Moge de kracht bij u en uw apparaten zijn. Draadloze oplader

De beroemde Nikola Tesla was geobsedeerd door één idee. Hij stelde zich voor dat elektriciteit draadloos kon worden verzonden, door de lucht over lange afstanden, of met behulp van torens die in een netwerk waren georganiseerd (1). Niet alles verliep volgens plan, omdat zijn visie te veel energie kostte. Tesla's ambities werden niet gerealiseerd, maar de theorie zelf werd niet weerlegd.

Een artikel gepubliceerd in januari 2021 in het tijdschrift Nature suggereerde dat ze onbewust zouden kunnen bouwen wat Tesla rond de eeuwwisseling niet kon bouwen: een ‘draadloos elektriciteitsnet’ dat zou kunnen worden aangepast voor het opladen of voeden van kleine ingebouwde apparaten in auto’s. , huizen. , banen en fabrieken.

Omdat 5G afhankelijk is van een dicht netwerk van masten en antennes, is het mogelijk dat dezelfde infrastructuur, met enkele aanpassingen, stroom naar kleinere apparaten kan overbrengen. Het systeem zal echter nog steeds last hebben van hetzelfde probleem als de torens van Tesla: hoge energieverliezen.

Ze zijn ontworpen voor gebruik en kunnen zowel een internetverbinding als elektriciteit vervoeren. Bij de experimenten werd gebruik gemaakt van nieuwe typen antennes om draadloos opladen mogelijk te maken. In het laboratorium gebruikten de onderzoekers 5G-koppelingen om stroom over een relatief korte afstand van iets meer dan twee meter te verzenden, maar ze verwachten dat de volgende versie van hun apparaat 6 microwatt (6 miljoenste watt) kan overbrengen over een afstand van 180 meter. Dit is nog steeds niet genoeg. Het is niet genoeg om je telefoon op te laden. Het kan echter opladen of voeden IoT-apparaten, sensoren en alarmen. Fabrieken kunnen honderden IoT-sensoren gebruiken om magazijnen te monitoren, defecten aan apparatuur te voorspellen of de beweging van onderdelen langs een productielijn te volgen.

Om draadloze stroom op dit niveau te leveren, 5G-masten ze moeten minimaal 31 kW zijn, wat overeenkomt met tien ketels continu kokend water. Hoewel de vrees dat 5G kanker zou kunnen veroorzaken door wetenschappers is ontkracht, kan de hoeveelheid energie die uit de masten komt gevaarlijk zijn. Veiligheidsvoorschriften vereisen dat gebruikers een minimale afstand van 16 meter tot masten aanhouden. Deze techniek staat nog maar in de kinderschoenen.

Mogelijke toekomstige oplossingen, tenzij nieuwe antennes met smallere en meer gefocuste bundels kan de hoeveelheid energie die nodig is om het systeem te laten werken aanzienlijk verminderen. Onlangs heeft een groep wetenschappers van het Georgia Institute of Technology een klein, 3D-geprinte gelijkrichtantennedie elektromagnetische energie uit 5G-netwerksignalen kan oogsten en deze kan gebruiken om apparaten van stroom te voorzien. De flexibele antenne, waarvan het ontwerp is gebaseerd op Rothman-lenzen, kan millimetergolven opvangen in het 28 GHz-bereik. Elektromagnetische golfenergie het wordt overgebracht naar de oplader en draadloos verzonden naar bijvoorbeeld draagbare elektronica of IoT-modules.

Oplossingen zoals hierboven beschreven worden op sommige plaatsen in de wereld al getest. Powerco, de tweede grootste stroomverdeler In Nieuw-Zeeland test een proefprogramma het Emrod-systeem, dat rectenna's gebruikt om golven op te vangen in banden van het elektromagnetische spectrum die overeenkomen met frequenties zoals Wi-Fi of Bluetooth, en vervolgens elektrische energie in het microgolfbereik van het ene punt naar het andere verzendt. (2). Tegelijkertijd bewaken kleine lasers de gelijkrichtantennes om eventuele obstakels tussen de relaispunten te detecteren. “We hebben technologie ontwikkeld voor draadloze energietransmissie over lange afstanden”, zegt Emrod-oprichter Greg Kushnir.

2. Vergelijking van de installatie van het Emrod draadloze stroomtransmissiesysteem met een typisch transmissienetwerk

projecten draadloze krachtoverdracht ze bereiken de ruimte op nog grotere afstanden. Zoals onlangs bleek, het mysterieuze Minishuttle X-37B het wordt ook door het Pentagon gebruikt om technologieën te testen voor het overbrengen van energie over afstand en het leveren ervan aan verschillende apparaten. De X-37B heeft een speciale plaat met een diameter van 30 centimeter, die is ontworpen om zonne-energie om te zetten in microgolfenergie. Er wordt gemeld dat de resultaten van het PRAM-FX-experiment wetenschappers enorm hebben verrast. Het conversierendement is veel hoger dan verwacht.

Wat is het plan van het Pentagon? Het leger wil draadloos enorme hoeveelheden energie vanuit een baan om de aarde en vervolgens de wereld rond sturen. Het voordeel van deze technologie is dat deze zelfs voor de slechtste weersomstandigheden niet bang is. Wetenschappers zien het nut ervan niet alleen in bases op Mars of de maan, waar het mogelijk zou zijn om op één plek energie te produceren en deze vervolgens naar verre bases te sturen, maar bijvoorbeeld ook op aarde om energie over te dragen tussen verre objecten.

De vijfhoek wordt momenteel gebouwd. ruimteschip genaamd Arachne i Zonnestelsel Helios. Het schip zal worden uitgerust met speciale zonnepanelen en een systeem voor het overbrengen van energie naar orbitale voertuigen en naar de aarde. Het apparaat moet in 2023 de ruimte in worden gestuurd. Het Amerikaanse leger is van plan in de jaren twintig verschillende zonneparken in de baan van de aarde te bouwen, waar energie kan worden geproduceerd en naar de aarde kan worden gestuurd of kan worden aangedreven door ruimte-installaties.

Soortgelijke boerderijen zullen ook in de baan van de maan en Mars worden gebouwd, omdat ook NASA bij het project betrokken is.

Inductie of golven

Met ‘draadloos opladen’ bedoelen we het proces elektrisch apparaat opladen en apparatuur die op batterijen werkt zonder dat er een bekabelde elektrische verbinding nodig is. Over het algemeen zijn er drie soorten opladen: inductief, resonant en radioactief.

Inductief opladen maakt gebruik van het fysieke fenomeen van elektromagnetische inductie. Wanneer wisselstroom door een inductiespoel in een laadstation gaat, creëert de bewegende elektrische lading een magnetisch veld waarvan de sterkte fluctueert.

Dit magnetische wisselveld creëert een elektrische wisselstroom in de inductiespoel van het apparaat dat wordt opgeladen, die op zijn beurt door de gelijkrichter gaat. Gelijkstroom laadt de batterij op of levert bedrijfsvermogen. Het concept van inductief opladen werd voor het eerst onderzocht door de Engelse natuurkundige Michael Faraday in 1831 en later verfijnd door Nikola Tesla.

Tegenwoordig is de populairste toepassing van dit soort technologie ter wereld de Qi-standaard voor draadloos opladen van smartphones, smartwatches en tablets (3). Inductief opladen wordt ook gebruikt in voertuigen, elektrisch gereedschap, elektrische tandenborstels en medische apparaten. Draagbare apparaten kunnen in de buurt van een laadstation of inductiepaneel worden geplaatst zonder dat er een nauwkeurige positionering of elektrisch contact met een dockingstation of stekker nodig is.

3. Draadloze oplader

Grote afstanden tussen de zender- en ontvangerspoelen kunnen worden bereikt door gebruik te maken van resonante inductieve koppeling in een inductief laadsysteem, waarbij aan elke inductor een condensator wordt toegevoegd om twee circuits met een specifieke resonantiefrequentie te vormen. AC-frequentie komt overeen met resonantie frequentieen deze wordt geselecteerd op basis van de afstand die nodig is voor maximale prestaties.

Een van de bekendste bedrijven in deze branche is lancering van WiTricity bekend om zijn draadloze oplaadtechnologie op basis van elektromagnetische resonantie. De oplossingen van het bedrijf bestaan ​​uit zenders en ontvangers die ze hebben magnetische antennes geconfigureerd op dezelfde frequentie, waardoor het platform tegelijkertijd meerdere apparaten kan opladen.

Het hoofddoel van WiTricity is om elektrische voertuigen uit te rusten met dit systeem. WiTricity werkt samen met Toyota, dat laadmatten heeft getest op Prius-hybrides, maar ook op Honda, Hyundai, Nissan en GM. Alleen de BMW 2018e iPerformance 530e uit 2018 werd echter het eerste model dat met een dergelijk systeem op de markt kwam.

Draadloos opladen radio-uitzendingen hadden al een historisch overzicht gegeven dat terugging tot de tijd van Tesla. Het is gebaseerd op een ander natuurkundig principe: de overdracht van energie door elektromagnetische golven. Het werkt momenteel in banden met laag vermogen, hoewel de ontwikkelingswerkzaamheden nog gaande zijn.

In 2015 zou draadloze microgolftechnologie 1,8 kilowatt energie over een afstand van 55 meter kunnen verzenden. Bovendien gebeurde dit niet in een vacuüm, maar in de gewone atmosfeer van de aarde. Dit werd gedaan door Japanse onderzoekers en werd beschouwd als een grote prestatie op het gebied van het overbrengen van energie zonder het gebruik van elektrische draden. In Japan wordt al jaren onderzoek gedaan naar draadloze transmissie van elektriciteit over lange afstanden. Er zijn ook plannen bekend om met behulp van grote energiebronnen energie uit de zon te halen zonnepark in de ruimte.

Patenten en standaarden

De meeste van de ruim een ​​halfduizend patenten die in 2019-20 op dit gebied zijn aangevraagd, komen uit China – 401 (4). Natuurlijk ontwikkelen Amerikaanse bedrijven zoals Qualcomm en Apple zich ook actief. nieuwe technologieën voor draadloos opladen. In Zuid-Korea zijn Samsung en LG op dit gebied actief met hun vlaggenschip smartphones uit de Galaxy S- en V-serie, die draadloos opladen ondersteunen. In Japan daarentegen is deze technologie interessant voor autogiganten Toyota en Nissan.

4. Toonaangevende landen in aantal patenten op het gebied van draadloos opladen

Om draadloos opladen wijdverbreid te maken, zijn echter ook internationale normen nodig. De afgelopen jaren zijn er twee standaarden voor draadloos opladen ontstaan: Qi en Power Matters Alliance (PMA).

Qi gebruikt het bereik 100…205 kHz. Volgens het Wireless Power Consortium zijn er momenteel meer dan 3700 Qi-gecertificeerde apparaten op de markt die tussen de 5 en 15 watt aan stroom kunnen leveren aan mobiele apparaten.

De PMA-laadstandaard gebruikt het bereik 277…357 kHz. Deze draadloze optie, ook bekend als de AirFuel Alliance-standaard, levert tot 50 millimeter stroom, waardoor u uw apparaten kunt gebruiken tijdens het opladen en meerdere apparaten tegelijk kunt opladen.

Hoewel beide standaarden worden gebruikt inductief opladen en een vergelijkbare componentenstructuur hebben, zijn ze niet compatibel. Apparaten vereisen verschillende configuraties om PMA en Qi te ondersteunen. Veel nieuwe apparaten bevatten de hardware die nodig is om beide oplaadstandaarden te gebruiken. De situatie verandert nu Qi het lijkt over te nemen. Powermat, een van de oprichters van het PMA-consortium, stapt bijvoorbeeld over op de Qi-standaard, die ook door Apple is overgenomen als standaard voor draadloos opladen. Andere toonaangevende fabrikanten die met de Qi-standaard werken, zijn onder meer Apple, Asus, HTC, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, NuCurrent, Samsung, BlackBerry, Xiaomi en Sony.

Op zoek naar gemak, prestaties en betrouwbaarheid

Laten we eens kijken naar de oplossingen die op de markt beschikbaar zijn of recentelijk zijn ontwikkeld. Fabrikanten streven ernaar dit soort apparaten gebruiksvriendelijk te maken. Een voorbeeld zou kunnen zijn Scheepswerf tafelbladen, een van de toonaangevende werkbladfabrikanten in Groot-Brittannië, biedt een techniek aan om draadloze oplaadtechnologie in het oppervlak van zijn werkbladen te integreren. Dit eenvoudige en effectieve modulaire systeem maakt gebruik van de standaard SupaPowa Qi-zender, die ervoor zorgt dat er stroom kan stromen tussen de zenderspoel en de ontvangerspoel in de directe nabijheid.

Het moderne en stijlvolle tafelblad glanst wanneer het apparaat is opgeladen. De fabrikant stelt ook voor om een ​​schijf van contrasterend materiaal op het aanrecht te plaatsen, waardoor de locatie van het oplaadpunt voor alle gebruikers duidelijk zichtbaar is: dag en nacht.

Aira's "FreePower"-systeem kan worden geïntegreerd in tafels, bureaus en dashboards om er opladers van te maken die meerdere apparaten tegelijk van stroom kunnen voorzien. Typische contactladers hebben dat wel geconcentreerd gebied van bochtendie moet worden uitgelijnd met de smartphone om deze op te laden. Door Aira aangedreven oppervlakken gebruiken meerdere spoelen op het oppervlak en algoritmen die volgen welke apparaten worden opgeladen.

Met het WattUp (5) draadloze oplaadsysteem van Energous kunnen gebruikers smartphones, tablets en andere apparaten opladen in dezelfde ruimte als het platform. WattUp werkt op dezelfde manier als WiTricity (magnetic resonance imaging), maar verschilt van de Boston startup doordat de zender Bluetooth gebruikt om apparaten te vinden die kunnen worden opgeladen met de Energous-app.

Een van de meest bekende op de wereldmarkt is Powermat-technologie (6), genaamd SmartInducitve, gebaseerd op magnetische inductie, waardoor energie kan worden overgedragen over lange afstanden, tot 40 cm, ondersteunt draadloos opladen met een aanzienlijke verschuiving (zelfs bij hoekpositionering) en geschikt voor het draadloos opladen en voeden van apparaten door muren heen, op afstand, in barre buitenomstandigheden, onder water en zelfs in omgevingen met een hoge mate van metalliciteit.

Elix Wireless ontwikkelt op zijn beurt krachtige laders van 1 tot 000 W voor elke toepassing en industriële apparaten. Het bedrijf is gespecialiseerd in "magnetodynamische koppeling" (MDC), waarbij gebruik wordt gemaakt van een paar roterende magneten in zowel de zender als de ontvanger, gescheiden door een luchtspleet. Door de magneet in de zendeenheid te draaien, gaat de magneet in de ontvanger synchroon draaien, waardoor een efficiënte krachtoverdracht ontstaat die minder warmte produceert dan bij andere inductiemethoden.

Vergeleken met alle hier beschreven oplossingen verschilt het uBeam-product doordat het ultrasone golven gebruikt voor het opladen. Volgens de beschrijving van de technologie door het bedrijf werkt het platform met een luidsprekerachtige zender die hoogfrequent geluid uitzendt in het bereik van 45 tot 75 kHz (onhoorbaar voor mens en dier). Vervolgens wordt er gebruik gemaakt van een Phased Array-antenne om het geluid naar een microfoonachtige ontvanger te sturen die op het apparaat is gemonteerd en die stroom nodig heeft. Volgende ultrasone golfenergie omgezet in gelijkstroom. Wanneer het apparaat wordt opgeladen, wordt de energieoverdracht onderbroken.

Pas op voor vreemde voorwerpen

Ondanks voortdurende ontwikkeling en verbetering leveren de momenteel in de praktijk gebruikte laadmethoden nog steeds veel problemen op. Zoals opgemerkt in een recent artikel in The New York Times, verhoogde het opladen van een iPhone XR met de 12-watt bedrade oplader van Apple de lading van de batterij met 38 procent in 30 minuten, maar het gebruik van een draadloos laadstation gedurende een half uur leverde slechts een lading van 24 procent op. .

Het resultaat is dus niet erg indrukwekkend. Bovendien geldt dat hoe verder de ontvanger van de zender verwijderd is, hoe minder energie hij van de bron zal ontvangen. een magnetisch veld. De laadefficiëntie neemt niet alleen af ​​met toenemende afstand, maar ook als gevolg van een “suboptimale” positie. Bovendien genereren alle methoden van energieoverdracht warmte. Draadloos opladen is niet beter, en kan in sommige gevallen problematischer zijn, dan opladen via de kabel.

W de onbemande lading U moet oppassen voor vreemde voorwerpen in de buurt van de spoel, vooral als deze van metaal zijn gemaakt. Een muntstuk of een set sleutels die per ongeluk op een oplader worden geplaatst, kan bijvoorbeeld energie overdragen, waardoor het voorwerp kan smelten en de oplader kan worden beschadigd. Er zijn natuurlijk apparaten die signaleren wanneer vreemde voorwerpen zich op een plek bevinden waar ze niet mogen zijn, maar zoals je misschien wel vermoedt, kosten ze niet minder dan gewone.

Energie uit de lucht kan uw batterijprobleem oplossen

De strijd om degenen die nog steeds teleurstellend zijn te verbeteren, wordt steeds intenser parameters voor draadloze oplader. Bedrijven zoeken naar manieren om het opladen van een smartphone gemakkelijker te maken, zodat de telefoon niet in de buurt van een stopcontact hoeft te staan ​​of direct op het oplaadoppervlak hoeft te worden geplaatst. In 2019 bood het Chinese bedrijf OPPO Reno Ace-telefoonmodellen aan die werkten met een draadloze oplader van 65 W, waardoor de batterij tot 100 procent kon worden opgeladen.

binnen 30 minuten. Sindsdien is de strijd om het hoogste bekabelde laadvermogen voortgezet. In 2020 hebben VIVO en Xiaomi een bedrade oplaadtechnologie van 120 W aangekondigd die een batterij van 4000 mAh in 20 minuten kan opladen. Deze toestellen zijn momenteel echter nog niet op de markt verkrijgbaar, net als het door Xiaomi aangekondigde 80W-systeem.

Begin 2021 is een reeks presentaties van langeafstandslaadsystemen voor mobiele apparaten “zonder kabels en oplaadstandaarden.” OPPO presenteerde zijn oplossing voor de eerste keer. In de demovideo kunnen we zien dat de telefoon draadloos oplaadt, ondanks dat hij uit de houder is gehaald. Kort na deze presentatie kondigden de Chinezen van Xiaomi het Mi Air Charge-systeem aan. Een paar dagen later, in februari, organiseerde Motorola een demonstratie laadstation op afstand genaamd "Motorola One Hyper" (7). En het Japanse bedrijf Aeterlink introduceerde het "Airplug" -apparaat, dat, volgens zijn garanties, apparaten van stroom voorziet op een afstand van maximaal 20 meter.

7. Presentatie van het Motorola One Hyper-systeem voor het opladen van camera's vanaf een afstand van ongeveer een meter

In maart onthulde Xiaomi meer details over zijn langeafstandslaadtechnologie. De oplader is uitgerust met antennes die de positie van de smartphone kunnen detecteren. Fasecontrolematrix bestaande uit 144 antennes die millimetergolven rechtstreeks naar de telefoon verzenden via beamforming. Een ontvangende antenne-array van 14 antennes zet het millimetergolfsignaal om in elektriciteit, waardoor de telefoon wordt opgeladen.

Het bedrijf zei dat het systeem "in de nabije toekomst" ook zal kunnen werken met slimme horloges, armbanden en andere draagbare apparaten. Voor de smartphone heeft Xiaomi een ‘signaalantenne’ en een ‘dummy ontvangstantenne’ ontwikkeld. De eerste verzendt locatie-informatie.

Een van de ideeën voor draadloos opladen draadloze oplader voor lange afstandendie in de lampfitting wordt geschroefd. Dit is een product ontwikkeld door het Israëlische bedrijf Wi-Charge. Dit is het gebruik van infrarood licht om ongeveer twee watt aan vermogen over te brengen. Het bedrijf presenteerde de techniek op CES 2020 en won een innovatieprijs. Het idee is dat de zender wordt aangesloten op traditionele huishoudelijke stroomvoorzieningen en elektriciteit zal omzetten in infrarode laserstralen. Ontvangers die in de apparaten zijn ingebouwd, zetten dit licht om in een stroombron. Wi-Charge implementeert momenteel zijn oplossing voor het op afstand opladen van CCTV-camera's en slimme schappen in Amerikaanse winkels en magazijnen.

Als wearables ooit zouden profiteren van draadloos opladen over een afstand, of het nu op een netwerk zoals 5G of een andere technologie is, zouden de batterijen non-stop kleiner kunnen worden en in sommige gevallen zelfs helemaal niet kunnen worden gebruikt. . Dit lost veel van de problemen op waarmee de wearables-sector vandaag de dag wordt geconfronteerd.