Spis treści:
Nikola Tesla, inżynier i wynalazca serbskiego pochodzenia, zasłynął wieloma odkryciami i patentami w dziedzinie elektrotechniki. Pracował także nad bezprzewodową transmisją energii elektrycznej na dalekie odległości. Czy jego pomysł uda się zrealizować w przyszłości?
Przyszłość pod znakiem świata bezprzewodowego
W artykule tym opisano kierunki rozwoju dotyczące bezprzewodowej transmisji energii elektrycznej w urządzeniach elektrycznych i elektronicznych codziennego użytku.
Ładowanie bezprzewodowe
Technologia bezprzewodowa jest coraz częściej obecna w naszym życiu codziennym. W ciągu kilku minionych dekad można było to dostrzec głównie w dziedzinie teleinformatyki i komunikacji elektronicznej. Przenośne telefony komórkowe wyparły telefony stacjonarne, a opracowanie urządzeń Wi-Fi i Bluetooth pozwoliło na przeglądanie internetu bezprzewodowo. Obecnie kolejnym etapem rozwoju technologii bezprzewodowej jest indukcyjne ładowanie urządzeń zasilanych baterią takich jak telefony komórkowe i elektryczne szczoteczki do zębów. Choć technologia ładowania bezprzewodowego jest stosunkowo nowa, to prace nad jej rozwojem idą pełną parą, aby w przyszłości realizować przesyłanie energii elektrycznej za pomocą jak najkrótszych połączeń przewodowych. Ładowanie bezprzewodowe jest coraz popularniejsze w takich dziedzinach jak motoryzacja, telekomunikacja, opieka zdrowotna czy inżynieria produkcji. Daje ono użytkownikowi większą mobilność i umożliwia zasilanie urządzeń na odległość. Według wstępnych kalkulacji wielkość globalnego rynku ładowania bezprzewodowego do roku 2026 może przekroczyć 30 mln USD. Technologia ta zapewnia najwyższą wygodę i jest bezpieczna również w środowiskach zagrożonych np. wybuchem.
Jakie są metody ładowania bezprzewodowego?
Obecnie konstrukcje systemów ładowania bezprzewodowego wykorzystują rezonans magnetyczny lub indukcję elektromagnetyczną. Energia elektryczna jest przekazywana z ładowarki zasilanej z sieci 230 V, zamieniana na energię pola magnetycznego i przekazywana do odbiornika w urządzeniu ładowanym, gdzie następuje wsteczna konwersja energii pola magnetycznego na energię elektryczną.
Rozróżniamy trzy metody ładowania bezprzewodowego. Pierwszą z nich jest metoda ładowania radiowego. Ta metoda jest preferowana do zasilania urządzeń, które mają wbudowane baterie o niewielkiej pojemności i zużywają bardzo mało energii, np. smartfony, myszy i klawiatury bezprzewodowe, glukometry, pulsoksymetry i smartwatche. Odbiornik w urządzeniu jest skonfigurowany na tę samą częstotliwość co nadajnik – umożliwia to ładowanie urządzenia za pomocą fal radiowych. Drugą metodą jest ładowanie indukcyjne. Jest ona szeroko stosowana do ładowania przenośnych urządzeń średniej wielkości takich jak smartfony, tablety, odtwarzacze muzyki i urządzenia kuchenne. W tym przypadku sprzęt należy umieścić na podkładce ładującej zasilanej z sieci 230 V, która jest podłączona do gniazdka elektrycznego. Trzecią metodą jest ładowanie rezonansowe zalecane w urządzeniach o dużym poborze energii, np. komputerach, pojazdach elektrycznych, robotach czy też odkurzaczach. Zasada działania jest zbliżona do pracy nadajnika i odbiornika radiowego. Obwód rezonansowy ładowarki został zestrojony z obwodem rezonansowym odbiornika ładowanego.
Straty cieplne i metody chłodzenia podczas ładowania
Korzystając z ładowania indukcyjnego, możesz naładować urządzenia szybciej, łatwiej, wygodniej i bezpieczniej niż za pomocą tradycyjnej przewodowej metody. Niestety, ładowanie bezprzewodowe nie jest technologią wolną od wad. Z uwagi na obecność zakłóceń radioelektrycznych pochodzących od innych odbiorników baterie w urządzeniach ładowanych mogą być narażone na powstawanie stanów nieustalonych. Pogarszają one efektywność ładowania, powodując wahania temperatury oraz stopniowe zmniejszanie wydajności i żywotności baterii. Kwestia ta jest traktowana przez producentów jako drugorzędna, aby móc szybciej wprowadzić swoje produkty na rynek. Z czasem na pewno problemowi start cieplnych i bardziej efektywnemu chłodzeniu zostanie poświęcona większa uwaga w pracach badawczo-rozwojowych.
Metody chłodzenia w procesie ładowania indukcyjnego
Aby zwiększyć efektywność procesu ładowania bezprzewodowego, niezbędne jest zadbanie o odpowiednią technologię chłodzenia urządzeń ładujących. Jedną z nowoczesnych metod chłodzenia jest zastosowanie materiałów podlegających procesom przemian fazowych stanu skupienia. Pochłaniają one ciepło, przechodząc ze stanu stałego do ciekłego. Przy niewielkiej zmianie temperatury surowce te mogą pochłaniać duże ilości ciepła. Jednak zmiana objętości, która występuje podczas procesu zmiany stanu skupienia, ogranicza ich zastosowanie. Z tego względu obecnie wykorzystywane są tylko sprawdzone metody chłodzenia. Zalicza się do nich chłodzenie powietrzem w obiegu naturalnym i wymuszonym (przez wentylator napędzany silnikiem elektrycznym), gdzie strumień powietrza opływa żeberka radiatora zwiększające powierzchnię oddawania ciepła dzięki coraz szybszej wymianie ciepła. Takie żeberka chłodzące mają zazwyczaj wysoką przewodność cieplną i zapewniają skuteczne chłodzenie. Jedyną wadą jest wzrost masy całego układu ładowania, przez co może być on niewygodny w transporcie. Wykorzystuje się także metodę chłodzenia powietrzem poprzez konwekcję powietrza oraz chłodzenie cieczą, które zwiększa pojemność i przewodność cieplną oraz umożliwia uzyskanie najbardziej stabilnej temperatury pracy chłodzonego układu ładowania.
Kierunki rozwoju w najbliższej przyszłości
Ładowanie bezprzewodowe jest technologią, której proces rozwoju zapowiada bardzo obiecujące rezultaty w przyszłości. Efektem będzie zwiększenie jej zasięgu oraz mobilności użytkowników urządzeń IoT. W przypadku ładowarek bezprzewodowych pierwszej generacji odległość między urządzeniem a ładowarką wynosiła tylko kilka centymetrów. W najnowszych modelach odległość wzrosła do około 10 cm. Ponieważ technologia stale się rozwija, wkrótce możliwe będzie bezprzewodowe przesyłanie dużych ilości energii elektrycznej drogą powietrzną na odległości do kilku metrów. Sektor biznesowy i komercyjny również nieustannie wprowadza nowe i innowacyjne aplikacje do systemów bezprzewodowego ładowania baterii. Stoły restauracyjne, które ładują smartfony i inne inteligentne urządzenia, meble biurowe ze zintegrowanymi funkcjami ładowania oraz blaty kuchenne z funkcją bezprzewodowego zasilania robotów kuchennych to tylko niektóre z potencjalnych zastosowań tej technologii.
