Μέθοδος ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής στην ασύρματη μεταφορά ενέργειας

Μια μέθοδος μετάδοσης ηλεκτρικής ενέργειας σε απόσταση χωρίς τη χρήση ενός αγώγιμου μέσου ονομάζεται ασύρματη μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας. Μέχρι το 2011, πραγματοποιήθηκαν αρκετά επιτυχημένα πειράματα στην κλίμακα μικροκυμάτων με χωρητικότητα αρκετών δεκάδων κιλοβάτ, ενώ η αποτελεσματικότητα ήταν περίπου 40%.

Αυτό συνέβη πρώτα το 1975 στην Καλιφόρνια και τη δεύτερη φορά το 1997 στο νησί Ρεουνιόν. Η μεγαλύτερη απόσταση ήταν περίπου ένα χιλιόμετρο, πραγματοποιήθηκε ένα πείραμα για να μελετηθούν οι δυνατότητες εξοικονόμησης ενέργειας ενός χωριού χωρίς τη χρήση παραδοσιακού καλωδίου.

Από τεχνική άποψη, οι αρχές της μετάδοσης ηλεκτρικής ισχύος σε απόσταση περιλαμβάνουν, ανάλογα με την απόσταση μετάδοσης, τα ακόλουθα. Σε μικρές αποστάσεις σε χαμηλές δυνάμεις - μέθοδοι επαγωγής και συντονισμού, όπως σε ετικέτες RFID και τις έξυπνες κάρτες. Σε μεγάλες αποστάσεις και σε μεγάλες δυνάμεις - η μέθοδος κατευθυντικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή από UV σε φούρνο μικροκυμάτων.

Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στη μέθοδο επαγωγής. Η ασύρματη μετάδοση ενέργειας μέσω ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής συνεπάγεται τη χρήση του πλησίον ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε αποστάσεις που αντιστοιχούν στο 17% του μήκους κύματος. Η κατώτατη γραμμή είναι ότι η ενέργεια του κοντινού πεδίου δεν ακτινοβολεί από μόνη της, υπάρχουν μόνο μικρές απώλειες ακτινοβολίας και αντιστάσεων.

Η ηλεκτροδυναμική επαγωγή λειτουργεί έτσι. Όταν ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το πρωτεύον τύλιγμα, υπάρχει γύρω του ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, το οποίο ταυτόχρονα επενεργεί στο δευτερεύον τύλιγμα, προκαλώντας ένα μεταβλητό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και κατά συνέπεια εναλλασσόμενο ρεύμα.

Για να επιτευχθεί μεγαλύτερη απόδοση, η σχετική θέση των πρωτογενών και δευτερογενών περιελίξεων πρέπει να είναι αρκετά κοντά. Εάν, υπό πειραματικές συνθήκες, το δευτερεύον τύλιγμα αρχίζει να απομακρύνεται από το πρωτεύον, τότε το τμήμα του μαγνητικού πεδίου που φθάνει στο δευτερεύον τύλιγμα και διασχίζει τις στροφές του θα γίνει μικρότερο.

Καθώς η δευτερεύουσα περιέλιξη αφαιρείται, ακόμη και σε μικρή απόσταση, η επαγωγική σύζευξη μεταξύ των περιελίξεων τελικά θα γίνει τόσο μικρή ώστε το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που μεταδίδεται από το μαγνητικό πεδίο θα καταναλωθεί εξαιρετικά αναποτελεσματικά και γενικά μάταια.

Ένα παρόμοιο σύστημα παρουσιάζεται στην απλούστερη μορφή του. σε κλασικό ηλεκτρικό μετασχηματιστή. Μετά από όλα, ένας μετασχηματιστής είναι η απλούστερη συσκευή για την ασύρματη μετάδοση ισχύος, αφού οι πρωτογενείς και δευτερεύουσες περιέλιξεις του δεν είναι γαλβανικά συνδεδεμένες μεταξύ τους. Η μεταφορά ενέργειας από την πρωτογενή στη δευτεροβάθμια υλοποιείται σε αυτήν μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται αμοιβαία επαγωγή. Η κύρια λειτουργία του μετασχηματιστή είναι η αύξηση ή η μείωση της τάσης που τροφοδοτείται στο πρωτεύον κύλινδρο.

Σε φορτιστές χωρίς επαφή για κινητό εξοπλισμό, για ηλεκτρικές οδοντόβουρτσες και επαγωγικές εστίες, εφαρμόζονται μόνο μέθοδοι ηλεκτροδυναμικής επαγωγής. Το μειονέκτημα της μεταφοράς ενέργειας με αυτόν τον τρόπο είναι ότι η αποτελεσματική δράση είναι πολύ μικρή. Για να επιτευχθεί η σωστή απόδοση, ο πομπός και ο δέκτης πρέπει να τοποθετούνται πολύ, πολύ κοντά ο ένας στον άλλο, σχεδόν κοντά στην αρχή ότι μπορούν να αλληλεπιδρούν αποτελεσματικά μεταξύ τους.

Για να αυξηθεί η αποτελεσματικότητα της μεθόδου επαγωγής, είναι χρήσιμο να εισαχθεί το φαινόμενο του ηλεκτρικού συντονισμού σε ένα τέτοιο σύστημα, το οποίο θα αυξήσει την αποτελεσματική απόσταση μετάδοσης. Με την προσθήκη ενός ταλαντωτικού κυκλώματος στο κύκλωμα συντονισμού, με τη δράση του αυξάνει σε κάποιο βαθμό την αποτελεσματική απόσταση μετάδοσης. Για να υπάρξει συντονισμός, οι βρόχοι πομπού και δέκτη πρέπει να συντονιστούν στην ίδια συχνότητα.

Η απόδοση ενός τέτοιου συστήματος μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω δι 'διορθώσεως της κυματομορφής του ρεύματος ελέγχου, αποκλίνουσα από ένα ημιτονοειδές προς ένα μεταβατικό μη ημιτονοειδές, παλμικό.

Η μεταφορά ενέργειας παλμού εκτελείται έπειτα σε αρκετούς κύκλους και σημαντική δύναμη μπορεί να μεταφερθεί υπό τέτοιες συνθήκες από ένα κύκλωμα LC σε άλλο και με χαμηλότερο συντελεστή σύζευξης από ότι χωρίς τη χρήση κυκλωμάτων συντονισμού. Τα σχήματα των πηνίων δεν αλλάζουν και σε κάθε περίπτωση είναι επίπεδες σπείρες ή ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες μονής στρώσης με πυκνωτές συνδεδεμένους σε αυτά, απαραίτητο να συντονιστεί το στοιχείο λήψης στη συντονισμένη συχνότητα του πομπού.

Παραδοσιακά, η συντονισμένη ηλεκτροδυναμική επαγωγή χρησιμοποιείται σε ασύρματους φορτιστές μπαταριών κινητών συσκευών, όπως κινητά τηλέφωνα και ιατρικά εμφυτεύματα, καθώς και σε ηλεκτρικά οχήματα. Οι εντοπισμένες συσκευές φόρτισης χρησιμοποιούν την επιλογή ενός συγκεκριμένου πηνίου πομπού από μια σειρά πολυστρωματικών περιελίξεων.

Σε αυτή την περίπτωση, το φαινόμενο συντονισμού λειτουργεί τόσο στο κύκλωμα του πίνακα πομπού του φορτιστή όσο και στο κύκλωμα του δέκτη της μονάδας φόρτισης που είναι εγκατεστημένο στη συσκευή φόρτισης, έτσι ώστε να μεγιστοποιείται η απόδοση μετάδοσης και λήψης ενέργειας. Η τεχνολογία αυτής της διαμόρφωσης είναι καθολική και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ασύρματη φόρτιση διαφόρων συσκευών που είναι εφοδιασμένες με κατάλληλους συντονισμένους δέκτες.

Η τεχνική αυτού του σχεδίου υιοθετείται ως μέρος του προτύπου ασύρματης φόρτισης Qi. Αυτό το πρότυπο παρέχει δύο επιλογές μεταφοράς ενέργειας: χαμηλή ισχύς - από 0 έως 5 watts και μέση ισχύς - έως 10 watts. Το πρότυπο αναπτύχθηκε μετά το 2008 από το Wireless Power Consortium (WPC) για την επαγωγική μεταφορά ενέργειας μέχρι 4 cm.

Ο εξοπλισμός με υποστήριξη Qi περιλαμβάνει έναν πομπό με επίπεδη πηνίο (που βρίσκεται πίσω από την πλάκα) που συνδέεται με μια σταθερή πηγή ενέργειας και έναν συμβατό δέκτη που είναι εγκατεστημένος μέσα στη συσκευή φόρτισης (επίσης σε μορφή επίπεδου πηνίου). PΌταν χρησιμοποιείτε το φορτιστή, η συνδεδεμένη συσκευή τοποθετείται στην πλάκα πομπού. Σε αυτή την περίπτωση, ισχύει η αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής μεταξύ αυτών των δύο επίπεδων πηνίων, όπως σε έναν μετασχηματιστή.

Το Qi χρησιμοποιείται σήμερα σε ορισμένες συσκευές: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. Ο στόχος της κοινοπραξίας είναι να δημιουργηθεί ένα ενιαίο πρότυπο για την τεχνολογία χρέωσης επαγωγής, ώστε οι ασύρματοι φορτιστές να είναι ένα γνωστό χαρακτηριστικό των δημόσιων χώρων, όπως τα καφέ, τα αεροδρόμια, οι αθλητικές εγκαταστάσεις κ.λπ.

Η ηλεκτροδυναμική επαγωγή με συντονισμό χρησιμοποιείται επίσης για άμεση ασύρματη τροφοδοσία συσκευών που δεν διαθέτουν μπαταρίες μέσα. Αυτές περιλαμβάνουν τις ετικέτες RFID και τις ασύρματες έξυπνες κάρτες. Ισχύει μια παρόμοια αρχή για τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας. σε μετασχηματιστή Tesla - από το πρωτεύον κύκλωμα - τον επαγωγέα - στον αντηχείο που βρίσκεται μέσα του. Ο ίδιος ο μετασχηματιστής Tesla, με τη σειρά του, χρησιμεύει επίσης ως ασύρματος πομπός ενέργειας, μόνο πιο ηλεκτροστατικός από τον ηλεκτρομαγνητικό.