У большинства людей название Tesla ассоциируется с компанией, которая помогла популяризировать
электрические автомобили. Вы также можете знать, что компания названа в честь Никола Тесла. Однако изобретатель думал не только о машинах, когда изобрел электродвигатель переменного тока. Он хотел «протолкнуть» человечество в будущее, где каждый мог бы сосредоточить больше своего времени на отдыхе, а не на работе. Он стремился максимально упростить жизнь человечеству. Одна из тем, над которой он работал — это бесплатная беспроводная связь.
Беспроводная зарядка
Сегодня мы можем передавать мощность без использования кабельного подключения с помощью индукции. Часто используемая для зарядки телефонов и небольшой электроники, индукционная технология требует контакта с зарядной поверхностью или имеет ограничение по расстоянию примерно на полторы дюйма. С ростом количества электромобилей некоторые компании разработали зарядные станции, которые могут заряжать автомобили с использованием беспроводных технологий. Это позволило бы владельцу электромобиля просто припарковать его в специальной «зоне зарядки» и процесс заряда начался бы без необходимости подключать кабели. Зарядные полосы на трассах также могут стать реальностью: автомобиль может двигаться в специально разработанной полосе, которая будет заряжать его во время движения.
Около двух лет назад исследователи Национальной лаборатории Oak Ridge, тестировавшие беспроводную передачу энергии, смогли передавать 20 кВт на пассажирское транспортное средство с эффективностью (КПД) около 90-95%. Полученная эффективность (КПД) делают эту технологию вполне конкурентоспособной с другими типами зарядки. Например, лаборатория Advanced Power Electronics Lab (APEL) в Университете Кеттеринга сотрудничала с компанией HELLA, производителем автомобильной электроники, для разработки компактного автомобильного зарядного устройства с КПД 97%, что на 3% больше, чем в среднем для этих типов зарядных устройств. Кроме того, беспроводная зарядка устраняет затраты на провода и проблемы с разъемами.
Индукционная зарядка имеет такие стандарты, как FCC Part 15, другой набор стандартов, называемый Частью 18 (Part 18), и стандарты, разработанные консорциумом Wireless Power Consortium под названием Qi. Хотя эти правила и стандарты могут говорить о тарифах зарядки или улучшенном тепловом испытании для передатчиков, физика по-прежнему управляет расстоянием, на котором может заряжаться объект. С использованием индукционного подхода работает такое правило — чем дальше объект от источника питания, тем медленнее он заряжается.
«Передвижная мощность»
Дальняя радиосвязь была мечтой Николы Теслы, и ученые все еще работают над улучшением этой технологии сегодня. Мобильность была постоянно растущей тенденцией. Сегодня, благодаря промышленным интернет вещей (IIoT), мобильность носителей продолжает расти. Но по мере увеличения потребности в мобильных устройствах развитие технологий аккумуляторных батарей не ускоряется.
Учитывайте стоимость доступных аккумуляторных батарей. Для сравнения в США стоимость киловатта мощности, взятого из электрической сети, составляет около $ 0,12 кВтч, а стоимость щелочных аккумуляторных батарей составляет — от 68 до 406 долларов за кВтч. Никелевые и свинцово-кислотные батареи более дешевы и имеют цену от 20 до 8 долларов за кВтч. Даже с дополнительной зарядкой литиевых батарей стоимость для премиум-класса может достигать от $ 1 до $ 4 за кВтч.
Это не только цена на аккумуляторы, которые могут вызвать проблемы, но также и вес, связанный с ними. Мобильные приложения часто напрямую связаны с весом, поэтому, имея возможность управлять передвижными объектами без использования аккумуляторных батарей, вы можете значительно снизить стоимость и вес устройства.
Промышленные интернет вещей (IIoT) управляют большим количеством датчиков и вычислений в конечных узлах, что увеличило спрос на дистанционное питание. Даже если батарея может работать довольно долго, в конечном итоге ее нужно будет заменить. Часто удаленные или пограничные устройства не являются быстрыми или легкими для доступа, что приводит к длительному времени замены. По мере того как количество устройств в системе растет, замена батарей может начать «потреблять» все больше и больше времени и сил.
Проблемы с физикой и расстоянием
Стремясь к увеличению передаваемой мощности на расстоянии, ученые пришли к выводу, что электромагнитные волны, кажется, движутся лучше, чем электромагнитные поля. К сожалению, радиоволны также имеют ограничение по расстоянию. Закон обратных квадратов Ньютона (интенсивность обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника) показывает то, что чем дальше вы находитесь от источника питания, тем меньше будет передаваемая мощность заряда:
Где D1 и D2 — расстояние 1 и 2 от источника энергии. I1 — интенсивность передачи энергии при расстоянии D1, I2 — интенсивность передачи энергии при расстоянии D2 соответственно.
Часть 15 из FCC ограничивает объем выходной мощности от радиочастотного передатчика на один ватт. С этим ограничением выходной мощности и уменьшением мощности в зависимости от расстояния неудивительно, что многие компании используют часть 18 FCC для ограничения мощности.
Несмотря на то, что эти правила многого требуют от устройства, оно имеет более низкую мощность по отношению к коммуникации. Однако, если устройство предназначено строго для зарядки и соответствует другим требованиям, таким как воздействие на людей, часть 18 позволяет передавать более высокие мощности с использованием беспроводной технологии. К сожалению, это правило «не одобряет физика».
Есть компании, которые работают над этими процессами, но некоторые из них также утверждают, что если устройство передавало при близком контакте 10 Вт, то изменение дистанции заряда на 6 футов снизит уровень передаваемой мощности до 1 Вт. Согласно закону обратных квадратов на расстоянии примерно 13 футов (4 метра) вы не сможете зарядить ваш смартфон (если он включен) с помощью беспроводной зарядки. Однако уровень передаваемой мощности при использовании беспроводной технологии (примерно 0,2 Вт) позволит снизить скорость разряда батареи смартфона.
Новые «цифровые предприятия»
В то время, как 2 Вт звучит не впечатляюще, этого может быть достаточно для работы датчиков мощности. Маленькие беспроводные датчики не требуют энергии смартфона или автомобиля. Возможность разместить датчик, который может отправлять данные через Wi-Fi и питаться по беспроводной сети, устраняет необходимость в десятках крошечных батарей или проводов из системы управления.
Хотя нынешний уровень развития беспроводной технологии может показаться не очень подходящим для промышленных производств, рассмотрите тензодатчики напряжения. Некоторые аэрокосмические и автомобильные приложения могут размещать десятки тензодатчиков на шасси или крыле. Прокладка электрической проводки занимает много времени и ресурсов. Возможность размещения тензодатчика без дополнительного веса батареи, которая может помешать тестированию, а также поможет сэкономить на проводке и времени на ее прокладку.
Некоторые компании уже поставляют беспроводные передатчики. PowerSpot продает беспроводной передатчик TX91503 RF, со шнуром питания 6 футов (1,8 м), адаптер настенной розетки USB и краткое руководство по началу работы всего за 100 долларов США. Компания утверждает, что она является первой в отрасли, работающей с приложениями, рассчитанными на дальние дистанции (до 80 футов или 24 метра), но она передает только 3 Вт. Если это устройство следует примеру, упомянутому ранее, и формуле с обратным квадратом, то полезной мощности практически нет уже на расстоянии 6 футов.
Кроме того, он использует Bluetooth для распознавания устройства или устройств. Можно утверждать, что Bluetooth работает только на расстоянии 33 фута (10 метров), но это только для Bluetooth класса 2. Существуют и другие классы, которые работают в более дальних диапазонах, и есть методы, которые могут расширить диапазон Bluetooth для «выполнения заявки» на 80 футов (24 метра). Вопрос в том, сколько энергии это устройство может доставить на расстояние в 80 футов.
Прием энергии
Беспроводная связь не является чем-то новым — кварцевые радиостанции были первыми широко используемыми «энергоприемниками». Они также были самыми распространенными радиостанциями, которые использовались в эпоху беспроводной телеграфии, примерно в 1904 году. Недорогие и надежные, они были движущей силой в развитии радио для общественности и способствовали развитию радио программ еще в 1920-х годах.
Сегодняшние устройства нуждаются в большей мощности беспроводного источника питания, чем кварцевые радиостанции. Преобразователи становятся все более продвинутыми, электроника потребляет все меньше энергии, интернет вещей (IoT) ведет устройства ближе к узловым вычислениям, затраты на электронные компоненты снижаются быстрее, чем эволюционируют батареи, инфраструктура IoT поддерживает устройство с узловыми вычислениями, устройства являются настолько же надежными, как и их источники питания, а внедрение систем интернет вещей вызывает переосмысление системных архитектур, что подпитывает идею беспроводной передачи электроэнергии.
По мере того, как электроника становится «более подвижной», а промышленные интернет вещей (IIoT) переносят свои вычисления в конечные узлы, наличие беспроводной зарядки позволит отказаться от использования батарей или, хотя бы увеличить срок их эксплуатации. Существует много исследований, связанных с микротермическими устройствами и устройствами вибрационной уборки урожая, но в настоящее время пьезоэлектрическая и фотоэлектрическая технология, по-видимому, находятся на переднем крае.
Для заводских и мобильных приложений популярны новые фотоэлектрические пленки. Моно и поликристаллические панели могут обеспечить большую мощность, но они работают с более узкой полосой пропускания. Без прямого света применение солнечных моно и поликристаллических панелей может быть неэффективным.
Кроме того, пленка менее восприимчива к затенению. Моно и поликристаллические панели соединены последовательно. Если участок панели затенен, вся строка или панель могут перестать заряжаться. Есть и обходные пути, но солнечные пленки надежны, имеют более широкую полосу пропускания, в которой они могут генерировать электроэнергию, и легче для мобильных приложений. «Силиконовая панель мощностью 30 Вт [c-Si] весит 7 фунтов (3,18 кг), а складной [CIGS] мощностью 30 Вт с солнечной батареей P3 весит 0,75 фунта (0,34 кг)», — объясняет Эми Боде, инженер компании altE, занимающейся солнечной энергетикой. «Это большая разница, если вы путешествуете с ним». Этот аспект привел к тому, что некоторые мобильные и удаленные приложения, например созданные любителями или военнослужащими, использовали тонкопленочные технологии.
Для производства необходимой вычислительной мощности промышленные интернет вещей (IIoT) и конечные узлы (Edge) могут использовать энергию вибраций или освещение в помещении. Обычно, если вы работаете в производственном цеху, из какой-либо области может появляться мерцание (например, сварка) или вибрация. Это может устранить необходимость в батарее. В то время, как фотогальваника не нуждается в замене и может, возможно, производить мощность неограниченно (в то время как все имеет срок службы, некоторые из оригинальных кристаллических панелей все еще работают), первоначальные затраты капитала все еще дают батареям более низкий барьер входа. Кроме того, мощность постоянного тока от батареи довольно стабильна и часто не требует дополнительных преобразующих устройств, в то время, как мощность, получаемая от солнечных элементов, потребует дополнительной электроники для стабилизации передаваемой мощности.
Батареи не идеальны, но на данный момент они являются простым решением для работы мобильных устройств или интернет вещей. Если солнечная энергия может увеличить отдачу от инвестиций, или беспроводная связь может более эффективно заряжать на больших расстояниях, то в отрасли аккумуляторных батарей могут начаться значительные изменения. Однако, учитывая скорость развития беспроводных и альтернативных технологий, удобство проектирования новых устройств, основываясь на давно проверенной технологии использования батарей, а также размером и ростом рынка мобильной / удаленной энергетики, более вероятно, что новые приложения по-прежнему будут выбирать хорошо знакомые решения на аккумуляторах. Пока же мечты Теслы о свободной беспроводной передачи энергии на длительные расстояния разбиваются законом Ньютона.
