Metoda elektromagnetické indukce v bezdrátovém přenosu energie

Metoda přenosu elektrické energie na vzdálenost bez použití vodivého média se nazývá bezdrátový přenos elektřiny. Do roku 2011 bylo provedeno několik úspěšných experimentů v mikrovlnném rozsahu s kapacitou několika desítek kilowattů, přičemž účinnost byla asi 40%.

Stalo se to poprvé v roce 1975 v Kalifornii a podruhé v roce 1997 na ostrově Réunion. Nejdelší vzdálenost byla asi jeden kilometr, byl proveden experiment ke studiu možností úspory energie jedné vesnice bez použití tradičního kabelu.

Technologicky jsou principy přenosu elektrické energie na dálku v závislosti na přenosové vzdálenosti následující. Na krátké vzdálenosti při nízkých výkonech - indukční a rezonanční metody, např ve značkách RFID a chytré karty. Na velké vzdálenosti a při vysokých výkonech - metoda směrového elektromagnetického záření v rozsahu od UV do mikrovlnné trouby.

Pojďme se blíže podívat na indukční metodu. Bezdrátový přenos energie prostřednictvím elektromagnetické indukce znamená použití blízkého elektromagnetického pole na vzdálenosti odpovídající 17% vlnové délky. Pointa je, že energie blízkého pole sama o sobě nevyzařuje, jsou zde jen malé radiační a odporové ztráty.

Elektrodynamická indukce funguje takto. Když střídavý elektrický proud prochází primárním vinutím, je kolem něj střídavé magnetické pole, které současně působí na sekundární vinutí, indukuje proměnnou EMF a v důsledku toho střídavý proud.

Pro dosažení vyšší účinnosti by relativní poloha primárního a sekundárního vinutí měla být dostatečně blízko. Pokud se za experimentálních podmínek začne sekundární vinutí pohybovat pryč od primárního, pak se část magnetického pole dosahující sekundárního vinutí a překračující jeho závity zmenší.

Když je sekundární vinutí odstraněno, dokonce i v malé vzdálenosti, indukční vazba mezi vinutími bude nakonec tak malá, že většina energie přenášené magnetickým polem bude spotřebována velmi neefektivně a obecně marně.

Podobný systém je prezentován ve své nejjednodušší podobě. v klasickém elektrickém transformátoru. Nakonec je transformátor nejjednodušším zařízením pro bezdrátový přenos energie, protože jeho primární a sekundární vinutí nejsou vzájemně galvanicky spojena. Přenos energie z primární na sekundární je v ní realizován prostřednictvím procesu nazývaného vzájemná indukce. Hlavní funkcí transformátoru je zvýšení nebo snížení napětí dodávaného do primárního vinutí.

U bezkontaktních nabíječek pro mobilní zařízení, pro elektrické zubní kartáčky a indukční varné desky jsou implementovány pouze metody elektrodynamické indukce. Nevýhodou při přenosu energie tímto způsobem je, že účinná akce je velmi malá. Aby se dosáhlo správné účinnosti, musí být vysílač a přijímač umístěny velmi, velmi blízko u sebe, téměř blízko principu, že mohou účinně vzájemně spolupracovat.

Pro zvýšení účinnosti indukční metody je užitečné zavést do takového systému jev elektrické rezonance, který zvýší efektivní přenosovou vzdálenost. S přidáním oscilačního obvodu k rezonančnímu obvodu to svým působením do určité míry zvyšuje efektivní přenosovou vzdálenost. Aby rezonance nastala, musí být smyčky vysílače a přijímače naladěny na stejnou společnou frekvenci.

Výkon takového systému může být dále zlepšen korekcí tvaru vlny řídicího proudu a jeho odchylkou od sinusového na přechodný nesinusový, pulzní.

Přenos pulzní energie se potom provádí v několika cyklech a významný výkon lze za takových podmínek přenést z jednoho LC obvodu do druhého as nižším vazebným koeficientem než bez použití rezonančních obvodů. Tvary cívek se nemění a v každém případě se jedná o ploché spirály nebo jednovrstvé solenoidy s kondenzátory, které jsou k nim připojeny, nezbytné pro vyladění přijímacího prvku na rezonanční frekvenci vysílače.

Rezonanční elektrodynamická indukce se tradičně používá v bezdrátových nabíječkách baterií mobilních zařízení, jako jsou mobilní telefony a lékařské implantáty, a také v elektrických vozidlech. Lokalizovaná nabíjecí zařízení používají výběr konkrétní cívky vysílače ze sady vícevrstvých vinutí.

V tomto případě rezonanční jev funguje jak v obvodu vysílacího panelu nabíječky, tak v přijímacím obvodu nabíjecího modulu instalovaného na nabíjecím zařízení, takže je maximalizována účinnost přenosu a příjmu energie. Technologie této konfigurace je univerzální a lze ji použít k bezdrátovému nabíjení různých přístrojů vybavených příslušnými rezonančními přijímači.

Technika tohoto plánu je přijata jako součást standardu bezdrátového nabíjení Qi. Tento standard poskytuje dvě možnosti přenosu energie: nízký výkon - od 0 do 5 wattů a střední výkon - až 10 wattů. Norma byla vyvinuta po roce 2008 konsorciem Wireless Power Consortium (WPC) pro indukční přenos energie do 4 cm.

Zařízení s podporou Qi zahrnuje vysílač s plochou cívkou (je umístěn za deskou) připojený ke stacionárnímu zdroji energie a kompatibilní přijímač, který je nainstalován uvnitř nabíjecího zařízení (také ve formě ploché cívky). PPři použití nabíječky je připojené zařízení umístěno na desce vysílače. V tomto případě platí princip elektromagnetické indukce mezi těmito dvěma plochými cívkami, jako v transformátoru.

Qi se dnes používá v některých zařízeních: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. Cílem konsorcia je vytvořit jednotný standard pro technologii indukčního nabíjení, aby se bezdrátové nabíječky staly známým atributem veřejných míst, jako jsou kavárny, letiště, sportovní arény atd.

Rezonanční elektrodynamická indukce se také používá k přímému bezdrátovému napájení zařízení, která nemají uvnitř baterie. Patří mezi ně RFID tagy a bezkontaktní smart karty. Podobný princip pro přenos elektrické energie platí. v transformátoru Tesla - z primárního okruhu - induktoru - k rezonátoru umístěnému uvnitř. Samotný Tesla transformátor zase slouží také jako bezdrátový vysílač energie, jen více elektrostatický než elektromagnetický.