Niech moc będzie z wami i z waszymi urządzeniami. Ładowanie bezprzewodowe
W pracy opublikowanej w styczniu 2021 r. w "Nature" zasugerowano, że architekci sieci 5G mogą nieświadomie zbudować coś, czego nie udało się zbudować Tesli na przełomie XX i XXI wieku - "bezprzewodową sieć energetyczną", która mogłaby zostać przystosowana do ładowania lub zasilania małych urządzeń wbudowanych w samochody, domy, miejsca pracy i fabryki.
Ponieważ 5G opiera się na gęstej sieci masztów i anten, możliwe jest, że ta sama infrastruktura, z pewnymi poprawkami, może przekazywać energię do małych urządzeń. Jednak system nadal będzie cierpieć na ten sam problem, które miały wieże Tesli - wysokie straty energii.
Przeznaczone dla sieci 5G pasma fal milimetrowych mmWave mogą przenosić zarówno połączenie internetowe, jak i energię elektryczną. W eksperymentach wykorzystano nowe typy anten ułatwiających bezprzewodowe ładowanie. W laboratorium naukowcy wykorzystali łącza typu 5G do przesyłania mocy na stosunkowo niewielką odległość nieco ponad dwóch metrów, ale spodziewają się, że kolejna wersja ich urządzenia będzie w stanie przesłać 6 μW (6 milionowych części wata) na odległość 180 metrów. To wciąż mało. Nie wystarczy do ładowania telefonu. Może jednak ładować lub zasilać urządzenia IoT, czujniki i alarmy. W fabrykach setki czujników IoT mogą być wykorzystywane do monitorowania magazynów, przewidywania awarii maszyn lub śledzenia ruchu części wzdłuż linii produkcyjnej.
Aby zapewnić bezprzewodowe zasilanie na tym poziomie, maszty 5G muszą mieć co najmniej 31 kW mocy, co odpowiada dziesięciu czajnikom stale gotującym wodę. Chociaż obawy, że technologia 5G może powodować raka, zostały obalone przez naukowców, to jednak taka ilość energii pochodząca z masztów może być niebezpieczna. Zgonie z przepisami bezpieczeństwa użytkownicy będą musieli trzymać się w odległości co najmniej 16 metrów od masztów. Technika ta jest dopiero w powijakach.
Możliwe, że przyszłe rozwiązania, choćby nowe anteny z węższymi i bardziej ukierunkowanymi wiązkami, mogłyby znacznie zredukować ilość energii wymaganej do pracy systemu. Niedawno zespół naukowców z Georgia Institute of Technology opracował małą, drukowaną w 3D antenę prostowniczą, która potrafi zbierać energię elektromagnetyczną z sygnałów sieci 5G i wykorzystywać ją do zasilania urządzeń. Elastyczna antena, której konstrukcja oparta jest na soczewkach Rotmana, może zbierać fale milimetrowe w paśmie 28 GHz. Energia fal elektromagnetycznych przekazywana jest do prostownika i emitowana bezprzewodowo np. do elektroniki noszonej lub modułów IoT.
Podobne do opisywanych wyżej rozwiązania są już w niektórych miejscach na świecie testowo wdrażane. Powerco, drugi co do wielkości dystrybutor energii elektrycznej w Nowej Zelandii, w programie pilotażowym testuje działanie systemu Emrod, który wykorzystuje anteny prostownicze (rectennas), które przechwytują fale w zakresach widma elektromagnetycznego odpowiadających częstotliwościom np. Wi-Fi lub Bluetooth, a następnie przesyłają energię elektryczną w zakresie mikrofal z jednego punktu do drugiego (2). Jednocześnie małe lasery monitorują anteny prostownicze, aby wykryć wszelkie przeszkody pomiędzy punktami przekaźnikowymi. "Opracowaliśmy technologię bezprzewodowego przesyłania energii elektrycznej na duże odległości", podsumowuje założyciel firmy Emrod, Greg Kushnir.
Projekty bezprzewodowego transferu energii na jeszcze większe odległości docierają do kosmosu. Jak się okazało niedawno, tajemniczy mini wahadłowiec X-37B służy również do testowania przez Pentagon technologii do transferu energii na odległość i zasilania nią najróżniejszych urządzeń. Na pokładzie X-37B znalazła się specjalna płytka o średnicy 30 centymetrów, która ma za zadanie konwertować energię słoneczną w energię mikrofalową. Wyniki eksperymentu PRAM-FX podobno bardzo zaskoczyły naukowców. Wydajność konwersji jest bowiem znacznie wyższa, niż oczekiwano.
Jaki jest plan Pentagonu? Armia chce w sposób bezprzewodowy przesyłać ogromne ilości energii z orbity na Ziemię, a następnie po całym świecie. Atutem tej technologii jest fakt, że niestraszne są jej nawet najgorsze warunki atmosferyczne. Naukowcy widzą jej zastosowanie nie tylko w bazach na Marsie czy Księżycu, gdzie będzie można w jednym miejscu produkować energię, a później przesyłać ją do oddalonych baz, ale również na Ziemi, np. do transmisji energii pomiędzy odległymi obiektami.
Pentagon jest obecnie w trakcie budowy pojazdu kosmicznego o nazwie Arachne i systemu solarnego Helios. Pojazd będzie wyposażony w specjalne płytki solarne i system przesyłu energii do pojazdów orbitalnych, a także na Ziemię. Urządzenie ma zostać wysłane w kosmos już w 2023 roku. Armia USA planuje w latach 20. XXI wieku wybudowanie na ziemskiej orbicie kilku farm solarnych, w których będzie można produkować energię i wysyłać ją na Ziemię lub zasilić nią instalacje kosmiczne.
Podobne farmy powstaną też na orbicie Księżyca i Marsa, bo w projekt zaangażowana jest również NASA.
Indukcja lub fale
Pod pojęciem "bezprzewodowego ładowania" rozumie się proces elektrycznego ładowania urządzeń i sprzętu zasilanego z akumulatorów bez konieczności stosowania przewodowego połączenia elektrycznego. Ogólnie rzecz biorąc, są trzy podtypy ładowania: indukcyjne, rezonansowe i radiowe.
Ładowanie indukcyjne wykorzystuje zjawisko fizyczne indukcji elektromagnetycznej. Gdy prąd zmienny przepływa przez cewkę indukcyjną w stacji ładującej, poruszający się ładunek elektryczny wytwarza pole magnetyczne, którego natężenie zmienia się.
To zmienne pole magnetyczne wytwarza w cewce indukcyjnej urządzenia ładowanego zmienny prąd elektryczny, który z kolei przechodzi przez prostownik. Prąd stały ładuje baterię lub zapewnia zasilanie robocze. Koncepcja ładowania indukcyjnego została po raz pierwszy zbadana przez angielskiego fizyka Michaela Faradaya w 1831 r., a następnie udoskonalona przez Nikolę Teslę.
Najbardziej obecnie popularnym na świecie zastosowaniem tego rodzaju techniki jest standard ładowania bezprzewodowego Qi dla smartfonów, smartwatchy i tabletów (3). Ładowanie indukcyjne jest również stosowane w pojazdach, elektronarzędziach, elektrycznych szczoteczkach do zębów i urządzeniach medycznych. Urządzenia przenośne można umieścić w pobliżu stacji ładującej lub podkładki indukcyjnej bez konieczności ich precyzyjnego ustawiania lub kontaktu elektrycznego ze stacją dokującą lub wtyczką.
Większe odległości między cewkami nadajnika i odbiornika można osiągnąć, gdy w systemie ładowania indukcyjnego zastosuje się rezonansowe sprzężenie indukcyjne, w którym do każdej cewki indukcyjnej dodaje się kondensator w celu utworzenia dwóch obwodów o określonej częstotliwości rezonansowej. Częstotliwość prądu zmiennego jest dopasowywana do częstotliwości rezonansowej, a ta jest wybierana w zależności od odległości wymaganej dla uzyskania szczytowej wydajności.
Jedną z najgłośniejszych w tej branży firm jest startup WiTricity znany ze swojej technologii ładowania bezprzewodowego opartego właśnie na rezonansie elektromagnetycznym. Rozwiązania tej firmy składają się z nadajników i odbiorników, które mają magnetyczne anteny dostrojone do tej samej częstotliwości, co pozwala platformie ładować wiele urządzeń w tym samym czasie.
Głównym celem WiTricity jest wyposażenie pojazdów elektrycznych w ten system. WiTricity nawiązała współpracę z Toyotą, która testowała maty ładujące w hybrydach Prius, a także z Hondą, Hyundaiem, Nissanem i GM. Dopiero jednak BMW 2018 530e iPerformance 2018e stał się pierwszym modelem z takim systemem, który trafił na rynek.
Bezprzewodowe ładowanie w zakresach radiowych zostało już wcześniej przedstawione wraz z rysem historycznym sięgającym czasów Tesli. Opiera się na innych zasadach fizycznych - transmisji energii przez fale elektromagnetyczne. Obecnie działa w niewielkich zakresach mocy, choć prace rozwojowe wciąż trwają.
W 2015 roku za pomocą mikrofalowej technologii bezprzewodowej udało się przesłać energię o mocy 1,8 kilowata na odległość 55 metrów. W dodatku miało to miejsce nie w próżni, a w zwykłej ziemskiej atmosferze. Dokonali tego badacze japońscy i uważano to za duże osiągnięcie w pracach nad przesyłaniem energii bez użycia elektrycznych przewodów. W Japonii badania nad bezprzewodowym przekazywaniem energii elektrycznej na duże odległości prowadzi się od wielu lat. Znane są też tamtejsze plany pozyskiwania energii ze Słońca za pomocą wielkich farm słonecznych w przestrzeni kosmicznej.
Patenty i standardy
Większość spośród ponad pół tysiąca patentów w tej dziedzinie zgłoszonych w latach 2019-20 pochodzi z Chin - 401 (4). Oczywiście amerykańskie korporacje, takie jak Qualcomm i Apple, również aktywnie rozwijają nowe technologie ładowania bezprzewodowego. W Korei Płd. aktywne są w tej dziedzinie badań Samsunga i LG ze swoimi flagowymi smartfonami z serii Galaxy S i V obsługującymi ładowanie bezprzewodowe. Z kolei w Japonii techniką tą interesują się przede wszystkim giganci motoryzacyjni, Toyota i Nissan.
Aby jednak ładowanie bezprzewodowe stało się powszechne, potrzebne są również międzynarodowe standardy. W ostatnich latach pojawiły się dwa standardy bezprzewodowego ładowania - Qi i Power Matters Alliance (PMA).
Qi wykorzystuje pasmo 100…205 kiloherców. Jak podaje Wireless Power Consortium, na rynku jest obecnie ponad 3700 certyfikowanych urządzeń Qi, które są w stanie dostarczyć od 5 do 15 watów mocy do urządzeń mobilnych.
Standard ładowania PMA wykorzystuje pasmo 277…357 kHz. Znana również jako standard AirFuel Alliance, ta bezprzewodowa opcja zapewnia zasilanie z odległości do 50 milimetrów, umożliwiając korzystanie z urządzeń podczas ładowania i pozwalając na ładowanie wielu urządzeń jednocześnie.
Choć oba te standardy wykorzystują ładowanie indukcyjne i mają podobne struktury komponentów, nie są interoperacyjne. Urządzenia wymagają różnych konfiguracji do obsługi PMA i Qi. Wiele nowszych urządzeń zawiera sprzęt niezbędny do korzystania z obu standardów ładowania. Sytuacja się zmienia, gdyż Qi zdaje się zdobywać przewagę. Na przykład członek-założyciel konsorcjum PMA, firma Powermat, przechodzi na standard Qi, który został również przyjęty przez Apple jako standard ładowania bezprzewodowego. Inni wiodący producenci, którzy pracują w standardzie Qi, to, poza Apple, Asus, HTC, LG Electronics, Motorola Mobility, Nokia, NuCurrent, Samsung, BlackBerry, Xiaomi i Sony.
W poszukiwaniu wygody, wydajności i niezawodności
Przyjrzyjmy się dostępnym na rynku lub świeżo opracowanym rozwiązaniom. Producenci dążą do tego, aby urządzenia tego rodzaju były wygodne w użytkowaniu. Przykładem może być Wharf Worktops, jeden z wiodących brytyjskich producentów blatów roboczych, który zaoferował technikę integracji technologii ładowania bezprzewodowego z powierzchnią swoich blatów roboczych. Ten prosty i wydajny system o modułowej budowie wykorzystuje nadajnik SupaPowa ze standardem Qi, która umożliwia przepływ prądu pomiędzy cewką nadajnika i odbiornika, które znajdują się w bliskiej odległości.
Nowoczesny i stylowy blat świeci, gdy urządzenie jest naładowane. Producent proponuje również umieszczenie kontrastującego dysku materiału na blacie, co sprawia, że lokalizacja punktu ładowania może być wyraźnie widoczna dla wszystkich użytkowników: w dzień i w nocy.
Zaproponowany z kolei przez firmę Aira system "FreePower" może być wbudowany w stoły, biurka i deski rozdzielcze, aby przekształcić je w podkładki do ładowania zdolne do zasilania wielu urządzeń jednocześnie. Typowe ładowarki kontaktowe mają skoncentrowany obszar cewek, które muszą być ustawione w jednej linii ze smartfonem, aby go naładować. Powierzchnie zasilane przez Aira wykorzystują wiele cewek na całej powierzchni i algorytmy, które śledzą ładowane urządzenia.
Bezprzewodowy system ładowania WattUp (5) firmy Energous pozwala użytkownikom na ładowanie smartfonów, tabletów i innych urządzeń znajdujących się w tym samym sąsiedztwie co platforma. WattUp działa podobnie do WiTricity (rezonans magnetyczny), ale różni się od rozwiązań startupu z Bostonu tym, że nadajnik wykorzystuje Bluetooth do wyszukiwania urządzeń, które są przystosowane do ładowania za pomocą aplikacji Energous.
Jedną z najbardziej znanych na rynku światowym jest technika Powermat (6), zwana SmartInducitve, oparta na indukcji magnetycznej, która umożliwia przesyłanie energii na większe odległości, do 40 cm, wspiera bezprzewodowe ładowanie przy znacznym przesunięciu (nawet w pozycjonowaniu kątowym) i jest odpowiednia do ładowania i zasilania urządzeń bezprzewodowo przez ściany, na odległość, w trudnych warunkach zewnętrznych, pod wodą, a nawet w środowiskach o wysokim stopniu metaliczności.
Z kolei firma Elix Wireless opracowuje ładowarki o dużej mocy od 1 000 do 20 000 W dla dowolnych zastosowań ładowania bezprzewodowego, w tym pojazdów elektrycznych i urządzeń przemysłowych. Firma specjalizuje się w „sprzężeniu magnetodynamicznym” (MDC), które wykorzystuje parę obracających się magnesów zarówno w nadajniku, jak i odbiorniku, przy czym oba elementy są oddzielone szczeliną powietrzną. Obrót magnesu w jednostce nadawczej powoduje synchroniczny obrót magnesu w odbiorniku, co pozwala na efektywny transfer mocy, który wytwarza mniej ciepła niż inne metody indukcyjne.
Na tle wszystkich opisywanych tu rozwiązań produkt uBeam wyróżnia się tym, że do ładowania wykorzystuje ultradźwięki. Według opisu techniki przygotowanego przez firmę platforma działa za pomocą nadajnika, który jest podobny do głośnika, emitując dźwięk o wysokiej częstotliwości w zakresie od 45 do 75 kHz (niesłyszalny dla ludzi i zwierząt). Następnie wykorzystuje antenę typu phased-array, aby skierować dźwięk do odbiornika podobnego do mikrofonu, w które wyposażone jest urządzenie potrzebujące zasilania. Następnie energia fal ultradźwiękowych jest przekształcana w prąd stały. Po naładowaniu urządzenia transmisja energii zostaje przerwana.
Uwaga na obce ciała
Pomimo nieustannego rozwoju i udoskonaleń stosowane obecnie w praktyce techniki ładowania nastręczają wciąż sporo problemów. Jak zauważono w artykule opublikowanym niedawno w "The New York Times", ładowanie iPhone’a XR za pomocą 12-watowej ładowarki przewodowej firmy Apple zwiększyło poziom naładowania baterii o 38 procent w ciągu 30 minut, ale przy użyciu bezprzewodowej stacji ładującej przez pół godziny uzyskano tylko 24 procent naładowania.
Wynik zatem niezbyt imponujący. Dodatkowo, im dalej odbiornik znajduje się od nadajnika, tym mniej energii otrzyma z pola magnetycznego. Wydajność ładowania spada nie tylko wraz ze wzrostem odległości, ale również z powodu ustawienia w "nieoptymalnej" pozycji. Ponadto wszystkie metody przesyłu energii wytwarzają ciepło. Bezprzewodowe ładowanie nie jest lepsze, a w pewnych okolicznościach może powodować większe problemy niż ładowanie po kablu.
W ładowaniu bezprzewodowym trzeba uważać na obce ciała, które znajda się w pobliżu cewki, zwłaszcza jeśli są wykonane z metalu. Na przykład, moneta lub zestaw kluczy przypadkowo umieszczony na ładowarce może spowodować rozpoczęcie przesyłania energii, potencjalnie topiąc przedmiot i uszkadzając ładowarkę. Są oczywiście takie urządzenia, które alarmują w przypadku znalezienia się obcych ciał tam, gdzie ich nie powinno być, ale jak łatwo się domyślić, nie są tańsze niż zwykłe.
Energia z powietrza może rozwiązać problem baterii
Nasila się walka o poprawienie tych wciąż mało imponujących parametrów bezprzewodowych ładowarek. Firmy szukają sposobów, aby proces ładowania smartfonów był wygodniejszy, aby telefon nie musiał znajdować się w pobliżu gniazdka lub być precyzyjnie umieszczony na powierzchni ładującej. W 2019 roku chińska firma OPPO zaproponowała modele telefonu Reno Ace, który współpracował z bezprzewodową ładowarką o mocy 65 watów, co pozwalało naładować akumulator do 100 proc.
w ciągu 30 minut. Od tego czasu trwa rywalizacja o największą moc ładowania przewodowego. W 2020 roku VIVO i Xiaomi ogłosiły technologię ładowania przewodowego o mocy 120 W, co pozwala naładować akumulator 4000 mAh w 20 minut. Jednak urządzeń tych na razie nie ma na rynku, podobnie jak zapowiedzianego przez Xiaomi, 80-watowego systemu.
Początek 2021 r. to seria prezentacji systemów ładowania urządzeń mobilnych na duże odległości "bez przewodów i jakichkolwiek stojaków ładujących". Pierwsza swoje rozwiązanie zaprezentowała OPPO. Na filmie demonstracyjnym widzimy, że telefon ładuje się bezprzewodowo pomimo podniesienia z podkładki. Wkrótce po tej prezentacji Chińczycy z Xiaomi zapowiedzieli system Mi Air Charge. Kilka dni później, już w lutym, Motorola zademonstrowała zdalną stację ładującą o nazwie "Motorola One Hyper" (7). Zaś japońska firma Aeterlink zaprezentowała urządzenie "Airplug", które według jej zapewnień zasila urządzenia oddalone nawet o ok. 20 metrów.
W marcu Xiaomi ujawniło więcej szczegółów na temat swojej odległościowej techniki ładującej. Jej ładowarka jest wyposażona w anteny, które są w stanie wykryć położenie smartfona. Matryca kontroli fazy składająca się z 144 anten transmituje fale milimetrowe bezpośrednio do telefonu poprzez kształtowanie wiązki (ang. "beamforming"). Układ anten odbiorczych składający się z 14 anten konwertuje sygnał fal milimetrowych na energię elektryczną, która ładuje telefon.
Firma zapowiedziała, że "w niedalekiej przyszłości" system będzie również w stanie współpracować z inteligentnymi zegarkami, bransoletkami i innymi urządzeniami noszonymi. Po stronie smartfona Xiaomi opracowało" antenę sygnalizacyjną" i m"atrycę anteny odbiorcze" Ta pierwsza nadaje informacje o położeniu.
Jednym z pomysłów na ładowanie over-the-air jest bezprzewodowa ładowarka dalekiego zasięgu, którą wkręca się w gniazdo żarówki. Jest to produkt rozwijany przez izraelską firmę Wi-Charge. Ma używać światła podczerwonego do przesyłu mocy ok. dwóch watów. Firma demonstrowała tę technikę na CES w 2020 roku i została nagrodzona za innowacyjność. Pomysł polega na tym, że nadajnik byłby podłączony do tradycyjnych źródeł zasilania w domu i przekształcałby energię elektryczną w laserowe wiązki w zakresie podczerwieni. Odbiorniki wbudowane w urządzenia konwertowałyby to światło do zasilania. Na razie Wi-Charge implementuje swoje rozwiązanie do zdalnego ładowania kamer bezpieczeństwa i inteligentnych półek w amerykańskich sklepach i magazynach.
Jeśli elektronika noszona miałaby kiedykolwiek korzystać z odległościowego ładowania over-the-air czy to w sieci takiej jak 5G, czy w innej technice, w trybie non stop, można by zmniejszyć w nich akumulatory a w niektórych wypadkach w ogóle z nich zrezygnować. To rozwiązuje wiele problemów, z którymi obecnie boryka się sektor "wearables".
Mirosław Usidus
