Введение в беспроводную передачу энергии
Wireless Power Transfer обещает освободить нас от тирании силовых кабелей. Эта технология внедряется во все виды устройств и систем. Давайте взглянем!
Проводной путь
Большинство современных резиденций и коммерческих зданий питаются от переменного тока (AC) от электросети. Электростанции производят электричество переменного тока, которое доставляется в дома и предприятия через высоковольтные линии электропередачи и понижающие трансформаторы.
Электричество поступает в коробку выключателя, а затем электропроводка передает ток в оборудование и устройства переменного тока, которые мы используем каждый день, кухонную технику, зарядные устройства и т. Д.
Все компоненты стандартизированы и согласуются с электрическим кодом. Любое устройство, рассчитанное на стандартный ток и напряжение, будет работать в любом из миллионов точек по всей стране. Хотя стандарты различаются между странами и континентами, в рамках данной электрической системы будет работать любое соответствующее устройство.
Вот шнур, есть шнур.,,, Большинство наших электрических устройств имеют шнуры питания переменного тока.
Беспроводная технология питания
Беспроводная передача энергии (WPT) позволяет подавать питание через воздушный зазор, без необходимости в токопроводящих проводах. WPT может обеспечивать питание от источника переменного тока к совместимым батареям или устройствам без физических разъемов или проводов. WPT может заряжать мобильные телефоны и планшеты, беспилотные летательные аппараты, автомобили и даже транспортное оборудование. Возможно даже возможность беспроводной передачи мощности, собранной с помощью панелей солнечных панелей в пространстве.
WPT был захватывающим развитием в потребительской электронике, заменив проводные зарядные устройства. На выставке Consumer Electronics Show 2017 будет много устройств, предлагающих WPT.
Однако концепция передачи энергии без проводов существует с конца 1890-х годов. Никола Тесла смог прожечь электрические луковицы в своей лаборатории Колорадо-Спрингс, используя электродинамическую индукцию (также называемую резонансной индуктивной связью).
Изображение из патента Теслы на «устройство для передачи электрической энергии», 1907
Три лампочки, помещенные на 60 футов (18 м) от источника питания, были освещены, и демонстрация была задокументирована. Тесла имел большие планы и надеялся, что его башня Варденклиффа на Лонг-Айленде будет передавать электрическую энергию через Атлантический океан. Этого не произошло из-за различных трудностей, включая финансирование и сроки.
WPT использует поля, созданные заряженными частицами, для переноса энергии между передатчиками и приемниками через воздушный зазор. Воздушный зазор перекрывается путем преобразования энергии в форму, которая может перемещаться по воздуху. Энергия преобразуется в осциллирующее поле, передается по воздуху, а затем преобразуется в полезный электрический ток приемником. В зависимости от мощности и расстояния энергия может быть эффективно передана через электрическое поле, магнитное поле или электромагнитные волны (EM), такие как радиоволны, микроволны или даже свет.
В следующей таблице перечислены различные технологии WPT, а также форма передачи энергии.
| Технологии | Передача энергии | Включение передачи энергии |
| Индуктивная муфта | Магнитные поля | Катушки проволочные |
| Резонансная индуктивная связь | Магнитные поля | Резонансные цепи |
| Емкостная муфта | Электрические поля | Проводящие соединительные пластины |
| Магнитодинамическая связь | Магнитные поля | Вращающиеся постоянные магниты |
| Микроволновое излучение | Микроволны | Поэтапные массивы / блюда |
| Оптическое излучение | Свет / инфракрасный / ультрафиолетовый | Лазеры / фотоэлементы |
WPT
Qi Charging, открытый стандарт для беспроводной зарядки
В то время как некоторые из компаний, обещающих WPT, все еще работают над поставкой продуктов, стандартная классификация Qi (произносится «chee»), и в настоящее время доступны устройства. Консорциум Wireless Power Consortium (WPC), созданный в 2008 году, разработал стандарт Qi для зарядки аккумулятора. Стандарт поддерживает как индуктивные, так и резонансные технологии зарядки.
Индуктивная зарядка имеет энергию, проходящую между катушкой передатчика и приемника с близкого расстояния. Индуктивные системы требуют, чтобы катушки находились в непосредственной близости друг от друга и совмещались друг с другом; обычно устройства находятся в непосредственном контакте с зарядным устройством. Резонансная зарядка не требует тщательного выравнивания, а зарядные устройства могут обнаруживать и заряжать устройство на расстоянии до 45 мм; таким образом, резонансные зарядные устройства могут быть встроены в мебель или установлены в стеллажах.
Логотип Qi отображается на беспроводной зарядной плате Qimini. Изображение предоставлено Tektos
Наличие логотипа Qi означает, что устройство зарегистрировано и сертифицировано консорциумом Wireless Power Consortium.
Когда первый введен, зарядка Qi была низкой мощностью, около 5 Вт. Первые смартфоны с использованием зарядки Qi были введены в 2011 году. В 2015 году Qi была расширена до 15 Вт, что позволяет быстро заряжать.
Следующий рисунок из Texas Instruments показывает, что охватывает стандарт Qi.
Изображение предоставлено Kalyan Siddabattula и Texas Instruments (PDF)
Только устройства, перечисленные в базе данных регистрации Qi, гарантируют совместимость с Qi. В настоящее время существует более 700 продуктов. Важно признать, что продукты с логотипом Qi были протестированы и сертифицированы; используемые ими магнитные поля не вызовут проблем для чувствительных устройств, таких как мобильные телефоны или электронные паспорта. Зарегистрированные устройства гарантированно работают со всеми зарегистрированными зарядными устройствами.
Для получения дополнительной информации о зарядке беспроводной сети Qi ознакомьтесь с этой статьей, а также для ознакомления и технической оценки Qi-совместимых оценочных плат передатчика / приемника WPT, нажмите здесь и здесь.
Физика WPT
WPT для потребительских устройств - это новая технология, но основные принципы и компоненты не новы. Уравнения Максвелла по-прежнему управляют везде, где задействованы электричество и магнетизм, а передатчики посылают энергию приемникам так же, как и в других формах беспроводной связи. WPT отличается, однако, тем, что основной целью является передача самой энергии, а не информации, закодированной в энергии.
WPT передающая / приемная блок-схема
Электромагнитные поля, участвующие в WPT, могут быть довольно сильными, и безопасность человека должна быть принята во внимание. Воздействие электромагнитного излучения может вызывать беспокойство, и есть также вероятность того, что поля, генерируемые передатчиками WPT, могут помешать носимым или имплантированным медицинским устройствам.
Передатчики и приемники встроены в устройства WPT, а также заряжаемые батареи. Фактическая схема преобразования будет зависеть от используемой технологии. В дополнение к фактической передаче энергии система WPT должна обеспечивать передачу передатчика и приемника. Это гарантирует, что приемник может уведомить зарядное устройство, когда аккумулятор полностью заряжен. Связь также позволяет передатчику обнаруживать и идентифицировать приемник, регулировать количество мощности, передаваемой на нагрузку, и контролировать такие условия, как температура батареи.
Концепция ближнего поля и излучения дальнего поля имеет отношение к WPT. Способ передачи, количество передаваемой мощности и требования близости зависят от того, использует ли система ближнее или дальнее излучение.
Месторасположения, для которых расстояние от антенны намного меньше одной длины волны, находятся в ближнем поле. Энергия в ближнем поле является безызлучательной, а осциллирующие магнитные и электрические поля не зависят друг от друга. Емкостная (электрическая) и индуктивная (магнитная) муфта может использоваться для передачи мощности на приемник, расположенный в ближнем поле передатчика.
Месторасположения, для которых расстояние от антенны больше, чем приблизительно две длины волны, находятся в дальнем поле. (Между ближним полем и дальним полем существует переходная область.) Энергия в дальнем поле находится в виде типичного электромагнитного излучения. Передача мощности на дальнем поле также называется силовым лучом. Примерами переноса в дальнем поле являются системы, которые используют мощные лазеры или микроволновое излучение для передачи энергии на большие расстояния.
Где работает WPT
Все технологии WPT в настоящее время активно изучаются, большая часть из них сосредоточена на максимизации эффективности передачи энергии (PDF) и методах исследования магнитной резонансной связи (PDF). В дополнение к идее ходить в комнату, оборудованную для WPT, и автоматически заряжать свои устройства, действуют более амбициозные проекты.
По всему миру электрические автобусы становятся нормой; Знаменитые двухэтажные автобусы Лондона планируют беспроводную зарядку, а также автобусные системы в Южной Корее, Юте и Германии.
Используя WiTricity, изобретенные учеными MIT, электромобили могут заряжаться беспроволочно, и эти автомобили могут бесплатно заряжать мобильные телефоны! (Разумеется, с помощью зарядки Qi!) Эта беспроводная технология удобна, но она также может заряжать автомобили быстрее, чем зарядные устройства плагинов.
График установки беспроводной парковки, встроенной в парковочное место. Изображение предоставлено Toyota
Экспериментальная система для беспроволочных дронов уже продемонстрирована. Как уже упоминалось выше, текущие исследования и разработки ориентированы на перспективу поставок некоторых энергетических потребностей Земли с использованием WPT в сочетании с космическими солнечными батареями.
WPT работает везде!
Вывод
Хотя мечта Теслы о том, чтобы обеспечить беспроводную связь для всех пользователей, по-прежнему далека от возможности, многие устройства и системы используют некоторую форму беспроводной передачи мощности прямо сейчас. От зубных щеток до мобильных телефонов, от автомобилей до общественного транспорта, существует множество приложений для беспроводной передачи энергии.