قد تكون القوة معك ومع أجهزتك. شاحن لاسلكي

كان نيكولا تيسلا الشهير مهووسًا بفكرة واحدة. تخيل أن الكهرباء يمكن أن تنتقل لاسلكيًا ، عبر الهواء لمسافات طويلة ، أو بمساعدة أبراج منظمة في شبكة (1). لم يسير كل شيء وفقًا للخطة ، لأن رؤيته كانت تستهلك الكثير من الطاقة. لم تتحقق طموحات تسلا ، لكن النظرية نفسها لم تدحض.

اقترحت ورقة بحثية نُشرت في يناير 2021 في مجلة نيتشر أنه بإمكانهم ، دون علم منهم ، بناء ما لم تتمكن تسلا من بنائه في مطلع القرنين XNUMXth و XNUMXth - وهي "شبكة طاقة لاسلكية" يمكن تكييفها للشحن. أو تشغيل أجهزة صغيرة مدمجة. في السيارات والمنازل. والوظائف والمصانع.

نظرًا لأن 5G تعتمد على شبكة كثيفة من الصواري والهوائيات ، فمن الممكن أن توفر نفس البنية التحتية ، مع بعض التعديلات ، الطاقة للأجهزة الصغيرة. ومع ذلك ، سيظل النظام يعاني من نفس المشكلة التي كانت تعاني منها أبراج تسلا - فقد الطاقة العالية.

مصممة للاستخدام ، يمكنها حمل كل من اتصال الإنترنت والكهرباء. استخدمت التجارب أنواعًا جديدة من الهوائيات لتسهيل الشحن اللاسلكي. في المختبر ، استخدم الباحثون روابط 5G لنقل الطاقة على مسافة قصيرة نسبيًا تزيد قليلاً عن مترين ، لكنهم يتوقعون أن يكون الإصدار التالي من أجهزتهم قادرًا على إرسال 6 ميكرو واط (6 أجزاء من مليون واط) على مسافة تبلغ 180 مترا. هذا لا يزال غير كاف. لا يكفي شحن هاتفك. ومع ذلك ، يمكن شحنها أو الطاقة أجهزة إنترنت الأشياءوأجهزة الاستشعار وأجهزة الإنذار. في المصانع ، يمكن استخدام المئات من مستشعرات إنترنت الأشياء لمراقبة المستودعات ، والتنبؤ بأعطال المعدات ، أو تتبع حركة الأجزاء على طول خط الإنتاج.

لتوفير طاقة لاسلكية على هذا المستوى ، سواري 5G يجب أن تكون على الأقل 31 كيلو واط ، وهو ما يعادل عشرة غلايات من الماء المغلي باستمرار. في حين أن المخاوف من أن 5G قد تسبب السرطان قد دحضها العلماء ، فإن كمية الطاقة القادمة من الصواري قد تكون خطيرة. يجب أن يكون المستخدمون على بعد 16 مترًا على الأقل من الصواري وفقًا للوائح السلامة. هذه التقنية في مهدها فقط.

الحلول المستقبلية الممكنة ، لو فقط هوائيات جديدة باستخدام حزم أضيق وأكثر تركيزًا يمكن أن يقلل بشكل كبير من كمية الطاقة اللازمة لتشغيل النظام. في الآونة الأخيرة ، طورت مجموعة من العلماء من معهد جورجيا للتكنولوجيا مجموعة صغيرة ، هوائي مقوم مطبوع ثلاثي الأبعادالتي يمكنها جمع الطاقة الكهرومغناطيسية لإشارات شبكة 5G واستخدامها لتشغيل الأجهزة. يمكن للهوائي المرن ، الذي يعتمد تصميمه على عدسات روثمان ، جمع موجات ملليمتر في نطاق 28 جيجا هرتز. طاقة الموجات الكهرومغناطيسية يتم نقله إلى الشاحن ونقله لاسلكيًا ، على سبيل المثال ، إلى الأجهزة الإلكترونية المحمولة أو وحدات إنترنت الأشياء.

يتم بالفعل اختبار حلول مثل تلك الموضحة أعلاه في بعض الأماكن حول العالم. Powerco ، ثاني أكبر موزع كهرباء في نيوزيلندا ، تقوم بتجربة نظام Emrod ، الذي يستخدم أجهزة Rectennas التي تلتقط الموجات في الطيف الكهرومغناطيسي المقابلة لترددات مثل Wi-Fi أو Bluetooth ، ثم تنقل طاقة الميكروويف الكهربائية من نقطة إلى أخرى (2). في الوقت نفسه ، تراقب أشعة الليزر الصغيرة هوائيات المعدل لاكتشاف أي عوائق بين نقاط الترحيل. يقول جريج كوشنير ، مؤسس Emrod: "لقد طورنا تقنية لنقل الطاقة لاسلكيًا عبر مسافات طويلة".

2. مقارنة تركيب نظام نقل الطاقة اللاسلكي Emrod بشبكة نقل نموذجية

مشاريع نقل الطاقة اللاسلكية تصل إلى الفضاء الخارجي على مسافات أكبر. كما اتضح مؤخرًا ، الغامض مكوك صغير X-37B كما يستخدمه البنتاغون لاختبار تقنيات نقل الطاقة عبر المسافات وتزويد الأجهزة المختلفة بها. يحتوي X-37B على لوحة خاصة بقطر 30 سم ، وهي مصممة لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة ميكروويف. يُذكر أن نتائج تجربة PRAM-FX فاجأت العلماء بشكل كبير. كفاءة التحويل أعلى بكثير من المتوقع.

ما هي خطة البنتاغون؟ يريد الجيش إرسال كميات هائلة من الطاقة لاسلكيًا من المدار إلى الأرض ثم حول العالم. ميزة هذه التقنية هي أنه حتى أسوأ الظروف الجوية لا تخاف منها. يرى العلماء تطبيقه ليس فقط في القواعد الموجودة على المريخ أو القمر ، حيث سيكون من الممكن إنتاج الطاقة في مكان واحد ثم إرسالها إلى القواعد البعيدة ، ولكن أيضًا على الأرض ، على سبيل المثال ، لنقل الطاقة بين الأشياء البعيدة.

الآن البنتاغون قيد الإنشاء. مركبة فضائية تسمى أراكني i النظام الشمسي هيليوس. سيتم تجهيز السفينة بألواح شمسية خاصة ونظام لنقل الطاقة إلى المدارات وكذلك إلى الأرض. يجب إرسال الجهاز إلى الفضاء في وقت مبكر من عام 2023. يخطط الجيش الأمريكي لبناء عدة مزارع شمسية في مدار حول الأرض في العشرينات من القرن الحادي والعشرين ، حيث سيكون من الممكن إنتاج الطاقة وإرسالها إلى الأرض أو إنشاء منشآت فضائية بها.

سيتم أيضًا بناء مزارع مماثلة في مدار حول القمر والمريخ ، لأن ناسا تشارك أيضًا في المشروع.

الحث أو الموجات

بعبارة "الشحن اللاسلكي" تعني العملية شحن الجهاز الكهربائي ومعدات تعمل بالبطاريات دون الحاجة إلى توصيل كهربائي سلكي. بشكل عام ، هناك ثلاثة أنواع من الشحن: الاستقرائي والرنين والراديو.

الشحن الاستقرائي يستخدم الظاهرة الفيزيائية للحث الكهرومغناطيسي. عندما يمر التيار المتردد عبر ملف الحث في محطة الشحن ، فإن الشحنة الكهربائية المتحركة تخلق مجالًا مغناطيسيًا تتقلب قوته.

يخلق هذا المجال المغناطيسي المتناوب تيارًا كهربائيًا متناوبًا في الملف التعريفي لجهاز الشحن ، والذي يمر بدوره عبر المعدل. التيار المباشر يشحن البطارية أو يوفر طاقة التشغيل. تم استكشاف مفهوم الشحن الاستقرائي لأول مرة من قبل الفيزيائي الإنجليزي مايكل فاراداي في عام 1831 وصقله نيكولا تيسلا.

حتى الآن ، فإن التطبيق الأكثر شيوعًا لهذا النوع من التكنولوجيا في العالم هو معيار الشحن اللاسلكي Qi للهواتف الذكية والساعات الذكية والأجهزة اللوحية (3). يستخدم الشحن الاستقرائي أيضًا في المركبات والأدوات الكهربائية وفرشاة الأسنان الكهربائية والأجهزة الطبية. يمكن وضع الأجهزة المحمولة بالقرب من محطة الشحن أو موقد الحث دون الحاجة إلى تحديد المواقع بدقة أو الاتصال الكهربائي بمحطة الإرساء أو القابس.

3. شاحن لاسلكي

يمكن تحقيق مسافات كبيرة بين ملفات المرسل والمستقبل باستخدام الاقتران الحثي الرنيني في نظام الشحن الاستقرائي الذي يضاف فيه مكثف إلى كل محث لتكوين دائرتين عند تردد طنين محدد. مباراة تردد التيار المتردد تردد الرنينويتم اختيار ذلك بناءً على المسافة المطلوبة لتحقيق أقصى أداء.

واحدة من أشهر الشركات في هذه الصناعة هي إطلاق WiTricity تشتهر بتقنية الشحن اللاسلكي القائمة على الرنين الكهرومغناطيسي. تتكون حلول الشركة من أجهزة الإرسال والاستقبال التي تمتلكها هوائيات مغناطيسية مضبوطة على نفس التردد ، مما يسمح للمنصة بشحن أجهزة متعددة في نفس الوقت.

الهدف الرئيسي من WiTricity هو تزويد السيارات الكهربائية بهذا النظام. دخلت WiTricity في شراكة مع Toyota ، التي اختبرت حصائر الشحن على سيارات Prius الهجينة ، بالإضافة إلى Honda و Hyundai و Nissan و GM. ومع ذلك ، كان 2018 BMW 530e iPerformance 2018e فقط هو الطراز الأول الذي يطرح هذا النظام في السوق.

الشحن اللاسلكي قدمت البث الإذاعي بالفعل مخططًا تاريخيًا يعود إلى زمن تسلا. يعتمد على مبدأ فيزيائي آخر - نقل الطاقة عن طريق الموجات الكهرومغناطيسية. وهي تعمل حاليًا في النطاقات منخفضة الطاقة ، على الرغم من استمرار أعمال التطوير.

في عام 2015 ، يمكن لتقنية الموجات الدقيقة اللاسلكية نقل 1,8 كيلوواط من الطاقة على مسافة 55 مترًا. علاوة على ذلك ، لم يحدث هذا في فراغ ، ولكن في الغلاف الجوي العادي للأرض. وقد قام بذلك باحثون يابانيون واعتبر إنجازًا كبيرًا في مجال نقل الطاقة دون استخدام الأسلاك الكهربائية. في اليابان ، كانت الأبحاث جارية حول نقل الطاقة اللاسلكية عبر مسافات طويلة لسنوات عديدة. هناك أيضًا خطط معروفة للحصول على الطاقة من الشمس بمساعدة عظيمة مزرعة شمسية في الفضاء الخارجي.

براءات الاختراع والمعايير

معظم أكثر من 2019 براءة اختراع في هذا المجال معلقة في 20-401 موجودة في الصين - 4 (XNUMX). بالطبع ، تتطور أيضًا الشركات الأمريكية مثل Qualcomm و Apple بنشاط. تقنيات الشحن اللاسلكي الجديدة. في كوريا الجنوبية ، تعمل Samsung و LG بنشاط في هذا المجال من خلال هواتفهما الذكية الرائدة من سلسلة Galaxy S و V ، والتي تدعم الشحن اللاسلكي. في اليابان ، من ناحية أخرى ، هذه التقنية تهم عمالقة السيارات تويوتا ونيسان.

4. الدول الرائدة في عدد براءات الاختراع في مجال الشحن اللاسلكي

ومع ذلك ، لكي ينتشر الشحن اللاسلكي على نطاق واسع ، هناك حاجة أيضًا إلى معايير دولية. في السنوات الأخيرة ، ظهر معياران للشحن اللاسلكي - Qi و Power Matters Alliance (PMA).

يستخدم Qi نطاقًا من 100… 205 كيلو هرتز. وفقًا لاتحاد الطاقة اللاسلكي ، يوجد حاليًا أكثر من 3700 جهاز معتمد من Qi في السوق قادر على توفير 5 إلى 15 واط من الطاقة للأجهزة المحمولة.

يستخدم معيار الشحن PMA النطاق 277… 357 كيلو هرتز. يوفر هذا الخيار اللاسلكي ، المعروف أيضًا باسم معيار AirFuel Alliance ، ما يصل إلى 50 ملم من الطاقة ، مما يسمح لك باستخدام أجهزتك أثناء الشحن ويسمح لك بشحن أجهزة متعددة في نفس الوقت.

على الرغم من استخدام كل من هذه المعايير الشحن الاستقرائي ولها هيكل مكون مماثل ، فهي غير متوافقة. تتطلب الأجهزة تكوينات مختلفة لدعم PMA و Qi. تشتمل العديد من الأجهزة الجديدة على الأجهزة المطلوبة لاستخدام كلا معياري الشحن. يتغير الوضع حيث يبدو أن Qi تتولى زمام الأمور. على سبيل المثال ، ينتقل Powermat ، العضو المؤسس لاتحاد PMA ، إلى معيار Qi ، الذي تبنته Apple أيضًا كمعيار للشحن اللاسلكي. تشمل الشركات المصنعة الرائدة الأخرى في Qi Apple و Asus و HTC و LG Electronics و Motorola Mobility و Nokia و NuCurrent و Samsung و BlackBerry و Xiaomi و Sony.

بحثا عن الراحة والأداء والموثوقية

دعنا نلقي نظرة على الحلول المتاحة في السوق أو الحلول المطورة حديثًا. يسعى المصنعون جاهدين لجعل هذا النوع من الأجهزة سهل الاستخدام. سيكون على سبيل المثال كونترتوب حوض بناء السفن، إحدى الشركات الرائدة في تصنيع أسطح العمل في المملكة المتحدة ، تقدم تقنية لدمج تقنية الشحن اللاسلكي في سطح أسطح العمل الخاصة بهم. يستخدم هذا النظام المعياري البسيط والفعال جهاز إرسال SupaPowa Qi القياسي والذي يسمح للتيار بالتدفق بين ملف الإرسال وملف المستقبل على مقربة شديدة.

يضيء سطح الطاولة العصري والأنيق عند شحن الجهاز. تقدم الشركة المصنعة أيضًا وضع قرص مصنوع من مادة متباينة على سطح العمل ، وبفضل ذلك يكون موقع نقطة الشحن مرئيًا بوضوح لجميع المستخدمين: ليلاً ونهارًا.

يمكن دمج نظام "FreePower" من Aira في المكاتب والمكاتب ولوحات القيادة لتحويلها إلى أجهزة شحن قادرة على تشغيل أجهزة متعددة في وقت واحد. شواحن الاتصال النموذجية لها تتركز مساحة المنعطفاتوالتي يجب أن تتماشى مع الهاتف الذكي لشحنه. تستخدم الأسطح التي تعمل بالطاقة Aira ملفات متعددة على السطح وخوارزميات تتعقب الأجهزة المشحونة.

يسمح نظام الشحن اللاسلكي Energous 'WattUp (5) للمستخدمين بشحن الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والأجهزة الأخرى في نفس المنطقة مثل النظام الأساسي. يعمل WattUp بشكل مشابه لـ WiTricity (التصوير بالرنين المغناطيسي) ، ولكنه يختلف عن بدء تشغيل بوسطن في أن جهاز الإرسال يستخدم تقنية Bluetooth للبحث عن الأجهزة التي يمكن شحنها باستخدام تطبيق Energous.

واحدة من أشهر الأسواق العالمية هي تقنية باورمات (6) ، تسمى SmartInducitve ، تعتمد على الحث المغناطيسي ، مما يسمح بنقل الطاقة عبر مسافات طويلة ، حتى 40 سم ، ودعم الشحن اللاسلكي مع تحول كبير (حتى عند وضعه بزاوية) ، ومناسب لشحن الأجهزة وتشغيلها لاسلكيًا عبر الجدران ، عن بعد ، في ظروف قاسية في الهواء الطلق ، تحت الماء وحتى في البيئات ذات درجة عالية من المعادن.

بدورها ، تطور Elix Wireless أجهزة شحن عالية الطاقة من 1 إلى 000 20 واط لأي تطبيق وأجهزة صناعية. تتخصص الشركة في "اقتران مغناطيسي ديناميكي" (MDC) ، والذي يستخدم زوجًا من المغناطيسات الدوارة في كل من المرسل والمستقبل ، مفصولة بفجوة هوائية. يؤدي دوران المغناطيس في وحدة الإرسال إلى دوران المغناطيس في جهاز الاستقبال بشكل متزامن ، مما يوفر نقلًا فعالًا للطاقة ينتج عنه حرارة أقل من طرق الحث الأخرى.

مقارنة بجميع الحلول الموضحة هنا ، يختلف منتج uBeam من حيث أنه يستخدم الموجات فوق الصوتية للشحن. وفقًا لوصف الشركة للتكنولوجيا ، تعمل المنصة مع جهاز إرسال يشبه مكبر الصوت يصدر صوتًا عالي التردد في نطاق 45 إلى 75 كيلو هرتز (غير مسموع للإنسان والحيوان). ثم يستخدم هوائي صفيف مرحلي لإرسال الصوت إلى جهاز استقبال يشبه الميكروفون مركب على جهاز يحتاج إلى طاقة. التالي طاقة الموجات فوق الصوتية تحويلها إلى تيار مباشر. عندما يتم شحن الجهاز ، يتم قطع نقل الطاقة.

احذر من الأجسام الغريبة

على الرغم من التطوير والتحسين المستمر ، لا تزال طرق الشحن المستخدمة حاليًا في الممارسة تثير العديد من المشاكل. كما هو مذكور في مقال حديث في صحيفة نيويورك تايمز ، فإن شحن جهاز iPhone XR بشاحن سلكي 12 واط من Apple أدى إلى زيادة مستويات البطارية بنسبة 38 بالمائة في 30 دقيقة ، لكن استخدام محطة شحن لاسلكية لمدة نصف ساعة لم ينتج عنه سوى شحن بنسبة 24 بالمائة.

لذا فإن النتيجة ليست مبهرة للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، كلما كان جهاز الاستقبال بعيدًا عن جهاز الإرسال ، قلت الطاقة التي سيتلقاها من المصدر. مجال مغناطيسي. تقل كفاءة الشحن ليس فقط مع زيادة المسافة ، ولكن أيضًا بسبب الوضع "غير الأمثل". بالإضافة إلى ذلك ، فإن جميع طرق نقل الطاقة تولد حرارة. الشحن اللاسلكي ليس أفضل ، وفي بعض الحالات يمكن أن يكون أكثر إشكالية من شحن الكابل.

W الشحن اللاسلكي تحتاج إلى الحذر من الأجسام الغريبة بالقرب من الملف ، خاصةً إذا كانت مصنوعة من المعدن. على سبيل المثال ، يمكن لعملة معدنية أو مجموعة مفاتيح موضوعة عن طريق الخطأ على الشاحن أن تبدأ في نقل الطاقة ، مما قد يؤدي إلى ذوبان الجسم وإتلاف الشاحن. هناك ، بالطبع ، أجهزة تشير إلى وجود أجسام غريبة في المكان الذي لا ينبغي أن تكون فيه ، ولكن ، كما قد تتخيل ، لا تقل تكلفتها عن المعتاد.

الطاقة من الهواء الرقيق يمكن أن تحل مشكلة البطارية

يكثف الكفاح من أجل تحسين أولئك الذين لا يزالون غير مبالين إعدادات الشاحن اللاسلكي. تبحث الشركات عن طرق لجعل عملية شحن الهاتف الذكي أكثر ملاءمة ، بحيث لا يلزم أن يكون الهاتف بالقرب من منفذ طاقة أو يتم وضعه بدقة على سطح الشحن. في عام 2019 ، عرضت شركة OPPO الصينية طرازات هواتف Reno Ace تعمل بشاحن لاسلكي بقوة 65 وات ، مما سمح لشحن البطارية بنسبة تصل إلى 100 بالمائة.

في غضون 30 دقيقة. منذ ذلك الحين ، استمرت المنافسة على أعلى سعة شحن سلكية. في عام 2020 ، أعلنت VIVO و Xiaomi عن تقنية شحن سلكي 120 واط يمكنها شحن بطارية 4000 مللي أمبير في الساعة في 20 دقيقة. ومع ذلك ، فهذه الأجهزة غير متوفرة حاليًا في السوق ، كما هو الحال مع نظام 80 واط الذي أعلنت عنه Xiaomi.

بداية عام 2021 عبارة عن سلسلة من العروض التقديمية لأنظمة الشحن لمسافات طويلة للأجهزة المحمولة "بدون أسلاك وأي منصات شحن". قدمت OPPO حلها لأول مرة. في الفيديو التوضيحي ، يمكننا أن نرى أن الهاتف يشحن لاسلكيًا ، على الرغم من إزالته من الحامل. بعد وقت قصير من هذا العرض التقديمي ، أعلن الصينيون من Xiaomi عن نظام Mi Air Charge. بعد بضعة أيام ، في فبراير بالفعل ، نظمت موتورولا مظاهرة محطة الشحن عن بعد يسمى "موتورولا وان هايبر" (7). كشفت شركة Aeterlink اليابانية النقاب عن جهاز Airplug تدعي أنه بإمكانه تشغيل الأجهزة التي تصل إلى 20 مترًا.

7. عرض لنظام Motorola One Hyper لشحن الكاميرات من مسافة حوالي متر

في مارس ، كشفت Xiaomi عن مزيد من التفاصيل حول تقنية الشحن بعيد المدى. الشاحن الخاص به مزود بهوائيات قادرة على اكتشاف موضع الهاتف الذكي. مصفوفة التحكم في الطور يتكون من 144 هوائيًا يرسل موجات ملليمتر مباشرة إلى الهاتف من خلال تشكيل الحزمة. تقوم مجموعة هوائي الاستقبال المكونة من 14 هوائيًا بتحويل إشارة الموجة المليمترية إلى كهرباء ، والتي تشحن الهاتف.

وقالت الشركة إنه "في المستقبل القريب" سيكون النظام قادرًا أيضًا على العمل مع الساعات الذكية والأساور و الأجهزة الأخرى القابلة للارتداء. أما بالنسبة للهاتف الذكي ، فقد طورت شركة Xiaomi "هوائي إشارة" و "هوائي استقبال وهمي". الأول ينقل معلومات حول الموقع.

إحدى أفكار الشحن اللاسلكي شاحن لاسلكي لمسافات طويلةوهو مشدود في مقبس المصباح. هذا منتج طورته شركة Wi-Charge الإسرائيلية. هذا هو استخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء لنقل طاقة تبلغ حوالي 2020 واط. عرضت الشركة هذه التقنية في CES XNUMX وفازت بجائزة الابتكار. الفكرة هي أن جهاز الإرسال سيتم توصيله بمصادر الطاقة المنزلية التقليدية وسيحول الكهرباء إلى أشعة ليزر تعمل بالأشعة تحت الحمراء. ستحول أجهزة الاستقبال المدمجة في الأجهزة هذا الضوء إلى مصدر طاقة. تقوم Wi-Charge حاليًا بطرح حلها لشحن الكاميرات الأمنية عن بُعد والأرفف الذكية في المتاجر والمستودعات الأمريكية.

إذا استفادت الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء من الشحن اللاسلكي عن بُعد ، سواء على شبكة مثل 5G أو بعض التقنيات الأخرى التي لا تتوقف ، فيمكن تقليل حجم البطاريات ، وفي بعض الحالات تمامًا لا تستخدم. . هذا يحل العديد من المشاكل التي يواجهها قطاع الأجهزة القابلة للارتداء اليوم.