Må kraften være med dig og dine enheder. Trådløs oplader

Den berømte Nikola Tesla var besat af én idé. Han forestillede sig, at elektricitet kunne transmitteres trådløst, gennem luften over lange afstande eller ved hjælp af tårne ​​organiseret i et netværk (1). Ikke alt gik efter planen, da hans vision brugte for meget energi. Teslas ambitioner blev ikke til noget, men selve teorien blev ikke tilbagevist.

Et papir offentliggjort i januar 2021 i tidsskriftet Nature foreslog, at de ubevidst kunne bygge, hvad Tesla ikke var i stand til at bygge ved skiftet mellem det XNUMX. og XNUMX. århundrede - et "trådløst strømnet", der kunne tilpasses til opladning. eller forsyne små indlejrede enheder i biler, hjem. , arbejdspladser og fabrikker.

Fordi 5G er afhængig af et tæt netværk af master og antenner, er det muligt, at den samme infrastruktur med nogle få ændringer kan levere strøm til små enheder. Systemet vil dog stadig lide under det samme problem, som Tesla-tårnene havde – store energitab.

Designet til brug, de kan bære både internetforbindelse og elektricitet. Forsøgene brugte nye typer antenner til at lette trådløs opladning. I laboratoriet brugte forskerne 5G-links til at sende strøm over en relativt kort afstand på lidt over to meter, men de forventer, at den næste version af deres enhed vil kunne transmittere 6 mikrowatt (6 milliontedele watt) over en afstand på 180 meter. Dette er stadig ikke nok. Det er ikke nok at oplade din telefon. Den kan dog lade op eller strøm IoT-enheder, sensorer og alarmer. På fabrikker kan hundredvis af IoT-sensorer bruges til at overvåge varehuse, forudsige udstyrsnedbrud eller spore bevægelsen af ​​dele langs en produktionslinje.

For at levere trådløs strøm på dette niveau, master 5G de skal være mindst 31 kW, hvilket svarer til ti kedler kontinuerligt kogende vand. Mens frygten for, at 5G kan forårsage kræft, er blevet afkræftet af videnskabsmænd, kan mængden af ​​strøm, der kommer fra masterne, være farlig. Brugere skal være mindst 16 meter væk fra masterne i henhold til sikkerhedsforskrifter. Denne teknik er kun i sin vorden.

Mulige fremtidige løsninger, hvis blot nye antenner med smallere og mere fokuserede stråler kan reducere mængden af ​​strøm, der er nødvendig for at køre systemet. For nylig udviklede en gruppe videnskabsmænd fra Georgia Institute of Technology en lille, 3D-printet ensretterantennesom kan indsamle den elektromagnetiske energi fra 5G-netværkssignaler og bruge den til at drive enheder. Den fleksible antenne, hvis design er baseret på Rothman-objektiver, kan opsamle millimeterbølger i 28 GHz-båndet. Energi af elektromagnetiske bølger det overføres til opladeren og sendes trådløst til for eksempel bærbar elektronik eller IoT-moduler.

Løsninger som dem, der er beskrevet ovenfor, bliver allerede testet nogle steder rundt om i verden. Powerco, næststørst el distributør i New Zealand piloterer Emrod-systemet, som bruger rektenner, der fanger bølger i det elektromagnetiske spektrum svarende til frekvenser som Wi-Fi eller Bluetooth, og derefter overfører elektrisk mikrobølgeenergi fra et punkt til et andet (2). Samtidig overvåger små lasere ensretterantennerne for at registrere eventuelle forhindringer mellem relæpunkterne. "Vi har udviklet teknologien til at overføre strøm trådløst over lange afstande," siger Greg Kushnir, grundlægger af Emrod.

2. Installationssammenligning af Emrods trådløse kraftoverførselssystem med et typisk transmissionsnetværk

projekter trådløs kraftoverførsel de når det ydre rum på endnu større afstande. Som det viste sig for nylig, den mystiske Mini shuttle X-37B det bruges også af Pentagon til at teste teknologier til at overføre energi over afstand og forsyne forskellige enheder med det. X-37B har en speciel plade med en diameter på 30 centimeter, som er designet til at omdanne solenergi til mikrobølgeenergi. Det rapporteres, at resultaterne af PRAM-FX-eksperimentet i høj grad overraskede videnskabsmænd. Konverteringseffektiviteten er meget højere end forventet.

Hvad er Pentagons plan? Hæren ønsker trådløst at sende enorme mængder strøm fra kredsløb til Jorden og derefter rundt i verden. Fordelen ved denne teknologi er, at selv de værste vejrforhold ikke er bange for det. Forskere ser dets anvendelse ikke kun i baser på Mars eller Månen, hvor det vil være muligt at producere energi ét sted og derefter sende den til fjerntliggende baser, men også på Jorden, for eksempel for at overføre energi mellem fjerne objekter.

Nu er femkanten under opbygning. rumskib kaldet Arachne i Solsystemet Helios. Skibet bliver udstyret med specielle solplader og et system til at overføre energi til orbitere såvel som til Jorden. Enheden skal sendes ud i rummet allerede i 2023. Den amerikanske hær planlægger at bygge adskillige solfarme i kredsløb om Jorden i 20'erne af det XNUMX. århundrede, hvor det vil være muligt at producere energi og sende den til Jorden eller drive ruminstallationer med den.

Lignende farme vil også blive bygget i kredsløb om Månen og Mars, fordi NASA også er involveret i projektet.

Induktion eller bølger

Med "trådløs opladning" menes processen opladning af elektriske apparater og batteridrevet udstyr uden behov for en kablet elektrisk forbindelse. Generelt er der tre typer opladning: induktiv, resonans og radio.

Induktiv opladning bruger det fysiske fænomen elektromagnetisk induktion. Når vekselstrøm passerer gennem induktionsspolen i ladestationen, skaber den bevægelige elektriske ladning et magnetfelt, hvis styrke svinger.

Dette magnetiske vekselfelt skaber en elektrisk vekselstrøm i induktionsspolen på opladeren, som igen går gennem ensretteren. Jævnstrømmen oplader batteriet eller giver driftskraft. Begrebet induktiv opladning blev først udforsket af den engelske fysiker Michael Faraday i 1831 og yderligere forfinet af Nikola Tesla.

Til dato er den mest populære anvendelse af denne type teknologi i verden den trådløse Qi-opladningsstandard til smartphones, smarture og tablets (3). Induktiv opladning bruges også i køretøjer, elværktøj, elektriske tandbørster og medicinsk udstyr. Bærbare enheder kan placeres i nærheden af ​​ladestationen eller induktionskogepladen uden behov for præcis placering eller elektrisk kontakt med dockingstationen eller stikket.

3. Trådløs oplader

Store afstande mellem sender- og modtagerspoler kan opnås ved at bruge resonansinduktiv kobling i et induktivt ladesystem, hvor en kondensator tilføjes til hver induktor for at danne to kredsløb ved en specifik resonansfrekvens. AC frekvens match resonansfrekvensog dette er valgt afhængigt af den nødvendige afstand for maksimal ydeevne.

En af de mest berømte virksomheder i denne branche er lancering af WiTricity kendt for sin trådløse opladningsteknologi baseret på elektromagnetisk resonans. Virksomhedens løsninger består af sendere og modtagere, som de har magnetiske antenner indstillet til samme frekvens, hvilket gør det muligt for platformen at oplade flere enheder på samme tid.

Hovedmålet med WiTricity er at udstyre elektriske køretøjer med dette system. WiTricity har indgået et samarbejde med Toyota, som har testet lademåtter på Prius hybrider, samt Honda, Hyundai, Nissan og GM. Det var dog kun 2018 BMW 530e iPerformance 2018e, der var den første model med dette system, der kom på markedet.

Trådløs opladning radioudsendelser havde allerede præsenteret en historisk oversigt, der går tilbage til Teslas tid. Det er baseret på et andet fysisk princip - overførsel af energi ved elektromagnetiske bølger. Den opererer i øjeblikket i laveffektbåndene, selvom udviklingsarbejdet stadig er i gang.

I 2015 kunne trådløs mikrobølgeteknologi overføre 1,8 kilowatt strøm over en afstand på 55 meter. Desuden foregik dette ikke i et vakuum, men i Jordens almindelige atmosfære. Dette blev gjort af japanske forskere og blev betragtet som en stor præstation inden for kraftoverførsel uden brug af elektriske ledninger. I Japan har der i mange år været forskning i gang i trådløs strømtransmission over lange afstande. Der er også kendte planer for at få energi fra Solen ved hjælp af store solfarm i det ydre rum.

Patenter og standarder

De fleste af de mere end 2019 patenter på dette område, der er under behandling i 20-401, er i Kina - 4 (XNUMX). Amerikanske virksomheder som Qualcomm og Apple udvikler sig naturligvis også aktivt. nye trådløse opladningsteknologier. I Sydkorea arbejder Samsung og LG aktivt på dette område med deres flagskibssmartphones i Galaxy S- og V-serien, som understøtter trådløs opladning. I Japan er denne teknik på den anden side interessant for bilgiganterne Toyota og Nissan.

4. Førende lande i antallet af patenter inden for trådløs opladning

Men for at trådløs opladning kan blive udbredt, er der også brug for internationale standarder. I de senere år er to trådløse opladningsstandarder dukket op - Qi og Power Matters Alliance (PMA).

Qi bruger et område på 100…205 kHz. Ifølge Wireless Power Consortium er der i øjeblikket over 3700 Qi-certificerede enheder på markedet, der er i stand til at levere 5 til 15 watt strøm til mobile enheder.

PMA-opladningsstandarden bruger området 277…357 kHz. Også kendt som AirFuel Alliance-standarden, leverer denne trådløse mulighed op til 50 millimeter strøm, så du kan bruge dine enheder under opladning og giver dig mulighed for at oplade flere enheder på samme tid.

Selvom begge disse standarder bruger induktiv opladning og har en lignende komponentstruktur, er de ikke kompatible. Enheder kræver forskellige konfigurationer for at understøtte PMA og Qi. Mange nye enheder inkluderer den hardware, der kræves for at bruge begge opladningsstandarder. Situationen ændrer sig, da Qi ser ud til at tage over. For eksempel går Powermat, et stiftende medlem af PMA-konsortiet, over til Qi-standarden, som også er blevet adopteret af Apple som en trådløs opladningsstandard. Andre førende Qi-leverandører omfatter Apple, Asus, HTC, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, NuCurrent, Samsung, BlackBerry, Xiaomi og Sony.

På jagt efter bekvemmelighed, ydeevne og pålidelighed

Lad os tage et kig på de tilgængelige løsninger på markedet eller nyudviklede. Producenter stræber efter at gøre denne type enhed nem at bruge. Et eksempel ville være Værfts bordplader, en af ​​de førende producenter af bordplader i Storbritannien, tilbyder en teknik til at integrere trådløs opladningsteknologi i overfladen af ​​deres bordplader. Dette enkle og effektive modulære system bruger standard SupaPowa Qi-senderen, som tillader strøm at flyde mellem senderspolen og modtagerspolen i umiddelbar nærhed.

Den moderne og stilfulde bordplade skinner, når enheden oplades. Producenten tilbyder også at placere en disk lavet af kontrastmateriale på bordpladen, takket være hvilken placeringen af ​​opladningspunktet er tydeligt synlig for alle brugere: dag og nat.

Airas "FreePower"-system kan integreres i skriveborde, skriveborde og dashboards for at omdanne dem til opladere, der er i stand til at drive flere enheder samtidigt. Typiske kontaktopladere har koncentreret svingområdesom skal være på linje med smartphonen for at kunne oplade den. Aira-drevne overflader bruger flere spoler på overfladen og algoritmer, der holder styr på enheder, der oplades.

Energous' WattUp(5) trådløse opladningssystem giver brugerne mulighed for at oplade smartphones, tablets og andre enheder i samme område som platformen. WattUp fungerer på samme måde som WiTricity (magnetisk resonansbilleddannelse), men adskiller sig fra Boston-opstarten ved, at senderen bruger Bluetooth til at lede efter enheder, der kan oplades ved hjælp af Energous-appen.

En af de mest berømte på verdensmarkedet er Powermat teknik (6), kaldet SmartInducitve, baseret på magnetisk induktion, tillader strømtransmission over lange afstande, op til 40 cm, understøtter trådløs opladning med et betydeligt skift (selv når det er placeret i en vinkel), og velegnet til opladning og strømforsyning af enheder trådløst gennem vægge , på afstand, under barske udendørsforhold, under vandet og endda i miljøer med høj grad af metallicitet.

Til gengæld udvikler Elix Wireless højeffektopladere fra 1 til 000 20 W til enhver applikation og industrielle enheder. Virksomheden har specialiseret sig i "magnetodynamisk kobling" (MDC), som bruger et par roterende magneter i både sender og modtager, adskilt af en luftspalte. Rotationen af ​​magneten i senderenheden får magneten i modtageren til at rotere synkront, hvilket giver en effektiv kraftoverførsel, der producerer mindre varme end andre metoder til induktion.

Sammenlignet med alle de løsninger, der er beskrevet her, adskiller uBeam-produktet sig ved, at det bruger ultralyd til opladning. Ifølge virksomhedens beskrivelse af teknologien arbejder platformen med en højttalerlignende sender, der udsender højfrekvent lyd i området 45 til 75 kHz (uhørbar for mennesker og dyr). Den bruger derefter en phased array-antenne til at sende lyd til en mikrofonlignende modtager monteret på en enhed, der har brug for strøm. Næste ultralydsbølgeenergi omdannet til jævnstrøm. Når enheden oplades, afbrydes strømtransmissionen.

Pas på fremmedlegemer

På trods af konstant udvikling og forbedringer giver de opladningsmetoder, der i dag anvendes i praksis, stadig mange problemer. Som bemærket i en nylig artikel i The New York Times øgede opladning af en iPhone XR med Apples 12-watt kablede oplader batteriniveauet med 38 procent på 30 minutter, men at bruge en trådløs ladestation i en halv time gav kun en opladning på 24 procent.

Så resultatet er ikke særlig imponerende. Derudover, jo længere modtageren er fra senderen, jo mindre energi vil den modtage fra kilden. et magnetfelt. Opladningseffektiviteten falder ikke kun med stigende afstand, men også på grund af en "ikke-optimal" position. Derudover genererer alle metoder til energioverførsel varme. Trådløs opladning er ikke bedre, og kan i nogle tilfælde være mere problematisk, end kabelopladning.

W trådløs oplader du skal passe på fremmedlegemer i nærheden af ​​spolen, især hvis de er lavet af metal. For eksempel kan en mønt eller et sæt nøgler, der ved et uheld er placeret på en oplader, begynde at overføre energi, hvilket potentielt kan smelte genstanden og beskadige opladeren. Der er selvfølgelig enheder, der signalerer, når fremmedlegemer er, hvor de ikke burde være, men som du måske kan gætte, koster de ikke mindre end normalt.

Strøm fra tynd luft kan løse dit batteriproblem

Kampen for at forbedre dem, der stadig ikke er imponerende, intensiveres indstillinger for trådløs oplader. Virksomheder leder efter måder at gøre processen med at oplade en smartphone mere bekvem, så telefonen ikke behøver at være i nærheden af ​​en stikkontakt eller præcist placeret på en opladningsflade. I 2019 tilbød det kinesiske firma OPPO Reno Ace-telefonmodeller, der fungerede med en 65W trådløs oplader, som gjorde det muligt at lade batteriet op til 100 procent.

inden for 30 minutter. Siden da er konkurrencen om den højeste kablede ladekapacitet fortsat. I 2020 annoncerede VIVO og Xiaomi 120W kablet opladningsteknologi, der kan oplade et 4000mAh batteri på 20 minutter. Disse enheder er dog ikke tilgængelige på markedet i øjeblikket, ligesom Xiaomis annoncerede 80-watt system.

Begyndelsen af ​​2021 er en række præsentationer af langdistanceopladningssystemer til mobile enheder "uden ledninger og eventuelle ladestandere." OPPO præsenterede sin løsning for første gang. I demovideoen kan vi se, at telefonen oplader trådløst, på trods af at den er fjernet fra standeren. Kort efter denne præsentation annoncerede kineserne fra Xiaomi Mi Air Charge-systemet. Få dage senere, allerede i februar, afholdt Motorola en demonstration fjernladestation kaldet "Motorola One Hyper" (7). Og det japanske firma Aeterlink har afsløret en Airplug-enhed, som den hævder kan drive enheder op til 20 meter væk.

7. Præsentation af Motorola One Hyper-systemet til opladning af kameraer på cirka en meters afstand

I marts afslørede Xiaomi flere detaljer om sin langrækkende opladningsteknik. Dens oplader er udstyret med antenner, der er i stand til at registrere smartphonens position. Fasekontrolmatrix bestående af 144 antenner, der transmitterer millimeterbølger direkte til telefonen gennem beamforming. Den modtagende antennegruppe på 14 antenner konverterer millimeterbølgesignalet til elektricitet, som oplader telefonen.

Virksomheden sagde, at systemet "i den nærmeste fremtid" også vil kunne arbejde med smarte ure, armbånd og andre bærbare enheder. Hvad angår smartphonen, har Xiaomi udviklet en "signalantenne" og en "dummy-modtageantenne". Den første sender information om placeringen.

En af idéerne til trådløs opladning trådløs langdistanceopladersom skrues i lampefatningen. Dette er et produkt udviklet af det israelske firma Wi-Charge. Dette er brugen af ​​infrarødt lys til at overføre effekt på omkring to watt. Virksomheden fremviste teknikken på CES 2020 og vandt en innovationspris. Tanken er, at senderen skal tilsluttes traditionelle husholdningsstrømkilder og omdanne elektricitet til infrarøde laserstråler. Modtagere indbygget i enhederne vil konvertere dette lys til en strømkilde. Wi-Charge lancerer i øjeblikket sin løsning til fjernopladning af sikkerhedskameraer og smarte hylder i amerikanske butikker og varehuse.

Hvis bærbar elektronik nogensinde har haft gavn af trådløs fjernopladning, uanset om det er på et netværk som 5G eller en anden non-stop teknologi, kan batterierne reduceres i størrelse og i nogle tilfælde helt ikke bruges. . Dette løser mange af de problemer, som wearables-sektoren står over for i dag.