Zasilanie bez przewodów

Organizacje i badania

Badania nad bezprzewodowym przesyłaniem energii są prowadzone przez różne organizacje, wśród których jest MIT (Massachusetts Institute of Technology). Przeprowadzono tam eksperyment polegający na umieszczeniu dwóch cewek w odległości 2 metrów od siebie. Pierwszą cewkę dołączono do źródła zasilania i wytworzono w ten sposób pole magnetyczne. Zostało ono "odebrane" przez drugą cewkę i zamienione na prąd elektryczny, który zasilił dołączoną do cewki odbiorczej żarówkę.

W przeciwieństwie do systemów telekomunikacyjnych nadających na bardzo wysokiej częstotliwości, w eksperymencie wykorzystano niską częstotliwość 10 MHz. Sposób ten umożliwił uzyskanie większej sprawności niż w przypadku transmisji radiowych, bo emitowana energia z anteny nie była rozpraszana we wszystkie strony. Uzyskano w ten sposób sprawność na poziomie 45%. Sukces uzyskany podczas eksperymentów sprawił, że odkrytej w ten sposób technologii transmisji energii nadano nazwę WiTricity (od Wireless Electricity).

Rys. 12. Zestaw ewaluacyjny bqTesla Contactless Charging Evaluation Kit opracowany przez Texas Instruments Rys. 13. Zestaw do bezprzewodowego ładowania kontrolerów konsoli Wii

W roku 2007 powstała organizacja Wi-Tricity Corp., której głównym celem jest komercjalizacja wynalazku opracowanego przez naukowców z MIT i obecnie skupia się ona na dalszym rozwoju tej technologii. Dodatkowym celem jest opracowanie podzespołów pozwalających projektantom i producentom tworzyć wyroby prawdziwie bezprzewodowe. Konkurencyjna technologia eCoupled została opracowana przez Fulton Innovation i jest ona oparta na zbliżeniowym przesyłaniu energii.

Interesującą cechą tego rozwiązania jest obecność modułu kontrolnego bazujące na mikroprocesorze i modułu komunikującego się z odbiornikiem za pomocą sprzężenia magnetycznego. Pozwoliło to zastosować algorytmy sterujące, które nieustannie monitorują parametry zasilania i dostosowują je do bieżących potrzeb. Zwiększono dzięki temu bezpieczeństwo i zapewniono dużą sprawność. Każde urządzenie wykonane w technologii eCoupled ma sygnaturę, dzięki czemu nadajnik jest w stanie zidentyfikować je i dostarczyć moc odpowiadającą zapotrzebowaniu.

System odłączy zasilanie w momencie, gdy nie ma w pobliżu właściwego urządzenia i zapobiegnie indukcji prądu w przypadkowych przedmiotach. Ciekawym rozwiązaniem jest odłączanie zasilania tylko od wybranych urządzeń, zamiast od wszystkich. Przydaje się to, kiedy do nadajnika zbliżono jednocześnie kilka urządzeń, wtedy zakończenie ładowania odtwarzacza MP3 nie wstrzyma ładowania telefonu komórkowego.

Fulton Innovation zapewnia, że technologa eCoupled jest zgodna ze standardami bezpieczeństwa i kompatybilności elektromagnetycznej. Ponadto umożliwia przesłanie mocy na poziomie 1,4kW przy zachowaniu 98% sprawności (napięcie 120V). Rozwój systemów bezprzewodowego przesyłania energii wymaga wielu badań, które mogą być zbyt dużym wyzwaniem dla jednej korporacji. Z tego względu wiele znaczących firm nawiązało współpracę w tym zakresie i stowarzyszyło się w organizację Wireless Power Consortium zajmującą się rozwojem i promocją bezprzewodowych systemów zasilania. Stałymi członkami organizacji Wireless Power Consortium są: ConvenientPower, Fulton Innovation, National Semiconductor, Olympus, Nokia, Philips, Research In Mo-tion, Sang Fei, Sanyo, Texas Instruments.

Rozwiązania komercyjne i przykłady zastosowań

Texas Instruments przygotował zestaw ewaluacyjny bqTesla Contactless Charging Evaluation Kit bazujący na technologii eCoupled (rysunek 12). Według zapewnień TI jest on łatwy w użyciu, charakteryzuje się wysoką jakością i jest przeznaczony do rozwijania własnych rozwiązań wykorzystujących zasilanie bezprzewodowe. W skład zestawu wchodzą najważniejsze elementy: moduł nadawczy i odbiorczy, cewki oraz dokumentacja. Brak konieczności tworzenia oprogramowania pozwoli uzyskać pełną funkcjonalność plug-and-play.

Rys. 14. Telefon Palm Pre i jego ładowarka bezprzewodowa Rys. 15. Latarka TX40 oraz ładowarka bezprzewodowa CX40, przeznaczone do pracy w trudnych warunkach

Producent zapowiada ponadto przygotowanie przewodnika ułatwiającego właściwy dobór elementów dla strony odbiorczej urządzenia. Na rynku można znaleźć już pierwsze produkty wyposażone w bezprzewodowe zasilanie, czego przykładem jest system oczyszczania wody eSpring. Wykorzystuje on filtr węglowy oraz lampę ultrafioletową zasilaną w sposób bezprzewodowy. Producent zapewnia, że upraszcza to wymianę żarówki UV i zwiększa niezawodność urządzenia, gdyż wyeliminowano uszczelki oraz złącze zasilające.

Dostępne są także bezprzewodowe ładowarki przeznaczone, np. dla kontrolerów konsoli Wii (tzw. Wiilot) - rysunek 13. Oprócz tego dla telefonu komórkowego Palm Pre można kupić ładowarkę Touchstone (rys. 14), która pozwala na automatyczne odbieranie rozmów - wystarczy podnieść telefon, gdy ktoś dzwoni. Po jego odłożeniu, w czasie rozmowy, aparat samoczynnie przełączy się w tryb głośnomówiący. Ładowanie bezprzewodowe umożliwia zwiększenie bezpieczeństwa oferowanych przez producenta wyrobów.

Dobrym tego przykładem jest latarka TX40 oraz ładowarka CX40 (rys. 15), stworzone przez Reference, które przeznaczone są do pracy w ciężkich warunkach i są odporne na działanie słonej wody, oleju, błota oraz trudnych warunków atmosferycznych. Dzięki temu zestaw nadaje się do pracy w przemyśle, włącznie z rafineriami, gdyż taka konstrukcja latarki sprawia, że nie ma ryzyka wybuchu paliwa. Nowa technologia pozwala producentom oferować również bardziej "oryginalne" urządzenia, takie jak elektrycznie podgrzewane kapcie lub buty. Współdziałają one z bezprzewodową matą zasilającą i po ułożeniu na niej nóg dostarczana energia jest zamieniana na ciepło. Jest to cenna właściwość np. dla wartowników.

Podsumowanie

Rynkowy sukces nowej technologii jest w dużej mierze uzależniony od sprawności, niezawodności oraz łatwości użytkowania. Nie bez znaczenia będzie także uczucie obcowania z najnowszą technologią, które zachęci konsumentów do inwestycji w nowe rozwiązania zamiast pozostawania przy sprawdzonych, przewodowych zasilaczach. Zainteresowanie będzie prawdopodobnie w dużej mierze uzależnione od ceny, im bardziej będzie ona przystępna, tym większe prawdopodobieństwo sukcesu.

Niemniej bez względu na sposób dystrybucji energii (rozsiewczy bądź zbliżeniowy) konieczne jest zagwarantowanie pracy urządzeń w każdych warunkach. Znaczące jest także bezpieczeństwo użytkowników, których najprawdopodobniej trzeba będzie przekonać, że oferowane rozwiązania nie stanowią dla nich zagrożenia.

Zbliżeniowa technologia eCoupled wydaje się mieć ułatwione zadanie, gdyż w jej przypadku wytwarzane pole magnetyczne jest całkowicie pod kontrolą i zasadniczo nie promieniuje do otoczenia. Zasilanie bez przewodów rozpoczyna podbój rynku i dopiero czas pokaże, czy będzie to tylko ciekawostka dla nielicznych, czy też poważna rewolucja.

Jakub Borzdyński