу електромагнітних полів.
• Перешкоди: Системи бездротової передачі енергії можуть створювати перешкоди для інших електронних пристроїв, особливо тих, що працюють на подібних частотах. Для мінімізації перешкод необхідні методи екранування та фільтрації.
• Вартість: Вартість систем бездротової передачі енергії може бути вищою, ніж у дротових систем, особливо для технік дальнього поля. Зниження витрат є важливим для широкого впровадження.
• Стандартизація: Відсутність універсальних стандартів перешкоджає взаємодії та глобальному впровадженню. Стандарт Qi для індуктивної зарядки є помітним винятком.

Світові стандарти та регулювання

Декілька міжнародних організацій розробляють стандарти та норми для бездротової передачі енергії з метою забезпечення безпеки, сумісності та взаємодії. До них належать:

• Стандарт Qi: Розроблений Консорціумом бездротової енергії (WPC), Qi є найпоширенішим стандартом для індуктивної бездротової зарядки.
• AirFuel Alliance: Ця організація розробляє стандарти для резонансної індуктивної та РЧ-бездротової передачі енергії.
• Міжнародна електротехнічна комісія (IEC): IEC розробляє стандарти електромагнітної сумісності та безпеки.
• Міжнародна комісія із захисту від неіонізуючого випромінювання (ICNIRP): Ця організація встановлює рекомендації щодо впливу електромагнітних полів.
• Федеральна комісія зв'язку (FCC) (США): Регулює радіочастотні пристрої та встановлює обмеження на електромагнітні випромінювання.
• Європейський інститут телекомунікаційних стандартів (ETSI) (Європа): Розробляє стандарти для телекомунікацій та бездротових технологій.

Майбутні тенденції у бездротовій передачі енергії

Майбутнє бездротової передачі енергії виглядає багатообіцяючим, з кількома новими тенденціями, які, як очікується, сформують галузь:

• Підвищена ефективність: Дослідники працюють над підвищенням ефективності систем бездротової передачі енергії за допомогою нових матеріалів, схемотехнічних рішень та алгоритмів керування.
• Збільшена дальність: Прогрес у техніках дальнього поля уможливлює бездротову передачу енергії на більші відстані, відкриваючи нові застосування в аерокосмічній, оборонній та промисловій автоматизації.
• Динамічна зарядка: Очікується, що динамічна бездротова зарядка для електромобілів стане більш поширеною, дозволяючи ЕВ заряджатися під час руху.
• Мініатюризація: Мініатюризація компонентів бездротової передачі енергії дозволяє інтегрувати їх у менші та більш портативні пристрої.
• Зарядка кількох пристроїв: Бездротові зарядні панелі, які можуть одночасно заряджати кілька пристроїв, стають все більш поширеними.
• Бездротові енергетичні мережі: Досліджується розробка бездротових енергетичних мереж, які зможуть розподіляти енергію по всій будівлі або території.
• Збір енергії з навколишніх джерел: Більш ефективні технології збору енергії дозволять живити пристрої від навколишніх радіохвиль та інших джерел навколишнього середовища.

Приклади компаній-інноваторів у галузі бездротової енергії

Численні компанії по всьому світу розширюють межі технології бездротової енергії. Ось кілька прикладів:

• WiTricity (США): Провідна компанія в галузі технології бездротової зарядки для електромобілів.
• Energous (США): Розробляє WattUp, технологію для РЧ-бездротової передачі енергії.
• Ossia (США): Зосереджена на Cota Real Wireless Power, яка передає енергію на відстань за допомогою радіохвиль.
• Powermat Technologies (Ізраїль): Надає рішення для бездротової зарядки для громадських місць та споживчої електроніки.
• Humavox (Ізраїль): Спеціалізується на бездротовій зарядці в ближньому полі для невеликих пристроїв, таких як носима електроніка та слухові апарати.
• NuCurrent (США): Проектує та виробляє котушки та системи бездротової енергії.
• Murata Manufacturing (Японія): Світовий лідер у виробництві електронних компонентів, включаючи модулі бездротової передачі енергії.
• ConvenientPower (Китай): Розробляє рішення для бездротової зарядки для різних застосувань, включаючи споживчу електроніку та автомобілебудування.
• Xiaomi (Китай): Продемонструвала технологію бездротової зарядки «по повітрю» для смартфонів.

Висновок

Бездротова передача енергії – це технологія, що стрімко розвивається та має потенціал революціонізувати спосіб живлення наших пристроїв і систем. Від споживчої електроніки до електромобілів та медичних пристроїв, WPT знаходить застосування в широкому спектрі галузей. Хоча проблеми щодо ефективності, дальності, безпеки та вартості залишаються, постійні дослідження та розробки прокладають шлях до майбутнього, де бездротова енергія буде всюдисущою та бездоганно інтегрованою в наше життя. Глобальний характер технологічних інновацій забезпечує безперервний прогрес та впровадження цих технологій на різноманітних ринках та у різних сферах застосування.