Elektromagnētiskās indukcijas metode bezvadu enerģijas pārnesē

Metodi elektriskās enerģijas pārraidīšanai no attāluma, neizmantojot vadošu barotni, sauc par elektrības bezvadu pārraidi. Līdz 2011. gadam mikroviļņu diapazonā tika veikti vairāki veiksmīgi eksperimenti ar vairāku desmitu kilovatu jaudu, bet efektivitāte bija aptuveni 40%.

Pirmoreiz tas notika 1975. gadā Kalifornijā un otro reizi 1997. gadā Reinjonas salā. Garākais attālums bija apmēram kilometrs, tika veikts eksperiments, lai izpētītu viena ciemata enerģijas taupīšanas iespējas, neizmantojot tradicionālo kabeli.

Tehnoloģiski elektroenerģijas pārvades principi no attāluma atkarībā no pārvades attāluma ietver šādus principus. Nelielos attālumos ar mazu jaudu - indukcijas un rezonanses metodes, piemēram, RFID tagos un viedkartes. Lielos attālumos un ar lielu jaudu - virziena elektromagnētiskā starojuma metode diapazonā no UV līdz mikroviļņu krāsai.

Sīkāk apskatīsim indukcijas metodi. Bezvadu enerģijas pārraide, izmantojot elektromagnētisko indukciju, nozīmē gandrīz elektromagnētiskā lauka izmantošanu attālumos, kas ir proporcionāli 17% no viļņa garuma. Rezultāts ir tāds, ka tuvākā lauka enerģija pati par sevi neizstaro, ir tikai nelieli starojuma un pretestības zaudējumi.

Elektrodinamiskā indukcija darbojas šādi. Kad caur primāro tinumu iziet mainīga elektriskā strāva, ap to pastāv mainīgs magnētiskais lauks, kas vienlaikus iedarbojas uz sekundāro tinumu, ierosinot mainīgu EML un attiecīgi maiņstrāvu tajā.

Lai iegūtu lielāku efektivitāti, primārā un sekundārā tinuma relatīvajam stāvoklim jābūt pietiekami tuvu. Ja eksperimentālos apstākļos sekundārais tinums sāk attālināties no primārā, tad tā magnētiskā lauka daļa, kas sasniedz sekundāro tinumu un šķērso tā pagriezienus, kļūs mazāka.

Kad sekundārais tinums tiek noņemts, pat nelielā attālumā, indukcijas savienojums starp tinumiem galu galā kļūst tik mazs, ka lielāko daļu magnētiskā lauka pārvadītās enerģijas patērēs ārkārtīgi neefektīvi un parasti veltīgi.

Līdzīga sistēma tiek uzrādīta visvienkāršākajā formā. klasiskajā elektriskajā transformatorā. Galu galā transformators ir vienkāršākā ierīce bezvadu enerģijas pārvadei, jo tā primārie un sekundārie tinumi nav galvaniski savienoti viens ar otru. Enerģijas pārnešana no primārā uz sekundāro tiek īstenota tajā procesā, ko sauc par savstarpēju indukciju. Transformatora galvenā funkcija ir palielināt vai samazināt spriegumu, kas tiek piegādāts primārajam tinumam.

Bezkontakta mobilo ierīču, elektrisko zobu suku un indukcijas plātņu lādētājos tiek ieviestas tikai elektrodinamiskās indukcijas metodes. Trūkums enerģijas nodošanā šādā veidā ir tas, ka efektīva darbība ir ļoti maza. Lai sasniegtu pienācīgu efektivitāti, raidītājs un uztvērējs jānovieto ļoti, ļoti tuvu viens otram, gandrīz tuvu principam, ka tie var efektīvi mijiedarboties viens ar otru.

Lai palielinātu indukcijas metodes efektivitāti, ir lietderīgi šādā sistēmā ieviest elektriskās rezonanses fenomenu, kas palielinās faktisko pārvades attālumu. Rezonanses shēmai pievienojot oscilējošu shēmu, ar savu darbību tas zināmā mērā palielina efektīvo pārraides attālumu. Lai rastos rezonanse, raidītāja un uztvērēja cilpām jābūt noregulētām vienā un tajā pašā kopējā frekvencē.

Šādas sistēmas veiktspēju var vēl uzlabot, koriģējot vadības strāvas viļņu formu, novirzot to no sinusoidālā uz pārejošu nesinusoidālu, impulsa.

Pēc tam impulsa enerģijas pārnešana tiek veikta vairākos ciklos, un šādos apstākļos ievērojamu jaudu var pārnest no vienas LC ķēdes uz otru un ar zemāku sakabes koeficientu nekā neizmantojot rezonanses ķēdes. Spoļu formas nemainās, un jebkurā gadījumā tie ir plakanas spirāles vai vienslāņu solenoīdi ar tiem savienotiem kondensatoriem, kas nepieciešami, lai noregulētu uztverošo elementu uz raidītāja rezonanses frekvenci.

Tradicionāli rezonanses elektrodinamiskā indukcija tiek izmantota mobilo ierīču bezvadu akumulatoru lādētājos, piemēram, mobilajos tālruņos un medicīnas implantos, kā arī elektriskajos transportlīdzekļos. Lokalizētas uzlādes ierīces izmanto konkrēta raidītāja spoles izvēli no daudzslāņu tinumu komplekta.

Šajā gadījumā rezonanses fenomens darbojas gan lādētāja raidītāja paneļa ķēdē, gan uzlādes ierīcē uzstādītā uzlādes moduļa uztvērēja ķēdē, lai enerģijas pārsūtīšanas un uztveršanas efektivitāte būtu maksimāla. Šīs konfigurācijas tehnoloģija ir universāla, un to var izmantot, lai bezvadu režīmā uzlādētu dažādus sīkrīkus, kas aprīkoti ar atbilstošiem rezonanses uztvērējiem.

Šī plāna tehnika ir pieņemta kā Qi bezvadu uzlādes standarta sastāvdaļa. Šis standarts nodrošina divas enerģijas pārnešanas iespējas: maza jauda - no 0 līdz 5 vatiem un vidēja jauda - līdz 10 vati. Standartu pēc 2008. gada izstrādāja Bezvadu enerģijas konsorcijs (WPC) enerģijas indukcijas pārnešanai līdz 4 cm.

Iekārtās ar Qi atbalstu ietilpst raidītājs ar plakanu spoli (tas atrodas aiz plāksnes), kas savienots ar stacionāru enerģijas avotu, un saderīgu uztvērēju, kas ir uzstādīts uzlādes ierīces iekšpusē (arī plakanas spoles formā). LppIzmantojot lādētāju, pievienotā ierīce tiek novietota uz raidītāja plāksnes. Šajā gadījumā, tāpat kā transformatorā, tiek piemērots elektromagnētiskās indukcijas princips starp šīm divām plakanām spirālēm.

Qi šodien tiek izmantots dažās ierīcēs: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. Konsorcija mērķis ir izveidot vienotu indukcijas lādēšanas tehnoloģijas standartu, lai bezvadu lādētāji būtu pazīstami sabiedrisko vietu atribūti, piemēram, kafejnīcas, lidostas, sporta arēnas utt.

Resonanses elektrodinamiskā indukcija tiek izmantota arī tiešai bezvadu enerģijas padevei ierīcēm, kurām nav bateriju. Tajos ietilpst RFID tagi un bezkontakta viedkartes. Līdzīgs princips attiecas arī uz elektroenerģijas nodošanu. Tesla transformatorā - no primārās ķēdes - induktora - līdz rezonatoram, kas atrodas tā iekšpusē. Pats Tesla transformators savukārt kalpo arī kā bezvadu enerģijas raidītājs, tikai vairāk elektrostatisks nekā elektromagnētisks.