Skirtingos belaidžio energijos perdavimo technologijos ir jų veikimas

Kiekvienai elektroninei sistemai ar įrenginiui veikti reikalinga elektros energija, nesvarbu, ar tai yra jūsų sieninis kintamosios srovės šaltinis, ar baterija. Šios elektros energijos negalima be galo saugoti jokiuose įkraunamuose įrenginiuose, pavyzdžiui, baterijose, kondensatoriuose ar superkondensatoriuose. Taigi visi nešiojamieji įrenginiai, pvz., Nešiojamieji kompiuteriai ar mobilieji telefonai, turi būti prijungti prie kintamosios srovės maitinimo linijų, kad reguliariai įkrautų baterijas.

Paprastai elektros laidai naudojami šiems įkraunamiems įrenginiams, pvz., Išmaniesiems telefonams, planšetiniams kompiuteriams, ausinėms, „Bluetooth“ garsiakalbiams ir kt., Prijungti prie kintamosios srovės adapterių. Elektroninių laidininkų kabelių naudojimas galios ar duomenų perdavimui tarp dviejų sistemų yra pats pagrindinis ir populiariausias būdas nuo pat elektros atradimo. Žmonės iki šiol džiaugiasi naudodami elektros kabelius, tačiau tobulėjant technologijoms, žmonių saugumas ir žmonijos alkis tobulėti grožyje lemia belaidžio energijos perdavimo (WPT) arba belaidžio energijos perdavimo (WET) koncepciją į seniai prarastą vaizdą. istorijoje. Kai kuriuose ankstesniuose straipsniuose mes išsamiai paaiškinome belaidžio maitinimo perdavimą ir sukūrėme grandinę, kad belaidis ryšys perduotų maitinimą, kad švytėtų šviesos diodas.

Pirmąją eksperimentinę bevielio energijos perdavimo (WPT) programą 1890-ųjų pradžioje atliko išradėjas Nikola Tesla. Eksperimentų metu elektros energija perduodama indukciniu ir talpiniu sujungimu, naudojant kibirkšties sužadintus radijo dažnio rezonansinius transformatorius, dabar vadinamus „Tesla“ ritėmis. Nors šie eksperimentai iš dalies yra sėkmingi, jie nėra veiksmingi ir reikalauja didelių investicijų. Vėliau šie eksperimentai bus panaikinti, o technologijų tyrimas daugelį metų buvo sustabdytas. Mes taip pat pastatėme mini „Tesla“ ritę, kad pademonstruotume „Tesla“ ritinių koncepciją.

Nors ir dabar nėra veiksmingo būdo, kaip belaidžiu būdu perduoti didelę galią, galima suplanuoti grandinę, atsižvelgiant į dabartinius technologinius pasiekimus, kad būtų efektyviai perduodama maža galia tarp dviejų sistemų. Belaidžiai įkrovikliai sukurti remiantis šia nauja sukurta grandine, kuri leidžia belaidžiu būdu tiekti energiją išmaniesiems telefonams ir kitiems mažiems elektroniniams prietaisams.

Įvairi belaidžio įkrovimo technologija, naudojama belaidyje įkroviklyje

Nuo tada, kai bevielio energijos perdavimo koncepcija išpopuliarėjo, tiek mokslininkai, tiek inžinieriai sugalvojo įvairių būdų, kaip realizuoti šią koncepciją. Nors dauguma šių eksperimentų lėmė nesėkmes ar nepraktiškus rezultatus, nedaugelis iš šių eksperimentų davė patenkinamus rezultatus. Šie išbandyti ir veikiantys belaidžio energijos perdavimo būdai turi savo privalumų, trūkumų ir savybių. Tarp šių įvairių metodų projektuojant belaidžius įkroviklius naudojama tik pora. Nors kiti metodai turi savo taikymo sritį ir privalumus.

Dabar, norint geriau suprasti, šie metodai klasifikuojami pagal perdavimo atstumą, didžiausią galią ir metodą, naudojamą energijos perdavimui pasiekti. Žemiau pateiktame paveikslėlyje galime pamatyti įvairius būdus, naudojamus belaidžio energijos perdavimo technologijai pasiekti, ir jų klasifikavimą.

Čia

• Pirmoji ir svarbiausia klasifikacija yra pagrįsta galimu energijos perdavimu. Taikant eksperimentuotus metodus, kai kurie gali belaidžiu būdu tiekti energiją kroviniams, esantiems dideliu atstumu, o kiti gali tiekti energiją tik už kelių centimetrų atstumu nuo šaltinio. Taigi pirmasis skirstymas pagrįstas tuo, ar metodas yra artimas laukas, ar tolimas laukas.
• Atstumo galimybių skirtumas priklauso nuo to , koks reiškinys naudojamas įvairiais būdais, norint pasiekti belaidį energijos perdavimą. Pavyzdžiui, jei terpė, naudojama naudojant energiją, yra elektromagnetinė indukcija, didžiausias atstumas gali būti ne didesnis kaip 5 cm. Taip yra todėl, kad magnetinio srauto nuostoliai didėja eksponentiškai, didėjant atstumui tarp šaltinio ir apkrovos, o tai lemia nepriimtinus galios nuostolius. Kita vertus, jei terpė, naudojama pagal metodą energijai tiekti, yra elektromagnetinė spinduliuotėtada maksimalus atstumas gali siekti kelis metrus. Taip yra todėl, kad EMR gali būti sutelktas į centrą, esantį keliolika metrų nuo šaltinio. Be to, metodai, kurie naudoja EMR kaip terpę energijai tiekti, yra efektyvesni, palyginti su kitais.
• Daugeliu aukščiau paminėtų būdų vieni yra populiaresni už kitus, o plačiai naudojami populiarūs metodai aptariami toliau.

Yra du populiarūs belaidžio energijos perdavimo būdai, kuriuose elektromagnetinė spinduliuotė naudojama kaip vidutinė - mikrobangų galia ir lazerio / šviesos galia

Mikrobangų belaidis maitinimo perdavimas

Kadangi pats pavadinimas jį atiduoda taikydamas šį metodą, jis naudos EMR mikrobangų spektrą, kad būtų suteikta galia įkrovai. Pirma, siųstuvas ims maitinimą iš lizdo ar bet kurio kito stabilaus maitinimo šaltinio ir tada reguliuos šią kintamosios srovės galią iki reikiamo lygio. Po to perduodama galia suvartos šį reguliuojamą maitinimo šaltinį sukurs mikrobangas. Mikrobangų krosnelės be jokių trukdžių keliauja oru, kad pasiektų imtuvą ar apkrovą. Imtuvas bus aprūpintas atitinkamais įtaisais, kurie priims šią mikrobangų spinduliuotę ir pavers ją elektros energija. Ši konvertuota elektros energija yra tiesiogiai proporcinga imtuvui pasiekiamos mikrobangų spinduliuotės kiekiui, taigi pasiekiamas bevielis energijos perdavimas naudojant mikrobangų spinduliuotę.

Lazerio šviesos bevielis maitinimo perdavimas

Bet kuris asmuo, užsiimantis elektronika ir elektros energija, turėtų susidurti su koncepcija, vadinama saulės energijos gamyba. Ir jei gerai atsimenate, saulės energijos gamybos sąvoka yra ne kas kita, kaip panaudoti saulės elektromagnetinį spinduliavimą generuojamai elektrai. Šis konversijos procesas gali būti pagrįstas saulės baterijų sistemomis, saulės šildymu ar bet kuria kita, o saulės energijos įkroviklį galima lengvai pastatyti naudojant saulės baterijas. Tačiau pagrindinis klausimas yra saulės perduodama energija žemei elektromagnetinio spinduliavimo pavidalu ir yra matomame spektre, o energijos perdavimas čia atliekamas belaidžiu būdu. Taigi saulės energijos gamybos koncepcija yra pati belaidė energijos perdavimo sistema.

Dabar, jei saulę pakeisime mažesniu EMR generatoriumi (arba tiesiog šviesos šaltiniu), tada sukurtą spinduliuotę galime sutelkti į apkrovą, esančią šimtus metrų nuo šviesos šaltinio. Kai ši sutelkta šviesa pasiekia imtuvo modulio saulės kolektorių (arba apkrovą), ji paverčia šviesos energiją elektros energija, kuri yra pirminis belaidžio energijos perdavimo nustatymo tikslas.

Iki šiol mes diskutavome apie metodus ar metodus, galinčius tiekti energiją apkrovai, kurie yra keli metrai nuo šaltinio. Nors šie būdai turi atstumą, jie yra didelių gabaritų ir brangūs, todėl nėra tinkami mobilaus įkroviklio dizainui. Praktiškiausi belaidžių įkroviklių projektavimo metodai yra „ Indukcinės movos tipas“ ir „ Magnetinio rezonanso indukcija “. Tai yra du metodai, kurie naudoja Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsnį kaip principą, o magnetinį srautą - kaip sklindantį reiškinį, kad būtų pasiektas belaidis energijos perdavimas.

Belaidis maitinimo perdavimas naudojant indukcinę jungtį

Indukcinėje movoje naudojama sąranka yra labai panaši į tą, kuri naudojama elektriniam transformatoriui. Norėdami geriau suprasti, panagrinėkime tipinę „Inductive Coupling“ belaidžio energijos perdavimo metodo taikymo grandinę.

• Pirmiau pateiktoje funkcinėje diagramoje mes turime du skyrius, iš kurių vienas yra elektros energijos perdavimo sąranka, o kita - elektros energijos imtuvo sąranka.
• Abi sekcijos yra elektriškai izoliuotos viena nuo kitos ir yra atskirtos poros centimetrų pločio izoliatoriumi. Nors abi dalys neturi jokios elektrinės sąveikos, vis dėlto tarp jų yra magnetinė jungtis.
• Kintamosios srovės įtampos šaltinis, esantis siųstuvo modulyje, maitina visą sistemą.

Indukcinio sujungimo tipo belaidžio perdavimo veikimas: Nuo pat pradžių siųstuvo modulyje srovės srautas laidininko ritėje yra todėl, kad kintamosios įtampos šaltinis yra prijungtas prie ritės galinių gnybtų. Dėl šio srovės srauto magnetinis laukas turėtų būti sukurtas aplink ritės laidininkus, kurie yra sandariai suvynioti aplink ferito šerdį. Dėl terpės buvimo visas ritės magnetinis srautas sutelkiamas į ferito šerdį. Šis srautas juda išilgai ferito šerdies ašies ir išstumiamas į laisvą erdvę už perdavimo modulio ribų, kaip parodyta paveikslėlyje.

Dabar, jei imtuvo modulį priartinsime prie siųstuvo, siųstuvo skleidžiamas magnetinis srautas sumažins ritę, esančią imtuvo modulyje. Kadangi siųstuvo modulio generuojamas srautas yra skirtingo srauto, tada EMF turi būti sukeltas į laidininką, įvestą į jo diapazoną pagal Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsnį. Remiantis šia teorija, EMF taip pat turi būti įvestas į imtuvo ritę, kuri patiria siųstuvo sukurtą magnetinį srautą. Ši sukurta įtampa bus ištaisyta, filtruojama ir reguliuojama, kad gautų tinkamą nuolatinės srovės įtampą, kuri labai reikalinga sistemos valdikliui.

Kai kuriais atvejais ferito šerdis taip pat pašalinama, kad siųstuvas ir imtuvas būtų kompaktiškesni ir lengvesni. Šią programą galite pamatyti belaidžio mobiliojo telefono įkroviklyje ir „Smartphone“ poroje. Kaip mes visi žinome, pramonės šakos šiuo metu konkuruoja nuo kaklo iki kaklo, kad išleistų aukštos kokybės išmaniuosius telefonus ir kitus įrenginius, kurie yra lengvesni, plonesni ir vėsesni. Dizaineriai tiesiogine prasme sapnuoja košmarus, kad pasiektų šias funkcijas, nepakenkiant jų veikimui, todėl nepriimtina padaryti įrenginį didelių gabaritų tik dėl belaidžio energijos perdavimo. Taigi dizaineriai ir inžinieriai pateikia plonesnius ir lengvesnius modulius, kuriuos galima pritaikyti išmaniesiems telefonams ir planšetiniams kompiuteriams.

Čia galite pamatyti naujausio belaidžio įkroviklio vidinę konstrukciją.

Belaidžio maitinimo išmanusis telefonas taip pat turės panašią ritę, kad elektromagnetinė indukcija būtų įmanoma. Žemiau esančiame paveikslėlyje galite pamatyti, kaip plona ritė pritvirtinta apatiniame „Smartphone“ gale šalia akumuliatoriaus. Galite pamatyti, kaip inžinieriai sukūrė tokį belaidį įkroviklį taip, kad nepakenktų jo veikimui. Šios sąrankos veikimas yra panašus į aukščiau aptartą atvejį, išskyrus tai, kad jos apvijos centre nėra ferito šerdies.

Nors toks galios perdavimo per elektromagnetinę indukciją būdas atrodo lengvas, tačiau jis nėra lyginamas su efektyviu energijos tiekimo per kabelį metodu.

Magnetinio rezonanso indukcijos pagrindu veikiantis belaidis energijos perdavimas

Magnetinio rezonanso indukcija yra indukcinės jungties forma, kai galia magnetiniais laukais perduodama tarp dviejų rezonansinių grandinių (sureguliuotų grandinių), vienos siųstuve ir kitos imtuve. Dėl to magnetinio rezonanso indukcijos grandinės nustatymas turi būti labai panašus į indukcinio sujungimo grandinę, apie kurią mes jau kalbėjome anksčiau.

Šiame paveiksle galite pamatyti, išskyrus serijinių kondensatorių buvimą, visa grandinė yra panaši į ankstesnį atvejį.

Veikimas: Šio modelio veikimas taip pat yra labai panašus į ankstesnį atvejį, išskyrus tai, kad siųstuvo ir imtuvo grandinės yra sureguliuotos veikti rezonansiniu dažniu. Kondensatoriai specialiai nuosekliai sujungti su abiem ritėmis, kad būtų pasiektas šis rezonansinis efektas.

Kaip mes visi žinome, kad kondensatorius nuosekliai su induktoriumi sudarys serijinę LC grandinę, kaip parodyta paveikslėlyje. Dažnio, kuriuo ši grandinė veiks rezonansu, vertė gali būti nurodyta kaip

F _r = 1 / 2ᴫ (LC) ^1/2

Čia L = induktoriaus vertė ir C = kondensatoriaus vertė.

Naudodami tą pačią formulę, mes apskaičiuosime galios siųstuvo grandinės rezonansinio dažnio vertę ir pritaikysime kintamosios srovės šaltinio dažnį pagal tą apskaičiuotą vertę.

Sureguliavus šaltinio dažnį, siųstuvo grandinė kartu su imtuvo grandine veiks rezonansiniu dažniu. Po to EMF turi būti sukeltas imtuvo grandinėje pagal Faradėjaus indukcijos dėsnį, kaip mes aptarėme ankstesnėje byloje. Šis sukeltas EMF bus ištaisytas, filtruojamas ir reguliuojamas, kad gautų tinkamą nuolatinę įtampą, kaip parodyta paveikslėlyje.

Iki šiol aptarėme įvairias technologijas, kurios gali būti naudojamos belaidžiui energijos perdavimui, kartu su jų tipinėmis taikymo grandinėmis. Mes naudojame šiuos metodus kurdami visų belaidžių energijos perdavimo sistemų, tokių kaip belaidis įkroviklis, belaidžio elektrinio transporto įkrovimo sistema, bevielis bepiločių orlaivių, lėktuvų ir kt.

Belaidžio maitinimo perdavimo standartai

Dabar, kai kiekviena įmonė kuria savo produkciją ir įkrovimo stoteles, visiems kūrėjams reikia bendrų standartų, kad vartotojas galėtų pasirinkti geriausią iš pasirinktų vandenynų. Taigi poros standartų laikosi visos pramonės šakos, dirbančios kuriant bevieles energijos perdavimo sistemas.

Įvairūs standartai, naudojami kuriant belaidžius energijos perdavimo įrenginius, pavyzdžiui, belaidį įkroviklį:

„Qi“ standartai - „Wireless Power Consortium“:

• Technologijos - indukcinės, rezonansinės - žemo dažnio
• Maža galia - 5 W, vidutinė galia - 15 W, „Qi“ belaidė virtuvės technika nuo 100 W iki 2,4 kW
• Dažnių diapazonas - 110 - 205 kHz
• Produktai - daugiau nei 500 produktų, naudojami daugiau nei 60 mobiliųjų telefonų kompanijų

„PMA“ standartai - „Power Matter Alliance“:

• Technologijos - indukcinės, rezonansinės - aukšto dažnio
• Išėjimas maks. Nuo 3,5 W iki 50 W
• Dažnių diapazonas - 277 - 357 kHz
• Produktai - visame pasaulyje platinami tik 2, bet 1 000 000 maitinimo kilimėlių

Belaidžio įkroviklio privalumai

• Belaidis įkroviklis yra labai naudingas įkraunant namų įrenginius, tokius kaip išmanusis telefonas, nešiojamas kompiuteris, „iPod“, nešiojamasis kompiuteris, ausinės ir kt.
• Tai yra patogus, saugus ir efektyvus energijos perdavimo būdas be jokios terpės.
• Draugiškas aplinkai - nekenkia ir nežaloja žmogaus ar gyvos būtybės.
• Juo galima įkrauti medicininius implantus, kurie pagerina gyvenimo kokybę ir sumažina infekcijos riziką.
• Nereikia nerimauti dėl maitinimo lizdo nusidėvėjimo.
• Naudojant belaidžius įkroviklius, maitinimo kabelio orientacija baigėsi.

Belaidžio įkroviklio trūkumai

• Mažesnis efektyvumas ir daugiau energijos nuostolių.
• Kainuoja daugiau nei kabelinis įkroviklis.
• Gedimą pašalinti sunku.
• Netinka didelio galingumo tiekimui.
• Energijos nuostoliai didėja esant apkrovai.