Trådlös kraftöverföring - Wireless power transfer

Induktiv laddningsplatta för en smartphone som ett exempel på trådlös överföring nära fältet. När telefonen är inställd på dynan skapar en spole i dynan ett magnetfält som inducerar en ström i en annan spole i telefonen och laddar batteriet.

Trådlös kraftöverföring ( WPT ), trådlös kraftöverföring , trådlös energiöverföring ( WET ) eller elektromagnetisk kraftöverföring är överföring av elektrisk energi utan ledningar som en fysisk länk. I ett trådlöst kraftöverföringssystem genererar en sändarenhet, driven av elektrisk kraft från en strömkälla , ett tidsvarierande elektromagnetiskt fält , som överför kraft över rymden till en mottagarenhet, som extraherar ström från fältet och levererar den till en elektrisk belastning . Tekniken för trådlös kraftöverföring kan eliminera användningen av ledningar och batterier, vilket ökar rörligheten, bekvämligheten och säkerheten hos en elektronisk enhet för alla användare. Trådlös kraftöverföring är användbar för att driva elektriska enheter där sammankopplade ledningar är obekväma, farliga eller inte är möjliga.

Trådlösa strömtekniker faller huvudsakligen i två kategorier, nära fält och fjärrfält . I närfält eller icke-strålningstekniker överförs effekt över korta avstånd med magnetfält med hjälp av induktiv koppling mellan trådspolar eller med elektriska fält med kapacitiv koppling mellan metallelektroder . Induktiv koppling är den mest använda trådlösa tekniken; dess applikationer inkluderar laddning av handhållna enheter som telefoner och elektriska tandborstar , RFID -taggar, induktionsmatlagning och trådlös laddning eller kontinuerlig trådlös kraftöverföring i implanterbara medicintekniska produkter som artificiella pacemaker eller elfordon .

I fjärrfält eller strålningstekniker , även kallad effektstrålning , överförs effekt av strålar av elektromagnetisk strålning , som mikrovågor eller laserstrålar . Dessa tekniker kan transportera energi längre sträckor men måste riktas mot mottagaren. Föreslagna applikationer för denna typ är satellitkraftsatelliter och trådlösa drönare .

En viktig fråga i samband med alla trådlösa kraftsystem är att begränsa exponering för människor och andra levande varelser för potentiellt skadliga elektromagnetiska fält .

Översikt

Generiskt blockdiagram över ett trådlöst kraftsystem

Trådlös kraftöverföring är en generisk term för ett antal olika tekniker för överföring av energi med hjälp av elektromagnetiska fält . Teknikerna i tabellen nedan skiljer sig åt i avstånd över vilket de effektivt kan överföra kraft, om sändaren måste riktas (riktad) mot mottagaren och i vilken typ av elektromagnetisk energi de använder: tidsvarierande elektriska fält , magnetiska fält , radiovågor , mikrovågor , infraröda eller synliga ljusvågor .

I allmänhet ett trådlöst kraftsystem består av en "sändare" enhet ansluten till en kraftkälla, såsom en huvudström linje, som omvandlar ström till en tidsvarierande elektromagnetiskt fält, och en eller flera "mottagare" anordningar som mottar kraften och konvertera den tillbaka till likström eller växelström som används av en elektrisk belastning . Vid sändaren omvandlas ingångseffekten till ett oscillerande elektromagnetiskt fält av någon typ av " antenn " -anordning. Ordet "antenn" används löst här; det kan vara en trådspole som genererar ett magnetfält , en metallplatta som genererar ett elektriskt fält , en antenn som utstrålar radiovågor eller en laser som genererar ljus. En liknande antenn eller kopplingsanordning vid mottagaren omvandlar de oscillerande fälten till en elektrisk ström. En viktig parameter som bestämmer typen av vågor är frekvensen , som bestämmer våglängden.

Trådlös ström använder samma fält och vågor som trådlösa kommunikationsenheter som radio , en annan välkänd teknik som involverar elektrisk energi som överförs utan ledningar från elektromagnetiska fält, som används i mobiltelefoner , radio- och tv -sändningar och WiFi . I radiokommunikation är målet överföring av information, så mängden kraft som når mottagaren är inte så viktig, så länge det är tillräckligt för att informationen kan tas emot på ett begripligt sätt. I trådlös kommunikationsteknik når endast små mängder ström till mottagaren. I motsats härtill är den mottagna energin det viktiga med trådlös kraftöverföring, så effektiviteten (bråkdel av överförd energi som tas emot) är den mer signifikanta parametern. Av denna anledning är troligen teknik för trådlös ström mer begränsad av avstånd än trådlös kommunikationsteknik.

Trådlös kraftöverföring kan användas för att starta trådlösa informationssändare eller mottagare. Denna typ av kommunikation är känd som trådlös kommunikation (WPC). När den skördade kraften används för att leverera ström från trådlösa informationssändare, kallas nätverket Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT); medan den används för att leverera kraften hos trådlösa informationsmottagare, är den känd som ett trådlöst drivet kommunikationsnätverk (WPCN).

Det här är de olika teknikerna för trådlös ström:

Fältregioner

Elektriska och magnetiska fält skapas av laddade partiklar i materia som elektroner . En stationär laddning skapar ett elektrostatiskt fält i utrymmet runt det. En stadig ström av avgifter ( likström , DC) skapar ett statiskt magnetfält runt den. Ovanstående fält innehåller energi , men kan inte bära kraft eftersom de är statiska. Men tidsvarierande fält kan bära kraft. Accelererande elektriska laddningar, som finns i en växelström (AC) för elektroner i en tråd, skapar tidsvarierande elektriska och magnetiska fält i utrymmet runt dem. Dessa fält kan utöva oscillerande krafter på elektronerna i en mottagande "antenn", vilket får dem att röra sig fram och tillbaka. Dessa representerar växelström som kan användas för att driva en last.

De oscillerande elektriska och magnetiska fälten som omger rörliga elektriska laddningar i en antennanordning kan delas in i två regioner, beroende på avstånd D _-område från antennen. Gränsen mellan regionerna är något vagt definierad. Fälten har olika egenskaper i dessa regioner, och olika tekniker används för att överföra kraft:

• Närområdet eller icke strålande region - Detta organ områdets inom ca en våglängd ( λ ) hos antennen. I denna region är de oscillerande elektriska och magnetiska fälten separata och kraft kan överföras via elektriska fält genom kapacitiv koppling ( elektrostatisk induktion ) mellan metallelektroder, eller via magnetfält genom induktiv koppling ( elektromagnetisk induktion ) mellan trådspolar. Dessa fält är inte strålande , vilket innebär att energin stannar inom ett kort avstånd från sändaren. Om det inte finns någon mottagningsanordning eller absorberande material inom sitt begränsade område att "koppla" till, lämnar ingen ström från sändaren. Räckvidden för dessa fält är kort och beror på storleken och formen på "antenn" -enheterna, som vanligtvis är trådspolar. Fälten, och därmed den överförda effekten, minskar exponentiellt med avståndet, så om avståndet mellan de två "antennerna" D _-intervallet är mycket större än diametern på "antennerna" D _{-myran kommer} mycket liten effekt att tas emot. Därför kan dessa tekniker inte användas för kraftöverföring över långa avstånd.

Resonans , såsom resonansinduktiv koppling , kan öka kopplingen mellan antennerna kraftigt, vilket möjliggör effektiv överföring på något större avstånd, även om fälten fortfarande minskar exponentiellt. Därför är utbudet av närfältsenheter konventionellt uppdelat i två kategorier:

• Kort avstånd - upp till cirka en antenndiameter: D _-område  ≤  D _ant . Detta är intervallet inom vilket vanlig icke -resonans kapacitiv eller induktiv koppling kan överföra praktiska mängder effekt.
• Mellanklass- upp till 10 gånger antennens diameter: D- _område  ≤ 10 D _ant . Detta är intervallet över vilket resonanskapacitiv eller induktiv koppling kan överföra praktiska mängder effekt.

• Fjärrområdet eller radiativ region - Beyond ca en våglängd ( λ ) hos antennen, de elektriska och magnetiska fälten är vinkelräta mot varandra och utbreder som en elektromagnetisk våg ; exempel är radiovågor , mikrovågor eller ljusvågor . Denna del av energin är strålande , vilket betyder att den lämnar antennen oavsett om det finns en mottagare för att absorbera den eller inte. Den del av energin som inte träffar den mottagande antennen försvinner och går förlorad för systemet. Mängden effekt som avges som elektromagnetiska vågor av en antenn beror på förhållandet mellan antennens storlek D _ant och våglängden för vågorna λ , som bestäms av frekvensen: λ  =  c/f . Vid låga frekvenser f där antennen är mycket mindre än vågornas storlek, D _ant  <<  λ , utstrålas väldigt lite effekt. Därför utstrålar närfältsenheterna ovan, som använder lägre frekvenser, nästan ingen av deras energi som elektromagnetisk strålning. Antenner av ungefär samma storlek som våglängden D _ant  ≈  λ såsom monopol- eller dipolantenner , strålar ut kraft effektivt, men de elektromagnetiska vågorna strålas i alla riktningar ( omnidirektionellt ), så om den mottagande antennen är långt borta, bara en liten mängd av strålningen kommer att träffa den. Därför kan dessa användas för korta, ineffektiva kraftöverföringar men inte för långdistansöverföring.

Till skillnad från fält kan emellertid elektromagnetisk strålning fokuseras genom reflektion eller brytning i strålar. Genom att använda en höghastighetsantenn eller optiskt system som koncentrerar strålningen till en smal stråle riktad mot mottagaren kan den användas för kraftöverföring över långa avstånd . Från Rayleigh -kriteriet , för att producera de smala strålarna som är nödvändiga för att fokusera en betydande mängd energi på en avlägsen mottagare, måste en antenn vara mycket större än våglängden för de använda vågorna: D _ant  >>  λ  =  c/f . Praktiska strålenheter kräver våglängder i centimeterområdet eller lägre, motsvarande frekvenser över 1 GHz, i mikrovågsområdet eller högre.

Near-field (nonradiative) tekniker

På stort relativt avstånd är närfältskomponenterna i elektriska och magnetiska fält ungefär kvasi-statiska oscillerande dipolfält . Dessa fält minskar med avståndskuben: ( D _-område / D _-ant ) ⁻³ Eftersom effekten är proportionell mot kvadraten för fältstyrkan minskar den överförda effekten som ( D _-område / D _-ant ) ⁻⁶ . eller 60 dB per decennium. Med andra ord, om det är långt ifrån varandra, kan fördubbling av avståndet mellan de två antennerna få den mottagna effekten att minska med en faktor 2 ⁶ = 64. Som ett resultat kan induktiv och kapacitiv koppling endast användas för kraftöverföring inom kort avstånd, inom några gånger diametern för antennanordningen D _ant . Till skillnad från i ett strålningssystem där den maximala strålningen uppstår när dipolantennerna är orienterade tvärs för förökningsriktningen, med dipolfält uppstår den maximala kopplingen när dipolerna är orienterade i längdriktningen.

Induktiv koppling

Generiskt blockdiagram över ett induktivt trådlöst energisystem

(vänster) Modern induktiv kraftöverföring, en elektrisk tandborstsladdare. En spole i stativet producerar ett magnetfält som inducerar en växelström i en spole i tandborsten, som rättas till för att ladda batterierna.
(höger) En glödlampa som drivs trådlöst genom induktion, 1910.

Vid induktiv koppling ( elektromagnetisk induktion eller induktiv kraftöverföring , IPT) överförs effekt mellan trådspolar av ett magnetfält . Sändaren och mottagarspolarna bildar tillsammans en transformator (se diagram) . En växelström (AC) genom sändarspolen (L1) skapar ett oscillerande magnetfält (B) enligt Amperes lag . Magnetfältet passerar genom mottagningsspolen (L2) , där det inducerar en växlande EMF ( spänning ) genom Faradays induktionslag , vilket skapar en växelström i mottagaren. Den inducerade växelströmmen kan antingen driva lasten direkt eller rättas till likström (DC) av en likriktare i mottagaren, som driver lasten. Några system, till exempel elektriska tandborstladdningsställ, fungerar vid 50/60 Hz så att nätströmmen appliceras direkt på sändarspolen, men i de flesta system genererar en elektronisk oscillator en högre frekvens växelström som driver spolen, eftersom överföringseffektivitet förbättras med frekvensen .

Induktiv koppling är den äldsta och mest använda trådlösa energitekniken och praktiskt taget den enda som hittills används i kommersiella produkter. Den används i induktiva laddningsställ för sladdlösa apparater som används i våta miljöer som elektriska tandborstar och rakapparater, för att minska risken för elektriska stötar. Ett annat användningsområde är "transkutan" laddning av biomedicinska protesanordningar implanterade i människokroppen, såsom hjärtstimulatorer och insulinpumpar , för att undvika att ledningar passerar genom huden. Det används också för att ladda elfordon som bilar och för att antingen ladda eller driva transiteringsfordon som bussar och tåg.

Men den snabbast växande användningen är trådlösa laddningsplattor för att ladda mobila och handhållna trådlösa enheter som bärbara och surfplattor , datormus , mobiltelefoner , digitala mediaspelare och videospelkontroller . I USA gav Federal Communications Commission (FCC) sin första certifiering för ett trådlöst överföringsladdningssystem i december 2017.

Den överförda effekten ökar med frekvensen och den ömsesidiga induktansen mellan spolarna, vilket beror på deras geometri och avståndet mellan dem. En allmänt använd merit är kopplingskoefficienten . Denna dimensionslösa parameter är lika med fraktionen av magnetflöde genom sändarspolen som passerar genom mottagarspolen när L2 är öppen. Om de två spolarna är på samma axel och nära varandra så allt det magnetiska flödet från passerar genom , och länkeffektivitet närmar 100%. Ju större avståndet mellan spolarna, desto mer av magnetfältet från den första spolen missar den andra, och den lägre och länkeffektiviteten närmar sig noll vid stora separationer. Länkeffektiviteten och överförd effekt är ungefär proportionell mot . För att uppnå hög effektivitet måste spolarna ligga mycket nära varandra, en bråkdel av spolens diameter , vanligtvis inom centimeter, med spolarnas axlar inriktade. Breda, platta spiralformer används vanligtvis för att öka kopplingen. Ferrit "flux confinement" -kärnor kan begränsa magnetfälten, förbättra kopplingen och minska störningar till elektronik i närheten, men de är tunga och skrymmande så små trådlösa enheter använder ofta luft-kärnspolar. ${\ displaystyle M}$${\ displaystyle D _ {\ text {intervall}}}$ ${\ displaystyle k \; = \; M/{\ sqrt {L_ {1} L_ {2}}}}$${\ displaystyle L1}$${\ displaystyle L2}$${\ displaystyle L1}$${\ displaystyle L2}$${\ displaystyle k = 1}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle k^{2}}$${\ displaystyle D _ {\ text {ant}}}$

Vanlig induktiv koppling kan endast uppnå hög verkningsgrad när spolarna ligger mycket nära varandra, vanligtvis intill varandra. I de flesta moderna induktiva system används resonansinduktiv koppling (beskrivs nedan) , där effektiviteten ökas genom att använda resonanskretsar . Detta kan uppnå hög effektivitet på större avstånd än icke -resonant induktiv koppling.

Prototyp induktiv laddningssystem för elbilar vid Tokyo Auto Show 2011

Powermat induktiva laddningsplatser i ett kafé. Kunder kan ställa in sina telefoner och datorer för att ladda.

Trådlöst drivet åtkomstkort.

GM EV1 och Toyota RAV4 EV induktivt laddning vid en nu-föråldrade Magne Charge stationen

Resonant induktiv koppling

Resonant induktiv koppling ( elektrodynamisk koppling , starkt kopplad magnetisk resonans ) är en form av induktiv koppling där kraft överförs av magnetfält (B, grönt) mellan två resonanskretsar (avstämda kretsar), en i sändaren och en i mottagaren ( se diagram, höger) . Varje resonanskrets består av en trådspole ansluten till en kondensator , eller en självresonantspole eller annan resonator med intern kapacitans. De två är inställda för att resonera vid samma resonansfrekvens . Resonansen mellan spolarna kan kraftigt öka kopplingen och kraftöverföringen, analogt med hur en vibrerande stämgaffel kan framkalla sympatisk vibration i en avlägsen gaffel som är inställd på samma tonhöjd.

Nikola Tesla upptäckte först resonanskoppling under sina banbrytande experiment inom trådlös kraftöverföring runt 1900 -talets början, men möjligheterna att använda resonanskoppling för att öka överföringsområdet har först nyligen undersökts. År 2007 använde ett team som leddes av Marin Soljačić vid MIT två kopplade avstämda kretsar var och en av en 25 cm självresonant trådspole vid 10 MHz för att uppnå överföring av 60 W effekt över ett avstånd av 2 meter (6,6 fot) ( 8 gånger spolens diameter) vid cirka 40% effektivitet.

Konceptet bakom resonanta induktiva kopplingssystem är att resonatorer med hög Q -faktor utbyter energi i mycket högre takt än att de tappar energi på grund av intern dämpning . Därför kan samma mängd ström överföras på större avstånd genom att använda resonans med hjälp av de mycket svagare magnetiska fälten ute i de perifera områdena ("svansar") i de nära fälten. Resonant induktiv koppling kan uppnå hög effektivitet vid intervall från 4 till 10 gånger spolens diameter ( D _ant ). Detta kallas "mellanklass" -överföring, i motsats till det "korta intervallet" för icke-resonant induktiv överföring, som endast kan uppnå liknande effektivitet när spolarna ligger intill. En annan fördel är att resonanskretsar interagerar med varandra så mycket starkare än de gör med icke -resonanta föremål att effektförluster på grund av absorption i förblivna närliggande objekt är försumbara.

En nackdel med resonanskopplingsteorin är att vid nära intervall när de två resonanskretsarna är tätt kopplade är systemets resonansfrekvens inte längre konstant utan "delas" upp i två resonantoppar, så att maximal effektöverföring inte längre sker vid originalet resonansfrekvens och oscillatorfrekvens måste ställas in på den nya resonansstoppen.

Resonantteknologi införlivas för närvarande i moderna induktiva trådlösa kraftsystem. En av möjligheterna för denna teknik är trådlös energitäckning i området. En spole i vägg eller tak i ett rum kan trådlöst driva lampor och mobila enheter var som helst i rummet, med rimlig effektivitet. En miljömässig och ekonomisk fördel med att trådlöst driva små enheter som klockor, radioapparater, musikspelare och fjärrkontroller är att det drastiskt kan minska de 6 miljarder batterier som slängs varje år, en stor källa till giftigt avfall och grundvattenförorening.

Kapacitiv koppling

Kapacitiv koppling, även kallad elektrisk koppling, använder elektriska fält för överföring av kraft mellan två elektroder (en anod och katod ) som bildar en kapacitans för kraftöverföring. Vid kapacitiv koppling ( elektrostatisk induktion ), konjugatet för induktiv koppling , överförs energi av elektriska fält mellan elektroder som metallplattor. Sändar- och mottagarelektroderna bildar en kondensator , med det mellanliggande utrymmet som dielektrikum . En växelspänning som genereras av sändaren appliceras på sändplattan, och det oscillerande elektriska fältet inducerar en växlande potential på mottagarplattan genom elektrostatisk induktion , vilket får en växelström att strömma i lastkretsen. Mängden överförd effekt ökar med frekvensen kvadrat för spänningen och kapacitansen mellan plattorna, som är proportionell mot ytan på den mindre plattan och (för korta avstånd) omvänt proportionell mot separationen.

Kapacitiva trådlösa kraftsystem

Bipolär koppling

Monopolär koppling

Kapacitiv koppling har bara använts praktiskt taget i ett fåtal lågeffektsapplikationer, eftersom de mycket höga spänningarna på elektroderna som krävs för att överföra betydande effekt kan vara farliga och kan orsaka obehagliga biverkningar såsom skadlig ozonproduktion . Dessutom, i motsats till magnetfält, interagerar elektriska fält starkt med de flesta material, inklusive människokroppen, på grund av dielektrisk polarisering . Mellanliggande material mellan eller nära elektroderna kan absorbera energin, i fallet med människor som möjligen kan orsaka överdriven elektromagnetisk fältexponering. Kapacitiv koppling har dock några fördelar jämfört med induktiv koppling. Fältet är i stor utsträckning begränsat mellan kondensatorplattorna, vilket minskar störningar, vilket vid induktiv koppling kräver tunga ferritkärnor med "flussbegränsning". Kraven på justering mellan sändare och mottagare är också mindre kritiska. Kapacitiv koppling har nyligen applicerats på laddning av batteridrivna bärbara enheter samt laddning eller kontinuerlig trådlös kraftöverföring i biomedicinska implantat, och betraktas som ett sätt att överföra kraft mellan substratlager i integrerade kretsar.

Två typer av kretsar har använts:

• Tvärgående (bipolär) design: I denna typ av kretsar finns det två sändarplattor och två mottagarplattor. Varje sändarplatta är kopplad till en mottagarplatta. Sändar oscillator driver sändarplattorna i motsatt fas (180 ° fasskillnad) av en hög växelspänning, och belastningen är ansluten mellan de två mottagarplattorna. De växlande elektriska fälten inducerar alternerande potentialer i motsatt fas i mottagarplattorna, och denna "push-pull" -åtgärd får ström att strömma fram och tillbaka mellan plattorna genom lasten. En nackdel med denna konfiguration för trådlös laddning är att de två plattorna i mottagningsanordningen måste vara inriktade ansikte mot ansikte mot laddarplattorna för att enheten ska fungera.
• Längsgående (unipolär) design: I denna typ av kretsar har sändaren och mottagaren endast en aktiv elektrod, och antingen marken eller en stor passiv elektrod fungerar som returvägen för strömmen. Sändaroscillatorn är ansluten mellan en aktiv och en passiv elektrod. Lasten är också ansluten mellan en aktiv och en passiv elektrod. Det elektriska fältet som produceras av sändaren inducerar alternerande laddningsförskjutning i lastdipolen genom elektrostatisk induktion .

Resonant kapacitiv koppling

Resonans kan också användas med kapacitiv koppling för att utöka intervallet. I början av 1900 -talet gjorde Nikola Tesla de första experimenten med både resonansinduktiv och kapacitiv koppling.

Magnetodynamisk koppling

I denna metod överförs effekt mellan två roterande armaturer , en i sändaren och en i mottagaren, som roterar synkront, kopplade ihop av ett magnetfält som genereras av permanentmagneter på armaturerna. Sändararmaturen vrids antingen av eller som rotorn på en elektrisk motor , och dess magnetfält utövar vridmoment på mottagarankaret och vrider det. Magnetfältet fungerar som en mekanisk koppling mellan armaturerna. Mottagararmaturen producerar kraft för att driva lasten, antingen genom att vrida en separat elektrisk generator eller genom att använda mottagarankaret själv som rotorn i en generator.

Denna enhet har föreslagits som ett alternativ till induktiv kraftöverföring för icke -kontaktladdning av elfordon . En roterande armatur inbäddad i ett garagegolv eller en trottoarkant skulle vända en mottagararmatur i fordonets undersida för att ladda batterierna. Det påstås att denna teknik kan överföra kraft över avstånd på 10 till 15 cm (4 till 6 tum) med hög effektivitet, över 90%. Lågfrekventa strålande magnetfält som produceras av de roterande magneterna producerar också mindre elektromagnetisk störning till elektroniska enheter i närheten än de högfrekventa magnetfält som produceras av induktiva kopplingssystem. Ett prototypsystem som laddar elfordon har varit i drift vid University of British Columbia sedan 2012. Andra forskare hävdar dock att de två energiomvandlingarna (elektriska till mekaniska till elektriska igen) gör systemet mindre effektivt än elektriska system som induktiv koppling.

Zenneck Wave Transmission

En ny typ av system som använder vågor av Zenneck-typen visades av Oruganti et al., Där de visade att det var möjligt att excitera vågor av Zenneck-vågtyp på platta metall-luftgränssnitt och överföra kraft över metallhinder. Här är tanken att excitera en lokal laddningsoscillation vid metall-luft-gränssnittet, de resulterande lägena sprider sig längs metall-luft-gränssnittet.

Far-field (strålande) tekniker

Fjärrmetoder uppnår längre avstånd, ofta flera kilometer, där avståndet är mycket större än enhetens (er) diameter. Hög riktningsantenner eller väl kollimerad laserljus producerar en stråle av energi som kan göras för att passa formen på den mottagande arean. Den maximala direktiviteten för antenner är fysiskt begränsad av diffraktion .

I allmänhet är synligt ljus (från lasrar) och mikrovågor (från specialdesignade antenner) de former av elektromagnetisk strålning som är bäst lämpad för energiöverföring.

Dimensionerna hos komponenterna kan dikteras av avståndet från sändaren till mottagaren , den våglängd och Rayleigh-kriteriet eller diffraktion gräns, som används i standardradiofrekvensantenndesign, vilket även gäller för lasrar. Airys diffraktionsgräns används också ofta för att bestämma en ungefärlig fläckstorlek på ett godtyckligt avstånd från bländaren . Elektromagnetisk strålning upplever mindre diffraktion vid kortare våglängder (högre frekvenser); så till exempel, en blå laser diffrakteras mindre än en röd.

Den Rayleigh gräns (även känd som Abbe diffraktionsgränsen ), trots att de ursprungligen appliceras på bildupplösning, kan ses i backläget och dikterar att irradiansen (eller intensitet ) om varje elektromagnetisk våg (såsom en mikrovågsugn eller laserstråle) kommer att vara reduceras när strålen avviker över avståndet med en minsta hastighet omvänt proportionell mot bländarstorleken. Ju större förhållandet mellan en sändande antennöppning eller lasers utgångsöppning och strålningens våglängd , desto mer kan strålningen koncentreras till en kompakt stråle

Mikrovågsstrålning kan vara effektivare än lasrar och är mindre benägna att dämpa atmosfären orsakad av damm eller aerosoler som dimma.

Här beräknas effektnivåerna genom att kombinera ovanstående parametrar och lägga till vinster och förluster på grund av antennegenskaperna och transparensen och spridningen av mediet genom vilket strålningen passerar. Den processen kallas att beräkna en länkbudget .

Mikrovågor

En konstnärs skildring av en solsatellit som kan skicka energi med mikrovågor till ett rymdkärl eller planetyta.

Kraftöverföring via radiovågor kan göras mer riktad, vilket möjliggör strålning över längre avstånd, med kortare våglängder för elektromagnetisk strålning, vanligtvis inom mikrovågsområdet . En rektenna kan användas för att omvandla mikrovågsenergin till elektricitet. Rectenna -konverteringseffektivitet som överstiger 95% har realiserats. Effektstrålning med hjälp av mikrovågor har föreslagits för överföring av energi från kretsande solenergisatelliter till jorden och strålning av kraft till rymdfarkoster som lämnar bana har övervägts.

Effektstrålning från mikrovågor har svårigheten att för de flesta rymdapplikationer är de nödvändiga bländarstorlekarna mycket stora på grund av diffraktionsbegränsande antennriktning. Exempelvis krävde 1978 års NASA- studie av solenergisatelliter en sändarantenn på 1 kilometer (0,62 mi) och en mottagningsrektenna på 10 kilometer (6,2 mi) för en mikrovågsstråle vid 2,45 GHz . Dessa storlekar kan minskas något genom att använda kortare våglängder, även om korta våglängder kan ha svårigheter med atmosfärisk absorption och strålblockering av regn eller vattendroppar. På grund av den " tunnade-array-förbannelsen " är det inte möjligt att göra en smalare stråle genom att kombinera strålarna från flera mindre satelliter.

För jordbundna applikationer tillåter ett mottagningsarrangemang med en stor yta på 10 km diameter stora totala effektnivåer vid användning vid den låga effekttätheten som föreslås för mänsklig elektromagnetisk exponeringssäkerhet. En human säker effekttäthet av 1 mW / cm ² fördelade över en 10 km area diameter motsvarar 750 megawatt total effektnivå. Detta är effektnivån som finns i många moderna elkraftverk. Som jämförelse kan en solcellsanläggning med liknande storlek lätt överstiga 10 000 megawatt (avrundade) vid bästa förhållanden under dagtid.

Efter andra världskriget, där utvecklingen av kraftfulla mikrovågssändare som kallas kavitetsmagnetroner utvecklades, undersöktes tanken på att använda mikrovågor för att överföra kraft. År 1964 hade en miniatyrhelikopter som drivs av mikrovågskraft demonstrerats.

Japanska forskaren Hidetsugu Yagi undersökte också trådlös energitransmission med hjälp av en riktad matrisantenn som han konstruerade. I februari 1926 publicerade Yagi och hans kollega Shintaro Uda sitt första papper om den avstämda riktningsuppsättningen med hög förstärkning som nu kallas Yagi-antennen . Även om den inte visade sig vara särskilt användbar för kraftöverföring, har denna strålantenn antagits allmänt inom sändnings- och trådlösa telekommunikationsindustrier på grund av dess utmärkta prestandaegenskaper.

Trådlös högeffektöverföring med mikrovågor är väl beprövad. Experiment på tiotals kilowatt har utförts på Goldstone i Kalifornien 1975 och nyligen (1997) på Grand Bassin på Reunion Island . Dessa metoder når avstånd i storleksordningen en kilometer.

Under experimentella förhållanden uppmättes mikrovågsomvandlingseffektiviteten till cirka 54% över en meter.

En ändring till 24 GHz har föreslagits eftersom mikrovågssändare som liknar lysdioder har gjorts med mycket hög kvanteffektivitet med negativ resistans , dvs Gunn- eller IMPATT -dioder, och detta skulle vara livskraftigt för länkar med korta avstånd.

År 2013 demonstrerade uppfinnaren Hatem Zeine hur trådlös kraftöverföring med fasade matrisantenner kan leverera elektrisk ström upp till 30 fot. Den använder samma radiofrekvenser som WiFi.

År 2015 introducerade forskare vid University of Washington ström över Wi-Fi, som sipprar batterier och drivna batterifria kameror och temperatursensorer med hjälp av överföringar från Wi-Fi-routrar. Wi-Fi-signaler visade sig driva batterifri temperatur och kamerasensorer i intervall upp till 20 fot. Det visades också att Wi-Fi kan användas för att trådlöst sippra laddning av nickel-metallhydrid och litiumjon-myntcellsbatterier på avstånd upp till 28 fot.

År 2017 certifierade Federal Communication Commission (FCC) den första radiofrekvenssändaren (RF) för mellanfält för trådlös ström.

Lasrar

En laserstråle centrerad på en panel av fotovoltaiska celler ger tillräckligt med ström till ett lätt modellflygplan för att det ska kunna flyga.

Vid elektromagnetisk strålning närmare spektrumets synliga område (.2 till 2 mikrometer ) kan ström överföras genom att omvandla elektricitet till en laserstråle som tas emot och koncentreras till fotovoltaiska celler (solceller). Denna mekanism är allmänt känd som 'effektstrålning' eftersom kraften strålas från en mottagare som kan omvandla den till elektrisk energi. På mottagaren appliceras speciella fotovoltaiska laseromvandlare som är optimerade för monokromatisk ljusomvandling.

Fördelar jämfört med andra trådlösa metoder är:

• Kollimerad monokromatisk vågfrontsutbredning tillåter smalt stråle tvärsnittsarea för överföring över stora avstånd. Som ett resultat blir det liten eller ingen minskning av effekten när avståndet från sändaren till mottagaren ökar.
• Kompakt storlek: solid state -lasrar passar in i små produkter.
• Ingen radiofrekvensstörning för befintlig radiokommunikation som Wi-Fi och mobiltelefoner.
• Åtkomstkontroll: endast mottagare som träffas av lasern får ström.

Nackdelarna inkluderar:

• Laserstrålning är farligt. Utan en ordentlig säkerhetsmekanism kan låga effektnivåer blinda människor och andra djur. Höga effektnivåer kan döda genom lokaliserad punktvärme.
• Omvandlingen mellan el och ljus är begränsad. Solceller uppnår maximalt 40% –50% effektivitet.
• Atmosfärisk absorption, och absorption och spridning av moln, dimma, regn, etc. orsakar upp till 100% förluster.
• Kräver en direkt siktlinje med målet. (I stället för att strålas direkt på mottagaren kan laserljuset också styras av en optisk fiber. Då talar man om power-over-fiber- teknik.)

Laser 'powerbeaming' teknik undersöktes i militära vapen och rymdtillämpningar. Det tillämpas också för att driva olika typer av sensorer i industriella miljöer. På senare tid har den utvecklats för att driva kommersiell och konsumentelektronik . Trådlösa energioverföringssystem som använder lasrar för konsumentutrymme måste uppfylla laserskyddskrav som är standardiserade enligt IEC 60825.

Det första trådlösa kraftsystemet som använde lasrar för konsumentapplikationer demonstrerades 2018 och kan leverera ström till stationära och rörliga enheter över ett rum. Detta trådlösa kraftsystem överensstämmer med säkerhetsföreskrifter enligt standarden IEC 60825. Det är också godkänt av US Food and Drugs Administration (FDA).

Andra detaljer inkluderar utbredning och problem med koherens och intervallbegränsning .

Geoffrey Landis är en av pionjärerna inom solenergisatelliter och laserbaserad överföring av energi, särskilt för rymd- och månuppdrag. Kravet på säkra och frekventa rymduppdrag har resulterat i förslag på en laserdriven rymdhiss .

NASA: s Dryden Flight Research Center har visat ett lätt obemannat modellplan som drivs av en laserstråle. Detta proof-of-concept visar genomförbarheten av periodisk laddning med hjälp av ett laserstrålesystem.

Forskare från den kinesiska vetenskapsakademin har utvecklat ett proof-of-concept för att använda en laser med två våglängder för att trådlöst ladda bärbara enheter eller UAV.

Atmosfärisk plasmakanalkoppling

I atmosfärisk plasmakanalkoppling överförs energi mellan två elektroder genom elektrisk ledning genom joniserad luft. När det finns en elektrisk fältgradient mellan de två elektroderna, som överstiger 34 kilovolt per centimeter vid atmosfärstryck vid havsnivån, uppstår en ljusbåge. Denna atmosfäriska dielektriska nedbrytning resulterar i flödet av elektrisk ström längs en slumpmässig bana genom en joniserad plasmakanal mellan de två elektroderna. Ett exempel på detta är naturligt blixtnedslag, där en elektrod är en virtuell punkt i ett moln och den andra är en punkt på jorden. Laserinducerad plasmakanal (LIPC) forskning pågår för närvarande med hjälp av ultrasnabba lasrar för att artificiellt främja utvecklingen av plasmakanalen genom luften, styra den elektriska ljusbågen och styra strömmen över en specifik väg på ett kontrollerbart sätt. Laserenergin minskar den atmosfäriska dielektriska nedbrytningsspänningen och luften görs mindre isolerande genom överhettning, vilket sänker densiteten ( ) för luftfilamentet. ${\ displaystyle p}$

Denna nya process utforskas för användning som en laserblixten och som ett sätt att utlösa blixtnedslag från moln för naturliga blixtkanalstudier, för artificiella atmosfäriska utbredningsstudier, som en ersättning för konventionella radioantenner, för applikationer som är förknippade med elektrisk svetsning och bearbetning, för att avleda kraft från högspänningskondensatorurladdningar, för riktade energivapenapplikationer som använder elektrisk ledning genom en markreturväg och elektronisk störning .

Energiskörd

I samband med trådlös kraft är energiupptagning , även kallad kraftavverkning eller energisvängning , omvandling av omgivande energi från miljön till elektrisk kraft, främst för att driva små autonoma trådlösa elektroniska enheter. Den omgivande energin kan komma från avlägsna elektriska eller magnetiska fält eller radiovågor från närliggande elektrisk utrustning, ljus, värmeenergi (värme) eller rörelseenergi som vibration eller rörelse i enheten. Även om konverteringseffektiviteten vanligtvis är låg och kraften som samlats in ofta liten (milliwatt eller mikrowatt) kan det vara tillräckligt att köra eller ladda små mikropower trådlösa enheter som fjärrsensorer , som sprids på många områden. Denna nya teknik utvecklas för att eliminera behovet av batteribyte eller laddning av sådana trådlösa enheter, så att de kan fungera helt autonomt.

Historia

1800 -talets utveckling och återvändsgrändar

1800-talet såg många utvecklingar av teorier och motteorier om hur elektrisk energi kan överföras. År 1826 fann André-Marie Ampère Ampères cirkulationslag som visar att elektrisk ström producerar ett magnetfält. Michael Faraday beskrev 1831 med sin induktionslag den elektromotoriska kraften som driver en ström i en ledarslinga med ett tidsvarierande magnetflöde. Överföring av elektrisk energi utan ledningar observerades av många uppfinnare och experimenterare, men bristen på en sammanhängande teori tillskrev dessa fenomen vagt till elektromagnetisk induktion . En kortfattad förklaring av dessa fenomen skulle komma från Maxwells ekvationer från 1860 -talet av James Clerk Maxwell , som fastställde en teori som förenade elektricitet och magnetism till elektromagnetism och förutsäger förekomsten av elektromagnetiska vågor som den "trådlösa" bäraren av elektromagnetisk energi. Runt 1884 definierade John Henry Poynting Poyntingsvektorn och gav Poyntings teorem , som beskriver kraftflödet över ett område inom elektromagnetisk strålning och möjliggör en korrekt analys av trådlösa kraftöverföringssystem. Detta följdes upp av Heinrich Rudolf Hertz 1888 validering av teorin, som inkluderade bevis för radiovågor .

Under samma period presenterades två system för trådlös signalering av William Henry Ward (1871) och Mahlon Loomis (1872) som baserades på den felaktiga tron ​​att det fanns ett elektrifierat atmosfärskikt tillgängligt på låg höjd. Båda uppfinnarnas patent noterade att detta lager som är kopplat till en returväg med hjälp av "jordströmmar" skulle möjliggöra trådlös telegrafi samt leverera ström till telegrafen, göra bort konstgjorda batterier och kan också användas för belysning, värme och motiv kraft. En mer praktisk demonstration av trådlös överföring via ledning kom i Amos Dolbears magneto elektriska telefon från 1879 som använde jordledning för att överföra över en sträcka på en kvarts mil.

Tesla

Tesla demonstrerade trådlös överföring genom "elektrostatisk induktion" under en föreläsning 1891 vid Columbia College . De två metallplåtarna är förbundna med en Tesla spole oscillator, som gäller högspänningsradiofrekvens växelström. Ett oscillerande elektriskt fält mellan arken joniserar lågtrycksgasen i de två långa Geissler-rören i händerna, vilket får dem att lysa på ett sätt som liknar neonrör .

Efter 1890 experimenterade uppfinnaren Nikola Tesla med överföringseffekt genom induktiv och kapacitiv koppling med gnist-exciterade radiofrekvensresonanta transformatorer , nu kallade Tesla-spolar , vilket genererade höga växelspänningar. Tidigt försökte han utveckla ett trådlöst belysningssystem baserat på induktiv och kapacitiv koppling i närheten av fältet och genomförde en rad offentliga demonstrationer där han tände Geissler-rör och till och med glödlampor från ett scenen. Han fann att han kunde öka avståndet på vilket han kunde tända en lampa genom att använda en mottagande LC -krets inställd på resonans med sändarens LC -krets. med resonansinduktiv koppling . Tesla misslyckades med att göra en kommersiell produkt av sina fynd, men hans resonanta induktiva kopplingsmetod används nu i stor utsträckning inom elektronik och tillämpas för närvarande på trådlösa kortdistanssystem.

(vänster) Experiment med resonant induktiv överföring av Tesla vid Colorado Springs 1899. Spolen är i resonans med Teslas förstoringssändare i närheten och driver lampan i botten. (höger) Teslas misslyckade kraftstation i Wardenclyffe.

Tesla utvecklade ett trådlöst energidistributionssystem som han hoppades skulle kunna överföra ström över långa avstånd direkt till hem och fabriker. Tidigt tycktes han låna av Mahlon Loomis idéer och föreslog ett system bestående av ballonger för att avbryta sändande och mottagande elektroder i luften över 30 000 fot (9 100 m) i höjd, där han trodde att trycket skulle tillåta honom att skicka högspänningar (miljoner volt) långa sträckor. För att ytterligare studera den ledande karaktären hos lågtrycksluft inrättade han en testanläggning på hög höjd i Colorado Springs under 1899. Experiment som han utförde där med en stor spole som arbetar i megavoltsområdet, samt observationer han gjorde av det elektroniska bullret från blixtnedslag, ledde till att han felaktigt kom fram till att han kunde använda hela jordklotet för att leda elektrisk energi. Teorin inkluderade att driva växelströmspulser in i jorden vid dess resonansfrekvens från en jordad Tesla -spole som arbetar mot en förhöjd kapacitans för att få jordens potential att pendla. Tesla trodde att detta skulle göra det möjligt att ta emot växelström med en liknande kapacitiv antenn inställd på resonans med den när som helst på jorden med mycket liten strömförlust. Hans observationer fick honom också att tro att en högspänning som används i en spole vid en höjd av några hundra fot skulle "bryta ner luftlagret", vilket eliminerar behovet av miles av kabel som hänger på ballonger för att skapa sin atmosfäriska returkrets. Tesla skulle nästa år föreslå ett " World Wireless System " som skulle sända både information och kraft över hela världen. År 1901, i Shoreham, New York, försökte han bygga ett stort trådlöst kraftuttag med hög spänning, nu kallat Wardenclyffe Tower , men 1904 torkade investeringarna och anläggningen blev aldrig klar.

Near-field och icke-strålande teknik

Induktiv kraftöverföring mellan närliggande trådspolar var den tidigaste trådlösa krafttekniken som har utvecklats, existerande sedan transformatorn utvecklades på 1800 -talet. Induktionsvärme har använts sedan början av 1900 -talet.

Med tillkomsten av sladdlösa enheter har induktionsladdningsställ utvecklats för apparater som används i våta miljöer, som elektriska tandborstar och elektriska rakhyvlar , för att eliminera risken för elektriska stötar. En av de tidigaste föreslagna tillämpningarna av induktiv överföring var att driva elektriska lok. År 1892 patenterade Maurice Hutin och Maurice Leblanc en trådlös metod för att driva järnvägståg med hjälp av resonansspolar induktivt kopplade till en spårtråd vid 3 kHz.

I början av 1960 -talet användes framgångsrik induktiv trådlös energiöverföring i implanterbara medicintekniska produkter inklusive sådana som pacemaker och artificiella hjärtan. Medan de tidiga systemen använde en resonansmottagarspole, implementerade senare system också resonanssändarspolar. Dessa medicintekniska produkter är konstruerade för hög effektivitet med lågeffektelektronik samtidigt som de effektivt rymmer en viss inriktning och dynamisk vridning av spolarna. Avståndet mellan spolarna i implanterbara applikationer är vanligtvis mindre än 20 cm. Idag används resonant induktiv energiöverföring regelbundet för att tillhandahålla elektrisk kraft i många kommersiellt tillgängliga medicinska implanterbara enheter.

De första passiva RFID -teknikerna (Radio Frequency Identification) uppfanns av Mario Cardullo (1973) och Koelle et al. (1975) och på 1990 -talet användes i närhetskort och kontaktlösa smartkort .

Utbredningen av bärbara trådlösa kommunikationsenheter som mobiltelefoner , surfplattor och bärbara datorer under de senaste decennierna driver för närvarande utvecklingen av trådlös strömförsörjning och laddningsteknik för mellanklass för att eliminera behovet av att dessa enheter ska vara bundna till vägguttag under laddning. Den trådlösa Ström Consortium bildades 2008 för att utveckla interoperabla standarder över tillverkare. Dess Qi -induktiva effektstandard som publicerades i augusti 2009 möjliggör högeffektiv laddning och drivning av bärbara enheter på upp till 5 watt över avstånd på 4 cm (1,6 tum). Den trådlösa enheten placeras på en platt laddarplatta (som till exempel kan bäddas in i bordsskivor på kaféer) och ström överförs från en platt spole i laddaren till en liknande i enheten. År 2007 använde ett team under ledning av Marin Soljačić på MIT en dubbelresonanssändare med en 25 cm diameter sekundär inställd på 10 MHz för att överföra 60 W effekt till en liknande dubbelresonansmottagare över ett avstånd på 2 meter (6,6 fot) (åtta gånger sändarspolens diameter) vid cirka 40% effektivitet.

År 2008 använde teamet av Greg Leyh och Mike Kennan från Nevada Lightning Lab en jordad dubbelresonanssändare med en 57 cm diameter sekundär inställd på 60 kHz och en liknande jordad dubbelresonansmottagare för att överföra kraft genom kopplade elektriska fält med en jordströmreturkrets över ett avstånd av 12 meter (39 fot). År 2011 återskapade doktor Christopher A. Tucker och professor Kevin Warwick från University of Reading Teslas 1900 -patent 0,645,576 i miniatyr och visade kraftöverföring över 4 meter (13 fot) med en spoldiameter på 10 centimeter (3,9 tum) vid en resonansfrekvens på 27,50 MHz, med en effektiv effektivitet på 60%.

Mikrovågor och lasrar

Före andra världskriget gjordes små framsteg inom trådlös kraftöverföring. Radio utvecklades för kommunikationsanvändning, men kunde inte användas för kraftöverföring eftersom de relativt lågfrekventa radiovågorna spred sig i alla riktningar och lite energi nådde mottagaren. I radiokommunikation, vid mottagaren, förstärker en förstärkare en svag signal med energi från en annan källa. För kraftöverföring krävdes effektiv överföring sändare som kan generera högfrekventa mikrovågor , som kan fokuseras i smala strålar mot en mottagare.

Utvecklingen av mikrovågsteknologi under andra världskriget, såsom klystron- och magnetronrören och paraboliska antenner , gjorde radiativa ( fjärrfält ) metoder praktiska för första gången, och den första trådlösa kraftöverföringen på långa avstånd uppnåddes på 1960-talet av William C. Brown . År 1964 uppfann Brown rektennan som effektivt kunde omvandla mikrovågor till likström, och 1964 demonstrerade den det med det första trådlöst drivna flygplanet, en modellhelikopter som drivs av mikrovågor som strålade från marken. En viktig motivation för mikrovågsforskning under 1970- och 1980 -talen var att utveckla en satellit för solenergi . Upptagen 1968 av Peter Glaser , skulle detta skörda energi från solljus med hjälp av solceller och stråla ner det till jorden som mikrovågor till stora rektenner, vilket skulle omvandla det till elektrisk energi på elnätet . I landmärkeförsök 1975 som teknisk chef för ett JPL/Raytheon-program visade Brown långdistansöverföring genom att stråla ut 475 W mikrovågseffekt till en rektenna en mil bort, med en mikrovågs till DC-omvandlingseffektivitet på 54%. På NASA: s Jet Propulsion Laboratory överförde han och Robert Dickinson 30 kW DC uteffekt över 1,5 km med 2,38 GHz mikrovågor från en 26 m maträtt till en 7,3 x 3,5 m rektennarray. Incident-RF till DC-konverteringseffektiviteten för rektenna var 80%. År 1983 lanserade Japan Microwave Ionosphere Nonlinear Interaction Experiment (MINIX), ett raketförsök för att testa överföring av mikrovågor med hög effekt genom jonosfären.

Under de senaste åren har forskning fokuserats på utvecklingen av trådlöst drivna drönarflygplan, som började 1959 med försvarsdepartementets projekt RAMP (Raytheon Airborne Microwave Platform) som sponsrade Browns forskning. 1987 utvecklade Canadas kommunikationsforskningscenter ett litet prototypflygplan som heter Stationary High Altitude Relay Platform (SHARP) för att vidarebefordra telekommunikationsdata mellan punkter på jorden som liknar en kommunikationssatellit . Drivs av en rektenna, den kan flyga på 21 miles (21 miles) höjd och stanna uppe i månader. År 1992 byggde ett team vid Kyoto University ett mer avancerat hantverk som heter MILAX (MIcrowave Lifted Airplane eXperiment).

År 2003 flög NASA det första laserdrivna flygplanet. Det lilla modellplanets motor drivs av el som genereras av fotoceller från en stråle av infrarött ljus från en markbaserad laser, medan ett styrsystem höll lasern riktad mot planet.

Se även

Referenser

Vidare läsning

Böcker och artiklar

Patent

externa länkar

• Howstuffworks "Hur trådlös ström fungerar"-beskriver trådlös kraftöverföring för närliggande och mellanklass med hjälp av induktions- och strålningstekniker.
• Mikrovågsöverföring , - dess historia före 1980.
• Stationär höghöjdsreläplattform (SHARP) , - mikrovågsstråldriven.
• Marin Soljačićs MIT WiTricity - trådlösa kraftöverföringssidor.
• Rezence - officiell webbplats för en trådlös strömstandard som främjas av Alliance for Wireless Power
• Qi - officiell webbplats för en trådlös strömstandard som främjas av Wireless Power Consortium
• PMA - officiell webbplats för en trådlös strömstandard som marknadsförs av Power Matters Alliance
• WiPow - officiell webbplats för WiPow -koalitionen, som främjar standardiserad trådlös ström för medicinska, mobila och hjulenheter