В 2018 году беспроводная передача энергии попала в заголовки, когда она использовалась компаниями мобильной связи для производства беспроводных зарядных устройств. Теперь, два года спустя, каковы новые разработки в области беспроводной связи и, самое главное, приближаемся ли мы к ее использованию в более широких масштабах?
Многие люди считают, что беспроводная передача энергии (WPT) является недавним прорывом, но ее открытие насчитывает более ста лет.
Французский физик Ампер и британский ученый Фарадей с их соответствующими законами внесли свой вклад в XVIII и XIX веках в развитие современной электротехники, которая легла в основу WPT.
В 1893 году сербско-американский инженер и изобретатель Никола Тесла прочитал лекцию, где представил свои эксперименты с магнитным резонансом, что сделало его одним из предков WPT.
В то время как более современные эксперименты продолжаются с 1980–х годов, специалисты отметили возрождение интереса к WPT за последние пять-десять лет, особенно в секторе мобильных телефонов, где беспроводные зарядные устройства для телефонов все чаще становятся нормой.
В 2018 году начали появляться беспроводные зарядные устройства, совместимые с последними моделями мобильных телефонов от Apple, Samsung и Huawei, среди прочего, попав в заголовки и открывая новые рыночные возможности.
Примерно в то же время компании по разработке технологий, включая Ossia и Energous, утверждали, что работают над более крупными проектами, где электричество может передаваться на большие расстояния.
Что такое WPT и как это работает?
Дэвид Шац, вице-президент по развитию бизнеса в беспроводной зарядной компании WiTricity, определяет WPT как «использование магнитного поля для передачи энергии между источником и устройством, без использования провода для их соединения».
WPT — это не единственный метод, и существует несколько методов для получения беспроводной передачи энергии, включая индукцию, резонансную связь и передачу микроволновой энергии.
Индукция получается путем передачи энергии между двумя катушками на очень близком расстоянии, в то время как резонансная индукционная связь основана на резонансном туннелировании.
В пределах пятиметрового диапазона электромагнитные волны, имеющие высокий угловой волновод, называются мимолетными волнами, поскольку они не несут энергии. При соединении волновода с передатчиком образуется туннель: эта энергия может быть преобразована в электричество.
Для более длинных расстояний, WPT получается через радио и передачу микроволновой энергии, которая функционирует через ректенну, выпрямительную антенну, которая преобразует микроволновую энергию в электричество.
Хотя первые два метода считаются безопасными для нашего здоровья, радио и микроволны могут иметь негативные последствия.
Профессора Фрэнк Барнс из Университета Колорадо-Боулдер и Бен Гринбаум опубликовали книгу об опасности электромагнитных полей для здоровья, обнаружив, что семь мегагерц является проблемной частотой для человека, усиливая размножение раковых клеток.
QI, KI и средние стандарты
Основанный в 2008 году, Консорциум беспроводной энергетики (WPC) — это группа разработчиков стандартов, состоящая из более чем 500 компаний, стремящихся к совместимости беспроводных зарядных устройств и источников питания.
В 2010 году Консорциум запустил первый в мире беспроводной стандарт — стандарт QI. Стандарт QI имеет диапазон 5-15 Вт, работающий на частоте от 105 кГц до 205 кГц, полезный для мобильных телефонов.
WPC имеет два других стандарта, которые в настоящее время разрабатываются: стандарт KI, который обеспечивает мощность до 2200 Вт, и стандарт Medium с диапазоном 30–65 Вт.
Стандарт KI будет использоваться для питания кухонных приборов, включая рисоварки и тостеры, в то время как средний стандарт будет заряжать электронные велосипеды, дроны и пылесосы.
WPT и более крупные приложения: от роботов до электросетей
Бытовая техника — это не единственный сектор, который будет все больше полагаться на беспроводную передачу энергии, поскольку все больше компаний уже используют беспроводные зарядные устройства для роботизированных приложений, таких как дроны.
Чтобы производить решения для зарядки для авиационного, промышленного и мобильного секторов, беспроводной производитель WiBotic из Сиэтла запатентовал механизм беспроводной энергии, который сочетает в себе индукцию и магнитный резонанс.
Адаптивная система согласования WiBotic состоит из блока передатчика, который использует источник питания для генерирования сигнала беспроводной мощности, который перемещается к передающей антенной катушке.
Антенна генерирует как электрическое, так и магнитное поле, которое, будучи распознано блоком передатчика, усиливается, чтобы доставить нужное количество энергии, которая позже собирается антенной на роботе и передается на зарядное устройство.
Другой метод WPT — это шаровой шарнир, беспроводная система зарядки, которую можно поворачивать в любом направлении. Профессор электротехники Рон Хуэй (Университет Гонконга и Имперский колледж Лондона) в настоящее время работает над проектом, специально сделанным для производственных объектов.
Профессор Хуэй пояснил, что конструкция состоит из шаровой конструкции с прикрепленным к ней механическим стержнем и гнездом, в котором размещена конструкция. Беспроводная энергия передается через магнитный резонанс, от передатчика к приемнику, достигая до 81% эффективности использования энергии.
«Представьте себе роботов на производственном объекте: их руки должны все время двигаться, и если они наделены кабелем, непрерывно скручивая его, кабель разорвется», — сказал Хуэй.
«С помощью шарового шарнира мы можем передавать энергию через шарниры роботизированной руки, не используя никакого кабеля».
Хуэй также работает над первым в мире независимым сборщиком и источником питания для интеллектуальных сетей. Проект включает в себя сбор энергии вокруг высоковольтных кабелей и передачу ее по беспроводной сети в онлайн-систему мониторинга в передающей башне, уменьшая зависимость от батарей.
Для передачи энергии между передающими вышками профессор Хуэй и его коллеги запатентовали беспроводную систему питания домино.
«Это похоже на схему домино: у нас есть все эти резонаторы, которые позволят нам передавать энергию один за другим – и это значительно повысит энергоэффективность. С помощью этой технологии мы можем повысить энергоэффективность более чем на 60%» , — сказал Хуэй.
Будущее электромобилей
Дебют первого в мире беспроводного зарядного устройства для электромобилей, произведенного BMW в 2018 году, привел к появлению ряда компаний, разрабатывающих беспроводные зарядные устройства для электромобилей и мобильных роботов.
WiTricity запатентовала форму беспроводной передачи энергии под названием высокорезонансная передача энергии, которая способна работать на несколько больших расстояниях.
Высокорезонансная передача энергии состоит из двух устройств с совпадающими резонансными частотами, соединяющимися в одно магнитное поле, передавая энергию от одного устройства к другому.
Тринадцать лет спустя системы WiTricity имеют скорость зарядки от 3,6 до 11 кВт и могут питать различные типы автомобилей, включая спортивные автомобили и внедорожники.
Шац говорит, что «автопроизводители пытаются сделать электромобиль, чтобы он превосходил бензиновый автомобиль всеми возможными способами. И беспроводная зарядка рассматривается как очень, очень важный способ сделать электрические автомобили еще лучше, чем бензиновые автомобили. Идея заключается в том, что вы просто паркуете свой автомобиль в своем гараже или на своей парковке, и вам никогда не нужно ничего делать, автомобиль всегда должен иметь относительно полную батарею. Вы никогда не должны посещать заправочную станцию. Вы можете просто сесть за руль и ехать в машине, которая должна заряжаться сама».
«Это пользовательский опыт, к которому стремятся автопроизводители. И беспроводная зарядка — это лучший способ обеспечить такой пользовательский опыт», — говорит Шац.
Единственные проблемы, говорит Шац, прямо сейчас — это стандартизация систем зарядки и стоимость батарей.
«Процесс стандартизации должен быть решен в течение 2020 года, поскольку организации, определяющие стандартизацию, готовы опубликовать эти стандарты, устранив одно из препятствий», — добавил он.
Несмотря на предстоящие проблемы, беспроводная энергия имеет большое будущее и, вероятно, станет нормой.
Как говорит Шац: «Когда системы становятся беспроводными, они не возвращаются к проводному подключению – никто не собирается предлагать вернуться к обычному плагину».
