Metóda elektromagnetickej indukcie bezdrôtového prenosu energie

Spôsob prenosu elektrickej energie na vzdialenosť bez použitia vodivého média sa nazýva bezdrôtový prenos elektriny. Do roku 2011 sa uskutočnilo niekoľko úspešných experimentov v mikrovlnnej rúre s kapacitou niekoľkých desiatok kilowattov, pričom účinnosť bola asi 40%.

Toto sa stalo prvýkrát v roku 1975 v Kalifornii a druhýkrát v roku 1997 na ostrove Réunion. Najdlhšia vzdialenosť bola asi jeden kilometer, bol uskutočnený experiment na štúdium možností úspory energie jednej dediny bez použitia tradičného kábla.

Technologicky zahŕňajú princípy prenosu elektrickej energie na určitú vzdialenosť v závislosti od prenosovej vzdialenosti nasledujúce. Na krátke vzdialenosti pri nízkych výkonoch - indukčné a rezonančné metódy, napr v značkách RFID a inteligentné karty. Na veľké vzdialenosti a pri vysokých výkonoch - metóda smerového elektromagnetického žiarenia v rozsahu od UV po mikrovlnnú rúru.

Pozrime sa bližšie na indukčnú metódu. Bezdrôtový prenos energie prostredníctvom elektromagnetickej indukcie znamená použitie blízkeho elektromagnetického poľa na vzdialenosti úmerné 17% vlnovej dĺžky. Pointa je, že energia blízkeho poľa sama osebe nevyžaruje, sú tu len malé žiarenie a odporové straty.

Elektrodynamická indukcia funguje takto. Keď striedavý elektrický prúd prechádza primárnym vinutím, je okolo neho striedavé magnetické pole, ktoré súčasne pôsobí na sekundárne vinutie, indukuje premennú EMF a podľa toho aj striedavý prúd.

Aby sa dosiahla vyššia účinnosť, relatívna poloha primárneho a sekundárneho vinutia by mala byť dostatočne blízko. Ak sa za experimentálnych podmienok začne sekundárne vinutie pohybovať preč od primárneho, potom sa časť magnetického poľa dosahujúca sekundárne vinutie a prechádzajúca jeho závitmi zmenší.

Keď sa sekundárne vinutie odstráni, dokonca aj v malej vzdialenosti, indukčné spojenie medzi vinutiami bude nakoniec také malé, že väčšina energie prenášanej magnetickým poľom bude spotrebovaná mimoriadne neefektívne a všeobecne zbytočne.

Podobný systém je prezentovaný vo svojej najjednoduchšej podobe. v klasickom elektrickom transformátore, Transformátor je koniec koncov najjednoduchším zariadením na bezdrôtový prenos energie, pretože jeho primárne a sekundárne vinutia nie sú navzájom galvanicky spojené. Prenos energie z primárnej na sekundárnu sa v nej realizuje prostredníctvom procesu nazývaného vzájomná indukcia. Hlavnou funkciou transformátora je zvýšenie alebo zníženie napätia privádzaného do primárneho vinutia.

V bezkontaktných nabíjačkách pre mobilné zariadenia, pre elektrické zubné kefky a v indukčných varných doskách sú implementované iba metódy elektrodynamickej indukcie. Nevýhodou pri prenose energie týmto spôsobom je to, že účinný postup je veľmi malý. Aby sa dosiahla správna účinnosť, vysielač a prijímač musia byť umiestnené veľmi, veľmi blízko pri sebe, takmer blízko princípu, že môžu navzájom účinne interagovať.

Na zvýšenie účinnosti indukčnej metódy je užitočné zaviesť do takejto sústavy jav elektrickej rezonancie, ktorý zvýši efektívnu prenosovú vzdialenosť. S pridaním oscilačného obvodu do rezonančného obvodu sa jeho pôsobením do istej miery zvyšuje účinná prenosová vzdialenosť. Aby rezonancia nastala, slučky vysielača a prijímača musia byť naladené na rovnakú spoločnú frekvenciu.

Výkonnosť takého systému sa môže ďalej zlepšiť korekciou tvaru vlny riadiaceho prúdu a jeho odchýlením od sínusového k prechodnému nesínusovému pulznému.

Pulzný prenos energie sa potom uskutočňuje v niekoľkých cykloch a významný výkon sa môže za takýchto podmienok prenášať z jedného LC obvodu do druhého as nižším koeficientom väzby ako bez použitia rezonančných obvodov. Tvary cievok sa nemenia a v každom prípade sú to ploché špirály alebo jednovrstvové solenoidy s kondenzátormi, ktoré sú k nim pripojené, potrebné na vyladenie prijímacieho prvku na rezonančnú frekvenciu vysielača.

Rezonančná elektrodynamická indukcia sa tradične používa v bezdrôtových nabíjačkách batérií mobilných zariadení, ako sú mobilné telefóny a lekárske implantáty, ako aj v elektrických vozidlách. Lokalizované nabíjacie zariadenia používajú výber špecifickej cievky vysielača zo súboru viacvrstvových vinutí.

V tomto prípade rezonančný jav funguje tak v obvode vysielacieho panelu nabíjačky, ako aj v prijímacom obvode nabíjacieho modulu nainštalovaného na nabíjacom zariadení, takže je maximalizovaná účinnosť prenosu a príjmu energie. Technológia tejto konfigurácie je univerzálna a môže sa použiť na bezdrôtové nabíjanie rôznych prístrojov vybavených príslušnými rezonančnými prijímačmi.

Technika tohto plánu je prijatá ako súčasť štandardu bezdrôtového nabíjania Qi. Tento štandard poskytuje dve možnosti prenosu energie: nízky výkon - od 0 do 5 wattov a stredný výkon - do 10 wattov. Tento štandard bol vyvinutý po roku 2008 konzorciom bezdrôtového napájania (WPC) na indukčný prenos energie do 4 cm.

Zariadenie s podporou Qi obsahuje vysielač s plochou cievkou (je umiestnený za doskou) pripojený k stacionárnemu zdroju energie a kompatibilný prijímač, ktorý je nainštalovaný vo vnútri nabíjacieho zariadenia (tiež vo forme plochej cievky). PPri používaní nabíjačky je pripojené zariadenie umiestnené na doske vysielača. V tomto prípade platí zásada elektromagnetickej indukcie medzi týmito dvoma plochými cievkami, ako v transformátore.

Qi sa dnes používa v niektorých zariadeniach: Apple, Asus, HTC, Huawei, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, Samsung, Xiaomi, Sony, Yota Devices. Cieľom konzorcia je vytvoriť jednotný štandard pre technológiu indukčného nabíjania, aby sa bezdrôtové nabíjačky stali známym atribútom verejných priestranstiev, ako sú kaviarne, letiská, športové arény atď.

Rezonančná elektrodynamická indukcia sa používa aj na priame bezdrôtové napájanie zariadení, ktoré nemajú vo vnútri batérie. Zahŕňajú značky RFID a bezkontaktné inteligentné karty. Podobný princíp platí aj pre prenos elektrickej energie. v transformátore Tesla - z primárneho okruhu - induktora - do rezonátora umiestneného vo vnútri. Samotný Tesla transformátor slúži tiež ako bezdrôtový vysielač energie, ktorý je viac elektrostatický ako elektromagnetický.