Transfer de energie wireless

În transmisia de energie fără fir , numită și transmisie de energie fără contact , transfer de energie fără fir sau transmisie de energie fără contact menționată, energia electrică este transferată fără contact de la un obiect la altul. O caracteristică esențială este că energia electrică necesară pentru funcționare nu este furnizată de -a lungul liniilor electrice și prin intermediul contactelor electrice, ci mai degrabă prin câmpuri electromagnetice fără fir . Acesta din urmă include și lumina, de exemplu sub forma unui fascicul laser .

Cea mai răspândită metodă este transferul inductiv de energie . În intervalul apropiat de câțiva centimetri, aceasta are o eficiență relativ ridicată de 90%. Exemple de aplicații sunt încărcarea bateriilor în dispozitive mobile, cum ar fi periuțele de dinți electrice sau telefoanele mobile , precum și transferul de energie între părțile staționare și în mișcare ale mașinii sau între traseu și vehiculele care circulă pe aceasta.

O lampă cu filament de carbon este făcută să strălucească fără contact. Un transfer wireless (inductiv) de energie pe câțiva centimetri în jurul anului 1910.

principiu

Principiul transferului de energie fără fir între un emițător (stânga) și consumator (dreapta)

Se face distincția între două principii în transmiterea fără fir a energiei, care diferă în ceea ce privește proprietățile lor fizice:

  1. Transmiterea energiei fără fir în câmpul apropiat , cunoscută și sub numele de cuplare non-radiativă. Aceasta include, de exemplu, cuplarea inductivă bazată pe fluxul magnetic . Termenul de transmitere a energiei fără fir este adesea folosit sinonim pentru transmisia inductivă a energiei, deoarece aceasta joacă un rol dominant în aplicațiile practice. Cuplarea fără radiații în câmpul apropiat, fenomenele de undă nu joacă niciun rol.
  2. Transferul de energie în câmpul îndepărtat , cunoscut și sub numele de transfer de energie radiantă, bazat pe unde electromagnetice. În plus față de lumină, aceasta include și tehnologia radio care, pe lângă aplicația sa principală în domeniul transmiterii de semnale sau mesaje, poate fi, în principiu, folosită și pentru transmiterea energiei.

Diferențele dintre cuplarea în câmp apropiat și câmpul îndepărtat radiant sunt în principal în gamă: În aplicațiile tehnice, cuplarea în câmp aproape este limitată la distanțe scurte în intervalul de la câțiva centimetri la câțiva metri, în timp ce transmiterea energiei prin câmpul îndepărtat poate face distanțe semnificativ mai mari, dar în aplicațiile tehnice transmisia de puteri comparativ foarte mici este limitată. Motivul constă în așa-numita amortizare a spațiului liber , care permite, în general, un grad de eficiență foarte scăzut, cu mult sub 1%.

Principiile principale ale transmiterii energiei fără fir sunt prezentate mai jos.

Transmisii în câmp aproape

Cuplaj inductiv

Principiul transferului de energie inductivă

Pentru transmisia inductivă a energiei, un câmp magnetic alternativ este generat în emițător prin intermediul unui oscilator . Transmisia are loc prin inducție reciprocă între două bobine , o bobină L1 în transmițător și o bobină L2 în receptor. În bobina de recepție, curentul alternativ din bobina de transmisie induce o tensiune alternativă, care este rectificată în aplicații precum încărcarea acumulatorilor și alimentată ca tensiune directă către consumator, cum ar fi un regulator de încărcare. Principiul de funcționare corespunde cu cel al unui transformator cu cuplare slabă a celor două bobine. Liniile câmpului magnetic ale densității fluxului magnetic B sunt trasate în verde în diagrama schematică .

Distanța dintre cele două bobine reprezintă calea de transmisie fără fir și ar trebui să fie cât mai mică posibil - o distanță de câțiva centimetri până la câțiva 10 cm este tipică. Dacă distanța dintre cele două bobine este mai mare, fluxul de scurgere crește brusc, ceea ce înseamnă că cuplajul inductiv scade și eficiența se deteriorează. Distanțele tipice care pot fi parcurse cu această metodă sunt aproximativ diametrul bobinei până la dublul diametrului bobinei, intervalul de frecvență utilizat se extinde de la câțiva 10 kHz până la gama MHz. Aplicații tipice în această zonă sunt transponderele RFID , încărcătoarele fără contact sau alimentarea cu energie între piesele în mișcare ale mașinii sau între sistemele feroviare speciale și vehiculele acționate electric, cum ar fi Transrapid .

Cuplaj inductiv rezonant

Principiul transferului de energie inductivă rezonantă

Cuplajul inductiv rezonant reprezintă o extensie a cuplajului inductiv cu scopul de a crește intervalul scurt. În acest scop, așa cum se arată în diagrama schematică opusă, unul sau mai multe circuite rezonante libere sunt atașate în spațiul liber dintre bobinele emițătorului și receptorului . Fiecare dintre aceste circuite rezonante constă dintr-un condensator C și o bobină L , a căror frecvență de rezonanță este potrivită cu frecvența de transmisie. Rezonanța dintre circuitele oscilante duce la o cuplare magnetică îmbunătățită între bobinele de transmisie și de recepție la frecvența de transmisie. Circuitele rezonante ar trebui să aibă cel mai înalt factor de calitate posibil . Acest lucru are ca rezultat o gamă mai mare și o eficiență mai bună. Transmisia fără fir a energiei este astfel posibilă pe o distanță de ordinul a 4 până la 10 ori diametrul bobinei.

În 2007, la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, în condiții ideale de laborator, cu un diametru al bobinei de 25 cm și o distanță de 2 m, a fost transmisă o putere electrică de 60  W cu o eficiență de 40%. Cuplajul inductiv rezonant este comercializată sub numele de marcă precum WiTricity sau etaLINK .

În 2013 a fost publicată o lucrare care, printre altele, aruncă lumină asupra posibilităților de creștere a eficienței prin utilizarea de cuplaje inductive rezonante. Acest lucru arată că eficiența transmisiei de energie într-un sistem de transmisie cuplat în câmpul apropiat poate fi crescută sau chiar maximizată doar prin alegerea impedanței de sarcină complexe. Dacă puterea transmisă trebuie de asemenea să fie maximizată, o adaptare la sursă este necesară în plus față de adaptarea sarcinii. Din acest punct de vedere, modul de funcționare a diagramei schematice opuse poate fi înțeles aproximativ în așa fel încât cele două bobine exterioare să se adapteze la sursă și sarcină, iar perechea de bobine medii, slab cuplate, este utilizată pentru transmiterea energiei. Aceasta înseamnă că se poate obține o eficiență stabilă de 93% și în sectorul comercial.

Împărțirea în cele două bobine de transmisie a energiei interioare, slab cuplate și bobinele de adaptare exterioare, arată clar că adaptarea nu trebuie neapărat să fie efectuată prin cuplaje inductive suplimentare. Mai degrabă, alegând rețele potrivite potrivite, este de asemenea posibil să se obțină aceeași sau mai mare eficiență a transmisiei de energie cu doar două bobine.

Cuplaj capacitiv

Principiul cuplării capacitive

Cuplajul capacitiv se bazează pe o structură de bază similară cu cea a transmisiei inductive, doar câmpul electric E este utilizat pentru transmisia fără fir a energiei între două plăci metalice. Proiectarea acestor plăci metalice reprezintă un condensator electric C ; aria dintre cele două plăci este calea pentru transmisia fără fir a energiei. Cei doi condensatori sunt alimentați cu tensiune alternativă obținută de la un oscilator pe partea emițătorului. Rectificarea are loc din partea consumatorului și tensiunea directă este alimentată către consumatorul real.

Cuplajul capacitiv are o importanță practică redusă, deoarece tensiunile electrice ridicate apar în spațiul dintre plăcile metalice atunci când sunt transmise puteri mai mari. Distanțele dintre plăci trebuie, de asemenea, menținute cât mai mici posibil pentru a nu reduce eficiența prea mult.

Transmisii pe câmp îndepărtat

Undele electromagnetice sunt utilizate pentru transmiterea energiei electromagnetice , principiul corespunde procedurii utilizate pentru transmiterea semnalelor radio . Transferul de energie în câmpul îndepărtat poate fi, de asemenea, un fascicul laser direcționat, de exemplu. Fasciculul laser este îndreptat către o fotocelula ca un receptor, care convertește puterea optică în energie electrică.

În timp ce transmisia pe câmp îndepărtat este foarte potrivită pentru transmiterea informațiilor și a semnalului în sistemele tehnice, transmisia fără fir a energiei este asociată cu pierderi mari datorate atenuării câmpului liber și pierderilor în timpul conversiei, cum ar fi cu un laser sau fotocelule, cu un total foarte scăzut eficiențe. Un exemplu practic de transmisie a energiei ar fi detectorul-receptor , un receptor radio simplu pentru unde medii care își extrage sursa de alimentare doar din semnalul radio din vecinătatea emițătorilor puternici și nu necesită o sursă de alimentare suplimentară, cum ar fi o baterie pentru funcționare. . Datorită eficienței globale foarte mici, mult sub 1%, transmisiile de energie fără fir fezabile din punct de vedere tehnic în câmpul îndepărtat, în afară de câteva aplicații speciale, nu au aproape nicio semnificație practică.

Standarde și norme

  • Încărcarea fără contact a unui telefon mobil

  • Bobina de inducție expusă a unei periuțe de dinți electrice

  • Tampon de încărcare de 200kW pentru autobuze

În principal pentru utilizarea în domeniul dispozitivelor mobile, cum ar fi telefoanele mobile și pentru încărcarea fără fir a bateriilor încorporate , există diferite standarde industriale care sunt utilizate pe scară largă și sunt prezentate mai jos.

Qi

La 17 decembrie 2008, a fost înființat consorțiul internațional fără fir (WPC), care prevede introducerea unui standard global numit Qi (cuvânt chinezesc pentru „ energie energetică ”, pronunție : [ ˈt͡ʃiː ]) pentru încărcarea produselor electronice cu cuplare inductivă . Cei peste 200 de membri ai Wireless Power Consortium includ producători din domeniile telefoanelor mobile, electronice de divertisment și baterii, dar și operatori de rețea, producători de mobilă și furnizori auto. Standardul industriei Qi pentru transmisia inductivă a energiei către dispozitive mobile de până la 5 wați există de la mijlocul anului 2010. Standardul Qi 1.2 acceptă acum o ieșire de până la 15 wați. Cu toate acestea, „Încărcarea rapidă fără fir” este acceptată doar de unele modele Samsung Galaxy actuale. Atât smartphone-urile actuale, cât și unele modele mai vechi acceptă standardul Qi pentru încărcarea fără fir.

AirFuel inductiv (Powermat)

Power Matters Alliance (PMA), care a fost fondată de Procter & Gamble și Powermat Technologies în martie 2012, acceptă un standard dezvoltat de Powermat Technologies pentru încărcarea dispozitivelor finale folosind cuplaje inductive. În prezent, există doar câteva dispozitive care au construit tehnologia direct singuri, inclusiv Samsung Galaxy S6 / S6 Edge (+) la Galaxy S8 (+). Mai degrabă, aici sunt vândute suporturi și baterii de încărcare corespunzătoare, care sunt utilizate în dispozitivele respective. Tehnologia Powermat este proeminentă în ceea ce privește oferta, deoarece oferă opțiuni de încărcare în diferite sucursale Starbucks și McDonald's.

Rezonant AirFuel (Rezence)

Procesul Alliance for Wireless Power, cunoscut inițial sub numele de Wireless Wireless English și acum cunoscut sub numele de "Rezence", utilizează o cuplare magnetică rezonantă. Diferite companii industriale, inclusiv Intel , Qualcomm , Samsung , Broadcom și Tehnologia dispozitivelor integrate , și- au unit forțele în Alianța pentru energie wireless . În februarie 2014, consorțiile anterior concurente ale proceselor Powermat și Rezence au anunțat că vor asigura o interoperabilitate mai mare în încărcarea fără fir, făcând standardele lor compatibile.

Vehicule electrice

În Comisia germană pentru tehnologiile electrice, electronice și informaționale (DKE) există grupul de lucru AK 353.0.1, care la sfârșitul anului 2010 a creat proiectul unei reguli de aplicare pentru încărcarea inductivă a vehiculelor electrice.

În septembrie 2015, două sisteme de taxare inductive au fost prezentate la Salonul Auto International : Qualcomm a prezentat sistemul Halo, Bombardier Transportation a prezentat un sistem PRIMOVE de 3,6 kW si Audi au prezentat Wireless Audi de încărcare (AWC).

Emisia de câmpuri electromagnetice

Pentru transmisia fără fir a energiei, standardele și normele pentru compatibilitatea electromagnetică (EMC) și pentru efectul electromagnetic asupra utilizatorilor în cadrul compatibilității electromagnetice de mediu (EMVU) și valorile lor limită, cum ar fi valorile limită ale ICNIRP în special, sunt baza pentru multe dintre cele locale. Standardele sunt.

Vezi si

Dovezi individuale

  1. ↑ Nejila Parspour: Transfer de energie fără contact - stare de artă. (Nu mai este disponibil online.) VDE IALB, arhivat din original la 5 iulie 2010 ; accesat la 17 decembrie 2018 .
  2. ↑ a b Johnson I. Agbinya (ed.): Wireless Power Transfer . Seria River Publishers în comunicații, 2012, ISBN 978-87-92329-23-3 .
  3. ↑ Stanimir S. Valtchev, Elena N. Baikova, Luis R. Jorge: Câmpul electromagnetic ca transportor fără fir al energiei . Facultatea de Științe și Tehnologie, UNL, Campus Caparica, Portugalia, 2012, doi : 10.2298 / FUEE1203171V ( Online [PDF]).
  4. ^ André Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffatt: Transfer de energie fără fir prin rezonanțe magnetice puternic cuplate . În: American Association for the Advancement of Science (Ed.): Science . 317, iulie 2007, ISSN  1095-9203 , pp. 83-85. cod bib : 2007Sci ... 317 ... 83K . doi : 10.1126 / science.1143254 . PMID 17556549 .
  5. ↑ Dominik Huwig: Transfer de energie prin cuplare în câmp aproape. etatronix.de, accesat la 20 iunie 2015 . P. 53.
  6. ↑ Încărcare fără fir, inductivă și baterii. Adus la 11 ianuarie 2021 (germană).
  7. ↑ Membri ai Wireless Power Consortium , accesat pe 4 martie 2017.
  8. ↑ Site-ul web Wireless Power Consortium , accesat la 4 august 2011.
  9. ↑ Standardul QI 1.2 al Wireless Power Consortium
  10. ^ Alliance for Wireless Power and Power Matters Alliance Join Forces , Wall Street Journal Europe, accesat la 13 februarie 2014
  11. ↑ Intel vrea să încarce fără fir prin A4WP în viitor. În: heise online. 20 iunie 2013, accesat la 13 februarie 2014 .
  12. ↑ Mai multă colaborare în ceea ce privește încărcarea fără fir. În: heise online. 12 februarie 2014, accesat pe 13 februarie 2014 .
  13. ^ Bombardier Mannheim: Experți convinși de soluția PRIMOVE pentru mașini . Bombardier. 17 septembrie 2015. Arhivat din original la 5 aprilie 2016. Adus la 17 septembrie 2015.
  14. ↑ AUDI: încărcare rapidă și încărcare fără fir Audi . AUDI. 17 septembrie 2015. Adus 17 septembrie 2015.
  15. ↑ Comisia internațională pentru protecția împotriva radiațiilor neionizante (ICNIRP): Liniile directoare pentru limitarea expunerii la câmpuri electrice, magnetice și electromagnetice care variază în timp. Fizica sănătății aprilie 1998, volumul 74, numărul 4.