Megi krafturinn vera með þér og tækjum þínum. Þráðlaus hleðslutæki

Hinn frægi Nikola Tesla var heltekinn af einni hugmynd. Hann ímyndaði sér að hægt væri að senda rafmagn þráðlaust, í gegnum loftið um langar vegalengdir eða með hjálp turna sem eru skipulagðir í neti (1). Ekki gekk allt að óskum þar sem sjón hans var að nota of mikla orku. Metnaður Tesla gekk ekki eftir, en kenningin sjálf var ekki hrakin.

Grein sem birt var í janúar 2021 í tímaritinu Nature gaf til kynna að þeir gætu óafvitandi smíðað það sem Tesla mistókst að smíða um aldamót XNUMX. og XNUMX. aldar - „þráðlaust rafmagnsnet“ sem hægt væri að aðlaga fyrir hleðslu. eða knýja lítil innbyggð tæki í bíla, heimili. , störf og verksmiðjur.

Vegna þess að 5G byggir á þéttu neti mastra og loftneta, er mögulegt að sami innviði, með nokkrum breytingum, geti skilað afli til lítilla tækja. Hins vegar mun kerfið enn þjást af sama vandamáli og Tesla turnarnir voru með - mikið orkutap.

Þau eru hönnuð til notkunar og geta borið bæði nettengingu og rafmagn. Tilraunirnar notuðu nýjar gerðir loftneta til að auðvelda þráðlausa hleðslu. Í rannsóknarstofunni notuðu vísindamennirnir 5G hlekki til að senda afl yfir tiltölulega stutta vegalengd, rúmlega tveggja metra, en þeir búast við að næsta útgáfa tækis þeirra geti sent 6 míkróvatta (6 milljónustu úr vöttum) yfir fjarlægð frá 180 metrar. Þetta er samt ekki nóg. Það er ekki nóg að hlaða símann. Hins vegar getur það hlaðið eða afl IoT tæki, skynjara og viðvörun. Í verksmiðjum er hægt að nota hundruð IoT skynjara til að fylgjast með vöruhúsum, spá fyrir um bilanir í búnaði eða fylgjast með hreyfingu hluta eftir framleiðslulínu.

Til að veita þráðlaust afl á þessu stigi, möstur 5G þeir verða að vera að minnsta kosti 31 kW, sem samsvarar tíu kötlum af stöðugu sjóðandi vatni. Þótt vísindamenn hafi afneitað ótta um að 5G gæti valdið krabbameini, getur magn aflsins sem kemur frá möstrum verið hættulegt. Notendur skulu vera í minnst 16 metra fjarlægð frá möstrum í samræmi við öryggisreglur. Þessi tækni er aðeins á frumstigi.

Mögulegar framtíðarlausnir, ef aðeins ný loftnet með þrengri og fókuserari geislum getur dregið verulega úr því afli sem þarf til að keyra kerfið. Nýlega þróaði hópur vísindamanna frá Georgia Institute of Technology lítið, 3D prentað afriðunarloftnetsem getur safnað rafsegulorku 5G netmerkja og notað hana til að knýja tæki. Sveigjanlega loftnetið, sem er byggt á Rothman linsum, getur safnað millimetrabylgjum á 28 GHz bandinu. Orka rafsegulbylgna það er flutt yfir í hleðslutækið og sent þráðlaust til td flytjanlegur rafeindatækni eða IoT einingar.

Nú þegar er verið að prófa lausnir eins og þær sem lýst er hér að ofan sums staðar um allan heim. Powerco, næststærst raforkudreifingaraðili á Nýja-Sjálandi er verið að prufa Emrod kerfið, sem notar rjúpur sem fanga bylgjur á rafsegulrófinu sem samsvara tíðni eins og Wi-Fi eða Bluetooth, og senda síðan örbylgjuraforku frá einum stað til annars (2). Á sama tíma fylgjast litlir leysir með afriðlarloftnetunum til að greina allar hindranir á milli boðstaða. „Við höfum þróað tæknina til að senda orku þráðlaust yfir langar vegalengdir,“ segir Greg Kushnir, stofnandi Emrod.

2. Samanburður við uppsetningu á þráðlausa aflflutningskerfi Emrod við dæmigerð flutningsnet

verkefni þráðlaus aflflutningur þeir ná út í geiminn í enn meiri fjarlægð. Eins og það kom í ljós nýlega, hið dularfulla Lítil skutla X-37B það er einnig notað af Pentagon til að prófa tækni til að senda orku yfir fjarlægð og útvega ýmis tæki með henni. X-37B er með sérstaka plötu með 30 sentímetra þvermál, sem er hönnuð til að breyta sólarorku í örbylgjuorku. Greint er frá því að niðurstöður PRAM-FX tilraunarinnar hafi komið vísindamönnum mjög á óvart. Umbreytingarskilvirkni er mun meiri en búist var við.

Hver er áætlun Pentagon? Herinn vill senda þráðlaust gríðarlegt magn af krafti frá sporbraut til jarðar og síðan um heiminn. Kosturinn við þessa tækni er að jafnvel verstu veðurskilyrði eru ekki hrædd við hana. Vísindamenn sjá beitingu þess ekki aðeins í stöðvum á Mars eða tunglinu, þar sem hægt verður að framleiða orku á einum stað og senda hana síðan til fjarlægra bækistöðva, heldur einnig á jörðinni, til dæmis, til að flytja orku á milli fjarlægra hluta.

Nú er fimmhyrningurinn í byggingu. geimskip sem heitir Arachne i Sólkerfið Helios. Skipið verður búið sérstökum sólarplötum og kerfi til að flytja orku til svigrúma, sem og til jarðar. Tækið ætti að vera sent út í geim strax árið 2023. Bandaríski herinn ætlar að byggja nokkra sólarbúgarða á sporbraut um jörðu á 20. áratug XNUMX. aldar, þar sem hægt verður að framleiða orku og senda hana til jarðar eða knýja geimstöðvar með henni.

Svipuð býli verða einnig byggð á sporbraut um tunglið og Mars, því NASA tekur einnig þátt í verkefninu.

Innleiðslu eða bylgjur

Með „þráðlausri hleðslu“ er átt við ferlið raftæki hleðsla og rafhlöðuknúinn búnaður án þess að þörf sé á raftengingu með snúru. Almennt séð eru þrjár gerðir af hleðslu: Inductive, resonant og útvarp.

inductive hleðslu notar eðlisfræðilegt fyrirbæri rafsegulvirkjunar. Þegar riðstraumur fer í gegnum virkjunarspóluna í hleðslustöðinni myndar rafhleðslan á hreyfingu segulsvið sem sveiflast í styrkleika.

Þetta segulsviðssvið myndar riðstraum í innleiðsluspólu hleðslutækisins, sem aftur fer í gegnum afriðrann. Jafnstraumurinn hleður rafhlöðuna eða veitir rekstrarafli. Hugmyndin um inductive hleðslu var fyrst kannað af enska eðlisfræðingnum Michael Faraday árið 1831 og betrumbætt frekar af Nikola Tesla.

Langvinsælasta notkun þessarar tegundar tækni í heiminum er Qi þráðlausa hleðslustaðallinn fyrir snjallsíma, snjallúr og spjaldtölvur (3). Innleiðandi hleðsla er einnig notuð í farartæki, rafmagnsverkfæri, raftannbursta og lækningatæki. Hægt er að setja færanlegan tæki nálægt hleðslustöðinni eða innleiðsluhelluborðinu án þess að þörf sé á nákvæmri staðsetningu eða rafmagnssnertingu við tengikví eða kló.

3. Þráðlaust hleðslutæki

Hægt er að ná stórum fjarlægðum milli sendi- og móttakaraspóla með því að nota resonant inductive tengingu í inductive hleðslukerfi þar sem þétti er bætt við hvern spólu til að mynda tvær hringrásir á tiltekinni ómuntíðni. AC tíðni samsvörun ómunatíðniog þetta er valið eftir fjarlægðinni sem krafist er fyrir hámarksafköst.

Eitt af frægustu fyrirtækjum í þessum iðnaði er ræstu WiTricity þekkt fyrir þráðlausa hleðslutækni sína sem byggir á rafsegulómun. Lausnir fyrirtækisins samanstanda af sendum og viðtökum sem þeir hafa segulloftnet stillt á sömu tíðni, sem gerir pallinum kleift að hlaða mörg tæki á sama tíma.

Meginmarkmið WiTricity er að útbúa rafknúin farartæki með þessu kerfi. WiTricity hefur verið í samstarfi við Toyota, sem hefur prófað hleðslumottur á Prius tvinnbílum, auk Honda, Hyundai, Nissan og GM. Hins vegar var aðeins 2018 BMW 530e iPerformance 2018e fyrsta gerðin með þessu kerfi sem kom á markaðinn.

Þráðlaus hleðslutæki Útvarpsútsendingar höfðu þegar sett fram sögulega útdrátt sem nær aftur til tíma Tesla. Það er byggt á annarri eðlisfræðilegri meginreglu - flutning orku með rafsegulbylgjum. Það starfar eins og er á litlum aflsviðum, þó þróunarvinna sé enn í gangi.

Árið 2015 gæti þráðlaus örbylgjutækni sent 1,8 kílóvött af afli yfir 55 metra fjarlægð. Þar að auki gerðist þetta ekki í lofttæmi heldur í venjulegu lofthjúpi jarðar. Þetta gerðu japanskir ​​vísindamenn og þótti mikið afrek á sviði orkuflutnings án þess að nota rafmagnsvíra. Í Japan hefur verið unnið að rannsóknum á þráðlausri orkuflutningi yfir langar vegalengdir í mörg ár. Það eru líka þekktar áætlanir um að fá orku frá sólinni með hjálp mikillar sólarbú í geimnum.

Einkaleyfi og staðlar

Flest meira en 2019 einkaleyfi á þessu sviði sem bíða á árunum 20-401 eru í Kína - 4 (XNUMX). Auðvitað eru bandarísk fyrirtæki eins og Qualcomm og Apple einnig í virkri þróun. ný þráðlaus hleðslutækni. Í Suður-Kóreu eru Samsung og LG virkir að vinna á þessu sviði með flaggskipssnjallsímum sínum af Galaxy S og V seríunni, sem styðja þráðlausa hleðslu. Í Japan er þessi tækni hins vegar áhugaverð fyrir bílarisana Toyota og Nissan.

4. Leiðandi lönd í fjölda einkaleyfa á sviði þráðlausrar hleðslu

Hins vegar, til þess að þráðlaus hleðsla verði útbreidd, þarf einnig alþjóðlega staðla. Á undanförnum árum hafa tveir þráðlausir hleðslustaðlar komið fram - Qi og Power Matters Alliance (PMA).

Qi notar bilið 100…205 kHz. Samkvæmt Wireless Power Consortium eru nú yfir 3700 Qi-vottuð tæki á markaðnum sem geta skilað 5 til 15 vöttum af afli til farsíma.

PMA hleðslustaðallinn notar 277…357 kHz sviðið. Einnig þekktur sem AirFuel Alliance staðallinn, þessi þráðlausi valkostur skilar allt að 50 millimetrum af afli, sem gerir þér kleift að nota tækin þín á meðan á hleðslu stendur og gerir þér kleift að hlaða mörg tæki á sama tíma.

Þó að báðir þessir staðlar noti inductive hleðslu og hafa svipaða íhlutabyggingu, þeir eru ekki samhæfðir. Tæki þurfa mismunandi stillingar til að styðja PMA og Qi. Mörg ný tæki innihalda þann vélbúnað sem þarf til að nota báða hleðslustaðlana. Staðan er að breytast þar sem Qi virðist vera að taka við. Sem dæmi má nefna að Powermat, stofnaðili PMA samsteypunnar, er að fara yfir í Qi staðalinn, sem Apple hefur einnig tekið upp sem þráðlausan hleðslustaðla. Aðrir leiðandi Qi framleiðendur eru Apple, Asus, HTC, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, NuCurrent, Samsung, BlackBerry, Xiaomi og Sony.

Í leit að þægindum, frammistöðu og áreiðanleika

Við skulum skoða þær lausnir sem til eru á markaðnum eða nýþróaðar. Framleiðendur leitast við að gera þessa tegund tækis auðveld í notkun. Dæmi væri Borðplötur skipasmíðastöðvar, einn af leiðandi borðplötuframleiðendum í Bretlandi, býður upp á tækni til að samþætta þráðlausa hleðslutækni í yfirborð borðplötunnar. Þetta einfalda og skilvirka einingakerfi notar staðlaðan SupaPowa Qi sendi sem gerir straum kleift að flæða á milli sendispólunnar og móttakaraspólunnar í nálægð.

Nútímaleg og stílhrein borðplata skín þegar tækið er hlaðið. Framleiðandinn býður einnig upp á að setja disk úr andstæðu efni á borðplötunni, þökk sé staðsetning hleðslustaðarins er greinilega sýnileg öllum notendum: dag og nótt.

„FreePower“ kerfi Aira er hægt að samþætta í skrifborð, skrifborð og mælaborð til að breyta þeim í hleðslutæki sem geta knúið mörg tæki samtímis. Dæmigert tengihleðslutæki hafa einbeitt svæði beygjasem verður að vera í takt við snjallsímann til að hlaða hann. Aira-knúnir fletir nota margar spólur á yfirborðinu og reiknirit sem halda utan um tæki sem eru hlaðin.

Energous' WattUp(5) þráðlausa hleðslukerfi gerir notendum kleift að hlaða snjallsíma, spjaldtölvur og önnur tæki á sama svæði og pallurinn. WattUp virkar svipað og WiTricity (segulómun), en er frábrugðin Boston gangsetningunni að því leyti að sendirinn notar Bluetooth til að leita að tækjum sem hægt er að hlaða með Energous appinu.

Einn sá frægasti á heimsmarkaði er Powermat tækni (6), sem kallast SmartInducitve, byggt á segulvirkjun, sem gerir orkuflutning kleift yfir langar vegalengdir, allt að 40 cm, styður þráðlausa hleðslu með verulegri breytingu (jafnvel þegar hún er staðsett í horn) og hentar til að hlaða og knýja tæki þráðlaust í gegnum veggi , í fjarlægð, við erfiðar aðstæður utandyra, neðansjávar og jafnvel í umhverfi með mikla málmvirkni.

Aftur á móti þróar Elix Wireless aflhleðslutæki frá 1 til 000 20 W fyrir hvaða forrit sem er og iðnaðartæki. Fyrirtækið sérhæfir sig í "magnetodynamic coupling" (MDC), sem notar par af snúnings seglum í bæði sendi og móttakara, aðskilin með loftgapi. Snúningur segulsins í sendieiningunni veldur því að segullinn í móttakaranum snýst samstilltur, sem veitir skilvirka aflflutning sem framleiðir minni hita en aðrar aðferðir við framköllun.

Í samanburði við allar lausnir sem lýst er hér, er uBeam varan frábrugðin því að hún notar ómskoðun við hleðslu. Samkvæmt lýsingu fyrirtækisins á tækninni virkar pallurinn með hátalaralíkum sendi sem gefur frá sér hátíðnihljóð á bilinu 45 til 75 kHz (óheyrilegt mönnum og dýrum). Það notar síðan áfangaskipt fylkisloftnet til að senda hljóð í hljóðnemalíkan móttakara sem er festur á tæki sem þarf afl. Næst úthljóðsbylgjuorka breytt í jafnstraum. Þegar tækið er í hleðslu er rafmagnsflutningurinn rofinn.

Varist aðskotahluti

Þrátt fyrir stöðuga þróun og endurbætur valda hleðsluaðferðunum sem nú eru notaðar í reynd enn mörg vandamál. Eins og fram kom í nýlegri grein í The New York Times jók hleðsla á iPhone XR með 12-watta hleðslutæki Apple rafhlöðu um 38 prósent á 30 mínútum, en að nota þráðlausa hleðslustöð í hálftíma gaf aðeins 24 prósent hleðslu.

Þannig að útkoman er ekki mjög áhrifamikil. Að auki, því lengra sem móttakarinn er frá sendinum, því minni orku mun hann taka við frá upptökum. segulsvið. Hleðsluskilvirkni minnkar ekki aðeins með aukinni fjarlægð heldur einnig vegna „óákjósanlegrar“ stöðu. Að auki mynda allar aðferðir við orkuflutning hita. Þráðlaus hleðsla er ekki betri og getur í sumum tilfellum verið erfiðari en hleðsla með kapal.

W þráðlaus hleðslutæki þú þarft að varast aðskotahluti nálægt spólunni, sérstaklega ef þeir eru úr málmi. Til dæmis getur mynt eða sett af lyklum sem óvart er sett á hleðslutæki byrjað að flytja orku, hugsanlega brætt hlutinn og skemmt hleðslutækið. Það eru auðvitað tæki sem gefa til kynna þegar aðskotahlutir eru þar sem þeir ættu ekki að vera, en eins og þú gætir giska á þá kosta þau ekkert minna en venjulega.

Kraftur úr þunnu lofti gæti leyst rafhlöðuvandamálið þitt

Baráttan við að bæta þá sem enn eru lítt áhrifamikill harðnar stillingar fyrir þráðlausa hleðslutæki. Fyrirtæki eru að leita leiða til að gera hleðsluferlið snjallsíma þægilegra, þannig að síminn þurfi ekki að vera nálægt rafmagnsinnstungu eða nákvæmlega staðsettur á hleðsluborði. Árið 2019 bauð kínverska fyrirtækið OPPO upp á Reno Ace símagerðir sem virkuðu með 65W þráðlausu hleðslutæki, sem gerði kleift að hlaða rafhlöðuna allt að 100 prósent.

innan 30 mínútna. Síðan þá hefur samkeppnin um hæstu hleðslugetu með snúru haldið áfram. Árið 2020 tilkynntu VIVO og Xiaomi 120W hleðslutækni með snúru sem getur hlaðið 4000mAh rafhlöðu á 20 mínútum. Hins vegar eru þessi tæki ekki fáanleg á markaðnum eins og er, sem og tilkynnt 80-watta kerfi Xiaomi.

Byrjun 2021 er röð kynninga á langlínuhleðslukerfum fyrir farsíma „án víra og hleðslustanda“. OPPO kynnti lausn sína í fyrsta skipti. Í kynningarmyndbandinu sjáum við að síminn hleðst þráðlaust þrátt fyrir að vera tekinn úr standinum. Stuttu eftir þessa kynningu tilkynntu Kínverjar frá Xiaomi Mi Air Charge kerfið. Nokkrum dögum síðar, þegar í febrúar, efndi Motorola til sýnikennslu fjarhleðslustöð kallaður "Motorola One Hyper" (7). Og japanska fyrirtækið Aeterlink kynnti Airplug tækið, sem, samkvæmt tryggingum þess, knýr tæki í allt að 20 metra fjarlægð.

7. Kynning á Motorola One Hyper kerfinu til að hlaða myndavélar úr um metra fjarlægð

Í mars opinberaði Xiaomi frekari upplýsingar um langdræga hleðslutækni sína. Hleðslutækið er búið loftnetum sem geta greint staðsetningu snjallsímans. Phase Control Matrix sem samanstendur af 144 loftnetum sem senda millimetrabylgjur beint í símann í gegnum geislaformun. Móttökuloftnetsfylkingin með 14 loftnetum breytir millimetrabylgjumerkinu í rafmagn sem hleður símann.

Fyrirtækið sagði að „á næstunni“ muni kerfið einnig geta unnið með snjallúrum, armböndum og önnur nothæf tæki. Hvað snjallsímann varðar, þá hefur Xiaomi þróað „merkjaloftnet“ og „brúðumóttökuloftnet“. Sá fyrsti sendir upplýsingar um staðsetninguna.

Ein af hugmyndum um þráðlausa hleðslu þráðlaust hleðslutæki fyrir langa fjarlægðsem er skrúfað í lampainnstunguna. Þetta er vara þróuð af ísraelska fyrirtækinu Wi-Charge. Þetta er notkun innrauðs ljóss til að senda kraft upp á um það bil tvö vött. Fyrirtækið sýndi tæknina á CES 2020 og vann til nýsköpunarverðlauna. Hugmyndin er að sendirinn verði tengdur við hefðbundna heimilisaflgjafa og breyti rafmagni í innrauða leysigeisla. Móttökur sem eru innbyggðir í tækin munu breyta þessu ljósi í aflgjafa. Wi-Charge er núna að setja út lausn sína til að fjarhlaða öryggismyndavélar og snjallhillur í bandarískum verslunum og vöruhúsum.

Ef raftæki sem hægt er að nota hafi einhvern tíma notið góðs af þráðlausri fjarhleðslu, hvort sem það er á neti eins og 5G eða einhverri annarri stanslausri tækni, gætu rafhlöður minnkað að stærð og í sumum tilfellum alls ekki notaðar. . Þetta leysir mörg vandamálin sem wearable geirinn stendur frammi fyrir í dag.